CN114318487A - 一种用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法 - Google Patents

一种用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法 Download PDF

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Abstract

一种用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，本发明为了克服现有钛及钛合金双极板难以短时间评价耐蚀性能的问题。加速腐蚀方法：将钛双极板置于电解质溶液中，电解质溶液为0.0005mol/L的H2SO4+0.1ppmHF或者0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，采用三电极体系进行脉冲极化，钛双极板作为工作电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，控制脉冲极化时间，完成对钛和钛合金双极板的加速腐蚀。本发明通过选择电池启动时突增的高电位1.2V与稳定工作时的低电位0.6V之间的重复电位脉冲极化，可实现比同等高电位1.2V恒电位极化更大程度的腐蚀，从而快速判断钛及钛合金双极板的耐蚀性能。

Description

一种用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法
技术领域
本发明属于新能源汽车用质子交换膜燃料电池领域，具体涉及钛及钛合金双极板的加速腐蚀测试方法。
背景技术
目前质子交换膜燃料电池汽车正进入大规模商业化导入阶段，随着人们对环境污染问题的重视程度的加深，燃料电池汽车得到政府的大力支持。为了响应国家战略需求，保护生态环境，质子交换燃料电池的研究是刻不容缓的。双极板作为质子交换燃料电池中十分重要的部分，其性能严重影响着电池的使用寿命。相比于其他金属，Ti的密度为4.51g/cm3，比镍、铜、钢低，但其比强度却高于高强合金钢和铝合金，具有良好的力学性能和机械性能，且具有较好的耐蚀性能。因此，钛及钛合金已被研究用来作为质子交换膜燃料电池双极板，双极板的使用寿命评价需要恒电位极化达到5000h以上，时间成本和设备的要求都是极高的，严重阻碍了双极板的研发效率，因此亟需一种有效的双极板加速腐蚀测试方法，在短时间内评价出双极板的耐蚀性能，缩短双极板的研发周期。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有钛及钛合金双极板难以短时间评价耐蚀性能的问题，而提供一种用于钛基双极板的加速腐蚀测试方法。
本发明用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法按照以下步骤实现：
将钛双极板置于电解质溶液中，电解质溶液为0.0005mol/L的H2SO4+0.1ppmHF或者0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，电解质溶液的温度为70℃～90℃，采用三电极体系进行脉冲极化，钛双极板作为工作电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，控制脉冲极化时间，完成对钛和钛合金双极板的加速腐蚀。
本发明通过模拟燃料电池启停时的电位突增进行高电位1.2V和低电位0.6V稳定运行的重复电位脉冲极化，相比同样时间的高电位下恒电位极化来说，对钛及钛合金双极板腐蚀程度更大，目前双极板常用的耐腐蚀测试方法通常包括动电位极化法和工作电位(0.6V/-0.1V)以及高电位(1.2V)下的恒电位极化，通过脉冲极化能够加快腐蚀速度，更快地判断双极板的耐蚀性。
本发明通过选择电池启动时突增的高电位1.2V与稳定工作时的低电位0.6V之间的重复电位脉冲极化，可实现比同等高电位1.2V恒电位极化更大程度的腐蚀，电位相当或者更更低的情况下，脉冲极化比恒电位极化的腐蚀电流密度高出将近两个数量级，可快速判断钛及钛合金双极板的耐蚀性能，大大节约了时间成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：操作简便，能够缩短钛及钛合金双极板的耐蚀性能的测试时间，节约时间成本。
附图说明
图1是本发明重复电位脉冲极化加速腐蚀测试电位加载示意图；
图2是实施例中TC4在0.3mol/LH2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V-0.6V脉冲极化2h的I-t曲线图，其中“∣”表示脉冲极化t1＝5s，乘号“×”表示脉冲极化t1＝30s，竖线“－”表示脉冲极化t1＝60s，加号“+”表示恒电位极化；
图3是实施例中TA1在0.3mol/L H2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V-0.6V脉冲极化2h的I-t曲线图，其中□代表1.2V-0.6V脉冲极化，○代表1.2V恒电位极化；
图4是实施例中TA1在0.3mol/L H2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V-0.6V脉冲极化8h的I-t曲线图，其中□代表1.2V-0.6V脉冲极化，○代表1.2V恒电位极化；
图5是实施例中TA1在0.3mol/L H2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V-0.6V脉冲极化后电解液中的Ti离子浓度柱状图，其中A代表1.2V-0.6V脉冲极化，B代表1.2V恒电位极化。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法按照以下步骤实施：
将钛双极板置于电解质溶液中，电解质溶液为0.0005mol/L的H2SO4+0.1ppmHF或者0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，电解质溶液的温度为70℃～90℃，采用三电极体系进行脉冲极化，钛双极板作为工作电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，控制脉冲极化时间，完成对钛和钛合金双极板的加速腐蚀。
本实施方式通过脉冲极化的方法加速了钛及钛合金双极板的腐蚀速度，在高低电位的脉冲极化下要比同时间高电位极化电流密度大得多，溶液中溶解的离子浓度的增大也表明了该方法加速了钛及钛合金双极板的腐蚀速度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是钛双极板的材质为钛或者钛合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是三电极体系中以Ag/AgCl电极作为参比电极，石墨板作为对电极。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是电解质溶液的温度为80℃。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是采用三电极体系进行重复电位脉冲极化，所述的脉冲为周期矩形脉冲。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是脉冲极化的周期为2s～120s。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是脉冲极化的脉宽为5s、30s或者60s。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是脉冲极化的占空比为50％。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是控制脉冲极化时间为2～500h。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是控制脉冲极化时间为2h～20h。
实施例1：本实施例用于钛基双极板的加速腐蚀方法按照以下步骤实施：
将尺寸为20mm×30mm的TC4板置于250ml的电解质溶液(水为溶剂)中，TC4板浸入电解质溶液的面积为1cm2，电解质溶液为0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，电解质溶液的温度为80℃，采用三电极体系进行重复电位脉冲极化，钛双极板作为工作电极，对电极为石墨棒，参比电极为Ag/AgCl电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，其中重复电位脉冲极化对应的单次电位施加时间t1为(5s/30s/60s)，总时长t为7200s(2h)，循环次数n分别为(720/120/60)，完成对钛和钛合金双极板的加速腐蚀。
通过重复电位脉冲方法与高电位下恒电位(1.2V)方法对TC4进行极化，对比极化后的电流密度。用两种方法对TC4极化相同时间后，同时测试了电解液中溶解的Ti离子的浓度。
图2为TC4在0.3mol/L H2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和不同循环次数下1.2V-0.6V脉冲极化2h的I-t曲线，可以看到无论单次电位时间如何变化，重复电位脉冲极化的电流密度都比1.2V恒电位极化的电流密度大接近两个数量级。
实施例2：本实施例钛基双极板的加速腐蚀方法按照以下步骤实施：
将尺寸为20mm×30mmTA1板置于250ml的电解质溶液中，TA1板浸入电解质溶液的面积为1cm2，电解质溶液为0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，电解质溶液的温度为80℃，采用三电极体系进行脉冲极化，钛双极板作为工作电极，对电极为石墨棒，参比电极为Ag/AgCl电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，其中脉冲极化对应的单次电位施加时间t1为30s，总时长t为7200s(2h)和28800s(8h)，循环次数n分别为120和480；测试完成后停止加热，取反应后电解液5ml稀释至10ml进行ICP-AES的测试，测试Ti离子浓度。
图3为TA1在0.3mol/LH2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V(30s)-0.6V(30s)脉冲极化2h的I-t曲线，可以看到对于纯钛TA1来说，也呈现出与TC4相同的规律，重复电位脉冲极化的电流密度比恒电位极化的电流密度大接近两个数量级。
图4为TA1在0.3mol/LH2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V(30s)-0.6V(30s)脉冲极化8h的I-t曲线，可以看到，极化时间延长至8h，此规律依然存在，脉冲极化的电流密度依然比恒电位极化的电流密度大两个数量级。
图5为TA1在0.3mol/LH2SO4+2ppmHF，80℃环境中1.2V恒电位极化和1.2V(30s)-0.6V(30s)脉冲极化2h和8h后电解液中Ti离子浓度的测试结果对比，可以看到无论极化多长时间，脉冲极化后电解液中的Ti离子浓度都比恒电位极化后电解液中溶解的Ti离子浓度高，其中极化2小时，重复电位脉冲极化后电解液中的Ti离子浓度为0.0839ppm，恒电位极化后电解液中的Ti离子浓度为0.0505ppm，延长极化到8小时，重复电位脉冲极化后电解液中的Ti离子浓度增加到0.1833ppm，恒电位极化后电解液中的Ti离子浓度增加0.0708ppm。
综上，模拟电池启停的重复电位脉冲极化测试相比常规的恒电位极化测试法对样品的腐蚀速度更快，破坏程度更大，表明质子交换膜燃料电池启动阶段相对于稳定运行时对双极板的破坏性更大。因此，重复电位脉冲极化测试是一种有效的加速腐蚀方法，可以节约燃料电池钛及钛合金双极板使用寿命评价的测试时间，缩短钛合金双极板研发的周期。

Claims (10)

1.用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于该加速腐蚀方法按下列步骤实现：
将钛双极板置于电解质溶液中，电解质溶液为0.0005mol/L的H2SO4+0.1ppmHF或者0.3mol/L的H2SO4+2ppmHF，电解质溶液的温度为70℃～90℃，采用三电极体系进行脉冲极化，钛双极板作为工作电极，脉冲极化的高电位为1.2V，低电位为0.6V，控制脉冲极化时间，完成对钛和钛合金双极板的加速腐蚀。
2.根据权利要求1所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于钛双极板的材质为钛或者钛合金。
3.根据权利要求1所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于三电极体系中以Ag/AgCl电极作为参比电极，石墨板作为对电极。
4.根据权利要求1所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于电解质溶液的温度为80℃。
5.根据权利要求1所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于采用三电极体系进行重复电位脉冲极化，所述的脉冲为周期矩形脉冲。
6.根据权利要求5所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于脉冲极化的周期为2s～120s。
7.根据权利要求5所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于脉冲极化的脉宽为5s、30s或者60s。
8.根据权利要求5所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于脉冲极化的占空比为50％。
9.根据权利要求1所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于控制脉冲极化时间为2h～500h。
10.根据权利要求9所述的用于钛基材料双极板的加速腐蚀方法，其特征在于控制脉冲极化时间为2h～20h。
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