CN112414883B - 用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,该方法包括如下步骤:S1、制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料于容器中;S2、将催化剂浆料静置设定时长;S3、对容器中由上到下k个不同深度处,每个深度处任意n个位置分别进行取样;S4、对样本分别进行称重;S5、将样本烘干至恒重;S6、对烘干的样品分别进行称重;S7、基于烘干前后的样本重量计算质子交换膜燃料电池催化剂浆料的沉降率以及不均匀度;S8、基于沉降率以及不均匀度求取催化剂浆料的稳定性估计量。与现有技术相比,本发明方法简单,操作要求低,重现性好,实验灵活,成本低廉,不需要贵重仪器等特征,可在科研或产业中广泛应用。

Description

用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池催化剂浆料研究技术领域,尤其是涉及一种应用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种燃料电池,原理上相当于水的逆反应,清洁环保,不涉及氢氧燃烧,不受卡诺循环的限制,能量转换效率高等优点,故在汽车动力、便携式电源、分散式电站领域具有广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池的核心在于膜电极(MEA),其中催化层(CL)是制约燃料电池成本和性能的极其重要的一部分,催化剂浆料的稳定性关系到燃料电池的催化性能、一致性、耐久性以及安全性等,因此从质子交换膜燃料电池的源头-催化剂的制备来加强管控是重中之重,催化剂浆料的稳定性可以通过浆料的沉降性和均匀性体现。
然而在涉及到质子交换膜燃料电池催化剂制备过程中浆料的沉降性和均匀性时,缺乏有效的浆料检测与评价方法,通常采用的是目测法或者仪器观测法(透射显微镜、激光粒度仪等)。目测法虽然方便,但测试结果不准确,缺乏可信度;仪器观测法测试精确,但成本太高,技术要求高。在其他相似的浆料领域中对其稳定性评价方法较多。专利CN108844859A中提出一种锂离子电池浆料稳定性的评价方法,采用压阻式压力传感器来检测浆料中不同位置的压力,利用静置前后的密度差异引起的压力值差异来评价浆料的稳定性。这种方法节省资源,操作简单,检测过程迅速,效率高,但是没能评价浆料的分散的均匀程度。专利CN104880384A公开了一种锂离子电池正极浆料稳定性的评价方法,该方法中将正极浆料装填在酸式滴管中,竖直静置1-5h后分别从滴定管的上端和下端部位量取浆料使用流变仪测量浆料的剪切速率—粘度曲线,当上端和下端部位剪切速率—粘度曲线重合性较好的时候,表明浆料的稳定性好,反之,浆料的稳定性差。此发明测试结果准确、重现性好,但是需要配制贵重仪器流变仪,成本较高。专利CN109884247A公开了一种快速评价石墨烯复合导电浆料稳定性的方法,包括以下步骤:取导电浆料搅拌均匀,测试固含量,记为W1;取搅拌均匀的导电浆料进行离心,测定上层浆料的固含量,记为W2;计算稳定率S=W2/W1,通过稳定率S来快速评价所述石墨烯复合导电浆料的稳定性。此发明虽然简单快捷,但是缺乏准确性。
有鉴于此,有必要提供一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性且具有良好的特性的一种测试方法。
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用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,该方法包括如下步骤:
S1、制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料于容器中;
S2、将盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器静置设定时长;
S3、对容器中由上到下k个不同深度处,每个深度处任意n个位置分别进行取样,样本标签记作Dij,i表示第i个深度,j表示第i个深度处第j个位置,i=1,2……,k,j=1,2……,n;
S4、对样本分别进行称重,称重结果记为Mij
S5、将样本烘干至恒重;
S6、对烘干的样品分别进行称重,称重结果记为mij
S7、基于Mij及mij计算质子交换膜燃料电池催化剂浆料的沉降率以及不均匀度;
S8、基于沉降率以及不均匀度求取质子交换膜燃料电池催化剂浆料的稳定性估计量。
优选地,步骤S2中静置时将容器密封。
优选地,步骤S2中静置的环境温度为25℃。
优选地,步骤S3的取样过程中k个取样深度呈等差数列分布。
优选地,盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器为在深度方向设有刻度的容器。
优选地,步骤S7中沉降率通过下式获取:
Figure GDA0003166492180000031
Figure GDA0003166492180000032
Figure GDA0003166492180000033
Figure GDA0003166492180000034
其中,η为沉降率,Gij为样本Dij的固含量,
Figure GDA0003166492180000035
为第i个深度处样本固含量均值,
Figure GDA0003166492180000036
为容器中所有取样样本的固含量均值。
优选地,步骤S7中不均匀度通过下式获得:
Figure GDA0003166492180000037
Figure GDA0003166492180000038
其中,ε为不均匀度,s为样本固含量标准差,e为自然常数。
优选地,步骤S8中稳定性估计量通过下式得到:
S=1-(w1w1·η+w2·ε)
其中,S为稳定性估计量,w1、w2为权重,w1+w2=1,质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性与S大小呈正相关。
优选地,权重取值为:w1=w2=0.5。
优选地,该方法用于不同配方下催化剂浆料的稳定性比对测试或相同配方下催化剂浆料在不同静置时长时的稳定性比对测试。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明通过对质子交换膜燃料电池催化剂浆料的沉降率以及不均匀度的测试实现催化剂浆料的稳定性量化测试,准确性高,同时测试成本低,不需要贵重仪器设备即可完成;
(2)本发明把传统的随机抽样法应用到浆料稳定性的测试中,样本数量与质量与实验结果的准确度成正相关,样本量多,样本质量高,则实验结果的准确度高,实验人员根据需求对样本进行设定,测试精度范围可控;
(3)本发明方法可用于不同配方下催化剂浆料的稳定性比对测试或相同配方下催化剂浆料在不同静置时长时的稳定性比对测试,使用灵活,应用价值高;
(4)本发明方法操作简单,易于实施。
附图说明
图1为本发明一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法的流程示意图。
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,一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,该方法包括如下步骤:
S1、制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料于容器中,盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器为在深度方向设有刻度的容器,质子交换膜燃料电池的催化剂浆料可以为Pt-M合金催化剂、核壳结构催化剂、纳米结构催化剂、新型碳载Pt催化剂等等现有的催化金材料;
S2、将盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器静置设定时长,静置时将容器采用保鲜膜密封,环境温度为25℃;
S3、对容器中由上到下k个不同深度处,每个深度处任意n个位置分别进行取样,样本标签记作Dij,i表示第i个深度,j表示第i个深度处第j个位置,i=1,2……,k,j=1,2……,n,取样过程中k个取样深度呈等差数列分布,取样后将样本分别放置在蒸发皿上,样本的数量k×n与浆料的稳定性测试精准度成正相关,因此可根据需要确定样本数量k×n的数值大小;
S4、对样本分别在电子天平上进行称重,称重结果记为Mij(去除蒸发皿重量);
S5、将样本放置真空烘箱中烘干,烘干至恒重;
S6、对烘干的样品分别在电子天平上进行称重,称重结果记为mij(去除蒸发皿重量);
S7、基于Mij及mij计算质子交换膜燃料电池催化剂浆料的沉降率以及不均匀度;
S8、基于沉降率以及不均匀度求取质子交换膜燃料电池催化剂浆料的稳定性估计量。
步骤S7中沉降率通过下式获取:
Figure GDA0003166492180000051
Figure GDA0003166492180000052
Figure GDA0003166492180000053
Figure GDA0003166492180000054
其中,η为沉降率,Gij为样本Dij的固含量,
Figure GDA0003166492180000055
为第i个深度处样本固含量均值,
Figure GDA0003166492180000056
为容器中所有取样样本的固含量均值,η取值区间为(0,1),η用来评价浆料的沉降性,沉降率η越高,则浆料的沉降程度越高,浆料的稳定性越差,沉降率η越低,则浆料的沉降程度越低,浆料的稳定性越好。
步骤S7中不均匀度通过下式获得:
Figure GDA0003166492180000057
Figure GDA0003166492180000058
其中,ε为不均匀度,s为样本固含量标准差,e为自然常数,ε取值区间为(0,1),ε用来评价浆料的均匀性,不均匀度ε越高,则浆料的均匀性越差,浆料的稳定性越差,不均匀度ε越低,则浆料的均匀性越好,浆料的稳定性越好。
由于浆料沉降率、不均匀度都是和催化剂浆料的稳定性成负相关的,因此,步骤S8中稳定性估计量通过下式得到:
S=1-(w1w1·η+w2·ε)
其中,S为稳定性估计量,w1、w2为权重,w1+w2=1,本实施中权重取值为:w1=w2=0.5,质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性与S大小呈正相关,S取值区间(0,1),沉降率η、不均匀度ε越小,则稳定性估计量S越大,则催化剂浆料的稳定性越好。
本实施例中质子交换膜燃料电池用阳极催化剂浆料某种配方——配方1(包含了分散方式),所需材料:Pt/C、Nafion、去离子水、异丙醇。
将盛有新鲜浆料的小烧杯用保鲜袋密封,然后放在试验台上,室温下静置时间T=0.25h。
然后用取样器取出上中下三层(即k=3),每层二个位置的样液(即n=2),分别放置于编号D11、D12、D21、D22、D31、D32蒸发皿中。
使用电子天平测量所有样本的重量M11、M12、M21、M22、M31、M32(去除蒸发皿重量)。将六个蒸发皿放在真空烘干箱中,控制温度70℃,时间3小时。
烘干后取出测量样本并测重m11、m12、m21、m22、m31、m32
进而得到表1~表3数据:
表1(单位:g)烘干前称重Mij
M<sub>11</sub> M<sub>12</sub> M<sub>21</sub> M<sub>22</sub> M<sub>31</sub> M<sub>32</sub>
0.3928 0.3722 0.9621 0.9560 0.5813 0.5704
表2(单位:g)烘干后沉重mij
m<sub>11</sub> m<sub>12</sub> m<sub>21</sub> m<sub>22</sub> m<sub>31</sub> m<sub>32</sub>
0.0124 0.0118 0.0347 0.0339 0.0240 0.0232
表3(单位:%)固含量Gij,每层固含量均值
Figure GDA0003166492180000061
及总均值
Figure GDA0003166492180000062
Figure GDA0003166492180000063
按照上述方法计算出:沉降率η1=0.0893,不均匀度ε1=0.08,稳定性估计量S1=0.91,显然该条件下的催化剂浆料的稳定性非常好。
实施例2
采用配方2制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料,其他实验条件和实施例1相同。
用取样器取出上中下三层(即k=3),每层二个位置的样液(即n=2),分别放置于编号D11、D12、D21、D22、D31、D32蒸发皿中。
使用电子天平测量所有样本的重量M11、M12、M21、M22、M31、M32(去除蒸发皿重量)。将六个蒸发皿放在真空烘干箱中,控制温度70℃,时间3小时。
烘干后取出测量样本并测重m11、m12、m21、m22、m31、m32
进而得到表4~表6数据:
表4(单位:g)烘干前称重Mij
M<sub>11</sub> M<sub>12</sub> M<sub>21</sub> M<sub>22</sub> M<sub>31</sub> M<sub>32</sub>
2.7428 3.9822 1.3398 2.2892 3.0986 2.6844
表5(单位:g)烘干后沉重mij
m<sub>11</sub> m<sub>12</sub> m<sub>21</sub> m<sub>22</sub> m<sub>31</sub> m<sub>32</sub>
0.1882 0.3648 0.1072 0.2184 0.3092 0.2222
表3(单位:%)固含量Gij,每层固含量均值
Figure GDA0003166492180000071
及总均值
Figure GDA0003166492180000072
Figure GDA0003166492180000073
按照上述方法计算出:沉降率η2=0.3709,不均匀度ε2=0.5165,稳定性估计量S2=0.56,然该配方制得的催化剂浆料的稳定性一般。通过和实施例1相比,S1>S2,发现配方1得到的催化剂浆料的稳定性要优于配方2。
实施例3
采用实施例1中的配方1制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料。
其他实验条件相同,但是控制静置时间为T=2h。
然后用取样器取出上中下三层(即k=3),每层二个位置的样液(即n=2),分别放置于编号D11、D12、D21、D22、D31、D32蒸发皿中。
使用电子天平测量所有样本的重量M11、M12、M21、M22、M31、M32(去除蒸发皿重量)。将六个蒸发皿放在真空烘干箱中,控制温度70℃,时间3小时。
烘干后取出测量样本并测重m11、m12、m21、m22、m31、m32
进而得到表7~表9数据:
表7(单位:g)烘干前称重Mij
M<sub>11</sub> M<sub>12</sub> M<sub>21</sub> M<sub>22</sub> M<sub>31</sub> M<sub>32</sub>
1.9302 2.3416 2.3846 3.0839 2.7649 2.2051
表8(单位:g)烘干后沉重mij
m<sub>11</sub> m<sub>12</sub> m<sub>21</sub> m<sub>22</sub> m<sub>31</sub> m<sub>32</sub>
0.039 0.067 0.0854 0.1212 0.1482 0.135
表9(单位:%)固含量Gij,每层固含量均值
Figure GDA0003166492180000081
及总均值
Figure GDA0003166492180000082
Figure GDA0003166492180000083
按照上述方法计算出:沉降率η3=0.6245,不均匀度ε3=0.6449,稳定性估计量S3=0.37,S1>S3,表明相同的方法配置的催化剂浆料由于静置时间T的延长,稳定性变差。
综上,本发明方法可用于不同配方下催化剂浆料的稳定性比对测试或相同配方下催化剂浆料在不同静置时长时的稳定性比对测试,使用灵活,应用价值高。需要说明的是,本发明中催化剂浆料的配方并非本发明的发明点,因此在3个实施例中并未具体给出配方的具体组成,目的仅仅是为了证明本发明方法可以用于不同配方下催化剂浆料的稳定性比对测试或相同配方下催化剂浆料在不同静置时长时的稳定性比对测试。
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 (7)

1.一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1、制备质子交换膜燃料电池催化剂浆料于容器中;
S2、将盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器静置设定时长;
S3、对容器中由上到下k个不同深度处,每个深度处任意n个位置分别进行取样,样本标签记作Dij,i表示第i个深度,j表示第i个深度处第j个位置,i=1,2……,k,j=1,2……,n;
S4、对样本分别进行称重,称重结果记为Mij
S5、将样本烘干至恒重;
S6、对烘干的样品分别进行称重,称重结果记为mij
S7、基于Mij及mij计算质子交换膜燃料电池催化剂浆料的沉降率以及不均匀度;
其中,沉降率通过下式获取:
Figure FDA0003396946190000011
Figure FDA0003396946190000012
Figure FDA0003396946190000013
Figure FDA0003396946190000014
其中,η为沉降率,Gij为样本Dij的固含量,
Figure FDA0003396946190000015
为第i个深度处样本固含量均值,
Figure FDA0003396946190000016
为容器中所有取样样本的固含量均值;
不均匀度通过下式获得:
Figure FDA0003396946190000017
Figure FDA0003396946190000018
其中,ε为不均匀度,s为样本固含量标准差,e为自然常数;
S8、基于沉降率以及不均匀度求取质子交换膜燃料电池催化剂浆料的稳定性估计量;
步骤S8中稳定性估计量通过下式得到:
S=1-(w1w1·η+w2·ε)
其中,S为稳定性估计量,w1、w2为权重,w1+w2=1,质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性与S大小呈正相关。
2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,步骤S2中静置时将容器密封。
3.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,步骤S2中静置的环境温度为25℃。
4.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,步骤S3的取样过程中k个取样深度呈等差数列分布。
5.根据权利要求4所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,盛放质子交换膜燃料电池催化剂浆料的容器为在深度方向设有刻度的容器。
6.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,权重取值为:w1=w2=0.5。
7.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料稳定性测试的方法,其特征在于,该方法用于不同配方下催化剂浆料的稳定性比对测试或相同配方下催化剂浆料在不同静置时长时的稳定性比对测试。
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