[发明专利]一种膜电极的抗反极测试系统及抗反极测试方法

说明书

本申请提供一种膜电极的抗反极测试系统及抗反极测试方法，属于膜电极的抗反极测试技术领域。该测试系统包括用于测试燃料电池膜电极的抗反极时间，抗反极测试系统包括：用于对单电池的阳极侧提供氢气或氮气的第一气体输送装置，用于对单电池的阴极侧提供空气的第二气体输送装置，用于串联于单电池的直流电源和电子负载，以及用于并联于单电池的内阻测试装置，直流电源和电子负载串联。该测试系统可以实现在进行反极运行的同时，同步监测反极过程中电池内阻的变化情况，并通过在反极测试时电池内阻大幅度上升的情况来进行有效抗反极时间的确定，使抗反极测试的结果更加精确。

技术领域

本申请涉及燃料电池的抗反极测试技术领域，具体而言，涉及一种膜电极的抗反极测试系统及抗反极测试方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种可将氢气的化学能转换为电能并且产物只有水的电化学装置。质子交换膜燃料电池的核心组件为膜电极。膜电极通常由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层以及位于阴阳极催化层两侧的气体扩散层构成。质子交换膜的作用在于传导质子并阻隔电子和气体，通常为全氟磺酸树脂材料；阳极催化层通常由Pt/C催化剂和树脂粘结而成，它是氢氧化反应(HOR)发生的场所；阴极催化层通常由Pt/C催化剂和树脂粘结而成，它是氧还原反应(ORR)发生的场所；气体扩散层主要由气体扩散基底(GDB)和微孔层(MPL)两部分组成，其作用主要是为了支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。只含有一片膜电极的电池一般称之为单电池，实际使用过程中，通常依靠双极板将多片膜电极依次串联起来构成燃料电池堆以便可以获得更高的功率输出。双极板内部的冷却液用于维持电池正常工作的温度，双极板两侧的氢气和空气(或者氧气)分别提供用于电化学反应所需的反应物。

燃料电池堆在实际运行过程中，极容易出现一片或者几片电池电压为负值的情况，即发生所谓的“反极”。反极事故产生的根本原因在于催化层中缺少足够的燃料或者氧化剂。

外界氢气供应不足、杂质堵塞气体传输通道、水淹等因素都可能导致阳极催化层中氢气不足，从而诱发反极现象的发生。另外，电堆在一些动态工况条件下，比如冷启动、快速变载过程中，氢气的传输会存在一个延迟效应，使得阳极催化层在短时间内出现氢气不足的情况，也可能导致反极的发生。阳极催化层内缺氢气时，由于没有足够的氢气发生氧化反应释放电子和质子来维持电荷平衡，为了维持整个电堆系统的电荷平衡，阳极催化层的其它物质(例如水)会发生氧化反应，从而产生质子和释放电子，反应如下：

H₂O＝1/2O₂+2H⁺+2e^-1.23V(vs.SHE)

除了水以外，碳载体也会发生腐蚀反应：

C+2H₂O＝CO₂+4H⁺+4e^-0.21V(vs.SHE)

C+H₂O＝CO+2H⁺+2e^-0.52V(vs.SHE)

碳载体发生腐蚀后，Pt纳米颗粒会脱落、团聚，降低催化剂的电化学活性面积。更严重的是，碳载体作为催化层的骨架，阳极碳载体发生腐蚀后，会导致阳极催化层结构崩塌，大大减低阳极催化层的孔隙率。此外反极过程中还会产生大量的局部热点，加剧质子交换膜的降解，从而导致质子交换膜出现孔洞，降低开路电压，更有甚者，阴阳极可以透过这些孔洞短接而产生更严重的事故。总而言之，这些反极后果最终都会严重影响电池的性能和耐久性。

正因为如此，迫切需要提高燃料电池膜电极的抗反极能力。通常，反极事故只会发生在电堆中，这大大增加了膜电极抗反极能力评估的难度及成本。因此，迫切需要一种可在单电池上实现反极实验的膜电极抗反极测试方法。

发明内容