一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，步骤为：根据膜电极在耐久性测试前后的电化学性能数据与测试得到的新膜电极、老化气体扩散层膜电极的电化学性能数据，分别处理得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、Vd2、Vd3、Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4‑Vd3)/(Vd2‑Vd1)|×100％。本发明专利技术以电压损失来评价气体扩散层和催化层材料衰减老化对膜电极性能的影响，通过具体数据影响因子E来表明影响大小，对比传统加速离线老化实验，对膜电极耐久性研究更具有指导意义。

A durability evaluation method of membrane electrode for PEMFC

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法
本专利技术涉及燃料电池，具体地指一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池作为一种高效清洁能源，越来越受到人们的关注。但是耐久性和成本严重阻碍了质子交换膜燃料电池的商业化进程。而质子交换膜燃料电池的耐久性问题主要在于其关键部件膜电极材料的老化衰减；因此膜电极的耐久性研究是至关重要的。膜电极包括：1.质子交换膜，2.催化层，3.气体扩散层。目前一般认为膜和催化剂的衰减是造成膜电极失效的主要原因，但具体各部分衰减程度如何是十分值得研究的，特别是工况条件下测试后，三部件材料的老化对膜电极性能衰减影响的程度难以区分；如果能将膜电极中各部件完整地分离出来，分别表征研究各部分的老化现象及程度，我们便能对膜电极各部件耐久性有更为实际的认识与研究，更能对各部分材料的耐久性研究提出指导方向。目前在已公开或者授权的专利文献中，关于燃料电池耐久性和膜电极分离的专利非常少，比如：武汉理工大学的专利“一种质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性加速测试方法”(公开号CN107039668A)采用三电极体系对气体扩散层做了离线加速测试，旨在区分气体扩散层的物理衰减和化学衰减，对气体扩散层的衰减现象做了了解，也指出了气体扩散层在线耐久性后难以分离，并不能得出气体扩散层在正常操作条件下的衰减现象，更不能得出正常操作条件下，气体扩散层衰减对膜电极性能的实际影响程度。日本住友化学株式会社的专利“单电池的耐久性评价方法、耐久性评价装置、耐久性评价程序以及燃料电池的单电池”(公开号CN101536230A)公开了一种单电池耐久性评价方法；主要利用有限元素分析建立模型，计算得出水分布，应力应变以及等效应力等结果估算得出单电池耐久性评价值。此专利只是模型估算单电池耐久性，并不能具体得出实际工况条件下，膜电极的耐久性衰减，更不能分离出膜电极各部件对其性能衰减的影响。现代自动车株式会社和韩国科学技术院的专利“用于分离燃料电池的膜电极组件的电极的方法及其装置”(公开号CN105572034A)公开了一种用于从所述贴花转印薄膜中分离燃料电池的膜电极组件的电极的方法和一种用于分离所述电极的装置。主要是利用去离子水表面上冷冻样品的冷冻法，在分离电极和转印薄膜时，电极没有任何损坏。上述专利只针对于转印工艺对膜电极的保护，并不能用于膜电极本身各部分的分离。因此，需要开发出一种能表征气体扩散层和催化层分别对膜电极扩散极化损失的影响程度的评价方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要解决上述
技术介绍
的不足，提供一种能表征气体扩散层和催化层分别对膜电极扩散极化损失的影响程度的评价方法，为膜电极各部件耐久性研究提供具体依据。本专利技术的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，步骤为：将经过耐久性测试后的膜电极中气体扩散层进行分离，与新的质子交换膜、催化层组装成与膜电极同型号的老化气体扩散层膜电极，另取一同型号的新膜电极，将新膜电极、老化气体扩散层膜电极分别进行电化学性能测试；根据膜电极在耐久性测试前后的电化学性能数据与测试得到的新膜电极、老化气体扩散层膜电极的电化学性能数据，分别处理得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、扩散极化电压Vd2、扩散极化电压Vd3、扩散极化电压Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4-Vd3)/(Vd2-Vd1)|×100％。优选的，步骤为：a.在耐久性测试前后分别对膜电极进行电化学性能测试T1、电化学性能测试T2，b.将步骤a中耐久性测试完毕的膜电极中气体扩散层进行分离，与新的质子交换膜、催化层组装成与膜电极同型号的老化气体扩散层膜电极，另取一同型号的新膜电极；将新膜电极、老化气体扩散层膜电极分别进行电化学性能测试T3、电化学性能测试T4；c.将电化学性能测试T1～T4结果进行数据处理，分别得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、扩散极化电压Vd2、扩散极化电压Vd3、扩散极化电压Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4-Vd3)/(Vd2-Vd1)|×100％。优选的，所述电化学性能测试Ti，i＝1、2、3或4，测试方法均为：采用单电池测试台，从零逐步加负载至电流密度j到1200mA/cm2；电流密度加载台阶为100mA/cm2，每个电流密度j下稳定2min，记录相应电流密度j下的膜电极电压Vi和内阻Ri。进一步的，各电化学测试Ti，i＝1、2、3或4，按以下方法进行数据处理：由于极化损失来自于活化极化、欧姆极化、扩散极化三部分，因此有Vi＝Vocv-i-ηi-Vdi-IiRi，其中，Vi＝膜电极电压，Vocv-i＝开路电压，ηi＝活化极化电压，Vdi＝扩散极化电压，IiRi＝欧姆极化电压，Ii＝电流，Ii＝j·Ai，Ai为截面积；令VXi＝Vi+IiRi，根据电流密度j、膜电极电压Vi、内阻Ri得到相应电流密度j下的VXi值；令VYi＝Vi+IiRi+Vdi，由于活化极化电压ηi满足方程ηi＝ai+bilgj，ai、bi常数；在低电流密度区域内忽略扩散极化电压Vdi的影响，令Vdi＝0；则VYi＝Vocv-i-ηi＝Vocv-i-ai-bilgj＝ci-bilgj，其中Vocv-i-ai＝ci，ci为常数；根据低电流密度区域内的VYi和lgj值拟合出VYi-lgj曲线，得到常数bi和ci，计算电流密度j下对应的扩散极化电压Vdi＝VYi-VXi＝ci-bilgj-VXi。以上数据处理方法中，VXi表示补偿欧姆极化损失后的膜电极电压，VYi表示补偿欧姆极化损失和活化极化损失后的膜电极电压。更进一步的，所述低电流密度区域为300mA/cm2≥j＞0mA/cm2处。更进一步的，在电流密度j为设定值时计算影响因子E。优选的，经过耐久性测试后的膜电极中气体扩散层的分离方法为：将膜电极浸入50％体积比的异丙醇水溶液，超声5-10min溶解催化层使气体扩散层与质子膜初步分离，多次纯水冲洗去除气体扩散层表面的催化剂颗粒；再置于纯水中超声至无明显催化剂颗粒脱落，取出60℃烘干得到气体扩散层。进一步的，所述电化学测试T1～T4的测试条件均为：温度75℃，加湿度阳极/阴极RH100％/RH100％，过量系数阳极/阴极：1.5/2.0，背压阳极/阴极：200kPa/200kPa。优选的，步骤c中，最后计算指定电流密度下催化层对膜电极扩散极化损失的影响因子F，F＝1-E。本专利技术的有益效果为：1.通过处理极化曲线和内阻曲线得出指定电流密度下的扩散极化电压，以扩散极化电压来量化扩散极化损失，简单直观。2.以电压损失的形式来客观评价气体扩散层和催化层材料衰减老化对膜电极性能的影响，通过具体数据影响因子E来表明影响大小，与传统加速离线老化实验以及模拟完全不同，对膜电极耐久性研究更具有指导意义。3.采用将气体扩散层剥离制备老化气体扩散层膜电极，与传统物理剥离法比，剥离的气体扩散层更加完整，剥离成功率也更高，而且特别是对长时间耐久性测试后的膜电极有较好的剥离效果。附图说明图1为本专利技术的方法流程图图2为本专利技术的气体扩散层处理流程图图3为电化学性能测试T1、T2得到数据图4为电化学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，步骤为：将经过耐久性测试后的膜电极中气体扩散层进行分离，与新的质子交换膜、催化层组装成与膜电极同型号的老化气体扩散层膜电极，另取一同型号的新膜电极，将新膜电极、老化气体扩散层膜电极分别进行电化学性能测试；根据膜电极在耐久性测试前后的电化学性能数据与测试得到的新膜电极、老化气体扩散层膜电极的电化学性能数据，分别处理得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、扩散极化电压Vd2、扩散极化电压Vd3、扩散极化电压Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4‑Vd3)/(Vd2‑Vd1)|×100％。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，步骤为：将经过耐久性测试后的膜电极中气体扩散层进行分离，与新的质子交换膜、催化层组装成与膜电极同型号的老化气体扩散层膜电极，另取一同型号的新膜电极，将新膜电极、老化气体扩散层膜电极分别进行电化学性能测试；根据膜电极在耐久性测试前后的电化学性能数据与测试得到的新膜电极、老化气体扩散层膜电极的电化学性能数据，分别处理得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、扩散极化电压Vd2、扩散极化电压Vd3、扩散极化电压Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4-Vd3)/(Vd2-Vd1)|×100％。2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，步骤为：a.在耐久性测试前后分别对膜电极进行电化学性能测试T1、电化学性能测试T2，b.将步骤a中耐久性测试完毕的膜电极中气体扩散层进行分离，与新的质子交换膜、催化层组装成与膜电极同型号的老化气体扩散层膜电极，另取一同型号的新膜电极；将新膜电极、老化气体扩散层膜电极分别进行电化学性能测试T3、电化学性能测试T4；c.将电化学性能测试T1～T4结果进行数据处理，分别得到电流密度j下各自的扩散极化电压Vd1、扩散极化电压Vd2、扩散极化电压Vd3、扩散极化电压Vd4；计算电流密度j下气体扩散层对膜电极扩散极化损失的影响因子E，E＝|(Vd4-Vd3)/(Vd2-Vd1)|×100％。3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，所述电化学性能测试Ti，i＝1、2、3或4，测试方法均为：采用单电池测试台，从零逐步加负载至电流密度j到1200mA/cm2；电流密度加载台阶为100mA/cm2，每个电流密度j下稳定2min，记录相应电流密度j下的膜电极电压Vi和内阻Ri。4.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池的膜电极耐久性评价方法，其特征在于，各电化学测试Ti，i＝1、2、3或4，按以下方法进行数据处理：由于极化损失来自于活化极化、欧姆极化、扩散极化三部分，因此有Vi...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，史建鹏，张新丰，胡立中，张泽，
申请(专利权)人：东风汽车集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42