CN108226781A - 质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量方法 - Google Patents

质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量方法 Download PDF

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孙公权
孙雪敬
孙海
李印华
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery

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Abstract

本发明提供一种质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量方法,所述质子交换膜电池包括二个端板和置于二个端板间的单体电池，所述单体电池包括双极板和膜电极，所述参比电极系统包括质子交换膜连接装置和琼脂盐桥‑参比电极池系统，琼脂盐桥‑参比电极池系统由琼脂盐桥、参比电极和参比电极池组成：琼脂盐桥是一端带有鲁金毛细管的U型弯管，参比电极池是一个恒温容器，使用时，其内部填充参比电极电解质溶液，参比电极插入参比电极池内的电解质溶液中。该系统既可保证燃料电池内部不会受到参比电极的影响，又保证采用该系统所测数据为电池内部整体情况的反映，可满足所测数据精准、可靠、稳定等要求。

Description

质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量 方法
技术领域
本发明专利属于电化学领域，具体涉及一种用于质子/阴离子交换膜燃料电池的无扰动、精准、稳定、可靠的参比电极测量系统。
背景技术
人们在进行燃料电池测试过程中，通常取得的电位为电池阴极电势与电池阳极电势之间的差值，而电池阴极与阳极电势的准确值却没有办法通过常规的测试获得。为了获得电池阴极与阳极的准确电极电势需要在电池内部引入一稳定可靠的参比电极，分别对电池的阴阳极(工作电极)电极电势进行观察和测定。为保证电化学实验的可靠性及重复性，参比电极的电极电势须保持恒定且不能对工作电极造成污染或扰动。严格意义上讲，按照电极电势的定义，只有标准氢电极才是理想的参比电极，但现实中无法制备出真正的标准氢参比电极。在实际的电化学反应中，人们常采用电极电势已知且相对稳定的电极电对为参比电极，如饱和甘汞电极、汞/硫酸亚汞电极、汞/氧化汞电极、银/氯化银电极等。参比电极的稳定性很重要，不稳定的参比系统是造成电化学实验失败的一个主要原因。以上所述参比电极对含有液体电解质的电化学体系的研究发挥了巨大的作用，然而，对某些含有固态电解质的电化体系(如质子/阴离子交换膜燃料电池系统)还没有一理想的参比电极。许多研究与生产单位采用直接测量电池的工作电流与输出电压来考察电池的性能。由于电池至少由两个电极与一电解质组成，输出电压系各部分电位降的总和，难以确切反映每个电极的真实行为，给研究工作带来诸多不便。美国、日本等国家虽已使用了几种自制的参比电极，但结构复杂，操作不便。
发明内容
本发明专利为满足在对质子/阴离子交换膜燃料电池不产生扰动的情况下进行无污染、精准、稳定、可靠的电化学实验的需求，提供一种用于质子/阴离子交换膜燃料电池的参比电极系统。该参比电极系统通过利用质子/阴离子交换膜连接装置将电化学实验系统和常温的琼脂盐桥-参比电极池相连，质子/阴离子交换膜提供质子/阴离子导通的功能，即可保证质子/阴离子交换膜燃料电池内部工作环境的稳定，又保证琼脂盐桥的常温工作环境，可满足电化学实验无污染、精准、可靠、稳定、操作方便等要求。
质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量方法，所述质子或阴离子交换膜燃料电池电堆包括一节单电池或二节以上的单电池，所述单电池包括膜电极，膜电极包括质子或阴离子交换膜；
所述待测量电极电位的单电池的质子交换膜或阴离子交换膜的一端具有一伸出燃料电池电堆的沿伸部，
所述沿伸部作为对电极、待测量电极电位的单电池的阴极或阳极接线端作为工作电极端，对电极和参比电极分别置于同一电解质溶液中或相互间离子导通的二个电解质溶液中，通过一电压测量装置测量工作电极与参比电极间的电位，即为待测量单电池的电极相对于参比电极的电位。
所述沿伸部为与质子交换膜或阴离子交换膜相同材料质的一体成型结构。
所述燃料电池电堆为质子交换膜燃料电池电堆，质子交换膜为全氟磺酸膜、聚(2，5-苯并咪唑)(AB-PBI)、聚(2,2(B间甲苯基-5,5BI二苯并咪唑)(PBI)、聚(4,4(唑二苯醚基-5,5唑)二苯并咪唑)(OPBI)、磺化PBI、PBI/聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、PBI/ABPBI、PBI/PEEK、PBI/SPEEK、烷基聚苯并咪唑(PPS)中的任意一种，电位测量时所采用的电解质溶液为硫酸、高氯酸或磷酸；通常来说，酸溶液的浓度与电堆体系中电解质膜的类型和酸的酸度来决定，以Nafion膜为例，通常使用0.5M H2SO4溶液；
所述燃料电池电堆为阴离子交换膜燃料电池电堆，阴离子交换膜为以聚砜、聚苯醚、聚苯基、SEBS为主链的阴离子交换膜，电位测量时所采用的电解质溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液；通常来说，碱溶液的浓度与电堆体系中电解质膜的类型和碱的碱度来决定；
二个电解质溶液采用琼脂盐桥相互间离子导通，琼脂盐桥中盐为氯化钾、硝酸钾或硝酸铵，盐的含量为饱和盐。
琼脂盐桥是一端带有鲁金毛细管的U型弯管，U型弯管填充有琼脂和盐的混合物。使用时，其带有鲁金毛细管的一端置于液体盐桥连接装置的恒温容器内，另一端置于参比电极池里；该U型弯管内部可填充有琼脂，在使用时可再在其内部填充实验所需的惰性电解质。本发明专利所述U型弯管内径优选在3-10mm之间。U型弯管一端带有的鲁金毛细管其内径优选在0.1-1mm之间。
电压测量装置为电子负载、电化学工作站或数据采集模块中的一种或二种以上；参比电极为饱和甘汞电极、1mol/dm3甘汞电极、0.1mol/dm3甘汞电极、0.1mol/dm3氯化银电极、氧化汞电极、硫酸亚汞电极、硫酸铅电极、饱和硫酸铜电极中的一种或二种以上。
电解质溶液置于容器内，容器置于恒温水槽中，或电解质溶液置于一个带有循环水浴的恒温玻璃容器中。
所述待测量电极电位的单电池为质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中的一节单电池或二节以上的单电池。
为保证整个系统的导通性，使用时，参比电极池内的溶液与质子/阴离子交换膜连接装置恒温容器内的电解质溶液的液面高度保持一致。
在进行电化学测试实验时，固定参比电极池及质子/阴离子交换膜连接装置内恒温循环水浴温度为25℃，保证参比电极的准确性和可靠性。该参比电极系统可有效避免参比电极的引入对电池内部造成扰动以及电池内部的扰动对参比电极的测量产生影响，保证实验的准确性和重复性。本发明专利制造成本低，操作简单，实用性广，可用于各种类型的质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池体系。
附图说明
图1位实施例1用于高温质子交换膜燃料电池阴阳极电极电势随电流变化的参比电极系统在实际操作中与电化学实验系统相连接的结构示意图。
图2为本发明实施例1采用参比电极实测结果与采用电化学装置所测电池电压间的对比曲线。
具体实施方式
实施例1
如图1所示为用于质子/阴离子交换膜燃料电池的参比电极系统在实际实验操作中与电化学实验系统相连接的结构示意图；
其中所述参比电极体统由参比电极1、参比电极池2、琼脂盐桥3、质子/阴离子连接装置的恒温容器4、质子/阴离子交换膜燃料5和燃料电池6组成，其中：参比电极池2是一个带有循环水浴的恒温玻璃容器，琼脂盐桥3是一端带有鲁金毛细管的U型弯管，质子/阴离子交换膜连接装置的恒温容器4是带有循环水浴的恒温玻璃容器，质子/阴离子交换膜为燃料电池内所用交换膜。
高温质子交换膜燃料电池阴阳极电极电势随电流变化的测量：
首先组装高温质子交换膜燃料电池6，保证电池组装过程中受力均匀，匹配良好等条件，以保证组装的电池6性能良好。
向质子/阴离子连接装置的恒温容器4中倒入85％的磷酸溶液。将琼脂盐桥3的鲁金毛细管端置于质子/阴离子交换膜连接装置的恒温容器4内，将另一端置于盛有饱和KCl溶液的参比电极池2中，参比电极1为饱和甘汞电极。质子/阴离子交换膜连接装置的恒温容器4及参比电极池2的循环水浴温度控制在25℃。
将高温质子交换膜燃料电池6升温至120℃后在阳极通入H2，阴极通入O2，电池在0.4A电流下进行恒流放电，电池持续升温至160℃后保持电池在2A电流下持续放电12h，进行电池活化，当电池性能达到稳定后对电池进行IV测试，设定每个电流值停留时间为60s，截止电压设为0.2V，在此过程中记录电流、电池电压、阳极相对于参比电极1的电压和阴极相对于参比电极1的电压。
将所测数据中阴极相对于参比电极1的电压与阳极相对于参比电极1的电压的差值与所测实际电池电压值进行对比，评价所测数据的准确性与可靠性。实验结果表明采用本发明专利所述质子/阴离子交换膜燃料电池参比电极系统提供了一个正真的无污染、精准、可靠、稳定的参比电极系统，保证了实验结果的准确性与可靠性。
上述实施例只为说明本发明专利的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域的人士能够了解本发明专利的内容并据以实施，并不能以此限制本发明专利的保护范围。测试装置的形状、尺寸和装填溶液可根据具体测定对象改变，凡根据本发明专利精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中单电池电极电位测量方法，其特征在于：
所述质子或阴离子交换膜燃料电池电堆包括一节单电池或二节以上的单电池，所述单电池包括膜电极，膜电极包括质子或阴离子交换膜；
所述待测量电极电位的单电池的质子交换膜或阴离子交换膜的一端具有一伸出燃料电池电堆的沿伸部，
所述沿伸部作为对电极、待测量电极电位的单电池的阴极或阳极接线端作为工作电极端，对电极和参比电极分别置于同一电解质溶液中或相互间离子导通的二个电解质溶液中，通过一电压测量装置测量工作电极与参比电极间的电位，即为待测量单电池的电极相对于参比电极的电位。
2.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
所述沿伸部为与质子交换膜或阴离子交换膜相同材料质的一体成型结构。
3.按照权利要求2所述的测量方法，其特征在于：
所述燃料电池电堆为质子交换膜燃料电池电堆，质子交换膜为全氟磺酸膜、聚(2，5-苯并咪唑)(AB-PBI)、聚(2,2(B间甲苯基-5,5BI二苯并咪唑)(PBI)、聚(4,4(唑二苯醚基-5,5唑)二苯并咪唑)(OPBI)、磺化PBI、PBI/聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、PBI/ABPBI、PBI/PEEK、PBI/SPEEK、烷基聚苯并咪唑(PPS)中的任意一种，电位测量时所采用的电解质溶液为硫酸、高氯酸或磷酸。
4.按照权利要求2所述的测量方法，其特征在于：
所述燃料电池电堆为阴离子交换膜燃料电池电堆，阴离子交换膜为以聚砜、聚苯醚、聚苯基、SEBS为主链的阴离子交换膜，电位测量时所采用的电解质溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
5.按照权利要求1-4任一所述的测量方法，其特征在于：二个电解质溶液采用琼脂盐桥相互间离子导通，琼脂盐桥中盐为氯化钾、硝酸钾或硝酸铵，盐的含量为饱和盐。
6.按照权利要求5所述的测量方法，其特征在于：琼脂盐桥是一端带有鲁金毛细管的U型弯管，U型弯管填充有琼脂和盐的混合物。
7.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：电压测量装置为电子负载、电化学工作站或数据采集模块中的一种或二种以上；参比电极为饱和甘汞电极、1mol/dm3甘汞电极、0.1mol/dm3甘汞电极、0.1mol/dm3氯化银电极、氧化汞电极、硫酸亚汞电极、硫酸铅电极、饱和硫酸铜电极中的一种或二种以上。
8.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：电解质溶液置于容器内，容器置于恒温水槽中，或电解质溶液置于一个带有循环水浴的恒温玻璃容器中。
9.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述待测量电极电位的单电池为质子或阴离子交换膜燃料电池电堆中的一节单电池或二节以上的单电池。
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