CN114486714B - 一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，通过先进行一般腐蚀测试再进行多梯形变换电位下的加速腐蚀测试，基于此获取加速腐蚀的加速比N＝Q2/Q1；该方法可以加速测试双极板腐蚀，同时可以较好的与实际工况相匹配，质子交换膜燃料电池工作电压在0.6V‑0.8V，在启停过程中由于某些位置的氢气缺失导致阴极双极板的电位可达到1.6V左右，本发明设计的加速测试可兼顾启停过程及启停过程到达工作条件下的缓慢过程，同时使用电流密度与时间的积分可更好的反应腐蚀质量。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板的一种腐蚀测试方法，尤其是涉及一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法。
背景技术
双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。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。目前生产的双极板存在耐蚀性和导电性匹配性差、生产成本高和寿命短等问题。
美国能源部DOE推荐使用塔菲尔曲线(动电位法)测试阳极双极板腐蚀电流，使用静电位法测试阴极腐蚀电流，如下表。根据DOE推荐的测试方法，双极板达到寿命的时间较长，往往需要数月的时间，产品开发及评估周期较长。阴极侧的腐蚀较大相对阳极侧的腐蚀，因此一般采用使用静电位法测试阴极腐蚀电流来测试金属双极板。
申请号CN202010068832.2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，认为腐蚀失去的质量与恒电位的大小呈正比关系，使用较高的恒电位(1.6V)和较高酸和氟离子浓度的电解液来评价双极板的腐蚀加速。该条件的设计与电池的实际运行条件有所偏离，并不能真实的反应在电池实际运行过程中金属双极板所处的电位环境。电池实际运行的电位大部分时间维持在0.6～0.8V，电池实际运行过程中腐蚀是不断变化的动态过程，其腐蚀失去的质量与恒电位成正比的假设关系也不成立。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，从而提供一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其包括以下步骤，
S1：对第一标准电池样品进行一般腐蚀测试，获得所得的腐蚀电流密度与时间积分值其中t1为测试时间，i1为腐蚀电流密度；S2：采用多梯形变换电位对第二标准电池样品进行加速腐蚀测试，获得所得的腐蚀电流密度与时间积分值/>其中t2为测试时间，i2为腐蚀电流密度；S3：获取加速腐蚀的加速比N＝Q2/Q1；S4：根据加速比N获取加速结果，步骤S2中加速腐蚀测试等同于一般腐蚀测试的测试时间t1与步骤S3中加速比N的乘积。
优选的，所述多梯形变换电位的电位变换阶梯数为2-50。
优选的，所述多梯形变换电位的执行方式如下，
第一步：进行恒电位腐蚀测试，电位V1为电池运行的工作电压，测试T1时间；第二步：以阶梯电位变换方式将电位V1变成电位V2，电位V2为启停过程中双极板最高电位，在此电位测试T2时间，其中，所述阶梯电位变换方式，其为为电位阶梯，在V1-V2区间每个电压处维持的时间为/>n1为V1-V2区间的阶梯数其范围是2-50；第三步：进行恒电位腐蚀测试，电位V2为1.4V–1.6V，恒电位测试T3时间；第四步：以阶梯电位变换方式将电位V2变成电位V1，在此电位测试T4时间，其中，所述阶梯电位变换方式，其为以/>为电位阶梯，在每个电压处维持的时间为/>n2为V1-V2区间的阶梯数其范围是2-50；第五步：进行恒电位腐蚀测试，电位维持在V1，在此电位测试T5时间；
周期性重复第一步到第五步，达到时间t2为结束。
优选的，第一步中，电位V1为0.6V-0.8V。
优选的，第二步中，电位V2为1.4V–1.6V。
优选的，所述一般腐蚀测试，其条件为选用pH＝3的H2SO4+0.1ppm F-的电解质，在60℃到80℃温度范围内，空气鼓泡，在0.5V-0.8V条件下进行恒电位测试。
优选的，所述加速腐蚀测试，其条件为选用浓度范围0.1mol/L-1.2mol/L的H2SO4+0.1ppm-200ppm F-的电解质，在60℃到80℃温度范围内，空气鼓泡，进行多梯形变换电位测试。
优选的，燃料电池金属双极的梯形电位加速腐蚀测试方法在测试系统内执行，所述测试系统包括腐蚀电解池、法拉第笼和电化学工作站，所述腐蚀电解池设置在法拉第笼内部，所述的腐蚀电解池内注入腐蚀溶液并设有进气管和出气管，所述的腐蚀电解池内通过三电极体系连接电化学工作站，所述的腐蚀电解池外部设置控温装置；测试时，待测试样通过工作电极夹夹持在腐蚀池中即可。
优选的，所述的控温装置为恒温水浴设备或油浴设备,
本发明的有益效果：
美国能源部DOE推荐使用腐蚀测试方法周期较长，申请号CN202010068832.2推荐的加速测试方案难以反映实际工况。本发明提供一种梯形电位加速腐蚀测试方法可以加速测试双极板腐蚀，同时可以较好的与实际工况相匹配，质子交换膜燃料电池工作电压在0.6V-0.8V，在启停过程中由于某些位置的氢气缺失导致阴极双极板的电位可达到1.6V左右，本发明设计的加速测试可兼顾启停过程及启停过程到达工作条件下的缓慢过程，同时使用电流密度与时间的积分可更好的反应腐蚀质量。
附图说明
图1为加速测试时单个周期的梯形电位与时间的变化关系图；
图2为0.6V恒电位Vs.Ag/AgCl电极测试的腐蚀电流密度随时间的变化曲线；
图3为实施案例1加速腐蚀电流密度随时间的变化曲线；
图4为实施案例2加速腐蚀电流密度随时间的变化曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为更好的理解本发明内容，进行如下公式推导：
电化学腐蚀中，阳极溶解导致金属腐蚀，M＝M n++n e-，根据法拉第定律，阳极每溶解1mol的金属，需要通过nF法拉第电量。单位面积的腐蚀质量为：
整个金属的腐蚀面积为S，icorr为腐蚀电流密度。金属腐蚀电流密度icorr会随时间变化，采用腐蚀电流与时间的积分来定义单位面积的腐蚀质量更为合适。如公式(3)
从公式(3)可知，加速腐蚀测试可以通过增加∫icorrdt的倍数来实现加速测试。
质子交换膜燃料电池的阴极电位较高，阴极侧的腐蚀更能反映电池的工况。通过测试阴极双极板的腐蚀电流来评估寿命。在一般测试条件下，在一定时间t1，单位面积的腐蚀质量为以i1表示一般测试条件的腐蚀电流密度。在加速测试条件下，在一定时间t2，单位面积的腐蚀质量为/>以i2表示加速测试的腐蚀电流密度。定义加速比为/>根据公式(4)，
根据加速比概念可知，如果在一般条件下测试时间为t1，则加速条件下测试的时间相当于一般测试条件的时间N*t1，因此可大大节省测试时间。加速条件为较高的电压和较高的硫酸浓度可增大腐蚀电流密度。
在测试过程中可以通过调整恒电位电化学测试中加载的梯形电位大小和电解质浓度调整腐蚀的加速比。
实施例1
测试温度70℃，参比电极为银-氯化银电极(采用盐桥阻隔，盐桥内填充饱和氯化钾溶液)，对电极采为15mm*15mm的方形铂片，工作电极为与溶液接触面积为1cm2的厚度1mm的Ta1钛合金圆片。
一般测试条件：测试电解质为pH＝3的H2SO4+0.1ppm F-溶液。使用0.6V恒电位Vs.Ag/AgCl电极测试，测试时间为1900s。得到图2的腐蚀电流密度随时间的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为腐蚀电流密度。0.6V恒电位Vs.Ag/AgCl电极测试。
加速测试条件：测试电解质为0.5mol/L的H2SO4+0.1ppm F-溶液。使用表1周期梯形电压，第一步模拟工作电压V1 0.6V-0.8V，第二步到第五步为模拟双极板的实际电位启停过程，实际在启停过程中双极板电位V2可达到1.4V-1.6V，测试时间为1900s，得到图3的腐蚀电流密度随时间的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为腐蚀电流密度。本实施例根据双极板处于的实际工况进行模拟，具体的，T1时间内的电位值V1＝0.6V为燃料电池正常工作时候的双极板电位，时间T2，T3，T4为启停过程中双极板电位的变化，T5为燃料电池正常工作时候的双极板电位，启停过程双极板最高电位V2＝1.6V，n1、n2分别为测试时间T2、T4时V1-V2区间的阶梯数，也可根据客户端电池实际需求制定，其中n1和n2的选择可根据启停速度快慢进行选择，启停慢，n1和n2选择尽可能大，启停快n1和n2选择尽可能小，n1和n2的数值范围是2-50，为与实际工况匹配可进行调整。本实施例中本实施例将选择n1＝5、n2＝5，重复第一步到第五步，达到1900s结束。
从腐蚀电流密度积分计算相应的加速比为即加速测试一天等于一般测试145天，可大大降低测试时间，加快产品迭代和开发。
表1
实施例2
测试温度70℃，参比电极为银-氯化银电极(采用盐桥阻隔，盐桥内填充饱和氯化钾溶液)，对电极采为15mm*15mm的方形铂片，工作电极为与溶液接触面积为1cm2的厚度1mm的Ta1钛合金圆片。
一般测试条件：测试电解质为pH＝3的H2SO4+0.1ppm F-溶液。使用0.6V恒电位Vs.Ag/AgCl电极测试，测试时间为1900s。得到图2的腐蚀电流密度随时间的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为腐蚀电流密度。0.6V恒电位Vs.Ag/AgCl电极测试。
加速测试条件：测试电解质为0.5mol/L的H2SO4+0.1ppm F-溶液。使用表2周期梯形电压，第一步模拟工作电压V1 0.6V-0.8V，第二步到第五步为模拟双极板的实际电位启停过程，实际在启停过程中双极板电位V2可达到1.4V-1.6V，测试时间为2200s，得到图4的腐蚀电流密度随时间的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为腐蚀电流密度。本实施例根据双极板处于的实际工况进行模拟，具体的，T1时间内的电位值V1＝0.6V为燃料电池正常工作时候的双极板电位，时间T2，T3，T4为启停过程中双极板电位的变化，T5为燃料电池正常工作时候的双极板电位，启停过程双极板最高电位V2＝1.5V，n1、n2分别为测试时间T2、T4时V1-V2区间的阶梯数，n1和n2的选择可根据启停速度快慢进行选择，启停慢，n1和n2选择尽可能大，启停快n1和n2选择尽可能小，n1和n2的数值范围是2-50，也可根据客户端电池实际需求制定，与实际工况匹配即可。本实施例中本实施例将选择n1＝2、n2＝9，重复第一步到第五步，达到2200s结束。
从腐蚀电流密度积分计算相应的加速比为即加速测试一天等于一般测试118天，可大大降低测试时间，加快产品迭代和开发。
表2
本发明提供一种燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，使用梯形电位测试包含了正常工作和启停过程。第一步模拟工作电压0.6V-0.8V，第二步到第五步为模拟双极板的实际电位启停过程，实际在启停过程中双极板电位可达到1.4V-1.6V，阶梯数n1和n2可根据启停速度快慢进行选择，启停慢时，n1和n2选择尽可能大，数值范围为20-50；启停快时n1和n2选择尽可能小，数值范围为2-20。根据实际工况匹配可进行调整，加速测试一天是一般测试天数的加速比值的倍数，可大大降低测试时间，加快产品迭代和开发。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：对第一标准电池样品进行一般腐蚀测试，获得所得的腐蚀电流密度与时间积分值其中t1为测试时间，i1为腐蚀电流密度；
S2：采用多梯形变换电位对第二标准电池样品进行加速腐蚀测试，获得所得的腐蚀电流密度与时间积分值其中t2为测试时间，i2为腐蚀电流密度；
S3：获取加速腐蚀的加速比N＝Q2/Q1，通过调整恒电位电化学测试中加载的梯形电位大小和电解质浓度调整腐蚀的加速比；
S4：根据加速比N获取加速结果，步骤S2中加速腐蚀测试等同于一般腐蚀测试的测试时间t1与步骤S3中加速比N的乘积；
步骤S2中所述多梯形变换电位的执行方式如下，
第一步：进行恒电位腐蚀测试，电位V1为电池运行的工作电压，测试T1时间；第一步中，电位V1为0.6V-0.8V；
第二步：以阶梯电位变换方式将电位V1变成电位V2，电位V2为启停过程中双极板最高电位，在此电位测试T2时间，其中，所述阶梯电位变换方式，其为为电位阶梯，在V1-V2区间每个电压处维持的时间为/>n1为V1-V2区间的阶梯数；第二步中，电位V2为1.4V–1.6V；
第三步：进行恒电位腐蚀测试，电位V2为1.4V–1.6V，恒电位测试T3时间；
第四步：以阶梯电位变换方式将电位V2变成电位V1，在此电位测试T4时间，其中，所述阶梯电位变换方式，其为以为电位阶梯，在每个电压处维持的时间为/>n2为V1-V2区间的阶梯数；
第五步：进行恒电位腐蚀测试，电位维持在V1，在此电位测试T5时间；
周期性重复第一步到第五步，达到时间t2为结束；
启停慢时，n1和n2数值范围为20-50；启停快时n1和n2数值范围为2-20。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：所述多梯形变换电位的电位变换阶梯数为2-50。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：所述一般腐蚀测试，其条件为选用pH＝3的H2SO4+0.1ppm F-的电解质，在60℃到80℃温度范围内，空气鼓泡，在0.6V-0.8V条件下进行恒电位测试。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：所述加速腐蚀测试，其条件为选用浓度范围0.1mol/L-1.2mol/L的H2SO4+0.1ppm-200ppm F-的电解质，在60℃到80℃温度范围内，空气鼓泡，进行多梯形变换电位测试。
5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：燃料电池金属双极的梯形电位加速腐蚀测试方法在测试系统内执行，所述测试系统包括腐蚀电解池、法拉第笼和电化学工作站，所述腐蚀电解池设置在法拉第笼内部，所述的腐蚀电解池内注入腐蚀溶液并设有进气管和出气管，所述的腐蚀电解池内通过三电极体系连接电化学工作站，所述的腐蚀电解池外部设置控温装置；
测试时，待测试样通过工作电极夹夹持在腐蚀池中即可。
6.如权利要求5所述的质子交换膜燃料电池金属双极板的梯形电位加速测试方法，其特征在于：所述的控温装置为恒温水浴设备或油浴设备。
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