CN117589664A - 一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***及方法。***包括：加热装置；测试池，所述测试池具有中空的容置空间，用于盛放测试溶液及测试样品，所述测试池顶部贯穿固定有参比电极、对电极、温度传感器以及冷凝管，所述冷凝管的另一端连通集气瓶；所述测试池侧边开孔分别与液位管和蠕动泵相连接，所述液位管的另一端连通集气瓶，所述蠕动泵的另一端连通溶液箱。本专利开发了一种适用于高温燃料电池双极板耐腐蚀性评价的测试***，解决了电化学测试体系在高温下的工作电位施加不准确、溶液易挥发、体系溶液浓度变化、污染实验环境等问题。从而可实现高温度下稳定、长时间的双极板性能测试。

Description

一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***及方法

技术领域

本发明主要涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及双极板的耐腐蚀测试。具体来说，提出了一种适用于高温环境下的质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***及方法。

背景技术

燃料电池双极板通常被要求具有优秀的耐腐蚀性，然而在高温燃料电池的应用中，由于工作温度的升高使得内部环境条件相比于低温燃料电池更加苛刻，这将大大增加了双极板的电化学腐蚀风险。为了评估双极板的耐腐蚀性，通常需要在模拟其工作环境的条件下通过电化学三电极测试体系去判定其腐蚀形貌、腐蚀电位及腐蚀电流等参数，并推测其可应用性。然而对于高温燃料电池，由于其工作时的温度通常在100摄氏度以上，很容易造成施加测试电位不准确、测试溶液体系挥发等问题。对于质子交换膜燃料电池，提高工作温度可以有效提高效率，但同时也给双极板的耐腐蚀性能带来了极大的考验，需要在高温的质子交换膜燃料电池环境中对双极板进行离线电化学腐蚀测试。由于受到高温影响，测试体系存在多重不稳定性，难以实现准确测量，因此可支持高温度区间的耐腐蚀性测试***的开发显得尤为重要。

公开号为CN113933366A的中国专利申请公开了一种燃料电池双极板电化学测试装置，采用分离式电解池，通过盐桥液体连接参比电极和工作电极，实现了参比电极和工作电极温度的分开控制，便于维持各自所需的运行温度，使常用甘汞电极或Ag|AgCl电极运用于中高温(100-200℃)条件下的腐蚀电化学测试中，且能保证其长时间使用具有稳定的性能；在盐桥外部增加了循环水冷装置保证了第一电解池维持在室温，通过热电偶和恒温电热盘的配合保证了第二电解池在高温下运行，提高了测试环境的稳定性。上述专利提出装置，虽然可以一定程度解决高温体系双极板测试问题，但是该专利仍存在明显的不足：

1、参比电极与工作电极所处溶液存在的温差会导致二种电极电位产生差异，使得测试精度不可控制。

2、所使用的盐桥并不能在高温下使用，通常盐桥的内置砂芯在温度大于70℃以上会出现明显的渗液速率加剧现象，导致盐桥内的饱和溶液污染测试体系。

3、专利中描述为防止高温下溶液挥发导致溶液浓度发生变化，增加了球型冷凝管。但是测试体系与外界环境并未完全隔离，在测试时间较长、测试温度较高的条件下依旧会存在溶液慢性挥发问题，尤其是对于测试装置容积较小的情况下尤为明显。因此仅仅增加冷凝管不足以完全避免溶液挥发所带来的一系列问题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***及方法。本发明***将测试体系与实验环境水汽隔离，并配备了冷凝装置、液位检测装置及自动补液功能，避免了由高温溶液挥发导致的污染实验环境及溶液损失等问题。采用可逆氢电极作为参比电极，并且与工作电极处于相同的溶液体系下，避免了由溶液温差等因素造成的测试电位差异等问题。该***可以满足双极板在模拟高温质子交换膜燃料电池环境下的长周期性能评价。

本发明采用的技术手段如下：

一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***，包括：

加热装置，用于控制测试池温度；

测试池，所述测试池具有中空的容置空间，用于盛放测试溶液及测试样品，所述测试池顶部贯穿固定有参比电极、对电极、温度传感器以及冷凝管，所述冷凝管的另一端连通集气瓶；

所述测试池底部设置有用于固定金属双极板样品的样品台；

所述测试池侧边开孔分别与液位管和蠕动泵相连接，所述液位管的另一端连通集气瓶，所述蠕动泵的另一端连通溶液箱。

进一步地，所述参比电极为可逆氢电极。

进一步地，所述对电极为铂电极或石墨电极。

进一步地，所述液位管的上部装配有液位传感器，所述液位传感器用于实时监测测试池内部溶液的液位。

本发明还公开了一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试方法，基于上述***实现，包括以下步骤：

在90～200℃条件下使用电压激励进行周期性测试循环，以模拟双极板在高温溶液条件下的长时间不同工况服役环境；

在固定间隔时间进行标准电位下的腐蚀电流密度测试以检测双极板性能变化；

通过设置性能终结时标准电位下的腐蚀电流密度值和总离子析出浓度值，确定双极板的截止测试时间。

进一步地，所述电压激励包括：为双极板样品施加恒电位、变载电位或二者相结合的电压形式，以用来模拟燃料电池运行时的怠速工况、变载工况或混合工况情况。

进一步地，该方法还包括：

在进行标准电位检测时使用pH测试仪进行pH值检测并记录，同时，在每次标准电位检测结束后收集测试溶液，并检测双极板析出的基体离子浓度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明***通过水汽隔离、外置冷却等方式抑制了高温下溶液的快速挥发，同时通过溶液液位的实时检测、自动补液等功能避免了高温体系下测试溶液挥发导致的溶液缺失、浓度变化及污染环境等问题。提高了测试过程的体系控制精度并实现了无人值守。

2、本发明使用可逆氢电极代替氯化银、饱和甘汞等填充饱和溶液的电极作为参比电极，避免了填充溶液渗漏对测试体系的污染及影响。并且实现了参比电极与测试样品共处同一高温溶液环境，避免了由温度差异或溶液浓度差异所产生的电势差异，提高了测试电位控制精度。

3、本发明***可以实现在模拟高温下(90～200℃)的质子交换膜燃料电池环境的双极板性能及长时间的耐久性测试。使用电压激励进行长时间的周期性测试循环，模拟双极板在高温溶液条件下的长时间不同工况服役环境。在固定间隔时间进行标准电位下的腐蚀电流密度测试以检测性能变化。通过设置性能终结时标准电位下的腐蚀电流密度值和析出的离子浓度值，则可以确定双极板稳定的耐腐蚀时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***结构示意图。

图2为实施例中每50h进行标准电位下的腐蚀电流测定结果。

图中：1、加热装置，2、测试池，3、参比电极，4、对电极，5、温度传感器，6、冷凝管，7、液位管，8、液位传感器，9、集气瓶，10、测试样品，11、工作电极杆，12、蠕动泵，13、溶液箱。

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。

如图1所示，一种用于高温质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性评价的测试***，包括：加热装置1、测试池2、参比电极3、对电极4、温度传感器5、冷凝管6、液位管7、液位传感器8、集气瓶9、测试样品10、工作电极杆11、蠕动泵12以及溶液箱13。

加热装置1指可以使测试体系温度变化并持续控制的装置，特指循环水浴、油浴、加热带、加热片等。本发明优选采用加热带装置，可实现温度变化区间为30℃～200℃。

作为本发明优选的实施方式，测试池2由耐高温耐腐蚀材质制成，内部盛放测试溶液及测试样品。顶部配置螺纹孔与O型圈，可配合宝塔接头固定参比电极3、对电极4、温度传感器5以及冷凝管6等装置并实现与外界环境的水汽隔离。测试池2侧边开孔与液位管7、蠕动泵12相连接。底部设置有样品台用于固定金属双极板样品10，并通过工作电极杆11与电化学工作站相连。

作为本发明优选的实施方式，参比电极3特使用可逆氢电极，可避免高温下其他填充饱和溶液类参比电极的溶液析出、电位漂移等现象，避免了测试体系被污染及测试电位控制不精准的现象发生。

作为本发明优选的实施方式，对电极4包括铂电极、石墨电极等可用于长时间测试的稳定电极材料。

作为本发明优选的实施方式，温度传感器5用于实时监测测试池2内溶液温度，并与加热装置1线路连接并控制加热功率，保证体系温度达到测试要求并保持恒定。

作为本发明优选的实施方式，冷凝管6内通入循环冷却水，用于冷凝由体系高温而蒸发的测试溶液，冷凝后的溶液可回流进入测试池2，或经连接管路流入集气瓶9中，集气瓶9内废气由排气管路通至室外。

作为本发明优选的实施方式，液位管7与测试池2连接，且内部溶液互通。上部固定位置装配液位传感器8，顶端通过管路与集气瓶9相连。液位传感器8用于实时监测测试池2内部溶液的液位，且与蠕动泵12线路连接。蠕动泵12与溶液箱13相连，用于缓慢输送溶液箱13中盛放的备用测试溶液，溶液流速可控。当进行长时间的高温测试时，流入集气瓶9中的冷凝溶液较多，会在液位管7上反映出明显的液位下降现象。当液位下降到液位传感器8以下，传感器向蠕动泵发送指令将溶液箱中的备用测试溶液缓慢补充到测试池中。

本发明还公开了一种高温条件下的双极板耐腐蚀性测试方法，使用上述高温测试***对双极板样品进行电化学腐蚀测试，在高温(90～200℃)条件下使用电压激励进行长时间的周期性测试循环，则可以模拟双极板在高温溶液条件下的长时间不同工况服役环境。在固定间隔时间进行标准电位下的腐蚀电流密度测试以检测性能变化。通过设置性能终结时标准电位下的腐蚀电流密度值和析出的离子浓度值，则可以确定双极板的截止测试时间。

作为本发明优选的实施方式，电压激励指电化学测试方法中为双极板样品施加恒电位、变载电位或二者相结合的电压形式，以用来模拟燃料电池运行时的怠速工况、变载工况或混合工况情况。

作为本发明优选的实施方式，为判定测试体系在长时间运行时内部溶液浓度变化情况，在进行标准电位检测时使用pH测试仪进行pH值检测并记录。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例结合具体的***来对本发明的技术方案进行详细的说明：

一种用于高温质子交换膜燃料电池金属双极板耐腐蚀性评价的测试***，包括：加热装置1、测试池2、参比电极3、对电极4、温度传感器5、冷凝管6、液位管7、液位传感器8、集气瓶9、测试样品10、工作电极杆11、蠕动泵12以及溶液箱13。

将溶液箱、蠕动泵、测试池通过管路连接；将金属双极板样品放入测试池底部并固定好，使工作电极杆与样品紧密接触。

将参比电极、对电极、温度传感器通过测试池顶盖预留孔***测试池，并配合O型圈及宝塔接头进行密封紧固。所述参比电极和对电极分别使用可逆氢电极和铂电极。

将加热装置缠绕并固定在测试池***，并与温度传感器线路连接。所述加热装置为硅胶加热带，可实现30～200℃温度控制。

液位管通过测试池预留固定孔位连接，使其与测试池内部溶液互通。在液位管上部一定位置安装液位传感器，可以实时监测液位管内部的液位变化情况，并且液位传感器与蠕动泵线路连接。设置蠕动泵输送溶液速度为20mL/min。

测试池顶部通过宝塔接头与冷凝管密封连接。冷凝管出口、液位管顶端通过同一管路与集气瓶相连。

将所用测试溶液分别适量倒入测试池及溶液箱中，从液位管中可以观测到测试池中的液位情况，使液位管中的溶液没过液位传感器1cm，并旋紧测试池上盖密封。所用测试溶液为pH＝3的硫酸和0.1ppm氢氟酸的混合溶液。

打开加热带及温度传感器开关对溶液进行加热，设置测试温度为130℃。可逆氢电极、铂电极、工作电极依次连接至电化学工作站。当溶液温度到达预设温度时开始长时间的电化学腐蚀性测试。当测试时间较长时测试池内溶液缺失明显，液位管内液位下降至液位传感器底部，蠕动泵开始缓慢将溶液箱中的备用测试溶液补充到测试池内。

为评价双极板样品在130℃下长时间怠速条件的耐腐蚀稳定性，使用的电压激励方式为恒电位极化，电位值设置为0.85V，单次测试时长为50h。为监测双极板样品在该体系下的耐腐蚀性能变化，每隔50h进行5h的标准电位极化测试，所用标准电位为1V。设置在标准电位下电流密度超过1μA/cm2，或Fe元素总析出浓度达到300ppb时双极板寿命达到终点。为判定测试体系在长时间运行时内部溶液浓度变化情况及离子析出情况，在进行标准电位检测时使用pH测试仪进行pH值检测记录，并采集适量溶液进行元素成分及浓度检测。

在130℃、pH为3的酸性溶液中，使用模拟燃料电池怠速电位对双极板进行长周期测试，并记录每50h在标准电位下测试的电流密度，结果如图2所示。可以看出电流密度持续上升，并在100h节点时电流密度值超出了预设的寿命终结点电流，说明该双极板样品在上述测试条件下的稳定耐腐蚀时间为100h。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***，其特征在于，包括：

加热装置(1)，用于控制测试池温度；

测试池(2)，所述测试池(2)具有中空的容置空间，用于盛放测试溶液及测试样品，所述测试池(2)顶部贯穿固定有参比电极(3)、对电极(4)、温度传感器(5)以及冷凝管(6)，所述冷凝管(6)的另一端连通集气瓶(9)；

所述测试池(2)底部设置有用于固定金属双极板样品(10)的样品台；

所述测试池侧边开孔分别与液位管(7)和蠕动泵(12)相连接，所述液位管(7)的另一端连通集气瓶(9)，所述蠕动泵(12)的另一端连通溶液箱(13)。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***，其特征在于，所述参比电极(3)为可逆氢电极。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***，其特征在于，所述对电极(4)为铂电极或石墨电极。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试***，其特征在于，所述液位管(7)的上部装配有液位传感器(8)，所述液位传感器(8)用于实时监测测试池(2)内部溶液的液位。

5.一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试方法，基于权利要求1-5中任意一项所述的***实现，其特征在于，包括以下步骤：

在90～200℃条件下使用电压激励进行周期性测试循环，以模拟双极板在高温溶液条件下的长时间不同工况服役环境；

在固定间隔时间进行标准电位下的腐蚀电流密度测试以检测双极板性能变化；

通过设置性能终结时标准电位下的腐蚀电流密度值和总离子析出浓度值，确定双极板的截止测试时间。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试方法，其特征在于，所述电压激励包括：为双极板样品施加恒电位、变载电位或二者相结合的电压形式，以用来模拟燃料电池运行时的怠速工况、变载工况或混合工况情况。

7.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池双极板耐腐蚀性测试方法，其特征在于，该方法还包括：

在进行标准电位检测时使用pH测试仪进行pH值检测并记录，同时，在每次标准电位检测结束后收集测试溶液，并检测双极板析出的基体离子浓度。