CN111257212B - 燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，该方法包括如下步骤：S1、搭建加速腐蚀测试系统；S2、选取燃料电池金属双极板耐久性指标，设定寿命终了条件；S3、基准样品进行原位测试，获取原位测试过程中的耐久性指标参数，根据寿命终了条件获取基准样品的实际测试寿命t₀；S4、基准样品和待测样品分别置于加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试，获取测试过程中的耐久性指标参数，根据寿命终了条件获取基准样品的基准寿命T₀和待测样品的加速测试寿命T₁；S5、获取加速腐蚀的加速比K＝t₀/T₀；S6、获取待测样品的预测实际寿命t₁＝KT₁。与现有技术相比，本发明具有测试快速、准确、高效等优点。

Description

燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池金属双极板耐久性的测试方法，尤其是涉及一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法。

背景技术

燃料电池是把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统，是继水电、火电和核电之后第四种发电装置。其中，质子交换膜燃料电池有着寿命长、比功率和比能量高、室温下启动速度快等优点，可作为移动式电源和固定式电源使用，且在军事、交通、通讯等领域有着广阔的应用前景，被认为是适应未来能源与环境要求的理想动力源之一。双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量和成本，且承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。为了满足这些功能需要，理想的双极板应具有高的热/电导率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能以及低成本、易加工等特点。

随着新开发的燃料电池金属双极板越来越多，人们对金属双极板耐久性寿命测试与评价的需求越来越多，用一种高效准确的测试评价方法来评估燃料电池金属双极板实际寿命，是非常重要和必须的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，该方法包括如下步骤：

S1、搭建加速腐蚀测试系统；

S2、选取燃料电池金属双极板耐久性指标，根据耐久性指标设定寿命终了条件；

S3、对基准样品进行原位测试，获取原位测试过程中的耐久性指标参数，进而根据寿命终了条件获取基准样品的实际测试寿命t₀；

S4、将基准样品和待测样品分别置于加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试，获取加速测试过程中的耐久性指标参数，根据寿命终了条件获取基准样品的基准寿命T₀以及待测样品的加速测试寿命T₁；

S5、获取加速腐蚀的加速比K＝t₀/T₀；

S6、获取待测样品的预测实际寿命t₁＝KT₁。

所述的加速腐蚀测试系统包括腐蚀池、法拉第笼、电化学工作站和上位机，所述的腐蚀池设置在法拉第笼内部，所述的腐蚀池内设有腐蚀溶液，所述的腐蚀池通过三电极体系连接电化学工作站用于恒电位电化学测试，所述的上位机连接所述的电化学工作站，所述的测试样品通过工作电极夹夹持在腐蚀池中，所述的腐蚀池上设有进气管和出气管，所述的腐蚀池外部包裹恒温水套并连接至恒温水循环机。

所述的腐蚀池的池体为聚四氟乙烯材料制成的池体。

所述的耐久性指标包括溶液中离子浓度、金属双极板接触电阻、金属双极板接触角、金属双极板极化阻抗、金属双极板氧化层厚度、金属双极板孔隙率。

所述的设定寿命终了条件具体为：选取耐久性指标中的任意一项，或者多项的“与集”或者“或集”为判断条件，判定样品达到寿命终了条件时，判定样品当前耐久性指标是否满足判断条件。

步骤S4加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试时启动恒温水循环机保持腐蚀池中的温度达到设定条件，通过进气管不断通入氧气或氢气保持腐蚀溶液的饱和气体氛围。

在测试过程中可以通过调整恒电位电化学测试中加载的电位大小调整加速腐蚀的加速比。

在对不同待测样品进行恒电位电化学测试获取待测样品的加速测试寿命时，恒电位电化学测试的测试条件与对基准样品进行恒电位电化学测试获取基准样品的基准寿命时的测试条件保持完全一致。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用加速腐蚀测试的方法来对燃料电池金属双极板耐久性进行测试，可以快速、准确、高效、便捷的评测新研发的金属双极板的实际使用寿命，降低原位测试产生的高额研发成本；

(2)本发明引入基准样本，采用了“基准样品标定基准寿命、待测样品对标基准样品”的方法，进一步提高了测试方法对待测样品寿命预测的准确性，保证了模拟测试与实际测试的等效性；

(3)本发明根据耐久性指标来设定寿命终了条件，可以根据实际测试工况选取耐久性指标来设定寿命终了条件，更为准确和全面的判断金属双极板的寿命终了的时间点，提高测试的准确性。

附图说明

图1为本发明燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法的流程框图；

图2为本发明加速腐蚀测试系统的结构框图；

图3为本发明实施例中加速腐蚀测试时接触电阻-时间变化曲线。

图中，1为腐蚀池，2为法拉第笼，3为电化学工作站，4为上位机，5为进气管，6为出气管，7为恒温水套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，该方法包括如下步骤：

S1、搭建加速腐蚀测试系统：

如图2所示，加速腐蚀测试系统包括腐蚀池、法拉第笼、电化学工作站和上位机，腐蚀池设置在法拉第笼内部，腐蚀池内设有腐蚀溶液，腐蚀池通过三电极体系连接电化学工作站用于恒电位电化学测试，上位机连接电化学工作站，测试样品通过工作电极夹夹持在腐蚀池中，腐蚀池上设有进气管和出气管，腐蚀池外部包裹恒温水套并连接至恒温水循环机，腐蚀池的池体为聚四氟乙烯材料制成的池体。电化学腐蚀池放置在法拉第笼中，起到屏蔽外界信号干扰的作用。电化学工作站选用Gamry Interface5000E电化学工作站，起到施加电位与采集数据的作用，并与电脑保持通信与数据同步；上位机有Gamry的操作软件可以设置测试条件与实时观察测试结果。

测试过程中控制施加在金属双极板样品上的电位和作用方式，并测得相应的腐蚀电流。还可通过三电极体系测得不同腐蚀阶段的交流阻抗谱(EIS)。在上位机的电化学工作站操作软件中，可设置-10V～10V的电位，以及最长测试时长，可在不同的电位下，测得不同的腐蚀电流；利用控制电流的测试方法，可设置-10A～10A的电位，以及最长测试时长，可在不同的电流下，测得不同的腐蚀电位。在腐蚀相同时间长度时，金属样品表面被腐蚀物质的物质的量与腐蚀设置的恒电位大小成正比；也就是说，当腐蚀了相同的物质的量的金属样品时，腐蚀终了的时间长度与恒电位大小成反比。其关系如式(1)～(4)所示，联立方程可解得如式(5)、(6)所示关系式：

Q＝I·t， (3)

其中，c为溶液中金属离子浓度，单位是mol/L，ξ为溶液中金属离子物质的量，单位是mol，V为溶液体积，单位是L，Q为反应中转移的电荷量，单位是C(库伦)，z为反应物的当量化合价，F为法拉第常数，I为发生反应的电流密度，单位是A/cm²，t为反应时间，E为施加的电位，单位是V，R_n为样品表面的耐腐蚀极化阻抗，单位是Ω。

由式(5)可以看出，样品转移的电荷量与施加的电位成正比；由式(6)可以看出，溶液中离子浓度也与施加的电位成正比。因此可以通过调控电位的高低进而调控单位时间内反应的物质的量的多少，进而调控反应速率加速比的大小。

S2、选取燃料电池金属双极板耐久性指标，根据耐久性指标设定寿命终了条件，具体地：

耐久性指标包括溶液中离子浓度、金属双极板接触电阻、金属双极板接触角、金属双极板极化阻抗、金属双极板氧化层厚度、金属双极板孔隙率。

设定寿命终了条件具体为：选取耐久性指标中的任意一项，或者多项的“与集”或者“或集”为判断条件，判定样品达到寿命终了条件时，判定样品当前耐久性指标是否满足判断条件。

S3、对基准样品进行原位测试，获取原位测试过程中的耐久性指标参数，进而根据寿命终了条件获取基准样品的实际测试寿命t₀。

S4、将基准样品和待测样品分别置于加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试(离位测试)，获取加速测试过程中的耐久性指标参数，根据寿命终了条件获取基准样品的基准寿命T₀以及待测样品的加速测试寿命T₁，具体地：加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试时启动恒温水循环机保持腐蚀池中的温度达到设定条件，通过进气管不断通入氧气或氢气保持腐蚀溶液的饱和气体氛围。在测试过程中可以通过调整恒电位电化学测试中加载的电位大小调整加速腐蚀的加速比。在对不同待测样品进行恒电位电化学测试获取待测样品的加速测试寿命时，恒电位电化学测试的测试条件与对基准样品进行恒电位电化学测试获取基准样品的基准寿命时的测试条件保持完全一致。在测试过程中，可每间隔t秒(分钟、小时)对样品的耐久性指标参数进行检测。溶液中析出的离子浓度可以通过抽取腐蚀池中溶液进行分析得到，接触电阻和接触角可以通过在时间节点取出样品测试得到，极化阻抗、氧化层厚度与表面钝化层的孔隙率可以通过交流阻抗谱拟合计算得到。

S5、获取加速腐蚀的加速比K＝t₀/T₀。

S6、获取待测样品的预测实际寿命t₁＝KT₁。

具体地，在本年实施例中基准样品为SS316L不锈钢金属双极板，待测样品为SS304不锈钢板金属双极板，将基准样品和待测样样品切割成10mm×10mm大小的样品用于测试。本实施例中，选取接触电阻这一项为寿命指标，要求当样品的接触电阻超过限定值时，为寿命终止点，本实施例中设定的寿命终止点对应的接触电阻为5Ω·cm²。基准样品实测20小时时的接触电阻为5Ω·cm²，因此本实施例中基准样品的实际测试寿命t₀＝20h＝1200min。

然后对基准样品和待测样品分别进行恒电位电化学测试，在对基准样品和待测样品测试时测试条件保持一致，具体地：腐蚀池内通入空气，加速电位采用1.5V恒电位电化学测试方式，循环水温度为90℃，腐蚀池内的腐蚀溶液为pH＝1，浓度为200ppm的F离子溶液，测试时间不限制，达到终了条件时再终止测试。将基准样品SS316L和待测样品SS304都放在加速条件下测试，每隔30分钟进行一次接触电阻的表征，其测试结果如图3所示，可知基准样品的基准寿命T₀＝150min，待测样品的加速测试寿命T₁＝180min。

根据测试结果，得到加速腐蚀的加速比K＝t₀/T₀＝1200/150＝8，进而以接触电阻达到5Ω·cm²为寿命终止条件，待测样品SS304在实际燃料电池堆中使用寿命预计为1440min，即24小时。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (6)

1.一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、搭建加速腐蚀测试系统；

S2、选取燃料电池金属双极板耐久性指标，根据耐久性指标设定寿命终了条件；

S3、对基准样品进行原位测试，获取原位测试过程中的耐久性指标参数，进而根据寿命终了条件获取基准样品的实际测试寿命t₀；

S4、将基准样品和待测样品分别置于加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试，获取加速测试过程中的耐久性指标参数，根据寿命终了条件获取基准样品的基准寿命T₀以及待测样品的加速测试寿命T₁；

S5、获取加速腐蚀的加速比K＝t₀/T₀；

S6、获取待测样品的预测实际寿命t₁＝KT₁；

所述的耐久性指标包括溶液中离子浓度、金属双极板接触电阻、金属双极板接触角、金属双极板极化阻抗、金属双极板氧化层厚度、金属双极板孔隙率；

所述的设定寿命终了条件具体为：选取耐久性指标中的任意一项，或者多项的“与集”或者“或集”为判断条件，判定样品达到寿命终了条件时，判定样品当前耐久性指标是否满足判断条件。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，所述的加速腐蚀测试系统包括腐蚀池、法拉第笼、电化学工作站和上位机，所述的腐蚀池设置在法拉第笼内部，所述的腐蚀池内设有腐蚀溶液，所述的腐蚀池通过三电极体系连接电化学工作站用于恒电位电化学测试，所述的上位机连接所述的电化学工作站，测试样品通过工作电极夹夹持在腐蚀池中，所述的腐蚀池上设有进气管和出气管，所述的腐蚀池外部包裹恒温水套并连接至恒温水循环机。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，所述的腐蚀池的池体为聚四氟乙烯材料制成的池体。

4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，步骤S4加速腐蚀测试系统中进行恒电位电化学测试时启动恒温水循环机保持腐蚀池中的温度达到设定条件，通过进气管不断通入氧气或氢气保持腐蚀溶液的饱和气体氛围。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，在测试过程中可以通过调整恒电位电化学测试中加载的电位大小调整加速腐蚀的加速比。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法，其特征在于，在对不同待测样品进行恒电位电化学测试获取待测样品的加速测试寿命时，恒电位电化学测试的测试条件与对基准样品进行恒电位电化学测试获取基准样品的基准寿命时的测试条件保持完全一致。

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