膜电极MEA的选型指南

我们以质子交换膜氢燃料电池来看，从冷却方式上可以分为空（风）冷式和液冷式。为何要如此说明呢，因为这两者在在MEA的选用上以及性能指标有着比较显著的差异。我们今天只重点讨论液冷式质子交换膜氢燃料电池的MEA选型。

膜电极MEA的选型指南

一、国标解读

根据国标《GB/T 20042.5—2009 质子交换膜燃料电池第五部分—膜电极测试方法》规定膜电极测试定义了七项具体指标，分别为：

厚度均匀性测试：使用精度不低于 0.001 mm的厚度仪，单位微米（μm）
Pt担载量测试（mg/c㎡）
以下项目均需要在组装单体电池后才能进行相应测试。
单电池极化曲线测试。需要组装成单体电池（特别注意单电池功率密度，单位为瓦每平方厘米 (W/c㎡））
透氢电流密度测试（A/c㎡）
活化极化过电位测试（V）
欧姆极化过电位测试（V）
电化学活性面积测试。（一般指催化剂的电化学活性面积，单位m² /g)

以上关于MEA的测试方式以及使用设备精度要求，人员动作规范等都有严格要求，我们这里不再赘述。

二、团标解读

由于原有的国家标准GB/T 20042.5-2009《质子交换膜燃料电池第5部分：膜电极测试方法》，没有包含膜电极耐久性方面的测试方法，而且随着燃料电池行业的发展，对膜电极的性能又提出了新的需求，测试设备有了新的发展，因此，团标T-CAAMTB 12—2020《质子交换膜燃料电池膜电极测试方法》针对GB/T 20042.5-2009《质子交换膜燃料电池第5部分：膜电极测试方法》做以下几个方面补充：

1.膜电极串漏率（单位：sccm/c㎡)，用来表征膜电极的气密性；

2.电极抗反极性能（单位：Min)，用来表征膜电极的抗反极性能；

3.膜电极质子交换膜化学耐久性(单位：h），用来快速表征膜电极质子交换膜寿命；

4.膜电极催化剂耐久性(单位：h），用来快速表征膜电极催化剂寿命；

5.膜电极催化剂载体耐久性(单位：h），用来快速表征膜电极催化剂载体寿命；

6.测试铂载量的新方法，对膜电极进行原位的无损测量，易于操作；

7.测试欧姆极化电阻的新方法，测量结果重复性和稳定性更高，操作简便，更为有效。

具体测试方式大家可以参考以上团标。

三、具体选型

我们从MEA产品供应商提供参数的角度看一下该如何选型进行适配。

下面是国内某自研国产的膜电极对外销售的资料手册显示内容：

膜电极MEA的选型指南

1.先看其表格中显示内容：

膜电极MEA的选型指南

表格中显示了10项内容：

1）其中只有铂载量为国标对应项目，但在团标中有新增无损测量方法。

说明：该指标直接和模组成本相关。

美国2020年DOE目标0.125mg/c㎡。

日本丰田2040目标0.03g/KW，对应约0.05mg/c㎡

国内目前水准：0.3~0.5mg/c㎡（国内差不多水准，不再单独提列）

2）功率密度其实也就是和国标第三项极化曲线中带出的数据；

说明：目前国内液冷式燃料电池MEA水准约在（1.0~1.6）W/c㎡；风冷式一般在0.5~0.7W/c㎡左右。

以下是国内部分厂商参数列举：

武汉理工：1.4W/c㎡

通用氢能：1.2~1.6W/c㎡（深圳市南科燃料电池）

东方电气：1.6W/c㎡

上海攀业：大于1.0W/c㎡

昆山桑莱特：1.1W/c㎡

江苏延长桑莱特：1.2W/c㎡

鸿基创能：大于1.4W/c㎡

3）产品类型（三层CCM、5层MEA、7层MEA）为MEA膜组件工艺方式以及构成；可选择的MEA模组组合方式。

4）定制尺寸（含厚度）为几何外形尺寸参数；供客户更多的选择。

5）运行温度和湿度范围为产品能耐受的环境条件；

说明：一般国内温度为60~95度，湿度为20%~100%。美国2020年DOE最大工作温度为120度。

6）寿命、抗极反时间和串漏率也是我们在作为产品使用过程中非常关注的性能表征参数，也是团标补充的最大意义所在。

寿命：毋庸置疑是影响电堆整体寿命的非常重要的因素。团标中参考的美国能源部（DOE）2016年的测试方案，此方案经历过几次升级目前在业界广泛应用。此加速测试方案分别根据催化剂、催化剂载体和质子交换膜的衰减机理，设定相应的极端工况运行，使膜电极在短时间内完成全寿命周期内可能发生的衰减，进而快速的测试膜电极的寿命或耐久性，并进行性能评价。

抗极反时间：对于终端客户来说，无损反极运行时间更有指导意义。这个功能一般是来自于催化剂结构，可以通过调整催化剂来达到抗极反的功能，还可以调整抗极反时间。

串漏率：膜电极的串漏是指阴阳极两侧之间发生漏气问题，通常由于薄膜针孔或者边框封装等问题导致，可能引发内漏降低效率和形成氢氧界面等问题给电堆运行带来严重风险。

以下是国内几家膜电极厂商给出的指标：

武汉理工：6500小时，具备抗极反能力

通用氢能（深圳南科燃料）：寿命大于12000小时，抗极反能力70分钟（可定制调整）

东方电气：寿命超10000小时

鸿基创能：寿命大于15000小时

2.再看膜电极性能曲线：

膜电极MEA的选型指南

两幅图分别为在中压（60KPa~100KPa以内）和高压（150KPa~300KPa）两种工作模式下的性能曲线，其中黑色线为极化曲线（电压随电流的变化曲线），红色为功率曲线（功率随电流变化的曲线，值为电压和电流的乘积）。

说明：

1）这里很关键的一个值是功率密度，关注极化曲线更多的目的是关注功率密度变化状况。

2）另根据不同压力状态下的极化曲线去匹配我们自己电堆的设计。

四、结语：

1.作为质子交换膜燃料电池的核心部件MEA，是由质子交换膜、催化剂。GDL（扩散层）构成，我们在选型MEA模组时，关注以上性能的同时也需要去关注质子交换膜、催化剂、GDL的基本机械性能（如撕裂强度等等）同时，还得关注MEA边框等工艺方式以便更好的和自己设计的电堆去匹配。

2.目前国内已经有五家以上企业具备批量供货能力，依据国标、团标、以及企业内部标准测试得来数据是电堆厂商选型时非常重要的一个依据。

3.在具体选型时，除了国标和团标中明确的10项具体指标外，我们还要关注产品的极化曲线以及MEA模组构成部件的来源以及性能。

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原文始发于微信公众号（氢眼所见）：膜电极MEA的选型指南

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