一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置，该装置包括气瓶、通过管路与气瓶连接的模拟组件、气体压力检测组件和气体流量检测组件，所述的模拟组件包括通过螺栓相互扣合的左夹具和右夹具，并由此形成实验腔室，实验样品通过左右两片夹板固定后将实验腔室分为左右两个相互独立的腔室，左腔室与气瓶连接，右腔室与气体流量检测组件连接，左腔室和右腔室分别与气体压力检测组件连接。与现有技术相比，本发明具有等效检测、气密性好、适应于不同面积样本、操作简单有效等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料及氧化剂中的化学能通过催化剂的作用直接转化成电能的发电装置，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为氢氧燃料电池中最重要的一种，其能量转换效率高(40％-60％)，对环境无污染，工作寿命长，低温快速启动，系统可靠性强，特别适用于汽车和便携式电子设备，具有广阔的发展前景。

气体扩散层是PEMFC中重要组成部分，大多是以碳纸或碳布为材料的多孔介质，其厚度约为100μm-400μm，它具有支撑催化层、传输气体、收集电流以及将反应生成的水从电池内部排除的作用，因此理想的气体扩散层必须同时具有良好的透气性，良好的导电性和良好的排水性，其性能是影响电极传质能力、限制电池性能提升的关键之一。

在燃料电池工作时，是由其催化层内部而非燃料电池入口处的反应物和生成物浓度决定了燃料电池的性能，在催化层内反应物的耗尽(或生成物的聚积)对性能有极为不利的影响，被称为燃料电池的质量传输损耗。初始状态下，燃料电池内任意一点的反应物和生成物浓度都相同，但一旦电池开始产生电流，电化学反应将导致催化层内反应物的消耗，反应物开始从气体扩散层向催化层扩散。

PEMFC层间气体反应物浓度影响着其反应速率和气体传输。但反应物浓度难以直接测量，根据气态方程PV＝nRT，在温度与容器体积不变的情况下，反应物浓度与压力成正比。因此选择测量层间气体压力，研究PEMFC层间压力变化关系，进而推导出浓度变化的影响，对于研究PEMFC反应速率、气体传输等具有一定意义。

若通过在燃料电池内部直接布置测压装置，并在其工作时测量层间压力，则会难以保证燃料电池的气密性，为了得到PEMFC层间压力变化关系，需要对气体扩散层和催化层单独进行实验研究，而目前还没有一种能够模拟PEMFC层间气体压力变化关系的装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置，该装置包括气瓶、通过管路与气瓶连接的模拟组件、气体压力检测组件和气体流量检测组件，所述的模拟组件包括通过螺栓相互扣合的左夹具和右夹具，并由此形成实验腔室，实验样品通过左右两片夹板固定后将实验腔室分为左右两个相互独立的腔室，左腔室与气瓶连接，右腔室与气体流量检测组件连接，左腔室和右腔室分别与气体压力检测组件连接。

在气瓶与左腔室连接的管路上还设有用以调节气体温度和压力的温度控制系统和压力控制系统.

在气瓶与左腔室连接的管路上还设有用以增加气体湿度的增湿系统。

在气瓶与左腔室连接的管路上还设有第一调节阀。

所述的气体压力检测组件包括与左腔室连接的第一压力传感器以及与右腔室连接的第二压力传感器。

所述的气体流量检测组件包括通过管路与右腔室连接的气体流量计，所述的管路上还设有第二调节阀。

所述的左右两片夹板均为中间设有开孔的薄金属板，开孔的面积大小可调节，用以适应不同面积的实验样品。

所述的实验样品与左右两片夹板之间、两片夹板与左夹具和右夹具之间均设有胶黏剂层，并且左夹具和右夹具之间的密封面上开设密封线槽，并且在密封线槽内设有密封件，用以确保密封的实验条件。

所述的胶黏剂层采用的胶黏剂为聚酯、聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。

一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置的试验方法，包括以下步骤：

实验时，气瓶的气体通过温度控制系统、增湿系统和压力控制系统后，以设定的进气压力、湿度和温度进入左腔室，根据预先测得的燃料电池在该进气压力下产生的电流密度，并按等效公式进行转化后，得到等效后的气体体积消耗速率，获取气体流量计的示数并调节第二调节阀，使右腔室中的气体以等效后的气体体积消耗速率稳定流出，读取第一压力传感器和第二压力传感器的示数并记录，改变进气压力值重复实验，所述的等效公式具体为：

其中，V为等效后的气体体积消耗速率，V

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

基于研究PEMFC层间气体压力变化关系的目的，本专利提出了一种以可控的抽气速率来等效燃料电池正常工作产生一定电流密度时对反应物气体的消耗速率的实验方法，并设计了完整的实验台装置，避免了在燃料电池工作时测量的复杂实验，以及气密性无法解决等难题，能够对PEMFC的两层进行单独研究，简化了实验过程。同时，通过利用不同开孔面积的夹板，实现了对不同面积样本的实验，操作简单有效。

附图说明

图1为本发明的整体实验台装置的结构示意图。

图2为夹板与实验样品整体的结构示意图。

图中标记说明：

1、气瓶，2、第一调节阀，3、温度控制系统，4、增湿系统，5、压力控制系统，6、第一压力传感器，7、第二压力传感器，8、左夹具，9、组件，10、右夹具，11、第二调节阀，12、气体流量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出一种以可控的抽气速率等效燃料电池正常工作产生一定电流密度时对反应物气体的消耗速率的实验方法，并设计了完整的实验台装置，为PEMFC层间压力变化关系的实验研究提供途径。

本发明的实验原理如下：

燃料电池的电流密度是可测量的重要性能指标，在已知电流密度的情况下，提出一种等效原理，将其转换为气体体积消耗速率。

由于电子是通过电化学反应产生或消耗的，实质上电化学反应产生的电流i是电化学反应速率的直接度量，由法拉第定律：

式中，Q表示电荷(C)；t表示时间(s)。因而，电流表示电荷传输的速率。如果每个电化学反应结果导致n个电子的传输，则有：

式中，dN/dt表示电化学反应的速率(mol/s)；F表示法拉第常数(96485C/mol)。

当燃料电池工作在某一稳定状态时，产生的电流密度为j(A/cm

式中，V

本发明的一种模拟PEMFC层间气体压力变化关系装置结构如图1所示，其中，左夹具8和右夹具10是相对扣合的一组夹具，为内侧开有凹槽的盒装结构，均开设有通孔作为气体的入口和出口，9为实验样品和两块夹板组成的组件，如图2所示，两块夹板为中间设有方形开孔的薄金属板，实验样品置于两夹板之间，因此夹板的开孔面积即为有效实验面积，选择不同开孔面积的夹板就能实现研究不同面积样品的目的。

组件9夹在左夹具8和右夹具10之间，将左夹具8和右夹具10扣合形成的空间分隔为两个左右相互独立的腔室，两腔室内均布置有压力传感器，用于测量气体压力。

为确保密封的实验条件，实验样品与两块夹板之间、夹板与两块夹具之间均设有胶黏剂层，胶黏剂为聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，使样品四周与夹具压合形成一组合件；两夹具之间设置有密封圈、密封垫等密封件；两夹具的开口端四周均设有用于放置密封圈的密封线槽，其内设置有密封件；两夹具凹槽外侧壁板上对应地设有螺孔，通过螺栓和螺母进行固定。

实验时，气体通过温度控制系统3和压力控制系统5后，以某一设定的进气压力进入左边的腔室。根据预先测得的燃料电池在该进气压力下产生的电流密度，并按本专利提出的等效原理进行转化，得到对应的气体体积消耗速率。观察气体流量计12示数并调节调节阀11，使右边腔室中的气体以所等效的速率稳定流出，读取压力传感器6和7的示数并记录，改变进气压力值重复实验。

实施例

以尺寸为100mm*100mm的实验样品为例，在标准状况下(V

表1试验结果

综上，本发明提出的一种以可控的抽气速率来等效燃料电池正常工作产生一定电流密度时对反应物气体的消耗速率的实验装置，并设计了相应的实验方法，将其运用于PEMFC层间压力变化关系的实验中，并利用不同开孔面积的夹板，实现了不同面积样品的实验要求。