一种燃料电池气体扩散电极测试装置及其测试方法与流程

1.本发明属于燃料电池测试领域，具体涉及一种气体扩散电极测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc) ：是一种采用可传导质子的聚合膜作为电解质，将存在于燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。
3.pemfc基本结构主要为极板（bipolar plates，bpp）和膜电极（membrane electrode assembly，mea），其中膜电极包括阴极、阳极和聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，pem）。在燃料池中阴极、阳极通常为多孔结构，一般统称电极，由气体扩散层（ gas diffusion layer，gdl）和催化层（catalyst layer，cl）组成。在电池运行时，反应物经由极板和气体扩散层进入催化层，在电催化剂作用下发生电化学反应；阳极发生氧化反应，如氢氧化反应（hydrogen oxidation reaction，hor）和甲醇氧化反应（methanol oxidation reaction，mor），阴极发生还原反应，通常为氧还原反应（oxygen reduction reduction，orr）。
4.通常阴极的orr反应是比较难进行的，所以整个电池的极化也主要来自阴极反应。通过加入高效的贵金属催化剂可以有效的降低整个反应的极化，为了比较催化剂的催化性能，因此需要对其进行orr性能测试。目前最常用的orr测试方法为旋转圆盘电极法（rde），这是因为氧气在水溶液中的溶解度很低，通常需要使用旋转圆盘电极/环盘电极来克服传质影响。
5.旋转圆盘电极法来测试催化剂的orr性能存在两个致命的缺点。第一个是，在制备薄膜电极时，薄膜的质量对orr活性影响十分大，通常需要花大量的时间去制备，且在测试前没有明显的方法来判断膜的好坏。第二个是，由于参与orr反应的氧气完全来源与水中溶解的氧气，这大大限制了orr反应的传质过程，因此旋转圆盘法测试时，极限扩散电流一般仅仅能达到6ma/cm2，而目前商业的膜电极一般需要在2000 ma/cm2的电流密度下工作，所以这种方法测试出的催化剂性能远远无法代表其在膜电极真实工作时的性能。因此，本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种新的orr测试装置及其测试方法来表征催化剂在商业应用时的活性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种简易的燃料电池气体扩散电极测试装置，对样品准备操作质量要求低，且适应于商业膜电极工作状态的测试装置，以及使用该装置测试扩散电极，尤其电极中催化剂性能的方法。
7.本发明的技术方案如下：本发明提供了一种燃料电池气体扩散电极测试装置，包括依次堆叠的第一端板、
第一集流板、第一极板、气体扩散电极、第二极板、第二集流板、第二端板，所述第一和第二端板均设置有进料口和出料口；所述第一极板和第二极板靠近气体扩散电极的一侧设有流场；所述气体扩散电极包括依次设置的第一气体扩散层、催化层、聚合物电解质膜和第二气体扩散层，其中第一气体扩散层与第一极板接触，第二气体扩散层和第二极板接触。
8.进一步的，上述技术方案中，所述第一气体扩散层表面积约等于催化层面积，同时小于等于第二气体扩散层。
9.进一步的，上述技术方案中，所述第一气体扩散层和催化层的表面积约等于第二气体扩散层表面积的1/100~1/20。为了减少催化剂层的成本，同时满足电流密度测试需求，第一气体扩散层和催化层的表面积优选约等于0.2cm2，且第一气体扩散层和催化层优选设置成圆形。第二气体扩散层面积根据商业气体扩散电极的尺寸，优选设置为4cm2，或25cm2，且第二气体扩散层优选设置成矩形。
10.进一步的，上述技术方案中，所述第一极板的流场为叉指型流场，其叉指区域面积约等于第一气体扩散层的表面积。叉指区域的不连续缝隙约为0.1~2mm，此不连续缝隙使气体反应物可以强制通过第一气体扩散层和催化层，使反应更充分地进行。
11.进一步的，上述技术方案中，所述第二极板的流场为蛇形流场，其蛇形区域面积约等于第二气体扩散层的表面积。蛇形流程能使液体反应物更充分的与第二气体扩散层接触。
12.进一步的，上述技术方案中，所述上端板和/或下端板上设有加热装置，所述加热装置为加热棒或加热片等。
13.本发明还提供了一种用上述装置测试燃料电池气体扩散电极的测试方法，包括如下步骤，且如下步骤无顺序限制：向第一端板进料口通入空气；向第二端板进料口通入稀释酸溶液，并在液体管路中串联一参比电极，该参比电极优选为标准氢电极；也就是说，整个测试过程中催化剂是不会与溶液直接接触的，溶液中的h

通过电解质膜来到含催化层的这一测，与流场中的氧气发生orr反应。
14.将所述燃料电池气体扩散电极测试装置连接至电化学工作站，其中所述第一集流板与工作电极夹相连接，第二集流板与对电极夹相连接，串联参比电极与参比电极夹相连接，设置电化学工作站施加电压，测量对应的电流值。
15.进一步的，上述技术方案中，通入第一端板的空气流量化学计量比为1~110。
16.进一步的，上述技术方案中，所述稀释酸溶液为高氯酸溶液，其浓度为0.5~4m。
17.进一步的，上述技术方案中，所述步骤还包括控制所述加热装置，使测试装置温度为室温~110℃。
18.本文中与特定距离或尺寸相连的术语如“约等于”应理解为不排除该特定距离或尺寸的不显著偏差，并且可以包括例如高达20％的偏差。
19.本发明的优势在于：1.本测试装置结构简易，无需使用昂贵的易损件；2.样品准备与组装简易，对样品准备的操作质量要求低，从而降低了电极质量对测试结果的影响；3.使用较少的催化层面积，降低了成本；
4.相比于传统的旋转圆盘法测试，极限扩散电流一般仅仅能达到6ma/cm2，而本装置反应物氧气直接与催化剂接触，没有氧气在水中溶解度的限制，传质极化较小，可使气体扩散电极在较高的电流密度下工作，更准确的表征催化剂的性能；5.反应物非静态的通入方式使反应物浓度保持稳定，流场的设计也使反应更充分；6.同时通过空气流量、压强、高氯酸溶液浓度以及温度等参数的控制，可以研究各个参数对于催化剂活性的影响。
附图说明
20.图1是本发明实施例的燃料电池气体扩散电极测试装置切面示意图，其中101为第一端板、102为第一集流板、103为第一极板、104为气体扩散电极、105为第二极板、106第为二集流板、107为第二端板。
21.图2是本发明实施例的第一极板及流场示意图。
22.图3是本发明实施例的第二极板及流场示意图。
23.图4是本发明实施例的燃料电池气体扩散电极测试装置立体示意图。
24.图5是本发明实施例的电流电压测试曲线。
具体实施方式
25.本发明可以有多种实施方式，图中所示和一下具体描述是本发明的一个具体实施方式，并不是用以限制本发明。
26.如图1所示，一种燃料电池气体扩散电极测试装置，包括依次堆叠的第一端板、第一集流板、第一极板、气体扩散电极、第二极板、第二集流板、第二端板，所述第一和第二端板均设置有进料口和出料口。其中第一极板和第二极板靠近气体扩散电极的一侧设有流场。气体扩散电极包括依次设置的第一气体扩散层、催化层、聚合物电解质膜和第二气体扩散层，其中第一气体扩散层与第一极板接触，第二气体扩散层和第二极板接触。
27.第一气体扩散层和催化层的表面积为0.2cm2，且形状为圆形。第二气体扩散层面积为4cm2，且形状为正方形。
28.第一极板的流场为叉指型流场，其叉指区域与第一气体扩散层相对应，形状与位置一致。叉指区域的不连续缝隙约为1mm。
29.第二极板的流场为蛇形流场，其蛇形区域与第二气体扩散层相对应，形状与位置一致。
30.上端板和下端板上各设有两个加热棒。
31.用上述装置测试燃料电池气体扩散电极的测试方法，包括如下步骤：首先如图4所示，根据定位孔（图中未示出）依次堆叠第一端板、第一集流板、第一极板、气体扩散电极、第二极板、第二集流板、第二端板，使用螺杆进行紧固。
32.然后向第一端板进料口通入空气，空气流量化学计量比为10。
33.然后向第二端板进料口通入4m的高氯酸溶液，流速为1ml/min。并在液体管路中串联一参比电极，该参比电极为标准氢电极。
34.控制加热棒温度，使测试装置温度为80℃。
35.测试时将所述燃料电池气体扩散电极测试装置连接至电化学工作站，其中第一集流板与工作电极夹相连接，第二集流板与对电极夹相连接，串联参比电极与参比电极夹相连接，设置电化学工作站施加电压0-1.2v，测量对应的电流值。
36.处理所得数据，得到如图5所示的电流电压测试曲线，根据该曲线，可知在电压为0.6v时，电流密度为1800 ma/cm2；在电压为0.2v左右处，电流密度达到最高值，为2800ma/cm2，远远超过rde测试时6 ma/cm2的极限扩散电流密度。此时的性能更接近催化剂在气体扩散电极真实工作时的性能。