碳紙 —氣體擴散層（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）、兩個氣體擴散層（GDL）和一個質子交換膜（PEM）組成。氣體擴散層是膜電極中的關鍵部分，起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產物水的作用。常用的氣體擴散層（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電性、耐腐蝕性以及良好的尺寸穩定性，是GDL基材的理想材料。

 

質子交換膜燃料電池工作原理圖

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

強度性能是碳紙的重要指標之一，具有較好強度的碳紙可為質子交換膜燃料電池的安裝和使用帶來保障，同時穩定整個電極的結構，提高電池的壽命。

因此，對碳紙材料進行拉伸、壓縮、三點彎曲和剝離強度測試，可以有效檢驗碳紙強度，在碳紙材料的開發與規模化生產中發揮很重要的作用。

島津方案

目前，碳紙作為新能源領域的新材料，仍然處于大規模生產的初級階段，不同國家不同的碳紙制造商，因為技術與工藝的差異，對碳紙產品的技術參數尚未達成統一。國內多數企業參考《GB/T 20042.7-2014 質子交換膜燃料電池 第7部分碳紙特性測試方法》的要求，結合各自工藝水平，對碳紙材料從拉伸、壓縮、彎曲、剝離多個方面進行測試評估。

島津電子萬能試驗機，選擇合適的夾具，按標準要求設定好試驗方法，能夠很方便地獲取測試數據與曲線，大大提高碳紙力學測試的效率。

 

  

                                                                               AGS-X試驗機                                     AGX-V試驗機

 

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

 

碳紙拉伸測試應力-應變曲線

 

表1. 測試結果

 

從上圖可知，試驗機獲取了客戶所需的應力曲線，通過觀察，6個試樣的應力-應變曲線形態相似，從而判斷碳紙拉伸性能比較均一。結合表中數據可知，應力分布在36~40MPa的區間內，拉伸強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平壓盤

表2. 測試結果

如上圖可知，根據島津AGS-X電子萬能試驗機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相似，從表中數據可知，應力分布在0.008-0.009MPa的區間內，數值穩定，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. 測試結果

從圖表和三點彎曲載荷-時間曲線，以及抗彎強度差異不大，可判斷3個試樣的抗彎強度和斷裂點載荷保持穩定，進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。

使用島津試驗機與夾具進行碳紙180°剝離試驗

 

結語

使用島津的AGS-X或AGX-V電子萬能試驗機，配合拉伸、壓縮、三點彎曲、剝離各種不同的夾具與附件，符合現行標準或行業客戶的自身測試要求，可以滿足您對碳紙的各種力學測試與質量控制的需要，為碳紙規模化制造保駕護航。

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