CN111272855A - 用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置 - Google Patents

用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，包括依次装配在一起的一个端板、一个绝缘垫片、一个集电板、一个极板、两个固定垫片、另一个极板、另一个集电板、另一个绝缘垫片和另一端板，固定垫片中部形成有限位槽，两个极板中部形成有工作腔室，膜电极夹紧固定于两个极板的两个栅栏结构之间，两个极板中至少一个为单电极测试板，单电极测试板一侧形成有电极插孔，电极插孔连通工作腔室，电极插孔内表面形成有绝缘涂层；极板上还形成有连通工作腔室的腔室进口和腔室出口。本发明能够在燃料电池工作状态下，对燃料电池的单电极的电极电势进行测试，从而准确检测燃料电池实际工作状态下单电极的性能参数。

Description

用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置
技术领域
本发明涉及一种电化学测试工具，具体是涉及一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置。
背景技术
作为一种零污染，高效率，将燃料的化学能直接转变成电能的发电装置，燃料电池已经被越来越多的应用于汽车，分布式电站，火箭的等众多领域，是最有希望替代现在各种能源终端设备中燃烧体系能源的理想可持续能源设备。
燃料电池核心发电部件为膜电极(MEA)，MEA由阳极侧的扩散层碳纸、阳极催化剂、固体电解质膜、阴极催化剂、阴极碳纸五层组成，通过GDE，CCM等工艺制作电极，最后热压到一起而成。阳极侧通燃料，阴极侧通氧气或者空气，加上外接电路，就实现了化学能到电能的转化。而这个转化的过程涉及了复杂的电化学原理，每一个材料或者工艺的制作过程都对电池的性能有着极大的影响，想要提升电池性能，就必须对其中电化学原理和动力学进行基础研究。
目前的电化学检测体系下，评价催化剂性能优劣主要通过旋转圆盘电极或旋转环盘电极进行测试，或者制备成膜电极MEA，来进行放电性能测试。
膜电极进行电化学测试主要通过三电极体系来进行评测。三电极体系主要由工作电极、参比电极和辅助电极组成。工作电极也称为研究电极或者试验电极。通过测定工作电极的电位，得出电极的电化学反应，吸附等界面反应的规律。由于目前没有实验的或者理论的方法来确定单个电极电位的绝对值，但可以用一个电位很稳定的电极作参照基准来测量任一电极的电极电位的相对值，我们称这种参照基准电极为参比电极。使用时，参比电极要尽量靠近工作电极，以减小有电流通过时，燃料电池的电压降。用不同的参比电极进行实验将获得不同的电极电位。辅助电极也称为对电极，它的作用是用来通过电流，实现工作电极的极化。辅助电极不能影响工作电极。它的表面积应大于工作电极。
对燃料电池来说，正常的三电极检测方法只能测试膜电极阴阳极性能叠加的结果，但是，对于燃料电池工作时，单电极的电极电势、活性面积等参数是没有办法检测出的，这对寻找提升性能的方法造成了阻碍；膜电极出现性能问题时，也无法区分是出现在阴极，还是阳极。这对后续的探究造成了不必要的麻烦以及大量不必要的工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，能够在燃料电池工作状态下，对燃料电池的单电极的电极电势进行测试，从而准确检测燃料电池实际工作状态下单电极的性能参数。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，包括两个端板、两个绝缘垫片、两个集电板、两个极板和两个固定垫片，两个所述端板之间通过若干螺栓副锁固在一起，将依次设置的一个所述绝缘垫片、一个所述集电板、一个所述极板、两个所述固定垫片、另一个所述极板、另一个所述集电板、另一个所述绝缘垫片夹紧固定在一起，所述固定垫片中部形成有限位槽，两个所述极板中部朝向所述限位槽一面均形成有工作腔室，所述工作腔室的开口处形成有栅栏结构，待测试的膜电极的nafion膜夹持定位于两个所述固定垫片之间，使膜电极的阴极及阳极容置于两个所述固定片的两个限位槽内，并使膜电极夹紧固定于两个所述极板的两个栅栏结构之间，两个所述极板中至少一个为单电极测试板，所述单电极测试板一侧形成有用于插置参比电极的电极插孔，所述电极插孔连通所述工作腔室，所述电极插孔内表面形成有绝缘涂层；所述极板上还形成有连通所述工作腔室的腔室进口和腔室出口。
进一步的，所述单电极测试板呈长方形或正方形或圆形。
进一步的，所述单电极测试板的制作材料为石墨或金属。
进一步的，所述电极插孔分为两段，远离所述工作腔室的一段的内径大于靠近所述工作腔室的一段的内径，两段之间通过斜坡连接。
进一步的，所述绝缘涂层的材料为具有柔软性质的聚合物。
进一步的，所述腔室进口与所述腔室出口位于所述极板的相对的两侧，且所述腔室进口及所述腔室出口与所述电极插孔位于不同的侧面，所述腔室进口与所述腔室出口之间形成高度差，所述腔室出口靠近所述电极插孔。
进一步的，所述腔室进口和所述腔室出口的内侧开有螺纹。
进一步的，两个所述端板中至少一个上设于棒孔，所述棒孔内插置有电阻棒。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，通过在单电极测试板的中部形成工作腔室，并在单电极测试板的一侧形成电极插孔，可以将参比电极插置于电极插孔内，实现在燃料电池工作状态下，对燃料电池的单电极的电极电势进行测量，进而可以准确检测到燃料电池实际工作状态下单电极的性能参数。与现有技术相比，本发明解决了燃料电池只能测试燃料电池(膜电极)整体工作状态下的性能参数，而不能测试工作状态下单电极性能参数的问题。本发明适用于所有燃料为液态的燃料电池检测，同时，可以实现液态操作的燃料电池也在本测试装置的适用范围之内。
本发明测试装置的测试结果相比现有三电极测试方法更为准确，能够更有效地评价活性电极物质的电化学性能，有利于电极活性物质的综合性能评价。本发明测试装置可与现有三电极测试方法搭配，同时得到膜电极阴、阳极单电极的性能参数。
附图说明
图1为本发明用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置的分解图(一个极板均为单电极测试板)；
图2为本发明用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置的分解图(两个极板均为单电极测试板)；
图3为本发明中单电极测试板的立体图；
图4为本发明中单电极测试板的正视图；
图5为本发明中普通极板的立体图；
结合附图，作以下说明：
1-端板，2-绝缘垫片，3-集电板，410-单电极测试板，420-普通极板，401-工作腔室，402-栅栏结构，5-固定垫片，501-限位槽，6-螺栓副，7-膜电极，8-参比电极，9-电极插孔，10-腔室进口，11-腔室出口，12-棒孔。
具体实施方式
为了更清楚地描述本发明，便于理解本发明的技术方案，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明做详细描述。但下属的实施例仅仅是本发明的发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
如图1、图3、图4和图5所示，一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，包括两个端板1、两个绝缘垫片2、两个集电板3、两个极板和两个固定垫片5，两个所述端板之间通过若干螺栓副6锁固在一起，将依次设置的一个所述绝缘垫片、一个所述集电板、一个所述极板、两个所述固定垫片、另一个所述极板、另一个所述集电板、另一个所述绝缘垫片夹紧固定在一起，所述固定垫片中部形成有限位槽501，两个所述极板中部朝向所述限位槽一面均形成有工作腔室401，所述工作腔室的开口处形成有栅栏结构402，待测试的膜电极7的nafion膜夹持定位于两个所述固定垫片之间，使膜电极的阴极及阳极容置于两个所述固定片的两个限位槽内，并使膜电极夹紧固定于两个所述极板的两个栅栏结构之间，一个所述极板均为单电极测试板410，一个极板为普通极板420，所述单电极测试板一侧形成有用于插置参比电极8的电极插孔9，所述电极插孔连通所述工作腔室，所述电极插孔内表面形成有绝缘涂层；所述极板上还形成有连通所述工作腔室的腔室进口10和腔室出口11。这样，进行膜电极测试时，可以将膜电极阳极的极板设置为单电极测试板，将膜电极的阴极设置为普通极板，测试时，在单电极测试板的电极插孔内插入参比电极，将燃料(甲醇溶液)通入单电极测试板的工作腔室，在普通极板内通入氧气，即可让膜电极(MEA)处于正常工作状态，就可以测试膜电极单电极(阳极)的电化学性能。具体测试时，单电极测试板端(比如膜电极的阳极端)的集电板接工作电极，燃料电池氧气端接对电极，这样，工作电极、对电极、以及插入单电极测试板的参比电极分别与电化学工作站的相应接线柱连接，进行三电极体系条件下的电化学测试，如交流阻抗，循环伏安等；将工作电极、对电极分别与负载仪相应接线柱连接，可进行充放电测试。
上述结构中，栅栏结构用于支撑待测试的膜电极，比如栅栏结构为多条平行间隔设置的栏杆，栏杆向工作腔室内凸，使单电极测试板表面光滑平整，这样，单电极测试板可以与另一块极板共同夹紧膜电极，并可使燃料可以经栅栏结构进入到膜电极。
上述结构中，电极插孔内的绝缘涂层，用于阻止参比电极与单电极测试板本体直接相连，影响测量，同时可以起到卡住参比电极，阻止工作腔室内燃料从电极插孔溢出。
上述结构中，集电板用于接对电极，与参比电极分开，可以提高检测的准确性。优选的，集电板选用铜板。
优选的，所述单电极测试板呈长方形或正方形或圆形。但不限于此，还可以是其他规则或不规则的形状设计。单电极测试极板要较厚较大，方便多次进行拆卸装配而不易损坏。
优选的，所述单电极测试板的制作材料为石墨或金属。但不限于此，单电极测试板的制作材料还可以是可加工成固定形状的其他导电材料。
优选的，单电极测试板为方形的石墨板。
优选的，所述电极插孔分为两段，远离所述工作腔室的一段的内径大于靠近所述工作腔室的一段的内径，两段之间通过斜坡连接。电极插孔与单电极测试板的工作腔室连通，供参比电极从单电极测试板外插入到单电极测试板的内部的工作腔室内。将插孔分为两段，比如，远离工作腔室的一段的长度占总长度的2/3，靠近工作腔室的一段的长度占总长度的1/3，同时，将远离工作腔室的一段的内径设计为大于靠近工作腔室的一段的内径，两段之间形成一定的坡度，可以起到控制参比电极插入深度，同时可以卡住参比电极的作用。
优选的，所述绝缘涂层的材料为具有柔软性质的聚合物。比如，材料可为橡胶，由于绝缘涂层具有柔软的性质，可以起到一定的密封和绝缘的作用。
作为一种优选实施例，单电极测试板呈方形，所述腔室进口与所述腔室出口位于所述单电极测试板的相对的两侧，比如位于左右两侧，电极插孔位于上侧或下侧，这样，腔室进口及所述腔室出口与所述电极插孔位于不同的侧面，便于测试操作，所述腔室进口与所述腔室出口之间形成高度差，所述腔室出口靠近所述电极插孔。
优选的，所述腔室进口和所述腔室出口的内侧开有螺纹。这样，腔室进口及腔室出口可以通过接头快速连接储存的燃料的装置。
优选的，两个所述端板中至少一个上设于棒孔12，所述棒孔内插置有电阻棒。电阻棒配合温度控制仪器可进行温度控制。
本发明测试装置的单电极测试板可以适应膜电极的大小，形状调整大小，形状，使任何规格的膜电极都可以进行单电极检测。
应用本实施例测试装置进行燃料电池工作状态下单电极电化学测试时，在单电极测试板的电极插孔内插入参比电极，将燃料(甲醇溶液)通入单电极测试板的工作腔室，在普通极板内通入氧气，即可让膜电极(MEA)处于正常工作状态，进行膜电极单电极(阳极)的电化学性能测试。从而实现在燃料电池工作状态下，对燃料电池的单电极的电极电势进行测量，进而准确检测到燃料电池实际工作状态下单电极的性能参数。
实施例2
本实施例2包括实施例1的所有技术特征，其区别在于，将膜电极阴极的极板设置为单电极测试板，插入参比电极，将膜电极的阳极设置为普通极板，测试时，通入液态氧化物后可进行氧化物端单电极电化学检测。
实施例3
如图2所示，本实施例3包括实施例1的所有技术特征，其区别在于，同时将膜电极阴极的极板也设置为单电极测试板，插入参比电极，测试时，通入液态氧化物后可进行氧化物端单电极电化学检测。即可以同时得到膜电极阴、阳极单电极的性能参数。
本发明测试装置可以作为一个单电池，进行MEA整体性能的原位检测。比如依次将一个所述绝缘垫片、一个所述集电板、一个所述极板、两个所述固定垫片、另一个所述极板、另一个所述集电板、另一个所述绝缘垫片放置于一个端板上，将另一个端板盖上，用螺栓副进行固定即可装配成单电极，再配合其他测试装置，就可以进行单电极的电化学性能测试，膜电极的阳极通入液体燃料可以实现燃料端的单电极测试，同时，如果膜电极阴极通入的是液体氧化剂，可以用单电极测试板替换掉阴极的普通极板，进行氧化剂端的单电极测试。与现有技术相比，本发明解决了燃料电池只能测试燃料电池(膜电极)整体工作状态下的性能参数，而不能测试工作状态下单电极性能参数的问题。
本发明适用于所有燃料为液态的燃料电池检测，同时，可以实现液态操作的燃料电池也在本测试装置的适用范围之内。
本发明易操作，易维护，不仅适合经验丰富的科研人员使用，也适合初学者使用。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：包括两个端板(1)、两个绝缘垫片(2)、两个集电板(3)、两个极板和两个固定垫片(5)，两个所述端板之间通过若干螺栓副(6)锁固在一起，将依次设置的一个所述绝缘垫片、一个所述集电板、一个所述极板、两个所述固定垫片、另一个所述极板、另一个所述集电板、另一个所述绝缘垫片夹紧固定在一起，所述固定垫片中部形成有限位槽(501)，两个所述极板中部朝向所述限位槽一面均形成有工作腔室(401)，所述工作腔室的开口处形成有栅栏结构(402)，待测试的膜电极(7)的nafion膜夹持定位于两个所述固定垫片之间，使膜电极的阴极及阳极容置于两个所述固定片的两个限位槽内，并使膜电极夹紧固定于两个所述极板的两个栅栏结构之间，两个所述极板中至少一个为单电极测试板，所述单电极测试板一侧形成有用于插置参比电极(8)的电极插孔(9)，所述电极插孔连通所述工作腔室，所述电极插孔内表面形成有绝缘涂层；所述极板上还形成有连通所述工作腔室的腔室进口(10)和腔室出口(11)。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述单电极测试板呈长方形或正方形或圆形。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述单电极测试板的制作材料为石墨或金属。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述电极插孔分为两段，远离所述工作腔室的一段的内径大于靠近所述工作腔室的一段的内径，两段之间通过斜坡连接。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述绝缘涂层的材料为具有柔软性质的聚合物。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述腔室进口与所述腔室出口位于所述极板的相对的两侧，且所述腔室进口及所述腔室出口与所述电极插孔位于不同的侧面，所述腔室进口与所述腔室出口之间形成高度差，所述腔室出口靠近所述电极插孔。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：所述腔室进口和所述腔室出口的内侧开有螺纹。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池工作状态下单电极电化学测试的测试装置，其特征在于：两个所述端板中至少一个上设于棒孔(12)，所述棒孔内插置有电阻棒。
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CN112349934A (zh) * 2021-01-05 2021-02-09 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种膜电极组件生产质量快速抽检方法

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