GB/T20042.3-2022质子交换膜测试项目与检测仪器配置方案（原创）
时间：2024-08-26 15:23 点击次数：
质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）作为质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）的核心部件，其性能直接关乎燃料电池的整体效率和寿命。在燃料电池领域，质子交换膜不仅承担着传导质子的任务，还需有效阻隔电子和其他物质的通过，确保电池的安全高效运行。因此，对质子交换膜进行全面的测试与评估，是确保燃料电池性能与质量的关键环节。泉科瑞达在新能源行业有拉力机、测厚仪以及定制型自动测控仪器的众多用户，本文将结合GB／T20042.3-2022质子交换膜燃料电池 第３部分质子交换膜测试方法标准，
从质子交换膜的气体透过率、拉伸强度（包括拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率）、180°剥离强度、厚度均匀性等测试项目全面介绍各项检测指标意义、要求以及相应的仪器配置方案。
一、气体透过率测试项目与仪器
1、气体透过率和气体透过系数
气体透过率是在恒定温度和单位压力差下,稳定透过时,单位时间内透过试样单位面积的气体的体积。气体透过系数在恒定温度和单位压力差下,在稳定透过时,单位时间内透过试样单位厚度、单位面积的气体的体积。
注1:气体透过率用标准温度和压力下的体积值表示,单位为立方厘米每平方米天帕[cm³/(㎡·d·Pa)]。气体透过系数用标准温度和压力下的体积值表示,单位为立方厘米厘米每平方米秒帕[cm³/·cm/(cm·s·Pa)]。
气体透过率是衡量质子交换膜阻隔性能的重要指标。在恒定温度和单位压力差下，通过测量单位时间内透过试样单位面积的气体的体积，可以评估膜的气体阻隔能力。气体透过率越低，表明膜的阻隔性能越好，能够有效防止氢气和氧气直接混合，提高燃料电池的效率和安全性。质子交换膜气体透过率并非越高越好，合适的透气性能可以确保质子交换膜在阻隔燃料和氧化剂的同时，允许适量的水分子通过，以维持膜的导电性。
2、气体透过率测试需要使用的仪器
按照GB／T20042.3-2022质子交换膜燃料电池 第３部分：质子交换膜测试方法标准规定，质子交换膜透气率测试应当采用压差法原理的气体渗透仪，标准对仪器的要求检测最低限≥0.05ｃm³/(㎡·d·Pa，真空分辨率为±0.1Pa。
推荐使用的仪器为泉科瑞达仪器（QKTESTER）的GTR-H2气体透过率测试仪(易燃易爆气体透过率测试专用仪器)。此款仪器采用试验主机与电控单元箱分体式设计，试验机内阀件除真空传感器（也做了防爆处理）外其余控制阀全全部采用气动阀体，可以保证测试主机部分对于易燃易爆气体测试的安全性，而分体式电控单位元箱则集中了电测器件，可以实现距离测试主机5米外的控制；并且采用485协议，甚至可以实现控制器距离百米外的远程控制要求。
二、拉伸强度测试
按照GB／T20042.3-2022质子交换膜燃料电池 第３部分：质子交换膜测试方法标准规定，质子交换膜拉伸强度指标主要包括拉伸强度（tensile strength）、弹性模量（modulus of elasticity in tension）、断裂拉伸应变（tensile strain at break）三个的指标。
1、拉伸强度（tensile strength）
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试样的横截面面积的比值。
注1:横向拉伸强度:表示平行于膜卷轴向的膜的拉伸强度,用σTD表示。
注 2:纵向拉伸强度:表示重直于膜卷轴方向的膜的拉伸强度,以σMD表示。
2、弹性模量（modulus of elasticity in tension）
质子交换膜中,应力应变曲线上初始直线部分的斜率
注1:横向拉伸弹性模量:表示平行于膜卷轴向的膜的拉伸弹性模量,用ETD表示。
注 2:纵向拉伸弹性模量:表示垂直于膜卷轴方向膜的拉伸弹性模量,以EMD.表示。
注 3:推荐应力应变曲线上应变分别为ε1=0.5%和ε2=2.5%的两个点的斜率为弹性模量。
注4:弹性模量用E表示,单位为兆帕(MPa)。
3、断裂拉伸应变（tensile strain at break）
试样发生断裂时,原始标距单位长度的增量
注 1:横向断裂拉伸应变:表示平行于膜卷轴向的膜的断裂拉伸应变,用εTD表示。
注 2:纵向断裂拉伸应变:表示垂直于膜卷轴方向膜的断裂拉伸应变,以εMD表示。
注3:断裂拉伸应变用ε表示,单位为无量纲的比值或百分数(%)。
4、拉伸强度测试和仪器配置方案
质子交换膜拉伸强度测试用于评估质子交换膜在拉伸加载下的最大承载能力。在给定试验条件和拉伸速度下，对标准膜试样施加拉伸力，直至试样断裂，记录其断裂前所承受的最大拉伸力与试样横截面面积的比值，即为拉伸强度，按相应的统计方式同时给出断裂拉伸应变和弹性模量。该测试能够反映膜材料的力学稳定性和耐机械损伤能力。
推荐使用泉科瑞达仪器的ETT-H2智能电子拉力试验机,该仪器专款专用，专门针对质子交换膜拉伸性能试验的三个要求，设置好相应参数后，一次性给出三个统计结果；我司还提供专用的取样装置，专业用于试样制备。
三、180°剥离强度测试peeling force at 180 angle
1、剥离强度试验项目及要求
180剥离强度是在剥离角度为 180°的剥离条件下,一定宽度测试样条以一定速度连续剥离时所需要的载荷，180°剥离强度的单位为牛每毫米(N/mm)。
在深入探讨质子交换膜（PEM）的180度剥离测试之前，我们首先需要理解质子交换膜作为燃料电池核心部件的重要性。PEM不仅分隔了燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气），还允许质子从阳极通过膜迁移至阴极，同时阻止电子的直接传递，从而维持电池内部的电荷平衡，实现高效的能量转换。而PEM的耐久性和稳定性，尤其是其界面结合强度，直接关系到燃料电池的整体性能和寿命。因此，180度剥离测试作为评估PEM与催化剂层或气体扩散层之间结合力的关键手段，显得尤为重要。
2、质子交换膜剥离强度试验仪器配置方案
推荐使用泉科瑞达仪器的DBL-01,BLD-200N电子剥离试验机；如果用户选用了泉科瑞达器的ETT-H2智能电子拉力试验机则无需加购仪器，该仪器配有专门满足质子交换膜剥离强度的试验程序（包括180度与90度二种程序），可以更好的满足用户更多的需求，尤其是一些要开展90度剥离强度测试的要求。
四、厚度均匀性--质子交换膜
1、质子交换膜厚度均匀性检测的意义
质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）作为燃料电池中的核心组件，其厚度及均匀性直接关系到燃料电池的整体性能与安全性
质子交换膜不仅是分隔燃料与氧化剂的屏障，更是质子传递的关键通道。其厚度的微小变化都可能对燃料电池的质子传导率、水管理能力及机械稳定性产生显著影响。具体来说，过厚的PEM可能导致电阻增加，降低能量转换效率；而厚度不均则可能引发局部过热、应力集中等问题，严重威胁燃料电池的安全运行。因此，对PEM的厚度进行精确控制和均匀性评估，是燃料电池研发与生产过程中不可或缺的一环。
按照GB／T20042.3-2022质子交换膜燃料电池 第３部分：质子交换膜测试方法标准规定质子交换膜测厚仪：精度不低于０.1μｍ。 （卡尺：精度不低于０．０２ｍｍ，用于测试膜的长度和宽度）。
2、质子交换膜厚度检测仪器推荐
通过质子交换膜厚度均匀性测试，可以全面了解PEM的厚度分布情况。这一信息对于燃料电池的设计、制造及后期维护都至关重要。它可以帮助工程师优化PEM的制备工艺，确保每一片PEM都能达到理想的厚度和均匀性标准，从而提升燃料电池的整体性能和可靠性。同时，对于已经制成的燃料电池，定期进行PEM厚度均匀性测试也是确保其长期稳定运行的重要手段。基于质子交换膜厚度均匀性测试的意义深远，而专用的测试仪器则是实现这一测试目标的关键工具。
推荐泉科瑞达仪器的CHY-02、CHY-03专用测厚仪，该仪器按照膜材料测试标准设计制造，该款仪器在国内新能源、膜材料仪器中有着较多的用户群体。其基于机械接触式测量原理，通过精密设计的测量头、悬臂，以极小的压力施加于试样表面，利用业内配置少有的高精传感探头实时捕捉并计算上下测量面之间的距离，从而准确获取PEM的厚度值。
五、质子交换膜检测仪器与项目小结
质子交换膜作为燃料电池的核心部件，其厚度、拉伸强度、剥离强度及透气率等性能等指标的检测，对于提升燃料电池的整体性能、延长使用寿命、推动清洁能源应用具有重要意义。泉科瑞达(qktester.com)作为专业的膜材检测仪器制造商，不仅能够按标准提供相应的仪器，还通过定制的方式为电池新能源行业提供了压缩厚度测量仪、穿刺试验仪等智能化仪器，解决因人而异的试验差异；智能型测控技术与仪器有应用，大大的提高了相关检测的效率和准确度。随着科技的不断进步和检测技术的日益完善，相信在不久的将来，我们能够看到更加高效、可靠、经济的质子交换膜材料应用于燃料电池系统，为人类社会的可持续发展贡献更大力量。在这个过程中，每一位科研工作者和技术人员的努力与探索，都是不可或缺的重要力量。
