1.本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法。

背景技術(shù)：

2.質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性是制約行業(yè)發(fā)展的重要因素，也是重點研究和考察的方向。但是目前在耐久性衰減分析中，常用的電池極化曲線，其過電勢包含了陽極過電位、陰極過電位、歐姆過電位等信息，很難獨立判斷陰陽極各自的問題。盡管可以在材料階段，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)盤等測試手段明確定義其陰極陽極催化劑的本征活性和耐久性，但是在電堆階段，卻很難找到合適的方法明確區(qū)分其陰極和陽極的性能，或者比較電堆運行過程中陰極和陽極分別可能發(fā)生的衰減。

3.另一方面，由于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極氧氣還原反應(yīng)的活化能遠大于陽極氫氣氧化反應(yīng)，往往會將質(zhì)子交換膜燃料電池的極化衰減歸因于陰極性能的下降，但是在質(zhì)子交換膜不斷減薄和低鉑化的當下，陽極衰減的問題不可忽視。因此需要開發(fā)一種簡單易行且可精準測試燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，這對于燃料電池耐久性研究具有重要意義。

4.發(fā)明專利cn 113629278 a開發(fā)了氫泵方法來測試污染引起的陽極過電位，但是氫泵測試對于耐久測試前后的陽極過電位測試并不適用，因為氫泵的過電位是由陽極氫氧化過電勢、陰極氫析出過電勢、歐姆過電勢共同組成的，在耐久過程中，陰極和陽極催化劑都會發(fā)生衰減，陽極氫氧化過電勢、陰極氫析出過電勢都會增大。因此，仍然無法進行區(qū)分，也無法準確判斷耐久前后的過電位差異的來源到底是陽極還是陰極的衰減，以及陽極和陰極的衰減幅度。

5.實用新型專利cn 211825820 u公開了一種單電極電化學(xué)測試裝置，可以準確測試單電池中陰陽極的過電位，可以明確其陰極和陽極的過電位。但是該裝置具有一定的局限性，該裝置實際是在單電池中引入了參比電極作為基準，從而分別測得陰陽極的電位，這種裝置無法用于實際電堆中陰陽極性能的測量以及性能衰減對比，只能進行單電池的離線解析，而且該裝置只能應(yīng)用于液體燃料電池，有很大的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

6.本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法。

7.本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.在電池陽極側(cè)通氮氣或者氫氣，陰極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陽極側(cè)，對電極和參比電極接陰極側(cè)，測量陽極極化曲線；

9.在電池陰極側(cè)通氮氣或者氫氣，陽極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陰極側(cè)，對電極和參比電極接陽極側(cè)，測量陰極極化曲線。

10.優(yōu)選地，測量陽極極化曲線或陰極極化曲線時，電化學(xué)工作站設(shè)置電壓掃描范圍為-0.05-0.50v，掃速速率范圍為1mv/s-10mv/s。

11.優(yōu)選地，測得陽極極化曲線或陰極極化曲線后，去除負電流范圍(析氫)的數(shù)據(jù)，只分析氫氣氧化階段的數(shù)據(jù)。

12.優(yōu)選地，陽極極化曲線或陰極極化曲線的過電位越小，其陽極或陰極活性更好。

13.優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換陽極極化曲線或陰極極化曲線為tafel曲線，tafel曲線斜率越小，陽極或陰極反應(yīng)動力學(xué)更快。

14.進一步優(yōu)選地，在tafel曲線的電化學(xué)控制區(qū)取曲線斜率。

15.進一步優(yōu)選地，做所述的tafel曲線延長線，得到交換電流密度j0，判斷陽極或陰極催化劑的本征活性變化。

16.更進一步優(yōu)選地，j0越大，陽極或陰極催化劑的活性越高。

17.優(yōu)選地，所述的表征方法具體包括以下步驟：

18.1.在電池陽極側(cè)通氮氣，陰極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陽極側(cè)，對電極和參比電極接陰極側(cè)。

19.2.電化學(xué)工作站設(shè)置電壓掃描范圍為-0.05-0.50v，掃速范圍1mv/s-10mv/s。

20.3.測得陽極極化曲線后，去除負電流范圍(析氫)的數(shù)據(jù)，只分析氫氣氧化階段的數(shù)據(jù)。

21.4.比較極化曲線的過電位，同時轉(zhuǎn)換極化曲線為tafel曲線，截取斜率比較電化學(xué)反應(yīng)速率。

22.5.做tafel曲線延長線，得到交換電流密度j0。

23.6.綜合比較過電位，tafel斜率，以及j0，判斷陽極性能。

24.7.在電池陰極側(cè)通氮氣，陽極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陰極側(cè)，對電極和參比電極接陽極側(cè)。

25.8.電化學(xué)工作站設(shè)置電壓掃描范圍為-0.05-0.50v，掃速范圍1mv/s-10mv/s。

26.9.測得陰極極化曲線后，去除負電流范圍(析氫)的數(shù)據(jù)，只分析氫氣氧化階段的數(shù)據(jù)。

27.10.比較極化曲線的過電位，同時轉(zhuǎn)換極化曲線為tafel曲線，截取斜率比較電化學(xué)反應(yīng)速率。

28.11.做tafel曲線延長線，得到交換電流密度j0。

29.12.綜合比較過電位，tafel斜率，以及j0，判斷陰極性能。

30.優(yōu)選地，所述的氮氣和氫氣均為壓力相同的加濕氣體。

31.優(yōu)選地，所述的燃料電池中，冷卻液、氫氣和氮氣的入堆溫度均相同。

32.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

33.1.本發(fā)明可以在線分析陽極和陰極的性能，不用拆堆做離線分析；

34.2.本發(fā)明對于整堆耐久測試，可以有效檢測耐久測試過程中陽極和陰極活性的衰減；

35.3.本發(fā)明針對不同的膜電極，也可以裝彩虹堆(混裝堆)直接進行陽極和陰極性能的對比；

36.4.本發(fā)明提供了一種在線的陰極和陽極性能表征方法，可以快速識別到潛在的陰

極和陽極性能衰減，利用陰極作為動態(tài)可逆氫電極，在陽極側(cè)氧化從質(zhì)子交換膜透過的氫氣，從而得到陽極的氫氣氧化的過電位；反之也可以得到陰極的氫氣氧化的過電位；

37.5.本發(fā)明從極化曲線衍生的tafel曲線和交換電流密度，綜合過電位、tafel斜率以及交換電流密度，來綜合判斷陰極和陽極催化劑是否發(fā)生了衰減，結(jié)果更加準確。

38.6.本發(fā)明可以根據(jù)膜電極的尺寸，選擇工作電極側(cè)通入的氣體(氫氣或者氮氣)，來更好地進行極化性能測試。

附圖說明

39.圖1為耐久性測試前后的陽極極化曲線；

40.圖2為耐久性測試前后的陽極極化tafel曲線。

具體實施方式

41.下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

42.實施例1

43.一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，包括以下步驟：

44.1.在電堆陽極和陰極側(cè)分別通入100％加濕的氮氣和氫氣，氣體壓力均為150kpa。

45.2.水腔壓力120kpa，冷卻液、氫氣和氮氣的入堆溫度均為50℃。

46.3.保持上述條件5-15分鐘后，開始進行電化學(xué)測試。

47.4.將電化學(xué)工作站的工作電極接在電堆陽極側(cè)，將參比電極和對電極接在電堆陰極側(cè)，設(shè)置陽極的掃描電位為-0.05v-0.50v，掃描速率范圍1mv/s-10mv/s，對同一個單電池測量2-4次極化曲線，保持穩(wěn)定后進行記錄。

48.5.得到極化曲線后，取電流為正的部分，作圖進行極化曲線的對比，陽極極化過電勢小的樣品，其陽極活性更好。

49.6.將電壓值作為y軸，電流值取log后作為x軸，做tafel曲線，在電化學(xué)控制區(qū)取斜率，進行動力學(xué)比較，斜率較小的樣品，其陽極反應(yīng)動力學(xué)更快。

50.7.將tafel曲線按電化學(xué)控制區(qū)的斜率延伸到y(tǒng)＝0處，得到交換電流密度j0，判斷陽極催化劑的本征活性變化。

51.8.在電堆陽極和陰極側(cè)分別通入100％加濕的氫氣和氮氣，氣體壓力均為150kpa。

52.9.水腔壓力120kpa，冷卻液、氫氣和氮氣的入堆溫度均為50℃。

53.10.保持上述條件5-15分鐘后，開始進行電化學(xué)測試。

54.11.將電化學(xué)工作站的工作電極接在電堆陰極側(cè)，將參比電極和對電極接在電堆陰極側(cè)，設(shè)置陽極的掃描電位為-0.05v-0.50v，掃描速率范圍1mv/s-10mv/s，對同一個單電池測量2-4次極化曲線，保持穩(wěn)定后進行記錄。

55.12.得到極化曲線后，取電流為正的部分，作圖進行極化曲線的對比，陰極極化過電勢小的樣品，其陰極活性更好。

56.13.將電壓值作為y軸，電流值取log后作為x軸，做tafel曲線，在電化學(xué)控制區(qū)取斜率，進行動力學(xué)比較，斜率較小的樣品，其陽極反應(yīng)動力學(xué)更快。

57.14.將tafel曲線按電化學(xué)控制區(qū)的斜率延伸到y(tǒng)＝0處，得到交換電流密度j0，判斷陽極催化劑的本征活性變化。

58.15.如附圖1,2所示，耐久前的新膜其氫氣氧化過電位更低，tafel斜率更小，因此反應(yīng)動力學(xué)更快，由tafel曲線衍生計算得到交換電流密度，新膜的j0更大，因此其可逆電流密度更大，催化劑活性更高。

59.隨著膜電極制備工藝的改進，以及目前對于膜電極低鉑化進程的推進，未來8μm質(zhì)子交換膜的陰極和陽極涂層都會大幅降低厚度，但是過薄的膜電極涂層有可能會帶來一定風險，因此為了更好地識別到陰極和陽極的極化性能以及陰極和陽極性能的衰減，亟需開發(fā)針對陰極和陽極性能的表征方法。

60.本發(fā)明的測試原理為：

61.在全電池測試中，為了可以測得陽極氫氣氧化的性能，需要將陰極側(cè)同時作為對電極和參比電極，因此需要在陰極側(cè)通入氫氣，作為動力學(xué)可逆氫電極。與此同時，為了獲得陽極氫氣氧化的性能，也需要在陽極通入氫氣，再對陽極施加一個動態(tài)的工作電位，以獲得陽極氫氣氧化的電流響應(yīng)。

62.但是在實際操作中，由于氫氣氧化的反應(yīng)活化能較小，反應(yīng)速率很快，在陽極通氫氣的條件下，其電流響應(yīng)很大，在很小的過電位下，反應(yīng)電流就會超過一般電化學(xué)工作站的量程上限(30a)?？紤]到氫氣氧化反應(yīng)在大電流處是由擴散控制，因此在小電流處可以更好地考察陽極電化學(xué)過程特性和陽極催化劑的反應(yīng)活性。因此在陽極側(cè)通入氮氣，直接依靠質(zhì)子交換膜透過的氫氣，來測試陽極的氫氣氧化能力，通過極化曲線、tafel曲線和交換電流密度的對比，更好地比較陽極活性在耐久測試中的變化。

63.同理，也可以用這種方法測得陰極的氫氣氧化活性，雖然不能直接測得陰極的氧氣還原活性，但是也可以間接利用陰極的氫氣氧化活性來一定程度說明陰極催化劑的狀態(tài)。尤其是在耐久性測試前后，可以利用這種方法來證明陰極催化劑可能發(fā)生的衰減。

64.上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，包括以下步驟：在電池陽極側(cè)通氮氣或者氫氣，陰極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陽極側(cè)，對電極和參比電極接陰極側(cè)，測量陽極極化曲線；在電池陰極側(cè)通氮氣或者氫氣，陽極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陰極側(cè)，對電極和參比電極接陽極側(cè)，測量陰極極化曲線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，測量陽極極化曲線或陰極極化曲線時，電化學(xué)工作站設(shè)置電壓掃描范圍為-0.05-0.50v，掃速速率范圍為1mv/s-10mv/s。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，測得陽極極化曲線或陰極極化曲線后，去除負電流范圍的數(shù)據(jù)，只分析氫氣氧化階段的數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，陽極極化曲線或陰極極化曲線的過電位越小，其陽極或陰極活性更好。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，轉(zhuǎn)換陽極極化曲線或陰極極化曲線為tafel曲線，tafel曲線斜率越小，陽極或陰極反應(yīng)動力學(xué)更快。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，在tafel曲線的電化學(xué)控制區(qū)取曲線斜率。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，做所述的tafel曲線延長線，得到交換電流密度j0，判斷陽極或陰極催化劑的本征活性變化。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，j0越大，陽極或陰極催化劑的活性越高。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，所述的氮氣和氫氣均為壓力相同的加濕氣體。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，所述的燃料電池中，冷卻液、氫氣和氮氣的入堆溫度均相同。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極性能的表征方法，其特征在于，包括以下步驟：在電池陽極側(cè)通氮氣或者氫氣，陰極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陽極側(cè)，對電極和參比電極接陰極側(cè)，測量陽極極化曲線；在電池陰極側(cè)通氮氣或者氫氣，陽極側(cè)通氫氣，電化學(xué)工作站的工作電極接陰極側(cè)，對電極和參比電極接陽極側(cè)，測量陰極極化曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以快速識別到潛在的陰極和陽極性能衰減，利用陰極作為動態(tài)可逆氫電極，在陽極側(cè)氧化氫氣，從而得到陽極的氫氣氧化的過電勢；反之也可以得到陰極的氫氣氧化的過電勢。反之也可以得到陰極的氫氣氧化的過電勢。反之也可以得到陰極的氫氣氧化的過電勢。

技術(shù)研發(fā)人員：俞溢歡 陳廣明 李笑暉 李振林 甘全全 戴威

受保護的技術(shù)使用者：上海神力科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2022.01.28

技術(shù)公布日：2022/8/29