燃料电池用碳纸材料中弯曲、剥离力学性能检测方案(万能试验机)

SSL-CA22-050Excellence in Science Excellence in ScienceAGS-025 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD.-Analytical Applications CenteriEmail： sshzyan@shimadzu.com.cn Tel： 86(21)34193996http：//www.shimadzu.com.cn 燃料电池用碳纸弯曲、剥离力学性能的测定 AGS-025 摘要：本文参考《GB/T 20042.7-2014质子交换膜燃料电池第7部分碳纸特性测试方法》的部分要求和行业客户的测试要求，使用岛津电子万能试验机AGS-X对碳纸材料进行三点弯曲测试，获取抗弯强度；进行180°剥离测试，获取剥离强度。试验证明，岛津AGS-X电子万能试验机配合岛津开发的三点弯曲夹具和180°剥离夹具，，可以获取满足客户的碳纸测试需要。 关键词：碳纸材料弯曲测试剥离测试 碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell) 的专用材料，即气体扩散层，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电机组(MEA)中不可或缺的材料。 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。PEMFC的核心部件是由两个催化层(CL)、两个气体扩散层(GDL)和一个质子交换膜 (PEM)组成的膜电极组件 (MEA)。其中 GDL是 MEA中的关键部分，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用。常用的 GDL基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因其具有高导电性、耐腐蚀性及其出色的尺寸稳定性，是作为 GDL基材的理想材料。 强度性能是碳纸的重要指标之一，具有较好强度的碳纸可为 MEA 的安装带来保障，同时稳定整个电极 碳纸三点弯曲测试 对碳纸材料进行三点弯曲和剥离强度测试，可以有效检验碳纸强度，在碳纸材料的开发与规模化生产中能发挥极为重要的作用。 图1 碳纸 2.TRAPEZIUMX软件 1.2分析条件 试验温度：室温20℃左右载荷传感器：50N(0.5级)试验夹具：1KN塑料三点弯曲试验速率：5mm/min 1.3碳纸三点弯曲测试过程与结果 本次测试中宽度为5mm，试样平均厚度为0.18mm， 参考《GB/T20042.7-2014质子交换膜燃料电池第7部分碳纸特性测试方法》的部分要求和客户的个性需要，碳纸三点弯曲试验选择了岛津1KN塑料三点弯曲夹具，上下支辊半径5 mm，下跨距设定为 60 mm。根据碳纸轻薄脆弱的特点和客户要求，设定预加载为0.01N， 随后以5 mm/min 的速度开始加载直到载荷值掉落，测试结束后获取断裂点载荷，并通过编辑公式获取抗弯强度。 按式(7)计算抗弯强度： 式中： Tb——抗弯强度，单位为兆帕(MPa)； F—弯曲断裂负荷值，单位为牛(N)； L—支座跨距，单位为毫米(mm)； Wcp—试样的宽度，单位为毫米(mm)； d—在一定压强下，样品的平均厚度，单位为毫米(mm)。 取3个有效样品为一组，计算出平均值作为试验结果。 时间(秒) 图3 碳纸三点弯曲载荷-时间曲线 表4测试结果 试样名称 断裂点载荷(N) 抗弯强度(MPa) 试样1(紫) 0.34624 11.2493 试样2(灰) 0.37762 12.2689 试样3(橘) 0.36583 11.8858 如上图，根据获取的三点弯曲载荷-时间曲线，，1可见3个试样的弯曲曲线基本保持一致，抗弯强度和断裂点载荷保持稳定，进而可判断本批次样品的抗压水平保持在一个水平。 碳纸180°剥离测试 2.1仪器与夹具 1.AGS-X100N 电子万能试验机 2.TRAPEZIUM X软件 2.2分析条件 试验温度：室温20℃左右 载荷传感器：100N(0.5级) 试验夹具：1KN气动双推夹具 试验速率：10mm/min 2.3碳纸剥离测试过程与结果 剥离试样碳纸本体厚度为 0.18 mm， 宽度为10 mm，根据碳纸本身特性和碳纸客户的要求，测试选用1KN气动拉伸夹具来完成拉伸测试。上夹具夹住胶带引出端，下夹具夹住基板下部。根据碳纸轻薄脆弱的特点，设定预加载为 0.005 kgf， 然后以10 mm/min，设定到胶带从碳纸上完成剥离。记录下一定行程中碳纸的平均载荷与录离强度。其中剥离强度 (kgf/cm)=剥离平均载荷 (kgf)/剥离宽度(cm)。 图4 碳纸180°剥离 0.25 图5 碳纸剥离试验应力-应变((15%-72%)曲线 表5)测试结果 试样名称 平均载荷(kgf) 剥离强度度(kgf/cm) 试样1(紫) 0.03175 0.01270 试样2(灰) 0.02814 0.01126 如上图，根据获取的碳纸剥离载荷-位移曲线，可见同种试样的平均载荷和剥离强度保持在同一区间，从曲线上也能很好地比较出来。 结论 综上所述，使用岛津的 AGS-X电子万能试验机，配合岛津的专用夹具和附件，能够满足《GB/T 20042.7-2014质子交换膜燃料电池第7部分碳纸特性测试方法》的部分要求和行业客户的测试要求，配合三点弯曲，180°剥离各种不同的夹具与附件，可以满足客户对碳纸进行抗弯，抗剥离强度测试的需要。 岛津应用云 使用岛津的AGS-X电子万能试验机，配合岛津的专用夹具和附件，能够满足《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分碳纸特性测试方法》的部分要求和行业客户的测试要求，配合三点弯曲，180°剥离各种不同的夹具与附件，可以满足客户对碳纸进行抗弯，抗剥离强度测试的需要。