CN115986168A - 一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 - Google Patents
一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115986168A CN115986168A CN202211283474.2A CN202211283474A CN115986168A CN 115986168 A CN115986168 A CN 115986168A CN 202211283474 A CN202211283474 A CN 202211283474A CN 115986168 A CN115986168 A CN 115986168A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- membrane electrode
- air
- purging
- fuel cell
- catalyst layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，包括预设次数的启停循环过程，在每次启停循环过程中监测膜电极相关参数变化情况，启停循环过程包括以下步骤：开路吹扫：向膜电极吹扫氢气及空气，吹扫时间达到第一预设值后停止；电流加载：开路吹扫完成后加载电流至预设电流值；稳态运行：电流加载完成后燃料电池保持稳态运行状态；减载：稳态运行时间达到第二预设值后进行减载；空气吹扫阳极：减载完成后关闭负载，停止氢气及空气供应，对膜电极阳极侧进行空气吹扫处理，使每次测试前置条件一致且保证氢空界面的构建；停机：空气吹扫阳极时间达到第三预设值后进行停机处理。本发明可提升膜电极催化层耐久性测试的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池测试技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的发电装置，是未来清洁能源发展和应用的重要方向之一，受到研究人员的广泛关注。膜电极作为燃料电池的核心部件，占系统成本比例超过30％，是燃料电池的成本、技术中枢。在膜电极中，催化层不仅为反应物质提供传输通道，而且是发生电化学反应的核心场所，其耐久性的优劣将极大地影响燃料电池的性能和成本，也是燃料电池大规模商业化的关键挑战之一。
燃料电池在实际运行过程中，面临启动/停止、加载/降载等多种动态工况，进而引起膜电极催化层的衰减，导致燃料电池寿命的缩短。尤其是在启动/停止过程中，燃料电池在启动和停止的瞬间，环境空气易进入电池内，从而导致氢空界面及阴极高电位，进而加剧阴极催化层中碳载体的腐蚀，使燃料电池性能衰减加速。
目前常规的膜电极催化层载体耐久性测试方法主要有两种，一种是通过外加电位来模拟膜电极阴极高电位的状态，从而带来阴极催化剂载体的衰减。尽管这种测试方法效率较高，但其通常为离线进行，膜电极并未实际发电运行。另一种方法是以阴极侧空气自然扩散到膜电极阳极来构建氢空界面，从而实现对燃料电池启动/停止过程中衰减行为的模拟和研究。但这种测试方法，不易控制进入膜电极阳极中空气的量，不能完全确定氢空界面是否真正构建，对氢空界面带来的碳载体腐蚀的针对性不强，同时该方法的实验周期较长，不利于膜电极催化层载体耐久性研究的针对性和测试效率的提高。
由此可见，上述常规的膜电极催化层载体耐久性测试方法存在较明显缺陷，无法满足对膜电极催化层耐久性的在线测试和对测试过程的精确控制，也无法满足研究和测试工作有针对性地高效开展的需求，亟需一种准确、高效的膜电极阴极催化层载体耐久性快速测试方法，以有针对性地在真实发电运行中测试由氢空界面所导致的阴极催化剂载体的衰减情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，可用其评价启动/停止过程中膜电极阴极催化层载体的耐久性。
本发明采用的技术方案如下：
一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，包括预设次数的启停循环过程，在每次启停循环过程中监测膜电极相关参数变化情况，所述相关参数包括性能、欧姆阻抗和电化学活性面积；
所述启停循环过程包括以下步骤：
S1.开路吹扫：向膜电极吹扫氢气及空气，吹扫时间达到第一预设值后停止；
S2.电流加载：开路吹扫完成后加载电流至预设电流值；
S3.稳态运行：电流加载完成后燃料电池保持稳态运行状态；
S4.减载：稳态运行时间达到第二预设值后进行减载；
S5.空气吹扫阳极：减载完成后关闭负载，停止氢气及空气供应，对膜电极阳极侧进行空气吹扫处理，使每次测试前置条件一致且保证氢空界面的构建，以针对性地测试由氢空界面所导致的阴极催化层载体腐蚀情况；
S6.停机：空气吹扫阳极时间达到第三预设值后进行停机处理。
进一步地，在进行启停循环过程之前，先进行电堆的安装和活化，并完成初始性能的测试。
进一步地，在完成预设次数的启停循环过程之后，进行CV测试、IV和在线阻抗测试。
进一步地，所述开路吹扫时向膜电极吹扫的氢气量的取值范围包括0.8～1slmp，向膜电极吹扫的空气量的取值范围包括0.5～0.7slmp。
进一步地，所述空气吹扫阳极时向膜电极阳极侧吹扫的空气量的取值范围包括0.4～0.8slmp。
进一步地，所述开路吹扫时间对应的第一预设值的取值范围包括10～30s。
进一步地，所述电流加载对应的预设电流值的取值范围包括15～20A。
进一步地，所述稳态运行时间对应的第二预设值的取值范围包括3～6min。
进一步地，所述空气吹扫阳极时间对应的第三预设值的取值范围包括20～30s。
进一步地，通过电化学工作站监测膜电极在每次启停循环过程中的相关参数变化情况。
本发明的有益效果在于：
(1)采用该方法可在实际运行状态下，在线进行膜电极阴极催化层载体耐久性的测试，提升膜电极催化层耐久性测试的准确性；
(2)采用空气吹扫阳极的方式，保证了每次测试前置条件一致，避免了空气自然进入阳极时带来的误差，提高了测试的准确性；
(3)采用该方法，通过空气吹扫阳极的方式，保证了氢空界面的构建，更有针对性地监测由氢空界面导致的膜电极阴极催化层载体衰减情况；
(4)采用该方法对膜电极催化层耐久性进行测试，周期短，效率高。
附图说明
图1是本发明实施例的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试过程示意图。
图2是采用本方法测试不同碳载体样品随循环次数的电压变化情况。
图3是采用本方法和常规启停方法时样品随循环次数的电压变化情况。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本实施例提供了一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，包括预设次数的启停循环过程，在每次启停循环过程中监测膜电极相关参数变化情况，其中相关参数包括性能、欧姆阻抗和电化学活性面积，该方法可以评价启动/停止过程中膜电极阴极催化层载体的耐久性。优选地，可通过电化学工作站监测膜电极在每次启停循环过程中的相关参数变化情况。
在进行启停循环过程之前，先进行电堆的安装和活化，并完成初始性能的测试。在完成预设次数的启停循环过程之后，进行CV测试、IV和在线阻抗测试。
如图1所示，启停循环过程包括以下步骤：
S1.开路吹扫：向膜电极吹扫氢气及空气，吹扫时间达到第一预设值后停止；
S2.电流加载：开路吹扫完成后加载电流至预设电流值；
S3.稳态运行：电流加载完成后燃料电池保持稳态运行状态；
S4.减载：稳态运行时间达到第二预设值后进行减载；
S5.空气吹扫阳极：减载完成后关闭负载，停止氢气及空气供应，对膜电极阳极侧进行空气吹扫处理，使每次测试前置条件一致且保证氢空界面的构建，以针对性地测试由氢空界面所导致的阴极催化层载体腐蚀情况；
S6.停机：空气吹扫阳极时间达到第三预设值后进行停机处理。
优选地，测试工况具体可以设置为：堆温70～80℃，阳极70～80℃加湿，阴极70～80℃加湿，出口背压为常压，单电池反应面积25cm2。
优选地，开路吹扫时向膜电极吹扫的氢气量的取值范围可以是0.8～1slmp，向膜电极吹扫的空气量的取值范围可以是0.5～0.7slmp，开路吹扫时间对应的第一预设值的取值范围可以是10～30s。
优选地，电流加载对应的预设电流值的取值范围可以是15～20A。
优选地，稳态运行时间对应的第二预设值的取值范围可以是3～6min。
优选地，空气吹扫阳极时向膜电极阳极侧吹扫的空气量的取值范围可以是0.4～0.8slmp，空气吹扫阳极时间对应的第三预设值的取值范围可以是20～30s。
如图2所示，本实施例采用本测试方法对不同碳载体(分别为EA、E和F载体)样品进行了膜电极阴极催化层载体耐久性的测试。通过比较膜电极随着循环次数的增加其在正常运行时电压的变化，来对膜电极阴极催化层载体耐久性进行评估。由图2可知，E样品在250cycles后性能剧烈下降，F样品在450cycles后性能下降较大停止测试，EA样品在950cyles后性能衰减较多。上述三种不同碳载体样品均可通过本方法进行阴极催化层耐久性的快速测试，同时彼此间的差异性可以显著地体现出来。
如图3所示，基于E载体样品，分别采用常规启停测试方法和本测试方法进行膜电极阴极催化层载体耐久性的测试。由图3可知，采用常规启停测试方法时，在经过3000cycles后膜电极性能衰减仍不明显；而采用本测试方法时，样品在经过250cycles后性能即剧烈下降，显著缩短了膜电极阴极催化层耐久性测试所需的时间，极大地提高了测试效率。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，包括预设次数的启停循环过程，在每次启停循环过程中监测膜电极相关参数变化情况，所述相关参数包括性能、欧姆阻抗和电化学活性面积；
所述启停循环过程包括以下步骤：
S1.开路吹扫：向膜电极吹扫氢气及空气，吹扫时间达到第一预设值后停止；
S2.电流加载：开路吹扫完成后加载电流至预设电流值；
S3.稳态运行：电流加载完成后燃料电池保持稳态运行状态；
S4.减载：稳态运行时间达到第二预设值后进行减载；
S5.空气吹扫阳极：减载完成后关闭负载，停止氢气及空气供应，对膜电极阳极侧进行空气吹扫处理，使每次测试前置条件一致且保证氢空界面的构建，以针对性地测试由氢空界面所导致的阴极催化层载体腐蚀情况；
S6.停机：空气吹扫阳极时间达到第三预设值后进行停机处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，在进行启停循环过程之前，先进行电堆的安装和活化，并完成初始性能的测试。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，在完成预设次数的启停循环过程之后，进行CV测试、IV和在线阻抗测试。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述开路吹扫时向膜电极吹扫的氢气量的取值范围包括0.8～1slmp，向膜电极吹扫的空气量的取值范围包括0.5～0.7slmp。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述空气吹扫阳极时向膜电极阳极侧吹扫的空气量的取值范围包括0.4～0.8slmp。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述开路吹扫时间对应的第一预设值的取值范围包括10～30s。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述电流加载对应的预设电流值的取值范围包括15～20A。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述稳态运行时间对应的第二预设值的取值范围包括3～6min。
9.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，所述空气吹扫阳极时间对应的第三预设值的取值范围包括20～30s。
10.根据权利要求1-9任一项所述的燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法，其特征在于，通过电化学工作站监测膜电极在每次启停循环过程中的相关参数变化情况。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211283474.2A CN115986168A (zh) | 2022-10-20 | 2022-10-20 | 一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211283474.2A CN115986168A (zh) | 2022-10-20 | 2022-10-20 | 一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115986168A true CN115986168A (zh) | 2023-04-18 |
Family
ID=85961795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211283474.2A Pending CN115986168A (zh) | 2022-10-20 | 2022-10-20 | 一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115986168A (zh) |
-
2022
- 2022-10-20 CN CN202211283474.2A patent/CN115986168A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Petrone et al. | Accelerated stress test procedures for PEM fuel cells under actual load constraints: State-of-art and proposals | |
| Chu et al. | Investigation of the reversible performance degradation mechanism of the PEMFC stack during long-term durability test | |
| CN113608131B (zh) | 一种动态机车工况下pemfc电堆衰退性能检测方法 | |
| CN111916800B (zh) | 一种燃料电池膜电极的活化方法及应用 | |
| CN110706752B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池系统多模态分析模型建模方法 | |
| CN112670537B (zh) | 质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法 | |
| Yu et al. | Experimental study of dynamic performance of defective cell within a PEMFC stack | |
| Chen et al. | Whole life cycle performance degradation test and RUL prediction research of fuel cell MEA | |
| CN116879781B (zh) | 固体氧化物燃料电池电堆电化学性能的寿命预测方法 | |
| CN113629276A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池膜电极耐久性加速测试方法 | |
| Taccani et al. | Effect of accelerated ageing tests on PBI HTPEM fuel cells performance degradation | |
| Chen et al. | Analytical methods for the effect of anode nitrogen concentration on performance and voltage consistency of proton exchange membrane fuel cell stack | |
| CN115882009A (zh) | 一种基于交流阻抗仪的质子交换膜燃料电池堆的活化方法 | |
| Li et al. | Hydrogen crossover diagnosis for fuel cell stack: An electrochemical impedance spectroscopy based method | |
| WO2013083873A1 (en) | Method and arrangement for diagnosis of solid oxide cells operating conditions | |
| CN116879783B (zh) | Sofc电堆运行寿命的冷热循环加速测试方法 | |
| CN115986168A (zh) | 一种燃料电池膜电极催化层耐久性快速测试方法 | |
| CN116979099A (zh) | 一种缓解质子交换膜燃料电池稳态运行衰减方法 | |
| CN116090184A (zh) | 一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法 | |
| KR101033888B1 (ko) | 연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법 | |
| JP6170796B2 (ja) | 燃料電池の診断方法及び運転方法 | |
| Wu et al. | Methods for estimating the accumulated nitrogen concentration in anode of proton exchange membrane fuel cell stacks based on back propagation neural network | |
| Lee et al. | Influence of PEMFC degradation on its performance in different temperature and relative humidity conditions | |
| Lin et al. | Comparison Between the Constant Dummy Load and Step Load Shut‐Down Strategy for PEMFCs | |
| JP2010186704A (ja) | 固体高分子型燃料電池の寿命加速試験方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |