質(zhì)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(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)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(zhì)子交換膜分類

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

二、全氟磺酸質(zhì)子交換膜工藝示意圖（全氟磺酸質(zhì)子交換膜類的其中一種）

目前市面上銷售的質(zhì)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(nèi)東岳未來氫能、通用氫能等的全氟磺酸質(zhì)子交換膜等 。

全氟磺酸質(zhì)子交換膜工藝示意圖：

三、國標(biāo)解讀

1.目前現(xiàn)行的國標(biāo)為GB/T 20042.3-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第 3 部分：質(zhì)子交換膜測試方法》，主要定義了以下內(nèi)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(zhì)子傳導(dǎo)率。是電阻率的倒數(shù)，用 S/cm 來表示。

備注：膜傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，是衡量膜的質(zhì)子導(dǎo)通能力的一項電化學(xué)指標(biāo)，它反映了質(zhì)子在膜內(nèi)遷移速度的大小。

3）離子交換當(dāng)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(shù)關(guān)系，體現(xiàn)了質(zhì)子交換膜內(nèi)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量干膜的暖水量，單位為質(zhì)量百分比(wt.%）

具體測試方法見國標(biāo)細則部分。

2.這里需要提醒大家的是該國標(biāo)在2020年3月6日有公布一版替代該現(xiàn)行國標(biāo)的征求意見稿GB/T 20042.3—XXXX，與GB/T 20042.3-2009相比，除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動外，主要技術(shù)變化如下：

1）變更質(zhì)子交換膜狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度；

2）力學(xué)性能區(qū)分橫向和縱向，增加彈性模量和斷裂伸長率指標(biāo)；

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

4）溶脹率區(qū)分橫向、縱向和Z軸方法；（增加不同方向測試指標(biāo)）

5)氣體透過量采用壓差法進行測試；（測試方式的調(diào)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(shù)語及定義（見3.4、3.5、3.6、3.7、3.8）；

8)修改“拉伸強度”術(shù)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(nèi)外產(chǎn)品的基本參數(shù)說明

1.國內(nèi)XXXXPEM產(chǎn)品，已經(jīng)可批量供貨

國內(nèi)XX氫能PEM規(guī)格參數(shù)表

國內(nèi)XX氫能老化實驗&IV曲線

說明：1）該產(chǎn)品有采用Fenton（芬頓法）做抗老化壽命測試，效果良好。

2）該產(chǎn)品為短支鏈全氟磺酸質(zhì)子交換膜。

3）有做成MEA以及單體電池做對比測試。

4）在參數(shù)表中未體現(xiàn)EW值（離子交換當(dāng)量）

5）極化曲線中的電流密度A/cm2是電堆產(chǎn)品等效對比的一個基本參數(shù)。

2.美國XXNafion系列（以NRE和N11X系列為例說明）

?

美國XXNRE系列參數(shù)表

美國XX? N—XXX系列參數(shù)表

說明：1）該供應(yīng)商系列產(chǎn)品厚度明顯是較厚的，約在50~200μm以上。

2）質(zhì)子傳導(dǎo)率在50%濕度，23攝氏度環(huán)境下測得為83mS/cm ，與國內(nèi)產(chǎn)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(huán)境下參數(shù)，僅供參考）

3）離子交換量（EW）采用了meq/g的單位表征，與國標(biāo)中g(shù)/mol單位不一致。大家注意換算。（meq：毫克當(dāng)量，表示某物質(zhì)和1mg氫的化學(xué)活性或化合力相當(dāng)?shù)牧俊Eq/L＝(mg/L)X原子價/化學(xué)結(jié)構(gòu)式量 。根據(jù)以上進行換算即可）

4）MD=縱向，TD=橫向。

結(jié)語：

1.單從基本的參數(shù)去做粗淺的比較，國內(nèi)產(chǎn)品并不比國外已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品差，甚至還略優(yōu)于國外產(chǎn)品。

2.由于保密等因素未能提供更多供應(yīng)商的PEM性能參數(shù)表。

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

4.適當(dāng)?shù)牟牧线x型，最佳的零部件組合，避免“短板效應(yīng)”才能組裝出優(yōu)良的產(chǎn)品。

原文始發(fā)于微信公眾號（氫眼所見）：質(zhì)子交換膜（PEM）選型指南