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2024/10/24
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氫燃料電池炭紙關鍵性能測試
氫燃料電池，是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的一種類型，是用質子交換膜將陽極氫氣和陰極氧氣的化學能通過電化學反應，轉化為電能、熱能和其他反應產物的發電裝置，具有效率高、環境友好的特點。
炭紙，是氫燃料電池膜電極氣體擴散層的常用材料，承擔著支撐催化劑層，傳遞氫氣、氧氣以及反應產物的重任。要求材料：1、具有適宜的孔隙分布以利于反應氣體的傳導；2、具有良好的強度以支撐催化層；3、具有合適的厚度，以實現強透氣、強支撐和低成本三方面兼顧。
1、透氣性
在適宜的孔隙率和孔分布情況下，炭紙應具有良好的透氣性。但由于技術與工藝的差異，目前炭紙透氣性并沒有統一的指標要求，故目前大多企業參考《GB/T 20042.7-2014 質子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙特性測試方法》，對炭紙材料的透氣性進行自我評估。
測試方面，將炭紙樣品密封裝夾在透氣度儀的測試腔內，使兩側形成密閉的氣室，流入氣體，使樣品兩側保持一定的壓力差，軟件自動測定在壓力差作用下透過樣品的氣體體積流速，通過計算獲得炭紙樣品的透氣率。
根據測試經驗，炭紙的透氣量一般較高，故應選擇適合量程的儀器。Labthink TQD-G1A透氣度測試儀，氣體體積流速測量范圍為0～30L/min，能滿足一般炭紙的透氣性能測定。對于高透氣性的炭紙材料，支持定制更寬測量范圍的儀器。透氣度測試儀的壓力差設定范圍為0～1000Pa,便于用戶靈活調整壓差設定，從而獲得更加精準的透氣率值。儀器內置了高精度電子氣流、氣壓傳感器，便于精準控制與監測測試過程中氣流量和壓力變化。
2、拉伸強度
炭紙必須具有適當的機械強度，使其能夠獨立支撐催化劑層，從而穩定整個電極結構。因此在新型炭紙的機械性能改善研究，以及在提升炭紙的導電率、孔隙率、疏水性等關鍵指標的性能的同時，需時刻關注拉伸強度等性能數值的變化。
根據《GB/T 20042.7-2014 質子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙特性測試方法》的規定，將炭紙裁取長條型試樣，置于智能電子拉力機兩夾具中，上、下夾具的中心線應與試樣受力的方向平行，且在受力過程中保持試樣在同一平面。以10mm/min~100mm/min范圍內的速度拉伸。樣品斷裂后，儀器自動計算樣品的拉伸強度值。如有需要，樣品按縱向和橫向分別取樣測試，以了解炭紙不同方向上的拉伸強度差異。
3、厚度均勻性
以炭紙為主要材料構成的氣體擴散層，厚度越薄越有利于傳導氣體、減小電阻，但考慮到對催化劑層支撐的強度要求，故應根據不同的應用環境需要設計不同的厚度，并確保炭紙具有良好的厚度均勻性。
根據GB/T 20042.3-2022規定，厚度均勻性測試應選用具有代表性的、無折皺、缺陷、破損的樣品制備為有效面積至少100cm2的樣品。在標準實驗室環境（23℃，50%RH）中，利用接觸式測厚儀測試多個均勻分布點位的厚度值，確保每個25cm2樣品不少于9個測試點。連續測試3片樣品，自動測得炭紙的平均厚度值，由此計算厚度標準偏差、厚度離散系數等值。測試過程中，測厚儀的測量頭與樣品接觸要保持一定的壓強，一般推薦5 N/cm2。
當前，Labthink已與新能源行業眾多企事業單位以及科研院校攜手，積極發揮在儀器研發制造和測試領域的經驗優勢，聚焦燃料電池產業，開展深入合作，共同推進新能源行業的快速創新發展。
