CN111103545A - 一种燃料电池膜电极性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池膜电极的性能测试方法，其包括：模拟工况前的性能测试步骤，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；模拟工况测试步骤，对电池堆的阴极侧通入空气，电池堆的阳极先通入H2预设时长，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫；模拟工况后的性能测试步骤，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；评价步骤，将模拟工况前的极化性能曲线与模拟工况后的极化性能曲线对照比较，获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果。本发明提供了一种简便高效的质子交换膜燃料电池膜电极性能的测试策略，模拟车载实际工况，评价测试前后的极化曲线方法评价膜电极的性能变化，进而评价膜电极的耐久性。

Description

一种燃料电池膜电极性能测试方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极性能测试方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是一种清洁环保的电化学发电装置，由于其体积小、质量轻、操作条件温和、能量转换率高、结构简单以及响应迅速等优势，很适合用于便携式电源和交通运输工具。因此，PEMFC被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电装置。近年来，世界各国都在积极研制以燃料电池电堆模块为主要动力源的燃料电池电动汽车。

车载燃料电池电堆的稳定性和耐久性一直是制约其大规模商业化应用的重要因素，影响车载燃料电池膜电极性能的因素较多，相对于怠速运行和额定功率运行这些静态条件，车载燃料电池在启动与停止的动态条件更容易导致燃料电池关键材料的衰减。车载PEMFC发动机在实际运行中，不可避免的要经历频繁的启动与停机循环。因此，对PEMFC在启动与停机循环过程中性能衰减的研究很有必要，启动与停机循环次数及启动与停机循环后膜电极性能的衰减速率成为燃料电池电堆模块关键指标之一。

燃料电池在启动之前，空气由于外界扩散或者是由阴极通过膜电极的渗透而进入到阳极，使得电池的阴阳极都有空气存在。电池正常启动时，氢气通入到电池阳极侧，会在阳极形成H2-O2界面。这个界面的存在会导致阴极侧出现局部的高电位，造成碳载体以及Pt催化剂的腐蚀。同样，在燃料电池停机时也会存在这样的问题。因此，PEMFC的性能在启停过程中逐渐衰减。启停前后膜电极的性能差异可以作为评价膜电极性能的一种重要方法。

由于现有技术中的燃料电池在启动和停机时会存在性能逐渐衰减，而却无法评价其性能的优劣(包括耐久性)等技术问题，因此本发明研究设计出一种燃料电池膜电极性能测试方法。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的燃料电池在启动和停机时会存在性能逐渐衰减，而却无法评价其性能的优劣的缺陷，从而提供一种燃料电池膜电极性能测试方法。

本发明提供一种燃料电池膜电极的性能测试方法，其包括：

模拟工况前的性能测试步骤，将膜电极与双极板及其他配件组装成燃料电池堆，对所述电池堆通入测试电流，待性能稳定后记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

模拟工况测试步骤，对电池堆的阴极侧通入空气，电池堆的阳极先通入H2预设时长，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫；

模拟工况后的性能测试步骤，在模拟工况测试步骤后，对所述电池堆通入测试电流，记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

评价步骤，将模拟工况前的极化性能曲线与模拟工况后的极化性能曲线对照比较，获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤中，测试电流范围为I1A，测试电流点间隔为i1A，每次加载持续t1，其中I1和i1均为正数。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤还包括：

步骤1：膜电极与双极板及其他配件组装燃料电池电堆，安装在测试平台上，连接气体和冷却水管道，检查气密性。

步骤2：对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤中，在步骤2后还包括：

步骤3：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件

步骤4：根据选择测试条件对电堆进行活化处理。

在所述活化处理完成后再对所述电池堆通入测试电流，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤5。

优选地，

所述模拟工况测试步骤中，阴极侧空气为常通状态，阳极先通入H2使单电池电压升高至开路电压并维持t2min，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持t3min，此为一个完整的启停循环，其中t2和t3均为正数。

优选地，

一个启停循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的H2，新的启停循环开始，设置重复以上启停循环N次，完成模拟车载工况测试，其中N为自然数，该步骤为步骤6。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，测试电流范围为I2，测试电流点间隔为i2，每次加载持续t4，其中I2、i2和t4均为正数。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤还包括：

步骤7：模拟车载工况测试完成后，停机对电堆阴极和阳极进行N2吹扫；

步骤8：启动测试程序，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤10，且在步骤10前、步骤8之后还包括：

步骤9：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，在步骤10后还包括：

步骤11：模拟车载工况后极化曲线测试完成后，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

本发明提供的一种燃料电池膜电极的性能测试方法具有如下有益效果：

本发明通过设置模拟工况前的性能测试步骤、能够测试并获得模拟工况前电池堆膜电极的极化性能曲线，获得在正常工作工况启停前膜电极的正常性能，通过设置模拟工况测试步骤，能够有效且精确地模拟出电池堆在启停时通入H2、O2的情形，高度还原正常工况下其使用情况，通过设置模拟工况后的性能测试步骤、能够测试并获得模拟工况后电池堆膜电极的极化性能曲线，获得在正常工作工况启停后膜电极的正常性能，通过评价步骤的对照比较能够有效地获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果，提供了一种简便高效的质子交换膜燃料电池膜电极性能的测试策略，该方法模拟车载实际工况，通过燃料电池测试平台，评价测试前后的极化曲线方法评价膜电极的性能变化，进而评价膜电极的耐久性。

附图说明

图1是本发明的燃料电池膜电极的性能测试方法中膜电极启停测试前的极化曲线性能表征；

图2是本发明的燃料电池膜电极的性能测试方法中设计的0-100次模拟车载工况测试图；

图3是本发明的燃料电池膜电极的性能测试方法中经过0-100次模拟车载工况测试实验后膜电极的极化曲线性能数据；

图4为本发明初始膜电极与模拟车载工况100次测试试验后的膜电极极化曲线比较图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明提供一种燃料电池膜电极的性能测试方法，其包括：

模拟工况前的性能测试步骤，将膜电极与双极板及其他配件组装成燃料电池堆，对所述电池堆通入测试电流，待性能稳定后记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

模拟工况测试步骤，对电池堆的阴极侧通入空气，电池堆的阳极先通入H2预设时长，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫；

模拟工况后的性能测试步骤，在模拟工况测试步骤后，对所述电池堆通入测试电流，记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

评价步骤，将模拟工况前的极化性能曲线与模拟工况后的极化性能曲线对照比较，获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果。

本发明通过设置模拟工况前的性能测试步骤、能够测试并获得模拟工况前电池堆膜电极的极化性能曲线，获得在正常工作工况启停前膜电极的正常性能，通过设置模拟工况测试步骤，能够有效且精确地模拟出电池堆在启停时通入H2、O2的情形，高度还原正常工况下其使用情况，通过设置模拟工况后的性能测试步骤、能够测试并获得模拟工况后电池堆膜电极的极化性能曲线，获得在正常工作工况启停后膜电极的正常性能，通过评价步骤的对照比较能够有效地获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果，提供了一种简便高效的质子交换膜燃料电池膜电极性能的测试策略，该方法模拟车载实际工况，通过燃料电池测试平台，评价测试前后的极化曲线方法评价膜电极的性能变化，进而评价膜电极的耐久性。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤中，测试电流范围为I1(优选0-300A)，测试电流点间隔为i1(优选10A)，每次加载持续t1(优选1min)，其中I1、i1和t1均为正数。这是本发明的模拟工况前的性能测试步骤的优选形式，能够对模拟工况前的测试提供电流和电流点间隔，实现对膜电极的电流加载和电压输出的效果，从而有效地获得与实际车载工况高度相似的性能曲线。本次测试就是模拟车载工况的启停测试，电压值和功率值代表燃料电池的性能，每次通入氢气和进行空气吹扫为一次启停完成，加载开始到结束即为一个极化曲线中一个取点的性能测试。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤还包括：

步骤1：膜电极与双极板及其他配件组装(其他配件不一一列举)燃料电池电堆，安装在测试平台上，连接气体和冷却水管道，检查气密性。

步骤2：对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

这是本发明的模拟工况前的性能步骤的有效前期步骤，能够保证膜电极在工况前性能检测过程中有良好的气密性能，以及通过N2的惰性保护，使其检测不会受到其他干扰因素的影响，保证检测的准确进行，获得膜电极性能的准确结果。

优选地，

所述模拟工况前的性能测试步骤中，在步骤2后还包括：

步骤3：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件

步骤4：根据选择测试条件对电堆进行活化处理。

在所述活化处理完成后再对所述电池堆通入测试电流，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤5。

这是本发明的工况测试前的性能测试步骤中的优选前期步骤，通过设定一系列包括温度、湿度、流量和压力等测试条件，以及在该测试条件下对电堆进行活化处理，能够使得工况测试步骤下膜电极的实验工况与实际车载工况达到高度一致，使得检测结果更能与实际工况达到吻合，通过活化处理的步骤使得催化剂活性点暴露及湿润膜电极，为燃料电池提供一个适宜的化学反应条件，即提高燃料电池的氧化还原反应的速率。

优选地，

所述模拟工况测试步骤中，阴极侧空气为常通状态，阳极先通入H2使单电池电压升高至开路电压并维持t2(优选1min)，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持t3(优选1min)，此为一个完整的启停循环，其中t2和t3均为正数。这是本发明的模拟工况测试步骤中的优选形式，能够对模拟工况的启停步骤和启停循环进行一个准确和精确的模拟作用，图2中显示了膜电极随阳极侧的气体的浓度单体电压呈现周期性变化的性能，其为设计的0-100次模拟车载工况测试图，显示了通过模拟车载工况，控制膜电极阳极侧气体的浓度和类型，来测试膜电极模拟车载工况性能的测试策略。

优选地，

一个启停循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的H2，新的启停循环开始，设置重复以上启停循环N次，完成模拟车载工况测试，其中N为自然数(优选为100)，该步骤为步骤6。这是本发明的模拟工况测试步骤中的进一步优选形式，能够在一个启停循环结束后启动下一个启停循环，从而实现N个启停循环，有效地模拟了正常的车载工况，图4为本发明初始膜电极与模拟车载工况100次测试试验后的膜电极极化曲线比较，图中显示了经过100次的模拟工况测试实验，膜电极的性能出现了明显的衰减。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，测试电流范围为I2(优选0-300A)，测试电流点间隔为i2(优选10A)，每次加载持续t4(优选1min)，其中I2、i2和t4均为正数。这是本发明的模拟工况后的性能测试步骤的优选形式，能够对模拟工况后的测试提供电流和电流点间隔，实现对膜电极的电流加载和电压输出的效果，从而有效地获得与实际车载工况高度相似的性能曲线。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤还包括：

步骤7：模拟车载工况测试完成后，停机对电堆阴极和阳极进行N2吹扫；

步骤8：启动测试程序，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

这是本发明的模拟工况后的性能测试步骤的优选方式，在模拟车载工况测试完成后，停机对电堆阴极和阳极进行N2吹扫能够防止该衰减继续进行，通入氮气对阳极和阴极进行吹扫，保证阴极和阳极处于一种惰性环境中，避免H2-O2界面的出现，使得燃料电池性能出现衰减。保证性能测试是在惰性气体保护下进行的测试，在启动测试程序后对阴极和阳极通入N2进行吹扫能够进一步保证测试的环境为惰性气体保护的环境，提高测试的准确度和精度。步骤8进行时说明本次启停测试完成，进行后面的测试是对燃料电池电堆经过100次启停后的性能进行测试评估。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤10，且在步骤10前、步骤8之后还包括：

步骤9：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件。

这是本发明的工况测试后的性能测试步骤中的优选步骤，通过设定一系列包括温度、湿度、流量和压力等测试条件，以及在该测试条件下对电堆进行活化处理，能够使得工况测试步骤下膜电极的实验工况与实际车载工况达到高度一致，使得检测结果更能与实际工况达到吻合。

步骤5为模拟车载工况前燃料电池电堆性能测试，步骤10为模拟车载工况后燃料电池电堆性能测试，通过对比两次性能变化，评价燃料电池电堆的性能。

优选地，

所述模拟工况后的性能测试步骤中，在步骤10后还包括：

步骤11：模拟车载工况后极化曲线测试完成后，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

在测试完成后再通入惰性气体N2进行吹扫，能够保证膜电极、双极板等结构保持不再反应和衰减，结束测试。

本发明中膜电极的耐久性评估通过膜电极的极化曲线确定，如图1为膜电极启停测试前的极化曲线性能表征，可以看出极化曲线整体平稳。负载电流为100A、150A、200A膜电极的单体电压分别为0.77V、0.67V、0.56V。

图2为设计的0-100次模拟车载工况测试图，显示了通过模拟车载工况，控制膜电极阳极侧气体的浓度和类型，来测试膜电极模拟车载工况性能的测试策略。

图3为经过0-100次模拟车载工况测试实验后膜电极的极化曲线性能数据，可以看出膜电极出现明显的衰减，负载电流为100A、150A、200A膜电极的单体电压分别为0.73V、0.63V、0.52V。

本发明通过简便、经济的测试方法，为模拟车用工况膜电极性能提供了一种测试方法。

优选实施方式如下：

本发明提供的一种燃料电池膜电极性能的测试方法，包括以下步骤：

实施例1模拟车载工况前，膜电极极化曲线测试

步骤1：膜电极与双极板及其他配件组装燃料电池电堆，安装在测试平台上，连接气体和冷却水管道，检查气密性。

步骤2：对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

步骤3：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件

步骤4：根据选择测试条件对电堆进行活化处理。

步骤5：活化完成后，测试选择恒电流模式，测试电流范围为0-300A，测试电流点间隔为10A，每次加载持续1min，待性能稳定后记录电压值和功率值，测试电堆膜电极的极化曲线性能。

实施例2模拟车载工况的启停实验测试

步骤6：进行模拟车载工况测试。测试方法：阴极侧空气为常通状态，阳极先通入H2使单电池电压升高至OCV(开路电压)并维持1min，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持1min，此为一个完整的启停循环。一个启停循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的H2，新的启停循环开始。设置重复以上测试程序测试100次，完成模拟车载工况测试。

步骤6中还可以优选包括以下步骤(步骤6.1：对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

步骤6.2：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件

步骤6.3：模拟车载工况测试方法：阴极侧空气为常通状态；阳极先通入H2使单电池电压升高至OCV并维持1min，然后关闭阳极入口氢气，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持1min，此为一个完整的模拟车载工况测试循环。一个模拟车载工况测试循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的H2，新的模拟车载工况测试循环开始。按照以上步骤做100次试验)

步骤7：模拟车载工况测试完成后，停机对电堆阴极和阳极进行N2吹扫。

实施例3模拟车载工况后，膜电极极化曲线测试

步骤8：启动测试程序，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

步骤9：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件

步骤10：测试模拟工况后膜电极的极化曲线，测试电流范围为0-300A，测试电流点间隔为10A，每次加载持续1min，待性能稳定后记录电压值和功率值，测试电堆膜电极的极化曲线性能。

步骤11：模拟车载工况后极化曲线测试完成后，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：包括：

模拟工况前的性能测试步骤，将膜电极与双极板及其他配件组装成燃料电池堆，对所述电池堆通入测试电流，待性能稳定后记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

模拟工况测试步骤，对电池堆的阴极侧通入空气，电池堆的阳极先通入H2预设时长，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫；

模拟工况后的性能测试步骤，在模拟工况测试步骤后，对所述电池堆通入测试电流，记录电压值和功率值，测试电池堆膜电极的极化性能曲线；

评价步骤，将模拟工况前的极化性能曲线与模拟工况后的极化性能曲线对照比较，获得膜电极的性能变化结果和耐久性评价结果。

2.根据权利要求1所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况前的性能测试步骤中，测试电流范围为I1，测试电流点间隔为i1，每次加载持续t1，其中I1、i1和t1均为正数。

3.根据权利要求1或2所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况前的性能测试步骤还包括：

步骤1：膜电极与双极板及其他配件组装燃料电池电堆，安装在测试平台上，连接气体和冷却水管道，检查气密性；

步骤2：对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

4.根据权利要求3所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况前的性能测试步骤中，在步骤2后还包括：

步骤3：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件；

步骤4：根据选择测试条件对电堆进行活化处理；

在所述活化处理完成后再对所述电池堆通入测试电流，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤5。

5.根据权利要求1-4中任一项所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况测试步骤中，阴极侧空气为常通状态，阳极先通入H2使单电池电压升高至开路电压并维持t2，然后关闭阳极入口H2，从阳极出口处通入空气对单电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持t3，此为一个完整的启停循环，其中t2和t3均为正数。

6.根据权利要求5所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

一个启停循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的H2，新的启停循环开始，设置重复以上启停循环N次，完成模拟车载工况测试，其中N为自然数，该步骤为步骤6。

7.根据权利要求1-6中任一项所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况后的性能测试步骤中，测试电流范围为I2，测试电流点间隔为i2，每次加载持续t4，其中I2、i2和t4均为正数。

8.根据权利要求1-7中任一项所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况后的性能测试步骤还包括：

步骤7：模拟车载工况测试完成后，停机对电堆阴极和阳极进行N2吹扫；

步骤8：启动测试程序，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

9.根据权利要求8所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况后的性能测试步骤中，对所述电池堆通入测试电流、测试电池堆膜电极的极化性能曲线的步骤为步骤10，且在步骤10前、步骤8之后还包括：

步骤9：设定测试包括温度、湿度、流量、压力测试条件。

10.根据权利要求9所述燃料电池膜电极的性能测试方法，其特征在于：

所述模拟工况后的性能测试步骤中，在步骤10后还包括：

步骤11：模拟车载工况后极化曲线测试完成后，对电池堆的阴极和阳极通入N2，对电堆进行吹扫。

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