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

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；

所述气液分离器的出口连接恒温水浴锅入口，所述恒温水浴锅出口连接蠕动泵的入口；所述蠕动泵的出口连接阳极流场板的入口，所述气源出口连接第一转阀，第一旋转阀连接阴极流场板入口；阴极流场板和旋转阀之间安装有第一压力传感器，阳极流场板的入口前安装有第二压力传感器；第二旋转阀出口连接气液分离器的入口，第二旋转阀入口连接阴极流场板出口；所述阳极流场板的出口连接第三旋转阀，阳极流场板与第三旋转阀之间安装第三压力传感器，第三旋转阀和气液分离器的入口相连，所述阴极流场板与第二旋转阀之间设置第四压力传感器；所述气液分离器的一个出口连接第四旋转阀，第四旋转阀连通大气，所述气液分离器的另一个出口和第五旋转阀相连，所述第五旋转阀连接干燥器入口，干燥器出口和背压调节器连接；所述背压调节器后面连接热传导式微流量传感器。

上述方案中，所述多孔输运层与阳极流场板之间设有第一密封垫圈，所述多孔输运层与阴极流场板之间设有第二密封垫圈，第一密封垫圈和第二密封垫圈为硅胶垫片。

上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板两边设置有气液进出通道。

上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板采用点状流场。

上述方案中，所述多孔输运层为测试用的烧结钛板、钛毡或碳纸等PTL。

上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板的接触面上设有用于安装多孔输运层的密封槽。

上述方案中，所述气源内的气体为氮气或氢气。

本发明还提供了一种利用所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统的液体渗透测试方法，包括以下步骤：

(1)将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；

(2)关闭第一旋转阀和第三旋转阀，密封阳极流场板的出口和阴极流场板的入口；

(3)控制阳极流场板入口去离子水的供应流速1L/h，水从阳极流场板入口进入，水流过多孔输运层的另外一边；

(4)打开第二旋转阀，第二压力传感器和第四压力传感器测得阳极入口和阴极出口压力；第四旋转阀打开连通大气，第五旋转阀关闭；

(5)水流速以1个小时为一个周期，在这个周期内每10秒钟用电脑记录实验数据，一共记录360个数据并求平均值；

(6)将水的流动速率以每小时一升的速率逐步上调到8L/h，也就是8个周期，重复步骤(3)、(4)、(5)，记录实验数据；在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。

本发明还提供了一种利用所述的氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统的气体渗透测试方法，包括以下步骤：

(1)将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；

(2)打开第三旋转阀，阳极流场板的入口和出口连通管路；第一旋转阀打开和第二旋转阀关闭，气源和阴极流场板的入口连通，同时密封阴极流场板出口；

(3)控制阳极流场板入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板入口进入，阳极流场板出口流出；阴极流场板入口处供应氢气，使模拟产生的气体穿过多孔输运层，气体和液体混合通过阳极流场板出口流出；

(4)第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器测得阴极入口、阳极入口和阳极出口压力；气/液分离器收集气流和渗透水，水被再次循环；第五旋转阀打开，第四旋转阀关闭；干燥器干燥气体中水分，增加测量气体流量的精度；背压调节器控制管路中气体压力；热传导式微流量传感器测得渗透气体流量；

(5)在每次实验中，水流速以1个小时为一个周期，每10秒钟记录实验数据(压力和流量)，一共记录360个数据并求平均值；

(6)将水的流动速率以1L/h的速率逐步上调到8L/h，也就是8个周期，重复步骤3、4、5；记录实验数据。在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。

(7)使用氢气做完实验后，更换气体为氮气，重复上述气体渗透实验。

实施本发明的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，具有以下有益效果：

1、本发明的气体和液体渗透实验，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。

2、本发明在气体渗透实验中，向PTL中注入气体，模拟质子交换膜水电解池工作中产生的气体(包括模拟电解池的阳极气体和阴极气体)，相比较中国专利CN103852406A还可以进行液体渗透实验。

3、本发明能够测量不同材料和厚度的各种多孔输运层，可以是由颗粒材料烧结而成的多孔输运层，也可以是由纤维状材料制成的多孔输运层；通过调整垫片厚度可测量不同厚度的多孔输运层。

4、传质损失对电解池的性能和效率很重要，优化电解池可以减少产氢的成本；本发明可以通过传质损失数学模型，使用水渗透率计算气体渗透率，并得到多孔输运层传质性能相关参数。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明氢能与燃料电池中多孔输运层传质性能的测量系统的示意图；

图2是模拟电解池的结构示意图；

图3是阳极和阴极流场板的示意图；

图4是模拟电解池的压紧示意图；

图5是多孔输运层气体饱和度和相对气体渗透率分别随毛细压力变化的关系示例图；

图6液体渗透量随水流速的变化关系图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种无膜电极(MEA)的模拟电解池，具体如图2所示，模拟电解池中没有采用质子交换膜和催化剂，其包括流场板6和7、密封垫圈21和20与多孔输运层(PTL)22，双极板和流场板采用一体化，两边的垫片分别安装在多孔输运层22和阳极流场板6，阴极流场板7与多孔输运层22之间，多孔输运层22为测试用的烧结钛板、钛毡、碳纸等PTL，阳极流场板6、左密封垫片21、多孔输运层22、右密封垫片20、阴极流场板7固定连接在一块，并且在流场板的两侧设有气/液流进流出通道。阳极流场板和阴极流场板采用304不锈钢加工而成，面积为100mm×100mm(10cm×10cm)；中心安装多孔输运层的面积为50mm×50mm，阳极流场板和阴极流场板采用点状流场，如图3所示。

本发明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1，旋转阀3、5、13、14和15，模拟电解池4，蠕动泵9、恒温水浴锅10、气/液分离器11，干燥器16，背压调节器17，压力传感器2、8、12和19，热传导式微流量传感器18，多孔输运层22。在液体渗透实验中，气/液分离器11的出口连着恒温水浴锅10入口，恒温水浴锅10出口连着蠕动泵9的入口；蠕动泵9的出口连着模拟电解池阳极流场板6的入口，在入口前管路里安装有压力传感器8测量阳极入口压力，旋转阀13关闭，阳极流场板6的出口密封；旋转阀3关闭，阴极流场板7的进口密封；旋转阀5打开，在中间管路里安装有压力传感器19测量阴极出口压力，旋转阀5出口连着气/液分离器11的入口；气/液分离器11出口连着旋转阀14，旋转阀14打开并连通大气，旋转阀15关闭。在气体渗透实验中，气/液分离器11的出口连着恒温水浴锅10入口，恒温水浴锅10出口连着蠕动泵9的入口；蠕动泵9的出口连着模拟电解池阳极流场板6的入口，在入口前管路里安装有压力传感器8测量阳极入口压力，阳极流场板6的出口连着旋转阀13，在中间管路里安装有压力传感器12，旋转阀13打开和气/液分离器11的入口相连；气源1出口连接旋转阀3，在阴极流场板和旋转阀3之间安装有压力传感器2，旋转阀3打开，连接阴极流场板7入口，旋转阀5关闭，阴极流场板7出口密封；在气/液分离器11另外一个出口和旋转阀15相连，旋转阀14关闭，旋转阀15打开；旋转阀15连着干燥器16入口，干燥器16出口和背压调节器17连接；在背压调节器17后面连着热传导式微流量传感器18。

进一步的，采用本实例的系统实现测量多孔输运层传质性能的测量方法，包括如下：在液体渗透实验中，连接好气压装置相关管道线路，将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；将氮气瓶阀门打开，用2分钟时间缓慢调节气压调节旋钮到合适的压力值，模拟电解池紧密结合在一起，具体如图4示意图；控制阳极流场板6入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板6一端进入，水流过多孔输运层22(PTL)的另外一边；通过数字压力传感器8和19分别测得阳极入口和阴极出口的压力；水流速以1个小时为一个周期，在这个周期内每10秒钟记录下实验数据，一共记录360个数据并求平均值；将水的流动速率以每小时一升的速率逐步上调到8L/h,也就是8个周期，重复测试步骤，记录实验数据；在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。在气体渗透实验中，采用液体渗透实验一样的压紧装置，用蠕动泵9将去离子水泵到模拟电解池4参加循环，控制阳极流场板6入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板6入口进入，阳极流场板6出口流出；阴极流场板7入口处供应氢气，使气流穿过多孔输运层(PTL)；在气/液分离器11收集气流和渗透水，在这个地方水被再次循环，干燥器16用来干燥气体；通过数字压力传感器2、8和12分别测得阴极入口、阳极入口和阳极出口的压力，热传导式微流量传感器18测得渗透气体流量，背压调节器17调节压力，在每次实验中，水流速以1个小时为一个周期，每10秒钟记录实验数据，一共记录360个数据并求平均值；将水的流动速率以每小时一升的速率逐步上调到8L/h,也就是8个周期，重复步骤，记录实验数据。在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。

进一步的，密封垫片采用硅胶垫片。

进一步的，阴极流场板和阳极流场板采用同样的流场板，流场板采用点状流场；在这种流场中反应气体压降小，合理的点状布置形式会引起反应流体不断地收缩扩张，增强反应流体的扰动；反应流体与多孔输运层充分接触，通过与多孔输运层大面积的对流换热对PTL迅速加热到测试温度，将流场中的热量带出。

进一步的，阴极流场板和阳极流场板两边设置有气液进出通道。

进一步的，阴阳极流场板边缘设置有定位螺栓孔。

进一步的，阳极流场板和阴极流场板的接触面上设有密封槽，便于安装多孔输运层。具体如图3所示。

进一步的，采用恒温水浴锅，保证气/液体工作温度稳定。

进一步的，采用蠕动泵，将水从水浴锅里去离子水泵到模拟电解池的一端或者强迫水流过多孔输运层的另外一端，同时水的流速也间接控制了水温。

进一步的，采用气/液分离器和干燥器，收集气体和渗透水，水在这里再次循环；采用干燥器，干燥气体中水分；采用热传导式微流量传感器，保证测量精度。

进一步的，背压调节器，调节气体的压力。

进一步的，气体采用氮气和氢气，模拟水电解过程产生的气体，使用氮气代替氧气，防止产生爆炸。

本发明提供的测试多孔输运层传质性能的测试方法，如图1所示，在液体渗透测试中具体包括以下步骤：

(1)连接好气压装置相关管道线路，将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；

(2)将氮气瓶阀门打开，用2分钟时间缓慢调节气压调节旋钮到合适的压力值，模拟电解池紧密结合在一起，具体如图4压紧示意图；

(3)关闭旋转阀13和3，密封阳极流场板6的出口和阴极流场板7的入口；

(4)在气/液分离器11和蠕动泵9中间串联恒温水浴锅10，控制水温恒温，然后用蠕动泵9将去离子水泵到模拟电解池4参加循环，控制阳极流场板6入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板6入口进入，水流过多孔输运层22(PTL)的另外一边；

(5)打开旋转阀5，数字压力传感器8和19测得阳极入口和阴极出口压力；气/液分离器11另外一个出口和旋转阀14相连，在液体渗透实验中，旋转阀14打开连通大气，旋转阀15关闭；

(6)水流速以1个小时为一个周期，在这个周期内每10秒钟用电脑记录实验数据，一共记录360个数据并求平均值；

(7)将水的流动速率以每小时一升的速率逐步上调到8L/h,也就是8个周期，重复步骤4、5、6；记录实验数据；在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。采用该方法测得的某钛毡PTL的具体实验结果如图6所示。

本发明提供的测试多孔输运层传质性能的测试方法，具体如图1所示，在气体渗透测试中具体包括以下步骤：

(1)连接好气压装置的管道线路，将组装好的模拟电解池放入气压装置内两块压板中间，模拟电解池采用气压装置压紧；

(2)将氮气瓶阀门打开，用2分钟时间缓慢调节气压调节旋钮到合适的压力值，模拟电解池紧密结合在一起，具体如图4示意图；

(3)旋转阀13打开，阳极流场板6的入口和出口连通管路；旋转阀3打开和旋转阀5关闭，气源1和阴极流场板7的入口连通同时密封阴极流场板出口；

(4)在气/液分离器11和蠕动泵9中间串联恒温水浴锅10，控制水温在恒温，然后蠕动泵9将去离子水泵到模拟电解池4参加循环，控制阳极流场板6入口去离子水的供应流速1L/h，使水从阳极流场板6入口进入，阳极流场板6出口流出；阴极流场板7入口处供应氢气，使模拟产生的气体穿过多孔输运层(PTL)，气体和液体混合通过阳极流场板6出口流出；

(5)数字压力传感器2、8和12测得阴极入口、阳极入口和阳极出口压力；旋转阀13和气/液分离器11之间用管路相连，气/液分离器11在此收集气流和渗透水，水被再次循环；气/液分离器11另外一个出口和旋转阀15相连，在气体渗透实验中，旋转阀15打开，旋转阀14关闭；旋转阀15连着干燥器16，干燥气体中水分，增加测量气体流量的精度；背压调节器17控制管路中气体压力；热传导式微流量传感器18测得渗透气体流量；

(6)在每次实验中，水流速以1个小时为一个周期，每10秒钟记录实验数据(压力和流量)，一共记录360个数据并求平均值；

(7)将水的流动速率以1L/h的速率逐步上调到8L/h,也就是8个周期，重复步骤4、5、6；记录实验数据(压力和流量)。在每次实验中进行三次测量，减小数值误差。

(8)使用氢气做完实验后，更换气体为氮气，重复上述气体渗透实验，使用氮气代替氧气，避免引起爆炸。

将测得相关压力和气体流量代入到下述方程中，计算得到多孔输运层传质参数，包括性能参数k

基于能量守恒方程,忽略液体的动能和气体势能，推导得到计算式(1)，从中计算得到多孔输运层压头损失H

式中，S

根据实验测量得到的压力P

然后计算有效气体渗透率K

式中，μ

由达西渗透率公式(3)，计算得到液体渗透率k

式中，Q为通过多孔输运层的水渗透流量，μ

计算多孔输运层孔内气体压力P

P

然后计算分子自由程d：

将(3)式中k

式中，

将(6)式计算得到的绝对气体渗透率k

按公式(8)计算P

式中，F

根据上述方法，结合实测数据得到多孔输运层压头损失H

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。