CN111458398A - 燃料电池用催化剂材料加速评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法，将待测催化剂材料制备成燃料电池，之后将燃料电池进行活化，对经活化后的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极初始电化学活性面积S初始，再将燃料电池进行反极，最后对经过反极的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极衰减后电化学活性面积S衰减后，按公式(1)计算得到使用待测催化剂材料制备的燃料电池阳极催化剂层的电化学活性面积衰减率m。本发明方法简单可行，效率较高，数据较准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法。
背景技术
催化剂是燃料电池膜电极的关键组分之一，催化剂材料的优劣直接决定燃料电池的性能及寿命。目前常用的催化剂耐久性评价方法一般为离线方法，即将催化剂制成浆料后在三电极体系中进行循环伏安测试，离线测试因脱离电池运行实际，因此其结果不能完全代表电池工作过程中催化剂材料的衰减特征；另一方面，燃料电池运行过程中又涉及多种工况和多种关键材料，因此存在复杂的衰减过程和多种衰减机制，故常规在线寿命测试如工况循环、启停循环等难以针对催化剂材料进行耐久性考察。
发明内容
本发明旨在提供一种简单可行、效率较高、数据较准确的燃料电池用催化剂材料加速评价方法。
本发明通过以下方案实现：
一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法，将待测催化剂材料制备成阳极催化剂浆料，将阳极催化剂浆料涂覆在质子交换膜的一面形成阳极催化剂层，阳极催化剂层的铂载量一般控制为0.05～0.15mg/cm2，在质子交换膜的另一面涂覆上常规阴极催化剂浆料形成阴极催化剂层，阴极催化剂层的铂载量一般控制为0.2～0.5mg/cm2，在阴极催化剂层、阳极催化剂层的外侧面上分别覆盖气体扩散层制得燃料电池，之后将燃料电池进行活化，对经活化后的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极初始电化学活性面积S初始，再将燃料电池进行反极，反极的具体工艺为：将燃料电池两端外接恒流源，阳极采取将氢气切换成氮气或减小氢气流量的方式使得燃料电池缺氢，同时通过恒流源使燃料电池保持恒定的放电电流并在燃料电池电压为一定负值后切断恒流源，放电电流密度为100～500mA/cm2，即完成反极步骤；最后对经过反极的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极衰减后电化学活性面积S衰减后，按公式(1)计算得到使用待测催化剂材料制备的燃料电池阳极催化剂层的电化学活性面积衰减率m：
燃料电池反极步骤中，要使燃料电池的电压为一定负值，一般控制持续恒流放电时间为5～10min即可。阳极催化剂浆料的制备方法按现有技术进行，燃料电池的制备方法按现有技术进行。
电化学活性面积测试的步骤按现有电化学活性面积测试方法进行，具体为：将燃料电池连接电化学工作站，燃料电池温度控制在70～80℃，阴极通100％加湿H2作为对电极和参比电极，H2流量为100～300mL/min；阳极通100％加湿N2作为工作电极，N2流量为200～500mL/min；吹扫时间为4h以上，吹扫完毕后，打开CV测试工作页面，设置扫描区间为0V～1.2V，扫描速度为20mV/s。
进一步地，所述活化的工艺为：将燃料电池置于温度为70～80℃环境下进行强制变流活化3～5h。
本发明的燃料电池用催化剂材料加速评价方法，简单可行，可较快地得到使用待测催化剂材料制备的燃料电池阳极催化剂层的电化学活性面积衰减率，测试效率较快，从而可快速评价待测催化剂材料的耐久性，提高催化剂材料耐久性课题的研究效率。本发明的燃料电池用催化剂材料加速评价方法，由于缺氢造成的反极主要导致阳极催化剂层的衰减，因此测试数据较为准确且具有针对性，可靠性较好。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法，按以下步骤进行：
a燃料电池制备：将待测催化剂材料制备成阳极催化剂浆料，将阳极催化剂浆料涂覆在质子交换膜的一面形成阳极催化剂层，阳极催化剂层的铂载量控制为0.08mg/cm2，在质子交换膜的另一面涂覆上常规阴极催化剂浆料形成阴极催化剂层，阴极催化剂层的铂载量控制为0.35mg/cm2，在阴极催化剂层、阳极催化剂层的外侧面上分别覆盖气体扩散层制得燃料电池；
b活化：将燃料电池置于温度为75℃环境下进行强制变流活化3h；
c获取阳极初始电化学活性面积S初始：将燃料电池连接电化学工作站，燃料电池温度控制在75℃，阴极通100％加湿H2作为对电极和参比电极，H2流量为200mL/min，阳极通100％加湿N2作为工作电极，N2流量为500mL/min，吹扫时间为4h以上，吹扫完毕后，打开CV测试工作页面，设置扫描区间为0V～1.2V，扫描速度为20mV/s，得到阳极初始电化学活性面积S初始；
d反极：将燃料电池进行反极，反极的具体工艺为：将燃料电池两端外接恒流源，阳极采取将氢气切换成氮气的方式使得燃料电池缺氢，同时将恒流源设定为200mA/cm2使燃料电池保持恒定的放电电流(放电电流密度即为200mA/cm2)并在持续恒流放电8min使得燃料电池电压为一定负值后切断恒流源，即完成反极步骤；
e获取阳极衰减后电化学活性面积S衰减后：将经过反极的燃料电池连接电化学工作站，燃料电池温度控制在75℃，阴极通100％加湿H2作为对电极和参比电极，H2流量为200mL/min，阳极通100％加湿N2作为工作电极，N2流量为500mL/min，吹扫时间为4h以上，吹扫完毕后，打开CV测试工作页面，设置扫描区间为0V～1.2V，扫描速度为20mV/s，得到阳极衰减后电化学活性面积S衰减后；
f按公式(1)计算得到使用待测催化剂材料制备的燃料电池阳极催化剂层的电化学活性面积衰减率m：
实施例2
一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法，其步骤与实施例1中的燃料电池用催化剂材料加速评价方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、步骤a中，阳极催化剂层的铂载量控制为0.1mg/cm2，阴极催化剂层的铂载量控制为0.45mg/cm2；
2、步骤b中，将燃料电池置于温度为80℃环境下进行强制变流活化5h；
3、步骤c、e中，燃料电池温度控制在80℃，H2流量为100mL/min，N2流量为250mL/min；
4、步骤d中，阳极采取减小氢气流量的方式使得燃料电池缺氢，恒流源设定为400mA/cm2(放电电流密度即为400mA/cm2)，持续恒流放电时间为5min。
Claims (2)
1.一种燃料电池用催化剂材料加速评价方法，其特征在于：将待测催化剂材料制备成阳极催化剂浆料，将阳极催化剂浆料涂覆在质子交换膜的一面形成阳极催化剂层，在质子交换膜的另一面涂覆上常规阴极催化剂浆料形成阴极催化剂层，在阴极催化剂层、阳极催化剂层的外侧面上分别覆盖气体扩散层制得燃料电池，之后将燃料电池进行活化，对经活化后的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极初始电化学活性面积S初始，再将燃料电池进行反极，反极的具体工艺为：将燃料电池两端外接恒流源，阳极采取将氢气切换成氮气或减小氢气流量的方式使得燃料电池缺氢，同时通过恒流源使燃料电池保持恒定的放电电流并在燃料电池电压为一定负值后切断恒流源，放电电流密度为100～500mA/cm2；最后对经过反极的燃料电池的阳极进行电化学活性面积测试得到阳极衰减后电化学活性面积S衰减后，按公式(1)计算得到使用待测催化剂材料制备的燃料电池阳极催化剂层的电化学活性面积衰减率m：
2.如权利要求1所述的燃料电池用催化剂材料加速评价方法，其特征在于：所述活化的工艺为：将燃料电池置于温度为70～80℃环境下进行强制变流活化3～5h。
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