燃料電池金屬雙極板表面涂層技術(shù)測試Testingofsurfacec2025-09-01發(fā)布2025-09-01實施中國國際科技促進會發(fā)發(fā)出布版I 1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14涂層缺陷測試 2 24.2樣品準備 2 24.4判定標準 25涂層親疏水快速測試 35.1測試儀器 35.2樣品準備 35.3測試方法 35.4判定標準 36涂層成分與厚度測試 36.1測試儀器 36.2樣品準備 46.3測試方法 46.4數(shù)據(jù)處理 56.5判定標準 57涂層接觸電阻測試 57.1測試儀器 57.2樣品準備 57.3測試方法 67.4數(shù)據(jù)處理 67.5判定標準 78涂層耐蝕性測試(80℃) 78.1測試儀器 78.2測試環(huán)境 88.3樣品準備 88.4測試方法 88.5數(shù)據(jù)處理 98.6判定標準 99涂層耐蝕性測試(95℃) Ⅱ9.1測試儀器 9.2測試環(huán)境 9.3樣品準備 9.4測試方法 9.5數(shù)據(jù)處理 9.6判定標準 10析出離子成分與含量測試 10.1測試儀器 10.4判定標準 11涂層結(jié)合力測試 11.1測試儀器 11.3測試方法 11.4判定標準 12涂層接觸角測試 12.3測試方法 12.4數(shù)據(jù)處理 13涂層粗糙度測試 13.3測試方法 13.4數(shù)據(jù)處理 13.5判定標準 14涂層壽命測試 14.3測試方法 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由深圳市氫瑞燃料電池科技有限公司提出。本文件由中國國際科技促進會歸口。本文件起草單位：深圳市氫瑞燃料電池科技有限公司、蘇州東風精沖工程有限公司、艾瑞森表面技術(shù)(蘇州)股份有限公司、昆山施寶得精密模具有限公司、星氫源(上海)科技有限公司、金源(山東)新能源科技發(fā)展有限公司、西安交通大學、上海電氣集團股份有限公司中央研究院、上海治臻新能源股份有限公司、中車工業(yè)研究院有限公司、哈爾濱科匯涂層技術(shù)有限公司、哈爾濱工程大學、煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室、蘇州云帆氫能科技有限公司、寧波米菱智能科技有限公司、深圳市千懿氫能有限責任公司、北京宏研經(jīng)發(fā)工程咨詢有限公司。1燃料電池金屬雙極板表面涂層技術(shù)測試本文件用于燃料電池金屬雙極板表面石墨基涂層測試且適用于以下范圍：a)質(zhì)子交換膜燃料電池金屬極板涂層的測試方法及性能評價用；b)金屬極板涂層制造的質(zhì)量管控用；c)金屬極板基材包括但不限于316L不銹鋼、304不銹鋼、TA1純鈦等。其他貴金屬、非貴金屬、聚合物及復合涂層的測試與評價適當參考，燃料電池金屬單極板的表面涂層測試參照執(zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注H期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T230.2—2022金屬材料洛氏硬度試驗第2部分：硬度計及壓頭的檢驗與校準GB/T20042.1質(zhì)子交換膜燃料電池第1部分：術(shù)語GB/T20042.6質(zhì)子交換膜燃料電池第6部分：雙極板特性測試方法GB/T28816燃料電池術(shù)語GB/T30902無機化工產(chǎn)品雜質(zhì)元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)GB/T31563—2015金屬覆蓋層厚度測量掃描電鏡法3術(shù)語和定義GB/T20042.1、GB/T20042.6、GB/T28816界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。金屬單極板metallicmonopolarplate由金屬材料制作的用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極板或陽極板。金屬雙極板metallicbipolar電池堆中隔離單電池的導電板，作為電流集流體，并為電極或膜電極組件提供機械支撐。開路電位opencircuitp燃料電池中有燃料和氧化劑但沒有外部電流流動時的端電壓。2燃料電池金屬極板能發(fā)生腐蝕反應的電位。腐蝕電流密度corrosioncurrentdensity單位面積的雙極板或單極板在模擬燃料電池運行環(huán)境中，在腐蝕電位下由于電化學作用引起的破壞產(chǎn)生的電流值。兩種材料之間的接觸部分產(chǎn)生的電阻。燃料電池極板表面氣液界面切線與固液界面的夾角0。涂層結(jié)合力coatingadhes燃料電池極板表面涂層與極板基材的結(jié)合強度。4涂層缺陷測試4.2.1覆有涂層的金屬極板。4.3.1打開LED白光燈，手持樣品極板，使其置于光照下。4.3.2檢視角與桌面成45°,上下左右轉(zhuǎn)動45°,人眼與被檢測極板表面的距離100mm~300mm,燈源與被檢測極板表面的距離為100mm～200mm,觀察其樣品表面。符合以下標準的判定為合格，否則為不合格：b)排除基材本身的缺陷，鍍膜后的極板表面無肉眼可見的形變、凹凸點等缺陷；c)金屬極板整體表面涂層應色澤一致，無明顯色差，但極板裝夾區(qū)除外。35涂層親疏水快速測試5.2.3樣品數(shù)量為5個，保證得到3個有效數(shù)值，應無褶皺、劃痕和破損。5.2.4對于不同批次的樣本，應分別抽樣。5.3.1選取40#達因筆，確認能正常使用，將樣品測試面放置在整潔的水平臺面上，被測試面朝上。5.3.2擰開達因筆蓋帽，達因筆頭部垂直于測試區(qū)域平面，施加適當?shù)膲毫?，在樣品所需測試的區(qū)域(平板或流道極板密封區(qū))快速涂畫一條長度超過20mm的線段，達因筆在畫線時應適當施加大一點的壓力。5.3.3觀察整條畫線的達因液是否在3s內(nèi)收縮。判定標準如圖1所示，僅(見圖1a)]所示達因液狀態(tài)(完全不收縮)判定為合格；其余狀態(tài)[圖1b]]部分收縮，(見圖1c)]完全收縮)為不合格。圖1涂層親疏水快速判定示意圖6涂層成分與厚度測試測試儀器包含下列設(shè)備及工具：——金相顯微鏡，厚度測量不確定度在0.5μm;——掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM),分辨率優(yōu)于10nm;——電子探針顯微分析儀(ElectronProbeMicroanalysis,EPMA),分辨率優(yōu)于5nm;——金相切割機；——砂輪機；46.2.2按照GB/T31563—2015中第7章規(guī)定的方法制備樣品。6.2.6排除所有在切割或者制備橫截面時形成的材料變形。a)金相顯微鏡測量。2)用驗證或校準過的載物臺測微計校準顯微鏡及其測量裝置。3)利用校正過的顯微鏡鏡內(nèi)標尺測量涂層橫斷面的寬度，在同一位置上，每次測量至少是3次讀數(shù)的平均值；沿顯微斷面長度至少取五處位置進行測量；詳細測量過程可參考3)用樣品涂層橫斷面清晰可見的邊界線，制作帶掃描電子顯微鏡標尺和試樣圖像的顯微1)極板基體界面與涂層界面不清晰時，且涂層厚度小于50nm時，可以采用電子探針顯微分析儀進行測量(見圖2);2)選擇極板基材主要元素成分(涂層不含該元素成分),對橫斷面靠近基體表層一定深度進行53)或者選擇涂層主要元素成分(極板基材不含該元素成分),對橫斷面靠近基體表層一定深度進行成分線掃描，獲得試樣材料成分隨深度的變化曲線；4)通過元素成分階梯變化曲線，將成分漸變開始到掃描結(jié)束定義為涂層的厚度值，沿顯微斷面長度至少取五處位置進行測量。含含量圖2采用EPMA成分線掃描測試涂層厚度示意圖6.3.2成分測試使用電子探針顯微分析儀對涂層進行線掃描分析，獲取涂層成分隨深度的變化情況。6.4數(shù)據(jù)處理涂層平均厚度按照公式(1)進行計算：d——涂層的平均厚度，單位為納米(nm);d——涂層某一位置的測量厚度，單位為納米(nm);n——涂層測量數(shù)量。6.5判定標準滿足各區(qū)域厚度與設(shè)計值偏差小于5%,判定為合格，否則為不合格；而成分標準在此不做規(guī)定，但不應出現(xiàn)非預期的污染元素。7涂層接觸電阻測試7.1測試儀器儀器要求如下。7.2樣品準備7.2.1樣品形狀為正方形(5cm×5cm),面積為25cm2;樣品形狀和尺寸也可由測試雙方協(xié)商決定。67.2.3樣品數(shù)量為5個，保證得到3個有效數(shù)值，應無褶皺、劃痕和破損。7.2.4對于不同批次的極板材料，應分別抽樣。7.3.1用低電阻測量儀測試電阻值，測試電極為鍍金的銅電極。鍍金銅電極與導線之間的連接方式由測試雙方協(xié)商決定，將低電阻測量儀對測試結(jié)果的影響降至最低。7.3.2測量時將樣品兩側(cè)放置燃料電池氣體擴散層用的1層碳紙作為支撐物，支撐碳紙需在每組實驗后進行更換，在兩個銅電極中依次壓放1層碳紙—金屬板—1層碳紙，將銅電極向下逐步移動到兩層碳紙附近，再緩慢移動銅電極，直至銅電極與碳紙接觸開始測試。7.3.3按圖3所示將樣品安裝在測試裝置上，測試過程中，壓力每增加0.15MPa記錄一個電阻值，并在每次達到目標壓強時保壓3s～5s,1.45MPa壓力下的電阻值記錄為R?。測試壓力范圍一般為0.1MPa~2.0MPa,壓力值也可由測試雙方協(xié)商決定，可以參考燃料電池裝配壓力。7.3.4按照7.3.2相同方法，將1層全新碳紙放置在兩個銅電極之間，1.45MPa壓力下的電阻值記錄A-樣品圖3接觸電阻測試示意圖以同一種碳紙為空白對照，對樣品進行接觸電阻測試，記錄相同壓力下的測試電阻R?和R?,接觸電阻計算方法如公式(2)所示：R=(R?-R?—RBP-Rcp)×S/2……………R——樣品與碳紙之間的接觸電阻，單位為毫歐平方厘米(mΩ·cm2);R?——兩層碳紙中間放置樣品與鍍金銅電極接觸時的測試電阻，單位為毫歐(mΩ);R?——單層碳紙與鍍金銅電極接觸時的測試電阻，單位為毫歐(mΩ);S——樣品與碳紙有直接接觸部位的幾何面積，單位為平方厘米(cm2)。注1:因樣品及碳紙本體電阻相對R?,數(shù)值比較小，因而忽略不計。注2:R?和R?取1.45MPa壓力下對應的電阻值。注3:樣品若為流道極板，S需考慮極板開孔率影響，一般情況下，開孔率取0.5。注4:每次測試注明所用氣體擴散層廠家及型號。注5:取3個有效樣品為1組，計算出平均值作為試驗結(jié)果，保留2位小數(shù)。77.5判定標準滿足表1標準的判定為合格，否則為不合格。表1涂層接觸電阻判定標準樣品8涂層耐蝕性測試(80℃)8.1測試儀器儀器要求如下：——電化學恒電位測試儀；——電化學測試池：測試池容量至少300mL,用于盛放電解質(zhì)溶液，材料為耐腐蝕性玻璃或塑料等；—恒溫水浴鍋。8標引序號說明：a——工作電極安裝口；b——參比電極安裝口；c——進氣管安裝口；d——出氣管安裝口；e——輔助電極安裝口；f——溶液置換及控溫裝置安裝口。H?SO的pH值為3,HF的濃度為0.1mg/L,溫度為80℃,模擬陰極環(huán)境通入空氣，模擬陽極環(huán)境通8.3.1裁取一定尺寸送試材料(平板樣品、流場樣本及隨爐樣本)作為樣品，保證樣品有98.4.2動電位測試根據(jù)開路電位測試(OCP)結(jié)果，對樣品進行線性電位掃描，掃描范圍為一0.456V～1.444V(vs.Ag/AgC1),掃描速度為2mV/s,陰極通入空氣，陽極通入氫氣。對測得的線性電位掃描曲線進行塔菲爾(Tafel)擬合，塔菲爾直線的交點所對應的電流即為樣品的腐蝕電流。8.4.3恒電位測試1每次都需使用新的樣品，對樣品施加一定電壓，同時通入模擬氣體，監(jiān)測試樣在不同時間下的電流變化，從而判斷極板材料在長時間下的腐蝕性能。陰極施加+0.644V(vs.Ag/AgC1),通入空氣，流量為20mL/min。測試時間保持至少24h,實際時間也可由雙方協(xié)商決定。對測得的極化曲線進行數(shù)據(jù)處理，選取曲線最后5min腐蝕電流的平均值為恒電位下的穩(wěn)定腐蝕電流。8.4.4恒電位測試2每次都需使用新的樣品，對樣品施加一定電壓，同時通入模擬氣體，監(jiān)測試樣在不同時間下的電流變化，從而判斷極板材料在長時間下的腐蝕性能。陰極施加+1.404V(vs.Ag/AgC1),通入空氣，流量為20mL/min。測試時問保持至少10h,實際時問也可由雙方協(xié)商決定。對測得的極化曲線進行數(shù)據(jù)處理，選取曲線最后5min腐蝕電流的平均值為恒電位下的穩(wěn)定腐蝕腐蝕電流密度I按照公式(3)進行計算：Ieor=I/S……………(3)S——樣品與溶液接觸的測試面積，單位為平方厘米(cm2)。取3個有效樣品為1組，計算出平均值作為試驗結(jié)果，保留2位小數(shù)。8.6判定標準符合表2標準的判定為合格，否則為不合格。表2耐蝕性判定標準(80℃)測試項目電位條件溶液：pH值3H?SO?+溫度：80℃一0.456V~1.444V(vs.Ag/AgC1)掃描速度：2mV/s恒電位測試1陰極電位：0.644V(vs.Ag/AgCl)1)I粒址≤0.5μA/cm2陰極電位：1.404V(vs.Ag/AgC1)1)L松定<30μA/cm29涂層耐蝕性測試(95℃)按照8.1規(guī)定的儀器進行試驗。H?SO?的pH值為3,HF的濃度為0.1mg/L,溫度為95℃,通入空氣(陰極),流量為20mL/min。按照8.3規(guī)定的樣品制備方法進行制備。按照8.4規(guī)定的測試方法進行測試。按照8.5規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方式進行處理。表3耐蝕性判定標準(95℃)測試項口電位條件溶液：pH值3H?SO?+溫度：95℃一0.456V~1.444V(vs.Ag/AgC1)掃描速度：2mV/s恒電位測試1陰極電位：0.644V(vs.Ag/AgCl)1)I穩(wěn)定<1μA/cm2陰極電位：1.404V(vs.Ag/AgCl)1)L穩(wěn)≤50μA/cm2采集8.4.3和8.4.4測試項目完成后的溶液作為樣本。按照GB/T30902規(guī)定的方法測定待測溶液中的鐵離子或鈦離子含量。滿足以下要求的判定為合格，否則為不合格：——極板基材為不銹鋼，F(xiàn)e離子含量<0.2mg/L;——極板基材為鈦，Ti離子濃度<0.1mg/L。11涂層結(jié)合力測試測試儀器包含下列設(shè)備和工具：——劃格器；——3M膠帶；——毛刷；——劃痕儀；——金剛石壓頭：符合GB/T230.2—2022的洛氏(HRC)硬度計要求。準備要求如下。a)對于陰極板和陽極板表面處理工藝不同的極板，應分別裁取樣品。b)樣品形狀為正方形(5cm×5cm),面積為25cm2的平板；樣品取樣形狀、尺寸和位置也可由測試雙方協(xié)商決定。厚度等應均勻一致。e)樣品的表面粗糙度Ra<0.5μm。f)樣品數(shù)量為5個，保證得到3個有效值，應無褶皺、劃痕和破損。g)對于不同批次的極板，應分別抽樣。方法如下。a)百格法。1)用劃格器在測試樣本表面劃10×10個(100個)小網(wǎng)格，每一條劃線應深及涂層的底層。2)用毛刷將測試區(qū)域的碎片刷干凈。3)用3M膠帶粘住被測試小網(wǎng)格，并用橡皮擦用力擦拭膠帶，以加大膠帶與被測區(qū)域的接觸面積及力度。4)抓住膠帶一端，以90°垂直方向迅速扯下膠帶，同一位置應進行不少于2次試驗。觀察測試區(qū)域的情況，可用放大鏡觀察劃格結(jié)果。b)劃痕法。1)參考GB/T230.2—2022中第4章規(guī)定的條件選擇金剛石壓頭[圓錐頂角(120±0.35)°]。2)將試樣固定在劃痕儀上的樣品臺上，設(shè)置壓頭起始壓力、壓力增加速率和移動速率，開始劃痕試驗，在涂層表面的不同部分至少形成五道劃痕，取其有效值的平均值作為測量值。3)利用金相顯微鏡觀察劃痕，對具有失效特征的劃痕進行軸線長度的測量，此時出現(xiàn)多發(fā)聚集的薄膜分離，將該長度乘以壓力增加速率(N/μm)得到臨界壓力。4)如果劃痕儀帶右聲發(fā)射或者摩擦力的檢測器，顯微鏡檢查時可以參考聲音或摩擦力的變化時刻作為臨界壓力特征的選取，此部分可參考GB/T30707—2014中第6章。標準如下。a)百格法判定標準。涂層結(jié)合力滿足ISO-0級或ASTM-5B要求的判定為合格，否則為不合格。具體判定標準如表4所示。表4涂層結(jié)合力判定標準ISO等級01切口的相交處有小片剝落，劃格區(qū)內(nèi)實際破2切口的邊緣和/或相交處有被剝落，其面積3切口邊緣有大片剝落，或者部分格子被整片剝落，剝落面積超4切口邊緣大片剝落或者一些方格部分或全部剝落，剝落而積大于劃格區(qū)5劃線的邊緣及交義點處有成片脫落，且脫落b)劃痕法判定標準。劃痕儀測試的涂層測試臨界壓力大于30N要求的判定為合格，否則為不合格。12涂層接觸角測試測試儀器包含下列設(shè)備和工具：——光學接觸角測量儀；——載玻片；——無塵布。12.2.1對于陰極板和陽極板表面處理工藝不同的樣品，應分別截取樣品。12.2.2樣品取樣尺寸和位置由測試雙方協(xié)商決定。12.2.3用乙醇等溶劑清洗樣品表面并干燥。12.2.4注意保護好樣品表面，不應觸摸待測區(qū)域。12.2.6樣品數(shù)量為5個(保證得到3個有效值),應無褶皺、劃痕和破損。12.2.7對于不同批次的樣品，應分別抽樣。12.3.1參考GB/T30693,將樣品置于儀器的試樣臺上。確保樣品放置平整，不產(chǎn)生皺紋和扭曲。12.3.2在針頭末端懸掛1μL～2μL水滴。升高樣品臺使樣品表面接觸懸掛的水滴，然后移開樣品以完成水滴轉(zhuǎn)移(見圖5)。此過程中，不應令水滴滴落或噴出到樣品表面。12.3.3使用相機功能記錄水滴浸潤狀態(tài)，使用切線法計算涂層水接觸角，固液界面與氣液界面切線的夾角即為涂層與水接觸角。12.3.4更換樣品，使下1滴水滴滴在樣品的新測試部位。12.3.5重復測試5個樣品的接觸角。圖5水滴轉(zhuǎn)移示意圖樣品水滴角平均值計算按照公式(4)進行n——樣品數(shù)量。13涂層粗糙度測試13.2.1樣品形狀為正方形(5cm×5cm),面積為25cm2的平板；樣品形狀和尺寸也可由測試雙方協(xié)商決定。13.2.3樣品數(shù)量為5個，保證得到3個有效值，應無褶皺、劃痕和破損。13.2.4對于不同批次的樣品，應分別抽樣。13.3測試方法利用針尖曲率半徑為2μm左右的金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，探頭移動長度為4mm,金剛石觸針的上下位移量由電學式長度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、濾波、計算后由顯示儀表指示出表面粗糙度數(shù)值Ra(輪廓的算術(shù)平均偏差)。選取不同的區(qū)域測試3次，取Ra的算術(shù)平均值，Ra的計算方法如公式(5)所示。n——樣品數(shù)量。13.5判定標準滿足Ra<0.5μm,判定為合格，否則為不合格。14涂層壽命測試14.1測試儀器測試儀器包含下列設(shè)備和工具：——電化學恒電位測試儀；用于進行恒電位測試；——電化學測試池：測試池容量至少300mL,用于盛放電解質(zhì)溶液，材料為玻璃或塑料等耐腐蝕性；——恒溫水浴鍋；——參比電極(KC1鹽橋的飽和甘汞電極，參比電極類型也可由測試雙方協(xié)商決定);——輔助電極(鉑電極);——低電阻測量儀；——掃描電子顯微鏡；——電感耦合等離子體發(fā)射光譜檢測儀器。14.2樣品準備按照8.3的樣品準備方法進行。14.3測試方法14.3.1分別在模擬環(huán)境及加速環(huán)境中進行恒電位測試，每間隔相同時間進行記錄、測試樣本，包括接觸電阻、腐蝕電流密度、金屬離子濃度(鐵離子或鈦離子)、樣品宏觀及微觀形貌。14.3.2模擬正常運行環(huán)境及測試參數(shù)設(shè)定：測試模擬環(huán)境，H?SO?的pH值為3,HF的濃度為0.1mg/L,溫度為80℃,陰極通入流量為20mL/min的空氣，恒電位測試參數(shù)為+0.644V(v.s