CN214753862U - 用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置 - Google Patents

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刘长鹏
葛君杰
金钊
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Abstract

本实用新型涉及一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置，属于燃料电池技术领域。所述测试装置包括用于燃料预热和电池供热的加热温控系统，用于燃料和电池气体管路的气体控制系统和用于测试质子交换膜极化性能的电池极化测试系统。本实用新型的测试装置具有方便调节与催化电极接触的质子交换膜面积的功能，通过具有打孔定位功能的四氟乙烯嵌套件，调节催化电极与质子交换膜的接触方式，便捷的调整质子交换膜接触面积参数。本实用新型的测试装置具有气体预处理功能，可以快速调节进入测试装置的气体流速，预设温度等参数，对质子交换膜在电池中的性能评估更加准确，降低气体温度差造成的干扰因素。

Description

用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置。
背景技术
磷酸燃料电池是燃料电池技术中的一种，通常操作温度在160-200℃，高于基于Nafion膜的氢氧燃料电池(＜80℃)。磷酸燃料电池具有耐毒化，寿命长等优势。由于操作温度较高，电池普遍采用以聚苯基咪唑(PBI)为代表的耐高温膜作为质子交换膜，对膜性能的改进是提升电池性能一个重要方面。质子交换膜性能的测试装置是以评价膜性能为目的的测试装置，可作为质子交换膜的研发工具。
现有技术中涉及与燃料电池部件有关的测试装置，例如，专利号为201821631883.6的实用新型专利公开了一种燃料电池的压力分布测试系统，其是一种用于评估压力因素的测试装置。专利号为201920283151.0的实用新型专利公开了一种燃料电池热管理测试台架及燃料电池热管理监控系统，其是一种评估热管理因素的装置。而本实用新型要提供一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置，该装置具有更换质子交换膜快速，质子交换膜接触面积可调，温度可调，气体流速可调的特点。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案具体如下：
本实用新型提供一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置，包括：
用于燃料预热和电池供热的加热温控系统；
用于燃料和电池气体管路的气体控制系统；
用于测试质子交换膜极化性能的电池极化测试系统；
所述电池极化测试系统包括电池夹具、催化电极、集流体和镀金接触件；
所述电池夹具包括：用于固定阳极催化电极的阳极端板、用于固定质子交换膜的面积可调质子交换膜测试夹具和用于固定阴极催化电极的阴极端板；所述面积可调质子交换膜测试夹具位于所述阳极端板和所述阴极端板之间，所述面积可调质子交换膜测试夹具的两侧依次设置有催化电极、集流体、镀金接触件；
利用阳极端板、面积可调质子交换膜测试夹具和阴极端板的边缘的定位孔，移动面积可调质子交换膜测试夹具，从而控制质子交换膜与催化电极的接触面积；通过调节加热温控系统和气体控制系统调节进入阳极和阴极的气体、气体流速和气体的预热温度，使气体通过气体控制系统到达集流体，所述加热温控系统还可以给集流体加热；通过镀金接触件与外接电子负载连接，对质子交换膜进行极化曲线测试，实现对质子交换膜性能的评估。
在上述技术方案中，所述加热温控系统包括PID自动控制器、电热器和气体保温管路；温度区间在50-200℃。
在上述技术方案中，所述气体控制系统包括量程至少为500sccm的气体质量流量控制器、气体管路和管路电磁阀。
在上述技术方案中，所述催化电极使用铂、铂碳为主要催化组分的材料。
在上述技术方案中，所述催化电极使用20～60％的导电碳粉担载纳米铂。
在上述技术方案中，所述催化电极的面积为20平方厘米。
在上述技术方案中，所述面积可调质子交换膜测试夹具为四氟乙烯材料。
在上述技术方案中，所述质子交换膜面积为2-20平方厘米。
在上述技术方案中，所述集流体采用石墨双极板，内部具有供气体流过的孔道。
在上述技术方案中，所述镀金接触件为镀金的铜材料或者镀金的ABS塑料。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置具有方便调节与催化电极接触的质子交换膜面积的功能，通过具有打孔定位功能的四氟乙烯嵌套件(即面积可调质子交换膜测试夹具)，调节催化电极与质子交换膜的接触方式，便捷的调整质子交换膜接触面积参数。本实用新型的用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置的阳极燃料气体和阴极气体首先通过气体控制系统，达到测试要求的具体设定流速。继续通过气体加热温控系统，调节温度至测试要求的具体设定温度(200℃以内)。本实用新型的测试装置具有气体预处理功能，可以快速调节进入测试装置的气体流速，预设温度等参数，对质子交换膜在电池中的性能评估更加准确，降低气体温度差造成的干扰因素。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1为本实用新型的用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置的结构示意图。
图2为本实用新型的电池夹具的结构示意图。
图中的附图标记表示为：
1-1-阳极端板，1-2-阴极端板；
2-镀金接触件，3-加热，4-集流体，5-催化电极，6-面积可调质子交换膜测试夹具，7-加热温控系统，8-气体控制系统，9-供气装置，10-阳极催化电极，11-质子交换膜，12-阴极催化电极。
具体实施方式
为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
结合图1和2具体说明本实用新型的用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置，包括：用于燃料预热和电池供热的加热温控系统7、用于燃料和电池气体管路的气体控制系统8(气体进口与出口处的管路电磁阀和气体质量流量控制器)和用于测试质子交换膜极化性能的电池极化测试系统；
所述电池极化测试系统包括电池夹具；所述电池夹具包括：用于固定阳极催化电极10的阳极端板1-1、用于固定质子交换膜11的面积可调质子交换膜测试夹具6和用于固定阴极催化电极12的阴极端板1-2；所述面积可调质子交换膜测试夹具6位于所述阳极端板1-1和所述阴极端板1-2之间，所述面积可调质子交换膜测试夹具6的两侧依次设置有催化电极5、集流体4、镀金接触件2；
利用阳极端板1-1、面积可调质子交换膜测试夹具6和阴极端板1-2的边缘的定位孔，移动面积可调质子交换膜测试夹具6，从而控制质子交换膜11与催化电极5的接触面积；通过调节加热温控系统7和气体控制系统8调节进入阳极和阴极的气体、气体流速和气体的预热温度，使气体通过气体控制系统8到达集流体4，所述加热温控系统7还可以给集流体4加热3；通过镀金接触件2与外接电子负载连接，对质子交换膜11进行极化曲线测试，实现对质子交换膜11性能的评估。
所述加热温控系统7包括PID自动控制器、电热器和气体保温管路；温度区间在50-200℃。所述气体控制系统8包括量程至少为500sccm的气体质量流量控制器、气体管路和管路电磁阀。所述催化电极5使用铂、铂碳为主要催化组分的材料，典型的使用20～60％的导电碳粉担载纳米铂。所述催化电极5的面积为20平方厘米。所述面积可调质子交换膜测试夹具6为四氟乙烯嵌套件，被测试的所述质子交换膜11嵌套在其中，在面积可调质子交换膜测试夹具6中能够通过定位孔移动，控制与质子交换膜11的接触面积，具有可拆卸的功能。所述质子交换膜11面积为2-20平方厘米。所述集流体4采用石墨双极板，内部具有供气体流过的孔道。所述镀金接触件2用于连接测试装置和外接电子负载，典型的使用镀金的铜材料或者镀金的ABS塑料，起到电流集流体作用。
使用本实用新型的测试装置用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能。
参见附图首先将质子交换膜11置于面积可调质子交换膜测试夹具6(四氟乙烯嵌套件)中，通过调节质子交换膜11接触面积，达到预设的测试条件。按照附图，通过阳极端板1-1和所述阴极端板1-2组装该测试装置。
在本实施例中，使用质子交换膜11接触面积为2cm2和20cm2分别两种测试条件下进行。
在本实施例中，通过调节加热温控系统7，气体控制系统8和供气装置9，调节进气阳极燃料气体为氢气，阴极气体为氧气，气体流速为200sccm。气体预热温度为160℃。气体通过气体控制系统8到达集流体4，后经尾气排出(未图示)。
通过外接电子负载(非本实用新型包括范围)对该装置进行极化曲线测试。经测试，质子交换膜11接触面积为2cm2的燃料电池峰值功率密度为1.26W，在另一条件下质子交换膜11接触面积为20cm2的燃料电池峰值功率密度为11.80W。
通过外接电子负载(非本实用新型包括范围)对该装置进行开路电位测试。经测试，质子交换膜11接触面积为2cm2的开路电位为0.93V，在另一条件下质子交换膜11接触面积为20cm2的的开路电位为0.93V。
在本实施例中，对可调节的质子交换膜11接触面积进行测试，并比较两种情况下的电池功率密度和开路电位等电池电化学参数。可用于评估在不同电极参数条件下的质子交换膜性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于评估磷酸燃料电池中质子交换膜性能的测试装置，其特征在于，包括：
用于燃料预热和电池供热的加热温控系统(7)；
用于燃料和电池气体管路的气体控制系统(8)；
用于测试质子交换膜(11)极化性能的电池极化测试系统；
所述电池极化测试系统包括电池夹具；所述电池夹具包括：用于固定阳极催化电极(10)的阳极端板(1-1)、用于固定质子交换膜(11)的面积可调质子交换膜测试夹具(6)和用于固定阴极催化电极(12)的阴极端板(1-2)；所述面积可调质子交换膜测试夹具(6)位于所述阳极端板(1-1)和所述阴极端板(1-2)之间，所述面积可调质子交换膜测试夹具(6)的两侧依次设置有催化电极(5)、集流体(4)、镀金接触件(2)；
利用阳极端板(1-1)、面积可调质子交换膜测试夹具(6)和阴极端板(1-2)的边缘的定位孔，移动面积可调质子交换膜测试夹具(6)，从而控制质子交换膜(11)与催化电极(5)的接触面积；通过调节加热温控系统(7)和气体控制系统(8)调节进入阳极和阴极的气体、气体流速和气体的预热温度，使气体通过气体控制系统(8)到达集流体(4)，所述加热温控系统(7)还可以给集流体(4)加热(3)；通过镀金接触件(2)与外接电子负载连接，对质子交换膜(11)进行极化曲线测试，实现对质子交换膜(11)性能的评估。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述加热温控系统(7)包括PID自动控制器、电热器和气体保温管路；温度区间在50-200℃。
3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述气体控制系统(8)包括量程至少为500sccm的气体质量流量控制器、气体管路和管路电磁阀。
4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述催化电极(5)使用20～60％的导电碳粉担载纳米铂。
5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述催化电极(5)的面积为20平方厘米。
6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述面积可调质子交换膜测试夹具(6)为四氟乙烯材料。
7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述质子交换膜(11)面积为2-20平方厘米。
8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述集流体(4)采用石墨双极板，内部具有供气体流过的孔道。
9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述镀金接触件(2)为镀金的铜材料或者镀金的ABS塑料。
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