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氢燃料电池核心材料质子交换膜如何选型?

日期:2021-07-21    来源:国际能源网/氢能汇  作者:马震

能源资讯中心

2021
07/21
15:53
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关键词: 燃料电池 质子交换膜燃料电池 燃料电池电堆

质子交换膜是燃料电池的核心材料,在燃料电池内部,质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道,使得质子经过膜从阳极到达阴极,与外电路的电子转移构成回路,向外界提供电流,因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用。

它的好坏直接影响电池的使用寿命。质子交换膜如何选型因此变得格外重要。

如何对质子交换膜分类?    

一般的分类状况如下:

说明:目前市面上主流使用的仍多数为全氟磺酸质子交换膜,不过也有部分自增湿类产品使用到无机物 复合膜。下面就以全氟磺酸质子交换膜做一些简单梳理。

全氟磺酸质子交换膜工艺复杂

目前市面上销售的质子交换膜主要包括美国GORE-SELECT系列、Dupont 公司的 Nafion 系列、加拿大Ballard 公司 BAM 膜等以及国内东岳未来氢能、通用氢能等的全氟磺酸质子交换膜等 。

全氟磺酸质子交换膜工艺示意图:

国标测试方法众多

1.目前现行的国标为GB/T 20042.3-2009《质子交换膜燃料电池 第 3 部分:质子交换膜测试方法》,主要定义了以下内容:

1)厚度均匀性。厚度单位:μm,均匀性用无量纲相对厚度偏差%来表征。

2)质子传导率。是电阻率的倒数,用 S/cm 来表示。

备注:膜传导质子的能力,是衡量膜的质子导通能力的一项电化学指标,它反映了质子在膜内迁移速度的大小。

3)离子交换当量(EW),单位为 g/mol。

备注:它与表示离子交换能力大小的离子交换容量 lEC(lon Exchange Capacity) 成倒数关系,体现了质子交换膜内的酸浓度.

4)透气率。单位为立方厘米每平方厘米每分钟( cm? / c㎡ ? min)。

备注:质子交换膜单位时间、单位面积的透气率,

5)拉伸性能

备注:在给定温度、湿度和拉伸速度下,在标准膜试样上施加拉伸力,试样断裂前所承受的最大拉伸力与膜厚度及宽度的比值,单位为 MPa。

6)溶胀率

备注:在给定温度和湿度下相对于干膜在横向、纵向和厚度方向的尺寸变化,单位为%.

7)吸水率

备注:在给定温度和温度下单位质量干膜的暖水量,单位为质量百分比(wt.%)

具体测试方法见国标细则部分。

2.这里需要提醒大家的是该国标在2020年3月6日有公布一版替代该现行国标的征求意见稿GB/T 20042.3—XXXX,与GB/T 20042.3-2009相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下:

1)变更质子交换膜状态调节温度;

2)力学性能区分横向和纵向,增加弹性模量和断裂伸长率指标;

3)增加180°剥离强度测试;(为新增项目,用于表征复合层与基材之间的附着力状况。)

4)溶胀率区分横向、纵向和Z轴方法;(增加不同方向测试指标)

5)气体透过量采用压差法进行测试;(测试方式的调整,单位为cm?·cm /( c㎡ · s ·Pa))

6)修改卡尺精度为0.02 mm;

7)新增部分术语及定义(见3.4、3.5、3.6、3.7、3.8);

8)修改“拉伸强度”术语及定义(见3.3)。

特别说明:该征求意见稿主要由山东东岳未来氢能有限公司等单位起草修订,截止目前仍处于征求意见阶段。

国内外产品的基本参数

1.国内某PEM产品,已经可批量供货

国内某氢能PEM规格参数表

国内某氢能老化实验&IV曲线

说明:

1)该产品有采用Fenton(芬顿法)做抗老化寿命测试,效果良好。

2)该产品为短支链全氟磺酸质子交换膜。

3)有做成MEA以及单体电池做对比测试。

4)在参数表中未体现EW值(离子交换当量)

5)极化曲线中的电流密度A/cm2是电堆产品等效对比的一个基本参数。

2.美国XXNafion系列(以NRE和N11X系列为例说明)

美国某NRE系列参数表

美国某  N—XXX系列参数表

说明:

1)该供应商系列产品厚度明显是较厚的,约在50~200μm以上。

2)质子传导率在50%湿度,23摄氏度环境下测得为83mS/cm ,与国内产品的湿度90%,80摄氏度下的150mS/cm还是有些偏差。(不是在同一环境下参数,仅供参考)

3)离子交换量(EW)采用了meq/g的单位表征,与国标中g/mol单位不一致。大家注意换算。(meq:毫克当量,表示某物质和1mg氢的化学活性或化合力相当的量。mEq/L=(mg/L)X原子价/化学结构式量 。根据以上进行换算即可)

4)MD=纵向,TD=横向。

国内外质子交换膜产品差异在缩小

1.单从基本的参数去做粗浅的比较,国内产品并不比国外已经商业化的产品差,甚至还略优于国外产品。

2.由于保密等因素未能提供更多供应商的PEM性能参数表。

3.由于PEM仅仅是最终产品燃料电池电堆的一个基础材料,除了部分机械物性之外,更多的电化学特性还是需要组装成MEA以及单电池后才能表征。

4.适当的材料选型,最佳的零部件组合,避免“短板效应”才能组装出优良的产品。

来源:氢眼所见

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