質子交換膜燃料電池(PEMFC)使用可再生的能源資源-氫氣，是一種綠色、清潔、高效、可持續發展的一種新能源動力技術，在航空航天、汽車和能源等行業具有廣泛的應用。質子交換膜(PEM)是質子交換膜燃料電池中最重要的部件之一，隨著燃料電池的不斷發展，對質子交換膜性能的要求也逐漸升高，根據GB/T 20042.3-2022《質子交換膜燃料電池 第3部分：質子交換膜測試方法》，質子交換膜需要開展的測試項目包括透氣率、拉伸性能、180°剝離強度、厚度、質子傳導率、離子交換當量等測試項目。本文聚焦燃料電池質子交換膜的透氣率測試，對其測試方法和相關設備進行了介紹。
關鍵詞：質子交換膜;PEM;透氣率測試
引言：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種不經過燃燒，直接將燃料氫與氧反應的化學能轉化為電能的一種發電裝置，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜的功能是傳導質子(H+)，同時將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔離開。在質子交換膜的高分子結構中，含有多種離子基團，只允許氫離子H+穿過，其它離子、氣體及液體均不能通過。具有能量轉化效率高、發電時不產生污染、結構簡單、維修方便、無污染等特點。
PEMFC 工作原理
質子交換膜透氣率測試方法
透氣率的定義為恒定溫度和單位壓差下，穩定透過時，單位時間內透過試樣單位面積的氣體的體積，主要用于考察氣體在質子交換膜中的滲透性能。嚴格限制質子交換膜的透氣率上限，避免小穿孔竄漏量過大，是避免熱失控危險的重要保證。GB/T 20042.3-2022規定了使用壓差法進行質子交換膜的透氣率測試。壓差法透氣率測試對于測試氣體沒有選擇性，對不同測試氣體有著很好的通用性。隨著檢測儀器技術的進步，設備的檢測精度和測試數據的重復性具有很好的保證。
測試儀器
我司N530 2.0 氣體透過率測定儀基于壓差法原理設計、制造，測試過程中將處理好的樣品放于儀器的上下腔之間，將儀器的高壓腔和低壓腔分離，利用真空泵對整個氣路系統進行抽真空，高壓腔和低壓腔同時抽真空至10Pa以下。然后往上腔加入一個大氣壓的實驗氣體使上下腔之間形成一個恒定的壓差。在壓力梯度的作用下，氣體通過測試樣品從高壓腔滲透到低壓腔，儀器通過監測下腔的壓力變化可自動計算出試樣的氣體透過率、氣體透過系數等阻隔性能參數。
N530 2.0 氣體透過率測定儀
N530 2.0 氣體透過率測定儀配備 3 個腔體，每個腔體配置獨立的傳感器和溫度控制單元，支持三個相同或不同試樣同步測試，運行獨立，數據獨立，儀器全自動操作，一鍵測試，自動判斷，自動停機，測試效率高。采用自動保壓差技術，自動保持試樣兩側的壓力差(保壓壓差可任意調節)，內置高精度壓力傳感器，分辨率達 0.01 Pa，穩定性好，故障率低；采用真空泵，極限壓可達 0.1 Pa，抽真空效率高、噪音低；同時采用全新氣動氣路控制系統，自動夾具一鍵式鎖緊試樣，便捷省力，密封性能優秀。可測試O2、CO2、N2、H2等氣體透過率。廣州標際提供定制服務，滿足客戶對測試氣體、壓力、溫度、安全性等方面的不同要求。
總結與展望
質子交換膜燃料電池作為一種將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，其關鍵零部件的性能直接關系到電池的使用穩定性和可靠性，對燃料電池堆的整體性能起著決定性的影響，因此通過利用壓差法氣體透過率測定儀來測定質子交換膜的透氣率，對于把控燃料電池的質量以及工藝的改進、優化具有重要的意義。
