CN102338769B - 一种质子交换膜燃料电池膜内水含量的在线测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜内水含量的在线测量方法，具体的说是在质子交换膜两侧分别加入一根微型探针来测量燃料电池运行过程中膜两侧的电压降，之后通过相关理论关联实现对膜内水含量的表征。本发明能够对燃料电池运行过程中膜内的水含量进行在线监测，并适用于稳态和暂态过程，且该结构具有良好的稳定性。

Description

一种质子交换膜燃料电池膜内水含量的在线测量方法
技术领域
本发明涉及燃料电池水含量的表征，具体的说是一种在线表征质子交换膜燃料电池膜内水含量的方法。
背景技术
近年来，燃料电池由于其高的功率密度和低的污染排放等优点引起了世界广泛的关注。特别是随着能源和环境问题的日益紧张，越来越多的研究者将其看作是传统内燃机的最佳替代品。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电化学反应的场所，它包括阳极还原剂(如氢等)的氧化过程，阴极氧化剂的还原过程；氢质子在将阴阳极分开的电解质隔膜内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。燃料电池不经过热机过程，因而能量转化效率高，电池本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。
目前质子交换膜燃料电池在车用电源的实际应用中面临着这样一个问题：燃料电池在稳态操作以及暂态操作中的水管理。美国能源部(DOE)也提出暂态加载中燃料电池应在1s内达到稳态性能的90％。燃料电池系统中气体供应、电池内部电流分布、电压分布以及水分配等都会直接影响燃料电池的性能。水在燃料电池内的传递及分配问题是其核心问题之一。水在燃料电池内部起到了十分关键的作用。但是水也像一把双刃剑，并不是多多益善。为了使燃料电池有着良好的性能，首先要保证质子交换膜具备较高的质子传导能力。而对于
Figure BSA00000207633800011
型的质子交换膜来说，质子在质子交换膜内的传递机理主要以水合传递机理为主。这就决定了燃料电池在运行过程中最好要使质子交换膜的维持较高的含水量来保证其质子传导率。但是这也很容易引起燃料电池其他部件内(流场、扩散层以及催化层等)的水含量过饱和从而引起水淹现象的发生。因此燃料电池在实际操作过程中的水管理显得尤为重要。
但是目前关于燃料电池内水传递特性方面的实验研究相对来说还比较少。这主要是由于燃料电池本身是一个相对封闭的体系，从外部宏观上很难直接观察到内部水量的状态。并且从整体上考察燃料电池的含水量的过程中可供考察的参数也很有限。所以在燃料电池内部水管理的研究过程中引进一些新的技术和研究手段就显得很有必要。
发明内容
本发明的目的提供测量质子交换膜燃料电池膜内水含量得方法，其可以对燃料电池稳态以及暂态过程中膜内的水含量进行在线监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池膜内水含量的在线测量方法，其能对燃料电池运行过程中膜内的水含量进行在线表征；
在燃料电池中的质子交换膜两侧分别设置有一根微型导电电势探针；导电电势探针分别通过导线与电压测量装置线路连接；通过微型导电电势探针来测量燃料电池运行过程中膜两侧的电压降；
将燃料电池阴阳两极分别通过导线与负载相连接，并于连接回路中串联有电流测量装置，测量燃料电池运行过程中的加载电流；
根据相关理论关联到膜内的水含量；计算公式如下：
Rmem＝ΔVmem/I                                    (公式1)
Rmem＝σmem/(κmem*A)                             (公式2)
κmem(0.5139λ-0.326)exp[1268(1/303-1/T)]         (公式3)
其中Rmem为膜阻，ΔVmem为膜两侧电压降，I为电池加载电流，σmem为膜的厚度，κmem为质子膜的质子电导率，A为膜面积，λ为膜内含水量，T为电池操作温度。
所述导电电势探针采用外部涂有绝缘材料的金属导线制成，在导电电势探针两端分别用砂纸打磨0.5-1厘米的导电部位，一端放于质子交换膜外侧，另一端引出燃料电池后与导线相连、导线与电压测量装置相连接，以监测电压。
所述金属导线直径1微米-80微米。所述导电电势探针置于膜两侧后，将膜与气体扩散电极热压成膜电极组件；所述燃料电池膜电极的有效面积为1-5平方厘米。
所述电压测量装置为电压表、万用表或电压传感器；所述电流测量装置为电流表、万用表或电流传感器。
所述将燃料电池阴阳两极通过导线连接的负载及连接回路中串联的电流测量装置为一电子负载；
在测试过程中将燃料电池阴阳两极分别通过导线与电子负载相连接，通过电子负载控制燃料电池进行放电，同时测量燃料电池的加载电流。
本发明具有以下优点：
1.能够实时的对燃料电池膜内水含量进行监测，比其他离线方法更加快速准确。
2.对燃料电池暂态过程中膜内水含量也能够快速响应，本发明的结构设计同时具有这良好的稳定性。
附图说明
图1为本发明设计结构的示意图：其中1为有机玻璃板；2为石墨双极板；3为气体扩散电极；4为微型导电电势探针；5为质子交换膜。
图2为燃料电池在55℃饱和增湿条件下质子交换膜内含水量与加载电流之间的关系。
图3为燃料电池在55℃饱和增湿条件下恒电流密度0.1Acm-2条件下膜两侧电压降的稳定性情况。
图4为燃料电池在暂态阶跃过程中膜内水含量的响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明方法中加入微型探针后的燃料电池单池结构示意图，其中1为有机玻璃板；2为石墨双极板；3为气体扩散电极；4为微型导电电势探针；5为质子交换膜。其微型探针采用外部涂有绝缘材料的铜导线(直径50微米)所制备，在微探针两头分别用砂纸打磨1厘米的导电部位以监测电压，将膜两侧加入微型探针的结构与气体扩散电极热压成膜电极组件。膜电极的有效面积为4平方厘米。
实施例1：
图2为燃料电池在55℃饱和增湿条件下质子交换膜内含水量与加载电流之间的关系。
其具体实施方式如下：
1)采用图1中结构组装单池并连入燃料电池测试平台，首先使其在55℃饱和增湿条件下恒定电流密度0.1Acm-2稳定30分钟。
2)30分钟之后将电池调回开路状态，之后控制燃料电池在0.1Acm-2恒电流运行5分钟，然后测试膜两侧的电压降。
3)之后每隔5分钟将燃料电池的放电电流调高0.1Acm-2并测量膜两侧的电压降直至电流密度达到0.6Acm-2。将测量得到的电压降数据根据公式1-3进行计算得到膜内的水含量。
Rmem＝ΔVmem/I                                       (公式1)
Rmem＝σmem/(κmem*A)                                (公式2)
κmem＝(0.5139λ-0.326)exp[1268(1/303-1/T)]          (公式3)
其中Rmem为膜阻，ΔVmem为膜两侧电压降，I为电池加载电流，σmem为膜的厚度(50微米)，κmem为质子膜的质子电导率，A为膜面积(4平方厘米)，λ为膜内含水量，T为电池操作温度(55℃)。
由图2的结果可以看到，在饱和增湿条件下燃料电池达到稳定运行之后其膜两侧电压降与加载电流呈线性关系。通过换算得到的膜内含水量(λ)也基本上稳定的维持在12左右。相关文献中[Zawodzinski TA，Springer TE，Davey J，et al.，A comparative study of water uptakeby and transport through ionomeric fuel cell membranes，J.Electrochem.Soc.，1993，140：1981-1985.]报道的通过离线测试方法得到的饱和气体增湿后膜内的含水量在11-14左右。本实验中通过微型探针的方法得到的膜内含水量结果与上面的相关结果符合的很好，这说明采用微探针测量膜内含水量这种方法是可行的。
实施例2：
图3为燃料电池在55℃饱和增湿条件下恒电流密度0.1Acm-2条件下膜两侧电压降的稳定性情况。
从图3的结果可以看出，在恒定电流密度0.1A cm-2，饱和增湿条件下燃料电池的膜两侧电压降在测试的15分钟内一直稳定在7mV左右。这说明微探针方法的稳定性是能够满足暂态测试要求的。
实施例3：
图4为燃料电池在暂态阶跃过程中膜内水含量的响应曲线。
其具体实施方式如下：
1)首先将单池在55℃饱和增湿，气体流量为100/40ml min-1(氧气/氢气)的条件下恒电流0.5Acm-2运行30分钟。之后将电池电流以阶跃的形式调至0.1Acm-2，记录阶跃过程中膜两侧电压降的响应情况；
3)测试完毕后将电池电流密度调至0.4Acm-2并恒流运行30分钟。之后将电池电流以阶跃的形式调至0.1Acm-2，记录阶跃过程中膜两侧电压降的响应情况。
4)测试完毕后将电池电流密度调至0.3Acm-2并恒流运行30分钟。之后将电池电流以阶跃的形式调至0.1Acm-2，记录阶跃过程中膜两侧电压降的响应情况。
5)测试完毕后将电池电流密度调至0.2Acm-2并恒流运行30分钟。之后将电池电流以阶跃的形式调至0.1Acm-2，记录阶跃过程中膜两侧电压降的响应情况。
由图4中相关结果可以看出，在此种类型的阶跃过程中质子交换膜内水含量的响应情况相对简单，只出现了一种响应现象。当阶跃发生后，质子交换膜内的含水量迅速响应并且达到阶跃后的稳态值。增大阶跃幅度也并没有新的过渡状态出现。这主要是由于该类阶跃过程是一个加载电流由大变小的过程，在这个过程中阳极电迁移的作用是一直减小的，所以加大负向阶跃幅度也不会使得阳极出现瞬间失水的现象。
以上实例说明，采用本发明能够快速准确的对质子交换膜燃料电池膜内水含量进行在线测试，并且本发明的结构设计具有着良好的稳定性。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池膜内水含量的在线测量方法，其特征在于：其能对燃料电池运行过程中膜内的水含量进行在线表征；
在燃料电池中的质子交换膜两侧分别设置有微型导电电势探针；导电电势探针分别通过导线与电压测量装置线路连接；通过微型导电电势探针来测量燃料电池运行过程中膜两侧的电压降；
将燃料电池阴阳两极分别通过导线与负载相连接，并于连接回路中串联有电流测量装置，测量燃料电池运行过程中的加载电流；
所述导电电势探针置于膜两侧后，将膜与气体扩散电极热压成膜电极组件；
根据相关理论关联到膜内的水含量；计算公式如下：
Rmem＝ΔVmem/I          (公式1)
Rmem＝σmem/(κmem*A)          (公式2)
κmem＝(0.5139λ-0.326)exp[1268(1/303-1/T)]   (公式3)
其中Rmem为膜阻，ΔVmem为膜两侧电压降，I为电池加载电流，σmem为膜的厚度，κmem为质子膜的质子电导率，A为膜面积，λ为膜内含水量，T为电池操作温度。
2.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
所述导电电势探针采用外部涂有绝缘材料的金属导线制成，在导电电势探针两端分别用砂纸打磨0.5-1厘米的导电部位，一端放于质子交换膜外侧，另一端引出燃料电池后与导线相连、导线与电压测量装置相连接，以监测电压。
3.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
所述燃料电池膜电极的有效面积为1-5平方厘米。
4.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
所述电压测量装置为电压表、万用表或电压传感器；所述电流测量装置为电流表、万用表或电流传感器。
5.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述将燃料电池阴阳两极通过导线连接的负载及连接回路中串联的电流测量装置为一电子负载；
在测试过程中将燃料电池阴阳两极分别通过导线与电子负载相连接，通过电子负载控制燃料电池进行放电，同时测量燃料电池的加载电流。
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