CN111766517B - 一种新型燃料电池模具 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种新型燃料电池测试模具，该电池模具包括聚四氟乙烯外壳、两个不锈钢气室（外部分别有进气通道和出气通道和内部中空部分连通），中间电解液室、气体扩散电极和电极连接端子，本发明适合在液体条件下测试或评估电催化剂在燃料电池中的催化性能，可以测试酸性和碱性体系燃料电池，并且可以用于测试金属空气电池等，具有较广的通用性。此外，本燃料电池模具还具有组装方便、调整灵活、适用性广等特性,对于测试燃料电池电极材料和空气电池电极材料非常便捷，成本低。

Description

一种新型燃料电池模具
技术领域
本发明涉及化学电源领域，尤其涉及一种新型燃料电池测试模具。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能并储存起来的发电装置，燃料电池能量转换不受卡诺循环效应的限制、发电效率极高转化率可高达40%～60%。与此同时，燃料经过电化学过程直接转变成为产物，在整个能量转化过程中也几乎不排放氮氧化物和硫氧化物等大气污染物，产物多为水，可以有效解决目前传统化石能源枯竭和环境污染两大问题。因此近年来已经成为能源领域的重点研究对象；
虽然燃料电池在一些方面有着较大的优越性，但在寿命、稳定性等方面还存在着诸多问题，相对较高的成本一直是燃料电池推广的瓶颈之一。其较高的成本主要来自电催化剂，尤其是阴极电催化剂。为了加速阴极氧气还原反应，能够减少该因素造成的电压损失，在实际应用中，通常会使用大量的Pt作为阴极电化学催化剂，这就造成了燃料电池成本的大幅度上升。因此，减少Pt等贵金属的使用量甚至设计新型非Pt基催化剂，降低燃料电池的成本以及提高寿命和稳定性成为了当前的热点研究问题；
从目前的研究进展来看，可替代铂催化剂在酸性燃料电池中的非贵金属催化剂较少，但在碱性条件下比铂催化剂优异的电催化剂越来越多，但从目前来看，很少有催化剂能在碱性条件下经受过实际燃料电池运行的检验，大多停留在半电池的性能研究。其原因是当前用于碱性燃料电池的全固态电解质非常不成熟，电导率较低，无法准确和客观评价催化剂在电池器件中的实际运行情况。有鉴于此，我们设计了一种可以直接采用液体电解质进行电催化剂评估的燃料电池模具，无需使用固态电解质，从而可以避免因电解质电导率低而影响准确评估催化剂的问题。
发明内容
一种新型燃料电池测试模具，包括绝缘材料制成外壳，外壳内设置有两端开口的电解液室，电解液室的两端通过挡板固定在外壳内部，电解液室的通过注液管与外壳外部连通，电解液室两端设置有导电材料制成气室，气室上设置有出气通道、进气通道以及电极连接端子，气室的内侧开口且与电解液室开口之间通过气体扩散电极隔开。
优选的，外壳与电解液室均为两端开口的空心柱状体，挡板为环状的挡环，外壳、注液管、电解液室以及挡环之间为一体成型结构，气室的外侧端设置有端盖，出气通道、进气通道以及电极连接端子设置在端盖上，所述气室为空心柱状体结构，气室与挡板配合将气体扩散电极卡紧。
优选的，气室为设置有外螺纹的空心柱状体结构，外壳两端的内壁上设置有内螺纹，内螺纹和气室上的外螺纹配合使用使气室可拆卸的固设在外壳的两端。
优选的，端盖外径与外壳外径相同。
优选的，所述壳体的制作材料选用为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯或聚乙烯中的一种。
优选的，所述气室和端盖的制作材料选用为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金或钛合金中的一种。
优选的，所述出气通道和进气通道外侧设置有气管接头。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明适合在液体条件下测试或评估电催化剂在燃料电池中的催化性能，可以测试酸性和碱性体系燃料电池，并且可以用于测试金属空气电池等，具有较广的通用性，此外，本燃料电池模具还具有组装方便、调整灵活、适用性广等特性,对于测试燃料电池电极材料和空气电池电极材料非常便捷，无需使用价格昂贵的固态质子交换膜，成本低。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中气室和电解液室的相对位置示意图；
图3是本发明的内部结构拆解状态示意图；
图4是本发明的内部结构组合状态示意图。
图中：1、外壳；2、注液管；3、出气通道；4、电极连接端子；5、进气通道；6、端盖；7、气室；8、电解液室；9、挡环；10、气体扩散电极；11、内螺纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种新型燃料电池测试模具，包括外壳1，外壳1内设置有电解液室8，电解液室8为两端开口的空心柱状体，电解液室8的两端还设置有两个挡环9，电解液室8通过中部设置的注液管2与外壳1外部连通，外壳1、注液管2、电解液室8以及挡环9一体成型，具体为一根实心的PTFE棒中间雕刻出一个空心圆柱，作为电解液室8，PTFE棒电解液室8两端分别雕刻出一个直径大于电解液室8的空心圆柱形成空腔，且空腔内部雕刻内螺纹11，用于与气室7连接，电解液室8两端侧壁作为挡环9用于和气室7配合卡紧气体扩散电极10，PTFE棒中部雕刻出一个连通外壳1与电解液室8的注液管2，外壳1的两端设置两个气室7，气室7的外侧端设置有端盖6，端盖6上设置有出气通道3、进气通道5以及电极连接端子4，气室7为设置有外螺纹的空心柱状体结构，且在气室7的内侧端固定贴附有气体扩散电极10，气体扩散电极10的直径大于电解液室8的直径，防止电解液室8内的液体流出，PTFE棒两端的内壁上还设置有内螺纹11，内螺纹11和气室7上的外螺纹配合使用使气室7可拆卸的固设在外壳1的两端，外壳1选用聚四氟乙烯材料制成，聚四氟乙烯外壳是绝缘体，避免两个不锈钢气室以及两个气体扩散电极10之间的直接接触而短路，出气通道3、进气通道5、端盖6和气室7均选用不锈钢材料制成，确保其具备所期望的电子传导性和较好强度，出气通道3和进气通道5外侧设置有气管接头为聚四氟乙烯材质确保所期望的匹配密封作用和强度，外壳1和金属气室7以螺丝螺母形式连接，具有很好的密封性，气室7和气体扩散电极10直接相连，可以实现和气体扩散电极10之间的导电，气室7可拆卸，可以很方便更换气体扩散电极10，气室7直径比电解液室8直径大，往内旋紧后可以将气体扩散电极10压紧和固定在气室7和电解液室8之间，可以防止电解液漏入气室7，电解液通过注液口2加入，可以使用不同pH值的电解质溶液，气室7和电解液室8相连，方便气体穿过气体扩散电极10，到达电极三相界面（气体|气体扩散电极|电解质溶液））进行反应，可以通过调节气体进出口流速控制气室7内气体压力，气室7的不锈钢体上有电极连接端子4，可以检测气体扩散电极上反应电流。
本发明测试碱性燃料电池使用方法为：将两个气室7旋出，把两个分别涂有催化剂的气体扩散电极10固定贴附在两个气室7的端部，电极放置完毕后，慢慢将气室7旋入外壳1内直至气体扩散电极10和挡环9相抵触，因为电解液室8的内径小于气体扩散电极10的内径，所以气体扩散电极能够固定在气室7和电解液室8之间，然后通过注液管2往电解液室8内注入5 M·L-1 KOH溶液，左边的进气通道5接氢气钢瓶，右边的进气通道5接氧气钢瓶，控制氢气和氧气流量为150 mL·min-1；
其基本原理为：氢气室内氢气通过气体扩散电极，到达电极和电解质溶液界面，与阴极扩散过来OH-结合反应生成水并产生电子，氧气室内氧气穿过气体扩散电极在电极与溶液界面发生还原反应，生成OH-，产生的OH-通过电解质溶液（如KOH溶液）扩散至阳极供氢气氧化反应所用。涉及反应如下：
阳极反应（氢气侧）：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e-
阴极反应（氧气侧）：O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-
总反应：H2 + O2→ H2O
在出气通道3处连接流量阀和测压器用于调控流速以及记录气体压力变化，在电极连接线端子4处接电子负载，记录电压～电流曲线关系。
本发明测试酸性燃料电池使用方法为：把两个分别涂有催化剂的气体扩散电极8安放在气室7和电解液室8之间，电解液室8内径＜气室7内径＜气体扩散电极10内径，所以气体扩散电极能够固定在两者之间。在气体扩散电极10放置完毕后，通过注液管2往电解液室8内注入0.1 M·L-1 HClO3或0.5 M ·L-1H2SO4溶液，左边的进气通道5接氢气钢瓶，右边的进气通道5接氧气钢瓶，控制氢气和氧气流量为100 mL·min-1；
当测试是在酸性条件下时，氢气侧发生氧化反应，生成电子和氢离子，电子走外电路，而H+通过中间酸性电解质溶液（如HClO4等）扩散至氧气侧，和氧气发生还原反应生成水。
阳极反应（氢气侧）：2H2→ 4H+ + 4e-
阴极反应（氧气侧）：O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O
总反应：H2 + O2→ H2O
在出气通道3处连接流量阀和测压器用于调控流速以及记录气体压力变化，在电极连接线端子4处接电子负载，记录电压～电流曲线关系。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型燃料电池测试模具，包括绝缘材料制成的外壳（1），其特征在于：所述外壳（1）内设置有两端开口的电解液室（8），电解液室（8）的两端通过挡板固定在外壳（1）内部，电解液室（8）的通过注液管（2）与外壳（1）外部连通，电解液室（8）两端设置有导电材料制成的气室（7），气室（7）上设置有出气通道（3）、进气通道（5）以及电极连接端子（4），气室（7）的内侧开口且与电解液室（8）开口之间通过气体扩散电极（10）隔开，所述气室（7）直径比电解液室（8）直径大。
2.如权利要求1所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述外壳（1）与电解液室（8）均为两端开口的空心柱状体，所述挡板为环状的挡环（9），外壳（1）、注液管（2）、电解液室（8）以及挡环（9）之间为一体成型结构，气室（7）的外侧端设置有端盖（6），出气通道（3）、进气通道（5）以及电极连接端子（4）设置在端盖（6）上，所述气室（7）为空心柱状体结构，气室（7）与挡板配合将气体扩散电极（10）卡紧。
3.如权利要求2所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述气室（7）为设置有外螺纹的空心柱状体结构，外壳（1）两端的内壁上设置有内螺纹（11），内螺纹（11）和气室（7）上的外螺纹配合使用使气室（7）可拆卸的固设在外壳（1）的两端。
4.如权利要求2所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述端盖（6）外径与外壳（1）外径相同。
5.如权利要求1所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述外壳（1）的制作材料选用为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯或聚乙烯中的一种。
6.如权利要求1所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述气室（7）和端盖（6）的制作材料选用为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金或钛合金中的一种。
7.如权利要求1所述的一种新型燃料电池测试模具，其特征在于：所述出气通道（3）和进气通道（5）外侧设置有气管接头。
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