CN110927237B - 一种pemfc金属双极板寿命测试装置及方法 - Google Patents

一种pemfc金属双极板寿命测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种PEMFC双极板寿命测试装置和方法，装置包括双极板，极板上的流场，盖板，底板，微孔滤膜，柔性对电极，加热膜，气体供应装置，模拟PEMFC环境循环液体供应装置；极板的流体进出口位置设有气体通道；气体供应装置上装有各种流体测量仪表，液体供应装置包括蠕动泵和流量计。使用时将双极板测试流场面覆盖上微孔滤膜和柔性对电极，背面覆盖上加热膜，固定在盖板和底板中间；通入模拟PEMFC环境的液体和气体后，将双极板极化至对应电位后长期运行，通过检测循环溶液中的离子浓度来判断双极板的使用情况。该装置解决了无法独立评价金属双极板寿命的问题，其测试方法和评价手段简单、实用，能较为准确的判断双极板的使用寿命，适于在金属双极板寿命测试上广泛推广。

Description

一种PEMFC金属双极板寿命测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种PEMFC金属双极板寿命测试装置，尤其涉及使用离子检测技术作为不锈钢双极板寿命测试方法的装置和方法。
背景技术
燃料电池双极板分为阴极板、阳极板。由于燃料电池内部的高温酸性环境，不锈钢双极板直接使用通常难以满足燃料电池的使用要求，需要进行表面改性才能进行使用。传统的测定改性金属双极板寿命的方法为将双极板装入燃料电池中，通过与装入石墨双极板的燃料电池寿命作对比来判断金属双极板的寿命。该法不仅成本昂贵，而且很多时候并不能制造出与金属板流场相同的石墨板，并且容易受到膜电极自身寿命的影响，无法准确评价双极板自身的使用寿命。因此研制一种独立评价双极板寿命的装置和方法就显得尤为重要。
在大多数文献调研中发现双极板的失效通常表现为表面改性薄膜的穿孔，这一方面会导致表面接触电阻增加，从而降低电池堆的有用功率；另一方面会导致基体腐蚀，溶解的金属离子会催化膜电极的降解，从而导致电池堆性能损失。但无论出于哪种方式失效，其都会导致基体的腐蚀，这就会使得PEMFC的液体环境中存在一定量的金属离子。基于此原理，本专利发明了一种独立评测金属双极板使用寿命的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，研制一种方便独立评测金属双极板寿命的装置和方法。本发明的技术实现手段如下：
一种PEMFC金属双极板寿命测试装置，包括双极板，极板上的流场，盖板和底板；其特征在于还包括微孔滤膜，柔性对电极，加热膜，气体供应装置，模拟PEMFC环境循环液体供应装置；所述柔性对电极上开有孔以供参比电极与微孔滤膜接触；所述底板上双极板的流体进出口位置设有流体通道；所述底板和盖板上开有导线安装孔，且在底板上开有测温探头安装孔，在盖板上开有参比电极安装孔；在所述气体供应装置上装有各种流体测量仪表；使用时将加热膜紧贴于双极板的背面，并将双极板流场面和微孔滤膜以及柔性对电极夹在盖板和底板中间，通过紧固螺栓紧固；气体供应装置和循环液体供应装置通过相应的气体调节装置和液体调节装置调节后，将气体和循环液体一起注入双极板的流场内。
所述的微孔滤膜为亲水性的PTFE微孔滤膜，通过吸收模拟PEMFC循环液体后代替质子交换膜作为固体电解质使用。
所述柔性对电极的材料为不透气不透水的高纯柔性石墨纸。
所述气体调节装置包括减压阀、稳压阀和调节阀。
所述液体调节装置包括蠕动泵和流量计。
所述各种测量仪表包括温度仪表、流量仪表、压力仪表。
所述的双极板寿命测试装置，其特征在于所述的双极板为单节双极板。
一种使用所述的双极板寿命测试装置的方法，包括如下步骤：
a、将双极板测试流场面上覆盖上微孔滤膜和柔性对电极，背面覆盖上加热膜，夹在盖板和底板中间用紧固螺栓将其紧固；
b、在盖板和底板上的对应位置处连接上导线和参比电极；
c、在底板上双极板的流体进口端接上气体供应装置和液体供应装置，通过气体调节装置和液体调节装置，设定预先计算好的供气压力和流量；
d、将双极板作为工作电极，柔性石墨纸作为辅助电极，按照标准三电极形式接入电化学工作站进行恒电位极化测试，其中极化电位为0.7V（vs SHE），时间12h，记录工作电极与辅助电极的电压差曲线；
e、将电化学工作站断开并取下参比电极，然后密封参比电极安装孔，将所测12h电压差曲线的最后稳定值作为槽电压加在双极板与石墨纸之间，此后，每隔12小时按照d中所述方法进行恒电位极化测试，并记录极化电流密度和工作电极与辅助电极的电位差；
f、每隔三天测试一次循环样液中的离子浓度。
g、根据溶液离子浓度和极化电流密度综合判断双极板的使用情况。
所用参比电极要与模拟PEMFC循环介质体系相匹配，例如：当模拟PEMFC循环溶液采用硫酸体系时，参比电极需使用硫酸亚汞电极。
所设置的极化电位要与所测试的双极板种类相契合，例如：当作为阴极板测试时，极化电位应设置为0.7V（vs SHE）；当作为阳极板测试时，极化电位应设置为0V（vs SHE）。
所述的气体为空气或氢气，相应的测试双极板应为阴极板或阳极板。
所述循环样液中检测的离子种类要与双极板的基材以及改性涂层成分相匹配，例如：当基材为不锈钢，改性涂层为氮化铬时，离子种类应包括但不限于铁离子和铬离子。
本方法主要解决了无法独立评价金属双极板寿命的问题，其测试方法和评价手段简单、实用，能较为准确的判断双极板的使用寿命，适于在金属双极板寿命测试上广泛推广。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图
图中：1、双极板，2、流场，3、盖板，4、底板，5、微孔滤膜，6、柔性对电极，7、加热膜，8、气体供应装置，9、模拟PEMFC环境液体供应装置，10、导线安装孔，11、测温探头安装孔，12、参比电极安装孔，13、气体调节装置，14、液体调节装置，15、紧固螺栓。
图2为本发明具体实施方式中的工作电极与辅助电极的电压差曲线及其各自的电位曲线。
具体实施方式
如图1所示该金属双极板寿命测试装置，包括双极板1、极板上的流场2、盖板3，底板4、微孔滤膜5、柔性对电极6、加热膜7、气体供应装置8和模拟PEMFC液体供应装置9；柔性对电极5上开有参比电极安装孔12；底板4上双极板流体进出口位置设有流体通道；盖板3和底板4上开有导线安装孔11，并在盖板3上也开有参比电极安装孔12；气体供应装置8上装有各种流体测量仪表；其中微孔滤膜5为亲水PTFE微孔膜，柔性对电极6为不透气不透水的柔性石墨纸，气体调节装置13包括减压阀、稳压阀和调节阀，各种测量仪表包括温度仪表、流量仪表、压力仪表，液体调节装置包括蠕动泵和流量计。在盖板上加工有螺栓孔，与底板用螺栓固定，双极板具有流场和进出口通道，与底板上加工的进气道相连。参比电极孔安装的参比电极要与模拟的PEMFC环境介质相一致，这里采用硫酸亚汞电极，介质采用0.5M H2SO4+5ppm HF溶液。所测试的双极板可为阴极板或阳极板，这里测试的为阴极板，极化电位选择0.7V（vs SHE），气体选择空气。介质溶液通过蠕动泵和流量计调节后与经过减压阀、流量调节阀、压力计调节后的空气汇合后从底板2上的进口一起进入双极板1。
例如选用双极板1有效面积为50cm2的表面具有氮化铬改性涂层的316L不锈钢双极板进行测试。首先将双极板3测试流场面覆盖上微孔滤膜5和柔性对电极6，背面覆盖上加热膜7，夹在盖板3和底板4之间，并用紧固螺栓15将其紧固；后在底板4上双极板1的流体进口段接上气体供应装置13和液体供应装置14，并通过调整气体调节装置13（即调节稳压阀和调节阀）和液体调节装置14（即调节蠕动泵），确定气液混合供应装置的压力和流量；这里控制空气压力为0.03MPa、流量为200mL/min，液体流量为0.14mL/min；当观察到双极板1出口处有液体出现时，在底板4上的测温探头安装孔11中插入测温探头使其紧贴双极板1表面，打开加热膜开关设置温度为60℃；待温度达到后，在底板4上的参比电极安装孔12中装入参比电极，并将双极板1和柔性对电极6通过盖板3和底板4上的导线连接孔连接至电化学工作站，其中双极板1作为工作电极（WE），柔性对电极6作为辅助电极（CE）；待开路电位稳定30分钟后，进行恒电位极化测试，其中设置极化电位为0.7V（vs SHE）,记录工作电极与对电极的电压差曲线，如图2的EWE-ECE曲线所示，待曲线稳定不低于12h后，停止测试。断开工作电极与对电极的接线并取下参比电极，封住参比电极安装孔。将图2中EWE-ECE曲线的最后稳定值作为槽电压使用直流电源夹在双极板1与柔性对电极6两端，开始进行长期测试，此后每过1天进行一次所述极化曲线测试，此次极化测试需记录极化电流密度和工作电极与对电极电压差，但测试时间不需像首次那样维持较长，只需记录1h数据即可，测试完成后改为直流电源测试；每过三天进行一次离子浓度测试，这里的离子种类应为铁离子和铬离子。当极化电流密度超过10uA/cm2或者铁离子和铬离子的浓度超过30ppm时，可认为双极板已失效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，任何根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种PEMFC不锈钢双极板寿命测试装置，包括双极板(1)，极板上的流场(2)，盖板(3)和底板(4)；其特征在于还包括微孔滤膜(5)，柔性对电极(6)，加热膜(7)，气体供应装置(8)，模拟PEMFC环境循环液体供应装置(9)；所述柔性对电极(6)上开有参比电极安装孔(12)以供参比电极与微孔滤膜(5)接触；所述底板(4)上双极板的流体进出口位置设有流体通道；所述底板(4)和盖板(3)上开有导线安装孔(10)，且在底板(4)上开有测温探头安装孔(11)，在盖板上开有参比电极安装孔(12)；在所述气体供应装置(8)上装有各种流体测量仪表；使用时将加热膜(7)紧贴于双极板(1)的背面，并将双极板(1)流场(2)面和微孔滤膜(5)以及对电极(6)夹在盖板(3)和底板(4)中间，通过紧固螺栓紧固；气体供应装置(8)和循环液体供应装置(9)通过相应的气体调节装置(13)和液体调节装置(14)调节后，将气体和循环液体一起注入双极板(1)的流场(2)内；
所述的微孔滤膜(5)为亲水性的PTFE微孔滤膜，通过吸收模拟PEMFC循环液体后代替质子交换膜作为固体电解质使用。
2.根据权利要求1所述的PEMFC不锈钢双极板寿命测试装置，其特征在于所述柔性对电极(6)的材料为不透气不透水的高纯柔性石墨纸。
3.根据权利要求1所述的PEMFC不锈钢双极板寿命测试装置，其特征在于所述气体调节装置(13)包括减压阀、稳压阀和调节阀。
4.根据权利要求1所述的PEMFC不锈钢双极板寿命测试装置，其特征在于所述液体调节装置(14)包括蠕动泵和流量计。
5.根据权利要求1所述的双极板寿命测试装置，其特征在于，各种测量仪表包括温度仪表、流量仪表、压力仪表。
6.根据权利要求1所述的双极板寿命测试装置，其特征在于所述的双极板为单节双极板。
7.一种使用权利要求1所述的双极板寿命测试装置的方法，其特征在于包括如下步骤：
a、将底板(4)上覆盖上微孔滤膜(5)和柔性对电极(6)背面覆盖上加热膜(7)，夹在盖板(3)和底板(4)中间用紧固螺栓(15)将其紧固；
b、在盖板(3)和底板(4)上的对应位置处连接上导线和参比电极；
c、在底板上双极板的流体进口端接上气体供应装置(8)和液体供应装置(9)，通过气体调节装置(13)和液体调节装置(14)，设定预先计算好的供气压力和流量；
d、将双极板(1)作为工作电极，柔性石墨纸作为辅助电极，按照标准三电极形式接入电化学工作站进行恒电位极化测试，其中设置极化电位为0.70Vvs SHE，时间12h，记录工作电极与辅助电极的电压差曲线；
e、将电化学工作站断开并取下参比电极，然后密封参比电极安装孔，将所测12h电压差曲线的最后稳定值作为槽电压加在双极板与石墨纸之间，此后，每隔12小时按照d中所述方法进行恒电位极化测试，并记录极化电流密度和工作电极与辅助电极的电位差；
f、每隔三天测试一次循环样液中的离子浓度；
g、根据溶液离子浓度和极化电流密度综合判断双极板的使用情况。
8.根据权利要求7所述的使用双极板寿命测试装置的方法，其特征在于所用参比电极要与模拟PEMFC循环介质体系相匹配，当模拟PEMFC循环溶液采用硫酸体系时，参比电极需使用硫酸亚汞电极。
9.根据权利要求7所述的使用双极板寿命测试装置的方法，其特征在于所设置的极化电位要与所测试的双极板种类相契合，当作为阴极板测试时，极化电位应设置为0.70VvsSHE；当作为阳极板测试时，极化电位设置为0Vvs SHE。
10.根据权利要求7所述的使用双极板寿命测试装置的方法，其特征在于所述的气体为空气或氢气，相应的测试双极板为阴极板或阳极板。
11.根据权利要求7所述的使用双极板寿命测试装置的方法，其特征在于所述循环样液中的离子种类要与双极板的基材以及改性涂层成分相匹配，当基材为不锈钢，改性涂层为氮化铬时，离子种类包括铁离子和铬离子。
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