质子交换膜（PEM）选型指南

质子交换膜（PEM）作为氢燃料电池膜电极MEA的核心组成部分，在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。

一、分类方式

一般的分类状况如下：

质子交换膜分类

说明：目前市面上主流使用的仍多数为全氟磺酸质子交换膜，不过也有部分自增湿类产品使用到无机物 复合膜。下面就以全氟磺酸质子交换膜做一些简单梳理。

二、全氟磺酸质子交换膜工艺示意图（全氟磺酸质子交换膜类的其中一种）

目前市面上销售的质子交换膜主要包括美国GORE-SELECT®系列、Dupont 公司的 Nafion 系列、加拿大Ballard 公司 BAM 膜等以及国内东岳未来氢能、通用氢能等的全氟磺酸质子交换膜等 。

全氟磺酸质子交换膜工艺示意图：

三、国标解读

1.目前现行的国标为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》，主要定义了以下内容：

1）厚度均匀性。厚度单位：μm，均匀性用无量纲相对厚度偏差%来表征。

2）质子传导率。是电阻率的倒数，用 S/cm 来表示。

备注：膜传导质子的能力，是衡量膜的质子导通能力的一项电化学指标，它反映了质子在膜内迁移速度的大小。

3）离子交换当量（EW），单位为 g/mol。

备注：它与表示离子交换能力大小的离子交换容量 lEC(lon Exchange Capacity) 成倒数关系，体现了质子交换膜内的酸浓度.

4）透气率。单位为立方厘米每平方厘米每分钟（ cm³ / c㎡ • min)。

备注：质子交换膜单位时间、单位面积的透气率，

5）拉伸性能

备注：在给定温度、湿度和拉伸速度下，在标准膜试样上施加拉伸力，试样断裂前所承受的最大拉伸力与膜厚度及宽度的比值，单位为 MPa。

6）溶胀率

备注：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，单位为%.

7）吸水率

备注：在给定温度和温度下单位质量干膜的暖水量，单位为质量百分比(wt.%）

具体测试方法见国标细则部分。

2.这里需要提醒大家的是该国标在2020年3月6日有公布一版替代该现行国标的征求意见稿GB/T 20042.3—XXXX，与GB/T 20042.3-2009相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：

1）变更质子交换膜状态调节温度；

2）力学性能区分横向和纵向，增加弹性模量和断裂伸长率指标；

3）增加180°剥离强度测试；（为新增项目，用于表征复合层与基材之间的附着力状况。）

4）溶胀率区分横向、纵向和Z轴方法；（增加不同方向测试指标）

5)气体透过量采用压差法进行测试；（测试方式的调整，单位为cm³·cm /( c㎡ · s ·Pa)）

6)修改卡尺精度为0.02 mm；

7)新增部分术语及定义（见3.4、3.5、3.6、3.7、3.8）；

8)修改“拉伸强度”术语及定义（见3.3）。

特别说明：该征求意见稿主要由山东东岳未来氢能有限公司等单位起草修订，截止目前仍处于征求意见阶段。

四、国内外产品的基本参数说明

1.国内XXXXPEM产品，已经可批量供货

国内XX氢能PEM规格参数表

国内XX氢能老化实验&IV曲线

说明：1）该产品有采用Fenton（芬顿法）做抗老化寿命测试，效果良好。

2）该产品为短支链全氟磺酸质子交换膜。

3）有做成MEA以及单体电池做对比测试。

4）在参数表中未体现EW值（离子交换当量）

5）极化曲线中的电流密度A/cm2是电堆产品等效对比的一个基本参数。

2.美国XXNafion系列（以NRE和N11X系列为例说明）

美国XXNRE系列参数表

美国XX  N—XXX系列参数表

说明：1）该供应商系列产品厚度明显是较厚的，约在50~200μm以上。

2）质子传导率在50%湿度，23摄氏度环境下测得为83mS/cm ，与国内产品的湿度90%，80摄氏度下的150mS/cm还是有些偏差。（不是在同一环境下参数，仅供参考）

3）离子交换量（EW）采用了meq/g的单位表征，与国标中g/mol单位不一致。大家注意换算。（meq：毫克当量，表示某物质和1mg氢的化学活性或化合力相当的量。mEq/L＝(mg/L)X原子价/化学结构式量 。根据以上进行换算即可）

4）MD=纵向，TD=横向。

结语：

1.单从基本的参数去做粗浅的比较，国内产品并不比国外已经商业化的产品差，甚至还略优于国外产品。

2.由于保密等因素未能提供更多供应商的PEM性能参数表。

3.由于PEM仅仅是最终产品燃料电池电堆的一个基础材料，除了部分机械物性之外，更多的电化学特性还是需要组装成MEA以及单电池后才能表征。

4.适当的材料选型，最佳的零部件组合，避免“短板效应”才能组装出优良的产品。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：质子交换膜（PEM）选型指南