质子交换膜燃料电池膜电极组件渗透率测试装置与方法

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池膜电极组件(扩散层、电解质膜、催化层)液体渗透率的测试装置及方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池能将燃料(如氢气、甲醇、乙醇等)与氧气中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、结构简单、工作温度低、环境友好等优点，在车用动力电源、便携式电源、固定电源等诸多领域有广阔的应用前景。
3.膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着燃料电池功率密度和使用寿命。膜电极主要有电解质膜、扩散层、催化层等组件构成，其中，电解质膜具有分离阴、阳极和传导质子的功能，目前普遍使用是美国杜邦公司生产的(如n117、n115、n112、nre211等)系列的全氟磺酸膜。为减小质子传导阻力，电解质膜越来越薄，阴极产生的水反扩散到阳极侧，导致阳极侧积累液态水，引起阳极水淹，易发生反极，损伤电极材料，缩短电池使用寿命。扩散层具有收集电流、分配气体、导热及传递水的作用，通常由支撑层和微孔层构成；支撑层是由碳纸或碳布等多孔导电介质材料构成，而微孔层一般是由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯(ptfe)构成。催化层主要电催化剂(如铂碳催化剂)和离子树脂聚合物(如nafion树脂)构成。电解质膜与扩散层、催化层中水的传递过程、分布区域及存在形态对燃料电池中的水管理起着至关重要的作用，良好的水管理既能确保膜电极含有适量的水，达到最佳质子传导率，又能及时有效地排出电极反应生成的水，避免膜电极水淹。直接醇类燃料电池是以甲醇、乙醇等液体为燃料的质子交换膜燃料电池，甲醇、乙醇等燃料容易通过电解质膜、扩散层及催化层渗透到阴极侧，造成电催化剂中毒和燃料利用率低。因此，液体(如水、甲醇等)等在膜电极组件中的渗透率关系质子传导、气体输运及水传递过程，显著影响电池放电性能和使用寿命，成为膜电极组件的一个重要物性参数。
4.经对现有技术的文献检索，涉及燃料电池电解质膜、扩散层及催化层中液体渗透率的测量装置和方法较少，大部分公开专利是关于扩散层中气体渗透率和扩散系数。中国专利cn111896453a提供了一种燃料电池扩散层压缩状态下气体渗透率与扩散系数测量方法及设备，能测量厚度方向与面内方向的气体渗透率与扩散系数。专利cn112098298a公开了一种燃料电池碳纸气体渗透率的方法和设备，实现了碳纸平面和法向渗透率测试的一体化。专利cn213181147提出了一种燃料电池扩散层气体传输性能测试装置，能够测量气体的渗透率和扩散系数。专利cn 103852406 a公开了一种燃料电池扩散层的碳纸的透气性测试装置。美国专利us7913572b2公开了一种燃料电池扩散层压缩物性综合测试装置，可测量扩散层厚度及面内方向气体渗透率。secanell等曾报道一种预测燃料电池扩散层和微孔层中气体渗透率和扩散系数的方法[lalit m.panta,sushanta k.mitra,marc secanell,journal of power sources，2012，206，153
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160]。
[0005]
综上可知，已发表的研究论文和公开的专利都集中于扩散层中气体渗透率和扩散系数的测量，至今没有电解质膜、扩散层、催化层中液体渗透率测试装置及方法，因此，亟待
开发一种结构简单、成本低、易操作的燃料电池膜电极组件的液体(如水、甲醇等)渗透率测试装置。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种燃料电池扩散层和电解质膜中液体(水或甲醇)渗透率的装置及方法。
[0007]
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
[0008]
一种燃料电池膜电极组件液体渗透率的测试装置，该装置包括注射器泵、压力传感器、质量流量计、热电偶、电加热片、夹具、数据采集模块，所述的夹具包括上端板、下端板、上流场板、下流场板、密封圈，上、下端板均为方形平板，平板上设有液体的进口或出口，上端板和下端板的液体进口或出口位置相对称，平板的侧壁设有热电偶的小孔，所述的上、下流场板均为中间刻有流场的方形平板，上、下流场板内的流场为对称结构且相对设置，构成液体传输通道，所述的密封圈放置于上、下流场板之间，内空尺寸与流道面积相同，待测膜电极组件位于密封圈内，液体通过流量计流出，经过上端板入口到上流场板内部，液体透过被测膜电极组件后，经由下流场板、下端板出口、排液管流入回收装置中。所有流量计、压力传感器、电加热片、热电偶与信号接收模块相连，实时记录所有实验数据。
[0009]
进一步的，所述的上端板与上流场板相接，下端板与下流场板相接，上、下端板通过螺栓连接，采用螺母锁紧，两个端板通过挤压上、下流场板之间的密封圈实现密封。被测的膜电极组件装配在上、下流场板之间，为避免组装错位，确保对齐，上下端板、上下流场板分别设置定位孔。
[0010]
进一步的，所述的上、下端板为刚性大的金属材料，如不锈钢板、铝合金板；上、下流场板为燃料电池常用的碳板，流场类型为燃料电池常用的流道，如点状、网状、平行沟槽、蛇形和交指状等。
[0011]
进一步的，所述的密封圈为活动密封圈，可以自由装拆，并且密封圈内侧紧靠被测扩散层和电解质膜，外侧与上、下流场板的边缘距离尽量小，密封圈的材质可为硅胶、聚四氟乙烯、玻璃纤维增强聚四氟乙烯，密封圈的厚度为待测膜电极组件厚度的50～95％。
[0012]
进一步的，所述的电加热片和热电偶用于控制液体、膜电极组件的温度，温度控制燃料电池的工作温度，温度范围室温～100℃，加热最高温度不超过液体沸点。
[0013]
进一步的，所述的压力传感器分别安装在上端板的液体进口、下端板的液体出口的位置，并且使压力测点与液体进出口的距离在2～10mm，压力传感器的测量范围为0～10kpa，测量精度为1pa。流量计、压力传感器、热电偶与信号接收模块相连，以实时记录所有实验数据。
[0014]
本发明还提供了一种基于上述测装置的燃料电池扩散层/电解质膜中渗透率的测量方法，包括：
[0015]
将被测膜电极组件(电解质膜或扩散层或催化层)安装在上流场板和下流场板之间，置于密封圈内，螺栓锁定上、下端板，通过扭力扳手调控所施加的压力，控制电解质膜或扩散层或催化层的厚度压缩比例；
[0016]
将一定流量液体(如水或甲醇)通过上端板入口进入测试装置中，液体(水或甲醇)透过被测膜电极组件，经过下端板的出口到达液体(如水或甲醇)回收装置；
[0017]
步骤3：通过测量被测膜电极组件两侧的压差，根据以下公式(1)计算得到膜电极组件的液体渗透率。
[0018][0019]
上式中j为液体渗透率，v为通过膜电极组件的液体的体积流量，μ为液体的粘度，l为被测膜电极组件的厚度，δp是膜电极组件两侧的液体压力差，a为被测膜电极组件的几何面积，m
液体
为液体的摩尔质量，ρ
液体
是液体的密度；
[0020]
或根据流量计的流速及注射泵注入的液体体积，计算进入和流出测试装置的液体质量，利用公式(2)计算出液体的渗透率：
[0021][0022]
其中，j为渗透率，w
进
、w
出
分为入口单位质量和出口单位质量，a为被测膜电极组件的几何面积，m
液体
为液体的摩尔质量。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
[0024]
本发明的装置结构简单、成本低、操作简单，进行测试时，扩散层与电解质膜的压缩比例可控，测试温度可控，可充分仿真电池结构和工作条件进行燃料电池扩散层与电解质膜中液体渗透率的测试。
附图说明
[0025]
图1.是本发明的测试装置的结构示意图；
[0026]
图2是本发明的夹具示意图；
[0027]
图3是实施例2、3中的扩散层、电解质膜中水渗透系数测试结果。
具体实施方式
[0028]
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
[0029]
实施例1
[0030]
如图1和2所示，一种质子交换膜燃料电池膜电极组件渗透率测试装置，包括注射器泵1、进液管、夹具4和排液管8。夹具4包括端板一401、端板二402、流场板一403、流场板二404和密封圈402，端板一401与端板二402通过紧固件408(螺栓)固定在一起，流场板一403和流场板二404位于端板一401与端板二402之间，密封圈405位于流场板一403和流场板二404之间，待测膜电极组件409放置于密封圈405内，流场板一403和流场板二404上具有流道，流场板一403和流场板二404上的流道对称设置，端板一401和端板二402上分别具有进液口406和出液口407。注射器泵1通过进液管与进液口406相接，排液管8接出液口407，进液管上具压力传感器一2、流量计一3，排液管8上具有压力传感器二6和流量计二7。端板一401和端板二402是刚性金属板。流场板一403和流场板二404是碳板。流道是点状、网状、平行沟槽、蛇形或交指状。密封圈405的材质是硅胶、聚四氟乙烯或玻璃纤维增强聚四氟乙烯。密封圈405的厚度是待测膜电极组件409厚度的50％95％。压力传感器一2与进液口406的距离是210mm，压力传感器二6与进液口407的距离是2～10mm。
[0031]
端板一401和端板二402上还具有电加热片和热电偶5。压力传感器一2、流量计一3、压力传感器二6、流量计二7和热电偶5分别与信号接收模块相连。
[0032]
实施例2
[0033]
扩散层中水渗透率测量过程如下：
[0034]
(1)将几何面积为5cm2、厚度为200μm的扩散层24bc(sigracet，德国)安装在夹具4中，置于厚度为190μm聚四氟乙烯密封圈中，拧紧螺栓，扭矩为20n
·
m，扩散层的压缩比例在5％以内。
[0035]
(2)设定电热片的加热温度为80℃，将注射器泵1中装满去离子水，调整注射泵的流速在10ml/min，水经过夹具4的进液口406进入夹具4内部，液体渗透过被测扩散层后，经由夹具4的出液口407流经排液管8进入回收装置中。
[0036]
(3)根据压力感应器记录的扩散层两侧的液体压差及流量计记录的通过扩撒层的液体流量，通过以下公式计算得到水渗透率：
[0037][0038]
上式中j为液体渗透率，v为通过扩散层的液液体的体积流量，μ为液体的粘度，l为扩散层厚度，δp是扩散层两侧的液体压力差，a为被测扩散层面积，m
水
为水的摩尔质量，ρ是水的密度。
[0039]
(4)同理，通过调控加热温度、组装压力，可以测量不同温度和压缩比例条件下的扩散层中水渗透率，如图3所示。
[0040]
实施例3
[0041]
电解质膜中水渗透率测量过程如下：
[0042]
(1)将几何面积为10cm2、厚度为25μm的杜邦公司产的nre211电解质膜安装在夹具中，置于厚度为20μm聚四氟乙烯密封圈中，拧紧螺栓，扭矩为40n
·
m，电解质膜压缩比例在20％以内。
[0043]
(2)设定电热片的加热温度为80℃，将注射器泵1中装满去离子水，调整注射泵的流速在10ml/min，水经过夹具4的进液口406进入夹具4内部，液体渗透过被测扩散层后，经由夹具4的出液口407流经排液管8进入回收装置中。
[0044]
(3)根据压力感应器记录的扩散层两侧的液体压差及流量计记录的通过扩撒层的液体流量，通过以下公式计算得到水渗透率：
[0045][0046]
其中j为渗透率，w
进
、w
出
分为入口单位质量和出口单位质量，a为被测电解质膜面积，m
水
为水的摩尔质量。
[0047]
(4)同理，通过调控加热温度、组装压力，可以测量不同温度和压缩比例条件下的电解质膜的水渗透率，如图3所示。
[0048]
实施例4
[0049]
电解质膜中甲醇渗透率测量过程如下：
[0050]
(1)将几何面积为10cm2、厚度为25μm的杜邦公司产的nre211电解质膜安装在夹具
中，置于厚度为20μm聚四氟乙烯密封圈中，拧紧螺栓，扭矩为40n
·
m，电解质膜压缩比例在20％以内。
[0051]
(2)设定电热片的加热温度为80℃，将注射器泵1中装满甲醇，调整注射泵的流速在10ml/min，甲醇经过夹具4的进液口406进入夹具4内部，甲醇渗透过被测扩散层后，经由夹具4的出液口407流经排液管8进入回收装置中。
[0052]
(3)根据压力感应器记录的扩散层两侧的甲醇压差及流量计记录的通过扩撒层的甲醇流量，通过以下公式计算得到甲醇渗透率；
[0053][0054]
上式中j为甲醇渗透率，v为通过电解质膜的甲醇体积流量，μ为甲醇的粘度，l为电解质膜厚度，δp是电解质膜两侧的液体压力差，a为被测电解质膜面积，m
甲醇
为甲醇的摩尔质量，ρ
甲醇
是甲醇的密度。
[0055]
(4)同理，通过调控加热温度、组装压力、甲醇溶液浓度，可以测量不同温度、甲醇浓醇和压缩比例条件下的电解质膜的甲醇渗透率。
[0056]
这里本发明的描述和应用是说明性的，并未将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。