[发明专利]氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法，测量系统包括气源、模拟电解池、蠕动泵、恒温水浴锅、气液分离器、干燥器、背压调节器、热传导式微流量传感器、多孔输运层、第一旋转阀、第二旋转阀、第三旋转阀、第四旋转阀、第五旋转阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；所述模拟电解池包括阳极流场板、阴极流场板和多孔输运层，所述多孔输运层位于阳极流场板和阴极流场板之间。本发明可模拟水电解制氢过程中产生的气体的渗透和水渗透；测量相关压力和气体流量，计算得到多孔输运层的传质损失，为选择低传质损失的多孔输运层提供依据，从而提高电解池性能，减小相关尺寸和降低成本。

技术领域

本发明涉及氢能与燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法。

背景技术

质子交换膜电解池结构与燃料电池结构类似，主要有阴极流场板、密封垫片、多孔输运层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极流场板等组成，但工作原理与燃料电池相反。在电解时，水由阳极侧流入，在阳极催化剂作用下水被分解成氧气、氢质子和电子，氧气由流道排出电解池；质子通过质子交换膜传输到阴极侧，在阴极催化层与来自外电路的电子结合形成氢气。

在质子交换膜电解池中，多孔输运层在催化层和极板之间，主要作用：反应物分配、生成物排出、导电、支撑作用。作为质子交换膜水电解多孔输运层应该满足以下要求：机械性能优异，可以达到支撑膜电极的效果；优异的耐蚀性，在大电流密度下耐电化学腐蚀；高孔隙率，保证材料透气性好、渗透性强，物质传输顺利。多孔输运层结构对毛细管流动和液态水分布有重要联系，会影响水气分布；增加孔隙度或孔径、减小接触角可以提高沿多孔输运层厚度方向的液态水饱和度，从而提高电解池的性能和效率。

质子交换膜水电解池在运行过程中，特别是大电流密度下，阳极催化层产生的氧气会与流道内的液态水形成复杂的气液两相流，扩散层的结构对产物的快速排出和反应产物堆积在MEA(膜电极)表面有重要影响；在阳极多孔输运层和流道的界面上，由于流场板脊的存在使传质阻力骤然增大。因此，设计一种测量质子交换膜水电解池多孔输运层传质性能的测量系统和方法至关重要；本专利用液体渗透率、多孔输运层压头损失、气体渗透率、毛细压力、气体饱和度等参数代表传质性能。

现有技术中针对质子交换膜水电解气体输运层的渗透率的测量系统及方法较少，中国专利CN103852406A公开了一种燃料电池气体扩散层及形成扩散层的碳纸的透气性测试装置及其使用方法，该方法只能测量气体扩散层的本征透气性，不能测量液体渗透传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统及方法，可模拟水电解制氢过程中产生的气体的渗透和水渗透，测量相关压力和气体流量，为选择低传质损失的多孔输运层提供依据，从而提高电解池性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统，包括气源、模拟电解池、蠕动泵、恒温水浴锅、气液分离器、干燥器、背压调节器、热传导式微流量传感器、多孔输运层、第一旋转阀、第二旋转阀、第三旋转阀、第四旋转阀、第五旋转阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；所述模拟电解池包括阳极流场板、阴极流场板和多孔输运层，所述多孔输运层位于阳极流场板和阴极流场板之间；