溫馨提示：關注微信公眾號，回復數字"1"，了解氫燃料電池原理，"2"，電堆生產工藝，回復數字"3"，雙極板生產工藝，回復數字"4"：產業(yè)鏈報告分享及下載。
?
燃料電池（FuelCell)是一種能量轉化裝置，它能夠將儲存在燃料中的化學能直 接轉化為電能，且不受熱力學卡諾循環(huán)的限制，實際能源轉化效率接近60%，是內燃機效率 的兩倍。同時燃料電池還具有能量密度大、環(huán)境友好、低噪音、安全性強、負荷響應快、燃料 利用率高、可迅速補充燃料、續(xù)航時間長、試用范圍廣等優(yōu)點，被廣泛用于中小型發(fā)電站、便 攜式通訊電源、家庭式熱電聯(lián)供裝置、野外無人區(qū)檢測電源，同時還可以作為民用轎車、航 空航天、潛艇等動力電源，被認為是未來發(fā)展的希望之星。
MEA(MembraneElectrodeAssembly)又稱為膜電極，是燃料電池的心臟，由CCM (催化劑涂層膜）與陰/陽極擴散層三部分組成，擴散層起到水管理、物料的分配、傳遞電子 等作用，CCM是電化學反應的主要場所，涉及反應的發(fā)生和生成物的傳遞及排放等問題。
MEA作為燃料電池電化學反應的基本單元，它的設計和制備首先要遵循燃料電池 電化學反應的基本原理和特性，并且與燃料電池最終的使用條件、經濟效益及制備工藝等 等相結合來綜合考慮。不同工藝也將決定了燃料電池的工作性能、使用壽命、配套設施等等一系列至關重要的問題。
2020年5月1日由擎動科技牽頭的中國汽車工業(yè)協(xié)會團體標準T/CAAMTB 12-2020《質子交換膜燃料電池膜電極測試方法》正式發(fā)布執(zhí)行。該標準基于擎動多年的實踐經驗和國際流行的測試方案，和合作單位一起歷時2年編撰完成。它的發(fā)布將有效改善行業(yè)內對膜電極性能特別是壽命評價標準不一的現狀，推動膜電極產品技術持續(xù)發(fā)展。標準主要起草人吳丹博士就該標準的具體內容帶來進一步的解讀。
編制說明：
?
質子交換膜燃料電池膜電極是燃料電池電化學反應發(fā)生的區(qū)域，是整個燃料電池系統(tǒng)的核心部件，其輸出性能和耐久性決定了燃料電池的性能和壽命。因此，膜電極的輸出性能和耐久性是評價燃料電池系統(tǒng)性能和壽命的關鍵參數之一。原有的國家標準GB/T 20042.5-2009《質子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測試方法》，沒有包含膜電極耐久性方面的測試方法，而且隨著燃料電池行業(yè)的發(fā)展，對膜電極的性能又提出了新的需求，測試設備有了新的發(fā)展，因此，本標準針對GB/T 20042.5-2009《質子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測試方法》做一下幾個方面補充：
——膜電極串漏率的測試方法，滿足膜電極的氣密性的表征要求；
——電極抗反極性能測試方法，滿足膜電極的抗反極性能的表征需求；
——膜電極質子交換膜化學耐久性測試方法，滿足膜電極質子交換膜壽命的快速表征需求；
?
——膜電極催化劑耐久性測試方法，滿足膜電極催化劑壽命的快速表征需求；
?
——膜電極催化劑載體耐久性測試方法，滿足膜電極催化劑載體壽命的快速表征需求；
——測試鉑載量的新方法，對膜電極進行原位的無損測量，易于操作；
?
——測試歐姆極化電阻的新方法，測量結果重復性和穩(wěn)定性更高，操作簡便，更為有效。
?
詳細解讀
?
1.??膜電極串漏率測試
膜電極的串漏是指陰陽極兩側之間發(fā)生漏氣問題，通常由于薄膜針孔或者邊框封裝等問題導致，可能引發(fā)內漏降低效率和形成氫氧界面等問題給電堆運行帶來嚴重風險。通常電堆廠家在膜電極裝堆后會進行氣密性檢測，但是發(fā)現串漏問題時難以找出問題膜電極，因此膜電極出廠前應當對每一片膜電極進行串漏率檢測，找出問題膜電極，保證出廠膜電極質量。本標準的串漏率測試是采用陽極側加壓的方法，通過陰極的壓力變化快速測出串漏情況，并通過皂膜流量計進行流量校準，得到串漏率。
檢漏測試示意圖
?
2.???電極抗反極性能測試
?
燃料電池電堆運行時，由于陽極氫氣供氣不足導致該節(jié)電池電壓低于零伏甚至出現反轉，即發(fā)生反極現象。反極現象的本質是由于氫氣欠氣導致陽極無法進行氫氣氧化反應（HOR）產生質子和電子進行內部電流傳輸，導致發(fā)生碳的水解反應（C+2H2O=CO2+4H++4e-）產生質子和電子，或者水氧化反應（OER）產生質子和電子。反極現象發(fā)生時，超高的陽極電位會使催化劑碳載體發(fā)生快速腐蝕，嚴重影響膜電極的輸出性能，嚴重時甚至會介電擊穿質子膜出現發(fā)熱燒堆的風險。膜電極抗反極性能是用來評價燃料電池在發(fā)生反極現象時，膜電極性能保持不衰減的能力。本標準中用停機反極運行時間和無損反極運行時間來表征，停機反極運行時間是指從燃料電池發(fā)生反極現象起到燃料電池到達截止保護電壓而停機的連續(xù)運行時間，無損反極運行時間從燃料電池發(fā)生反極現象起到其額定功率衰減4%以內的連續(xù)反極運行時間。對于終端客戶來說，無損反極運行時間更有指導意義。
?
3.? ?耐久性加速測試
?
耐久性是膜電極最為重要的影響參數，而且不同的工況下耐久性會有顯著差異，但是耐久性測試耗時長且花費較大，本標準采用的是耐久性加速測試方案，參考的美國能源部（DOE）2016年的測試方案，此方案經歷過幾次升級目前在業(yè)界廣泛應用。此加速測試方案分別根據催化劑、催化劑載體和質子交換膜的衰減機理，設定相應的極端工況運行，使膜電極在短時間內完成全壽命周期內可能發(fā)生的衰減，進而快速的測試膜電極的壽命或耐久性，并進行性能評價。其中包括
?
3.1???膜電極催化劑耐久性加速測試
?
?
膜電極在運行過程中，陰極Pt催化劑在高操作電位（>0.85V）下被氧化為Pt2+離子溶解到質子導電單體中，而在低電位時Pt2+離子被還原沉積到鉑顆粒表面或者質子膜和催化劑層的界面處。粒徑小的Pt催化劑由于表面能高，更加容易氧化，而Pt2+離子更加容易沉積到大顆粒的Pt表面，因此在燃料電池變載運行過程中，小顆粒的鉑不斷溶解，然后沉積變成大顆粒的鉑，使催化劑的比表面積不斷減小，活性不斷下降，這個過程稱為Oswald熟化。Oswald熟化是膜電極在運行過程中催化劑Pt的主要衰減機制，因此本標準采用0.6V-0.95V的方波掃描模擬實際運行工況，加速Pt的Oswald熟化過程，從而評價催化劑的耐久性。
?
3.2? ? 膜電極催化劑載體耐久性加速測試
?
催化劑的碳載體理論上在低于1V的電池運行環(huán)境下，腐蝕速度非常慢，比較穩(wěn)定。但是電堆在運行過程中，特別是啟動/停止階段，由于氧氣通過質子膜往陽極滲透等原因，在陽極側形成了氫氣（A區(qū)）/氧氣（B區(qū)）界面，在此界面處氧氣與質子發(fā)生了反應，產生了局部反極，迫使陰極催化劑載體碳和水發(fā)生氧化產生質子，出現了陰極遠高于1V的高電位。而在此條件下，催化劑的碳載體腐蝕速度加快，導致催化劑層變薄，催化劑顆粒團聚長大，活性下降。因此本標準采用了1V-1.5V的三角波循環(huán)模擬陰極高電位情況，加速催化劑載體的腐蝕，從而評價載體的耐久性。
3.3? ? 膜電極質子交換膜化學穩(wěn)定性加速測試
?
質子交換膜一般由全氟碳骨架組成，化學穩(wěn)定較高。但是在電堆運行過程中，滲透到陽極的氧氣由于不完全氧化會產生H2O2，H2O2分解產生?OH自由基會與氟碳骨架反應，使之分解，從而使質子膜變薄或者產生針孔。在OCV和高溫低濕的情況下，有利于自由基的大量產生。因此本標準在90度、OCV情況下加速產生自由基，考察質子交換膜的化學穩(wěn)定性。
?
?
3.4??膜電極質子交換膜機械耐久性加速測試
?
膜電極運行過程中大電流下產生的水較多，質子交換膜吸水溶脹，小電流或不運行時，質子膜失水收縮，反復的溶脹/收縮時產生的機械應力會使質子膜破裂或產生針孔，從而使質子膜失效。因此本標準采用干濕循環(huán)的工況，加速考察質子膜的的機械耐久性。
?
4.??XRF測試鉑載量
?
膜電極的鉑載量對輸出性能有重要影響，是膜電極質檢的重要參數。傳統(tǒng)的鉑載量測量方法是破壞性的，而且溶解焙燒測試步驟多誤差大，本標準采用XRF（手持元素分析儀）進行無損原位測試，可以快速得到每片膜電極不同位置的鉑載量，結果精確到0.01mgPt/cm2,可滿足質檢要求。
?
5.??歐姆極化電阻測試
?
本標準采用電化學阻抗譜儀，可以快速測試出膜電極不同工況下的歐姆極化電阻。
?
擎動科技出品的膜電極產品均按照此標準規(guī)定的測試方法嚴格測試，以保證膜電極滿足日益嚴苛的車用可靠性要求。
以下是標準全文：
來源：擎動科技
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網）：《質子交換膜燃料電池膜電極測試方法》解讀
