评估燃料电池寿命的加速测试方法技术

本发明专利技术提供了一种评估包括阴极、包含催化剂的阳极和在它们之间的电解质隔膜的燃料电池寿命的加速测试方法，该方法包括：使用循环电压测量循环电压（ＣＶ）曲线，该循环电压使用扫描电压的范围从低电压到Ｖ１高电压，其中Ｖ１大于催化剂的氧化电压；并且使用ＣＶ曲线循环得到的电流密度变化和催化剂活性区域相对于ＣＶ曲线围成的区域，确定燃料电池寿命。该评估燃料电池寿命的加速测试方法相对传统方法更快捷、经济。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种评估燃料电池寿命的加速测试方法。特别是，一种评估具有催化剂、隔膜(membrane)和MEA(Membrane&Electrode Assembly)的燃料电池寿命的快速测试方法。
技术介绍
一种评估燃料电池寿命的方法是在J.of Electrochem.Acta，47，3741(2002)中提出的，其描述了测量电池阳极和甲醇天桥的长期稳定性的方法，操作时间需要2000小时。根据这种方法，操作直接甲醇燃料电池(DMFC，direct methanol fuel cell)的单一电池，按着操作时间，使用在0.4V、100℃下的1M甲醇/空气以测量电力密度和燃料利用情况。另外一种评估燃料电池寿命的方法是在J.of Electrochem.Soc.，151，A48(2004)中提出的，测量聚合电解隔板燃料电池(PEMFC，polymer electrolytemembrane fuel cell)单一电池的寿命的方法，其研究燃料电池中催化剂的微结构，需要4,000小时。在这种方法中，操作PEMFC单一电池，将使用电流密度大约400mA/cm2，60℃的氢/空气，相对湿度大约100％，需要4000小时，以按着操作时间评估单一电池的性能。根据上述的方法，评估燃料电池的寿命将要求较长的时间，这将增加评估的费用。因此，需要一种新颖的加速测试方法来快速评估燃料电池的寿命。
技术实现思路
本专利技术提出了一种快速评估燃料电池的寿命的加速的测试方法。根据本专利技术的一个方面，其提供了评估包括阴极、包含催化剂的阳极和置于其中间的电解隔板的燃料电池的加速测试方法，该方法包括利用CV测量燃料电池的循环伏安法(CV)曲线，该CV具有范围从低电压(通常为50mV-相对于DHE)到大于催化剂氧化电压的V1的高电压的扫描电压；利用各种CV曲线循环的电流密度和在该CV曲线中从氢的吸附/解吸附区域获得的催化剂活性区域来确定燃料电池的寿命。当测量CV曲线时，工作电极可以是阳极，则参考电极和对电极可以是阴极，或者工作电极是阴极，则参考电极和对电极是阳极。根据本专利技术的另一个方面，其提供了评估包括包含催化剂的阴极、阳极和置于其中间的电解隔板的燃料电池寿命的加速测试方法，该方法包括测量相对于循环次数的电池性能的变化，该循环次数通过研究电池电势中相对于燃料电池的电流密度的变化执行；和从测得的电池性能的变化程度测量燃料电池的寿命。根据本专利技术的另一个方面，其提供了评估包括包含催化剂的阴极、阳极和置于其中间的电解质隔板的燃料电池寿命的加速测试方法，该方法包括利用扫描电压进行电势循环，该扫描电压范围从低电压(通常为50mV-DHE)到大于催化剂的氧化电压的V2的高电压；和使用透射电子显微镜(TEM，transmission electron microscope)通过观察催化剂粒子和产物的形态变化的结果来测量催化剂的老化程度。附图说明参照附图，通过对其中本专利技术示范性实施例的详细描述，本专利技术的上述和其它的特点与优点将变得更加显明，其中图1是根据本专利技术例1的燃料电池的CV曲线；图2是根据本专利技术例1相对于燃料电池的电流密度的电池电势的图线；图3和图4是根据本专利技术例2的燃料电池的CV曲线；图5是本专利技术例3中在电势循环前的30wt％PtRu/C的电子射电显微镜(TEM)照片；图6是根据本专利技术例3中在电势循环到1.2v后的30wt％PtRu/C的电子射电显微镜(TEM)照片；和图7是示出在不同实验条件下催化剂(PtRu/C)粒子尺寸的图线。具体实施例方式在下文，将参照附图更详细地描述本专利技术。根据本专利技术实施例的评估燃料电池寿命的加速测试方法包含如下三个过程中的至少一个 1、循环伏安法测量(cyclic voltammetry measurement)2、单一电池性能测量(single cell performance measurement)3、催化剂粒子的尺寸和形态观察，如TEM测量。第一和第二测量是为了定量地评估燃料电池的寿命，第三测量是为了定性地评估燃料电池的寿命。下面将更详细地描述这三个工艺。循环伏安法(CV)测量包括利用扫描电压测量燃料电池的CV曲线，使用的扫描电压不大于V1而大于催化剂氧化的电压值，特别是，扫描电压范围是从0.3V到V1；以及在测量CV曲线的各种数目的循环和通过CV曲线围成的总面积计算催化剂的活性区后，通过电流密度确定燃料电池的寿命。当扫描电压没有超过催化剂的氧化电压时，催化剂老化缓慢地发生。当扫描电压小于0.3V时，催化剂老化过程没有加速，而这并不是优选的。催化剂的氧化电压标志着催化剂中的金属变成催化剂离子的电压。当执行CV测量时，阴极用作对电极/参考电极，阳极被用作工作电极。施加到阴极的电势被调整到大约0V(对照DHE)，并且V1和V2的高电压被调整到超过催化剂的氧化电压。本专利技术可以用于没有载体(support free)或者包含多种成分的催化剂的载体(support)，其中的例子包括PtRu/C、PtRu块、Pt/C、Pt块、PtSn、PtPd、PtNi、PtMo、PtOs、PtCo及其混合物。催化剂中的金属催化剂粒子的含量占催化剂总重量的10到80wt％。V1根据催化剂类型变化，但是可以是0到1.5V(对照DHE)。扫描速度优选为20至50mV/s。当使用CV来评估燃料电池的寿命时，寿命被定义为一次循环后电流密度减少到电流密度的20-70％的循环次数，或者一次循环后的活性区域减少到催化剂活性区域的20-70％的循环次数。单一电池性能测量包括通过研究电池相对于电流密度的电压变化，测量电池相对于循环次数的性能变化；并且通过测量出来的电池性能变化度来确定燃料电池的寿命。当测量单一电池性能时，燃料电池的寿命定义为在电流密度大约200mA/cm2情况下，一次循环后的电压减少到电池电压的20％的循环次数。同时，催化剂粒子的尺寸和形态观察包括在大于燃料电池催化剂氧化电压且不超过V2的电压范围内的运行电势循环，特别是，电压范围在0.3V到V2之间；并且使用透射电子显微镜来观察催化剂粒子和形态变化，以确定催化剂的老化程度。当电压范围不超过催化剂的氧化电压时，催化剂的老化缓慢地发生。当扫描电压小于0.3V时，催化剂老化过程没有加速，这不是优选的。V2优选的范围是从0.3到1.5V。如上描述的评估燃料电池寿命的加速的测试方法可用于比传统的测试方法更快速的评估燃料电池的寿命。因此，本专利技术的方法可以比传统的测试方法显著地降低测试费用和时间。现在，将参照下面的实例更详细地描述本专利技术。下面的实例仅为阐述的目的，并不意味着限定本专利技术。例1将45wt％的PtRu/C(Johnson Matthey公司)和萘基亚胺丁醇(Nafion)溶液(Du Pont)溶解于酒精，以此获得催化剂悬浮液。该悬浮液喷洒在干净的聚四氟乙烯胶片上，从而得到阳极催化剂层。阳极催化剂层中的催化剂浓度为2.0mg/cm2。另外，将20wt％Pt/C(Johnson Matthey公司)和萘基亚胺丁醇(Nafion)溶液(Du Pont)溶解于酒精，从而得到催化剂悬浮液。该悬浮液喷洒在干净的聚四氟乙烯胶片上，得到阴极催化剂层。在阴极催化剂层中的催化剂浓度为1.0m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种评估燃料电池的寿命的加速测试方法，该燃料电池包括含有催化剂的阴极和阳极及夹在它们之间的电解质隔膜，该方法包括：使用范围从低电压到超过催化剂氧化电压的高电压Ｖ１的扫描电压以ＣＶ法测量燃料电池的循环伏安法曲线；和使用各种ＣＶ 曲线循环的电流密度和从ＣＶ曲线中从氢的吸附／解吸的区域获得的催化剂活性区域来确定燃料电池的寿命。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李承宰，张赫，金之来，孙公权，赵新生，辛勤，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]