CN109752424B - 一种薄液层溶液控制装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄液层溶液控制装置及应用，属于燃料电池电化学领域。一种薄液层溶液控制装置，所述装置由工作电极支撑部分、工作电极固定密封部分和用于承装溶液的玻璃容器构成，所述工作电极支撑部分由柱状导电芯部和套装在其上的绝缘套筒组成，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴向长度短；所述工作电极支撑部分整体贯穿玻璃容器的底板，所述电极固定密封部分使工作电极支撑部分固定在玻璃容器的底板中央部分。本发明所述控制装置可以适用于燃料电池关键零部件在常规溶液和薄液层溶液中的电化学测试，也适用于常规溶液和薄液层溶液中燃料电池关键零部件的微区电化学测试。

Description

一种薄液层溶液控制装置及应用

技术领域

本发明涉及一种薄液层溶液控制装置及应用，尤其涉及一种评价薄液层溶液中燃料电池关键零部件电化学性能的薄液层溶液控制装置，属于燃料电池电化学领域。

背景技术

燃料电池作为现代发展必不可少的动力来源，因其节能、高效、污染小的优点被各行各业大力使用，PEMFC作为燃料电池中重要的一员，可用于建设分布式电站、和移动电源，也是未来电动汽车的理想动力电源。膜电极和双极板是影响PEMFC性能的关键组件,也是质子交换膜燃料电池实现商业化的必要条件。

膜电极三合一组件(MEA)主要包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。质子交换膜的主要作用是导质子，催化剂则用于降低阴阳极氧化剂和燃料的活化能，提高反应速度。目前催化剂的使用主要是Pt基催化剂，但是Pt资源匮乏，稳定性差，容易中毒，限制了燃料电池的商业化。气体扩散层在电极中起着支撑催化层、稳定电极结构的作用，扩散层的多孔结构使反应气体能够均匀到达催化层。

尽管质子交换膜燃料电池已经在电动汽车中获得了大量的应用，与现有的燃油车和纯电动车相比，成本和寿命依然是燃料电池急需解决的关键问题之一，因而，国内外众多研究者对燃料电池双极板、膜、催化剂等关键材料进行了大量研究，也取得了显著的效果。上述关键材料的研究中，其性能指标的评价无外乎两种形式：1.组装成实际电池进行评价，2.利用离线装置模拟电池环境进行评价。前者虽能客观的反映关键材料在实际状态下的性能，但成本高，不可控因素多，实施较困难。后者多采用模拟电池环境，由于方便、快捷、成本低，成为燃料电池界比较公认的方法，并有相关标准供参考。无论是标准中提供的评价方法还是文献中普遍采用的模拟燃料电池环境中的研究方法，均采用将燃料电池关键部件完全浸泡入相应的模拟溶液中进行。燃料电池膜电极厚度约为500微米，双极板流场深度约400微米，这意味着从膜到任一双极板的距离一般都不会超过1毫米，即使燃料电池阴阳极反应气体都完全增湿，膜、双极板、催化层接触到液体的厚度也超过1毫米，即膜、双极板、催化剂等燃料电池的关键部件都处于薄液层环境下。采用关键部件全浸式模拟溶液测试方法进行评价时溶液厚度远远大于1毫米，属传统意义上溶液中进行的测试。传统溶液中发生的反应与薄液层中进行的反应存在很大差别，这将导致二者结果存在较大偏差。现阶段虽已有大量针对PEMFC的关键部件的研究，但这些研究都是在传统三电极电解池体系内进行，鲜少有从薄液层到常规溶液中燃料电池关键零部件测试装置及方法的报导。

发明内容

为研究真实工作环境(即薄液层下200微米到1000微米)下燃料电池关键零部件(如双极板、膜电极、催化剂和膜等)性能，本发明设计了一种简单、易操作、液层厚度可调节的燃料电池关键零部件薄液层测量装置及方法。

一种薄液层溶液控制装置，所述装置由工作电极支撑部分、工作电极固定密封部分和用于承装溶液的玻璃容器构成，

所述工作电极支撑部分由柱状导电芯部和套装在其上的绝缘套筒组成，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴向长度短；所述工作电极支撑部分整体贯穿玻璃容器的底板，所述电极固定密封部分使工作电极支撑部分固定在玻璃容器的底板中央部分。

本发明所述工作电极支撑控制部分由支撑燃料电池关键零部件的芯部导电材料和外部的耐酸碱腐蚀、耐温和绝缘套筒构成。所述工作电极支撑控制部分芯部材料表面是放置燃料电池关键零部件材料的部位，如放置双极板、催化剂、膜电极、质子交换膜等，它可在绝缘套筒中自由移动，且不渗漏测试溶液。导电材料与外部测试设备连接时可以采用螺丝连接、焊接、插接或鳄鱼夹连接等多种形式。

本发明所述装置的工作电极支撑部分中，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴承长度短，优选长度差小于15mm。使用时，将绝缘套筒与导电芯部的上端面调整至两者持平，导电芯部下端面突出于外的部分用于连接导线。

本发明所述控制装置，所述导电芯部为实心柱状体，截面为圆形、正四边形、长方形；所述柱状导电芯部材料为金、银、玻璃碳、紫铜、黄铜。

进一步地，所述导电芯部截面为圆形时，其截面直径在3mm～25mm之间，优选为12mm。

本发明所述控制装置，所述绝缘套筒为中空圆柱形，中空部分的形状随导电芯部形状而变化；绝缘套筒包裹在柱状导电芯部的侧壁上，使导电芯部可在绝缘套筒内上下移动，且两者之间保持密封。

本发明所述绝缘套筒将柱状导电芯部包裹在其内，并使柱状导电芯部在保证导电芯部可在绝缘套筒内上下移动的同时，还需使两者之间不漏液，保持密封状态。因此，优先绝缘套筒的内径尺寸略大于导电芯部外径尺寸。进一步地，所述绝缘套筒的外径比芯部导电材料尺寸至少大3mm～80mm，优选的尺寸为5mm；内径比芯部导电材料尺寸小1mm～3mm，优选1mm。

进一步地，本发明所述绝缘套筒材料为聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、对位聚苯、丙烯酸酯橡胶。

本发明所述电极固定密封部分的主体为带有外螺纹的圆筒，所述圆筒的上端面连接圆筒状弹性材料；所述圆筒状弹性材料内径比圆筒内径小1～5mm；所述电极固定密封部分的圆筒和圆筒状弹性材料套装在绝缘套筒外面，利用密封螺帽固定工作电极支撑部分，其中绝缘套筒放置待测部件的端面需高出圆筒状弹性材料的端面2mm～20mm，优选为4mm；电极固定密封部分的另一端贯穿玻璃容器的底板，通过两个螺帽将电极固定密封部分的圆筒固定在玻璃容器的底板上。

进一步地，所述电极固定密封部分包括密封垫，所述密封垫固定于玻璃容器的底板与螺帽之间。

进一步地，所述圆筒状弹性材料从与圆筒连接的一端到末端存在锥角，角度为1～15°度，优选锥角角度为5°。

本发明所述电极固定密封部分由绝缘、耐酸碱腐蚀、耐温材料加工而成，可以是聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、对位聚苯、丙烯酸酯橡胶等。

本发明所述玻璃容器可根据中央工作电极支撑控制部分尺寸设计。工作电极固定密封部分螺帽外径与玻璃容器内径差值控制在5mm～200mm间，优选60mm。玻璃容器通过固定电极用外螺纹圆筒无弹性材料端连接、密封。

本发明的另一目的是利用上述装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法。

一种利用上述薄液层溶液控制装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法，包括下述步骤：将待测部件利用导电胶固定在导电芯部的上端面上，导电芯部侧面涂覆绝缘材料，通过调整柱状导电芯部的位置，使柱状导电芯部和绝缘套筒的上端面位于同一平面上；调整玻璃容器内的溶液液面高度，使液面高度高于柱状导电芯部的上端面，获得所需的薄液层厚度，将待测部件连接电化学工作站后进行电化学测试。

所述薄液层溶液控制装置中液层厚度根据玻璃容器容积、内径和样品表面到玻璃容器顶端距离计算得到。

本发明的有益效果为：本发明提供的评价薄液层溶液中燃料电池关键零部件电化学性能的薄液层溶液控制装置，可以适用于燃料电池关键零部件在常规溶液和薄液层溶液中的电化学测试，也适用于常规溶液和薄液层溶液中燃料电池关键零部件的微区电化学测试。

附图说明

图1是本发明的装置示意图，其中a指外部玻璃容器，b指工作电极支撑控制部分，c指工作电极固定密封部分部分；

图2工作电极支撑控制部分示意图；

图3工作电极固定密封部分示意图；

附图标记如下：1、工作电极支撑部分，2、工作电极固定密封部分，3、玻璃容器，101、柱状导电芯部，102、绝缘套筒，201、圆筒，202、圆筒状弹性材料，203、密封螺帽，204、密封垫。

图4为氢气环境下316L不锈钢在薄液层和常规溶液的动电位极化曲线；

图5为空气环境下316L不锈钢在薄液层和常规溶液的动电位极化曲线。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

一种薄液层溶液控制装置，所述装置由工作电极支撑部分1、工作电极固定密封部分2和用于承装溶液的玻璃容器3构成，

所述工作电极支撑部分1由柱状导电芯部101和套装在其上的绝缘套筒102组成；工作电极支撑部分1整体贯穿玻璃容器3的底板并由电极固定密封部分2使两者相固定；所述电极固定密封部分2使工作电极支撑部分1上端面外的其他部分与玻璃容器3内的溶液相隔绝。

所述导电芯部101为实心圆柱体，圆形截面的直径为12mm；所述柱状导电芯部101材料为紫铜。所述绝缘套筒102为圆筒形状，包裹在柱状导电芯部101的侧壁上，使导电芯部101可在绝缘套筒102内上下移动，且两者之间保持密封。所述绝缘套筒的外径比导电芯部101大5mm，内径比芯部导电材料尺寸小1mm。所述绝缘套筒102的轴向长度较导电芯部101的轴向长度短10mm。所述绝缘套筒102材料为聚丙烯。

所述电极固定密封部分2的主体为带有外螺纹的圆筒201，所述圆筒201的上端面连接圆筒状弹性材料202；所述圆筒状弹性材料202内径比圆筒内径小3mm；所述电极固定密封部分2的圆筒201和圆筒状弹性材料202套装在绝缘套筒102外面，利用密封螺帽203固定工作电极支撑部分1，其中绝缘套筒102放置待测部件的端面需高出圆筒状弹性材料202的端面4mm；电极固定密封部分2的另一端贯穿玻璃容器3的底板，所述圆筒状弹性材料202与圆筒201连接的一端到末端存在锥角，角度为5°。所述电极固定密封部分2的圆筒201和圆筒状弹性材料202整体套装在绝缘套筒102上，使绝缘套筒102与容器内的溶液相隔绝，同时所述电极固定密封部分2贯穿玻璃容器3的底板，通过两个螺帽将电极固定密封部分2的圆筒固定在玻璃容器3的底板上。所述电极固定密封部分2包括密封垫204，所述密封垫204固定于玻璃容器3的底板与螺帽之间。

所述玻璃容器3截面为圆形，截面直径为80mm。

一种利用上述薄液层溶液控制装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法，包括下述步骤：将316L不锈钢片(暴露面积10mm×10mm，其余部分用绝缘材料密封)利用导电胶固定在导电芯部101的上端面上，导电芯部101侧面涂覆绝缘材料，通过调整柱状导电芯部101的位置，使柱状导电芯部101和绝缘套筒102的上端面位于同一平面上；调整玻璃容器3内的溶液(0.5mol/LH₂SO₄+5ppmF^-，水溶液)液面高度，使液面高度高于柱状导电芯部101的上端面400微米，获得400微米厚的薄液层，将连接316L不锈钢片的导电芯的另一端连接电化学工作站进行电化学测试。

为了进行对比说明，将316L不锈钢片(暴露面积10mm×10mm，其余部分用绝缘材料密封)整体浸入溶液中，将316L不锈钢片连接电化学工作站进行电化学测试。

由于在实际燃料电池中，气体流场的深度约为400微米，膜电极的厚度约为500微米，因而在实际燃料电池中，关键零部件如膜电极、双极板、催化剂等即使在电池发生水淹的极端情况下，液层厚度也不超过1000微米，气体在薄液层中的传输过程明显优于常规水溶液中。图4和5分别为氢气和空气环境下316L不锈钢在薄液层和常规溶液的动电位极化曲线。分别是模拟阴阳极腐蚀环境(0.5mol/LH₂SO₄+5ppmF^-，水溶液)中1mm后的316L不锈钢板在400微米薄液层中的动电位极化曲线与常规316L不锈钢板完全浸泡中溶液中通用测试方法测定的极化曲线比较图，从图中可以看出，在薄液层下金属的腐蚀速度显著大于常规溶液中金属的腐蚀速度，400微米厚度的薄液层相当于燃料电池双极板流场中全部充满溶液，进一步证明采用本装置更能真实的反应实际体系状态。

Claims (11)

1.一种薄液层溶液控制装置，其特征在于：所述装置由工作电极支撑部分(1)、工作电极固定密封部分(2)和用于承装溶液的玻璃容器(3)构成；

所述工作电极支撑部分(1)由导电芯部(101)和套装在其上的绝缘套筒(102)组成，所述绝缘套筒(102)的轴向长度较导电芯部(101)的轴向长度短；所述工作电极支撑部分(1)整体贯穿玻璃容器(3)的底板，所述电极固定密封部分(2)使工作电极支撑部分(1)固定在玻璃容器(3)的底板中央部分；

所述电极固定密封部分(2)的主体为带有外螺纹的圆筒(201)，所述圆筒(201)的上端面连接圆筒状弹性材料(202)；所述圆筒状弹性材料(202)内径比圆筒(201)内径小1～5mm；所述电极固定密封部分(2)的圆筒(201)和圆筒状弹性材料(202)套装在绝缘套筒(102)外面，利用密封螺帽(203)固定工作电极支撑部分(1)，其中绝缘套筒(102)放置待测部件的端面需高出圆筒状弹性材料(202)的端面2mm～20mm；电极固定密封部分(2)的另一端贯穿玻璃容器(3)的底板，通过两个螺帽将电极固定密封部分(2)的圆筒固定在玻璃容器(3)的底板上；

所述绝缘套筒(102)为中空圆柱形，中空部分的形状随导电芯部(101)形状而变化；绝缘套筒(102)包裹在柱状导电芯部(101)的侧壁上，使导电芯部(101)可在绝缘套筒(102)内上下移动，且两者之间保持密封。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导电芯部(101)为实心材料，可以加工成截面为圆形、正四边形、长方形；所述导电芯部(101)材料为金、银、玻璃碳、紫铜、黄铜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导电芯部(101)截面为圆形时，其截面直径在3mm～25mm之间；所述导电芯部(101)截面为正四边形时，所述正四边形尺寸为3mm×3mm～12mm×12mm。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述导电芯部(101)截面为圆形时，其截面直径为12mm；所述导电芯部(101)截面为正四边形时，所述正四边形尺寸为10mm×10mm。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒的外径比柱状导电芯部尺寸大3mm～80mm；内径比柱状导电芯部尺寸小1mm～3mm。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒的外径比柱状导电芯部尺寸大5mm；内径比柱状导电芯部尺寸小1mm。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒(102)材料为聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、对位聚苯、丙烯酸酯橡胶。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电极固定密封部分(2)包括密封垫(204)，所述密封垫(204)固定于玻璃容器(3)的底板与螺帽之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述圆筒状弹性材料(202)从与圆筒(201)连接的一端到末端存在锥角，角度为1～15°度。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述锥角角度为5°。

11.利用权利要求1所述装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法，其特征在于：将待测部件利用导电胶固定在导电芯部(101)的上端面上，导电芯部(101)侧面涂覆绝缘材料，通过调整柱状导电芯部(101)的位置，使柱状导电芯部(101)和绝缘套筒(102)的上端面位于同一平面上；调整玻璃容器(3)内的溶液液面高度，使液面高度高于柱状导电芯部(101)的上端面，获得所需的薄液层厚度，将待测部件连接电化学工作站后进行电化学测试。

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