一种质子交换膜水扩散系数测量装置及方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜水扩散系数测量装置及方法。

背景技术：

1、燃料电池可通过电化学反应，将燃料中的化学能转化为电能，是实现氢能源高效利用的重要装置。膜电极作为燃料电池的核心部件，主要由气体扩散层、催化层、质子交换膜等具有不同功能的层状材料堆叠构成，其水含量对燃料电池的性能有着至关重要的作用。

2、氢气或其它燃料通过阳极气体扩散层扩散至催化层，借助催化作用分解为氢质子，氢质子穿过质子交换膜与阴极侧的氧气反应生成水。阴极侧的水一部分通过反渗透的作用传到阳极侧，一部分经阴极气体扩散层、阴极流道排除，当膜电极中水含量过高时将造成水淹降低单电池性能，而当膜电极中水含量过低时将提高质子交换膜的电阻进一步降低单电池的性能，因此燃料电池中的水含量需保持在一个合适的范围。从而膜电极中的反渗透水即质子交换膜的水扩散系数尤为重要。在燃料电池运行过程中，质子交换膜的水扩散系数测量易受电渗透拖拽、催化层等的影响。

3、目前，缺少较为简单、准确测量质子交换膜在实际应用过程中的水扩散系数的测量方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一个而提供一种可实现质子交换膜的离线测试并模拟其使用时的温度、湿度和气体压力，对燃料电池用质子交换膜的测试验证需求具有重要作用的质子交换膜水扩散系数测量装置及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种质子交换膜水扩散系数测量装置，该装置包括第一测试支路和含有水冷凝回收装置的第二测试支路；

4、所述的第一测试支路上包括通过管路依次设置的第一气体进口、第一气体质量流量计、第一气体增湿装置、第一电加热管路、质子交换膜和第一气体出口；

5、所述的第二测试支路上包括通过管路依次设置的第二气体进口、第二气体质量流量计、第二气体增湿装置、第二电加热管路、质子交换膜和第二气体出口；

6、所述的质子交换膜和第二气体出口之间还设有可旋转的三通阀，所述的水冷凝回收装置与三通阀断开或相连。

7、进一步地，所述的第一气体进口或第二气体进口中通入的气体包括氮气、空气或氢气。

8、进一步地，所述的第一气体增湿装置或第二气体增湿装置包含温度计。

9、进一步地，所述的第一电加热管路或第二电加热管路包括保温层和/或温度计。

10、进一步地，所述的质子交换膜和第一气体出口之间设有第一气体背压阀，所述的质子交换膜和第二气体出口之间还设有第二气体背压阀。

11、进一步地，所述的质子交换膜通过样品夹具夹持固定。

12、进一步地，所述的水冷凝回收装置上还设有第三气体出口。

13、一种质子交换膜水扩散系数测量方法，该方法基于如上所述的测量装置，包括以下步骤：

14、(1)测试低湿度rh1下经过恒定时间t后冷凝水的质量m1：

15、(1-1)分别获取第一气体进口和第二气体进口的气体流量λ1和λ2，第一电加热管路和第二电加热管路的温度t3和t4，样品夹具即质子交换膜的温度t5以及第一气体背压阀和第二气体背压阀的背压p1和p2；

16、(1-2)根据所需湿度rh1以及温度t3和t4，分别计算得出第一气体增湿装置和第二气体增湿装置的温度t1和t2；

17、(1-3)待各参数均达到设定值之后，继续保持该状态运行0.5-2h，然后将三通旋转接通水冷凝回收装置；

18、(1-4)经过恒定时间t后，再次旋转三通使水冷凝回收装置与三通断开连接，结束测试，称量水冷凝回收装置中冷凝水的质量m1；

19、(2)测试不同湿度下经过恒定时间t后冷凝水的质量m2：其中，t1和t2的温度分别按照高湿度rh2和低湿度rh1设定，得到冷凝水的质量m2，通过冷凝水m1和m2，运行时间t，质子交换膜面积s计算质子交换膜的水扩散系数。

20、进一步地，步骤(1)中，第一测试支路和第二测试支路中的气体湿度相同，均为rh1，t3和t4与t5相同；步骤(2)中，第一测试支路和第二测试支路中的气体湿度分别为rh1和rh2，且rh2>rh1。

21、进一步地，所述的气体流量不大于2l/min，温度不高于95℃，质子交换膜面积为4-360cm2，背压表压不高于1.5mpa，湿度不大于90rh。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、(1)本发明可以离线测量质子交换膜的水扩散系数，以排除在线膜电极复杂结构及电化学反应的影响，并再现其使用工况如温度、压力等；

24、(2)本发明的装置未使用湿度计，以防止高温高湿情况下易导致的湿度计测量误差出现，结构简单，成本低，安全稳定。

技术特征：

1.一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，该装置包括第一测试支路和含有水冷凝回收装置(14)的第二测试支路；

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的第一气体进口(1)或第二气体进口(2)中通入的气体包括氮气、空气或氢气。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的第一气体增湿装置(5)或第二气体增湿装置(6)包含温度计。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的第一电加热管路(7)或第二电加热管路(8)包括保温层和/或温度计。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的质子交换膜和第一气体出口(11)之间设有第一气体背压阀(9)，所述的质子交换膜和第二气体出口(12)之间还设有第二气体背压阀(10)。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的质子交换膜通过样品夹具(16)夹持固定。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜水扩散系数测量装置，其特征在于，所述的水冷凝回收装置(14)上还设有第三气体出口(15)。

8.一种质子交换膜水扩散系数测量方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1-7任一项所述的测量装置，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种质子交换膜水扩散系数测量方法，其特征在于，步骤(1)中，第一测试支路和第二测试支路中的气体湿度相同，均为rh1，t3和t4与t5相同；步骤(2)中，第一测试支路和第二测试支路中的气体湿度分别为rh1和rh2，且rh2>rh1。

10.根据权利要求8所述的一种质子交换膜水扩散系数测量方法，其特征在于，所述的气体流量不大于2l/min，温度不高于95℃，质子交换膜面积为4-360cm2，背压表压不高于1.5mpa，湿度不大于90rh。

技术总结
本发明涉及一种质子交换膜水扩散系数测量装置及方法。该装置包括第一测试支路和含有水冷凝回收装置(14)的第二测试支路；测量方法包括以下步骤：(1)测试低湿度RH1下经过恒定时间t后冷凝水的质量M1：(2)测试不同湿度下经过恒定时间t后冷凝水的质量M2：其中，T1和T2的温度分别按照高湿度RH2和低湿度RH1设定，得到冷凝水的质量M2，通过冷凝水M1和M2，运行时间t，质子交换膜面积s计算质子交换膜的水扩散系数。与现有技术相比，本发明可实现质子交换膜的离线测试并模拟其使用时的温度、湿度和气体压力，对燃料电池用质子交换膜的测试验证需求具有重要作用。

技术研发人员：周向阳,欧阳云瀚,余卓平,朱皓民,张若婧,王浩,陈佳逸,杨秦泰
受保护的技术使用者：上海智能新能源汽车科创功能平台有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13