膜電極MEA的選型指南

我們以質子交換膜氫燃料電池來看，從冷卻方式上可以分為空（風）冷式和液冷式。為何要如此說明呢，因為這兩者在在MEA的選用上以及性能指標有著比較顯著的差異。我們今天只重點討論液冷式質子交換膜氫燃料電池的MEA選型。

膜電極MEA的選型指南

一、國標解讀

根據國標《GB/T 20042.5—2009 質子交換膜燃料電池? 第五部分—膜電極測試方法》規定膜電極測試定義了七項具體指標，分別為：

厚度均勻性測試：使用精度不低于 0.001 mm的厚度儀，單位微米（μm）
Pt擔載量測試（mg/c㎡）
以下項目均需要在組裝單體電池后才能進行相應測試。
單電池極化曲線測試。需要組裝成單體電池（特別注意單電池功率密度，單位為瓦每平方厘米 (W/c㎡））
透氫電流密度測試（A/c㎡）
活化極化過電位測試（V）
歐姆極化過電位測試（V）
電化學活性面積測試。（一般指催化劑的電化學活性面積，單位m2 /g)

以上關于MEA的測試方式以及使用設備精度要求，人員動作規范等都有嚴格要求，我們這里不再贅述。

二、團標解讀

由于原有的國家標準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，團標T-CAAMTB 12—2020《質子交換膜燃料電池膜電極測試方法》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》做以下幾個方面補充：

1.膜電極串漏率（單位：sccm/c㎡)，用來表征膜電極的氣密性；

2.電極抗反極性能（單位：Min)，用來表征膜電極的抗反極性能；

3.膜電極質子交換膜化學耐久性(單位：h），用來快速表征膜電極質子交換膜壽命；

4.膜電極催化劑耐久性(單位：h），用來快速表征膜電極催化劑壽命；

5.膜電極催化劑載體耐久性(單位：h），用來快速表征膜電極催化劑載體壽命；

6.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；

7.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。

具體測試方式大家可以參考以上團標。

三、具體選型

我們從MEA產品供應商提供參數的角度看一下該如何選型進行適配。

下面是國內某自研國產的膜電極對外銷售的資料手冊顯示內容：

膜電極MEA的選型指南

1.先看其表格中顯示內容：

膜電極MEA的選型指南

表格中顯示了10項內容：

1）其中只有鉑載量為國標對應項目，但在團標中有新增無損測量方法。

說明：該指標直接和模組成本相關。

美國2020年DOE目標0.125mg/c㎡。

日本豐田2040目標0.03g/KW，對應約0.05mg/c㎡

國內目前水準：0.3~0.5mg/c㎡（國內差不多水準，不再單獨提列）

2）功率密度其實也就是和國標第三項極化曲線中帶出的數據；

?說明：目前國內液冷式燃料電池MEA水準約在（1.0~1.6）W/c㎡；風冷式一般在0.5~0.7W/c㎡左右。

以下是?國內部分廠商參數列舉：

武漢理工：1.4W/c㎡

通用氫能：1.2~1.6W/c㎡（深圳市南科燃料電池）

東方電氣：1.6W/c㎡

上海攀業：大于1.0W/c㎡

昆山桑萊特：1.1W/c㎡

江蘇延長桑萊特：1.2W/c㎡

鴻基創能：大于1.4W/c㎡? ? ? ?

3）產品類型（三層CCM、5層MEA、7層MEA）為MEA膜組件工藝方式以及構成；可選擇的MEA模組組合方式。

4）定制尺寸（含厚度）為幾何外形尺寸參數；供客戶更多的選擇。

5）運行溫度和濕度范圍為產品能耐受的環境條件；

說明：一般國內溫度為60~95度，濕度為20%~100%。美國2020年DOE最大工作溫度為120度。

6）壽命、抗極反時間和串漏率也是我們在作為產品使用過程中非常關注的性能表征參數，也是團標補充的最大意義所在。

壽命：毋庸置疑是影響電堆整體壽命的非常重要的因素。團標中參考的美國能源部（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。

抗極反時間：對于終端客戶來說，無損反極運行時間更有指導意義。這個功能一般是來自于催化劑結構，可以通過調整催化劑來達到抗極反的功能，還可以調整抗極反時間。

串漏率：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。

以下是國內幾家膜電極廠商給出的指標：

武漢理工：6500小時，具備抗極反能力

通用氫能（深圳南科燃料）：壽命大于12000小時，抗極反能力70分鐘（可定制調整）

東方電氣：壽命超10000小時

鴻基創能：壽命大于15000小時? ? ? ? ??

2.再看膜電極性能曲線：

膜電極MEA的選型指南

兩幅圖分別為在中壓（60KPa~100KPa以內）和高壓?（150KPa~300KPa）兩種工作模式下的性能曲線，其中黑色線為極化曲線（電壓隨電流的變化曲線），紅色為功率曲線（功率隨電流變化的曲線，值為電壓和電流的乘積）。

說明：

1）這里很關鍵的一個值是功率密度，關注極化曲線更多的目的是關注功率密度變化狀況。

2）另根據不同壓力狀態下的極化曲線去匹配我們自己電堆的設計。

四、結語：

1.作為質子交換膜燃料電池的核心部件MEA，是由質子交換膜、催化劑。GDL（擴散層）構成，我們在選型MEA模組時，關注以上性能的同時也需要去關注質子交換膜、催化劑、GDL的基本機械性能（如撕裂強度等等）同時，還得關注MEA邊框等工藝方式以便更好的和自己設計的電堆去匹配。

2.目前國內已經有五家以上企業具備批量供貨能力，依據國標、團標、以及企業內部標準測試得來數據是電堆廠商選型時非常重要的一個依據。

3.在具體選型時，除了國標和團標中明確的10項具體指標外，我們還要關注產品的極化曲線以及MEA模組構成部件的來源以及性能。

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