[发明专利]一种定量分析质子交换膜燃料电池的催化层中金属离子对其性能影响的方法

说明书

本发明涉及一种定量分析质子交换膜燃料电池的催化层中金属离子对其性能影响的方法，属于燃料电池技术领域。所述方法为：将金属盐溶液分别均匀喷涂在5个CCM电极的阴极催化层上，使金属离子在CCM电极的阴极催化层上的掺杂量分别为0.1mg/cm²、0.01mg/cm²、0.005mg/cm²、0.001mg/cm²、0.0001mg/cm²，组装成5个单电池，对5个单电池进行性能测试，得到金属离子掺杂量与电池性能变化的关系曲线。本发明采用喷涂法制备掺杂金属离子的催化层电极，操作简单，可靠性高，适用性广，适用于不同金属离子对燃料电池性能的影响进行定量分析，为燃料电池的寿命测试和零部件的材料选型提供重要的参考依据。

技术领域

本发明涉及一种定量分析质子交换膜燃料电池的催化层中金属离子对其性能影响的方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、响应速度快、低温启动性能好、无污染、低排放等特点，在固定发电站、备用电源、交通运输、航空航天和军工等领域有着非常广泛的应用前景，尤其在燃料电池汽车方面的应用备受关注，因此，质子交换膜燃料电池相关技术的研发也成为全球关注的研究热点。

目前，质子交换膜燃料电池的耐久性是其商业化推广的关键，也是材料技术突破与实践应用的难点。车辆频繁变载、开路/怠速、启停等运行工况是燃料电池寿命降低的主要原因。在这些复杂的工况运行下，燃料电池经常会出现高低温变换、干湿循环、高低电位变换、反极等现象，造成电池性能的衰减，例如：(1)催化剂颗粒的凝聚、迁移或催化剂中毒导致的电化学活性面积降低；(2)质子交换膜或催化层受污染引起的质子传导率的下降；(3)扩散层中聚四氟乙烯的流失或降解，及微孔层结构变化引起的传质阻力增加等。

在现有的材料体系中，由于金属双极板、金属零部件的使用，电池中无法避免的会引入各种金属离子，而金属离子一旦进入到膜电极中，会导致质子交换膜、催化层发生不可逆的物理化学衰减，将直接影响到电池的质子传导率、气体渗透性等，从而影响电池的输出性能和稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种定量分析质子交换膜燃料电池的催化层中金属离子对其性能影响的方法。本发明通过直接往催化层均匀喷涂定量的金属离子，并通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP)仪进行掺杂量标定，再进行单电池的性能测试，则可以准确得到金属离子浓度与电池性能的关系曲线，实现定量分析。

本发明所述方法步骤如下：

(1)将催化剂浆料均匀喷涂在质子交换膜的一侧，催化剂浆料在质子交换膜上的负载量为0.2mg/cm²，得到CCM电极的阳极，再将催化剂浆料均匀喷涂在质子交换膜的另一侧，催化剂浆料在质子交换膜上的负载量为0.4mg/cm²，得到CCM电极的阴极；

(2)将金属盐溶液分别均匀喷涂在5个CCM电极的阴极催化层上，使金属离子在CCM电极的阴极催化层上的掺杂量分别为0.1mg/cm²、0.01mg/cm²、0.005mg/cm²、0.001mg/cm²、0.0001mg/cm²；

(3)将不同掺杂量金属离子的CCM电极分别与气体扩散层、燃料电池测试夹具组装成5个单电池；

(4)对5个单电池进行性能测试，得到金属离子掺杂量与电池性能变化的关系曲线。

优选地，所述步骤(2)中的喷涂为：将CCM电极固定在加热装置上方1-2cm的位置，对CCM电极的阴极催化层进行喷涂。

优选地，所述加热装置的加热温度为80-90℃。

优选地，所述喷涂速率为0.5-1μL/s