CN110031377B - 一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，所述系统包括一个模拟甲醇直接燃料电池的甲醇电解池结构，甲醇电解池结构由质子交换膜、阴极区域、阳极区域、电化学工作站以及蠕动泵组成，其中：阴极区域包括阴极腔室、阴极电极板与阴极催化层；阳极区域包括阳极腔室、阳极电极板与阴极催化层；阴极电极板与阳极电极板通过导线与电化学工作站连接，构成外电路；阴极腔室的两侧设置有与蠕动泵相连的出液口，阴极腔室的顶部开设阴极出气孔与阴极进气孔；所述阳极腔室开设进液口和阳极出气孔。本发明基于电解池结构，模拟出甲醇在燃料电池实际工作下的跨膜渗透，避免了渗透至阴极腔室的甲醇的损耗以及阴极催化剂中毒。

Description

一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统
技术领域
本发明属于直接甲醇燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜甲醇渗透测试系统。
背景技术
在全球积极应对能源危机和环境污染问题的背景下，清洁能源和可再生能源越发受到重视。燃料电池作为一种将化学能转化为电能的装置，具有能量转换率高、绿色环保、有助于优化能源结构等优势，其中甲醇直接燃料电池更因成本低廉、易于存储等最具应用前景。
然而，甲醇燃料电池在实际工作中却存在着甲醇渗透的问题。进入阴极室的甲醇一方面造成阴极催化剂中毒，另一方面消耗氧气导致燃料利用率下降。有文献表明，电池工作中甲醇渗透主要由甲醇浓度梯度、液压梯度以及电渗拖拽三种机制驱动。
质子交换膜作为燃料电池的重要组成部分，起到为质子的传递提供通道并抑制甲醇渗透的作用。甲醇渗透率是一项检验质子交换膜性能的重要指标，它直接影响到甲醇燃料电池的使用寿命，所以甲醇渗透测试是十分重要且必要的。
CN205246496U公开了一种对于甲醇跨膜渗透的测试装置，然而测试中渗透机制只有浓度梯度与液压梯度，未考虑燃料电池实际工作中电渗拖拽的影响。目前未有合适的测试装置真实反映甲醇在电池实际工作中的渗透情况。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，保证甲醇进入阴极室内不会导致催化剂中毒，也避免损耗的基础上，模拟甲醇在电池实际工作下的跨膜渗透，之后检测阴极室甲醇浓度，确定质子交换膜的甲醇渗透率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，包括一个模拟甲醇直接燃料电池的甲醇电解池结构，所述甲醇电解池结构由质子交换膜、阴极区域、阳极区域、电化学工作站以及蠕动泵组成，其中：
所述阴极区域包括阴极腔室、阴极电极板与阴极催化层，阴极催化层与阴极电极板紧密贴合后与质子交换膜、阴极腔室拼装在一起；
所述阳极区域包括阳极腔室、阳极电极板与阴极催化层，阳极催化层与阳极电极板紧密贴合后与质子交换膜、阳极腔室拼装在一起；
所述阴极电极板与阳极电极板通过导线与电化学工作站连接，构成外电路；
所述阴极腔室的两侧设置有与蠕动泵相连的出液口，阴极腔室的顶部开设阴极出气孔与阴极进气孔；
所述阳极腔室开设进液口和阳极出气孔。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明的系统在测试过程中，阴极不再供给氧气，阴极进气孔持续通入氮气，阴极出气孔用来导出混合气体，避免甲醇在阴极被氧化；蠕动泵的使用保证了阴极腔室内溶液浓度均匀；为使测试系统正常工作，适当调节电化学工作站，使得电路输出电流密度与甲醇直接燃料电池实际工作中相等，模拟出燃料电池实际工作状况。取下阴极腔室，利用三电极测试体系与线性伏安扫描法检测溶液中的甲醇浓度，得出甲醇渗透率。相比现有测试技术，本发明基于电解池结构，模拟出甲醇在燃料电池实际工作下的跨膜渗透，避免了渗透至阴极腔室的甲醇的损耗以及阴极催化剂中毒，通过三电极测试体系与线性伏安扫描法测量得出甲醇浓度，减小了测试误差，能够较为准确地测量甲醇浓度，对于质子交换膜性能的研究具有很好的应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统的结构示意图；
图2为图1中电解池阴极部分剖面图；
图3为图1中电解池阳极部分剖面图；
图4为实施例装配示意图；
图中，1-质子交换膜；2-阴极催化层；3-阳极催化层；4-阴极电极板；5-阳极电极板；6-阴极腔室；7-阳极腔室；8-阴极进气孔；9-阴极出气孔；10-出液口；11-阳极出气孔；12-进液口；13-电化学工作站；14-蠕动泵；15-隔离装置；16-钻孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1-3所示，本实施方式提供的基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统包括一个模拟甲醇直接燃料电池的甲醇电解池结构，所述甲醇电解池结构由质子交换膜1、阴极区域、阳极区域、电化学工作站13以及蠕动泵14组成，阴极区域准备隔离装置15备用，用于测试结束之后将阴极腔室拆卸下来进行甲醇浓度的检测。整体系统水平放置。
本实施方式中，所述阴极区域包括阴极腔室6、阴极电极板4与催化层2，阴极催化层2与阴极电极板4紧密贴合后与质子交换膜1、阴极腔室6拼装在一起。
本实施方式中，所述阳极区域包括阳极腔室7、阳极电极板5与催化层3，阳极催化层3与阳极电极板5紧密贴合后与质子交换膜1、阳极腔室7拼装在一起。
本实施方式中，所述阴极催化层2与阳极催化层3均为由催化剂、扩散层与多孔层组成的多层结构。
本实施方式中，所述阴极电极板4与阳极电极板5通过导线与电化学工作站13连接，构成外电路。
本实施方式中，所述阴极腔室6的顶部开设一个阴极出气孔9与一个阴极进气孔8，其中阴极出气孔9靠近阴极催化层2位置。为避免甲醇氧化，从阴极进气孔8持续向阴极腔室6通入氮气，阴极出气孔9用于导出产生的氢气等混合气体，同时阴极不再供给氧气。为保证系统正常工作，调节电化学工作站13，使得电路输出电流密度与甲醇直接燃料电池实际工作中相等，模拟出燃料电池实际工作状况。
本实施方式中，所述阴极腔室6的两侧均设置有出液口10，出液口10均与蠕动泵14相连。蠕动泵14的作用是保证阴极溶液浓度均匀。
本实施方式中，所述阳极腔室7开设一个阳极出气孔11与一个进液口12，其中阳极出气孔11靠近阳极催化层3的位置，用于导出产生的二氧化碳气体，进液口12用于通入甲醇和硫酸的混合溶液。
本实施方式中，所述阴极腔室6内装有氮气饱和硫酸溶液，阳极腔室7内装有甲醇和硫酸的混合溶液，溶液均由蒸馏水配制。
待质子交换膜甲醇渗透测试系统工作一段时间后关闭电化学工作站9，通过隔离装置15取下阴极腔室6，隔离装置15与阴极腔室6扣在一起形成封闭结构，对其中溶液进行甲醇浓度检测。用三电极测试体系与线性伏安扫描法确定甲醇氧化峰值电流密度，进而求出甲醇浓度。由于检测运用的是现有技术，不是本发明的发明内容，对此不再详述。
具体实施方式二：本实施方式结合图4所示装配示意图进行实施说明。图4中，阴极区域包括阴极腔室6、阴极电极板4与催化层2，阳极区域包括阳极腔室7、阳极电极板5与催化层3，各部分均设置有钻孔16。阴极催化层2与阳极催化层3为催化剂、扩散层与多孔层组成的多层结构。阴极和阳极各自的催化层与电极板紧密贴合后，与质子交换膜1、各自腔室利用螺丝穿过钻孔拼接在一起。阴极区域准备隔离装置15备用，用于测试结束之后将阴极腔室拆卸下来进行甲醇浓度的检测。阴极电极板4与阳极电极板5通过导线与电化学工作站连接，构成外电路；阴极腔室的两侧设置出液口10与蠕动泵相连，并对阴极腔室6中溶液进行循环。调节电化学工作站使得电路输出电流密度与甲醇直接燃料电池实际工作中相等，测试过程中实时将待测溶液通过进液口12加入阳极腔室7中，阴极进气孔8持续通入氮气。一段时间后阴极腔室6通过隔离装置15取下，隔离装置15与阴极腔室6扣在一起形成封闭结构。之后利用三电极测试体系与线性伏安扫描法检测溶液中的甲醇浓度，并最终得出甲醇渗透率。

Claims (4)

1.一种基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，其特征在于所述系统包括一个模拟甲醇直接燃料电池的甲醇电解池结构，所述甲醇电解池结构由质子交换膜、阴极区域、阳极区域、电化学工作站以及蠕动泵组成，其中：所述阴极区域包括阴极腔室、阴极电极板与阴极催化层，阴极催化层与阴极电极板紧密贴合后与质子交换膜、阴极腔室拼装在一起；所述阳极区域包括阳极腔室、阳极电极板与阴极催化层，阳极催化层与阳极电极板紧密贴合后与质子交换膜、阳极腔室拼装在一起；所述阴极电极板与阳极电极板通过导线与电化学工作站连接，构成外电路；所述阴极腔室的两侧设置有与蠕动泵相连的出液口，阴极腔室的顶部开设阴极出气孔与阴极进气孔；所述阳极腔室开设进液口和阳极出气孔，从阴极进气孔持续向阴极腔室通入氮气，阴极出气孔用于导出产生的混合气体；所述阴极腔室内装有氮气饱和硫酸溶液；所述阳极腔室内装有甲醇和硫酸的混合溶液；调节电化学工作站，使得电路输出电流密度与甲醇直接燃料电池实际工作中相等。
2.根据权利要求1所述的基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，其特征在于所述阴极催化层与阳极催化层均为由催化剂、扩散层与多孔层组成的多层结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，其特征在于所述阴极出气孔靠近阴极催化层位置。
4.根据权利要求1或2所述的基于电解池结构的质子交换膜甲醇渗透测试系统，其特征在于所述阳极出气孔靠近阳极催化层位置。
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