CN111595912A - 模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池及测试方法，该立式电化学池包括电解池本体、电解池盖、夹装组件、密封组件和加压组件，电解池盖上开设测试窗口、电解池气体逸散出口和电解液添加预留口，电解池本体中设有参比电极、对电极和还原气体导管，夹装组件为两片式结构用于夹设测试样品，夹装组件置于测试窗口中，夹装组件底面设有供电解液透过并接触测试样品的槽口，密封组件上设有工作电极，密封组件设置在夹装组件上且工作电极与夹装组件顶面接触，密封组件上设有氧化气体通孔，加压组件固定在电解池盖上方，测试时加压组件向密封组件施加压紧力。与现有技术相比，本发明提供了原位测试条件、提高了测试准确性和测试效率。

Description

模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池及测试方法

技术领域

本发明涉及一种立式电化学测量池，尤其是涉及一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池及测试方法。

背景技术

在当今世界能源格局深度调整、全球应对气候变化行动加速、资源环境约束不断加强的复杂背景下，氢能已经被认为是世界能源与动力转型的重大战略方向之一，备受世界各国关注。氢能的应用途径多种多样，包括燃料电池、燃气轮机、氢气内燃机、普通燃烧等多种方式。燃料电池是目前氢能应用的最重要方式之一，由于不需要经过热机的卡诺循环，相对于内燃机具有更高的潜在效率，同时不存在因氢气燃烧产生的氮氧化物排放，是氢能利用的最理想方式。燃料电池正处在商业化应用的初期阶段，面临着寿命不足、成本偏高等问题，亟需对其内部的双极版、膜电极等关键部件进行进一步的研究，提高相关部件的寿命，减少内部贵金属用量，因此需要对双极板、膜电极进行精细化设计，并进行大量的测试与验证实验。在测试实验中，有原位实验与离位实验两种，原位实验是指将部件放在真实的燃料电池中进行相关的测试，耗时较长、成本较高、干扰因素较多，为了更快速的测量关键部件的某些性能，可以进行离位测试，在电化学方面通常使用电化学测量池，可以方便、快捷、成本低廉地对关键部件的样品进行电化学实验，以表征相关的性能。

经过对现有技术的文献检索发现，目前的电化学测试的研究集中在通用材料与部件的电化学腐蚀测量，以表征普通样品的电化学性能。

中国专利CN105758906A：一种电化学测试装置公开了一种特别适用于难焊接、难线切割金属的电化学测试装置，能够精确控制电极之间的距离并且快速更换工作电极。

中国专利CN206497017U：一种腐蚀电化学测试装置公开了一种包括电解池、电化学测试装置、加热装置和保温装置的腐蚀电化学测试装置，可以模拟多种复杂腐蚀气体环境下的材料腐蚀过程。

中国专利CN2581991Y：一种密闭式恒温电化学测量池公开了一种可以控制反应温度的电化学测量池，通过液态水控制反应室的温度，使反应的进行不受环境温度影响，并可在伸入电极和气体导管时保持密封，但该发明并不是针对燃料电池部件进行测试，测试条件过于宽泛，不利于控制实验变量。

中国专利CN101004403A：电化学测试用电解池公开了一种包含上盖板、下盖板以及套筒组成的电化学测试电解池，使用塑料材质，能够方便、牢固地将样品加装在电解质底部，并且避免了钢铁类材质腐蚀带来的实验偏差，该电解池可以用来进行燃料电池膜电极的电化学测试实验，但是使用过程中膜电极位于测试池底部，长时间的电解液浸泡会对膜电极产生结构与电化学方面的影响，无法准确反映膜电极的特性。

中国专利CN102735604A：用于腐蚀电化学测量的电解池公开了一种可以夹紧并测试片状材料的腐蚀电化学性能的电解池，能够实现测试样品的快速夹装和实验装置的组装，可以在保持工作电极的密封性能的同时，满足从室温到沸腾条件下的恒温电化学测试。虽然该装置可以测试薄片状结构的膜电极，但是无法对膜电极进行较为紧密的禁锢，会导致膜电极浸泡在电解质中之后，因为不同层状材质膨胀程度不同而导致的分层，不能模拟燃料电池中的原位状态，导致测试结果不准确，不能满足燃料电池的关键部件测试需要。

现有的相关研究虽然提到了各类能够对通用样品进行测试的电化学测试池，大多也进行了恒温设计，但是都没有针对燃料电池的关键部件进行设计，不能保证同时出现电解质、反应气体，无法保证电化学测试时样品的原位条件，不能保证测试过程中膜电极及类似组件全平面的，造成得到的数据不准确，不能通过离位实验反映原位性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池及测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，包括电解池本体，所述的电解池本体上设有与其密封的电解池盖，所述的电解池盖上开设放置测试样品的测试窗口、电解池气体逸散出口和电解液添加预留口，所述的电解池本体中设有参比电极、对电极和还原气体导管，该立式电化学池还包括夹装组件、密封组件和加压组件，所述的夹装组件为两片式结构，测试样品夹设于夹装组件中，所述的夹装组件置于测试窗口中，夹装组件底面设有供电解液透过并接触测试样品的槽口，所述的密封组件上设有工作电极，所述的密封组件设置在夹装组件上且所述的工作电极与夹装组件顶面接触，所述的密封组件上设有氧化气体通孔，所述的加压组件固定在电解池盖上方，测试时所述的加压组件向密封组件施加垂直向下的压力。

所述的夹装组件包括样品夹板和流场板，所述的样品夹板上开设有多条贯穿样品夹板上下表面且平行设置的条状槽口，所述的流场板下表面上对应于样品夹板的条状槽口位置处开设有条状流场槽，所述的测试样品平铺夹设在所述的样品夹板和流场板之间。

所述的条状槽口和条状流场槽的宽度相等，其宽度范围为0.5mm～3mm。

所述的密封组件包括密封盖和密封圈，所述的密封盖内圈形状和大小均与所述的夹装组件匹配，所述的密封圈镶设在所述的密封盖内圈中，所述的工作电极嵌设在密封盖内表面上。

所述的加压组件包括顶盖支架、加压支架、加压机、加压推杆和压板，所述的顶盖支架可拆卸式安装在电解池盖上，所述的加压机通过所述的加压支架固定在顶盖支架上方，所述的加压推杆贯穿顶盖支架垂直设置在顶盖支架中部，所述的加压推杆一端连接所述的加压机，另一端连接所述的压板，加压时，所述的压板与所述的密封组件上表面贴合。

所述的电解池本体包括电解池底座和电解池水套，所述的电解池底座上设有安装电解池水套的底座槽，所述的电解池水套密封安装在所述的底座槽上形成电解液容纳腔，所述的电解池盖密封安装在电解池水套顶部。

所述的电解池本体上设有用于显示电解液液位的液位计，所述的液位计位于电解池水套外侧并与电解液容纳腔连通。

所述的液位计上对应于夹装组件中的测试样品下表面位置处设有标记线，所述的标记线用于在测试时当电解液容纳腔中的电解液液位到达标记线所标记位置时停止加注电解液。

所述的电解池盖中部区域向下凹陷形成下凹平面，所述的测试窗口开设在下凹平面上，所述的电解池盖上对应于还原气体导管和参比电极位置处对应处开设有气体导管预留孔和参比电极预留孔。

一种模拟燃料电池原位测试的测试方法，该方法基于上述立式电化学测量池，该方法包括如下步骤：

S1、向电解池本体中注入电解液且液面不高于测试窗口；

S2、将夹设有测试样品的夹装组件平放安装在测试窗口位置处，将密封组件密封设置在夹装组件上；

S3、启动加压组件向密封组件施加垂直向下的压力，压紧测试样品；

S4、通过电解液添加预留口向电解池本体中添加电解液直至液面超过测试样品下表面位置；

S5、将参比电极、对电极和工作电极连接至电化学工作站，通过氧化气体通孔和还原气体导管通入相应氧化气体和还原气体进行电化学测试。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明测试过程中为样品提供酸性环境、原位结构、原位界面、反应气体等原位测试条件，可以用来测试燃料电池中的膜电极及类似组件样品，避免使用燃料电池测试平台，并且能够加速样品的测试流程，从而便捷、低成本、精确地分析样品的电化学性能与耐久性，以提升膜电极及类似组件的开发、测试效率；

(2)本发明采用类似双极板结构的样品夹板与流场板夹紧样品，能够保证整个平面上样品较为均匀的受力，因此能够防止膜电极测试样品在浸泡过程中不同层状结构吸水膨胀程度不同导致的样品分层，能够增加实验的准确性。

(3)本发明夹装组件通过设置贯穿样品夹板上下表面的条状槽口和流场板下表面的条状流场槽，能够模拟燃料电池中膜电极的受应力状态，并且向测试样品表面提供反应气体，使电化学测试具有燃料电池酸性环境、原位结构、原位界面、反应气体等原位测试条件，使离位实验能更准确的反应样品的原位性能，大幅提升样品的测试效率；

(4)本发明采用标记线对液位计上对应于测试样品下表面高度位置进行标定，因此能够准确反映电解池中液面的高度，使样品下表面持续接触电解质，同时没有过大的液体压力，保证实验的准确性，并且能够在长时间的测试过程中保持液位的高度，保证耐久性测试的有效性。

附图说明

图1为本发明模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池的结构示意图；

图2为本发明电解池盖的结构示意图；

图3为本发明膜电极测试样品示意图；

图4为本发明一般电化学测量池测试膜电极样品过程中质子交换膜吸水过程状态变化示意图。

图中，1为加压机，2为加压支架，3为加压推杆，4为压板，5为顶盖支架， 6为参比电极，7为电解池盖，8为电解池出水口，9为电解池水套，10为电解池进水口，11为电解池底座，12为密封组件，13为工作电极，14为流场板，15为还原气体导管，16为测试样品，17为样品夹板，18为液位计，19为电解液，20 为对电极，71为盖体，72为电解池气体逸散出口，73为加压组件安装预留孔，74 为参比电极预留孔，75为电解池盖安装预留孔，76为测试窗口，77为凹陷边界， 78为气体导管预留孔，79为电解液添加预留口，161为质子交换膜，162为催化层，163为微孔层，164为气体扩散层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，包括电解池本体，电解池本体上设有与其密封的电解池盖7，电解池盖7上开设放置测试样品16 的测试窗口76、电解池气体逸散出口72和电解液添加预留口79，电解池本体中设有参比电极6、对电极20和还原气体导管15，该立式电化学池还包括夹装组件、密封组件12和加压组件，夹装组件为两片式结构，测试样品16夹设于夹装组件中，夹装组件置于测试窗口76中，夹装组件底面设有供电解液19透过并接触测试样品 16的槽口，密封组件12上设有工作电极13，密封组件12设置在夹装组件上且工作电极13与夹装组件顶面接触，密封组件12上设有氧化气体通孔，加压组件固定在电解池盖7上方，测试时加压组件向密封组件12施加垂直向下的压力。

电解池本体包括电解池底座11和电解池水套9，电解池底座11上设有安装电解池水套9的底座槽，电解池水套9密封安装在底座槽上形成电解液容纳腔，电解池盖7密封安装在电解池水套9顶部，电解池水套9上有电解池出水口8和电解池进水口10，可以为电解池提供温度管理。电解池本体上设有用于显示电解液19液位的液位计18，液位计18位于电解池水套9外侧并与电解液19容纳腔连通。液位计18上对应于夹装组件中的测试样品16下表面位置处设有标记线，标记线用于在测试时当电解液容纳腔中的电解液19液位到达标记线所标记位置时停止加注电解液19。

如图2所示，电解池盖7的盖体71中部区域向下凹陷形成下凹平面，测试窗口76开设在下凹平面上。在凹陷边界77外侧的电解池盖7上对应于还原气体导管 15和参比电极6位置处对应处开设有气体导管预留孔78和参比电极预留孔74，电解池盖7凹陷区域两侧侧面设有加强筋，增加其强度。在凹陷边界77外侧，电解池盖7上还对称分布4个加压组件安装预留孔73和4个电解池盖安装预留孔75，加压组件安装预留孔73用于通过螺栓将加压组件固定其上，电解池盖安装预留孔 75用于通过螺栓将电解池盖7与电解池底座11固定连接。

夹装组件包括样品夹板17和流场板14，样品夹板17上开设有多条贯穿样品夹板17上下表面且平行设置的条状槽口，流场板14下表面上对应于样品夹板17 的条状槽口位置处开设有条状流场槽，样品夹板17和流场板14上未被开槽部分形成脊，测试样品16平铺夹设在样品夹板17和流场板14之间，且样品夹板17和流场板14的脊一一对应抵触，条状槽口和条状流场槽的宽度相等，其宽度范围为 0.5mm～3mm，样品夹板17和流场板14上脊的面积占比分别达到0.2～0.8。在电解池体系中，样品夹板17和流场板14搭配使用，应当保证样品在夹持过程中不收到剪切应力。样品夹板17使用绝缘体制作，流场板14用导电良好的材料制作，如石墨、金属等，同时二者应当耐受电解液19的腐蚀。针对不同型号的燃料电池，可以更换不同的样品夹板17、流场板14使用，以模拟燃料电池中膜电极的原位条件。

密封组件12包括密封盖和密封圈，密封盖内圈形状和大小均与夹装组件匹配，密封圈镶设在密封盖内圈中，工作电极13嵌设在密封盖内表面上。密封组件12 配合工作电极13向样品施加均匀的夹紧力，保持样品的密封，防止气体与液体泄漏，同时通过预留的氧化气体通孔向样品持续通入所需氧化气体，工作电极13构成三电极体系的工作电极13，向样品流场板14施加均匀的夹紧力，保持与流场板 14的良好电路联通。

加压组件包括顶盖支架5、加压支架2、加压机1、加压推杆3和压板4，顶盖支架5可拆卸式安装在电解池盖7上，顶盖支架5采用2条交叉设置的筋条，筋条中间区域向上拱起，筋条两端固定在电解池盖7上，加压机1通过加压支架2固定在顶盖支架5中间拱起区域上方，加压推杆3贯穿顶盖支架5垂直设置在顶盖支架 5中部，加压推杆3一端连接加压机1，另一端连接压板4，加压时，压板4与密封组件12上表面贴合。加压机1为密封盖提供压紧力，固定测试样品16，保证密封，并对样品施加压应力，以模拟燃料电池原位状态。加压机1可为气缸式加压机 1、液压式加压机1或电磁式加压机1。

测试样品16为燃料电池中的膜电极组件，也可为类似多层薄片状样品，适用于本发明中电化学测试池的膜电极测试样品16参考图3，包括质子交换膜161、催化层162、微孔层163和气体扩散层164。本发明中的电化学测试使用三电极体系，包含工作电极13、对电极20与参比电极6，在测试时连接至电化学工作站相应接口，并将样品安装完成后即可进行测试。

一种模拟燃料电池原位测试的测试方法，该方法基于上述立式电化学测量池，该方法包括：

首先，组装电解池，将电解池底座11放置于平面上，电解池水套9置于底座槽上，两者之间有密封圈进行密封，将液位计18安装在电解池底座11上，保持液位计18内部与电解池内部联通。将参比电极6、还原气体导管15安装在电解池盖 7上，并将安装好的电解池盖7安装在电解池水套9上，两者之间用密封圈进行密封，并用螺栓将电解池盖7与电解池底座11进行连接与紧固，之后将液位计18 顶端连接在电解池盖7预留位置，保证液位计18可以正常显示电解池内部液位；

电解池安装完成后，将预先配置的电解液19从尚未安装的样品夹板17处测试窗口76倒入电解池，保持液面略低于样品夹板17高度，之后将样品夹板17安装到预留槽位中，并将测试样品16质子交换膜一面朝下，平整地放置在样品夹板17 上；

样品放置完成后，将顶盖支架5安装在电解池盖7上，操作加压机1推动加压推杆3，将密封盖压紧，测试样品16均匀受力，并且周围有密封圈防止气体与液体泄漏，并进一步加压，达到预定压力，测试样品16被压紧后，从电解池盖7上的电解液添加预留口19处加入少量预配置的电解质直至液位计18中液面超过样品下表面的刻度线，并将电解池微幅震荡，直至样品表面没有残余气泡；

最后，将参比电极6、对电极20和工作电极13连接至电化学工作站，通过氧化气体通孔和还原气体导管15通入相应氧化气体和还原气体进行电化学测试。

对于一般的电化学测量池，由于样品的夹装一般采用圆孔或者方孔，导致样品中心不受夹紧力，不符合燃料电池中膜电极的实际状态，使得样品的测试不具备燃料电池中的原位条件。参照图4为一般电化学测量池测试膜电极样品过程中质子交换膜吸水过程状态变化示意图，图4的(a)为质子交换膜吸水前的状态示意图，图4的(b)为质子交换膜吸水后的状态示意图，由于接触到电解液19后，膜电极中的不同层结构会吸水溶胀，每层膨胀程度不同，其中靠近电解液19的质子交换膜膨胀程度最大，因此样品会向电解液19鼓起，样品不同层之间或者样品与夹板中间会形成液体腔，干扰电化学测试的正常进行，无法得到准确的电化学测试结果。

本发明中对于膜电极测试样品16的夹装，使用了样品夹板17与流场板14搭配的形式，保证样品的受力情况与在燃料电池中接近，同时由于样品夹板17与流场板14的支撑条间距较小，能够避免样品中不同层结构接触到电解液19后，产生不同程度的溶胀现象而导致的液体空腔，保证测试结果的准确，能够改进一般电化学测量池在测试燃料电池膜电极样品中的问题。同时在密封盖上有气体通孔，可以向流场板14下的样品通入不同的气体，以满足特定的实验需求。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，包括电解池本体，所述的电解池本体上设有与其密封的电解池盖(7)，所述的电解池盖(7)上开设放置测试样品(16)的测试窗口(76)、电解池气体逸散出口(72)和电解液添加预留口(79)，所述的电解池本体中设有参比电极(6)、对电极(20)和还原气体导管(15)，其特征在于，该立式电化学池还包括夹装组件、密封组件(12)和加压组件，所述的夹装组件为两片式结构，测试样品(16)夹设于夹装组件中，所述的夹装组件置于测试窗口(76)中，夹装组件底面设有供电解液(19)透过并接触测试样品(16)的槽口，所述的密封组件(12)上设有工作电极(13)，所述的密封组件(12)设置在夹装组件上且所述的工作电极(13)与夹装组件顶面接触，所述的密封组件(12)上设有氧化气体通孔，所述的加压组件固定在电解池盖(7)上方，测试时所述的加压组件向密封组件(12)施加垂直向下的压力。

2.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的夹装组件包括样品夹板(17)和流场板(14)，所述的样品夹板(17)上开设有多条贯穿样品夹板(17)上下表面且平行设置的条状槽口，所述的流场板(14)下表面上对应于样品夹板(17)的条状槽口位置处开设有条状流场槽，所述的测试样品(16)平铺夹设在所述的样品夹板(17)和流场板(14)之间。

3.根据权利要求2所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的条状槽口和条状流场槽的宽度相等，其宽度范围为0.5mm～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的密封组件(12)包括密封盖和密封圈，所述的密封盖内圈形状和大小均与所述的夹装组件匹配，所述的密封圈镶设在所述的密封盖内圈中，所述的工作电极(13)嵌设在密封盖内表面上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的加压组件包括顶盖支架(5)、加压支架(2)、加压机(1)、加压推杆(3)和压板(4)，所述的顶盖支架(5)可拆卸式安装在电解池盖(7)上，所述的加压机(1)通过所述的加压支架(2)固定在顶盖支架(5)上方，所述的加压推杆(3)贯穿顶盖支架(5)垂直设置在顶盖支架(5)中部，所述的加压推杆(3)一端连接所述的加压机(1)，另一端连接所述的压板(4)，加压时，所述的压板(4)与所述的密封组件(12)上表面贴合。

6.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的电解池本体包括电解池底座(11)和电解池水套(9)，所述的电解池底座(11)上设有安装电解池水套(9)的底座槽，所述的电解池水套(9)密封安装在所述的底座槽上形成电解液容纳腔，所述的电解池盖(7)密封安装在电解池水套(9)顶部。

7.根据权利要求6所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的电解池本体上设有用于显示电解液(19)液位的液位计(18)，所述的液位计(18)位于电解池水套(9)外侧并与电解液容纳腔连通。

8.根据权利要求7所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的液位计(18)上对应于夹装组件中的测试样品(16)下表面位置处设有标记线，所述的标记线用于在测试时当电解液容纳腔中的电解液(19)液位到达标记线所标记位置时停止加注电解液(19)。

9.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池原位测试的立式电化学测量池，其特征在于，所述的电解池盖(7)中部区域向下凹陷形成下凹平面，所述的测试窗口(76)开设在下凹平面上，所述的电解池盖(7)上对应于还原气体导管(15)和参比电极(6)位置处对应处开设有气体导管预留孔(78)和参比电极预留孔(74)。

10.一种模拟燃料电池原位测试的测试方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～9任意一项所述的立式电化学测量池，该方法包括如下步骤：

S1、向电解池本体中注入电解液(19)且液面不高于测试窗口(76)；

S2、将夹设有测试样品(16)的夹装组件平放安装在测试窗口(76)位置处，将密封组件(12)密封设置在夹装组件上；

S3、启动加压组件向密封组件(12)施加垂直向下的压力，压紧测试样品(16)；

S4、通过电解液添加预留口(79)向电解池本体中添加电解液(19)直至液面超过测试样品(16)下表面位置；

S5、将参比电极(6)、对电极(20)和工作电极(13)连接至电化学工作站，通过氧化气体通孔和还原气体导管(15)通入相应氧化气体和还原气体进行电化学测试。

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