燃料電池關(guān)鍵部件丨碳紙的拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲和剝離強(qiáng)度的全面測(cè)試
發(fā)布時(shí)間:2022-03-02 閱讀次數(shù)：708次
質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC）作為一種新興的低溫燃料電池，具有效率高、工作溫度低、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是新型綠色能源的主要發(fā)展方向之一。燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的效率限制，成為未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力裝置發(fā)展的重要方向。燃料電池單體內(nèi)部最重要的部件就是膜電極（Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)MEA），是燃料電池乃至新能源汽車(chē)動(dòng)力部分的關(guān)鍵組成部分。
碳紙 —?dú)怏w擴(kuò)散層（GDL）基材最理想材料
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、耐腐蝕性以及出色的尺寸穩(wěn)定性，是GDL基材的最理想材料。
質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖
碳紙，又稱(chēng)為碳纖維紙，是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的專(zhuān)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)?；a(chǎn)中發(fā)揮極為重要的作用。
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。
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(hù)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，最大應(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(pán)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(pán)
碳紙壓縮測(cè)試載荷-行程曲線
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，最大應(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?/span>
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。
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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(hù)的自身測(cè)試要求，可以滿(mǎn)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)?；圃毂ｑ{護(hù)航。
撰稿人：王正宇
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