GB/T20042.3-2022質(zhì)子交換膜測試項目與檢測儀器配置方案（原創(chuàng)）
發(fā)布時間：2024-08-26
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作者：泉科瑞達儀器
質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）作為質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）的核心部件，其性能直接關(guān)乎燃料電池的整體效率和壽命。在燃料電池領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜不僅承擔著傳導質(zhì)子的任務(wù)，還需有效阻隔電子和其他物質(zhì)的通過，確保電池的安全高效運行。因此，對質(zhì)子交換膜進行全面的測試與評估，是確保燃料電池性能與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。泉科瑞達在新能源行業(yè)有拉力機、測厚儀以及定制型自動測控儀器的眾多用戶，本文將結(jié)合GB／T20042.3-2022質(zhì)子交換膜燃料電池 第３部分質(zhì)子交換膜測試方法標準，從質(zhì)子交換膜的氣體透過率、拉伸強度（包括拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率）、180°剝離強度、厚度均勻性等測試項目全面介紹各項檢測指標意義、要求以及相應的儀器配置方案。
一、氣體透過率測試項目與儀器
1、氣體透過率和氣體透過系數(shù)
氣體透過率是在恒定溫度和單位壓力差下,穩(wěn)定透過時,單位時間內(nèi)透過試樣單位面積的氣體的體積。氣體透過系數(shù)在恒定溫度和單位壓力差下,在穩(wěn)定透過時,單位時間內(nèi)透過試樣單位厚度、單位面積的氣體的體積。
注1:氣體透過率用標準溫度和壓力下的體積值表示,單位為立方厘米每平方米天帕[cm3/(㎡·d·Pa)]。氣體透過系數(shù)用標準溫度和壓力下的體積值表示,單位為立方厘米厘米每平方米秒帕[cm3/·cm/(cm·s·Pa)]。
氣體透過率是衡量質(zhì)子交換膜阻隔性能的重要指標。在恒定溫度和單位壓力差下，通過測量單位時間內(nèi)透過試樣單位面積的氣體的體積，可以評估膜的氣體阻隔能力。氣體透過率越低，表明膜的阻隔性能越好，能夠有效防止氫氣和氧氣直接混合，提高燃料電池的效率和安全性。質(zhì)子交換膜氣體透過率并非越高越好，合適的透氣性能可以確保質(zhì)子交換膜在阻隔燃料和氧化劑的同時，允許適量的水分子通過，以維持膜的導電性。
2、氣體透過率測試需要使用的儀器
按照GB／T20042.3-2022質(zhì)子交換膜燃料電池 第３部分：質(zhì)子交換膜測試方法標準規(guī)定，質(zhì)子交換膜透氣率測試應當采用壓差法原理的氣體滲透儀，標準對儀器的要求檢測最低限≥0.05ｃm3/(㎡·d·Pa，真空分辨率為±0.1Pa。
推薦使用的儀器為泉科瑞達儀器（QKTESTER）的GTR-H2氣體透過率測試儀(易燃易爆氣體透過率測試專用儀器)。此款儀器采用試驗主機與電控單元箱分體式設(shè)計，試驗機內(nèi)閥件除真空傳感器（也做了防爆處理）外其余控制閥全全部采用氣動閥體，可以保證測試主機部分對于易燃易爆氣體測試的安全性，而分體式電控單位元箱則集中了電測器件，可以實現(xiàn)距離測試主機5米外的控制；并且采用485協(xié)議，甚至可以實現(xiàn)控制器距離百米外的遠程控制要求。
二、拉伸強度測試
按照GB／T20042.3-2022質(zhì)子交換膜燃料電池 第３部分：質(zhì)子交換膜測試方法標準規(guī)定，質(zhì)子交換膜拉伸強度指標主要包括拉伸強度（tensile strength）、彈性模量（modulus of elasticity in tension）、斷裂拉伸應變（tensile strain at break）三個的指標。
1、拉伸強度（tensile strength）
在給定溫度、濕度和拉伸速度下,在標準膜試樣上施加拉伸力,試樣斷裂前所承受的最大拉伸力與試樣的橫截面面積的比值。
注1:橫向拉伸強度:表示平行于膜卷軸向的膜的拉伸強度,用σTD表示。
注 2:縱向拉伸強度:表示重直于膜卷軸方向的膜的拉伸強度,以σMD表示。
2、彈性模量（modulus of elasticity in tension）
質(zhì)子交換膜中,應力應變曲線上初始直線部分的斜率
注1:橫向拉伸彈性模量:表示平行于膜卷軸向的膜的拉伸彈性模量,用ETD表示。
注 2:縱向拉伸彈性模量:表示垂直于膜卷軸方向膜的拉伸彈性模量,以EMD.表示。
注 3:推薦應力應變曲線上應變分別為ε1=0.5%和ε2=2.5%的兩個點的斜率為彈性模量。
注4:彈性模量用E表示,單位為兆帕(MPa)。
3、斷裂拉伸應變（tensile strain at break）
試樣發(fā)生斷裂時,原始標距單位長度的增量
注 1:橫向斷裂拉伸應變:表示平行于膜卷軸向的膜的斷裂拉伸應變,用εTD表示。
注 2:縱向斷裂拉伸應變:表示垂直于膜卷軸方向膜的斷裂拉伸應變,以εMD表示。
注3:斷裂拉伸應變用ε表示,單位為無量綱的比值或百分數(shù)(%)。
4、拉伸強度測試和儀器配置方案
質(zhì)子交換膜拉伸強度測試用于評估質(zhì)子交換膜在拉伸加載下的最大承載能力。在給定試驗條件和拉伸速度下，對標準膜試樣施加拉伸力，直至試樣斷裂，記錄其斷裂前所承受的最大拉伸力與試樣橫截面面積的比值，即為拉伸強度，按相應的統(tǒng)計方式同時給出斷裂拉伸應變和彈性模量。該測試能夠反映膜材料的力學穩(wěn)定性和耐機械損傷能力。
推薦使用泉科瑞達儀器的ETT-H2智能電子拉力試驗機,該儀器?？顚Ｓ?/span>，專門針對質(zhì)子交換膜拉伸性能試驗的三個要求，設(shè)置好相應參數(shù)后，一次性給出三個統(tǒng)計結(jié)果；我司還提供專用的取樣裝置，專業(yè)用于試樣制備。
三、180°剝離強度測試peeling force at 180 angle
1、剝離強度試驗項目及要求
180剝離強度是在剝離角度為 180°的剝離條件下,一定寬度測試樣條以一定速度連續(xù)剝離時所需要的載荷，180°剝離強度的單位為牛每毫米(N/mm)。
在深入探討質(zhì)子交換膜（PEM）的180度剝離測試之前，我們首先需要理解質(zhì)子交換膜作為燃料電池核心部件的重要性。PEM不僅分隔了燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣），還允許質(zhì)子從陽極通過膜遷移至陰極，同時阻止電子的直接傳遞，從而維持電池內(nèi)部的電荷平衡，實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。而PEM的耐久性和穩(wěn)定性，尤其是其界面結(jié)合強度，直接關(guān)系到燃料電池的整體性能和壽命。因此，180度剝離測試作為評估PEM與催化劑層或氣體擴散層之間結(jié)合力的關(guān)鍵手段，顯得尤為重要。
2、質(zhì)子交換膜剝離強度試驗儀器配置方案
推薦使用泉科瑞達儀器的DBL-01,BLD-200N電子剝離試驗機；如果用戶選用了泉科瑞達器的ETT-H2智能電子拉力試驗機則無需加購儀器，該儀器配有專門滿足質(zhì)子交換膜剝離強度的試驗程序（包括180度與90度二種程序），可以更好的滿足用戶更多的需求，尤其是一些要開展90度剝離強度測試的要求。
四、厚度均勻性--質(zhì)子交換膜
1、質(zhì)子交換膜厚度均勻性檢測的意義
質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）作為燃料電池中的核心組件，其厚度及均勻性直接關(guān)系到燃料電池的整體性能與安全性
質(zhì)子交換膜不僅是分隔燃料與氧化劑的屏障，更是質(zhì)子傳遞的關(guān)鍵通道。其厚度的微小變化都可能對燃料電池的質(zhì)子傳導率、水管理能力及機械穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。具體來說，過厚的PEM可能導致電阻增加，降低能量轉(zhuǎn)換效率；而厚度不均則可能引發(fā)局部過熱、應力集中等問題，嚴重威脅燃料電池的安全運行。因此，對PEM的厚度進行精確控制和均勻性評估，是燃料電池研發(fā)與生產(chǎn)過程中不可或缺的一環(huán)。
按照GB／T20042.3-2022質(zhì)子交換膜燃料電池 第３部分：質(zhì)子交換膜測試方法標準規(guī)定質(zhì)子交換膜測厚儀：精度不低于０.1μｍ。 （卡尺：精度不低于０．０２ｍｍ，用于測試膜的長度和寬度）。
2、質(zhì)子交換膜厚度檢測儀器推薦
通過質(zhì)子交換膜厚度均勻性測試，可以全面了解PEM的厚度分布情況。這一信息對于燃料電池的設(shè)計、制造及后期維護都至關(guān)重要。它可以幫助工程師優(yōu)化PEM的制備工藝，確保每一片PEM都能達到理想的厚度和均勻性標準，從而提升燃料電池的整體性能和可靠性。同時，對于已經(jīng)制成的燃料電池，定期進行PEM厚度均勻性測試也是確保其長期穩(wěn)定運行的重要手段。基于質(zhì)子交換膜厚度均勻性測試的意義深遠，而專用的測試儀器則是實現(xiàn)這一測試目標的關(guān)鍵工具。
推薦泉科瑞達儀器的CHY-02、CHY-03專用測厚儀，該儀器按照膜材料測試標準設(shè)計制造，該款儀器在國內(nèi)新能源、膜材料儀器中有著較多的用戶群體。其基于機械接觸式測量原理，通過精密設(shè)計的測量頭、懸臂，以極小的壓力施加于試樣表面，利用業(yè)內(nèi)配置少有的高精傳感探頭實時捕捉并計算上下測量面之間的距離，從而準確獲取PEM的厚度值。
五、質(zhì)子交換膜檢測儀器與項目小結(jié)
質(zhì)子交換膜作為燃料電池的核心部件，其厚度、拉伸強度、剝離強度及透氣率等性能等指標的檢測，對于提升燃料電池的整體性能、延長使用壽命、推動清潔能源應用具有重要意義。泉科瑞達(qktester.com)作為專業(yè)的膜材檢測儀器制造商，不僅能夠按標準提供相應的儀器，還通過定制的方式為電池新能源行業(yè)提供了壓縮厚度測量儀、穿刺試驗儀等智能化儀器，解決因人而異的試驗差異；智能型測控技術(shù)與儀器有應用，大大的提高了相關(guān)檢測的效率和準確度。隨著科技的不斷進步和檢測技術(shù)的日益完善，相信在不久的將來，我們能夠看到更加高效、可靠、經(jīng)濟的質(zhì)子交換膜材料應用于燃料電池系統(tǒng)，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展貢獻更大力量。在這個過程中，每一位科研工作者和技術(shù)人員的努力與探索，都是不可或缺的重要力量。
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