标准搜索结果: 'GB/T 20042.7-2024'
| 标准编号 | GB/T 20042.7-2024 (GB/T20042.7-2024) | | 中文名称 | 质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法 | | 英文名称 | Proton exchange membrane fuel cells - Part 7: Test method of carbon paper properties | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K82 | | 国际标准分类 | 27.070 | | 字数估计 | 34,384 | | 发布日期 | 2024-12-31 | | 实施日期 | 2025-07-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 20042.7-2014 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 20042.7-2024: 质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法
ICS 27.070
CCSK82
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 20042.7-2014
质子交换膜燃料电池
第7部分:炭纸特性测试方法
2024-12-31发布
2025-07-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 符号 3
5 样品及测试准备 5
6 测试仪器和器具 6
7 厚度均匀性测试 6
8 电阻测试 7
9 机械强度测试 9
10 透气率测试 11
11 孔隙率测试 12
12 体密度测试 12
13 面密度测试 13
14 粗糙度测试 13
15 垂直方向导热系数测试 14
16 弯曲挺度测试 15
17 静态接触角测试 15
18 耐久性测试(酸氧化法) 15
19 测试报告 16
附录A(资料性) 测试准备 17
附录B(资料性) 测试报告 18
附录C(资料性) 两个铜电极本体电阻、炭纸与电极间接触面电阻总和测试 20
附录D(资料性) 平面方向透气率测试 21
附录E(资料性) 孔隙率测试 23
附录F(资料性) 表面粗糙度测试方法 24
附录G(资料性) 弯曲挺度测试 26
附录H (资料性) 静态接触角测试 27
附录I(资料性) 耐久性测试(酸氧化法) 28
参考文献 29
前言
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
本文件是GB/T 20042《质子交换膜燃料电池》的第7部分。GB/T 20042已经发布了以下部分:
---第1部分:术语;
---第2部分:电池堆通用技术条件;
---第3部分:质子交换膜测试方法;
---第4部分:电催化剂测试方法;
---第5部分:膜电极测试方法;
---第6部分:双极板特性测试方法;
---第7部分:炭纸特性测试方法。
本文件代替GB/T 20042.7-2014《质子交换膜燃料电池 第7部分:炭纸特性测试方法》,与
GB/T 20042.7-2014相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下:
---增加了“面电阻”“平面方向透气率”“弯曲挺度”“静态接触角”“耐久性”等术语及定义(见3.1、
3.5、3.11~3.13);
---增加了“面电阻”“平面方向透气率”“弯曲挺度”“静态接触角”“耐久性”等符号及定义(见第4
章);
---增加了部分测试仪器和器具(见第6章);
---增加了“面电阻测试”(见8.3);
---删除了“抗弯强度测试”(见2014年版的8.2)。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国电器工业协会提出。
本文件由全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC342)归口。
本文件起草单位:上海碳际实业集团有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、中国华电科工集
团有限公司、同济大学、武汉理工大学、华北电力大学、南京大学、机械工业北京电工技术经济研究所、
中国质量认证中心有限公司、中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司、济南思克测试技术有限公
司、北京上电科赛睿科技有限公司、新研氢能源科技有限公司、国家电投集团氢能科技发展有限公司、
新源动力股份有限公司、上海攀业氢能源科技股份有限公司、山东国创燃料电池技术创新中心有限公
司、上海韵量新能源科技有限公司、上海捷氢科技股份有限公司、无锡市检验检测认证研究院、北京氢璞
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上海智能新能源汽车科创功能平台有限公司、中国第一汽车股份有限公司、亿创氢能源科技(张家港)有
限公司、未势能源科技有限公司、海卓动力(青岛)能源科技有限公司。
本文件主要起草人:姜永燚、侯明、明平文、尧克光、江靖、刘建国、张亮、姚颖方、李赏、王昕、卢琛钰、
焦道宽、杨兴亚、张目清、齐志刚、周明正、戴海峰、董辉、李光伟、陈东方、赵小军、邸志岗、王刚、陈耀、
朱孟倩、朱俊娥、靳殷实、唐浩林、郑丽萍、盛夏、刁力鹏、唐富民、梁栋、龚正伟、谢佳平。
本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为:
---2014年首次发布为GB/T 20042.7-2014;
---本次为第一次修订。
引 言
鉴于质子交换膜燃料电池技术发展,为服务质子交换膜燃料电池发电系统上下游制造商及其用
户,GB/T 20042提供了统一的术语及定义,并针对质子交换膜燃料电池堆及其关键零部件提供了统一
的测试方法。
GB/T 20042《质子交换膜燃料电池》拟由以下七部分构成。
---第1部分:术语。目的是界定质子交换膜燃料电池技术及其应用领域内使用的术语和定义。
---第2部分:电池堆通用技术条件。目的是给出质子交换膜燃料电池堆的通用技术要求、试验方
法、检验规则等内容。
---第3部分:质子交换膜测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池中质子交换膜厚度均匀性、
质子传导率等测试方法。
---第4部分:电催化剂测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池电催化剂铂含量、电化学活性
面积等测试方法。
---第5部分:膜电极测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池膜电极厚度均匀性、Pt担载量
等测试方法。
---第6部分:双极板特性测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池双极板气体致密性、抗弯强
度、密度等测试方法。
---第7部分:炭纸特性测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池炭纸厚度均匀性、电阻、机械
强度等测试方法。
质子交换膜燃料电池
第7部分:炭纸特性测试方法
1 范围
本文件界定了质子交换膜燃料电池炭纸的术语和定义、描述了质子交换膜燃料电池炭纸特性测试
方法,包括厚度均匀性测试、电阻测试、机械强度测试、透气率测试、孔隙率测试、体密度测试、面密度测
试、粗糙度测试、垂直方向导热系数测试、弯曲挺度测试、静态接触角测试、耐久性测试和测试报告。
本文件适用于质子交换膜燃料电池炭纸的检测。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 1040.3-2006 塑料 拉伸性能的测定 第3部分:薄膜和薄片的试验条件
GB/T 20042.1-2017 质子交换膜燃料电池 第1部分:术语
GB/T 28816-2020 燃料电池 术语
3 术语和定义
GB/T 20042.1-2017、GB/T 28816-2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
在规定的压力条件下,炭纸的欧姆电阻乘以其有效面积。
注:面电阻的单位为毫欧平方厘米(mΩ·cm2)。
3.2
垂直方向电阻率 through-planeresistivity
与炭纸表面垂直方向的电阻率。
注:垂直方向电阻率的单位为毫欧厘米(mΩ·cm)。
3.3
平面方向电阻率 in-planeresistivity
与炭纸表面平行方向的电阻率。
注:平面方向电阻率的单位为毫欧厘米(mΩ·cm)。
3.4
垂直方向透气率 through-planegaspermeability
与炭纸表面垂直方向的透气率。
注:垂直方向透气率单位为毫升毫米每平方厘米小时帕[mL·mm/(cm2·h·Pa)]。
3.5
平面方向透气率 in-planegaspermeability
与炭纸表面平行方向的透气率。
注:平面方向透气率单位为毫升毫米每平方厘米小时帕[mL·mm/(cm2·h·Pa)]。
3.6
孔隙率 porosity
炭纸孔隙体积占其总体积的百分比。
3.7
体密度 bulkdensity
炭纸质量与表观体积的比值。
注1:炭纸的表观体积为其平均厚度与表观面积的乘积。
注2:体密度的单位为克每立方厘米(g/cm3)。
3.8
面密度 areadensity
炭纸质量与表观面积的比值。
注1:炭纸的表观面积为其表观长度与宽度的乘积;
注2:面密度的单位为克每平方米(g/m2)。
3.9
粗糙度 roughness
炭纸表面微小峰谷的微观不平度。
注1:通常用一个取样长度L 内,轮廓上各点到轮廓中线X 绝对值的算术平均值(轮廓的算术平均偏差Ra)或用最
大轮廓峰高与最大轮廓谷深之和(轮廓的最大高度Rz)来表示,单位为微米(μm)。
注2:轮廓的中线(见图1中X)包括轮廓的算术平均中线和轮廓的最小二乘中线两种。轮廓的算术平均中线是在
取样长度范围内,将实际轮廓划分上下两部分,且使上下面积相等的直线。轮廓的最小二乘中线是在取样长
度内,使轮廓上各点至一条该线的距离平方和为最小。
注3:表面粗糙度相关术语及定义见GB/T 3505-2009。
图1 轮廓的中线及Ra示意图
3.10
导热系数 thermalconductivity
单位温度差、单位面积、单位时间内通过单位厚度炭纸的热量。
注:导热系数的单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]。
3.11
弯曲挺度 bendingstiffness
炭纸在弹性形变范围内受力弯曲时所产生的单位阻力矩。
注:弯曲挺度的单位为毫牛米(mN·m)。
3.12
静态接触角 staticcontactangle
液体在炭纸表面形成液滴并达到平衡时,在气液固三相交界点处做气液界面的切线,该切线与固液
交界线之间的夹角。
注:静态接触角的单位为度(°)。
3.13
耐久性 durability
在规定的测试条件下,炭纸经过一定时间的耐久性测试后,相关指标的变化率。
注:耐久性相关指标的变化率用百分比(%)表示。
4 符号
下列符号适用于本文件。
注:本文件中使用的符号及含义与单位见表1,包括恰当的计量单位。
表1 符号、定义与单位
符号 定义 单位
常用参数
n 测量数据点数
m 样品的质量 g
Lcp 样品的长度 cm
Wcp 样品的宽度 cm
厚度均匀性
d 25kPa下,样品的平均厚度 μm
di 25kPa下,某一点样品的厚度测量值 μm
σ 25kPa下,样品的厚度标准偏差 μm
δ 离散系数,反映单位均值上的离散程度
电阻
ρin 样品平面方向的电阻率 mΩ·cm
ρi 不同部位电阻率测量值 mΩ·cm
G 样品厚度校正系数
D 样品形状校正系数
ρt 样品垂直方向的电阻率 mΩ·cm
Rm
仪器的测量值,即样品垂直方向电阻、铜电极本体电阻和样品与两个电
极间的接触电阻的总和
mΩ
d 试验压强下样品的厚度 μm
rc 面电阻 mΩ·cm2
Rc 两个铜电极本体电阻、样品与两个电极间的接触面电阻总和 mΩ·cm2
S 样品与两个电极之间的接触面积 cm2
表1 符号、定义与单位 (续)
符号 定义 单位
Rm1
厚度为d1 时,仪器的电阻测量值,即样品垂直方向电阻和样品与两个电
极间的接触电阻及两个镀金电极电阻的总和
mΩ
d1 样品1在测试压强下的平均厚度 μm
Rm2
厚度为d2 时,仪器的电阻测量值,即样品垂直方向电阻和样品与两个电
极间的接触电阻及两个镀金电极电阻的总和
mΩ
d2 两个样品1在测试压强下的平均厚度 μm
机械强度
Ts 样品的拉伸强度 MPa
Fb 样品断开时记录的负荷 N
F 弯曲测头向试样施加的作用力 N
L 试样夹顶端与弯曲测头间的距离 mm
γ 一定压力下样品的压缩率 %
dpi 一定压力下的厚度 μm
d0 样品的初始厚度,即压力为25kPa下的厚度 μm
B 弯曲挺度 mN·m
dr 测试样品的挠度,即弯曲测头的位移 mm
b 测试样品的宽度 mm
透气率
Vpe 样品垂直方向透气率 mL·mm/(cm2·h·Pa)
Vs 在压差Ps-P0 下气体通过样品的体积流速 mL/min
Ps 测试样品时,微量压差计示数 Pa
P0 空白样品的微量压差计示数 Pa
S1 样品的有效面积,即边框的中间孔尺寸 cm2
Vin 样品平面方向透气率 mL/min
R1 内圆半径 mm
R2 外圆半径 mm
d3 1MPa下,样品的平均厚度 μm
孔隙率
ε 样品的孔隙率 %
ρCF 炭纤维的密度 g/cm3
密度
ρ0 体密度 g/cm3
ρs 面密度 g/m2
表1 符号、定义与单位 (续)
符号 定义 单位
粗糙度
Ra 轮廓算术平均偏差 μm
|Yi| 轮廓上各点到轮廓中线纵坐标绝对值 μm
ns 轮廓曲线上选取的数据点
Ra 平均轮廓算术平均偏差 μm
na 选取的取样长度的个数
Rz 轮廓的最大高度,即最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和 μm
Zpi 最大轮廓峰高,轮廓最高点到中线的距离最大值 μm
Zvi 最大轮廓谷深,轮廓最低点到中线的距离最大值 μm
Rz 平均轮廓的最大高度 μm
Sa 表面平均高度偏差 μm
Sa 平均表面平均高度偏差 μm
SZ 表面的最大高度,即最大峰高度和最大谷深度之和 μm
SP 定义区域中最高点的高度 μm
SV 定义区域中最低点的高度的绝对值 μm
SZ 平均表面的最大高度 μm
导热系数
λ 导热系数 W/(m·K)
R 样品的热阻抗 K·m2/W
Φ 传导的热流量 W
T1-T2 样品上下表面的稳定温度差 K
t 传导热量的时间 s
A 样品的面积 m2
dr 样品厚度 m
RH 样品上下表面接触热阻 K·m2/W
耐久性
ηi 样品厚度、面电阻、压缩特性等的变化率 %
X0 样品厚度、面电阻、压缩特性等的初始值
X1 耐久性测试后样品厚度、面电阻、压缩特性等的数值
5 样品及测试准备
5.1 样品准备
5.1.1 测试的样品形状、尺寸和数量由测试和送样双方协商决定。
5.1.2 样品应无褶皱、划痕和破损。
5.1.3 样品应在80℃条件下烘干2h。
5.2 测试准备
5.2.1 对于每项试验,应选择符合精度要求的检测仪器及设备,以便将测量误差减到最小。
5.2.2 试验开始前,应保持待测样品清洁,并由测试方和材料制造商协商试验条件。如无特殊规定,参
考附录A和附录B中的试验条件要求和内容进行测试和记录。
5.2.3 每项测试至少测试3次(确保得到3个有效值)。
5.2.4 如无特殊说明,测试环境的温度为23℃±5℃。
6 测试仪器和器具
本文件给出的试验方法使用的仪器和器具及其精度要求如下:
a) 测厚仪:用于测量样品的厚度,精度不低于0.001mm;
b) 长度测量仪:用于测量样品的长度和宽度,精度为±0.02mm;
c) 精密电子天平:用于测量样品的质量,精度为±0.1mg;
d) 四探针电阻率测试仪:用于测试样品平面方向的电阻率,精度为±0.1mΩ·cm;
e) 低电阻测试仪:用于测试样品的垂直方向电阻,精度为±0.01mΩ;
f) 机械性能试验机:用于测试样品的拉伸强度和压缩强度,测试精度为其量程±0.5%;
g) 比重计:用于测量样品的比重,精度为±0.002g/cm3;
h) 表面粗糙度轮廓仪:精度为±0.1μm;
i) 微压差计:用于测试压差,精度为±2Pa;
j) 节流阀:用于调节进气流量;
k) 气体流量计:用于测量气体流量,精度为其满量程的±1%;
l) 挺度仪:能测定试样挺度所规定的弯曲力或力矩的装置,弯曲角度为15°±0.3°;标称的弯曲长
度为50mm,仪器测量范围至少为0.05mN·m ~5mN·m;
m) 导热系数测试仪:用于测试样品的导热系数,垂直方向导热系数测试所需仪器测量范围至少为
0.1W/(m·K)~10.0W/(m·K),精度为±0.1W/(m·K);
n) 接触角测试仪:用来测量样品的接触角,测量分辨率:0.1°,测定精度±1°。
7 厚度均匀性测试
7.1 测试方法
7.1.1 每次测量前应校准测厚仪的零点,且在每组试样测量后应重新检查其零点。
7.1.2 将测厚仪的测量头平缓放下,避免样品变形和破损,进行测试,施加在样品表面的测试压强为
25kPa,并将该压强下的厚度作为样品的初始厚度。
7.1.3 样品尺寸不小于100cm2,测量点不少于25个,且测量点应均匀分布。
注:测量头与测试样品的接触面积不小于1cm2,接触面积为2cm2。
7.2 数据处理
7.2.1 样品的厚度均匀性用平均厚度、厚度标准偏差和厚度离散系数表示。
7.2.2 平均厚度按照公式(1)进行计算。
d=
i=1
di
(1)
式中:
d ---25kPa下,样品的平均厚度,单位为微米(μm);
di---25kPa下,某一点样品的厚度测量值,单位为微米(μm);
n ---测量数据点数。
7.2.3 厚度标准偏差按照公式(2)进行计算。
σ=
i=1
(di-d)2
n-1
(2)
式中:
σ---25kPa下,样品的厚度标准偏差,单位为微米(μm);
d---25kPa下,样品的平均厚度,单位为微米(μm);
di---25kPa下,某一点样品的厚度测量值,单位为微米(μm);
n---测量数据点数。
7.2.4 厚度离散系数按照公式(3)进行计算。
δ=
×100% (3)
式中:
δ---离散系数,反映单位均值上的离散程度;
σ---25kPa下,样品的厚度标准偏差,单位为微米(μm);
d---25kPa下,样品的平均厚度,单位为微米(μm)。
取3个有效样品为一组,计算出平均值作为试验结果。
8 电阻测试
8.1 平面方向电阻率测试
8.1.1 测试方法
8.1.1.1 利用长度测量仪测量样品的长度和宽度。
8.1.1.2 按照第7章方法测量样品的平均厚度。
8.1.1.3 测量前先校准四探针电阻率测试仪的零点。
8.1.1.4 样品放置在仪器的测量台上,将测试仪的测量头轻轻放下,使探针接触到样品表面。
8.1.1.5 分别在样品靠近边缘和中心的至少5个不同部位进行测量,并记录测量值,在样品边缘附近取
样时,应注意样品边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距。
8.1.1.6 根据样品的形状及厚度,查取相应的校正系数,计算出样品平面方向的电阻率。
8.1.2 数据处理
按照公式(4)计算平面方向电阻率。
ρin=
i=1
(ρi×G×D)
(4)
式中:
ρin---样品平面方向的电阻率,单位为毫欧厘米(mΩ·cm);
ρi---不同部位电阻率测量值,单位为毫欧厘米(mΩ·cm);
G ---样品厚度校正系数;
D ---样品形状校正系数;
n ---测试的数据点数。
注:G 和D 的取值一般从仪器使用说明中查到,部分设备内置校准直接读数,无需二次计算。
8.2 垂直方向电阻率测试
8.2.1 测试方法
8.2.1.1 将样品装在图2所示测试装置中的两个测量电极之间,测量电极为金电极或镀金的铜电极。
8.2.1.2 起始压强设置为0.05MPa,压强每增加0.05MPa,用低电阻测试仪测量两电极之间的电阻
值,记录该压强下的电阻值Rm,恒压时间为15s,测试目标压强根据测试双方协商决定。
注1:测试目标压强为1.0MPa。
注2:测试单一压强测试时,恒压时间为15s,并在报告中注明测试压强。
注:样品放置在两块电极之间,在电极两侧施加一定的压强,通过记录不同压强下的电流和电压值,得到不同施加
压强下的电阻值。样品面积比接触面积边缘大5mm~10mm,保证压头全部压在样品上。
图2 垂直方向电阻测试示意图
8.2.2 数据处理
按照公式(5)计算垂直方向电阻率。
ρt=104×
Rm×S-Rc
(5)
式中:
ρt ---样品垂直方向的电阻率,单位为毫欧厘米(mΩ·cm);
Rm---仪器的测量值,即样品垂直方向电阻、电极本体电阻和样品与两个电极间的接触电阻的总
和,单位为毫欧(mΩ);
S ---样品与两个电极之间的接触面积,单位为平方厘米(cm2);
Rc---两个电极本体电阻、样品与两个电极间的接触面电阻总和,单位为毫欧平方厘米(mΩ·cm2);
注:Rc用同种材料、不同厚度的炭纸,按照公式(C.1)计算得到。本试验采用金电极或镀金铜块,如Rc 数值较
小,则忽略不计,具体标定方法见附录C。
d ---试验压强下样品的厚度,单位为微米(μm)。
取3个样品为一组,计算出平均值作为试验结果。
8.3 面电阻测试
8.3.1 测试方法
8.3.1.1 将样品按照图2所示放置在两个测量电极之间,然后施加压力。
8.3.1.2 压强每增加0.05MPa,用低电阻测试仪测量两电极之间的电阻值,记录该压强下的电阻值
Rm,恒压时间为15s,测试目标压强根据测试双方协商决定。
注:测试单一压强测试时,恒压时间为15s,并在报告中注明测试压强。
8.3.2 数据处理
按照公式(6)计算样品在垂直方向的面电阻rc。
rc=Rm×S-Rc (6)
式中:
r......
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