碳紙 —氣體擴(kuò)散層（GDL）基材理想材料

PEMFC的核心部件是膜電極組件，由兩個催化層（CL）、兩個氣體擴(kuò)散層（GDL）和一個質(zhì)子交換膜（PEM）組成。氣體擴(kuò)散層是膜電極中的關(guān)鍵部分，起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的作用。常用的氣體擴(kuò)散層（GDL）基材主要有：碳紙、碳布、炭黑紙、金屬材料等，其中碳紙因具有高導(dǎo)電性、耐腐蝕性以及良好的尺寸穩(wěn)定性，是GDL基材的理想材料。

 

質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖

碳紙，又稱為碳纖維紙，是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的專用材料，即氣體擴(kuò)散層，主要作用是傳導(dǎo)電流，引導(dǎo)反應(yīng)氣體從石墨板導(dǎo)流到觸媒層，并把反應(yīng)水排除在觸媒層之外，是燃料電池膜電機(jī)組（MEA）中不可或缺的材料。

強(qiáng)度性能是碳紙的重要指標(biāo)之一，具有較好強(qiáng)度的碳紙可為質(zhì)子交換膜燃料電池的安裝和使用帶來保障，同時穩(wěn)定整個電極的結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。

因此，對碳紙材料進(jìn)行拉伸、壓縮、三點彎曲和剝離強(qiáng)度測試，可以有效檢驗碳紙強(qiáng)度，在碳紙材料的開發(fā)與規(guī)?；a(chǎn)中發(fā)揮很重要的作用。

島津方案

目前，碳紙作為新能源領(lǐng)域的新材料，仍然處于大規(guī)模生產(chǎn)的初級階段，不同國家不同的碳紙制造商，因為技術(shù)與工藝的差異，對碳紙產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)尚未達(dá)成統(tǒng)一。國內(nèi)多數(shù)企業(yè)參考《GB/T 20042.7-2014 質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分碳紙?zhí)匦詼y試方法》的要求，結(jié)合各自工藝水平，對碳紙材料從拉伸、壓縮、彎曲、剝離多個方面進(jìn)行測試評估。

島津電子萬能試驗機(jī)，選擇合適的夾具，按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定好試驗方法，能夠很方便地獲取測試數(shù)據(jù)與曲線，大大提高碳紙力學(xué)測試的效率。

 

  

                                                                               AGS-X試驗機(jī)                                     AGX-V試驗機(jī)

 

1、拉伸測試

將碳紙裁切為120×10mm的長條形試樣，此次試驗用碳紙厚度為0.19mm。裁切邊緣盡量保持光滑平整。將裁切好的碳紙拉伸試樣夾在1KN氣動雙推夾具上完成測試。

 

 

碳紙拉伸測試與夾具

 

碳紙拉伸測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

表1. 測試結(jié)果

 

從上圖可知，試驗機(jī)獲取了客戶所需的應(yīng)力曲線，通過觀察，6個試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)相似，從而判斷碳紙拉伸性能比較均一。結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)力分布在36~40MPa的區(qū)間內(nèi)，拉伸強(qiáng)度的離散型也保持較好。

2、壓縮測試

將碳紙裁成50×50mm的正方形，推薦選擇帶有調(diào)平功能的壓盤夾具來完成超薄材料的壓縮測試。

 

碳紙壓縮測試與可調(diào)平壓盤

表2. 測試結(jié)果

如上圖可知，根據(jù)島津AGS-X電子萬能試驗機(jī)獲取的壓縮測試載荷-行程曲線，觀察3個試樣的測試曲線形態(tài)相似，從表中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)力分布在0.008-0.009MPa的區(qū)間內(nèi)，數(shù)值穩(wěn)定，說明三個碳紙試樣的抗壓性相似。

3、三點彎曲測試

將碳紙裁切成120×20mm長方形試樣，保證切口光滑平整。碳紙三點彎曲試驗選擇島津1KN塑料三點彎曲夾具。

碳紙三點彎曲測試載荷-時間曲線

表3. 測試結(jié)果

從圖表和三點彎曲載荷-時間曲線，以及抗彎強(qiáng)度差異不大，可判斷3個試樣的抗彎強(qiáng)度和斷裂點載荷保持穩(wěn)定，進(jìn)而可判斷本批次樣品的抗壓水平保持在一個水平。

4、剝離測試

將碳紙粘貼在不銹鋼基板上，碳紙表面再貼上膠帶。選用1KN氣動拉伸夾具來完成拉伸測試。

使用島津試驗機(jī)與夾具進(jìn)行碳紙180°剝離試驗

 

結(jié)語

使用島津的AGS-X或AGX-V電子萬能試驗機(jī)，配合拉伸、壓縮、三點彎曲、剝離各種不同的夾具與附件，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)客戶的自身測試要求，可以滿足您對碳紙的各種力學(xué)測試與質(zhì)量控制的需要，為碳紙規(guī)?；圃毂ｑ{護(hù)航。

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