质子交换膜燃料电池服役环境对TA1腐蚀行为的影响

doi:10.7503/cjcu20230436

摘要/Abstract

摘要：

选用纯钛(钛金属牌号TA1)为实验基材, 通过动电位、恒电位、电化学阻抗谱(EIS)和模拟工况测试等方法研究了运行环境(温度、 pH值、气体氛围)和运行工况(电位和模拟工况时长)对其腐蚀行为的影响, 并利用光学显微镜(OM)、能量色散X射线能谱(EDX)、 X射线光电子能谱(XPS)、界面接触电阻(ICR)、接触角和表面粗糙度等测试方法, 对不同时长模拟工况测试后TA1基材的表面形貌和性能进行了分析. 结果表明, 运行环境和运行工况对TA1耐蚀性均有影响, 在10 h模拟工况测试后, TA1基材表面氧化层的堆积提高了其耐蚀性, 腐蚀电流密度从2.62 μA/cm²降至0.94 μA/cm²; 其导电性和疏水性显著降低, 与商用碳纸之间的ICR值从31.75 mΩ·cm²增加至333.17 mΩ·cm², 接触角从86.28°减小至68.04°.

关键词: 质子交换膜燃料电池, 钛金属, 金属双极板, 腐蚀

Abstract:

In this study， TA1 was selected as the experimental material to investigate the impacts of operating environment（temperatures， pH， gas atmospheres） and operating conditions（potentials and test duration） on its corrosion behavior using the techniques such as potentiodynamic， potentiostatic， electrochemical impedance spectroscopy（EIS）， and working conditions tests. The surface morphology and properties of the TA1 under different durations of working condition test were analyzed by optical microscopy（OM）， energy dispersive X-ray spectroscopy（EDX）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， interfacial contact resistance（ICR）， contact angle， and surface roughness measurement techniques. The results show that the operating environment and operating conditions all impact the corrosion resistance of TA1. After working conditions tests of 10 h， the accumulated oxide layer on the surface of TA1 improves its corrosion resistance， decreasing corrosion current density from 2.62 μA/cm² to 0.94 μA/cm². Whereas the conductivity and hydrophobicity of TA1 are significantly reduced， as evidenced by the increase in interfacial contact resistance（ICR） value from 31.75 mΩ·cm² to 333.17 mΩ·cm² compared to commercially available carbon paper and the decrease in contact angle from 86.28° to 68.04°.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Titanium, Metal bipolar plate, Corrosion

中图分类号:

O646.6

TrendMD:

贾林瀚, 杨代军, 明平文, 闵峻英, 冷宇. 质子交换膜燃料电池服役环境对TA1腐蚀行为的影响. 高等学校化学学报, 2024, 45(2): 20230436.

JIA Linhan, YANG Daijun, MING Pingwen, MIN Junying, LENG Yu. Effect of Service Environment of Proton Exchange Membrane Fuel Cell on the Corrosion Behaviors of TA1. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(2): 20230436.

图/表 12

参考文献 28

1	Filippov S. P.， Yaroslavtsev A. B.， Russ. Chem. Rev.， 2021， 90（6）， 627—643
2	Wang Y.， Diaz D. F. R.， Chen K. S.， Wang X.， Adroher X. C.， Materials today， 2020， 32， 178—203
3	Jiao K.， Xuan J.， Du Q.， Bao Z. M.， Xie B.， Wang B. W.， Zhao Y.， Fan L. H.， Wang H. Z.， Hou Z. J.， Huo S.， Brandon N. P.， Yin Y.， Guiver M. D.， Nature， 2021， 595（7867）， 361—369
4	Thompson S. T.， James B. D.， Huya⁃Kouadio J. M.， Houchins C.， DeSantis D. A.， Ahluwaila R.， Wilson A. R.， Klees G.， Papageorgo⁃poulos D.， J. Power Sources， 2018， 399， 304—313
5	Zhang C. B.， Ma J.， Liang X.， Luo F.， Cheng R.， Gong F.， J. Materials Processing Tech.， 2018， 262， 32—40
6	Leng Y， Ming P. W.， Yang D. J.， Zhang C. M.， J. Power Sources， 2020， 451， 227783
7	Orsi A.， Kongstein O. E.， Hamilton P. J.， Oedegaard A.， Svenum I. H.， Cooke K.， J. Power Sources， 2015， 285， 530—537
8	Asri N. F.， Husaini T.， Sulong A. B.， Majlan E. H.， Daud W. R. W.， Int. J. Hydrogen Energy， 2016， 42（14）， 9135—9148
9	Stein T.， Ein⁃Eli Y.， Energy Tech.， 2020， 8（6）， 2000007
10	Leng Y.， Yang D. J.， Ming P. W.， Zhang C. M.， eTransportation， 2021， 10， 100139
11	Vera M. L.， Rosenberger M. R.， Schvezov C. E.， Ares A. E.， Int. J. Biomaterials， 2015， 2015， 395657
12	Zhang P. C.， Han Y. T.， Shi J. F.， Li T.， Wang H. Y.， Wang X. Y.， Sun J. C.， Fuel Cells， 2020， 20（5）， 540—546
13	Rosli R. E.， Sulong A. B.， Daud W. R. W.， Zulkifley M. A.， Husaini T.， Rosli M. I.， Majlan E. H.， Haque M. A.， Int. J. Hydrogen Energy， 2017， 42（14）， 9293—9314
14	Wang J.， Du S. Q.， Tao L.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220722
	王军，杜石谦，陶李. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220722
15	Jin J.， He Z.， Zhao X. H.， Int. J. Hydrogen Energy， 2020， 45（22）， 12489—12500
16	Chen H. C.， Song Z.， Zhao X.， Zhang T.， Pei P. C.， Liang C.， Appl. Energy， 2018， 224， 289—299
17	Yu Y.， Li H.， Wang H. J.， Yuan X. Z.， Wang G. J.， Pan M.， J. Power Sources， 2012， 205， 10—23
18	Kelly E. J.， Bockris J. O. M.， Conway B. E.， White R. E.， Modern Aspects of Electrochemistry， Plenum Press， New York， 1982， 319
19	Utomo U. B.， Donne S. W.， Electrochimica Acta， 2006， 51（16）， 3338—3345
20	Sawyer D. T.， Sobkowiak A.， Roberts J. L.， Electrochemistry for Chemists， Wiley， New York， 1995， 192
21	Gou Y.， Chen H. P.， Li R. Y.， Geng J. T.， Shao Z. G.， J. Power Sources， 2022， 520， 230797
22	Kong D. S.， Langmuir： ACS J. Surfaces Colloids，2008， 24（10）， 5324—5331
23	Liu X. Y.， Chu P. K.， Ding C. X.， Mater. Sci. Eng. R.， 2004， 47（3）， 49—121
24	Wang F. F.， Feng X. M.， Zhao G. J.， Xia D. W.， Hu Y. X.， Chen W. H.， Energy Storage Sci. Tech.， 2023， 12（2）， 609—614
	王放放，冯祥明，赵光金，夏大伟，胡玉霞，陈卫华. 储能科学与技术， 2023， 12（2）， 609—614
25	Bredar A. R. C.， Chown A. L.， Burton A. R.， Farnum B. H.， ACS Appl. Energy Mater.， 2020， 3（1）， 66—98
26	Karambakhsh A.， Afshar A.， Ghahramani S.， Malekinejad P.， J. Mater. Eng. Perform.， 2011， 20（9）， 1690—1696
27	Cheng Y. F.， Zeng L. L.， Guo W.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（6）， 20230003
	陈亚锋，曾刘莉，郭伟. 高等学校化学学报， 2023， 44（6）， 20230003
28	Wenzel R. B.， Indus. Engin. Chem.， 1936， 28（8）， 988—994

Temperature/℃	pH value	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）	Temperature/℃	pH value	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）
70	1	Ar	-0.198	1.54	80	1	O₂	-0.073	4.29
	3	Ar	-0.097	0.54		3	O₂	0.019	2.64
	1	O₂	-0.042	3.35	90	1	Ar	-0.210	1.95
	3	O₂	0.054	2.62		3	Ar	-0.116	1.28
80	1	Ar	-0.206	2.36		1	O₂	-0.085	4.07
	3	Ar	-0.102	0.74		3	O₂	-0.003	3.64

Temperature/℃	pH value	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）	Temperature/℃	pH value	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）
70	1	Ar	-0.198	1.54	80	1	O₂	-0.073	4.29
	3	Ar	-0.097	0.54		3	O₂	0.019	2.64
	1	O₂	-0.042	3.35	90	1	Ar	-0.210	1.95
	3	O₂	0.054	2.62		3	Ar	-0.116	1.28
80	1	Ar	-0.206	2.36		1	O₂	-0.085	4.07
	3	Ar	-0.102	0.74		3	O₂	-0.003	3.64

pH value	Temperature/℃	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）	pH value	Temperature/℃	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）
1	70	Ar	-0.198	1.54	3	70	Ar	-0.097	0.54
	80	Ar	-0.206	2.35		80	Ar	-0.102	0.74
	90	Ar	-0.210	1.95		90	Ar	-0.116	1.28
	70	O₂	-0.042	3.35		70	O₂	0.054	2.62
	80	O₂	-0.073	4.29		80	O₂	0.019	2.64
	90	O₂	-0.085	4.07		90	O₂	-0.003	3.64

pH value	Temperature/℃	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）	pH value	Temperature/℃	Gas	E_corr/V	I_corr/（μA·cm^‒2）
1	70	Ar	-0.198	1.54	3	70	Ar	-0.097	0.54
	80	Ar	-0.206	2.35		80	Ar	-0.102	0.74
	90	Ar	-0.210	1.95		90	Ar	-0.116	1.28
	70	O₂	-0.042	3.35		70	O₂	0.054	2.62
	80	O₂	-0.073	4.29		80	O₂	0.019	2.64
	90	O₂	-0.085	4.07		90	O₂	-0.003	3.64

Potential/V（vs. Ag/AgCl）	R_s/（Ω·cm²）	10¹⁰C_p/（F·cm^‒2）	R_p/（Ω·cm²）	n	R_ct/（Ω·cm²）
-0.1（pre）	357.57	2.598	1537.50	0.946	78611.25
-0.1（post）	74.21	2.483	1470.00	0.892	63395.00
0.6（pre）	252.88	3.522	1217.50	0.899	22602.50
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