?2020年5月1日由擎動科技牽頭的中國汽車工業協會團體標準T/CAAMTB 12-2020《質子交換膜燃料電池膜電極測試方法》正式發布執行。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。它的發布將有效改善行業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發展。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生的區域，是整個燃料電池系統的核心部件，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的發展，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電池電壓低于零伏甚至出現反轉，即發生反極現象。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。反極現象發生時，超高的陽極電位會使催化劑碳載體發生快速腐蝕，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運行時間，無損反極運行時間從燃料電池發生反極現象起到其額定功率衰減4%以內的連續反極運行時間。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的電池運行環境下，腐蝕速度非常慢，比較穩定。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）/氧氣（B區）界面，在此界面處氧氣與質子發生了反應，產生了局部反極，迫使陰極催化劑載體碳和水發生氧化產生質子，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定性加速測試
?? ? 質子交換膜一般由全氟碳骨架組成，化學穩定較高。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。
標準下載：TCAAMTB 12-2020 質子交換膜燃料電池膜電極測試方法
原文始發于微信公眾號（擎動科技）：干貨：《質子交換膜燃料電池膜電極測試方法》解讀
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