技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
氢燃料电池耐久性测试领域，尤其涉及一种氢燃料电池耐久性加速测试系统。
背景技术
[0002] 氢燃料电池是一种以氢气为燃料，
氧气为
氧化剂的燃料电池，具有零排放、效率高、启动速度快、低温运行等优点。氢燃料电池具有广泛的应用领域，既可作为动
力电源应用于
汽车、航天、无人机领域，也可应用于分布式发电、家庭热电联供、备用电源领域。
[0003] 虽然氢燃料电池具有众多优点，但是当前氢燃料电池成本过高、寿命较短，导致其商业化
进程缓慢。目前，氢燃料电池寿命普遍较短，氢燃料电池要满足商业化需求，寿命需达到一定的条件，当作为动力电源时，氢燃料电池最低寿命要求为500小时，当用于分布式发电时，则寿命至少需达到40000小时。然而传统的氢燃料电池耐久性测试循环周期长，采集样本少，会造成成本过高、实验数据不准确的问题。
[0004] 因此，亟需开发一种新的氢燃料电池耐久性加速测试系统，以解决上述问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种氢燃料电池耐久性加速测试系统。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氢燃料电池耐久性加速测试系统，其包括：
[0007]
热压机、燃料电池测试模
块、阻抗仪、电化学工作站、扫描电镜、离子色谱；其中[0008] 将催化剂浆料涂覆在
质子交换膜上形成催化层后，所述热压机适于将自制扩散层热压在催化层两侧，以形成膜
电极；
[0009] 将膜电极组装进氢燃料电池中，并对氢燃料电池进行单电池活化；
[0010] 所述燃料电池测试模块适于控制氢燃料电池的电池
温度范围为50-80℃，加湿
相对湿度范围为50-70％，无工作背压，对输入气体流量进行调节，以控制氢气、空气利用率，即将氢气利用率范围控制在60％-70％，空气利用率范围控制在35％-45％后，并采集氢燃料电池进行开路
电压工况运行前后膜电极的极化曲线；
[0011] 所述阻抗仪适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；
[0012] 所述电化学工作站适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；
[0013] 当氢燃料电池进行开路电压工况运行结束，所述扫描电镜适于采集催化层的截面图；以及
[0014] 氢燃料电池的开路电压下降值大于初始开路电压的20％和/或开路电压工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行开路电压工况；
[0015] 所述离子色谱适于通过氢燃料电池进行开路电压运行时产生的
废水，以采集废水中氟离子浓度；
[0016] 根据氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断，即[0017] Y＝(20％*X1+30％*X2+10％*X3+30％*X4+10％*X5)*Z；
[0018] Z＝0.34T+0.50R；其中
[0019] 氢燃料电池总耐久度为Y，膜电极的极化曲线测得的耐久度为X1，交流阻抗谱测得的耐久度为X2，线性扫描伏安曲线测得的耐久度X3，催化层的截面图测得的耐久度X4，氟离子浓度测得的耐久度X5，以及Z为温湿度补偿系数，T为平均
环境温度与电池标称最高温度的绝对差值，R为平均环境湿度与电池标称最高湿度的绝对差值。
[0020] 进一步，所述燃料电池测试模块包括：加湿罐、加热棒、背压
阀、
质量流量计、
电子负载；
[0021] 所述加湿罐适于调节氢燃料电池的湿度，所述加热棒适于调节氢燃料电池的温度，所述背压阀适于调节氢燃料电池的工作背压，即
[0022] 通过控制氢燃料电池的湿度、温度、工作背压满足设定需求后，所述电子负载适于控制氢燃料电池进行恒流放电，并测量电压；以及
[0023] 所述质量流量计适于根据氢燃料电池进行恒流放电时的工作
电流密度对输入气体流量进行调节。
[0024] 进一步，所述电化学工作站包括：
恒电位仪；
[0025] 所述恒电位仪适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线和
短路电阻。
[0026] 进一步，将一定量的催化剂、分散剂和Nafion溶液混合均匀后，以制成催化剂浆料，并将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上，即
[0027] 在质子交换膜两侧分别形成
阳极催化层、
阴极催化层，所述热压机将自制扩散层热压在阳极催化层、阴极催化层上，以形成膜电极。
[0028] 进一步，所述自制扩散层包括：
碳纸和
覆盖在碳纸上的微孔层；
[0029] 将碳纸贴合在在阳极催化层、阴极催化层上，以进行热压；
[0030] 进行热压时，温度范围为145-160℃，压力范围为0.2-0.4MPa。
[0031] 进一步，所述燃料电池测试模块适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线；
[0032] 所述阻抗仪适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；
[0033] 所述电化学工作站适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；
[0034] 当氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行结束，所述扫描电镜适于采集催化层的截面图；以及
[0035] 所述离子色谱适于通过氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行时产生的废水，以采集废水中氟离子浓度；
[0036] 根据氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断。
[0037] 进一步，控制氢燃料电池分别在相对湿度为40％、64％、80％、100％时，进行相对湿度循环工况运行。
[0038] 进一步，当采集的线性扫描伏安曲线上显示氢燃料电池的氢气渗透电流密度大于10mA/cm2和/或相对湿度循环工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行相对湿度循环工况。
[0039] 本发明的有益效果是，本发明通过采集氢燃料电池相关实验数据，并分析相应膜电极的衰减机理，从而计算出氢燃料电池耐久性即使用寿命，能够给膜电极中质子交换膜的选择上提供指导，并加速对氢燃料电池的寿命测试，从而开发使用寿命长的氢燃料电池。
[0040] 本发明的其他特征和优点将在随后的
说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、
权利要求书以及
附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0041] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳
实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0042] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或
现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043] 图1是本发明的氢燃料电池耐久性加速测试系统的原理
框图；
[0044] 图2是本发明的燃料电池测试模块的优选实施例的原理框图。
具体实施方式
[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 目前氢燃料电池耐久性测试方面，周期长、
精度低，基于此，本发明提供一种氢燃料电池耐久性加速测试系统，通过采集氢燃料电池相关实验数据，并分析相应膜电极的衰减机理，从而计算出氢燃料电池耐久性即使用寿命，能够给膜电极中质子交换膜的选择上提供指导，并加速对氢燃料电池的寿命测试，从而开发使用寿命长的氢燃料电池。
[0047] 下面通过实施例进行详细描述。
[0048] 实施例1
[0049] 图1是本发明的氢燃料电池耐久性加速测试系统的原理框图。
[0050] 在本实施例中，如图1所示，本实施例提供了一种氢燃料电池耐久性加速测试系统，其包括：热压机、燃料电池测试模块、阻抗仪、电化学工作站、扫描电镜、离子色谱；其中将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上形成催化层后，所述热压机适于将自制扩散层热压在催化层两侧，以形成膜电极；将膜电极组装进氢燃料电池中，并对氢燃料电池进行单电池活化；所述燃料电池测试模块适于控制氢燃料电池的电池温度范围为50-80℃，加湿相对湿度范围为50-70％，无工作背压，对输入气体流量进行调节，以控制氢气、空气利用率，即将氢气利用率范围控制在60％-70％，空气利用率范围控制在35％-45％后，并采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的极化曲线；所述阻抗仪适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；所述电化学工作站适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；当氢燃料电池进行开路电压工况运行结束，所述扫描电镜适于采集催化层的截面图；以及氢燃料电池的开路电压下降值大于初始开路电压的20％和/或开路电压工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行开路电压工况；所述离子色谱适于通过氢燃料电池进行开路电压运行时产生的废水，以采集废水中氟离子浓度；根据氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断，即氢燃料电池总耐久度等于20％的膜电极的极化曲线测得的耐久度加上30％的交流阻抗谱测得的耐久度加上10％的线性扫描伏安曲线测得的耐久度加上30％的催化层的截面图测得的耐久度加上10％的氟离子浓度测得的耐久度。
[0051] 在本实施例中，本实施例通过采集氢燃料电池相关实验数据，并分析相应膜电极的衰减机理，从而计算出氢燃料电池耐久性即使用寿命，能够给膜电极中质子交换膜的选择上提供指导，并加速对氢燃料电池的寿命测试，从而开发使用寿命长的氢燃料电池。
[0052] 图2是本发明的燃料电池测试模块的优选实施例的原理框图。
[0053] 为了能够采集膜电极的极化曲线并对输入气体流量进行调节，如图2所示，所述燃料电池测试模块包括：加湿罐、加热棒、背压阀、质量流量计、电子负载；所述加湿罐适于调节氢燃料电池的湿度，所述加热棒适于调节氢燃料电池的温度，所述背压阀适于调节氢燃料电池的工作背压，即通过控制氢燃料电池的湿度、温度、工作背压满足设定需求后，所述电子负载适于控制氢燃料电池进行恒流放电，并测量电压；以及所述质量流量计适于根据氢燃料电池进行恒流放电时的工作电流密度对输入气体流量进行调节。
[0054] 为了能够采集膜电极的线性扫描伏安曲线和短路电阻，所述电化学工作站包括：恒电位仪；所述恒电位仪适于采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线和短路电阻。
[0055] 具体的，将一定量的催化剂、分散剂和Nafion溶液混合均匀后，以制成催化剂浆料，并将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上，即在质子交换膜两侧分别形成阳极催化层、阴极催化层，所述热压机将自制扩散层热压在阳极催化层、阴极催化层上，以形成膜电极。
[0056] 具体的，所述自制扩散层包括：碳纸和覆盖在碳纸上的微孔层；将碳纸贴合在在阳极催化层、阴极催化层上，以进行热压；进行热压时，温度范围为145-160℃，压力范围为0.2-0.4MPa。
[0057] 为了能够氢燃料电池进行相对湿度循环工况进行耐久性判断，所述燃料电池测试模块适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线；所述阻抗仪适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；所述电化学工作站适于采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；当氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行结束，所述扫描电镜适于采集催化层的截面图；以及所述离子色谱适于通过氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行时产生的废水，以采集废水中氟离子浓度；根据氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断。
[0058] 具体的，控制氢燃料电池分别在相对湿度为40％、64％、80％、100％时，进行相对湿度循环工况运行。
[0059] 具体的，当采集的线性扫描伏安曲线上显示氢燃料电池的氢气渗透电流密度大于10mA/cm2和/或相对湿度循环工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行相对湿度循环工况。
[0060] 本发明还可以通过将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上形成催化层后，将自制扩散层热压在催化层两侧，以形成膜电极；将膜电极组装进氢燃料电池中，并对氢燃料电池进行单电池活化；采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的极化曲线；采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；当氢燃料电池进行开路电压工况运行结束，采集催化层的截面图；以及采集氢燃料电池进行开路电压运行时产生的废水，以分析废水中氟离子浓度；根据氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断，即
[0061] Y＝(20％*X1+30％*X2+10％*X3+30％*X4+10％*X5)*Z；
[0062] Z＝0.34T+0.50R；其中
[0063] 氢燃料电池总耐久度为Y，膜电极的极化曲线测得的耐久度为X1，交流阻抗谱测得的耐久度为X2，线性扫描伏安曲线测得的耐久度X3，催化层的截面图测得的耐久度X4，氟离子浓度测得的耐久度X5，以及Z为温湿度补偿系数，T为平均环境温度与电池标称最高温度的绝对差值，R为平均环境湿度与电池标称最高湿度的绝对差值。
[0064] 其中0.34和0.50均为经验值。
[0065] 在本实施例中，可以通过但不限于是热压机进行热压。
[0066] 在本实施例中，可以通过但不限于是燃料电池测试模块采集膜电极的极化曲线。
[0067] 在本实施例中，可以通过但不限于是阻抗仪采集膜电极的交流阻抗谱。
[0068] 在本实施例中，可以通过但不限于是电化学工作站采集膜电极的线性扫描伏安曲线。
[0069] 在本实施例中，可以通过但不限于是扫描电镜采集催化层的截面图。
[0070] 在本实施例中，可以通过但不限于是离子色谱采集废水中氟离子浓度。
[0071] 具体的，调节氢燃料电池的湿度、温度、工作背压，即通过控制氢燃料电池的湿度、温度、工作背压满足设定需求后，控制氢燃料电池进行恒流放电，并测量电压；以及根据氢燃料电池进行恒流放电时的工作电流密度对输入气体流量进行调节。
[0072] 具体的，控制氢燃料电池的电池温度范围为50-80℃，加湿相对湿度范围为50-70％，无工作背压，对输入气体流量进行调节，以控制氢气、空气利用率，即将氢气利用率范围控制在60％-70％，空气利用率范围控制在35％-45％后，并对氢燃料电池的极化曲线进行采集。
[0073] 具体的，采集氢燃料电池进行开路电压工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线和短路电阻。
[0074] 具体的，将一定量的催化剂、分散剂和Nafion溶液混合均匀后，以制成催化剂浆料，并将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上，即在质子交换膜两侧分别形成阳极催化层、阴极催化层，将自制扩散层热压在阳极催化层、阴极催化层上，以形成膜电极。
[0075] 具体的，所述自制扩散层包括：碳纸和覆盖在碳纸上的微孔层；将碳纸贴合在在阳极催化层、阴极催化层上，以进行热压；进行热压时，温度范围为145-160℃，压力范围为0.2-0.4MPa。
[0076] 具体的，氢燃料电池的开路电压下降值大于初始开路电压的20％和/或开路电压工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行开路电压工况。
[0077] 具体的，采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线；采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的交流阻抗谱；采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的线性扫描伏安曲线；当氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行结束，采集催化层的截面图；以及采集氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行时产生的废水，以分析废水中氟离子浓度；根据氢燃料电池进行相对湿度循环工况运行前后膜电极的极化曲线、交流阻抗谱、线性扫描伏安曲线、催化层的截面图和氟离子浓度，以对氢燃料电池耐久性进行判断。
[0078] 具体的，控制氢燃料电池分别在相对湿度为40％、64％、80％、100％时，进行相对湿度循环工况运行。
[0079] 具体的，当采集的线性扫描伏安曲线上显示氢燃料电池的氢气渗透电流密度大于10mA/cm2和/或相对湿度循环工况运行时间不小于500小时时，氢燃料电池停止运行相对湿度循环工况。
[0080] 综上所述，本发明通过采集氢燃料电池相关实验数据，并分析相应膜电极的衰减机理，从而计算出氢燃料电池耐久性即使用寿命，能够给膜电极中质子交换膜的选择上提供指导，并加速对氢燃料电池的寿命测试，从而开发使用寿命长的氢燃料电池。
[0081] 本
申请中选用的各个器件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
[0082] 在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0083] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0084] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信
接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0085] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0086] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0087] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
