CN114236407B - 能量转换装置的性能损失测定方法及装置 - Google Patents

能量转换装置的性能损失测定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及能量转换器技术领域，尤其涉及一种可用于电化学能量转换装置的内部部件的性能损失测定方法及装置，该方法包括：测量所述能量转换装置内部部件的实际电压；根据测量的实际电压计算所述内部部件的实际电阻值，和/或根据测量的多个实际电压获得所述内部部件的电压变化曲线；对比所述内部部件的实际电阻值和额定电阻值，和/或，根据所述电压变化曲线获得实际电压的变化量，确定所述内部部件的性能损失。本公开实施例提供的一种能量转换装置的性能损失测定方法及装置，通过测量能量转换装置内部部件的电压，可直接获取所需测量或监测的内部部件的电压损失，以简单、快捷和低成本的测定方式获得可靠、稳定的测定结果。

Description

能量转换装置的性能损失测定方法及装置
技术领域
本公开涉及能量转换器技术领域，尤其涉及一种可用于电化学能量转换装置的内部部件的性能损失测定方法及装置。
背景技术
随着世界能源消耗的日益快速增长和传统化石能源的限制及缺点，新能源方向是人类社会未来的一个发展重点，而由于各种新能源的间歇性和不稳定性等特点，其大规模并网及应用需要配套以大量的高效能源转换装置。其中，电化学能源转换装置具有效率较高、安全性较好、稳定性强、成本较低、技术先进等优势，吸引了大量学者和科研机构的关注和研究。
以氢能为核心的电解池制氢和燃料电池用氢技术已经得到快速的发展。氢能具有能量密度大、使用环保无污染等优点，通过质子交换膜燃料电池将氢气直接高效地转换为电能的效益远远高过诸多内燃机。但是，地球上并不天然存在大量可利用的氢气分子，氢气必须要通过人工反应制得。通过利用水电解池结合可再生能源冗余能量的绿氢生产，是未来能源载体的主要发展方向之一。同时，为了实现绿色生产和可持续发展战略的目标，二氧化碳还原以及合成氨电解池近年来也得到广泛的研究。而这些电化学能量转换装置都面临着如何进一步提升性能、延长寿命和稳定性、降低成本等关键问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的至少以上技术问题，本公开实施例提供了一种能量转换装置的性能损失测定方法及装置。
本公开实施例一方面提供一种能量转换装置性能损失的测定方法，所述方法包括：测量所述能量转换装置内部部件的实际电压；根据测量得到的所述实际电压计算所述内部部件的实际电阻值，和/或根据测量得到的多个实际电压获得所述内部部件的电压变化曲线；对比所述内部部件的所述实际电阻值和额定电阻值，和/或，根据所述电压变化曲线获得所述实际电压的变化量，确定所述内部部件的性能损失。
在一些实施例中，测量所述能量转换装置内部部件的实际电压包括；通过设置在所述能量转换装置内部的电压测量结构测量所述内部部件的实际电压。
在一些实施例中，测量所述能量转换装置内部部件的实际电压还包括：对所述内部部件的实际电压进行原位监测。
在一些实施例中，所述原位监测包括：实时监测所述内部部件的实际电压；和/或根据预设的监测时间，周期性重复监测所述内部部件的实际电压；或者根据预设的间隔时间，间断性监测所述内部部件的实际电压。
在一些实施例中，所述能量转换装置包括：水电解池及电堆、燃料电池及电堆、二氧化碳还原电解池及电堆和合成氨/氮还原器件及电堆中的一种或多种。
本公开实施例另一方面提供一种能量转换装置性能损失的测定装置，所述能量转换装置的部件包括膜电极组件，所述膜电极组件包括第一质子交换膜及位于所述第一质子交换膜两侧的阳极电极和阴极电极；所述阳极电极远离所述第一质子交换膜的一侧设有阳极传输层，所述阴极电极远离所述第一质子交换膜的一侧设有阴极传输层，其中，所述阳极传输层与所述阳极电极之间、所述阴极传输层与所述阴极电极之间分别设有电压测量结构。
在一些实施例中，所述阳极电极与所述第一质子交换膜之间、所述阴极电极与所述第一质子交换膜之间还分别设有电压测量结构。
在一些实施例中，所述阳极电极与所述第一质子交换膜之间、所述阴极电极与所述第一质子交换膜之间分别设有第二质子交换膜；所述第一质子交换膜的两侧位于所述第一质子交换膜和所述第二质子交换膜之间还分别设有电压测量结构。
在一些实施例中，所述电压测量结构包括贴合面，所述贴合面与所述电压测量结构相邻的元件贴合设置。
在一些实施例中，所述电压测量结构为薄片形、丝线形或带状的金属导线或电压传感器。
本公开实施例提供的一种能量转换装置的性能损失测定方法及装置，通过测量能量转换装置内部部件的电压，可直接获取所需测量或监测的内部部件的电压损失，以简单、快捷和低成本的测定方式获得可靠、稳定的测定结果。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1为本公开实施例一种能量转换装置的性能损失测定方法的流程框图；
图2为本公开实施例一种能量转换装置的爆炸图；
图3为本公开实施例一种能量转换装置的性能损失测定的一种布线示意图；
图4为图3所示的布线示意图测得的装置极化曲线；
图5(a)和图5(b)为图3所示的布线示意图测得的传输层及膜电极的损失曲线；
图6为本公开实施例一种能量转换装置的性能损失测定的另一种布线示意图；
图7为图6所示的布线示意图测得的装置极化曲线；
图8(a)、图8(b)和图(8c)为图6所示的布线示意图测得的传输层、电极及膜电极的损失曲线；
图9为本公开实施例一种能量转换装置的性能损失测定的又一种布线示意图；
图10为图9所示的布线示意图测得的装置极化曲线；
图11为图9所示的布线示意图测得的各内部部件的损失曲线。
图中：
1：膜电极组件；2：第一质子交换膜；3：阳极电极；4：阴极电极；5：阳极传输层；6：阴极传输层；7：第二质子交换膜；8：阳极端板；9：阳极分流板；10：阳极流场板；11：阳极密封圈；12：阴极密封圈；13：阴极流场板；14：阴极分流板；15：阴极端板；16：第一电压传感器；17：第二电压传感器；18：第三电压传感器；19：第四电压传感器。
具体实施方式
为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。
本公开发明人研究发现，电化学能量转换器件测试作为各种部件研发和优化的必要步骤，在验证与测试催化剂性能和稳定性、多孔层结构与性能关系、隔膜性能与损失、各部件间接触损失等起到重要的作用，是各类部件和结构进一步研发和规模化应用的前提。同时，电化学能量转换器件测试通常是整个系统的结果，其中包含了各个部件之间的耦合作用、相互影响、部件特征参数的影响等。因此，器件测试结果并不能准确体现出单一部件的影响。
目前，各种内部损失测试主要集中在电势的测量，因此需要耦合参比电极，不仅对测量器件提出新的要求，还需要复杂的测量方法和结果处理。
本公开提供的能量转换装置的性能损失测定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S102：选取电化学能量转换器装置中需要测量/监测电压损失的内部部件，并选取电压测量结构。例如，所选取的内部部件可以为一个，也可以为多个，确定需要测量/监测的内部部件后，相应的电压测量结构的安装位置也相应的确认。例如，电压测量结构为电压传感器。例如，电压传感器选用薄片形、丝线形或条状的结构，此类结构的电压力传感器与其两侧的元件间具有更好的贴合效果。
步骤S104：在制备需要测量/监测的内部部件时，将电压传感器一同加工成型。例如，将电压传感器平铺在相应的元件上。以及在装配电化学能量转换器装置时，将电压传感器植入电化学能量转换器装置中相应的位置；
步骤S106：测量能量转换装置需要测量/监测的内部部件的实际电压；根据测量的实际电压计算内部部件的实际电阻值，和/或，在一段时间内，连续的测量需要测量/监测的内部部件的实际电压，根据测量的多个实际电压获得内部部件的电压变化曲线。
步骤S108：分析测试结果数据，获得器件内部各部分损失来源。例如，对比内部部件的实际电阻值和额定电阻值，根据两个电阻值之间的差值或差值范围，判断该被检测/监测的内部部件的性能情况；并且/或者，根据电压变化曲线获得实际电压的变化量，确定内部部件的性能损失。
例如，本公开的能量转换装置性能损失的测定方法适用于各类的电化学能量转换装置，通过对各类电化学能量转换装置的内部部件进行检测/监测，获取内部部件性能损失情况。例如，电化学能量转换装置包括水电解池及电堆、燃料电池及电堆、二氧化碳还原电解池及电堆、合成氨/氮还原器件及电堆中的一种或多种。
例如，电化学能量转换器件的内部部件包括膜电极、电极、多孔层、传输层、扩散层、双极板等部件，装配过程为：由装置所需各部件组装成为可用于能量转换装置的过程。例如，能量转换装置的装配过程包括各个内部部件的接触装配或非接触装配。
例如，电压测量结构包括贴合面，电压测量结构与相邻的元件贴合。采用贴合设置的方式，可提高测量的稳定性，以及减小额外增加的体积。例如，薄片形、丝线形或带状的金属导线或电压传感器，在能量转换装置的外部设置有电压监测读数设备，利用电压监测读数设备获取和/或显示被测量/监测的内部部件的实际电压。
在一些实施例中，在步骤S102中，对内部部件的实际电压进行原位监测，原位监测包括：实时监测内部部件的实际电压；根据预设的监测时间，周期性重复监测内部部件的实际电压；或者根据预设的间隔时间，间断性监测内部部件的实际电压。
在一些实施例中，步骤S106中，确定内部部件的性能损失包括电压损失、欧姆损失、催化动力损失、传导损失、界面损失等。
如图2所示，能量转换装置包括阳极端板8、阳极分流板9、阳极流场板10、阳极密封圈11、阳极传输层5、膜电极组件1、阴极传输层6、阴极密封圈12、阴极流场板13、阴极分流板14和阴极端板15。膜电极组件1包括第一质子交换膜2及位于第一质子交换膜2两侧的阳极电极3和阴极电极4；阳极电极3远离第一质子交换膜2的一侧设有阳极传输层5，阴极电极4远离第一质子交换膜2的一侧设有阴极传输层6。
基于上述方法，在一具体的实施例中，选取能量转换装置(水电解池器件)中的阳极传输层5和阴极传输层6作为内部部件，测量/监测多孔的阳极传输层5和阴极传输层6上的电压损失，进而获得其相应的电阻阻值。
首先，第一电压传感器16和第二电压传感器17分别放置于阳极传输层5和阴极传输层6与阳极电极3/阴极电极4之间，如图3所示，采用图3所示的布线方式，可以通过运行水电解池器件获得V1，V2和V3三个部分的电压。
在水电解池器件装配过程中，将第二电压传感器17平整地放置于阴极传输层6与阴极电极4之间；将第一电压传感器16平整地放置于阳极传输层5与阳极电极3之间；最后，通过标准装配流程组装水电解池器件。
连接阳极分流板9和阴极分流板14分别至工作电极和对电极进行V1的测量，而V2和V3则通过电压测量设备进行连接，可获取测量的数值。测量时，通过控制水电解池器件电流或电压，测量对应的电压或电流，并同时完成测量V2和V3的数值，如图4所示，此时测量的电压值均为相应内部部件的实际电压。
在完成测量后，采用欧姆定律进行计算分析，即可获得阳极传输层5、阴极传输层6及膜电极的当前电阻值，参考图5中的(a)和(b)所示。具体计算过程为：
Rca＝Vca/i＝(V1-V2)/i；
Rcc＝Vcc/i＝(V2-V3)/i；
RCCN＝Rcell-Rca-Rcc，
其中，Rca，Rcc和RCCM分别代表阳极传输层5、阴极传输层6和膜电极的电阻，Rcell表示通过器件阻抗测试得到的总电阻。
结合图2至图5所示的内容，上述损失测试方法为对双线制多孔层损失测试的方法，该方法能够有效分解出阳极传输层5/阴极传输层6的电阻，根据该电阻值分析出不同传输层对器件性能的影响；同时，在连续测试/监测时，可实时监测多孔层的变化情况，为分析期间整体性能和寿命影响因素提供数据。而且，该方法应用在水电解池器件产品上时，能够有效监测每个电解池以及模块的多孔层损失，有助于电堆故障排查和低成本维修替换，并且将会对电解水制氢技术的发展起到重要的推动作用。
基于上述方法，在另一具体的实施例中，还可实现对阳极电极3/阴极电极4间的欧姆损失测试。其中，相较于图3所示的布线方式，如图6所示，为了获得阳极电极3/阴极电极4上的欧姆电阻值，在上述实施例的基础上引入额外的两个电压传感器，即第三电压传感器18和第四电压传感器19，通过该两个电压传感器可进一步测量/监测阳极电极3/阴极电极4上的欧姆电阻值。
在加工膜电极的过程中，通过在第一质子交换膜2与阳极电极3和阴极电极4之间植入额外的电压传感器，如图6所示，进而可以同时测量包括水电解池器件整体电压在内的5个电压值，分别表示为V1、V2、V3、V4和V5。
加工过程中，首先，分别将第三电压传感器18和第四电压传感器19(例如，电压传感器的厚度为25微米)平整地放置于第一质子交换膜2的两侧，然后移至热压设备中，在130℃，1MPa的条件下，热压15分钟，之后在空气中冷却12小时至室温，使两个电压传感器能够平整地固定于质子交换膜的两侧；其次，通过超声喷涂工艺，将阳极电极3和阴极电极4涂覆在第一质子交换膜2上，并且将同侧的电压传感器完全覆盖为止；最终，获得具有植入电压传感器的膜电极组件1，其可用于水电解池器件装配和测试。
按照图6所示的布线方式，连接电压读数设备，如电压表，通过控制水电解池器件的电流I或电压V1，测量对应的电压或电流，并同时测量V2、V3、V4、V5的数值，最终得到如图7所示的测试结果。
根据电压与电流的关系，可得到以下计算公式：
Rca＝(V1-V2)/i；
Rcc＝(V3-V4)/i；
Ra，cl＝(V2-V3)/i；
Rc，cl＝(V4-V5)/i；
RPEM＝Rcell-Rca-Ra，cl-Rc，cl-Rcc。
其中，Rca，Rcc，Ra，cl，Rc，cl和RPEM分别代表阳极传输层5、阴极传输层6、阳极电极3、阴极电极4和膜电极的电阻，Rcell表示通过水电解池器件阻抗测试得到的总电阻，测试结果如图8所示。
本实施例制备的电极欧姆损失测试能够在上述实施例的基础上进一步提高测试能力，原位获得阳极电极3/阴极电极4上的电阻损失，能够为优化电极结构提供测定数据。而且，该方法应用在水电解池器件产品上时，能够实现实时监测电化学器件中电极等部分的电阻损失，为产品的性能诊断、故障检测与维修提供可靠的数据。
基于上述方法，在另一具体的实施例中，还可实现对多线制电极催化动力损失测试。其中，相较于图3所示的布线方式，本实施例中，阳极电极3与第一质子交换膜2之间、阴极电极4与第一质子交换膜2之间分别设有第二质子交换膜7。为了获得阳极电极3/阴极电极4上的催化动力损失值，改变第三电压传感器18和第四电压传感器19的植入位置，如图9所示，第三电压传感器18和第四电压传感器19分别与阳极电极3和阴极电极4不直接接触，通过一层不传导电子的第二质子交换膜7(Nafion211膜)隔开，可进一步测量阳极电极3和阴极电极4上的催化动力损失。
继续参考图9，首先，选取第一质子交换膜2(Nafion115膜)作为基底，利用热压法将第三电压传感器18和第四电压传感器19固定于第一质子交换膜2两侧并覆盖第二质子交换膜7(Nafion211膜)。具体流程为：
首先，将Nafion211膜平铺于热压基底板之上，其次，将第三电压传感器18和第四电压传感器19平整地放置于Nafion115膜两侧并一起放于Nafion211膜之上，然后用另一张Nafion211膜再次覆盖上述部件，使得电极区域内的电压传感器能够完全被Nafion211膜覆盖，并保留末端部分第三电压传感器18和第四电压传感器19暴露于Nafion115膜之上且不被两侧的Nafion211膜覆盖；之后将上述组合膜电极整体热压，在130℃，1MPa条件下热压15分钟，之后在空气中冷却12小时至室温，使两个电压传感器能够平整地固定于Nafion115膜和Nafion211膜之间；最后，通过不同的电极加工方法，可以获得正常催化剂载量的电极并用于水电解池器件测试。
按照图9所示所示的布线方式，连接电压读数设备，如电压表，通过控制水电解池器件电流I或电压V1，测量对应的电压或电流，并同时测量V2、V3、V4、V5的数值，最终得到如图10所示的测试结果。
将图10的测试结果，对比图5和图7的测试结果可知，测得的膜电极的性能无显著区别，因此，可知本公开提供的方法并不会对膜电极本身性能产生较大的影响，该方法具有良好的可靠性和稳定性。本实施例中，由于阳极电极3和阴极电极4分别被不传导电子的Nafion211膜隔开，因此，V3、V4、V5的数值相比于V1和V2出现了显著的降低，该部分则是阳极电极3/阴极电极4上的催化动力损失。
根据计算，得到各部分的损失如图11所示，其中，阳极传输层5和阴极传输层6的电阻损失与上面两个实施例的结果相同。其次，电极上的催化动力损失可被分离出来，可以直观的确定随着电流密度增大，电极的动力损失呈现指数衰减的趋势；此外，通过结合巴特勒-福尔默(Butler-Volmer)理论计算，可以获得该催化剂组成的电极中各性能评估参数的数值，为优化催化剂及阳极电极3/阴极电极4相关参数提供实验依据与指导方向。
多线制电极催化动力损失测试体现了内部电压损失测试的多用途性，在获得内部部件电阻值的基础上，能够原位测量获得阳极电极3/阴极电极4上的催化动力损失，该数值有助于研究催化剂、优化电极组分与结构参数等。
结合上述实施例可知，本公开实施例提供的能量转换装置的性能损失测定方法及装置，通过测量能量转换装置内部部件的电压，可直接获取所需测量或监测的内部部件的电压损失，以简单、快捷和低成本的测定方式获得可靠、稳定的测定结果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种能量转换装置性能损失的测定方法，其中，所述方法包括：
测量所述能量转换装置内部部件的实际电压，包括：通过设置在所述能量转换装置内部的电压测量结构测量所述内部部件的实际电压，所述电压测量结构为薄片形、丝线形或带状的电压传感器，并且在制备能量转换装置内部部件时，将电压传感器一同加工成型；
根据测量得到的所述实际电压计算所述内部部件的实际电阻值，和/或，根据测量得到的多个所述实际电压获得所述内部部件的电压变化曲线；
对比所述内部部件的所述实际电阻值和额定电阻值，和/或，根据所述电压变化曲线获得所述实际电压的变化量，确定所述内部部件的性能损失；
所述能量转换装置包括：水电解池及电堆、燃料电池及电堆、二氧化碳还原电解池及电堆和合成氨/氮还原器件及电堆中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述能量转换装置内部部件的实际电压还包括：
对所述内部部件的实际电压进行原位监测。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述原位监测包括：
实时监测所述内部部件的实际电压；和/或
根据预设的监测时间，周期性重复监测所述内部部件的实际电压；和/或
根据预设的间隔时间，间断性监测所述内部部件的实际电压。
4.一种能量转换装置性能损失的测定装置，基于权利要求1所述的能量转换装置性能损失的测定方法，所述能量转换装置的部件包括膜电极组件，所述膜电极组件包括第一质子交换膜及位于所述第一质子交换膜两侧的阳极电极和阴极电极；
所述阳极电极远离所述第一质子交换膜的一侧设有阳极传输层，所述阴极电极远离所述第一质子交换膜的一侧设有阴极传输层，其中，
所述阳极传输层与所述阳极电极之间、所述阴极传输层与所述阴极电极之间分别设有电压测量结构；
所述电压测量结构为薄片形、丝线形或带状的电压传感器，并且在制备能量转换装置内部部件时，将电压传感器一同加工成型。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述阳极电极与所述第一质子交换膜之间、所述阴极电极与所述第一质子交换膜之间还分别设有电压测量结构。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述阳极电极与所述第一质子交换膜之间、所述阴极电极与所述第一质子交换膜之间分别设有第二质子交换膜；
所述第一质子交换膜的两侧位于所述第一质子交换膜和所述第二质子交换膜之间还分别设有电压测量结构。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述电压测量结构包括贴合面，所述贴合面与所述电压测量结构相邻的元件贴合设置。
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