質子交換膜（PEM）作為氫燃料電池膜電極MEA的核心組成部分，在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流。

一、分類方式

一般的分類狀況如下：

質子交換膜分類

說明：目前市面上主流使用的仍多數為全氟磺酸質子交換膜，不過也有部分自增濕類產品使用到無機物?復合膜。下面就以全氟磺酸質子交換膜做一些簡單梳理。

二、全氟磺酸質子交換膜工藝示意圖（全氟磺酸質子交換膜類的其中一種）

目前市面上銷售的質子交換膜主要包括美國GORE-SELECT?系列、Dupont 公司的 Nafion 系列、加拿大Ballard 公司 BAM 膜等以及國內東岳未來氫能、通用氫能等的全氟磺酸質子交換膜等 。

全氟磺酸質子交換膜工藝示意圖：

三、國標解讀

1.目前現行的國標為GB/T 20042.3-2009《質子交換膜燃料電池 第 3 部分：質子交換膜測試方法》，主要定義了以下內容：

1）厚度均勻性。厚度單位：μm，均勻性用無量綱相對厚度偏差%來表征。

2）質子傳導率。是電阻率的倒數，用 S/cm 來表示。

備注：膜傳導質子的能力，是衡量膜的質子導通能力的一項電化學指標，它反映了質子在膜內遷移速度的大小。

3）離子交換當量（EW），單位為 g/mol。

備注：它與表示離子交換能力大小的離子交換容量 lEC(lon Exchange Capacity) 成倒數關系，體現了質子交換膜內的酸濃度.

4）透氣率。單位為立方厘米每平方厘米每分鐘（ cm3?/ c㎡ ? min)。

備注：質子交換膜單位時間、單位面積的透氣率，

5）拉伸性能

備注：在給定溫度、濕度和拉伸速度下，在標準膜試樣上施加拉伸力，試樣斷裂前所承受的最大拉伸力與膜厚度及寬度的比值，單位為 MPa。

6）溶脹率

備注：在給定溫度和濕度下相對于干膜在橫向、縱向和厚度方向的尺寸變化，單位為%.

7）吸水率

備注：在給定溫度和溫度下單位質量干膜的暖水量，單位為質量百分比(wt.%）

具體測試方法見國標細則部分。

2.這里需要提醒大家的是該國標在2020年3月6日有公布一版替代該現行國標的征求意見稿GB/T 20042.3—XXXX，與GB/T 20042.3-2009相比，除結構調整和編輯性改動外，主要技術變化如下：

1）變更質子交換膜狀態調節溫度；

2）力學性能區分橫向和縱向，增加彈性模量和斷裂伸長率指標；

3）增加180°剝離強度測試；（為新增項目，用于表征復合層與基材之間的附著力狀況。）

4）溶脹率區分橫向、縱向和Z軸方法；（增加不同方向測試指標）

5)氣體透過量采用壓差法進行測試；（測試方式的調整，單位為cm3·cm /(?c㎡ · s ·Pa)）

6)修改卡尺精度為0.02 mm；

7)新增部分術語及定義（見3.4、3.5、3.6、3.7、3.8）；

8)修改“拉伸強度”術語及定義（見3.3）。

特別說明：該征求意見稿主要由山東東岳未來氫能有限公司等單位起草修訂，截止目前仍處于征求意見階段。

四、國內外產品的基本參數說明

1.國內XXXXPEM產品，已經可批量供貨

國內XX氫能PEM規格參數表

國內XX氫能老化實驗&IV曲線

說明：1）該產品有采用Fenton（芬頓法）做抗老化壽命測試，效果良好。

2）該產品為短支鏈全氟磺酸質子交換膜。

3）有做成MEA以及單體電池做對比測試。

4）在參數表中未體現EW值（離子交換當量）

5）極化曲線中的電流密度A/cm2是電堆產品等效對比的一個基本參數。

2.美國XXNafion系列（以NRE和N11X系列為例說明）

?

美國XXNRE系列參數表

美國XX? N—XXX系列參數表

說明：1）該供應商系列產品厚度明顯是較厚的，約在50~200μm以上。

2）質子傳導率在50%濕度，23攝氏度環境下測得為83mS/cm ，與國內產品的濕度90%，80攝氏度下的150mS/cm還是有些偏差。（不是在同一環境下參數，僅供參考）

3）離子交換量（EW）采用了meq/g的單位表征，與國標中g/mol單位不一致。大家注意換算。（meq：毫克當量，表示某物質和1mg氫的化學活性或化合力相當的量。mEq/L＝(mg/L)X原子價/化學結構式量 。根據以上進行換算即可）

4）MD=縱向，TD=橫向。

結語：

1.單從基本的參數去做粗淺的比較，國內產品并不比國外已經商業化的產品差，甚至還略優于國外產品。

2.由于保密等因素未能提供更多供應商的PEM性能參數表。

3.由于PEM僅僅是最終產品燃料電池電堆的一個基礎材料，除了部分機械物性之外，更多的電化學特性還是需要組裝成MEA以及單電池后才能表征。

4.適當的材料選型，最佳的零部件組合，避免“短板效應”才能組裝出優良的產品。

原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：質子交換膜（PEM）選型指南