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PEM燃料电池透氢电流密度测试的误差分析

詹明;肖飞虎

【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)的寿命和耐久性是制约其商业化进展的主要因素.准确表征氢气对质子交换膜(PEM)的渗透力量有助于电池的设计安全和运行安全,提高电池的寿命和耐久性.本文主要对PEMFC透氢电流密度的测试误差进展了分析,觉察膜厚度、膜穿孔、膜短路以及测试气体压力和湿度,均会对该测试结果带来误差.

【期刊名称】《船电技术》

【年(卷),期】2023(039)001

【总页数】3页(P47-49)

【关键词】质子交换膜燃料电池;透氢电流密度;膜穿孔;膜短路

【作者】詹明;肖飞虎

【作者单位】武汉船用电力推动装置争论所,武汉430064;武汉船用电力推动装置争论所,武汉430064

【正文语种】中文

【中图分类】TM911.4

质子交换膜燃料电池〔ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC〕具有高能量转化效率、零污染排放、室温快速启动、安静环保等一系列优点，被认为是一种格外有潜力的技术[1]。2023年韩国现代公司领先推出燃料电池汽车Tucsonix35，2023年12月份，日本汽车巨头丰田公司推出“Mirai”号燃料电池汽车，

紧随其后2023年本田公司推出“Clarity”号燃料电池汽车，直到2023年，韩国

现代再次推出“NEXO”号燃料电池汽车，燃料电池汽车的长续航力量、燃料快速加注，“从油井到车轮”高燃料效率等优势[2]，五年间，掀起了一轮汽车工业革命。

目前，PEMFC的商业化受到国内能源汽车、绿色船舶、能源电站等行业的关注

和参与，但仍存在如本钱、寿命等问题需要解决。国内汽车燃料电池电堆〔Stack〕普遍寿命在2023h，并没有到达美国能源局NEDC工况寿命为5000h的目标[3]。可见，耐久性照旧是制约我国燃料电池汽车商业化进展的一个重要因素，这主要表现在电池关键材料在使用过程中的不断性能衰减。

PEMFC的主要组成部件包括膜电极组件〔MembraneElectrodeAssembly，MEA〕、密封圈、双极板、金属集流板和端板，其中膜电极组件又包括集中层

〔GasDiffusionLayer，GDL〕、催化层〔CatalystLayer，CL〕和质子交换膜

〔ProtonExchangeMembrane，PEM〕。PEM是燃料电池关键材料，作为燃料电池的隔膜和电解质，起着阻隔气体、导通水和质子、绝缘支撑等作用。电池关键材料PEM在使用过程中的不断性能衰减，会消灭膜减薄〔membranethinning〕、膜收缩〔membranebuckling〕、膜短路〔membraneshorting〕、膜穿孔[4]〔membranepinhole〕等性能衰减现象，直接降低电池性能，影响电池安全，导致电池寿命缩短。

目前，通常使用全氟磺酸膜作为燃料电池的PEM材料，美国杜邦公司Nafion?系列产品照旧是出货量最大的全氟磺酸膜。氢气在膜中有肯定的溶解度，很简洁在膜中渗透，到达电池的阴极，和氧气反响生成氧的自由基，反过来又会攻击PEM脆弱的端链[5]，导致膜减薄、膜穿孔等现象，加剧氢气的渗透膜力量。PEMFC的透氢电流密度表征氢气对PEM的渗透力量。

本文首先介绍我国PEMFC透氢电流密度国家推举标准的测试方法，然后基于该测

试方法，分析了影响测试结果的误差因素，最终本文提出了较为科学合理的

PEMFC透氢电流密度测试方法，试图躲避以上分析的测试误差。

我国国家标准GB/T20232.5[6]中明确透氢电流密度的定义：肯定温度、肯定压力和相对湿度条件下，用电化学方法检测得到氢气穿过膜电极的速度，单位为A/cm2。检测的原理是使用电化学方法，氢气在膜中有肯定的溶解度，很简洁在膜中渗透，将电池阴极掌握在适宜的电位，将从阳极渗透膜电极的氢气完全氧化，通过检测氧化电流大小，换算成氢气穿过膜电极的速度。

具体的检测方法是将膜电极样品组装成单电池，安装到带有氢气流量、压力、湿度掌握，以及氮气流量、压力、湿度掌握的评价系统中，单电池阳极通入湿度100%RH、流量10mL/min、背压0.2MPa的氢气，同样，单电池阴极通入湿度

100%RH、流量20mL/min、背压0.2MPa的氮气，持续4h后，阳极作为对电极和参比电极，阴极作为工作电极，在电池上施加0~0.5V〔vsRHE〕扫描电位，扫描速度2mV/s，电池温度掌握在75~80℃。依据公式〔1〕计算膜电极的透氢电流密度：

式中：icross—膜电极样品的透氢电流密度，单位为A/cm2；Icross—从电化学方法测