一种薄液层溶液控制装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种薄液层溶液控制装置及应用，属于燃料电池电化学领域。一种薄液层溶液控制装置，所述装置由工作电极支撑部分、工作电极固定密封部分和用于承装溶液的玻璃容器构成，所述工作电极支撑部分由柱状导电芯部和套装在其上的绝缘套筒组成，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴向长度短；所述工作电极支撑部分整体贯穿玻璃容器的底板，所述电极固定密封部分使工作电极支撑部分固定在玻璃容器的底板中央部分。本发明专利技术所述控制装置可以适用于燃料电池关键零部件在常规溶液和薄液层溶液中的电化学测试，也适用于常规溶液和薄液层溶液中燃料电池关键零部件的微区电化学测试。

A Thin Layer Solution Control Device and Its Application

【技术实现步骤摘要】
一种薄液层溶液控制装置及应用
本专利技术涉及一种薄液层溶液控制装置及应用，尤其涉及一种评价薄液层溶液中燃料电池关键零部件电化学性能的薄液层溶液控制装置，属于燃料电池电化学领域。
技术介绍
燃料电池作为现代发展必不可少的动力来源，因其节能、高效、污染小的优点被各行各业大力使用，PEMFC作为燃料电池中重要的一员，可用于建设分布式电站、和移动电源，也是未来电动汽车的理想动力电源。膜电极和双极板是影响PEMFC性能的关键组件,也是质子交换膜燃料电池实现商业化的必要条件。膜电极三合一组件(MEA)主要包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。质子交换膜的主要作用是导质子，催化剂则用于降低阴阳极氧化剂和燃料的活化能，提高反应速度。目前催化剂的使用主要是Pt基催化剂，但是Pt资源匮乏，稳定性差，容易中毒，限制了燃料电池的商业化。气体扩散层在电极中起着支撑催化层、稳定电极结构的作用，扩散层的多孔结构使反应气体能够均匀到达催化层。尽管质子交换膜燃料电池已经在电动汽车中获得了大量的应用，与现有的燃油车和纯电动车相比，成本和寿命依然是燃料电池急需解决的关键问题之一，因而，国内外众多研究者对燃料电池双极板、膜、催化剂等关键材料进行了大量研究，也取得了显著的效果。上述关键材料的研究中，其性能指标的评价无外乎两种形式：1.组装成实际电池进行评价，2.利用离线装置模拟电池环境进行评价。前者虽能客观的反映关键材料在实际状态下的性能，但成本高，不可控因素多，实施较困难。后者多采用模拟电池环境，由于方便、快捷、成本低，成为燃料电池界比较公认的方法，并有相关标准供参考。无论是标准中提供的评价方法还是文献中普遍采用的模拟燃料电池环境中的研究方法，均采用将燃料电池关键部件完全浸泡入相应的模拟溶液中进行。燃料电池膜电极厚度约为500微米，双极板流场深度约400微米，这意味着从膜到任一双极板的距离一般都不会超过1毫米，即使燃料电池阴阳极反应气体都完全增湿，膜、双极板、催化层接触到液体的厚度也超过1毫米，即膜、双极板、催化剂等燃料电池的关键部件都处于薄液层环境下。采用关键部件全浸式模拟溶液测试方法进行评价时溶液厚度远远大于1毫米，属传统意义上溶液中进行的测试。传统溶液中发生的反应与薄液层中进行的反应存在很大差别，这将导致二者结果存在较大偏差。现阶段虽已有大量针对PEMFC的关键部件的研究，但这些研究都是在传统三电极电解池体系内进行，鲜少有从薄液层到常规溶液中燃料电池关键零部件测试装置及方法的报导。
技术实现思路
为研究真实工作环境(即薄液层下200微米到1000微米)下燃料电池关键零部件(如双极板、膜电极、催化剂和膜等)性能，本专利技术设计了一种简单、易操作、液层厚度可调节的燃料电池关键零部件薄液层测量装置及方法。一种薄液层溶液控制装置，所述装置由工作电极支撑部分、工作电极固定密封部分和用于承装溶液的玻璃容器构成，所述工作电极支撑部分由柱状导电芯部和套装在其上的绝缘套筒组成，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴向长度短；所述工作电极支撑部分整体贯穿玻璃容器的底板，所述电极固定密封部分使工作电极支撑部分固定在玻璃容器的底板中央部分。本专利技术所述工作电极支撑控制部分由支撑燃料电池关键零部件的芯部导电材料和外部的耐酸碱腐蚀、耐温和绝缘套筒构成。所述工作电极支撑控制部分芯部材料表面是放置燃料电池关键零部件材料的部位，如放置双极板、催化剂、膜电极、质子交换膜等，它可在绝缘套筒中自由移动，且不渗漏测试溶液。导电材料与外部测试设备连接时可以采用螺丝连接、焊接、插接或鳄鱼夹连接等多种形式。本专利技术所述装置的工作电极支撑部分中，所述绝缘套筒的轴向长度较导电芯部的轴承长度短，优选长度差小于15mm。使用时，将绝缘套筒与导电芯部的上端面调整至两者持平，导电芯部下端面突出于外的部分用于连接导线。本专利技术所述控制装置，所述导电芯部为实心柱状体，截面为圆形、正四边形、长方形；所述柱状导电芯部材料为金、银、玻璃碳、紫铜、黄铜。进一步地，所述导电芯部截面为圆形时，其截面直径在3mm～25mm之间，优选为12mm。本专利技术所述控制装置，所述绝缘套筒为中空圆柱形，中空部分的形状随导电芯部形状而变化；绝缘套筒包裹在柱状导电芯部的侧壁上，使导电芯部可在绝缘套筒内上下移动，且两者之间保持密封。本专利技术所述绝缘套筒将柱状导电芯部包裹在其内，并使柱状导电芯部在保证导电芯部可在绝缘套筒内上下移动的同时，还需使两者之间不漏液，保持密封状态。因此，优先绝缘套筒的内径尺寸略大于导电芯部外径尺寸。进一步地，所述绝缘套筒的外径比芯部导电材料尺寸至少大3mm～80mm，优选的尺寸为5mm；内径比芯部导电材料尺寸小1mm～3mm，优选1mm。进一步地，本专利技术所述绝缘套筒材料为聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、对位聚苯、丙烯酸酯橡胶。本专利技术所述电极固定密封部分的主体为带有外螺纹的圆筒，所述圆筒的上端面连接圆筒状弹性材料；所述圆筒状弹性材料内径比圆筒内径小1～5mm；所述电极固定密封部分的圆筒和圆筒状弹性材料套装在绝缘套筒外面，利用密封螺帽固定工作电极支撑部分，其中绝缘套筒放置待测部件的端面需高出圆筒状弹性材料的端面2mm～20mm，优选为4mm；电极固定密封部分的另一端贯穿玻璃容器的底板，通过两个螺帽将电极固定密封部分的圆筒固定在玻璃容器的底板上。进一步地，所述电极固定密封部分包括密封垫，所述密封垫固定于玻璃容器的底板与螺帽之间。进一步地，所述圆筒状弹性材料从与圆筒连接的一端到末端存在锥角，角度为1～15°度，优选锥角角度为5°。本专利技术所述电极固定密封部分由绝缘、耐酸碱腐蚀、耐温材料加工而成，可以是聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、对位聚苯、丙烯酸酯橡胶等。本专利技术所述玻璃容器可根据中央工作电极支撑控制部分尺寸设计。工作电极固定密封部分螺帽外径与玻璃容器内径差值控制在5mm～200mm间，优选60mm。玻璃容器通过固定电极用外螺纹圆筒无弹性材料端连接、密封。本专利技术的另一目的是利用上述装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法。一种利用上述薄液层溶液控制装置进行燃料电池关键零部件电化学性能测量的方法，包括下述步骤：将待测部件利用导电胶固定在导电芯部的上端面上，导电芯部侧面涂覆绝缘材料，通过调整柱状导电芯部的位置，使柱状导电芯部和绝缘套筒的上端面位于同一平面上；调整玻璃容器内的溶液液面高度，使液面高度高于柱状导电芯部的上端面，获得所需的薄液层厚度，将待测部件连接电化学工作站后进行电化学测试。所述薄液层溶液控制装置中液层厚度根据玻璃容器容积、内径和样品表面到玻璃容器顶端距离计算得到。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的评价薄液层溶液中燃料电池关键零部件电化学性能的薄液层溶液控制装置，可以适用于燃料电池关键零部件在常规溶液和薄液层溶液中的电化学测试，也适用于常规溶液和薄液层溶液中燃料电池关键零部件的微区电化学测试。附图说明图1是本专利技术的装置示意图，其中a指外部玻璃容器，b指工作电极支撑控制部分，c指工作电极固定密封部分部分；图2工作电极支撑控制部分示意图；图3工作电极固定密封部分示意图；附图标记如下：1、工作电极支撑部分，2、工作电极固定密封部分，3、玻璃容器，101、柱状导电芯部，102、绝缘套筒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄液层溶液控制装置，其特征在于：所述装置由工作电极支撑部分(1)、工作电极固定密封部分(2)和用于承装溶液的玻璃容器(3)构成，所述工作电极支撑部分(1)由导电芯部(101)和套装在其上的绝缘套筒(102)组成，所述绝缘套筒(102)的轴向长度较导电芯部(101)的轴向长度短；所述工作电极支撑部分(1)整体贯穿玻璃容器(3)的底板，所述电极固定密封部分(2)使工作电极支撑部分(1)固定在玻璃容器(3)的底板中央部分。

【技术特征摘要】
1.一种薄液层溶液控制装置，其特征在于：所述装置由工作电极支撑部分(1)、工作电极固定密封部分(2)和用于承装溶液的玻璃容器(3)构成，所述工作电极支撑部分(1)由导电芯部(101)和套装在其上的绝缘套筒(102)组成，所述绝缘套筒(102)的轴向长度较导电芯部(101)的轴向长度短；所述工作电极支撑部分(1)整体贯穿玻璃容器(3)的底板，所述电极固定密封部分(2)使工作电极支撑部分(1)固定在玻璃容器(3)的底板中央部分。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导电芯部(101)为实心材料，可以加工成截面为圆形、正四边形、长方形等形状；所述柱状导电芯部(101)材料为金、银、玻璃碳、紫铜、黄铜。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒(102)为中空圆柱形，中空部分的形状随导电芯部(101)形状而变化；绝缘套筒(102)包裹在柱状导电芯部(101)的侧壁上，使导电芯部(101)可在绝缘套筒(102)内上下移动，且两者之间保持密封。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述导电芯部(101)截面为圆形时，其截面直径在3mm～25mm之间，优选为12mm；所述导电芯部(101)截面为正四边形时，所述块正四边形尺寸为3mm×3mm～12mm×12mm，优选为10mm×10mm。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒的外径比芯部导电材料尺寸至少大3mm～80mm，优选的尺寸为5mm；内径比芯部导电材料尺寸小1mm～3mm，优选1mm。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述绝缘套筒(102)材料为聚四氟乙烯、无规共聚聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄乃宝，张媛媛，杨国刚，孙先念，张婉琪，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21