一种质子交换膜燃料电池用炭纸的加速老化测试方法

1.本发明涉及电化学腐蚀技术，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池用炭纸的加速老化测试方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的老化问题已经被研究和报道了二十多年，主要是对其核心部分——膜电极的性能老化研究。然而，目前已发表的许多关于膜电极性能老化的研究主要集中在聚合物电解质膜和催化层的老化，并且已开发出一系列针对这两个部件的加速老化测试方法，但气体扩散层以及炭纸的性能老化研究没有得到广泛的关注。在燃料电池运行过程中，炭纸处于高湿度、高温度的环境下，甚至在电池燃料缺乏工况和频繁启动/停止过程中经历瞬态的高电位的情况，这造成了炭纸导电性、透气性等性能的急剧老化，进而影响燃料电池整体的性能。
3.cn107039668a公开了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性加速测试方法，测试方法如下：将气体扩散层疏水处理后作为工作电极，通过在三电极电解池中，以温度为60～80℃、浓度为0.5m的h2so4水溶液为电解液，采用电化学工作站i-t加速模块以1.4v vs.sce的电位保持86400s。但是该发明只模拟了气体扩散层在恒定高电位下的耐久性衰减，没有模拟燃料缺乏工况和频繁启动/停止过程中经历瞬态的高电位对其性能的影响。
4.cn111122428a公开了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性测试方法，该发明将气体扩散层作为工作电极，通过在三电极电解池中，以温度为80℃、浓度为0.5m的h2so4水溶液为电解液，使用电化学工作站施加1.0～1.4v vs.sce的电位保持10～100h，测试了电化学腐蚀环境对气体扩散层耐久性的影响。但是该发明只在恒电位的电化学腐蚀环境中进行测试，没有模拟质子交换膜燃料电池中瞬态的高电位对气体扩散层性能的影响。
5.因此，开发一种能够模拟质子交换膜燃料电池中瞬态高电位的炭纸的加速老化测试方法成为必要，以对质子交换膜燃料电池用炭纸进行评估并提供选型指导。


技术实现要素：

6.针对上述的目前面临缺乏能够模拟质子交换膜燃料电池中瞬态高电位的炭纸加速老化测试方法的技术问题，本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用炭纸的加速老化测试方法。本发明以离线加速老化的方式，模拟炭纸在燃料电池中经历的高湿度、高温度以及启动/停止瞬时发生电位变化的腐蚀环境，实现了炭纸的加速老化测试，并通过多种表征方法测试炭纸的关键物性参数，评估该加速老化方法。
7.为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
8.一种质子交换膜燃料电池用炭纸的加速老化测试方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
9.1-1：将炭纸裁切成2cm*2cm的片状，先使用有机溶剂浸泡清洗以除去杂质，真空干燥后测试炭纸的物性参数；
10.1-2：搭建三电极电解池，将炭纸作为工作电极，石墨棒作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，电解液为硫酸溶液，使用电化学工作站在工作电极上施加阶跃电位，进行加速老化测试，其中施加的阶跃电位方式为：高电位为0.90～1.25v vs.sce，并维持10～50s，低电位为0～0.75vvs.sce，并维持2～20s，共进行360次电位阶跃循环；
11.1-3：加速老化测试6h后，终止实验，将炭纸从电极夹上取下，于离子水中浸泡并清洗以去除残留的硫酸，真空干燥后再次进行步骤1-1中的物性参数测试。
12.进一步地，炭纸可以为任意型号的炭纸或任意型号的包含微孔层的气体扩散层。
13.进一步地，所使用的有机溶剂为异丙醇或乙醇。
14.进一步地，所述物性参数包括炭纸的质量、炭纸的平面电阻率、炭纸的接触角。
15.进一步地，所述电解液为温度在20～65℃、浓度在0.05～0.5m的h2so4水溶液，测试全程处于空气环境或氮气饱和环境。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明提供的质子交换膜燃料电池用炭纸的加速老化测试方法，综合考虑了炭纸的性能，并针对电化学老化提出符合燃料电池实际运行环境的较为合理的测试方法，模拟出电池在燃料匮乏工况下以及启动/停止情况下所经历的电位瞬态阶跃的情形，通过表征其质量损失、接触角变化、导电性变化等关键参数评估炭纸的老化情况，可分析出电氧化腐蚀环境对不同型号炭纸老化的影响程度，以评估炭纸性能的优劣；通过本发明所用的炭纸加速老化测试方法所得到的结果，对质子交换膜燃料电池用炭纸进行评估，并对质子交换膜燃料电池用炭纸的选型提供指导。
18.综上，本发明提供的测试方法，通过离线加速老化的方式模拟质子交换膜燃料电池用炭纸所受电氧化腐蚀环境，实现电氧化腐蚀环境对炭纸老化情况的影响，使用多种表征和测试手段测试炭纸的关键特性以评估电氧化腐蚀环境对炭纸老化情况的影响。因此，本发明提供的测试方法解决了目前缺乏能够模拟质子交换膜燃料电池中瞬态高电位的炭纸加速老化测试方法的技术问题。
19.因此，本发明提供的测试方法可在燃料电池等领域推广。
附图说明
20.图1为加速老化测试装置的示意图。
21.图2为施加电位的方式。
22.图3为比较例1和实施例1的质量损失。
23.图4为比较例2和实施例2的质量损失。
24.图5为比较例1和实施例1的面内电阻率变化。
25.图6为比较例2和实施例2的面内电阻率变化。
26.图7为比较例1和实施例1的接触角变化。
27.图8为比较例2和实施例2的基底层一侧接触角变化。
28.图9为比较例2和实施例2的mpl一侧接触角变化。
29.图1中：1、对电极——石墨棒；2、参比电极——饱和甘汞电极；3、工作电极——炭纸或气体扩散层；4、h2so4电解液；5、循环水浴进口；6、循环水浴出口；7、氮气或空气进口；8、气体出口；9、电化学工作站
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方法。
31.实施例1
32.(1)将型号为gdb-1的炭纸裁切成2cm*2cm的片状，先使用异丙醇浸泡清洗以除去杂质，真空干燥后称重，并测试加速老化测试前炭纸的面内电阻率和接触角；
33.(2)搭建好三电极电解池，加入0.5m的硫酸水溶液作为电解液，循环水浴使溶液保持在65℃，并不断通入n2直至饱和；取一片gdb-1用电极夹固定作为工作电极，将准备好的饱和甘汞参比电极、石墨棒对电极连同工作电极与电化学工作站进行连接，如图1所示，检查电路连接情况并确保无误后，对工作电极施加电位进行加速老化测试，电位随时间的变化如图2所示：采用电位阶跃法，高电位为1.25v vs.sce，并维持50s，低电位为0.75vvs.sce，并维持10s，共进行360次电位阶跃循环；
34.(3)加速老化测试结束后，将炭纸从电极夹上取下，多次用去离子水浸泡然后对炭纸表面进行清洗，以去除炭纸上残留的硫酸，随后转入真空干燥箱中70℃干燥6h，然后进行称重、面内电阻率测试以及炭纸表面接触角测试，结果如图3、图5、图7所示；
35.实施例2
36.(1)将型号为gdl-1的气体扩散层裁切成2cm*2cm的片状，先使用异丙醇浸泡清洗以除去杂质，真空干燥后称重，并测试加速老化测试前气体扩散层的面内电阻率以及基底层一侧和mpl一侧的接触角；
37.(2)搭建好三电极电解池，加入0.5m的硫酸水溶液作为电解液，循环水浴使溶液保持在65℃，并不断通入n2直至饱和；取一片gdl-1用电极夹固定作为工作电极，将准备好的饱和甘汞参比电极、石墨棒对电极连同工作电极与电化学工作站进行连接，如图1所示，检查电路连接情况并确保无误后，对工作电极施加电位进行加速老化测试，电位随时间的变化如图2所示：采用电位阶跃法，高电位为1.25v vs.sce，并维持50s，低电位为0.75vvs.sce，并维持10s，共进行360次电位阶跃循环；
38.(3)加速老化测试结束后，将气体扩散层从电极夹上取下，多次用去离子水浸泡然后对气体扩散层表面进行清洗，以去除气体扩散层上残留的硫酸，随后转入真空干燥箱中进行70℃真空干燥6h，然后进行称重、面内电阻率测试以及基底层一侧和mpl一侧的接触角测试，结果如图4、图6、图8、图9所示；
39.比较例1
40.(1)将型号为gdb-1的炭纸裁切成2cm*2cm的片状，先使用异丙醇浸泡清洗以除去杂质，真空干燥后称重，并测试加速老化测试前炭纸的面内电阻率和接触角；
41.(2)搭建好三电极电解池，加入0.5m的硫酸水溶液作为电解液，循环水浴使溶液保持在65℃，并不断通入n2直至饱和；取一片gdb-1用电极夹固定作为工作电极，将准备好的饱和甘汞参比电极、石墨棒对电极连同工作电极与电化学工作站进行连接，如图1所示，检查电路连接情况并确保无误后，对工作电极施加电位进行加速老化测试，电位随时间的变化如图2所示：采用恒电位法，即在1.25v的恒电位下保持5h；
42.(3)加速老化测试结束后，将炭纸从电极夹上取下，多次用去离子水浸泡然后对炭纸表面进行清洗，以去除炭纸上残留的硫酸，随后转入真空干燥箱中70℃干燥6h，然后进行称重、面内电阻率测试以及炭纸表面接触角测试，结果如图3、图5、图7所示；
43.比较例2
44.(1)将型号为gdl-1的气体扩散层裁切成2cm*2cm的片状，先使用异丙醇浸泡清洗以除去杂质，真空干燥后称重，并测试加速老化测试前气体扩散层的面内电阻率以及基底层一侧和mpl一侧的接触角；
45.(2)搭建好三电极电解池，加入0.5m的硫酸水溶液作为电解液，循环水浴使溶液保持在65℃，并不断通入n2直至饱和；取一片gdl-1用电极夹固定作为工作电极，将准备好的饱和甘汞参比电极、石墨棒对电极连同工作电极与电化学工作站进行连接，如图1所示，检查电路连接情况并确保无误后，对工作电极施加电位进行加速老化测试，电位随时间的变化如图2所示：采用恒电位法，即在1.25v的恒电位下保持5h；
46.(3)加速老化测试结束后，将气体扩散层从电极夹上取下，多次用去离子水浸泡然后对气体扩散层表面进行清洗，以去除气体扩散层上残留的硫酸，随后转入真空干燥箱中进行70℃真空干燥6h，然后进行称重、面内电阻率测试以及基底层一侧和mpl一侧的接触角测试，结果如图4、图6、图8、图9所示；
47.表1加速老化测试物性参数变化
[0048][0049][0050]
由表1数据可得：
[0051]
通过实施例1和比较例1的对比、实施例2和比较例2的对比可知，本发明提供的电位阶跃方式相较于恒电位方式，在加速老化测试中对炭纸gdb-1以及气体扩散层gdl-1的物性参数影响更为显著。电位阶跃方式更能模拟电池在频繁启动/停止过程中经历瞬态的高电位的情况，因此本发明不仅提供了更接近真实工况的离线加速测试方法，也为质子交换膜燃料电池用高性能、高耐久性的炭纸和气体扩散层提供选型指导。
[0052]
需要说明的是：上述实施例仅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，任何熟悉该领域的技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所提供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，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质所实现的技术均属于本发明的范围。