CN114965647A - 一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：在电池阳极侧通氮气或者氢气，阴极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阳极侧，对电极和参比电极接阴极侧，测量阳极极化曲线；在电池阴极侧通氮气或者氢气，阳极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阴极侧，对电极和参比电极接阳极侧，测量阴极极化曲线。与现有技术相比，本发明可以快速识别到潜在的阴极和阳极性能衰减，利用阴极作为动态可逆氢电极，在阳极侧氧化氢气，从而得到阳极的氢气氧化的过电势；反之也可以得到阴极的氢气氧化的过电势。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池的耐久性是制约行业发展的重要因素，也是重点研究和考察的方向。但是目前在耐久性衰减分析中，常用的电池极化曲线，其过电势包含了阳极过电位、阴极过电位、欧姆过电位等信息，很难独立判断阴阳极各自的问题。尽管可以在材料阶段，通过旋转环盘等测试手段明确定义其阴极阳极催化剂的本征活性和耐久性，但是在电堆阶段，却很难找到合适的方法明确区分其阴极和阳极的性能，或者比较电堆运行过程中阴极和阳极分别可能发生的衰减。
另一方面，由于质子交换膜燃料电池的阴极氧气还原反应的活化能远大于阳极氢气氧化反应，往往会将质子交换膜燃料电池的极化衰减归因于阴极性能的下降，但是在质子交换膜不断减薄和低铂化的当下，阳极衰减的问题不可忽视。因此需要开发一种简单易行且可精准测试燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，这对于燃料电池耐久性研究具有重要意义。
发明专利CN 113629278 A开发了氢泵方法来测试污染引起的阳极过电位，但是氢泵测试对于耐久测试前后的阳极过电位测试并不适用，因为氢泵的过电位是由阳极氢氧化过电势、阴极氢析出过电势、欧姆过电势共同组成的，在耐久过程中，阴极和阳极催化剂都会发生衰减，阳极氢氧化过电势、阴极氢析出过电势都会增大。因此，仍然无法进行区分，也无法准确判断耐久前后的过电位差异的来源到底是阳极还是阴极的衰减，以及阳极和阴极的衰减幅度。
实用新型专利CN 211825820 U公开了一种单电极电化学测试装置，可以准确测试单电池中阴阳极的过电位，可以明确其阴极和阳极的过电位。但是该装置具有一定的局限性，该装置实际是在单电池中引入了参比电极作为基准，从而分别测得阴阳极的电位，这种装置无法用于实际电堆中阴阳极性能的测量以及性能衰减对比，只能进行单电池的离线解析，而且该装置只能应用于液体燃料电池，有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电池阳极侧通氮气或者氢气，阴极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阳极侧，对电极和参比电极接阴极侧，测量阳极极化曲线；
在电池阴极侧通氮气或者氢气，阳极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阴极侧，对电极和参比电极接阳极侧，测量阴极极化曲线。
优选地，测量阳极极化曲线或阴极极化曲线时，电化学工作站设置电压扫描范围为-0.05-0.50V，扫速速率范围为1mV/s-10mV/s。
优选地，测得阳极极化曲线或阴极极化曲线后，去除负电流范围(析氢)的数据，只分析氢气氧化阶段的数据。
优选地，阳极极化曲线或阴极极化曲线的过电位越小，其阳极或阴极活性更好。
优选地，转换阳极极化曲线或阴极极化曲线为Tafel曲线，Tafel曲线斜率越小，阳极或阴极反应动力学更快。
进一步优选地，在Tafel曲线的电化学控制区取曲线斜率。
进一步优选地，做所述的Tafel曲线延长线，得到交换电流密度j0，判断阳极或阴极催化剂的本征活性变化。
更进一步优选地，j0越大，阳极或阴极催化剂的活性越高。
优选地，所述的表征方法具体包括以下步骤：
1.在电池阳极侧通氮气，阴极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阳极侧，对电极和参比电极接阴极侧。
2.电化学工作站设置电压扫描范围为-0.05-0.50V，扫速范围1mV/s-10mV/s。
3.测得阳极极化曲线后，去除负电流范围(析氢)的数据，只分析氢气氧化阶段的数据。
4.比较极化曲线的过电位，同时转换极化曲线为Tafel曲线，截取斜率比较电化学反应速率。
5.做Tafel曲线延长线，得到交换电流密度j0。
6.综合比较过电位，Tafel斜率，以及j0，判断阳极性能。
7.在电池阴极侧通氮气，阳极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阴极侧，对电极和参比电极接阳极侧。
8.电化学工作站设置电压扫描范围为-0.05-0.50V，扫速范围1mV/s-10mV/s。
9.测得阴极极化曲线后，去除负电流范围(析氢)的数据，只分析氢气氧化阶段的数据。
10.比较极化曲线的过电位，同时转换极化曲线为Tafel曲线，截取斜率比较电化学反应速率。
11.做Tafel曲线延长线，得到交换电流密度j0。
12.综合比较过电位，Tafel斜率，以及j0，判断阴极性能。
优选地，所述的氮气和氢气均为压力相同的加湿气体。
优选地，所述的燃料电池中，冷却液、氢气和氮气的入堆温度均相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明可以在线分析阳极和阴极的性能，不用拆堆做离线分析；
2.本发明对于整堆耐久测试，可以有效检测耐久测试过程中阳极和阴极活性的衰减；
3.本发明针对不同的膜电极，也可以装彩虹堆(混装堆)直接进行阳极和阴极性能的对比；
4.本发明提供了一种在线的阴极和阳极性能表征方法，可以快速识别到潜在的阴极和阳极性能衰减，利用阴极作为动态可逆氢电极，在阳极侧氧化从质子交换膜透过的氢气，从而得到阳极的氢气氧化的过电位；反之也可以得到阴极的氢气氧化的过电位；
5.本发明从极化曲线衍生的Tafel曲线和交换电流密度，综合过电位、Tafel斜率以及交换电流密度，来综合判断阴极和阳极催化剂是否发生了衰减，结果更加准确。
6.本发明可以根据膜电极的尺寸，选择工作电极侧通入的气体(氢气或者氮气)，来更好地进行极化性能测试。
附图说明
图1为耐久性测试前后的阳极极化曲线；
图2为耐久性测试前后的阳极极化Tafel曲线。
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。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，包括以下步骤：
1.在电堆阳极和阴极侧分别通入100％加湿的氮气和氢气，气体压力均为150kPa。
2.水腔压力120kPa，冷却液、氢气和氮气的入堆温度均为50℃。
3.保持上述条件5-15分钟后，开始进行电化学测试。
4.将电化学工作站的工作电极接在电堆阳极侧，将参比电极和对电极接在电堆阴极侧，设置阳极的扫描电位为-0.05V-0.50V，扫描速率范围1mV/s-10mV/s，对同一个单电池测量2-4次极化曲线，保持稳定后进行记录。
5.得到极化曲线后，取电流为正的部分，作图进行极化曲线的对比，阳极极化过电势小的样品，其阳极活性更好。
6.将电压值作为Y轴，电流值取Log后作为X轴，做Tafel曲线，在电化学控制区取斜率，进行动力学比较，斜率较小的样品，其阳极反应动力学更快。
7.将Tafel曲线按电化学控制区的斜率延伸到Y＝0处，得到交换电流密度j0，判断阳极催化剂的本征活性变化。
8.在电堆阳极和阴极侧分别通入100％加湿的氢气和氮气，气体压力均为150kPa。
9.水腔压力120kPa，冷却液、氢气和氮气的入堆温度均为50℃。
10.保持上述条件5-15分钟后，开始进行电化学测试。
11.将电化学工作站的工作电极接在电堆阴极侧，将参比电极和对电极接在电堆阴极侧，设置阳极的扫描电位为-0.05V-0.50V，扫描速率范围1mV/s-10mV/s，对同一个单电池测量2-4次极化曲线，保持稳定后进行记录。
12.得到极化曲线后，取电流为正的部分，作图进行极化曲线的对比，阴极极化过电势小的样品，其阴极活性更好。
13.将电压值作为Y轴，电流值取Log后作为X轴，做Tafel曲线，在电化学控制区取斜率，进行动力学比较，斜率较小的样品，其阳极反应动力学更快。
14.将Tafel曲线按电化学控制区的斜率延伸到Y＝0处，得到交换电流密度j0，判断阳极催化剂的本征活性变化。
15.如附图1,2所示，耐久前的新膜其氢气氧化过电位更低，Tafel斜率更小，因此反应动力学更快，由Tafel曲线衍生计算得到交换电流密度，新膜的j0更大，因此其可逆电流密度更大，催化剂活性更高。
随着膜电极制备工艺的改进，以及目前对于膜电极低铂化进程的推进，未来8μm质子交换膜的阴极和阳极涂层都会大幅降低厚度，但是过薄的膜电极涂层有可能会带来一定风险，因此为了更好地识别到阴极和阳极的极化性能以及阴极和阳极性能的衰减，亟需开发针对阴极和阳极性能的表征方法。
本发明的测试原理为：
在全电池测试中，为了可以测得阳极氢气氧化的性能，需要将阴极侧同时作为对电极和参比电极，因此需要在阴极侧通入氢气，作为动力学可逆氢电极。与此同时，为了获得阳极氢气氧化的性能，也需要在阳极通入氢气，再对阳极施加一个动态的工作电位，以获得阳极氢气氧化的电流响应。
但是在实际操作中，由于氢气氧化的反应活化能较小，反应速率很快，在阳极通氢气的条件下，其电流响应很大，在很小的过电位下，反应电流就会超过一般电化学工作站的量程上限(30A)。考虑到氢气氧化反应在大电流处是由扩散控制，因此在小电流处可以更好地考察阳极电化学过程特性和阳极催化剂的反应活性。因此在阳极侧通入氮气，直接依靠质子交换膜透过的氢气，来测试阳极的氢气氧化能力，通过极化曲线、Tafel曲线和交换电流密度的对比，更好地比较阳极活性在耐久测试中的变化。
同理，也可以用这种方法测得阴极的氢气氧化活性，虽然不能直接测得阴极的氧气还原活性，但是也可以间接利用阴极的氢气氧化活性来一定程度说明阴极催化剂的状态。尤其是在耐久性测试前后，可以利用这种方法来证明阴极催化剂可能发生的衰减。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电池阳极侧通氮气或者氢气，阴极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阳极侧，对电极和参比电极接阴极侧，测量阳极极化曲线；
在电池阴极侧通氮气或者氢气，阳极侧通氢气，电化学工作站的工作电极接阴极侧，对电极和参比电极接阳极侧，测量阴极极化曲线。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，测量阳极极化曲线或阴极极化曲线时，电化学工作站设置电压扫描范围为-0.05-0.50V，扫速速率范围为1mV/s-10mV/s。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，测得阳极极化曲线或阴极极化曲线后，去除负电流范围的数据，只分析氢气氧化阶段的数据。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，阳极极化曲线或阴极极化曲线的过电位越小，其阳极或阴极活性更好。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，转换阳极极化曲线或阴极极化曲线为Tafel曲线，Tafel曲线斜率越小，阳极或阴极反应动力学更快。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，在Tafel曲线的电化学控制区取曲线斜率。
7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，做所述的Tafel曲线延长线，得到交换电流密度j0，判断阳极或阴极催化剂的本征活性变化。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，j0越大，阳极或阴极催化剂的活性越高。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，所述的氮气和氢气均为压力相同的加湿气体。
10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极和阳极性能的表征方法，其特征在于，所述的燃料电池中，冷却液、氢气和氮气的入堆温度均相同。
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