CN109725034A - 测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，制备具有不同离聚物含量的膜电极，将附有透气层的膜电极组装成燃料电池；检测所述燃料电池的极限电流；结合Faraday定律和Fick定律，通过极限电流i_lim计算得出燃料电池的总传质阻力R₀，根据总传质阻力R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图，求得催化层局域传质阻力R_JY；做出R_JY与离聚物/催化剂碳颗粒的质量比I/C的关系图。通过调节透气层的扩散特征，利用对法拉利Faraday定律和菲克Fick定律衍生方程的线性回归，测量得出催化层的局域传质阻力，实现了对不同离聚物状态下的局域传质阻力变化特性的研究。

Description

测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，尤其是涉及一种测量燃料电池催化层中离聚物对氧气局域传质阻力的影响特征的方法。

背景技术

燃料电池在运行中会存在传质极化现象，即氧气的传质速度较慢，造成电池的性能损失，改善电池氧气传质阻力并缓解极化现象，对燃料电池发展具有重要有意义。对于发展潜力较大的低铂燃料电池而言，传质阻力主要来自于阴极催化层中的局域传质阻力，即氧气通过催化剂表面的离聚物薄膜并传输到铂表面时所遇到的阻力。因此，研究离聚物薄膜对局域传质阻力的影响特征是克服低铂电池传质阻力的关键步骤。

目前，对于这种特性的研究主要通过非在线的特殊实验装置完成，很难在电池中直接测量。这主要是由于电池催化层中同时存在局域传质阻力和体相传质阻力(催化层中氧气进行分子扩散及克努森扩散所遇到的阻力)，两种阻力存在共轭关系，在空间上无法区分。因此，须要设计一种方法，能够直接在电池中测量离聚物对局域传质阻力的影响特征。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种多层膜电极，在该膜电极的阴极催化层与气体扩散层之间添加了具有微孔结构的导电透气层，用于测量燃料电池催化层中离聚物对局域传质阻力的影响特征。

作为优选方案，所述催化层的铂载量极低，以提高催化层中局域传质阻力占比，从而可以忽略催化层中体相传质阻力的影响。

作为优选方案，所述透气层的传质阻力较高，以能够在公式II的线性回归过程中忽略催化层中体相传质阻力的影响。

第二方面，本发明还提供了一种测量燃料电池催化层中离聚物对氧气局域传质阻力的影响特征的方法，其包括如下步骤：

S1：制备具有不同离聚物状态的膜电极，并在阴极催化层外侧负载透气层；

S2：将负有透气层的多层膜电极组装成燃料电池；

S3：检测所述燃料电池的极限电流；

S4：结合Faraday定律和Fick定律，通过极限电流i_lim计算得出电池的总传质阻力R₀，根据R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图，求得催化层局域传质阻力R_JY。

S5：做出R_JY与I/C的关系图。

作为优选方案，步骤S1中，选择研究离聚物含量对局域传质阻力的作用，作为离聚物状态研究的一个示例；

作为优选方案，步骤S1中，阴极催化层的I/C选取为0.65、0.8、0.95，铂载量为0.1mg cm^-2。

作为优选方案，步骤S1中，透气层的粘合剂选用Nafion离子树脂，导电基质选用碳黑。所用透气层传质阻力为2.3s cm^-1、3.8s cm^-1、5.2s cm^-1。

作为优选方案，步骤S3中，所述燃料电池测试使用10通道的平行流场，流道宽度、深度及长度分别为0.5mm、0.8mm、20mm。

作为优选方案，步骤S3中，检测温度为80℃，湿度低于70％，H₂的测试气量为800cc/min、O₂/N₂(氧含量4％)的测试气量为1500cc/min。

作为优选方案，步骤S4、S5中，具体推导过程如下：

使用传质阻力(R_TQC)不同的透气层，在特定的离聚物状态下测量一组电池的极限电流i_lim，根据公式I计算对应的R₀，再进一步根据公式II，用R₀对R_TQC作图。由公式II的截距得到R_JY，R_KSC和R_LD三者之和。其中R_TQC和R_KSC由氧气传感器测量得出，R_LD利用流体力学仿真方法得出，因此最终可以得到该组样品催化层的局域传质阻力值R_JY。改变离聚物的含量测的多个R_JY，可得R_JY与离聚物状态之间的相关性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设计了一种直接测量阴极催化层内氧气的局域传质阻力的实验方法，相对于离线测试，更能真实体现局域传质过程；

2、本发明能够利用实验手段，直接揭示局域传质阻力与离聚物状态的相互关系；

3、本发明提供了一种低铂燃料电池传质特征的评价方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为带有导电透气层的负载位置示意图；

图2为三组膜电极中传质阻力的关系图；

图3为局域传质阻力与离聚物含量的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，选择研究离聚物含量对局域传质阻力的作用，作为离聚物状态研究的一个示例，包括以下步骤：

制备步骤：制备具有不同离聚物含量的膜电极，并在膜电极的阴极催化层外侧负载透气层；

组装步骤：将附有透气层的膜电极组装成燃料电池；

检测步骤：检测所述燃料电池的极限电流；

计算步骤：结合Faraday定律和Fick定律，通过极限电流i_lim计算得出燃料电池的总传质阻力R₀，根据总传质阻力R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图，求得催化层局域传质阻力R_JY；

分析步骤：做出催化层局域传质阻力R_JY与离聚物/催化剂碳颗粒的质量比I/C的关系图。

具体地，所述燃料电池测试使用10通道的平行流场，所述平行流场的流道宽度、流道深度、流道长度分别为0.5mm、0.8mm、20mm。

具体地，所述燃料电池测试使用氧浓度4％以下、氧氮混合气75％以下相对湿度，以防止液态水的影响。优选地，在测试中检测温度为80℃，湿度低于70％，H₂的测试气量为800cc/min、O₂/N₂(氧含量4％)的测试气量为1500cc/min。

具体地，所述计算步骤中，电池的总传质阻力R₀根据公式Ⅰ计算得出：

其中，F是法拉第常数，C_O2是空气中的氧气摩尔浓度，i_lim是在特定的离聚物状态下测量电池的极限电流。

具体地，所述计算步骤中，所述根据R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图根据以下公式Ⅱ得出：

R₀＝R_TQC+(R_JY+R_KSC+R_LD)

其中，R_KSC和R_LD分别代表来自气体扩散层和流道的传质阻力，R_TQC和R_KSC由氧气传感器测量得出，R_LD利用流体力学仿真方法得出，由公式II的截距得到R_JY，R_KSC和R_LD三者之和，最终可以得到该组样品催化层的局域传质阻力值R_JY。改变离聚物的含量测得多个R_JY，可得R_JY与离聚物状态之间的相关性。

具体地，所述膜电极是在阴极催化层与气体扩散层之间添加了具有微孔结构的导电透气层。

具体地，所述透气层与催化层均为微孔结构，透气层的传质阻力大于催化层的体相传质阻力。优选地，透气层的传质阻力远大于催化层的体相传质阻力。

具体地，所述透气层由粘合剂与导电基质构成，透气层的传质阻力由粘合剂含量、层厚度、导电基质的结构控制。优选地，透气层的粘合剂选用Nafion离子树脂，导电基质选用碳黑，所用透气层传质阻力为2.3s cm^-1、3.8s cm^-1、5.2s cm^-1。

具体地，所述的阴极催化层的铂载量小于0.1mg_Pt cm^-2，离聚物/催化剂碳颗粒的质量比I/C在0.5-1.0之间，以保证催化层中的局域传质阻力大于催化层内的体相传质阻力。优选地，阴极催化层的I/C选取为0.65、0.8、0.95，铂载量为0.1mg cm^-2。以保证催化层中的局域传质阻力远远大于催化层内的体相传质阻力。

在具体的实施例中，本发明首先制备离催化层内离聚物含量不同的多层膜电极，结构如图1所示。首先在Nafion质子膜两面分别喷涂阴阳极催化层，制备三组膜电极，各组的阴极催化层I/C分别控制为0.65、0.8、0.95，阴阳极的Pt载量均控制在0.1mg/cm²。其次，在阴极催化层外负载一层透气层，最终制得测试所需的多层膜电极。同一组膜电极中，各个样品分别负载传质阻力不同的透气层。透气层的传质阻力可由以下条件控制：粘合剂含量、层厚度、导电基质的结构。本例中选取的透气层传质阻力为2.3s cm^-1、3.8s cm^-1、5.2s cm^-1。

本例中电池测试温度为80℃，湿度为67％。选取4％氧气浓度的氧氮混合气下测量极限电流。测试选用为10通道的平行流场，流道宽度、深度及长度分别为0.5mm、0.8mm、20mm。，测试气量为800cc/min(氢气)、1500cc/min(氧氮混合气)以保证膜电极表面各处氧气浓度相等。

利用上述膜电极及测试条件测得极限电流，由公式I：计算得到每个电池的传质阻力R₀。根据公式II：R₀＝R_TQC+(R_JY+R_KSC+R_LD)，分别整合各组计算数据，用R₀对R_TQC作图，得到直线的截距，从而计算出该组膜电极阴极催化层的局域传质阻力R_JY。最后，归纳三组的R_JY与I/C的关系。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备步骤：制备具有不同离聚物含量的膜电极，并在膜电极的阴极催化层外侧负载透气层；

组装步骤：将附有透气层的膜电极组装成燃料电池；

检测步骤：检测所述燃料电池的极限电流；

计算步骤：结合Faraday定律和Fick定律，通过极限电流i_lim计算得出燃料电池的总传质阻力R₀，根据总传质阻力R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图，求得催化层局域传质阻力R_JY；

分析步骤：做出催化层局域传质阻力R_JY与离聚物/催化剂碳颗粒的质量比I/C的关系图。

2.根据权利要求1所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述燃料电池测试使用10通道的平行流场，所述平行流场的流道宽度、流道深度、流道长度分别为0.5mm、0.8mm、20mm。

3.根据权利要求1所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述燃料电池测试使用氧浓度4％以下、氧氮混合气75％以下相对湿度，以防止液态水的影响。

4.根据权利要求1所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述计算步骤中，电池的总传质阻力R₀根据公式计算得出：

其中，F是法拉第常数，C_O2是空气中的氧气摩尔浓度，i_lim是在特定的离聚物状态下测量电池的极限电流。

5.根据权利要求4所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述计算步骤中，所述根据R₀和透气层传质阻力R_TQC关系作图根据以下公式得出：

R₀＝R_TQC+(R_JY+R_KSC+R_LD)

其中，R_KSC和R_LD分别代表来自气体扩散层和流道的传质阻力，R_TQC和R_KSC由氧气传感器测量得出，R_LD利用流体力学仿真方法得出。

6.根据权利要求1所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述膜电极是在阴极催化层与气体扩散层之间添加了具有微孔结构的导电透气层。

7.根据权利要求6所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述透气层与催化层均为微孔结构，透气层的传质阻力大于催化层的体相传质阻力。

8.根据权利要求6所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述透气层由粘合剂与导电基质构成，透气层的传质阻力由粘合剂含量、层厚度、导电基质的结构控制。

9.根据权利要求6所述的测量离聚物对局域传质阻力影响特征的方法，其特征在于，所述的阴极催化层的铂载量小于0.1mg_Pt cm^-2，离聚物/催化剂碳颗粒的质量比I/C在0.5-1.0之间，以保证催化层中的局域传质阻力大于催化层内的体相传质阻力。