一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法技术

本发明专利技术涉及一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法，该方法具体过程如下：首先将待测样品置于20

【技术实现步骤摘要】
一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)作为燃料电池的核心部件，起着传导质子、隔绝电子的重要作用。为了提高电池性能、降低离子电阻，质子交换膜不断减薄，从Nafion117的175μm降低到Nafion101的25μm，目前15μm的复合膜也已经实现了商业化，其中丰田Mirai上采用的质子交换膜厚度已经达到10μm。随着质子交换膜的不断减薄，其隔绝电子的能力也随之下降，更易引起质子交换膜燃料电池(PEMFC)的短路以及氢气渗透故障。此外较薄的质子交换膜在耐久性运行过程中，由于PEMFC内部自由基及机械应力的作用不断减薄甚至出现针孔，致使短路故障进一步加剧。另一方面由于PEMFC电堆在封装压力的作用下，气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)中的碳纤维以及催化层(Catalyst layer，CL)中的Pt/C颗粒均有被压入质子交换膜的可能，进而导致短路的发生。电堆密封以及质子交换膜本身的电阻率也是影响PEMFC短路的重要原因。目前针对PEMFC击穿电压的研究相对较少。尤兰轩等人(尤兰轩,谭金婷,潘牧.绝缘材料,2020,53(12):39
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43)通过对不同质子交换膜的厚度、湿度、温度等进行研究后发现，质子交换膜的击穿电压随质子交换膜厚度的降低而不断降低，随温度和湿度的上升而不断减小，并且还指出质子交换膜的击穿机理遵循热击穿的规律。
[0003]面对质子交换膜逐渐减薄但是仍要保持机械性能满足使用需求等问题，DOE在2017年提出质子交换膜的电阻不小于1000Ω
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cm2的指标，这是因为较低的电阻会导致质子交换膜被击穿。通用公司的一项专利US 2011/0159404A1提及，质子交换膜发生介电击穿时的击穿场强仅需0.1到0.2kV/mm。本课题组早期研究发现，目前采用的质子交换膜都是符合绝缘要求的，但是其在涂覆催化层制备成燃料电池芯片(Catalyst Coated Membrane，CCM)后是否会造成击穿电压下降，引发了研究人员对催化剂涂覆质子交换膜致使膜损伤的担忧，并且燃料电池在实际工作时伴随有电化学反应的发生，击穿电压可能会进一步下降。现有技术(Ralph T R,Hudson S,Wilkinson D P.ECS Transactions,2006,1(8):67
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84)在研究电池反极现象时就提到，在绝对值电压为2V时会发生介电击穿，但缺少进一步的研究。目前影响CCM击穿电压的因素还有待明确，催化层涂覆是否会引起质子交换膜击穿电压下降还有待研究。
[0004]此外在质子交换膜不断减薄的同时，制备成CCM后更易发生短路，在运行的燃料电池中CCM的短路会导致灾难性故障，导致电池乃至电堆的永久失效。当前CCM的短路检测手段仍主要以装载电池进行LSV或者短路内阻测试为主，这种检测手段较为繁琐复杂。随着PEMFC市场的不断扩大，CCM的需求量也随之不断增加，当前的测试手段已不适用于大批量CCM的短路检测，亟需研发一种简单、快捷的大批量检测方法。
[0005]击穿电压作为表征材料电绝缘的指标，在绝缘电器领域有着广泛的应用，与CCM拥
有相似结构的锂电池电芯已经使用击穿电压进行大规模电芯隔膜的短路检测，并得到了大规模商用。目前还未有人针对击穿电压用于检测CCM短路开展相关研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法，该方法包括以下步骤：(a)首先对待测质子交换膜或待测CCM进行预处理；(b)将处理好的待测样品置于上下电极之间，设置好短路保护电流，通电进行测试直至待测样品被击穿；(c)根据测试得到的击穿电压评估待测样品中质子交换膜的膜损伤程度。
[0007]进一步的，待测质子交换膜或者待测CCM中的质子交换膜选自聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等均质膜中的任意一种，或者添加了PTFE增强层的复合膜。
[0008]进一步的，待测质子交换膜或者待测CCM中的质子交换膜的膜层厚度为5
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30μm，尺寸为10mm*10mm至150mm*150mm。
[0009]进一步的，待测CCM样品采用热压转印法或者喷涂法制备得到。
[0010]进一步的，步骤(a)所述预处理具体为真空干燥，干燥温度为20
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110℃，干燥时间为0.5
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48h。
[0011]进一步的，步骤(b)中测试所用的上下电极均为圆形并且尺寸不同，上下电极的边缘均设置有倒角并且工作表面粗糙度不超过0.8μm。
[0012]进一步的，步骤(b)中待测样品置于上下电极之间并且与上下电极同轴，待测样品的面积大于尺寸较小的电极表面积。严格控制待测样品的尺寸，主要是为了防止击穿过程中边缘部分的短路放电。
[0013]进一步的，步骤(b)中短路保护电流控制在1
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5A范围内，以防止待测样品被击穿时电流激增而破坏电路。
[0014]进一步的，步骤(b)中采用连续升压的方式进行测试，升压速率为0.1
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5V/s。
[0015]进一步的，步骤(b)中需对同一待测样品进行反复多次(10
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100次)测试。
[0016]进一步的，步骤(c)具体过程如下：采用Weibull分布统计获得待测样品的击穿电压值M，并与同样测试条件下得到的标准样品击穿电压值N进行对比，以标准样品击穿电压值N的30％为界限，M＜30％N判定为不合格产品，否则判定为合格产品。
[0017]CCM作为PEMFC的核心部件，起着传导质子、隔绝电子的重要作用，CCM短路是PEMFC失效的主要形式之一。传统CCM短路的检测手段过于繁琐并且耗时长，难以满足日渐扩大的PEMFC市场需求，为此本专利技术提出了一种通过击穿电压检测CCM中质子交换膜击穿电压的方法。该方法采用连续升压方式，直至材料击穿出现短路电流，电压陡降时的电压值即为击穿电压值，运用统计学中的Weibull分布得出质子交换膜的平均击穿电压值，然后与标准样品的击穿电压值进行对比，据此科学、准确、有效的评估质子交换膜的膜损伤程度。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在以下几个方面：
[0019](1)相对于单电池的LSV检测渗氢电流，现有技术需要单电池装配，而本专利技术的测试方法无需进行单电池装配，也不需要利用燃料电池台架进行测试，具有检测方法简单、效率高、适合大规模CCM损伤检测等优点；
[0020](2)目前的短路内阻检测通常需要电池装配和燃料电池台架，并且由于测试气量的影响导致测试结果波动较大，无法通过测试数值准确判断质子交换膜的损坏情况，而本专利技术的测试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大规模检测CCM中质子交换膜膜损伤的测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)首先对待测质子交换膜或待测CCM进行预处理；(b)将处理好的待测样品置于上下电极之间，设置好短路保护电流，通电进行测试直至待测样品被击穿；(c)根据测试得到的击穿电压评估待测样品中质子交换膜的膜损伤程度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：待测质子交换膜或者待测CCM中的质子交换膜选自聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等均质膜中的任意一种，或者添加了PTFE增强层的复合膜。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：待测质子交换膜或者待测CCM中的质子交换膜的膜层厚度为5
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30μm，尺寸为10mm*10mm至150mm*150mm；并且待测CCM样品采用热压转印法或者喷涂法制得。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)所述预处理具体为真空干燥，干燥温度为20
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110℃，干燥时间为0.5
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48...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘牧，张慧，官树猛，刘珍斌，周芬，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：