一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种可以把化学能转化为电能的装置，其具有高能量转化率，产物是水，启动响应速度快等优点。在新能源汽车，便携式电源，分布式发电等领域受到广泛关注。

2、成本和耐久性一直制约着燃料电池商业化的进程，燃料电池系统在实际运行过程中需要经历不同的工作路况，如启动和停机，怠速运行，变载荷运行等。由于双极板设计的不合理，供气响应滞后或者分水器能力的限制，电池在实际运行过程中常常发生水淹，导致其性能快速下降。燃料电池的阴极是发生氧还原反应的核心场所，决定对外发电的能力。目前普遍认为电池阴极催化层的衰减是造成输出能力下降的主要原因。

3、现今对燃料电池膜电极耐久性测试主要有稳态法和动态法。稳态法是让待测电池在设定好的恒定电压或者电流下运行，记录过程中输出电流或电压随时间的变化。但是这种测试方法一般耗时较长，且电池的衰减过程和实车运行结果相差较大。动态法是使用启停循环，动电位扫描，工况循环等。这种方法更为贴电池的实际运行情况。以上方法虽然能够在一定程度上反应燃料电池的寿命，但是用时较长，操作复杂，具有局限性，只可以评价出在线耐久性情况。所以如何能简便、快速、贴近实际的评价燃料电池阴极催化层的耐久性变的越来越受到关注。

4、另外现有技术中(专利号为cn 111060580 a)关于燃料电池膜电极加速评价测试方法中，先将燃料电池膜电极组装成可测试的单电池，连接好测试台后对单电池进行活化，具体的活化条件是保持单电池80℃的温度活化4h。待性能不再变化后进行初始i-v极化曲线测试。耐久性评价方法选用循环伏安法测试，电压扫描范围从0v至1.5v循环1000～5000次，最后将经过评价后的单电池进行最终i-v极化曲线测试，通过前后性能差值计算得到燃料电池膜电极的衰减率d。上述方法虽然可以实现燃料电池膜电极的快速评价，膜电极在循环伏安法的高低电压测试下会导致催化剂和碳载体团聚、腐蚀，短时间内性能大幅度下降。这种评价方法误差较大，且是在阳极氢气和阴极氮气环境下进行，不能反应燃料电池膜电极在实际运行中的衰减情况

技术实现思路

1、根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，具体包括如下步骤：

2、根据实车运行情况设计包含怠速和变载的耐久性测试工况；

3、基于燃料电池膜电极、夹具组装成单电池，将检测无误的单电池安装到测试系统上，将进气管、负载线准确连接，将此电池命名实验例；

4、在氮气条件下对水箱和增湿罐进行升温加热，当升温完后向阳极通入氢气，阴极通入空气，开路电压稳定后基于计算机程序对电池活化处理；

5、将同电位下的电流密度不再增长视为活化完成，改变计算机程序中的参数测试电池初始极化曲线，记录测试过程的电流、电压和内阻数据信息；

6、调高阳极增湿温度，导入耐久性评价工况，设定运行时长和运行自动程序，使待测电池在阳极过增湿、在接近实车条件下运行；

7、每隔一定时间进行极化曲线测试，当测试过程满足时间要求时整理测试数据；

8、使用同样膜电极和相同夹具组装成单电池，命名为对比例，在适合湿度内采用上述测试方式对对比例进行耐久性评价测试；

9、整理实验例与对比例极化曲线的测试数据，整理并对比额定点性能随时间变化的区别。

10、进一步的，所述测试工况包括电池温度、增湿温度、气体入口压力、流量参数以及对应的计算机程序。

11、进一步的，将催化剂和碳载体分散在异丙醇和nafion溶液中，均匀喷涂在质子交换膜的两侧，将碳纸作为气体扩散层并放在质子交换膜的两侧，经过热压后形成膜电极。

12、进一步的，将石墨板作为导气流场、镀金板为集流体、不锈钢板作为端板、硅胶片作为密封垫从而构造测试膜电极夹具。

13、进一步的，所述活化处理过程为采用电压循环模式、电池温度保持70℃、阴阳极通入湿气、阴阳极计量比为1.5:2、活化时间设定为为4-6h。

14、进一步的，所述极化曲线为燃料电池输出电压随不同加载电流变化的曲线，该曲线为反应膜电极在不同区域的极化性能。

15、进一步的，所述极化曲线测试的测试条件是：电池温度保持80℃、阴阳极增湿100％、两侧气体计量比为2:2、常压进行，同时100-200电密作为一个加载梯度，每个电流下稳定5min直到电池电压小于安全值后停止测试。

16、进一步的，调高阳极增湿温度过程为：在运行耐久性测试工况前，设置阳极燃料气体的增湿温度超过100％，在整个评价过程中保持同样的湿度。

17、进一步的，对对比例进行耐久性评价工况测试时：基于相同的扩散层、催化剂、质子交换膜的mea，运行正常阳极增湿温度的评价工况，通过测试后的极化曲线进行数据对比。

18、进一步的，所述适合湿度为电池在运行过程中不发生水淹或膜过干的温度，在此温度下电池能稳定对外发电运行，通常设置为相对湿度80％-100％。

19、由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，该方法使用现有的物料和燃料电池测试设备，从燃料电池系统的实际运行工况出发，通过改变测试过程中阳极的增湿温度，使电池保持单侧过增湿状态，并在评价工况的运行中使阴极自动产生高电位，不用增加额外的设备，方法简单、高效、实用性强。

技术特征：

1.一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：所述测试工况包括电池温度、增湿温度、气体入口压力、流量参数以及对应的计算机程序。

3.根据权利要求2所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：将催化剂和碳载体分散在异丙醇和nafion溶液中，均匀喷涂在质子交换膜的两侧，将碳纸作为气体扩散层并放在质子交换膜的两侧，经过热压后形成膜电极。

4.根据权利要求1所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：将石墨板作为导气流场、镀金板为集流体、不锈钢板作为端板、硅胶片作为密封垫从而构造测试膜电极夹具。

5.根据权利要求4所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：所述活化处理过程为采用电压循环模式、电池温度保持70℃、阴阳极通入湿气、阴阳极计量比为1.5:2、活化时间设定为为4-6h。

6.根据权利要求1所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：所述极化曲线为燃料电池输出电压随不同加载电流变化的曲线，该曲线为反应膜电极在不同区域的极化性能。

7.根据权利要求6所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：所述极化曲线测试的测试条件是：电池温度保持80℃、阴阳极增湿100％、两侧气体计量比为2:2、常压进行，同时100-200电密作为一个加载梯度，每个电流下稳定5min直到电池电压小于安全值后停止测试。

8.根据权利要求1所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：调高阳极增湿温度过程为：在运行耐久性测试工况前，设置阳极燃料气体的增湿温度超过100％，在整个评价过程中保持同样的湿度。

9.根据权利要求1所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：对对比例进行耐久性评价工况测试时：基于相同的扩散层、催化剂、质子交换膜的mea，运行正常阳极增湿温度的评价工况，通过测试后的极化曲线进行数据对比。

10.根据权利要求1至9任意一项权利要求所述的一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，其特征在于：所述适合湿度为电池在运行过程中不发生水淹或膜过干的温度，在此温度下电池能稳定对外发电运行，通常设置为相对湿度80％-100％。

技术总结本发明公开了一种快速评价燃料电池阴极催化层耐久性的方法，该方法使用现有的物料和燃料电池测试设备，从燃料电池系统的实际运行工况出发，通过改变测试过程中阳极的增湿温度，使电池保持单侧过增湿状态，并在评价工况的运行中使阴极自动产生高电位，不用增加额外的设备，方法简单、高效、实用性强。该方法通过提高耐久性测试过程中阳极的湿度，使燃料电池阳极在过增湿和动电位测试工况下产生欠气，造成对应阴极侧产生高电位，加速阴极催化层的衰减，可以快速评价MEA的耐久性。技术研发人员：张扬,吕平,孙昕,李光伟,邢丹敏受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29