GB/T 20042.3-2022主要内容简析

赵鑫 杨沄芃 王晓兵

摘 要：随着燃料电池汽车的商业化发展，对燃料电池质子交换膜性能的要求也在逐渐提高。因此，燃料电池质子交换膜的检测能力也要相应地有所提升，以满足产品的产业发展需求。本文聚焦燃料电池质子交换膜性能的检测能力，主要介绍GB/T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》中的测试项目以及测试方法，对比分析GB/T 20042.3-2022与GB/T 20042.3-2009两个版本标准中内容的变化。

关键词：燃料电池，质子交换膜，测试标准

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.024

Brief Analysis of Main Contents of GB/T 20042.3-2022

Zhao Xin1，2* Yang Yun-peng1，2 Wang Xiao-bing1，2

（1. CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.； 2. China Automotive Technology and Research Center Co.Ltd， Tianjin）

Abstract： With the commercialization of fuel cell vehicles， the requirements for the performance of proton exchange membrane for fuel cell are gradually increasing. Therefore， the text capabilities of proton exchange membrane for fuel cell need to be correspondingly improved to meet the industrial development needs. The test capabilities for the performance of proton exchange membrane for fuel cell were focused on in this paper. The test items and methods of GB/T 20042.3-2022 “proton exchange membrane fuel cell - part 3： testing method for proton exchange membrane”were mainly introduced. The content changes between GB/T 2042.3-2022 and GB/T 20042.3-2009 were analyzed.

Keywords： Fuel cell， Proton exchange membrane， Test standard

0 引 言

燃料電池电动汽车作为解决全球能源和环境问题的理想方案之一，是现代社会的研究焦点。随着燃料电池电动汽车的商业化发展，对质子交换膜性能的要求也逐渐提高[1-3]。2022年发布的新版GB/ T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》[4]代替了2009版[5]，修改了质子传导率、离子交换当量、拉伸强度、吸水率、溶胀率的术语和定义表述以及质子传导率和透气率的测试方法，调整了部分测试中质子交换膜状态调节温度、测试环境温度以及卡尺精度。同时，增加了弹性模量、断裂拉伸应变、180°剥离强度、气体透过率、气体透过系数的术语和定义，增加了断裂伸长率、弹性模量指标以及180°剥离强度测试。此外，对溶胀率区分了横向、纵向和厚度方向。

1 术语和定义

新版标准将旧版标准中的质子传导率、离子交换当量、拉伸强度、吸水率、溶胀率的术语和定义表述进行了修改，并增加了弹性模量、断裂拉伸应变、180°剥离强度、气体透过率、气体透过系数的术语和定义。相比于旧版标准，新版标准的术语和定义表述涵盖更加全面，解释更加详细，更便于理解与应用。

2 厚度均匀性

对于质子交换膜，厚度均匀性直接反应了产品的生产加工工艺等技术水平，对产品的性能一致性、可靠性以及稳定性影响较大。新版标准调整了卡尺精度，由2009版的“0.01 mm”调整为“0.02 mm”，卡尺主要用来测量质子交换膜的长和宽，不需要很高的精度，基于产业化需求，在保证测量精度的同时，降低不必要的精度可以节约成本。同时，调整了状态调节温度以及测试环境温度，由2009版的“25℃±2℃”调整为2022版的“23℃±2℃”，更加符合产业化的固有经验。对比新旧两版标准中的要求，2009版中的“每100 cm2样品的测试点不少于9个”在新版标准中改为了“每100 cm2样品的测试点不少于30个”，增加了测试点数，提高了测试结果的准确性。

3 质子传导率

质子传导率是评价质子交换膜工作性能的重要指标之一，直接反映了质子在膜内的迁移能力。新版标准将卡尺精度由2009版的“0.01 mm”调整为“0.02 mm”，卡尺主要用来测量质子交换膜的长和宽，膜的长和宽主要用于与电导率测试装置大小匹配，不需要很高的精度。同时，调整了状态调节温度以及测试环境温度，由2009版的“25℃±2℃”调整为2022版的“23℃±2℃”，更加符合产业化的固有经验。旧版标准规定“将电导率测量池置于温度为25℃±2℃，相对湿度为50%±5%的恒温恒湿环境中，在频率范围为（1～2×10⁶）Hz、扰动电压10 mV条件下用电化学阻抗测试仪测得样品的阻抗谱图”。新版标准对测试条件进行了修改，规定“设定温度、湿度等测试条件，测试条件如表1所示（其他测试条件也可由测试委托方与测试方协商确定）。待测试腔内达到所设定温度、湿度并稳定30min后，在频率范围为1～2×10⁶Hz、扰动电压10mV条件下用电化学阻抗测试仪测得样品的阻抗谱图”。新版标准基于产业化需求将测试条件调整为常温低湿、常温常湿、常温高湿、高温低湿、高温常湿、高温高湿六个工况，技术要求及测试结果范围更加全面，便于考察不同温湿度条件下的质子交换膜的质子传导能力，更符合当前产业发展需求。

4 离子交换当量

离子交换当量的数值大小反映了质子交换膜内的酸浓度，直接影响了产品传输质子的能力，与燃料电池的性能直接相关。新版标准中将真空烘干条件由2009版的“真空度为0.1MPa”调整为“绝对压力不高于20 kPa”，提高真空度有利于提高烘干效率，更符合当前技术要求。同时，新版标准还增加了对真空烘干后的样品重量复测的要求，规定“真空干燥8h，移至干燥器中冷却至室温后，快速称量（30s内完成），至恒重，前后两次称量之差小于0.2mg”，更好地保证了样品的干燥状态，提高了测试结果的准确性。

5 透气率测试

透气率定义为在恒定温度和单位压力差下，稳定透过时，单位时间内透过试样单位面积的氣体的体积，主要用于考察气体在质子交换膜中的渗透性能。严格限制质子交换膜的透气率上限，避免微小穿孔窜漏量过大，是避免热失控危险的重要保障。新版标准使用压差法进行透气率测试，并增加了气体透过系数指标。压差法透气率测试对于测试气体没有选择性，对不同的测试气体的通用性非常好。随着真空规检测技术的进步以及真空技术在设备设计上的应用，设备的检测精度以及测试数据的重复性大大提高，因此许多科研检测机构均使用该方法进行透气率测试。旧版标准采用的试等压法透气率测试方法，所使用的传感器属于消耗型元件，设备标定所得的校正因子并非长期有效，需要根据要求进行周期性设备标定，当传感器的损耗达到一定程度时必须更换，测试成本高，结果准确性较压差法低。因此，新版标准更符合当前的技术要求。

6 拉伸性能

拉伸性能的好坏主要取决于燃料电池质子交换膜的自身强度，反映了燃料电池质子交换膜产品的生产制造加工工艺特点。由于质子交换膜要求具有一定的机械强度，以保证燃料电池在组装和使用时不会破裂，保障膜的使用安全和使用寿命，因此拉伸性能是其核心性能指标之一。新版标准调整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”调整为“0.02mm”，降低了不必要的精度，节约了测试成本。调整了状态调节温度以及测试环境温度，由2009版的“25℃±2℃”调整为2022版的“23℃±2℃”，更加符合产业化的固有经验。在新标准中特别新增了断裂伸长率、弹性模量指标。断裂拉伸应变是指试样发生断裂时，原始标距单位长度的增量，是衡量膜材料极限能力的重要性能指标，其数值越大表示材料韧性越高。弹性模量是指质子交换膜中，应力应变曲线上初始直线部分的斜率，是衡量膜材料性能参数的重要量化指标，其数值越大表示材料越不容易变形。旧版标准仅从拉伸强度做出规定。相比于旧版，新版标准充分考虑了质子交换膜的机械强度、韧性以及形变等综合力学性能，技术要求涵盖更加全面。

7 180°剥离强度测试

对于质子交换膜，基于下游电极喷涂工艺特点，剥离强度决定了两种或多种已粘合在一起的材料的粘合强度。新版标准新增了180°剥离强度测试的要求，规定剥离强度为在剥离角度为180°的剥离条件下，一定宽度测试样条以一定速度连续剥离时所需要的载荷。180°剥离强度测试主要为拉伸方向的恒速试验。新版标准丰富了质子交换膜的测试指标。

8 溶胀率

溶胀率是指在给定温度和湿度下相对于干膜在横向、纵向和厚度方向的尺寸变化，反映了质子交换膜的尺寸稳定性。新版标准调整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”调整为“0.02mm”，降低了不必要的精度，节约测试成本。对于各向同性的均质膜来说，各个方向的尺寸变化率是相同的，采用2009版中的线性变化率、面积变化率、体积变化率中的任意一个均可以作为均质膜的溶胀率；但是对于各向异性的复合增强膜来说，横向、纵向和厚度方向三个方向的尺寸变化率因增强材料的存在而表现出很大差异性，用2009版中的指标无法全面准确地描述其溶胀率。基于符合增强型质子交换膜的各向性能差异，新版标准提出了分类的测试方法，对溶胀率区分了横向、纵向和厚度方向，规定了新的样品制备方式“沿着平行于膜卷轴方向截取长×宽=40mm×20mm的样条作为横向尺寸变化率的测试样条（长边平行于膜卷轴方向）；沿着垂直于膜卷轴方向截取长×宽=40mm×20mm的样条作为纵向尺寸变化率的测试样条（长边垂直于膜卷轴方向）”。新版标准增加了样品状态调节的要求，规定“样品测试前应在温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%的恒温恒湿环境条件，至少放置4h”，统一了样品测试前的状态，提高了横向测试的准确性。新版标准还增加了尺寸测量环境条件的要求，规定“在温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%的恒温恒湿条件下，用卡尺测量样品的初始长度L0，用测厚仪测量样品的厚度d0”，统一了样品测试环境条件，提高了横向测试的准确性。对比新旧两版标准的测试方法要求，2009版的“将样品放入温度分别是25℃±2℃和沸水温度100℃±2℃恒温水浴中，保持时间至少为30min”改为了新版标准“将样品放入温度80℃±2℃的恒温水浴中，保持时间至少为2h。测试温度也可由委托方和测试方协调确定”，更符合当前的产业技术要求。

9 吸水率

吸水率是指在给定温度下单位质量干膜的吸水量，主要用于反映质子交换膜的吸水能力。新版标准调整了浸水温度，由2009版的“25℃±2℃”调整为2022版的“23℃±2℃”，更加符合产业化的固有经验。新版标准给出了具体的样品制备尺寸，由旧版标准中的“截取一定尺寸的放行或圆形送试材料作为样品”改为新版标准中的“截取边长50mm±1mm的方形或直径为50mm±1mm的圆形试样作为待测样品，使得操作方法更为具体。新版标准调整了吸水率测试方法。2009版标准规定“将样品放入给定温度的恒温水浴中，保持时间至少为24h”。新版标准调整为“a）23℃下的吸水率测试：将样品放入23℃±2℃的恒温水浴中，保持时间至少为2h”以及“b）将样品放入100℃±2℃沸腾蒸馏水中浸泡1h后，将样品快速移入室温蒸馏水中冷却 15min±1min”。新版标准将吸水率测试分为室温测试和高温测试两种，既满足了产业技术要求，又增加了测试的全面性，并且通过试验数据证明新版标准中的水浴时长可以满足试验要求，缩短测试时长，有利于节约成本。

10 结 论

本文介绍了GB/T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》中的主要检测项目，对比分析了GB/T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》和GB/T 20042.3-2009《质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》新旧两版标准中内容的变化，列举了在新版标准中增加、调整的内容，可以为燃料电池汽车的检测提供参考。

参考文献

[1]高敏，余伟明，王小舟，等.PFSA/PVDF同轴核壳纤维质子交换膜的性能研究[J].膜科学与技术，2022，42（6）：94-100+109.

[2]Yu W， Ge Z， Zhang K， et al. Development of a HighPerformance Proton Exchange Membrane： From Structural Optimization to Quantity Production [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2022， 61（12）： 4329-4338.

[3]Simari C， M Prejanò， Lufrano E， et al. Exploring the Structure–Performance Relationship of Sulfonated Polysulfone Proton Exchange Membrane by a Combined Computational and Experimental Approach [J]. Polymers， 2021， 13（6）： 959.

[4]質子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法： GB/T 20042.3-2022[S].

[5]质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法： GB/T 20042.3-2009[S].

作者简介

赵鑫，通信作者，高级工程师，主要从事燃料电池汽车及其关键零部件的测试评价工作。

杨沄芃，工程师，主要从事燃料电池汽车及其关键零部件的测试评价工作。

王晓兵，工程师，主要从事燃料电池汽车及其关键零部件的测试评价工作。

（责任编辑：张佩玉）