一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法及应用技术

本发明专利技术公开一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法及应用，包括以下步骤：S1.将直流电源设备、燃料电池、燃料电池测试设备依次串联，得到燃料电池测试回路；S2.在燃料电池的阴极通入空气、阳极通入氢气，利用燃料电池测试回路进行极化曲线测试，得第一阳极HOR过电位损失与阴极ORR过电位损失之和；S3.在燃料电池的阴极与阳极均通入氢气，利用燃料电池测试回路进行极化曲线测试，得第一阳极HOR过电位损失；S4.将步骤S2中所得的第一阳极HOR过电位损失及阴极ORR过电位损失之和减去步骤S3中得到的第一阳极HOR过电位损失，得到步骤S2中阴极ORR过电位，最终得到步骤S2中燃料电池极化曲线上阳极HOR过电位、阴极ORR过电位与欧姆过电位准确数值，解决现有测试技术中如何对燃料电池阴阳极催化剂活性做出精确评价的问题。池阴阳极催化剂活性做出精确评价的问题。池阴阳极催化剂活性做出精确评价的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法及应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法及应用。

技术介绍

[0002]随着煤、石油、天然气等不可再生化石能源的储量不断减少，寻找新能的替代能源成为人类亟待解决的问题，同时化石能源的大量使用也给生态环境带来了严重的污染问题，危害人类的生存健康。
[0003]质子交换膜燃料电池是一种能够将氢气中化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置，该装置具有能量转化效率高、无污染、环境友好等优点，被认为是解决能源危机和环境污染的最具应用前景的方案之一，尤其是在交通运输如汽车、船舶和备用电源等方面极具应用潜力。正是由于以上各方面的优势，氢能及燃料电池技术的开发与应用备受重视，被认为是21 世纪的终极能源。
[0004]极化曲线是表达一定电流密度下燃料电池输出电压的特性曲线，能够简洁明了地反映出燃料电池的发电能力，是燃料电池性能最直接的表征手段。
[0005]燃料电池在工作时的电压损失是由阳极氢气氧化反应(HOR)过电位、欧姆(ohm)过电位、阴极氧还原反应(ORR)过电位共同造成的。阳极HOR 过电位与阴极ORR过电位分别由阳极、阴极的催化剂活性及各自的氢气与空气的传质效率共同决定；而欧姆过电位大部分来源于质子穿过质子交换膜所需要克服的阻力以及质子在阳极和阴极催化层中的传输阻力。
[0006]通常的燃料电池极化曲线上任一电流密度下的输出电压包含了以上三部分的过电位损失，因此，无法从极化曲线上直接得到阳极HOR过电位、欧姆过电位、阴极ORR过电位分别对燃料电池输出电压造成了多少损失，进而无法对阴阳极催化剂的真实催化活性做出精确的评价。
[0007]尤其是燃料电池阴极氧还原反应(ORR)相比于阳极氢氧化反应(HOR) 动力学速度慢5～6个数量级，使得燃料电池的电压损失大部分来自阴极ORR 反应的消耗。而目前评价阴极ORR催化剂的方法主要依赖旋转圆盘电极测试装置，虽然该测试方法可以在很多层面对ORR催化剂进行评价，但其最大的局限在于该测试方法是在溶液中进行，而当ORR催化剂用于燃料电池时真实的工况是固态电解质环境，这就使得旋转圆盘电极测试技术并不能客观真实的模拟燃料电池工作状态，进而无法在燃料电池上对ORR催化剂做出准确的评价。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本申请提供一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法及应用，实现在燃料电池在正常工作状态时，对阴/阳极催化剂活性做出精确评价。
[0009]为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本申请提供一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法，包括以下步
骤：
[0011]S1.将直流电源设备、燃料电池、燃料电池测试设备依次串联，得到燃料电池测试回路；
[0012]S2.在燃料电池的阴极通入空气、阳极通入氢气，利用燃料电池测试回路进行极化曲线测试，测得各电流密度下，燃料电池的第一输出电压值和欧姆过电位值，并计算得到各电流密度下第一输出电压损失，第一阳极HOR过电位损失与阴极ORR过电位损失之和，其中，第一输出电压损失等于第一阳极HOR 过电位损失、阴极ORR过电位损失、欧姆过电位损失三者之和；
[0013]S3.在燃料电池的阴极与阳极均通入氢气，利用燃料电池测试回路进行极化曲线测试，测得各电流密度下的第二输出电压值和第二欧姆过电位值，并计算得到各电流密度下，第二输出电压损失、第一阳极HOR过电位损失，其中，第二输出电压损失为第二欧姆过电位损失、第二阳极HOR过电位损失、阴极HER过电位损失之和，第一阳极HOR过电位损失等于第二阳极HOR过电位损失，第二阳极HOR过电位损失等于阴极HER过电位损失，因此，第一阳极HOR过电位损失等于第二输出电压损失与第二欧姆过电位值之差的一半；
[0014]S4.将步骤S2中所得的第一阳极HOR过电位损失及阴极ORR过电位损失之和减去步骤S3中得到的第一阳极HOR过电位损失，得到阴极ORR过电位，即可分别得到燃料电池在阴极通入空气、阳极通入氢气时，极化曲线上第一阳极HOR过电位、第一欧姆过电位、阴极ORR过电位。
[0015]优选的，步骤S2、步骤S3中，燃料电池的阳极通过直流电源设备连接于燃料电池测试设备的阳极，燃料电池的阴极通过直流电源设备连接于燃料电池测试设备的阴极。
[0016]优选的，在步骤S2之前，还包括活化燃料电池，活化步骤包括，在燃料电池的阳极通入80℃下被水分饱和的氢气、阴极通入80℃下被水分饱和的空气，将燃料电池升温至80℃，电池出口处背压设置为150kPa，通电活化2
‑
4h。
[0017]优选的，步骤S3中，阴极通入的氢气流量及化学剂量比与阳极通入的氢气流量及化学剂量比均对应相等。
[0018]优选的，步骤S3中阴极或阳极通入的氢气流量及化学剂量比与步骤S2 中的阳极通入的氢气流量及化学剂量比均对应相等。
[0019]优选的，步骤S2、步骤S3中，电流密度的范围为0
‑
2600mA/cm2。
[0020]优选的，步骤S2、步骤S3中，进行极化曲线测试时，各电流下保持的测试时间大于等于2min。
[0021]优选的，步骤S2、步骤S3中，极化曲线测试的测试条件相同。
[0022]优选的，在同一电流密度下，第一输出电压损失等于燃料电池开路电压与第一输出电压值之差。
[0023]第二方面，本申请提供一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法在分析燃料电池阴极和/或阳极催化剂活性中的应用。
[0024]本申请的有益效果如下：本申请所提供的燃料电池膜电极极化曲线的拆解测试方法，可以将真实工作状态时(即阳极通入氢气，阴极通入空气)，燃料电池极化曲线上任一电流密度下的电压损失拆分，得到阳极HOR过电位、欧姆过电位、阴极ORR过电位分别造成的损失，并得到精确的阴/阳极催化剂活性曲线，起到旋转圆盘电极测试技术与燃料电池极化曲
线测试的桥梁连接作用，有利于对所用阳极催化剂、阴极催化剂的催化活性做出更加准确的定量评价。
附图说明
[0025]图1为燃料电池正向与反向连接时的极化曲线图及第一阳极HOR过电位曲线图；
[0026]图2为燃料电池极化曲线及欧姆过电位曲线图；
[0027]图3为燃料电池第一输出电压损失与电流密度关系曲线图；
[0028]图4为燃料电池阴极ORR过电位关系曲线图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0030]本申请提供一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法，包括以下步骤：
[0031]S1.将直流电源设备、燃料电池、燃料电池测试设备依次串联，得到燃料电池测试回路，并设置电压为1V；在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将直流电源设备、燃料电池、燃料电池测试设备依次串联，得到燃料电池测试回路；S2.在燃料电池的阴极通入空气、阳极通入氢气，利用所述燃料电池测试回路进行极化曲线测试，测得各电流密度下燃料电池的第一输出电压值和欧姆过电位值，并计算得到各电流密度下第一输出电压损失，第一阳极HOR过电位损失与阴极ORR过电位损失之和，其中，第一输出电压损失等于第一阳极HOR过电位损失、阴极ORR过电位损失、欧姆过电位损失三者之和；S3.在燃料电池的阴极与阳极均通入氢气，利用所述燃料电池测试回路进行极化曲线测试，测得各电流密度下的第二输出电压值和第二欧姆过电位值，并计算得到各电流密度下，第二输出电压损失、第一阳极HOR过电位损失，其中，第一阳极HOR过电位损失等于第二输出电压损失与第二欧姆过电位值之差的一半；S4.将步骤S2中所得的第一阳极HOR过电位损失及阴极ORR过电位损失之和减去步骤S3中得到的第一阳极HOR过电位损失，得到阴极ORR过电位，即可分别得到燃料电池在阴极通入空气、阳极通入氢气时，极化曲线上各电流密度下第一阳极HOR过电位、第一欧姆过电位、阴极ORR过电位。2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法，其特征在于，步骤S2、步骤S3中，所述燃料电池的阳极通过所述直流电源设备连接于所述燃料电池测试设备的阳极，所述燃料电池的阴极通过所述直流电源设备连接于所述燃料电池测试设备的阴极。3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极极化曲线拆解测试方法，其特征在于，在步骤S2之前，还包括活...

【专利技术属性】
技术研发人员：张向前，花仕洋，程凤，高凌峰，唐迪，叶东浩，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：