GB/T 20042.3-2022主要內(nèi)容簡析

趙鑫 楊沄芃 王曉兵

摘 要：隨著燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展，對燃料電池質(zhì)子交換膜性能的要求也在逐漸提高。因此，燃料電池質(zhì)子交換膜的檢測能力也要相應(yīng)地有所提升，以滿足產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。本文聚焦燃料電池質(zhì)子交換膜性能的檢測能力，主要介紹GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》中的測試項(xiàng)目以及測試方法，對比分析GB/T 20042.3-2022與GB/T 20042.3-2009兩個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)容的變化。

關(guān)鍵詞：燃料電池，質(zhì)子交換膜，測試標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.024

Brief Analysis of Main Contents of GB/T 20042.3-2022

Zhao Xin1，2* Yang Yun-peng1，2 Wang Xiao-bing1，2

（1. CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.； 2. China Automotive Technology and Research Center Co.Ltd， Tianjin）

Abstract： With the commercialization of fuel cell vehicles， the requirements for the performance of proton exchange membrane for fuel cell are gradually increasing. Therefore， the text capabilities of proton exchange membrane for fuel cell need to be correspondingly improved to meet the industrial development needs. The test capabilities for the performance of proton exchange membrane for fuel cell were focused on in this paper. The test items and methods of GB/T 20042.3-2022 “proton exchange membrane fuel cell - part 3： testing method for proton exchange membrane”were mainly introduced. The content changes between GB/T 2042.3-2022 and GB/T 20042.3-2009 were analyzed.

Keywords： Fuel cell， Proton exchange membrane， Test standard

0 引 言

燃料電池電動(dòng)汽車作為解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一，是現(xiàn)代社會(huì)的研究焦點(diǎn)。隨著燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化發(fā)展，對質(zhì)子交換膜性能的要求也逐漸提高[1-3]。2022年發(fā)布的新版GB/ T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》[4]代替了2009版[5]，修改了質(zhì)子傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量、拉伸強(qiáng)度、吸水率、溶脹率的術(shù)語和定義表述以及質(zhì)子傳導(dǎo)率和透氣率的測試方法，調(diào)整了部分測試中質(zhì)子交換膜狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度、測試環(huán)境溫度以及卡尺精度。同時(shí)，增加了彈性模量、斷裂拉伸應(yīng)變、180°剝離強(qiáng)度、氣體透過率、氣體透過系數(shù)的術(shù)語和定義，增加了斷裂伸長率、彈性模量指標(biāo)以及180°剝離強(qiáng)度測試。此外，對溶脹率區(qū)分了橫向、縱向和厚度方向。

1 術(shù)語和定義

新版標(biāo)準(zhǔn)將舊版標(biāo)準(zhǔn)中的質(zhì)子傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量、拉伸強(qiáng)度、吸水率、溶脹率的術(shù)語和定義表述進(jìn)行了修改，并增加了彈性模量、斷裂拉伸應(yīng)變、180°剝離強(qiáng)度、氣體透過率、氣體透過系數(shù)的術(shù)語和定義。相比于舊版標(biāo)準(zhǔn)，新版標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語和定義表述涵蓋更加全面，解釋更加詳細(xì)，更便于理解與應(yīng)用。

2 厚度均勻性

對于質(zhì)子交換膜，厚度均勻性直接反應(yīng)了產(chǎn)品的生產(chǎn)加工工藝等技術(shù)水平，對產(chǎn)品的性能一致性、可靠性以及穩(wěn)定性影響較大。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了卡尺精度，由2009版的“0.01 mm”調(diào)整為“0.02 mm”，卡尺主要用來測量質(zhì)子交換膜的長和寬，不需要很高的精度，基于產(chǎn)業(yè)化需求，在保證測量精度的同時(shí)，降低不必要的精度可以節(jié)約成本。同時(shí)，調(diào)整了狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調(diào)整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產(chǎn)業(yè)化的固有經(jīng)驗(yàn)。對比新舊兩版標(biāo)準(zhǔn)中的要求，2009版中的“每100 cm2樣品的測試點(diǎn)不少于9個(gè)”在新版標(biāo)準(zhǔn)中改為了“每100 cm2樣品的測試點(diǎn)不少于30個(gè)”，增加了測試點(diǎn)數(shù)，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 質(zhì)子傳導(dǎo)率

質(zhì)子傳導(dǎo)率是評價(jià)質(zhì)子交換膜工作性能的重要指標(biāo)之一，直接反映了質(zhì)子在膜內(nèi)的遷移能力。新版標(biāo)準(zhǔn)將卡尺精度由2009版的“0.01 mm”調(diào)整為“0.02 mm”，卡尺主要用來測量質(zhì)子交換膜的長和寬，膜的長和寬主要用于與電導(dǎo)率測試裝置大小匹配，不需要很高的精度。同時(shí)，調(diào)整了狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調(diào)整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產(chǎn)業(yè)化的固有經(jīng)驗(yàn)。舊版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“將電導(dǎo)率測量池置于溫度為25℃±2℃，相對濕度為50%±5%的恒溫恒濕環(huán)境中，在頻率范圍為（1～2×10⁶）Hz、擾動(dòng)電壓10 mV條件下用電化學(xué)阻抗測試儀測得樣品的阻抗譜圖”。新版標(biāo)準(zhǔn)對測試條件進(jìn)行了修改，規(guī)定“設(shè)定溫度、濕度等測試條件，測試條件如表1所示（其他測試條件也可由測試委托方與測試方協(xié)商確定）。待測試腔內(nèi)達(dá)到所設(shè)定溫度、濕度并穩(wěn)定30min后，在頻率范圍為1～2×10⁶Hz、擾動(dòng)電壓10mV條件下用電化學(xué)阻抗測試儀測得樣品的阻抗譜圖”。新版標(biāo)準(zhǔn)基于產(chǎn)業(yè)化需求將測試條件調(diào)整為常溫低濕、常溫常濕、常溫高濕、高溫低濕、高溫常濕、高溫高濕六個(gè)工況，技術(shù)要求及測試結(jié)果范圍更加全面，便于考察不同溫濕度條件下的質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，更符合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

4 離子交換當(dāng)量

離子交換當(dāng)量的數(shù)值大小反映了質(zhì)子交換膜內(nèi)的酸濃度，直接影響了產(chǎn)品傳輸質(zhì)子的能力，與燃料電池的性能直接相關(guān)。新版標(biāo)準(zhǔn)中將真空烘干條件由2009版的“真空度為0.1MPa”調(diào)整為“絕對壓力不高于20 kPa”，提高真空度有利于提高烘干效率，更符合當(dāng)前技術(shù)要求。同時(shí)，新版標(biāo)準(zhǔn)還增加了對真空烘干后的樣品重量復(fù)測的要求，規(guī)定“真空干燥8h，移至干燥器中冷卻至室溫后，快速稱量（30s內(nèi)完成），至恒重，前后兩次稱量之差小于0.2mg”，更好地保證了樣品的干燥狀態(tài)，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 透氣率測試

透氣率定義為在恒定溫度和單位壓力差下，穩(wěn)定透過時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)透過試樣單位面積的氣體的體積，主要用于考察氣體在質(zhì)子交換膜中的滲透性能。嚴(yán)格限制質(zhì)子交換膜的透氣率上限，避免微小穿孔竄漏量過大，是避免熱失控危險(xiǎn)的重要保障。新版標(biāo)準(zhǔn)使用壓差法進(jìn)行透氣率測試，并增加了氣體透過系數(shù)指標(biāo)。壓差法透氣率測試對于測試氣體沒有選擇性，對不同的測試氣體的通用性非常好。隨著真空規(guī)檢測技術(shù)的進(jìn)步以及真空技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，設(shè)備的檢測精度以及測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性大大提高，因此許多科研檢測機(jī)構(gòu)均使用該方法進(jìn)行透氣率測試。舊版標(biāo)準(zhǔn)采用的試等壓法透氣率測試方法，所使用的傳感器屬于消耗型元件，設(shè)備標(biāo)定所得的校正因子并非長期有效，需要根據(jù)要求進(jìn)行周期性設(shè)備標(biāo)定，當(dāng)傳感器的損耗達(dá)到一定程度時(shí)必須更換，測試成本高，結(jié)果準(zhǔn)確性較壓差法低。因此，新版標(biāo)準(zhǔn)更符合當(dāng)前的技術(shù)要求。

6 拉伸性能

拉伸性能的好壞主要取決于燃料電池質(zhì)子交換膜的自身強(qiáng)度，反映了燃料電池質(zhì)子交換膜產(chǎn)品的生產(chǎn)制造加工工藝特點(diǎn)。由于質(zhì)子交換膜要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以保證燃料電池在組裝和使用時(shí)不會(huì)破裂，保障膜的使用安全和使用壽命，因此拉伸性能是其核心性能指標(biāo)之一。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”調(diào)整為“0.02mm”，降低了不必要的精度，節(jié)約了測試成本。調(diào)整了狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調(diào)整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產(chǎn)業(yè)化的固有經(jīng)驗(yàn)。在新標(biāo)準(zhǔn)中特別新增了斷裂伸長率、彈性模量指標(biāo)。斷裂拉伸應(yīng)變是指試樣發(fā)生斷裂時(shí)，原始標(biāo)距單位長度的增量，是衡量膜材料極限能力的重要性能指標(biāo)，其數(shù)值越大表示材料韌性越高。彈性模量是指質(zhì)子交換膜中，應(yīng)力應(yīng)變曲線上初始直線部分的斜率，是衡量膜材料性能參數(shù)的重要量化指標(biāo)，其數(shù)值越大表示材料越不容易變形。舊版標(biāo)準(zhǔn)僅從拉伸強(qiáng)度做出規(guī)定。相比于舊版，新版標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了質(zhì)子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度、韌性以及形變等綜合力學(xué)性能，技術(shù)要求涵蓋更加全面。

7 180°剝離強(qiáng)度測試

對于質(zhì)子交換膜，基于下游電極噴涂工藝特點(diǎn)，剝離強(qiáng)度決定了兩種或多種已粘合在一起的材料的粘合強(qiáng)度。新版標(biāo)準(zhǔn)新增了180°剝離強(qiáng)度測試的要求，規(guī)定剝離強(qiáng)度為在剝離角度為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(shí)所需要的載荷。180°剝離強(qiáng)度測試主要為拉伸方向的恒速試驗(yàn)。新版標(biāo)準(zhǔn)豐富了質(zhì)子交換膜的測試指標(biāo)。

8 溶脹率

溶脹率是指在給定溫度和濕度下相對于干膜在橫向、縱向和厚度方向的尺寸變化，反映了質(zhì)子交換膜的尺寸穩(wěn)定性。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”調(diào)整為“0.02mm”，降低了不必要的精度，節(jié)約測試成本。對于各向同性的均質(zhì)膜來說，各個(gè)方向的尺寸變化率是相同的，采用2009版中的線性變化率、面積變化率、體積變化率中的任意一個(gè)均可以作為均質(zhì)膜的溶脹率；但是對于各向異性的復(fù)合增強(qiáng)膜來說，橫向、縱向和厚度方向三個(gè)方向的尺寸變化率因增強(qiáng)材料的存在而表現(xiàn)出很大差異性，用2009版中的指標(biāo)無法全面準(zhǔn)確地描述其溶脹率?；诜显鰪?qiáng)型質(zhì)子交換膜的各向性能差異，新版標(biāo)準(zhǔn)提出了分類的測試方法，對溶脹率區(qū)分了橫向、縱向和厚度方向，規(guī)定了新的樣品制備方式“沿著平行于膜卷軸方向截取長×寬=40mm×20mm的樣條作為橫向尺寸變化率的測試樣條（長邊平行于膜卷軸方向）；沿著垂直于膜卷軸方向截取長×寬=40mm×20mm的樣條作為縱向尺寸變化率的測試樣條（長邊垂直于膜卷軸方向）”。新版標(biāo)準(zhǔn)增加了樣品狀態(tài)調(diào)節(jié)的要求，規(guī)定“樣品測試前應(yīng)在溫度23℃±2℃，相對濕度50%±5%的恒溫恒濕環(huán)境條件，至少放置4h”，統(tǒng)一了樣品測試前的狀態(tài)，提高了橫向測試的準(zhǔn)確性。新版標(biāo)準(zhǔn)還增加了尺寸測量環(huán)境條件的要求，規(guī)定“在溫度23℃±2℃，相對濕度50%±5%的恒溫恒濕條件下，用卡尺測量樣品的初始長度L0，用測厚儀測量樣品的厚度d0”，統(tǒng)一了樣品測試環(huán)境條件，提高了橫向測試的準(zhǔn)確性。對比新舊兩版標(biāo)準(zhǔn)的測試方法要求，2009版的“將樣品放入溫度分別是25℃±2℃和沸水溫度100℃±2℃恒溫水浴中，保持時(shí)間至少為30min”改為了新版標(biāo)準(zhǔn)“將樣品放入溫度80℃±2℃的恒溫水浴中，保持時(shí)間至少為2h。測試溫度也可由委托方和測試方協(xié)調(diào)確定”，更符合當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)技術(shù)要求。

9 吸水率

吸水率是指在給定溫度下單位質(zhì)量干膜的吸水量，主要用于反映質(zhì)子交換膜的吸水能力。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了浸水溫度，由2009版的“25℃±2℃”調(diào)整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產(chǎn)業(yè)化的固有經(jīng)驗(yàn)。新版標(biāo)準(zhǔn)給出了具體的樣品制備尺寸，由舊版標(biāo)準(zhǔn)中的“截取一定尺寸的放行或圓形送試材料作為樣品”改為新版標(biāo)準(zhǔn)中的“截取邊長50mm±1mm的方形或直徑為50mm±1mm的圓形試樣作為待測樣品，使得操作方法更為具體。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了吸水率測試方法。2009版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“將樣品放入給定溫度的恒溫水浴中，保持時(shí)間至少為24h”。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為“a）23℃下的吸水率測試：將樣品放入23℃±2℃的恒溫水浴中，保持時(shí)間至少為2h”以及“b）將樣品放入100℃±2℃沸騰蒸餾水中浸泡1h后，將樣品快速移入室溫蒸餾水中冷卻 15min±1min”。新版標(biāo)準(zhǔn)將吸水率測試分為室溫測試和高溫測試兩種，既滿足了產(chǎn)業(yè)技術(shù)要求，又增加了測試的全面性，并且通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明新版標(biāo)準(zhǔn)中的水浴時(shí)長可以滿足試驗(yàn)要求，縮短測試時(shí)長，有利于節(jié)約成本。

10 結(jié) 論

本文介紹了GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》中的主要檢測項(xiàng)目，對比分析了GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》和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》新舊兩版標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)容的變化，列舉了在新版標(biāo)準(zhǔn)中增加、調(diào)整的內(nèi)容，可以為燃料電池汽車的檢測提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[4]質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法： GB/T 20042.3-2022[S].

[5]質(zhì)子交換膜燃料電池第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法： GB/T 20042.3-2009[S].

作者簡介

趙鑫，通信作者，高級工程師，主要從事燃料電池汽車及其關(guān)鍵零部件的測試評價(jià)工作。

楊沄芃，工程師，主要從事燃料電池汽車及其關(guān)鍵零部件的測試評價(jià)工作。

王曉兵，工程師，主要從事燃料電池汽車及其關(guān)鍵零部件的測試評價(jià)工作。

（責(zé)任編輯：張佩玉）