燃料電池作為一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其理論熱效率高達(dá)近100%，實(shí)際轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)50%~60%，且其產(chǎn)物僅有水，因此其能量轉(zhuǎn)化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。被“時(shí)代周刊”列為改變未來(lái)世界的十大新科技之一。
氫燃料電池堆是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，而氫燃料電池堆的關(guān)鍵零部件的性能直接關(guān)系到電池堆的使用可靠性，單體零部件的性能對(duì)燃料電池堆的整體性能起著決定性的影響，因此電池堆關(guān)鍵零部件的性能成為電池堆生產(chǎn)商選材必須要考慮的問(wèn)題，因此在電堆集成前需要對(duì)各個(gè)部件的工作穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。本文梳理了質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵零部件的典型測(cè)試要求，包括質(zhì)子交換膜、電催化劑、膜電極、雙極板、擴(kuò)散層等。

1、質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是電堆的核心組件，以聚合物膜作為電解質(zhì)，其性能直接影響燃料電池的性能。質(zhì)子交換膜主要作用：一方面為電解質(zhì)提供氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩級(jí)反應(yīng)氣體，此外還需要對(duì)催化劑層起到支撐作用。
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.3-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測(cè)試方法》。主要測(cè)試項(xiàng)目包括：厚度均勻性、透氣率質(zhì)子交換傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量、拉伸性能、吸水率和溶脹率。
以測(cè)試項(xiàng)目中的力學(xué)性能試驗(yàn)-拉伸強(qiáng)度測(cè)試為例，需要采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量材料在拉伸過(guò)程中承受的最大拉伸應(yīng)力，以MPa表示。材料的拉伸強(qiáng)度作為一項(xiàng)重要的力學(xué)性能，其性能直接關(guān)系到材料使用過(guò)程中的可靠性，對(duì)于拉伸強(qiáng)度較小的材料，會(huì)因使用過(guò)程中拉伸外力造成材料斷裂現(xiàn)象引起材料失效。試驗(yàn)樣品：?jiǎn)♀徯突蜷L(zhǎng)條形，每方向3根；在溫度25℃±2℃，相對(duì)濕度50%±5%的條件下至少處理4h；試驗(yàn)參數(shù)：50-200mm/min。

圖1 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

a-脆性材料，b和c-有屈服點(diǎn)的韌性材料，d-無(wú)屈服點(diǎn)的韌性材料
圖2 典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2、電催化劑
電催化劑使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化劑，催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。
電催化劑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.4-200《質(zhì)子交換膜燃料電池 第4部分：電催化劑測(cè)試方法》。主要測(cè)試項(xiàng)目包括：Pt含量測(cè)試、電化學(xué)活性面積、比表面積、孔容、孔徑分布、形貌及粒徑分布、催化劑密度等。

圖3 氣相色譜儀

3、膜電極
膜電極是燃料電池堆的核心零部件，是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，其性能直接決定著燃料電池的發(fā)電能力及壽命。
膜電極測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.5-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測(cè)試方法》。主要測(cè)試項(xiàng)目包括：厚度均勻性、Pt擔(dān)載量、單電池極化曲線、滲氫電流密度、活化極化過(guò)電位和歐姆極化過(guò)電位。
其中極化曲線測(cè)試是燃料電池測(cè)試中最常采用的性能評(píng)價(jià)測(cè)試方法，反映的是燃料電池膜電極在不同電流密度下的電位。

圖4 典型燃料電池極化測(cè)試曲線

4、雙極板
雙極板是將質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)起來(lái)組裝成電堆的關(guān)鍵部件，雙極板用于分隔氫氣與氧氣并收集電流，雙極板兩側(cè)分別與陽(yáng)極和陰極的膜電極接觸，并支撐其他部件，其質(zhì)量直接影響燃料電池電堆的輸出功率和使用壽命。雙極板原材料主要包括：石墨、金屬材料、復(fù)合材料。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.6-2011《質(zhì)子交換膜燃料電池 第6部分：雙極板特性測(cè)試方法》。主要測(cè)試項(xiàng)目包括：氣密性、抗彎強(qiáng)度、密度、電阻、和腐蝕電流等；雙極板部件的主要測(cè)試項(xiàng)目包括氣體致密性、阻力降、面積利用率、厚度均勻性、平面度和電阻。
雙極板材料體積電阻率和接觸電阻測(cè)試采用四探針電阻測(cè)試儀，試驗(yàn)樣品5cm×5cm，或有供需雙方?jīng)Q定，數(shù)量5個(gè)（至少保證3個(gè)有效值）；
體積電阻率作為材料的一個(gè)重要性能，其性能優(yōu)異直接代表了材料使用的絕緣可靠性，體積電阻率較高的材料代表在同等使用工況下其絕緣可靠性更高；
體積電阻率測(cè)試：靠近邊緣和中心的5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，記錄不同部位體積電阻值。

圖5 四探針?lè)y(cè)電阻率裝置原理圖

接觸電阻測(cè)試：電極為鍍金銅電極，測(cè)試時(shí)擴(kuò)散層碳紙作為試樣兩側(cè)支撐物，壓力每增加0.1MPa進(jìn)行一次測(cè)試，直到兩次變化率≤5%；取出樣品后剩下裝置分別測(cè)試不同壓力下的電阻值。

圖6接觸電阻測(cè)試裝置示意圖

5、碳紙

碳紙是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)散層材料，氣體擴(kuò)散層用于分布反應(yīng)氣體，在電極和雙板之間傳導(dǎo)子熱量，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.7-201《質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙?zhí)匦詼y(cè)試方法》。測(cè)試項(xiàng)目包括：厚度均勻性、電阻、機(jī)械強(qiáng)度、透氣率、孔隙率和表觀密度、面密度、粗糙度。
用到的設(shè)備主要是掃描電子顯微鏡。掃描電子顯微鏡(SEM) 是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來(lái)掃描樣品, 通過(guò)光束與物質(zhì)間的相互作用, 來(lái)激發(fā)各種物理信息, 對(duì)這些信息收集、放大、再成像以達(dá)到對(duì)物質(zhì)微觀形貌表征的目的。此外, 掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結(jié)合, 可以做到觀察微觀形貌的同時(shí)進(jìn)行物質(zhì)微區(qū)成分分析。

圖7 掃描電鏡及原理示意圖

總結(jié)
綜上，本文介紹了燃料電池關(guān)鍵部件的一些材料力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)性能和微觀形貌分析測(cè)試，主要是參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、以及評(píng)估材料性能對(duì)于關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)性能的影響來(lái)進(jìn)行測(cè)試。
單體部件的性能對(duì)燃料電池電堆的整體性能（發(fā)電效率、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期使用可靠性等）起著決定性的影響，因此其各項(xiàng)性能檢測(cè)在研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要。

審核編輯：符乾江