氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法，测量系统包括气源、模拟电解池、蠕动泵、恒温水浴锅、气液分离器、干燥器、背压调节器、热传导式微流量传感器、多孔输运层、第一旋转阀、第二旋转阀、第三旋转阀、第四旋转阀、第五旋转阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；所述模拟电解池包括阳极流场板、阴极流场板和多孔输运层，所述多孔输运层位于阳极流场板和阴极流场板之间。本发明专利技术可模拟水电解制氢过程中产生的气体的渗透和水渗透；测量相关压力和气体流量，计算得到多孔输运层的传质损失，为选择低传质损失的多孔输运层提供依据，从而提高电解池性能，减小相关尺寸和降低成本。成本。成本。

【技术实现步骤摘要】
氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及氢能与燃料电池
，更具体地说，涉及一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜电解池结构与燃料电池结构类似，主要有阴极流场板、密封垫片、多孔输运层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极流场板等组成，但工作原理与燃料电池相反。在电解时，水由阳极侧流入，在阳极催化剂作用下水被分解成氧气、氢质子和电子，氧气由流道排出电解池；质子通过质子交换膜传输到阴极侧，在阴极催化层与来自外电路的电子结合形成氢气。
[0003]在质子交换膜电解池中，多孔输运层在催化层和极板之间，主要作用：反应物分配、生成物排出、导电、支撑作用。作为质子交换膜水电解多孔输运层应该满足以下要求：机械性能优异，可以达到支撑膜电极的效果；优异的耐蚀性，在大电流密度下耐电化学腐蚀；高孔隙率，保证材料透气性好、渗透性强，物质传输顺利。多孔输运层结构对毛细管流动和液态水分布有重要联系，会影响水气分布；增加孔隙度或孔径、减小接触角可以提高沿多孔输运层厚度方向的液态水饱和度，从而提高电解池的性能和效率。
[0004]质子交换膜水电解池在运行过程中，特别是大电流密度下，阳极催化层产生的氧气会与流道内的液态水形成复杂的气液两相流，扩散层的结构对产物的快速排出和反应产物堆积在MEA(膜电极)表面有重要影响；在阳极多孔输运层和流道的界面上，由于流场板脊的存在使传质阻力骤然增大。因此，设计一种测量质子交换膜水电解池多孔输运层传质性能的测量系统和方法至关重要；本专利用液体渗透率、多孔输运层压头损失、气体渗透率、毛细压力、气体饱和度等参数代表传质性能。
[0005]现有技术中针对质子交换膜水电解气体输运层的渗透率的测量系统及方法较少，中国专利CN103852406A公开了一种燃料电池气体扩散层及形成扩散层的碳纸的透气性测试装置及其使用方法，该方法只能测量气体扩散层的本征透气性，不能测量液体渗透传输。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法，可模拟水电解制氢过程中产生的气体的渗透和水渗透，测量相关压力和气体流量，为选择低传质损失的多孔输运层提供依据，从而提高电解池性能。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，包括气源、模拟电解池、蠕动泵、恒温水浴锅、气液分离器、干燥器、背压调节器、热传导式微流量传感器、多孔输运层、第一旋转阀、第二旋转阀、第三旋转阀、第四旋转阀、第五旋转阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；所述模拟电解池包括阳极流场板、阴极流场板和多孔输运层，所述多孔输运层位于阳极流场板和阴极流场板之间；
[0008]所述气液分离器的出口连接恒温水浴锅入口，所述恒温水浴锅出口连接蠕动泵的入口；所述蠕动泵的出口连接阳极流场板的入口，所述气源出口连接第一转阀，第一旋转阀连接阴极流场板入口；阴极流场板和旋转阀之间安装有第一压力传感器，阳极流场板的入口前安装有第二压力传感器；第二旋转阀出口连接气液分离器的入口，第二旋转阀入口连接阴极流场板出口；所述阳极流场板的出口连接第三旋转阀，阳极流场板与第三旋转阀之间安装第三压力传感器，第三旋转阀和气液分离器的入口相连，所述阴极流场板与第二旋转阀之间设置第四压力传感器；所述气液分离器的一个出口连接第四旋转阀，第四旋转阀连通大气，所述气液分离器的另一个出口和第五旋转阀相连，所述第五旋转阀连接干燥器入口，干燥器出口和背压调节器连接；所述背压调节器后面连接热传导式微流量传感器。
[0009]上述方案中，所述多孔输运层与阳极流场板之间设有第一密封垫圈，所述多孔输运层与阴极流场板之间设有第二密封垫圈，第一密封垫圈和第二密封垫圈为硅胶垫片。
[0010]上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板两边设置有气液进出通道。
[0011]上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板采用点状流场。
[0012]上述方案中，所述多孔输运层为测试用的烧结钛板、钛毡或碳纸等PTL。
[0013]上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板的接触面上设有用于安装多孔输运层的密封槽。
[0014]上述方案中，所述气源内的气体为氮气或氢气。
[0015]本专利技术还提供了一种利用所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统的液体渗透测试方法，包括以下步骤：
[0016](1)将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；
[0017](2)关闭第一旋转阀和第三旋转阀，密封阳极流场板的出口和阴极流场板的入口；
[0018](3)控制阳极流场板入口去离子水的供应流速1L/h，水从阳极流场板入口进入，水流过多孔输运层的另外一边；
[0019](4)打开第二旋转阀，第二压力传感器和第四压力传感器测得阳极入口和阴极出口压力；第四旋转阀打开连通大气，第五旋转阀关闭；
[0020](5)水流速以1个小时为一个周期，在这个周期内每10秒钟用电脑记录实验数据，一共记录360个数据并求平均值；
[0021](6)将水的流动速率以每小时一升的速率逐步上调到8L/h，也就是8个周期，重复步骤(3)、(4)、(5)，记录实验数据；在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。
[0022]本专利技术还提供了一种利用所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统的气体渗透测试方法，包括以下步骤：
[0023](1)将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；
[0024](2)打开第三旋转阀，阳极流场板的入口和出口连通管路；第一旋转阀打开和第二旋转阀关闭，气源和阴极流场板的入口连通，同时密封阴极流场板出口；
[0025](3)控制阳极流场板入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板入口进入，阳极流场板出口流出；阴极流场板入口处供应氢气，使模拟产生的气体穿过多孔输运层，气体和液体混合通过阳极流场板出口流出；
[0026](4)第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器测得阴极入口、阳极入口和阳极出口压力；气/液分离器收集气流和渗透水，水被再次循环；第五旋转阀打开，第四旋转阀关闭；干燥器干燥气体中水分，增加测量气体流量的精度；背压调节器控制管路中气体压力；热传导式微流量传感器测得渗透气体流量；
[0027](5)在每次实验中，水流速以1个小时为一个周期，每10秒钟记录实验数据(压力和流量)，一共记录360个数据并求平均值；
[0028](6)将水的流动速率以1L/h的速率逐步上调到8L/h，也就是8个周期，重复步骤3、4、5；记录实验数据。在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。
[0029](7)使用氢气做完实验后，更换气体为氮气，重复上述气体渗透实验。
[0030]实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，包括气源(1)、模拟电解池(4)、蠕动泵(9)、恒温水浴锅(10)、气液分离器(11)、干燥器(16)、背压调节器(17)、热传导式微流量传感器(18)、多孔输运层(22)、第一旋转阀(3)、第二旋转阀(5)、第三旋转阀(13)、第四旋转阀(14)、第五旋转阀(15)、第一压力传感器(2)、第二压力传感器(8)、第三压力传感器(12)和第四压力传感器(19)；所述模拟电解池(4)包括阳极流场板(6)、阴极流场板(7)和多孔输运层(22)等，所述多孔输运层PTL(22)位于阳极流场板(6)和阴极流场板(7)之间；所述气液分离器(11)的出口连接恒温水浴锅(10)入口，所述恒温水浴锅(10)出口连接蠕动泵(9)的入口；所述蠕动泵(9)的出口连接阳极流场板(6)的入口，所述气源(1)出口连接第一旋转阀3，第一旋转阀(3)连接阴极流场板(7)入口；阴极流场板(7)和旋转阀3之间安装有第一压力传感器(2)，阳极流场板(6)的入口前安装有第二压力传感器(8)；第二旋转阀(5)出口连接气液分离器(11)的入口，第二旋转阀(5)入口连接阴极流场板(7)出口；所述阳极流场板(6)的出口连接第三旋转阀13，阳极流场板(6)与第三旋转阀(13)之间安装第三压力传感器(12)，第三旋转阀(13)和气液分离器(11)的入口相连，所述阴极流场板(7)与第二旋转阀(5)之间设置第四压力传感器(19)；所述气液分离器(11)的一个出口连接第四旋转阀(14)，第四旋转阀(14)连通大气，所述气液分离器(11)的另一个出口和第五旋转阀(15)相连，所述第五旋转阀(15)连接干燥器(16)入口，干燥器(16)出口和背压调节器(17)连接；所述背压调节器(17)后面连接热传导式微流量传感器(18)。2.根据权利要求1所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，所述多孔输运层(22)与阳极流场板(6)之间设有第一密封垫圈(21)，所述多孔输运层(22)与阴极流场板(7)之间设有第二密封垫圈(20)。3.根据权利要求2所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，所述第一密封垫圈(21)和第二密封垫圈(20)为硅胶垫片。4.根据权利要求1所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，所述阴极流场板(7)和阳极流场板(6)两边设置有气液进出通道。5.根据权利要求1所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，所述阴极流场板(7)和阳极流场板(6)采用点状流场。6.根据权利要求1所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特征在于，所述模拟电解池中没有采用质子交换膜和催化剂，多孔输运层(22)为烧结钛板、钛毡或碳纸等PTL。7.根据权利要求1所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗马吉，周威，刘志恩，陈奔，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：