氫燃料電池，是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的一種類型，是用質(zhì)子交換膜將陽極氫氣和陰極氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置，具有效率高、環(huán)境友好的特點(diǎn)。
炭紙，是氫燃料電池膜電極氣體擴(kuò)散層的常用材料，承擔(dān)著支撐催化劑層，傳遞氫氣、氧氣以及反應(yīng)產(chǎn)物的重任。要求材料：1、具有適宜的孔隙分布以利于反應(yīng)氣體的傳導(dǎo)；2、具有良好的強(qiáng)度以支撐催化層；3、具有合適的厚度，以實現(xiàn)強(qiáng)透氣、強(qiáng)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(yīng)具有良好的透氣性。但由于技術(shù)與工藝的差異，目前炭紙透氣性并沒有統(tǒng)一的指標(biāo)要求，故目前大多企業(yè)參考《GB/T 20042.7-2014 質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙?zhí)匦詼y試方法》，對炭紙材料的透氣性進(jìn)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(nèi)，使兩側(cè)形成密閉的氣室，流入氣體，使樣品兩側(cè)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(jù)測試經(jīng)驗，炭紙的透氣量一般較高，故應(yīng)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(shè)定范圍為0～1000Pa,便于用戶靈活調(diào)整壓差設(shè)定，從而獲得更加精準(zhǔn)的透氣率值。儀器內(nèi)置了高精度電子氣流、氣壓傳感器，便于精準(zhǔn)控制與監(jiān)測測試過程中氣流量和壓力變化。
2、拉伸強(qiáng)度
炭紙必須具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，使其能夠獨(dú)立支撐催化劑層，從而穩(wěn)定整個電極結(jié)構(gòu)。因此在新型炭紙的機(jī)械性能改善研究，以及在提升炭紙的導(dǎo)電率、孔隙率、疏水性等關(guān)鍵指標(biāo)的性能的同時，需時刻關(guān)注拉伸強(qiáng)度等性能數(shù)值的變化。
根據(jù)《GB/T 20042.7-2014 質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙?zhí)匦詼y試方法》的規(guī)定，將炭紙裁取長條型試樣，置于智能電子拉力機(jī)兩夾具中，上、下夾具的中心線應(yīng)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(nèi)的速度拉伸。樣品斷裂后，儀器自動計算樣品的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度差異。
3、厚度均勻性
以炭紙為主要材料構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層，厚度越薄越有利于傳導(dǎo)氣體、減小電阻，但考慮到對催化劑層支撐的強(qiáng)度要求，故應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境需要設(shè)計不同的厚度，并確保炭紙具有良好的厚度均勻性。
根據(jù)GB/T 20042.3-2022規(guī)定，厚度均勻性測試應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)實驗室環(huán)境(23℃，50%RH)中，利用接觸式測厚儀測試多個均勻分布點(diǎn)位的厚度值，確保每個25cm2樣品不少于9個測試點(diǎn)。連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)偏差、厚度離散系數(shù)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(qiáng)，一般推薦5 N/cm2。
當(dāng)前，Labthink已與新能源行業(yè)眾多企事業(yè)單位以及科研院校攜手，積極發(fā)揮在儀器研發(fā)制造和測試領(lǐng)域的經(jīng)驗優(yōu)勢，聚焦燃料電池產(chǎn)業(yè)，開展深入合作，共同推進(jìn)新能源行業(yè)的快速創(chuàng)新發(fā)展。
