CN109541007B - 一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法 - Google Patents

一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法 Download PDF

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Abstract

一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，包括用电化学工作站分别测试气体扩散层电阻和气体扩散电极电阻，用气体扩散电极电阻减去气体扩散层电阻，得到催化层垂直方向电阻。有益效果是：测试条件与膜电极测试环境相同，数据真实、可靠；测试环境可调，能针对不同的需求测试，测试灵活便捷；使用同一个夹具测试，没有因夹具不同带来的误差；数据可应用到仿真模型或理论计算中，对膜电极正向开发有很重要的意义。

Description

一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池催化层垂直方向电阻的测试开发。
背景技术
质子交换膜燃料电池的电极是由催化层涂覆到质子交换膜上或涂覆到气体扩散层上构成。对电极的电阻测试，现有技术中多数文献公开的都是通过电化学等手段测试膜电极的整体欧姆电阻和用四探针法测试催化层水平方向电阻的。现有技术的不足在于：现有技术中尚无通过电化学方法单独测试催化层垂直方向电阻的方法。随着膜电极正向开发的深入，理论计算和仿真模拟都需要多种物性参数的输入，电极催化层垂直方向电阻参数就是其中之一。因此，简捷快速测试膜电极催化层垂直方向电阻的方法是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试电极催化层垂直方向电阻的方法，为后续浆料在垂直方向电阻的改进和理论计算以及燃料电池仿真的催化层物性参数输入提供数据支持。
本发明的技术方案是：一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，包括用电化学工作站在单电池测试夹具上测试电阻，其特征在于；所述测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法包括以下步骤：
1)选取厚度在150-300μm的商用气体扩散层，裁剪成与25cm2小单电池测试夹具匹配的形状，在设定组装力下组装在小单电池测试夹具内，在设定测试环境条件下，用电化学工作站测试和记录气体扩散层的电阻RGDL；
2)将按设定配料制得的催化层浆料涂覆到步骤1)测试过电阻的气体扩散层上，制成气体扩散电极；
3)将步骤2)制成的气体扩散电极组装到按步骤1)测试气体扩散层电阻的同一小单电池测试夹具内，组装力与步骤1)设定的组装力相同，在与步骤1)测试环境条件相同的条件下，用电化学工作站测试和记录气体扩散电极的电阻RGDE；
4)数据处理：用步骤3)测得的气体扩散电极电阻减去步骤1)测得的气体扩散层电阻，得到步骤1设定的组装力和测试环境条件下的催化层垂直方向电阻，即RCL＝RGDE—RGDL，式中，RCL代表催化层垂直方向电阻。
本发明所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述电化学工作站测试电阻是用恒电流法或交流阻抗法测试电阻。
本发明所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述气体扩散层电阻的测试和气体扩散电极电阻的测试每一项各作三次以上，将三次以上的测试结果取平均值，进行数据处理。
本发明所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述三次以上的气体扩散层电阻的测试和气体扩散电极电阻的测试为用恒电流法或交流阻抗法同一方法测试，或者用恒电流法和交流阻抗法交替测试。
本发明所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述设定组装力为4N·m，所述设定测试环境条件为常规膜电极初始性能测试条件，即70℃，常压，阳极通入氢气和阴极通入空气的流量都是200mL/min，也可根据实际测试工况改变测试条件。
本发明的有益效果是：
1、测试条件与膜电极测试环境相同，数据真实、可靠；
2、测试环境可调，能针对不同的需求测试，测试灵活便捷；
3、使用同一个夹具测试，没有因夹具不同带来的误差；
4、数据可应用到仿真模型或理论计算中，对膜电极正向开发有很重要的意义。
附图说明
图1本发明所用25cm2小单电池测试夹具的结构示意图；
图中：1、端板，2、附有隔离膜的集流板，3、蛇形流场，4、边框，5、气体扩散层或气体扩散电极；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法包括以下步骤：
1)选取厚度在150-300μm的商用气体扩散层，裁剪成与25cm2小单电池测试夹具匹配的形状，在设定组装力为4N·m加固的条件下，将裁剪好的气体扩散层组装在小单电池测试夹具内，在设定测试环境为常规膜电极初始性能测试条件，即70℃，常压，阳极通入氢气和阴极通入空气的流量都是200mL/min，使用电化学工作站的恒电流法和交流阻抗法两种测试方法分别对气体扩散层进行垂直方向的电阻测试，每种测试方法都进行三次以上测试，对测试结果取平均值，恒电流法分别设置0.1A、0.5A和1.0A三个电流分别测试，交流阻抗法的扰动电流是100mA，记录气体扩散层的电阻RGDL；
2)制备测试用气体扩散电极，设定测试用的催化剂的铂担量为两种，分别是0.2mg/cm2和0.1mg/cm2，催化层浆料中的全氟磺酸树脂与催化剂载体质量之比为0.4～1.6，催化层浆料中的固含量为0.1wt％～10wt％，浆料高速分散30～50分钟，将已测试过电阻的气体扩散层在喷涂机上喷涂催化层，制成气体扩散电极，
3)将制得的气体扩散电极组装到测试气体扩散层电阻的25cm2小单电池测试夹具内，组装力为4N·m，然后在测试环境条件为常规膜电极初始性能测试条件下，即70℃，常压，阳极通入氢气和阴极通入空气的流量都是200mL/min，使用电化学工作站的恒电流法和交流阻抗法两种测试方法分别对气体扩散电极进行垂直方向的电阻测试，每种测试方法都进行三次以上测试，对测试结果取平均值，恒电流法分别设置0.1A、0.5A和1.0A三个电流分别测试，交流阻抗法的扰动电流是100mA，记录气体扩散电极的电阻RGDE；
4)数据处理：用测得的气体扩散电极电阻减去测得的气体扩散层电阻，得到设定的组装力和测试环境条件下的催化层垂直方向电阻，即RCL＝RGDE—RGDL，式中，RCL代表催化层垂直方向电阻，具体数据如表一。
表一
Figure BDA0001878177150000041
气体扩散电极1是催化层的铂担量为0.1mg/cm2的气体扩散电极，气体扩散电极2是催化层的铂担量为0.2mg/cm2的气体扩散电极。由表一可知，铂担量为0.1mg/cm2的催化层的垂直方向电阻为0.17mΩ，铂担量为0.2mg/cm2的催化层的垂直方向电阻为0.32mΩ。

Claims (5)

1.一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，包括用电化学工作站在小单电池测试夹具上测试电阻，其特征在于；所述测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法包括以下步骤：
1)选取厚度在150-300μm的商用气体扩散层，裁剪成与25cm2小单电池测试夹具匹配的形状，在设定组装力下组装在25cm2小单电池测试夹具内的边框上，在设定测试环境条件下，用电化学工作站测试和记录气体扩散层的电阻RGDL；
2)将按设定配料制得的催化层浆料涂覆到步骤1)测试过电阻的气体扩散层上，制成气体扩散电极；
3)将步骤2)制成的气体扩散电极组装到按步骤1)测试气体扩散层电阻的同一小单电池测试夹具内边框上，组装力与步骤1)设定的组装力相同，在与步骤1)测试环境条件相同的条件下，用电化学工作站测试和记录气体扩散电极的电阻RGDE；
4)数据处理：用步骤3)测得的气体扩散电极电阻减去步骤1)测得的气体扩散层电阻，得到步骤1)设定的组装力和测试环境条件下的催化层垂直方向电阻，即RCL＝RGDE—RGDL，式中，RCL代表催化层垂直方向电阻。
2.如权利要求1所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述电化学工作站测试电阻是用恒电流法或交流阻抗法测试电阻。
3.如权利要求1所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述气体扩散层电阻的测试和气体扩散电极电阻的测试每一项各作三次以上，将三次以上的测试结果取平均值，进行数据处理。
4.如权利要求3所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述三次以上的气体扩散层电阻的测试和气体扩散电极电阻的测试为用恒电流法或交流阻抗法同一方法测试，或者用恒电流法和交流阻抗法交替测试。
5.如权利要求1所述一种测试燃料电池催化层垂直方向电阻的方法，其特征在于；所述设定组装力为4N·m，所述设定测试环境条件为常规膜电极初始性能测试条件。
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