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(gè)催化層（CL）、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層（GDL）和一個(gè)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(lái)保障，同時(shí)穩(wěn)定整個(gè)電極的結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。

因此，對(duì)碳紙材料進(jìn)行拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲和剝離強(qiáng)度測(cè)試，可以有效檢驗(yàn)碳紙強(qiáng)度，在碳紙材料的開(kāi)發(fā)與規(guī)模化生產(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(jí)階段，不同國(guó)家不同的碳紙制造商，因?yàn)榧夹g(shù)與工藝的差異，對(duì)碳紙產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)尚未達(dá)成統(tǒng)一。國(guó)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(cè)試方法》的要求，結(jié)合各自工藝水平，對(duì)碳紙材料從拉伸、壓縮、彎曲、剝離多個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

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

 

  

                                                                               AGS-X試驗(yàn)機(jī)                                     AGX-V試驗(yàn)機(jī)

 

1、拉伸測(cè)試

將碳紙裁切為120×10mm的長(zhǎng)條形試樣，此次試驗(yàn)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(dòng)雙推夾具上完成測(cè)試。

 

 

碳紙拉伸測(cè)試與夾具

 

碳紙拉伸測(cè)試應(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

表1. 測(cè)試結(jié)果

 

從上圖可知，試驗(yàn)機(jī)獲取了客戶所需的應(yīng)力曲線，通過(guò)觀察，6個(gè)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(cè)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(lái)完成超薄材料的壓縮測(cè)試。

 

碳紙壓縮測(cè)試與可調(diào)平壓盤

表2. 測(cè)試結(jié)果

如上圖可知，根據(jù)島津AGS-X電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)獲取的壓縮測(cè)試載荷-行程曲線，觀察3個(gè)試樣的測(cè)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(shuō)明三個(gè)碳紙?jiān)嚇拥目箟盒韵嗨啤?/p>

3、三點(diǎn)彎曲測(cè)試

將碳紙裁切成120×20mm長(zhǎng)方形試樣，保證切口光滑平整。碳紙三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)選擇島津1KN塑料三點(diǎn)彎曲夾具。

碳紙三點(diǎn)彎曲測(cè)試載荷-時(shí)間曲線

表3. 測(cè)試結(jié)果

從圖表和三點(diǎn)彎曲載荷-時(shí)間曲線，以及抗彎強(qiáng)度差異不大，可判斷3個(gè)試樣的抗彎強(qiáng)度和斷裂點(diǎn)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(gè)水平。

4、剝離測(cè)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(dòng)拉伸夾具來(lái)完成拉伸測(cè)試。

使用島津試驗(yàn)機(jī)與夾具進(jìn)行碳紙180°剝離試驗(yàn)

 

結(jié)語(yǔ)

使用島津的AGS-X或AGX-V電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，配合拉伸、壓縮、三點(diǎn)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(cè)試要求，可以滿足您對(duì)碳紙的各種力學(xué)測(cè)試與質(zhì)量控制的需要，為碳紙規(guī)模化制造保駕護(hù)航。

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