[发明专利]一种质子交换膜燃料电池金属双极板涂层耐高低温性能评价方法

说明书

本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板涂层耐高低温性能评价方法，具体包括以下步骤：(1)涂层样品的制备；(2)涂层初始性能的测试；(3)涂层高低温循环实验工况的确定；(4)涂层高低温循环实验；(5)涂层高低温循环实验后的性能复测；(6)涂层耐高低温性能的判定：1)通过对比涂层样品初始性能与循环实验后性能参数的变化程度，来判断涂层的耐高低温性能的好坏；2)通过对比达到性能稳定时不同涂层所经历的高低温循环实验的循环次数或时间的多少，来判断涂层的耐高低温性能。本发明的技术方案利用高低温试验箱，对比相同测试条件、时间或循环次数对不同涂层性能的影响，进而涂层的稳定性。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板涂层耐高低温性能评价方法。

背景技术

近年来，金属双极板由于具有优异的导电、导热和力学性能等被广泛应用于PEMFC中，但金属双极板易腐蚀，寿命短等问题阻碍其进一步发展。氢能与燃料电池技术是重要解决方案。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有低运行温度、零排放、高比功率和高能量转换率等优点，在车用动力电源、便携设备和航空等领域前景广阔。

双极板是PEMFC电堆的重要组件，约占电堆整体70％的质量和30％的价格。根据双极板材料的不同可以分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。石墨和复合材料脆性大、渗气性高、成本较高，相比之下，金属双极板具有更好的成形性、抗冲击性、导电导热性和较低的透气性。金属双极板的开发主要涉及结构设计、冲压成型、焊接、涂层和密封等技术领域，其中涂层的材料选型和制备工艺对双极板的整体性能、成本和寿命有着决定性的影响。常用的金属双极板基材包括不锈钢、铝合金、钛合金、泡沫金属等，在众多金属材料中，不锈钢因其具有良好的机械性和较低的成本得到广泛应用。金属双极板的涂层根据材料不同主要分为碳基涂层 (石墨涂层、导电聚合物涂层)，金属基涂层(贵金属涂层、金属碳化物 /氮化物/氧化物)和其它涂层(混合涂层)。

由于PEMFC在运行过程中往往伴随着比较苛刻的工作环境：酸性、高电势、高湿度、温度分布不均，高低温变化等。同时，PEMFC的工作工况复杂，在实际的车辆应用中，燃料电池主要经历4种工况：启/停工况，怠速工况，高负载工况和变载工况。研究燃料电池工作环境和工作状况下金属双极板涂层的导电性、耐腐蚀性和稳定性至关重要。

专利CN202011037862.3《一种金属双极板涂层结合力的简便测试方法》公开了一种金属双极板涂层结合力的简便测试方法，将金属双极板置于烘箱中，采用加热烘烤的方式，测试金属双极板涂层的结合力。具体原理为，将金属双极板加热烘烤时，金属双极板表面的涂层和金属双极板本身基体金属不同的热膨胀系数会使涂层和基体之间产生变形差异，从而产生应力使涂层剥落。此发明能够快速的测试涂层的结合力，无需精密设备，测试方法普遍可用，测试结果可对比且参考性好，但是，上述技术仍然存在以下问题：

(1)判定涂层结合力是否合格方法仅通过观察宏观表面是否出现起皮、起泡、裂纹、剥落或露底的现象，这样的判定虽然简单快速，但缺乏准确性和普适性，因为目前大部分的涂层经过高温烘烤，其宏观表面是不会有明显变化的，该专利忽略了涂层微观层面及元素组份的变化；

(2)仅考察了高温对涂层结合力的影响，而没有研究低温对涂层性能的影响，而实际上高低温交替变化的过程才是影响涂层结合力及其它性能的关键因素；

(3)仅通过涂层表面的形变来判断高温环境对涂层结合力的影响，并未研究高温环境对涂层导电性、耐腐蚀性及亲疏水性等影响。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板涂层耐高低温性能评价方法，利用高低温试验箱，在一定的温、湿度循环工况下，对比相同测试条件、时间或循环次数对不同涂层性能的影响，重点考察涂层的稳定性，为金属双极板涂层的设计开发和材料选型提供重要的技术基础。

本发明采用的技术手段如下：