阴离子交换膜燃料电池性能测试方法标准总结

标准概述

T/CRES0028-2025《阴离子交换膜燃料电池第一部分阴离子交换膜性能测试方法》是由中国可再生能源学会发布的标准文件，规定了传导氢氧根(OH)的阴离子交换膜的术语定义、测试方法、数据处理及测试报告等内容。该标准适用于传导OH的阴离子交换膜，可应用于水电解制氢、燃料电池、CO₂还原等电化学设备。

主要术语定义

标准中明确了以下关键术语和定义：

1. ​​氢氧根离子电导率​​：OH离子在膜内迁移速率的大小，是电阻率的倒数，用来衡量膜OH离子的传导能力，单位为S/cm。
2. ​​离子交换容量(IEC)​​：单位质量干膜所含离子基团的量，单位为mmol/g。
3. ​​拉伸强度​​：在给定条件下，试样断裂前所承受的最大拉伸力与试样横截面面积的比值，单位为MPa。
4. ​​弹性模量​​：阴离子交换膜应力应变曲线直线部分的斜率，单位为MPa。
5. ​​断裂拉伸应变​​：试样发生断裂时原始标距单位长度的百分增量，单位为%。
6. ​​气体透过率​​：在恒定温度和单位压力差下，单位时间内稳定透过试样单位面积的气体体积，单位为cm³/(m²·d·Pa)。
7. ​​气体透过系数​​：在恒定温度和单位压力差下，单位时间内稳定透过试样单位厚度、单位面积的气体体积，单位为cm³·cm/(m²·s·Pa)。
8. ​​吸水率​​：给定温度下单位质量干膜的吸水质量百分量，单位为wt%。
9. ​​溶胀率​​：相对于干膜在横向、纵向和厚度方向的尺寸变化百分量，单位为%。
10. ​​碱稳定性​​：在给定温度和碱浓度下处理一定时间后，阴离子交换膜的IEC和OH离子电导率的百分变化量，单位为%。

测试方法详解

1. 厚度均匀性测试

​​测试仪器​​：测厚仪(精度≥0.1μm)和卡尺(精度≥0.02mm)。

​​样品准备​​：样品面积至少100cm²，无折皱、缺陷和破损，在23±2℃、50±10%RH条件下放置4h以上。

​​测试步骤​​：每100cm²测试点不少于30个，均匀分布，距离边缘>5mm。

​​数据处理​​：计算厚度极差(R=dmax-dmin)、平均厚度(d=Σdi/n)和厚度相对标准偏差(RS)。

2. OH离子电导率测试

​​测试仪器​​：螺旋测微器、卡尺、电化学测试阻抗仪(1Hz-1MHz)和测试系统。

​​样品准备​​：10mm×45mm膜样品，1M KOH溶液80℃离子交换24h，洗至中性。

​​测试步骤​​：

• 采用四电极探针法
• 通N₂吹扫(500 SCCM)，100% RH增湿
• 直流电解(≤2V)至平衡(1h内变化<10mV)
• EIS测试(1Hz-1MHz，1-5mA扰动)

​​计算​​：σ=l/(a×b×R)，其中l为电极间距，a为宽度，b为厚度，R为阻抗。

3. 离子交换容量测试

​​测试仪器​​：电位滴定仪(精度≥0.1mV)和电子分析天平(精度≥0.1mg)。

​​测试步骤​​：

1. OH离子交换：1M KOH 80℃ 24h
2. Cl离子交换：1M NaCl 80℃ 24h
3. NO₃⁻离子交换：0.1M NaNO₃ 80℃ 24h
4. 电位滴定：用0.01M AgNO₃滴定Cl⁻
5. 称重：80℃干燥24h至恒重

​​计算​​：IEC=1000CAgNO₃×VAgNO₃×(V₁/V₂)/mdry

4. 透气率测试

按照GB/T 20042.3规定的方法进行测试。

5. 电化学渗氢电流测试

​​测试仪器​​：温湿度控制系统和电化学工作站(0-0.5V，2mV/s)。

​​样品准备​​：制备CCM(两面Pt载量0.4mg/cm²)，1M KOH 80℃ 24h。

​​测试步骤​​：

• 组装单电池(0.5-1.2MPa)
• 氢氮吹扫(阳极H₂ 250 SCCM，阴极N₂ 500 SCCM)
• 电压扫描0-0.5V(vs RHE)，1-2mV/s

​​计算​​：icross=Icross/SMEA

6. 拉伸性能测试

​​测试仪器​​：试验机、夹具、测厚仪和卡尺。

​​样品准备​​：

• i型试样(宽度25-38mm，长度≥150mm)或ii型试样(宽度10-25mm)
• 1M NaHCO₃ 80℃ 24h，洗至中性，80℃烘干

​​测试条件​​：23±2℃，50±10%RH，放置≥4h。

​​测试步骤​​：

• 标距内测量3点厚度和宽度
• 拉伸速度50-200mm/min
• 记录断裂负荷

​​计算​​：

• 拉伸强度：σ=F/(b₁×d)或σ=F/(b×d)
• 断裂拉伸应变：εb=(ΔL₀/L₀)×100%
• 弹性模量：E=(σ₁-σ₂)/(ε₁-ε₂)，ε₁=0.5%，ε₂=2.5%

7. 溶胀率测试

​​测试仪器​​：测厚仪、卡尺和恒温水浴设备(±0.2℃)。

​​样品准备​​：40mm×20mm样条(横向和纵向各3个)，23±2℃，50±10%RH放置≥4h。

​​测试步骤​​：

1. 初始测量L₀和d₀
2. 1M KOH 80℃ 24h(若需要)
3. 80℃水浴≥8h
4. 快速测量L₁和d₁(30s内)

​​计算​​：

• 尺寸变化率：ΔL=(L₁-L₀)/L₀×100%
• 厚度变化率：Δd=(d₁-d₀)/d₀×100%

8. 吸水率测试

​​测试仪器​​：分析天平(0.1mg)、烘箱(80±0.2℃)和恒温水浴设备(±0.2℃)。

​​样品准备​​：50±1mm方形或圆形样品，23±2℃，50±10%RH放置≥4h。

​​测试步骤​​：

1. 1M KOH 80℃ 24h(若需要)
2. 去离子水80℃水浴8h
3. 称湿重m₁
4. 80℃干燥24h至恒重m₀

​​计算​​：Δm=(m₁-m₀)/m₀×100%

9. 碱稳定性测试

​​测试仪器​​：电位滴定仪、分析天平、电化学测试阻抗仪。

​​样品准备​​：

• 离子电导率样品：10mm×45mm
• IEC样品：5cm×5cm

​​测试步骤​​：

1. 初始测试C₀和λ₀
2. 5M KOH 80℃浸泡(1000h或按需求)
3. 定期测试(100h,200h,500h,1000h等)
4. 处理后测试C₁和λ₁

​​计算​​：

• IEC变化率：ΔC=(C₁-C₀)/C₀×100%
• 电导率变化率：Δλ=(λ₁-λ₀)/λ₀×100%

符号与单位

标准中提供了详细的符号、含义与单位对照表，包括膜的厚度极差(R)、平均厚度(d)、相对标准偏差(RS)、拉伸强度(σ)、弹性模量(E)、断裂拉伸应变(εb)、离子交换容量(IEC)、渗氢电流密度(icross)等参数的定义和单位。

标准特点

1. ​​全面性​​：涵盖了阴离子交换膜的关键性能指标测试方法，包括物理性能、电化学性能和化学稳定性等。
2. ​​规范性​​：严格遵循GB/T 1.1-2020《标准化工作导则》的结构要求，术语定义引用GB/T 28816等国家标准。
3. ​​可操作性​​：测试步骤详细，数据处理方法明确，便于实验室实施。
4. ​​适用性​​：不仅适用于燃料电池领域，还可用于水电解制氢、CO₂还原等电化学设备。
5. ​​科学性​​：测试条件(温度、湿度、时间等)控制严格，确保数据可比性和重复性。

该标准为阴离子交换膜燃料电池的研发、生产和质量控制提供了重要的技术依据，有助于推动我国氢能与燃料电池产业的发展。