【摘要】 气体扩散层（GDL）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键组成材料之一，其性能的好坏将直接影响PEMFC的安全性能和使用寿命。

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对于碳纸而言，其在水平和垂直方向的导热系数可能存在差异，这就是所谓的各向异性。各向异性是材料在不同方向上物理性质差异的表现，对于碳纸来说，这种差异可能源于其内部的纤维结构、孔隙分布等因素。

在燃料电池检测中，通常采用特定的设备和方法来测量碳纸在水平和垂直方向的导热系数。这些设备和方法基于热传导的原理，通过对碳纸施加一定的热量，然后测量热量在碳纸中的传播速度和分布，从而得到导热系数的数值。

通过对比碳纸在水平和垂直方向的导热系数，可以得出其各向异性的程度。如果两个方向的导热系数差异较大，那么碳纸就具有较强的各向异性；反之，如果差异较小，那么各向异性就较弱。

测试概念

碳纤维纸（简称碳纸）由短切碳纤维为原料制造而成，在微观上具有纤维多孔结构，可为气体及水的传导建立有效通道。同时，碳纸具有质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙率均匀等优点。此外，具有高强度的碳纸可为PEMFC电池的安装和使用带来保障，起到稳定电极结构，提高电池的寿命。加之碳纸制造工艺成熟、性能稳定，因此，碳纸成为膜电极中气体扩散层材料的主流选择。由于碳纸制备过程中存在纤维排列取向，因此碳纸本身具有各向异性。

 

测试原理

导热系数：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。 使用闪光法导热仪分别测试碳纸样品的水平和垂直方向的热扩散系数，使用DSC测试碳纸样品的比热。通过将样品的热扩散系数、比热、密度三者相乘，得到样品的导热系数。激光导热法的原理是将激光照射在样品表面或内部，使其局部受热并产生温度梯度，然后利用热扰动法或各种变换方法，测量样品中热传导系数的大小。

 

测试资料

气体扩散层（GDL）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键组成材料之一，其性能的好坏将直接影响PEMFC的安全性能和使用寿命。而炭纸作为GDL的支撑层，其结构与性能又对GDL有一定的影响。碳/碳复合材料因其优异性能，常被用来制备炭纸。PEMFC在工作时会产生大量的热，为保证PEMFC内部温度的均匀分布和散热，需要保证炭纸具有一定的化学稳定性和热稳定性，尤其是碳纸的导热性能，因此，研究碳复合材料的导热机理尤其重要。

 

结果分析

下表是碳纸样品水平方向热扩散系数测试结果。该测试使用的支架为In-plane支架，可用于测试高导热薄膜材料水平方向的热扩散系数。可知该样品在25ºC和100ºC时，水平方向的热扩散系数分别为58.610mm2/s、50.122mm2/s，导热系数分别为20.568 W/(m*K)、21.794 W/(m*K)。

设备实测得到的为碳纸的热扩散系数，使用DSC测试碳纸样品的比热，通过将样品的热扩散系数、比热、密度三者相乘，得到样品的导热系数。

 

碳纸样品水平方向热扩散系数测试结果-图源自网络

 

下表是该碳纸样品垂直方向的热扩散系数测试结果。该测试使用的支架为薄膜样品支架，可用于测试薄膜样品垂直方向的热扩散系数。由结果可知，该样品在25ºC和100ºC时，垂直方向的热扩散系数分别为7.902 mm2/s、6.382 mm2/s，导热系数分别为2.773 W/(m*K)、2.775 W/(m*K)。样品水平方向的导热系数明显高于垂直方向，具有明显的各向异性。因样品为纤维多孔结构，垂直方向测试时存在一定程度的透光，因此结果计算时，采用透明模型。

 

碳纸样品垂直方向热扩散系数测试结果-图源自网络

注释1：λ——导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)];Q——传导的热量，单位为焦(J);L——样本的长度，单位为米(m);T2-T1——样本上下表面的稳定温度差，单位为开尔文(K);t——传到热量的时间，单位为秒(s);A——样本的面积，单位为平方米(m2)。取3个有效样本为一组，计算出平均值作为试验结果。

注释2：λ——导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)];Q——传导的热量，单位为焦(J);d——样本的平均厚度，单位为米(m);n——样本的个数，单位为米(m);T2-T1——样本上下表面的稳定温度差，单位为开尔文(K);t——传到热量的时间，单位为秒(s);A——样本的面积，单位为平方米(m2)。取3个有效样本为一组，计算出平均值作为试验结果。

 

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