一种直接甲醇燃料电池稳定性的测试方法

技术领域

本发明属于高温燃料电池技术领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池长期稳定运行的测试方法。

背景技术

与传统化石能源相比，燃料电池具有高效、零污染等优点，是新能源汽车和固定电站的首选替代能源，受到各国研究人员广泛关注，寿命是燃料电池商业化应用的关键因素。，直接甲醇燃料电池的特征在于阳极为甲醇溶液进料，阴极为气体进料。在长期运行过程中一方面阳极甲醇氧化的副产物在催化层表面吸附累积，导致阳极传质阻力增大，电池性能衰减；另一方面，阳极甲醇溶液会渗透到阴极，从而导致阴极疏水性降低增加空气传质阻力，以及甲醇在阴极催化剂表面吸附降低阴极催化剂活性表面积，加速电池性能衰减。实现长期稳定性测试，特别是上万小时的稳定性测试，降低阳极传质极化和渗透的甲醇对阴极催化剂的影响是非常有效的解决方法。

直接甲醇燃料电池寿命的影响因素很多，如催化剂、膜、双极板、内阻、测试装置、控制策略、测试条件以及放电模式等等。催化剂、膜和双极板与材料相关，内阻与材料和结构有关，测试装置和控制策略为硬件保证条件，测试条件和放电模式可通过优化选择最佳的。与氢氧燃料电池相比，直接甲醇燃料电池由于阳极甲醇溶液进料，甲醇渗透到阴极形成混合电位，电池开路电压较低一般为800mV左右，不超过900mV。较低的开路电压可避免电池在启停瞬间因为电位过高而腐蚀催化剂载体，因此直接甲醇燃料电池在启停过程中不会造成电池性能衰减，反而因为启停瞬间较高电位可部分氧化甲醇氧化反应的副产物而延缓电池衰减速率，因此合理的启停放点模式可提高直接甲醇燃料电池的寿命。另外由于甲醇溶液渗透到阴极，在阴极催化剂表面吸附不仅影响阴极传质，而且会严重降低阴极催化剂活性。长期稳定性测试过程中，通过改变阴、阳极测试条件可在一定程度上降低阳极渗透甲醇对阴极催化剂的影响。

本方法通过优化电池放电模式和阴、阳极测试条件来降低直接甲醇燃料电池衰减速率。首先，电池测试过程中采用间歇式放电模式，通过电池在测试中电位变化部分清除催化剂表面吸附的电化学反应副产物；其次通过运行过程中启停机时阴极吹扫除去从运行中阳极渗透到阴极的甲醇溶液；最后长期运行过程中通过改变甲醇浓度降低阳极甲醇传质阻力和阳极渗透到阴极的甲醇溶液量。

发明内容

本发明提出一种直接甲醇燃料电池稳定性的测试方法，通过优化电池放电模式和阴、阳极测试条件来降低直接甲醇燃料电池衰减速率。

一种直接甲醇燃料电池稳定运行的控制方法，直接甲醇燃料电池的阳极为甲醇水溶液进料，阴极为空气气体进料；包括如下三种方式中的一种或两种以上，

一、采用间歇式放电模式，在电池运行过程中通过电位变化部分清除催化剂表面吸附的电化学反应副产物；

二、通过运行过程中启停机时阴极吹扫除去从运行中阳极渗透到阴极的甲醇水溶液；

三、在电池运行一段时间后，通过提高甲醇水溶液的浓度，降低阳极甲醇传质阻力、以及阳极渗透到阴极的水的量进而降低阴极气体传质阻力。

所述间歇式放电模式为恒流放电过程中每隔10-120(优选30-60)分钟，中止放电，使电池在开路状态下保持5-60(优选15-45)秒，然后继续恒流放电；中止放电状态下，阳极甲醇水溶液持续供给。

所述阴极吹扫为在稳定性运行过程中每次停机时(中止放电时)，可用空气和/或者惰性气体吹扫阴极。

所述电池运行一段时间后提高甲醇水溶液的浓度分为如下两种情况，

第一阶段，当电池运行总时间在5000-10000小时之间时：电池每运行1000-3000(优选1500-2500)小时后,将进料的甲醇水溶液的浓度提高0.01-0.05molL

第二阶段，当电池运行总时间在10000小时及以上时：电池每运行1000-3000(优选1500-2000)小时后,将进料的甲醇水溶液的浓度提高0.03-0.08molL

可采取上所述两个阶段中的一个或两个，且如果采取两种甲醇浓度提高的措施，所述后一阶段甲醇浓度的提高量大于前一甲醇浓度的提高量。

在电池运行的全周期过程中，优选的，第一方式贯穿电池整个运行过程，第二方式开始于电池运行的3000小时以后，第三方式开始于电池运行5000小时以后。首先，电池测试过程中采用间歇式放电模式，通过电池在测试中电位变化及时并快速的部分清除催化剂表面吸附的电化学反应副产物；其次，在电池运行3000小时以后，由于长时间运行阴极容易发生水淹，阴极传质成为电池性能的决速步，因此，此时需配合采取第二种阴极吹扫的方式使电池稳定运行；进一步的，在电池运行5000小时以后，由于阳极传质阻力增大，阳极传质成为电池性能的决速步，因此，此时需在第一种和第二种模式的基础上配合采取第三种逐步提高甲醇浓度的方式，改变甲醇浓度降低阳极甲醇传质阻力和阳极渗透到阴极的水的量，进而使电池稳定运行。稳定性测试初期，一般采用最佳浓度的甲醇水溶液在最佳的流速下进料，如果长期运行，阳极由于副产物吸附以及催化剂活性比表面积降低传质阻力增加，必须通过提高计量比获得较稳定的性能。提高计量比可通过提高甲醇溶液流速和甲醇溶液浓度实现，如果提高甲醇溶液流速，渗透到阴极的甲醇溶液会增加，从而增加阴极的传质阻力。一定程度上缓慢提高甲醇溶液的浓度，保持进料速度不变，在长期运行过程中不仅不会导致甲醇渗透增加，而且还能确保阳极传质阻力稳定。

所述燃料单池测试方法和控制策略适用于直接甲醇燃料电池体系。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)采用本方法，可降低直接甲醇燃料电池稳定测试过程中，阴极水淹、阳极极化现象。

(2)采用本方法，可明显降低直接甲醇燃料电池稳定测试过程中电化学反应副产物吸附引起的电化学活性比较面积降低，从而降低电池的衰减速率，电池稳定运行时间超15000小时，衰减速率只有5μV/h，。

(3)采用本方法，在长期稳定性测试中不需要增加额外的检测和保障设备，只需要简单改变操作条件，便可实现延长电池寿命的目的。

附图说明

图1：比较例1中测试方法单电池稳定运行曲线，测试条件为65℃，1M甲醇1mL min

图2：实施例1中测试方法单电池稳定运行曲线，测试条件为65℃，0.5-0.8M甲醇1mL min

图3：实施例2中测试方法单电池稳定运行曲线，测试条件为65℃，0.5-0.6M甲醇0.52-0.8mL min

图4：实施例3中测试方法单电池稳定运行曲线，测试条件为65℃，0.5-0.8M甲醇0.52-0.8mL min

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

比较例1

制备好的直接甲醇燃料电池MEA组装成单池，于80℃用水活化2小时，然后阳极通入1M甲醇1mL min

实施例1

制备好的直接甲醇燃料电池MEA组装成单池(所有MEA和单池极板同实对比例1)，于80℃用水活化2小时，然后阳极通入0.5M甲醇1mL min

实施例2

制备好的直接甲醇燃料电池MEA组装成单池(所有MEA和单池极板同实对比例1)，于80℃用水活化2小时，然后阳极通入0.5M甲醇1mL min

实施例3

制备好的直接甲醇燃料电池MEA组装成单池(所有MEA和单池极板同实对比例1)，于80℃用水活化2小时，然后阳极通入0.5M甲醇1mL min