燃料电池关键部件丨碳纸的拉伸、压缩、三点弯曲和剥离强度的全面测试

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新兴的低温燃料电池，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。燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，成为未来汽车动力装置发展的重要方向。燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，简称MEA），是燃料电池乃至新能源汽车动力部分的关键组成部分。

碳纸 —气体扩散层（GDL）基材最理想材料

PEMFC的核心部件是膜电极组件，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。气体扩散层是膜电极中的关键部分，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。常用的气体扩散层（GDL）基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因具有高导电性、耐腐蚀性以及出色的尺寸稳定性，是GDL基材的最理想材料。

质子交换膜燃料电池工作原理图

碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）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。

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质子交换膜燃料电池的安装和使用带来保障，同时稳定整个电极的结构，提高电池的寿命。

因此，对碳纸材料进行拉伸、压缩、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发挥极为重要的作用。

岛津方案

目前，碳纸作为新能源领域的新材料，仍然处于大规模生产的初级阶段，不同国家不同的碳纸制造商，因为技术与工艺的差异，对碳纸产品的技术参数尚未达成统一。国内多数企业参考《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》的要求，结合各自工艺水平，对碳纸材料从拉伸、压缩、弯曲、剥离多个方面进行测试评估。

岛津电子万能试验机，选择合适的夹具，按标准要求设定好试验方法，能够很方便地获取测试数据与曲线，大大提高碳纸力学测试的效率。

AGS-X试验机

AGX-V试验机

拉伸测试

将碳纸裁切为120×10mm的长条形试样，此次试验用碳纸厚度为0.19mm。裁切边缘尽量保持光滑平整。将裁切好的碳纸拉伸试样夹在1KN气动双推夹具上完成测试。

碳纸拉伸测试与夹具

碳纸拉伸测试应力-应变曲线

表1. 测试结果

试样名称	抗拉强度 MPa	断裂点载荷 N	断裂点行程变%
试样1（红）	37.5454	71.3363	0.601
试样2（褐）	40.5646	77.0727	0.801
试样3（绿）	36.5304	69.3887	0.850
试样4（蓝）	39.3217	74.7112	0.817
试样5（黄）	35.8830	68.1776	0.933
试样6（灰）	38.8498	73.8146	0.984