通过红外热成像法测试燃料电池的方法技术

描述了一种燃料电池，包括膜电极组件和用于对膜电极组件的表面进行热敏成像分析的ＩＲ透射窗口。该测试燃料电池提供了一种监控燃料电池并且利用ＩＲ检测器阵列捕获所述燃料电池的热敏成像图，同时测量电池的电输出，包括电流、电压和半电池电势的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术是由政府支持作出的并且在(合作协定DEFC-36-02AL6721)DOE授权的范围之内。在这个专利技术中政府具有一定的权力。
本申请涉及光学红外热成像法，并且其用在燃料电池性能的监控、测量和描述。
技术介绍
光学高温计已经有效地用于测量各种材料特别是遇热发光材料的表面温度，并且用在评价催化活性、单体或者其他反应物的反应性、反应的速率或者薄膜样品的反应条件方面。典型地评价薄膜样品并且记录样品的温度。较高的峰值温度，例如已经用于筛选各种催化剂，假定在给定的一系列条件下显示较高峰值温度的那些样品具有较高的催化活性。现有技术中已知的电化学电池包括质子交换膜燃料电池、传感器、电解剂和电化学反应器。典型地，这种电池的中央部件是膜电极组件，包括由离子传导膜(ICM，对于质子交换膜来说也称作PEM)隔开的两个催化电极，通常称为膜电极组件(MEA)。在燃料电池中，MEA夹在两个多孔的导电支撑层之间而形成5层组件。当3层MEA包括中央聚合物膜时，该燃料电池通常称为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。在典型的低温燃料电池中，氢气在阳极被氧化以及氧气(通常为空气)在阴极被还原：(阳极)                              (阴极)H2气体--->2e-+2H+  2H+(通过电解质)--->2H++2e-+1/2O2--->H2O-->2e-(通过电路)--->PEMFC被看作是用于例如电动车的潜在能源，因为PEMFC已经显示出了高能量转换效率、高能量密度和可忽略不计的污染。在交通工具例如汽车中，一种便利的氢气源可以是甲醇的蒸气重整，因为甲醇比氢气可以更容易地存储在交通工具中。然而，现有燃料电池的高成本和性能问题已经约束了普及的商业适用性。在新材料的研发和构造方面不断地付出相当多的努力，但是在运行条件下新燃料电池及其部件的测试是个难题。
技术实现思路
本专利技术提供一种燃料电池，包括膜电极组件和用于对膜电极组件的表面进行热敏成像分析的IR透射窗口。本专利技术还提供一种监控燃料电池，并且通过IR检测器阵列捕获所述燃料电池的热敏成像图的方法，同时测量电池的电化学输出，包括电流、电压和半电池电势。本专利技术通过提供一种具有IR透射窗口的测试燃料电池，由此可以在运行条件下，即在消耗反应物和产生电流的情况下测试构成材料(包括催化剂和膜)和部件的尺寸，从而克服了现有技术中的难题。本专利技术通过在获得膜电极组件表面的热敏成像图的同时测量电输出即电压和/或电流，可以评价燃料电池。用在此处时，温谱图和热敏成像图是指在燃料电池MEA的一个或者多个表面上的多个点上燃料电池的温度曲线图，即膜电极组件的表面“温度图”。热敏成像图与单点光学高温计获得的结果不同，单点光学高温计测量单个点的温度，或者表面的平均温度。每个热敏成像图都可以及时地在单个点上捕获，或者作为时间的函数捕获。当作为时间的函数捕获时，可以对MEA表面上的各个点进-->行分析，然后随着时间比较结果。可以在特定的时问内比较各个点以确定MEA上不同点上的电化学反应是如何变化的。通过对比相关的热敏成像图，同时测量(可选地)电流和/或电压，本专利技术的燃料电池和方法可以用于使材料、部件、部件的尺寸和构造、燃料、氧化剂及其数量、气流的均匀性最优化。热敏成像图还可以用于确定由制造过程产生的缺陷，例如MEA中的针孔或者不均匀的催化剂层。附图说明图1是本专利技术燃料电池的分解图。图2是本专利技术方法中使用的燃料电池的示意图。图3和图4是实施例1的热敏成像图的数字图像。图5是实施例2的热敏成像图的数字图像。图6是实施例3的热敏成像图的数字图像。具体实施方式本专利技术提供一种燃料电池，包括膜电极组件和用于对膜电极组件的表面进行热敏成像分析的IR透射窗口。在一个实施方案中燃料电池MEA可以是“五层膜电极组件”，包括：a)第一集电层；b)膜电极组件；以及c)第二集电层；其中IR透射窗口与所述第一集电层相邻设置。在本专利技术的实践中可以使用任何合适的离子传导膜(ICM)。可用于本专利技术的聚合物电解质典型地优选是四氟乙烯和一种或者多种氟化的、酸功能团共聚单体的共聚物。典型地聚合物电解质具有磺化官能团。ICM的厚度典型地小于50μm，更典型地小于40μm，更典型地小于30μm，并且最典型地约25μm。ICM典型地包括聚合物电解-->质，即酸官能团含氟聚合物，例如NAFIONTM(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi Glass Co.Ltd.，Tikyo，Japan)。最典型地聚合物电解质为NafionTM。聚合物典型地具有1200或者更小的酸当量(EW)，更典型地为1100或者更小，更典型地为1050或者更小，并且最典型地为约1000或者更小。一种可用的膜包括含有成键阴离子官能团以及锰或者钌阳离子的聚合物，如U.S.S.N.10/945,178中描述的，在此结合作为参考。另一种可用的膜包括高氟化(典型地全氟化)聚合物电解质和至少一种氧化锰，其中氧化锰在聚合物电解质膜的厚度中的分布是均匀的，例如U.S.S.N.10/944,998中描述的，在此结合作为参考。另一种可用的膜包括含有高氟主链和至少一个侧基的聚合物，其中该至少一个侧基包括-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H形式的侧基，例如在U.S.2004/0121210中描述的，在此结合作为参考。燃料电池的IR热敏成像分析可以用于筛选用于ICM的各种材料、及其厚度和尺寸。例如，可以比较具有不同ICM材料或者尺寸的燃料电池的温谱图。由制造过程产生的缺陷可以通过燃料和氧化剂结合产生的热敏成像图中出现的“热点”辨认出来。在本专利技术的实践中可以使用任何合适的催化剂，包括(用于阳极)Pt、Ru、Hf、Mo、Sn及其与其它贵金属和贱金属的合金和混合物以及其氢氧化合物，以及Pt、其它贵金属和过渡金属及其合金和混合物、包含纳米颗粒的金属以及贱金属催化剂。可以参考U.S.2002/0004453、U.S.6,040,077和U.S.5,879,827。典型地，使用碳载催化剂颗粒。典型的碳载催化剂颗粒是50-90重量％的碳和10-50重量％，催化剂金属典型地对于阴极来说Pt，以及对于阳极来说包括重量比为2∶1的Pt和Ru。常规催化剂合金颗粒典型地由湿化学法或者冶金法制备并且担载在常规碳载颗粒上。常规颗-->粒具有由合金化学计量表示的均匀组成，具有表示由常规方法生产的颗粒的晶体生长特性的一般球形形态，并且在较大担载颗粒的表面上随机分布。催化剂颗粒还可以在没有载体的情况下“孤立”使用。报道过这种颗粒在2到25nm尺寸范围内，并且它们的直径随着每个担载颗粒上催化剂数量的增加而增加。在某些实施方案中，燃料电池MEA可以以涂覆的Pt精细颗粒或者碳载Pt催化剂分散液的形式使用催化电极构成。这些常规催化剂以包含电解质的墨水或者浆料形式涂覆到ICM或者与膜相邻设置的支撑层上。用于氢气燃料聚合物电解质膜的主要催化剂形式是通过湿化学法例如氢氯铂酸的还原涂覆在较大碳颗粒上的Pt或者Pt合金。这种常规形式的催化剂与离聚物粘结剂、溶剂、常常还有聚四氟乙烯(PTFE)颗粒一起分散形成涂覆到膜或者电极支撑材料上的墨水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括膜电极组件和用于对膜电极组件的表面进行热敏成像分析的ＩＲ透射窗口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-12-10 11/008,8261.一种燃料电池，包括膜电极组件和用于对膜电极组件的表面进行热敏成像分析的IR透射窗口。2.根据权利要求1的所述燃料电池，其中所述膜电极组件包括：a)第一集电层；b)膜电极组件；以及c)第二集电层；其中所述IR透射窗口与所述第一集电层相邻设置并且与所述膜电极组件配准。3.根据权利要求1的所述燃料电池，其中所述IR透射窗口位于所述膜电极组件的阳极侧上。4.根据权利要求1的所述燃料电池，其中所述IR透射窗口位于所述膜电极组件的阴极侧上。5.根据权利要求2的所述燃料电池，进一步包括：a)具有IR透射窗口的第一分配板；b)第二分配板；以及c)放置在第一分配板和第二分配板之间的膜电极组件。6.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述膜电极组件包括阳极层、阴极层以及放置在阳极层和阴极层之间的离子交换膜。7.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述膜电极组件包括第一集电体、阳极层、离子交换膜、阴极层以及第二集电体。8.根据权利要求7的所述燃料电池，其中所述窗口位于膜电极组-->件的阳极侧上，并且所述第一集电体是IR透射的。9.根据权利要求7的所述燃料电池，其中所述窗口位于膜电极组件的阴极侧上，并且所述第二集电体是IR透射的。10.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述IR透射窗口包括所述第一分配板中的石英或者兰宝石窗口。11.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述第二分配板在其中具有用于引导燃料和氧化剂流动的沟槽。12.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述第一分配板和第二分配板具有入口和出口，用于引入燃料和氧化剂和排放产物。13.根据权利要求5的所述燃料电池，进一步包括用于可拆卸地连接燃料电池部件以允许更换部件的啮合装置。14.根据权利要求5的所述燃料电池，其中所述阳极层选自Pt、Ru、Hf、Mo、Sn和其它贵金属和贱金属的合金和混合物以及其氢氧化物。15.根据权利要求1的所述燃料电池，其中所述阴极层选自Pt、其它贵金属和...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬B罗斯科，尼尔A拉科，拉多斯拉夫阿塔纳索斯基，埃里克R杰克逊，约翰H托马斯三世，莱斯特H麦金托什三世，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]