燃料電池作為一種將燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其理論熱效率高達近100%，實際轉(zhuǎn)換效率也可達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。被“時代周刊”列為改變未來世界的十大新科技之一。
氫燃料電池堆是整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，而氫燃料電池堆的關鍵零部件的性能直接關系到電池堆的使用可靠性，單體零部件的性能對燃料電池堆的整體性能起著決定性的影響，因此電池堆關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題，因此在電堆集成前需要對各個部件的工作穩(wěn)定性進行測試。本文梳理了質(zhì)子交換膜燃料電池的關鍵零部件的典型測試要求，包括質(zhì)子交換膜、電催化劑、膜電極、雙極板、擴散層等。

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反應氣體，此外還需要對催化劑層起到支撐作用。
測試標準依據(jù)GB/T 20042.3-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》。主要測試項目包括：厚度均勻性、透氣率質(zhì)子交換傳導率、離子交換當量、拉伸性能、吸水率和溶脹率。
以測試項目中的力學性能試驗-拉伸強度測試為例，需要采用萬能試驗機測量材料在拉伸過程中承受的最大拉伸應力，以MPa表示。材料的拉伸強度作為一項重要的力學性能，其性能直接關系到材料使用過程中的可靠性，對于拉伸強度較小的材料，會因使用過程中拉伸外力造成材料斷裂現(xiàn)象引起材料失效。試驗樣品：啞鈴型或長條形，每方向3根；在溫度25℃±2℃，相對濕度50%±5%的條件下至少處理4h；試驗參數(shù)：50-200mm/min。

圖1 萬能試驗機

a-脆性材料，b和c-有屈服點的韌性材料，d-無屈服點的韌性材料
圖2 典型拉伸應力-應變曲線

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）的關鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。
電催化劑測試標準依據(jù)GB/T 20042.4-200《質(zhì)子交換膜燃料電池 第4部分：電催化劑測試方法》。主要測試項目包括：Pt含量測試、電化學活性面積、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)生電化學反應的場所，其性能直接決定著燃料電池的發(fā)電能力及壽命。
膜電極測試標準依據(jù)GB/T 20042.5-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測試方法》。主要測試項目包括：厚度均勻性、Pt擔載量、單電池極化曲線、滲氫電流密度、活化極化過電位和歐姆極化過電位。
其中極化曲線測試是燃料電池測試中最常采用的性能評價測試方法，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)起來組裝成電堆的關鍵部件，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、復合材料。測試標準依據(jù)GB/T 20042.6-2011《質(zhì)子交換膜燃料電池 第6部分：雙極板特性測試方法》。主要測試項目包括：氣密性、抗彎強度、密度、電阻、和腐蝕電流等；雙極板部件的主要測試項目包括氣體致密性、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試采用四探針電阻測試儀，試驗樣品5cm×5cm，或有供需雙方?jīng)Q定，數(shù)量5個（至少保證3個有效值）；
體積電阻率作為材料的一個重要性能，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；
體積電阻率測試：靠近邊緣和中心的5個位置進行測試，記錄不同部位體積電阻值。

圖5 四探針法測電阻率裝置原理圖

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

圖6接觸電阻測試裝置示意圖

5、碳紙

碳紙是目前應用最廣泛的擴散層材料，氣體擴散層用于分布反應氣體，在電極和雙板之間傳導子熱量，測試標準依據(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試方法》。測試項目包括：厚度均勻性、電阻、機械強度、透氣率、孔隙率和表觀密度、面密度、粗糙度。
用到的設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掃描樣品, 通過光束與物質(zhì)間的相互作用, 來激發(fā)各種物理信息, 對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質(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進行物質(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鍵部件的一些材料力學、電學基礎性能和微觀形貌分析測試，主要是參照國家標準、以及評估材料性能對于關鍵部件的基礎性能的影響來進行測試。
單體部件的性能對燃料電池電堆的整體性能（發(fā)電效率、環(huán)境適應性、長期使用可靠性等）起著決定性的影響，因此其各項性能檢測在研發(fā)、生產(chǎn)過程中至關重要。

審核編輯：符乾江