CN112924496A - 一种质子交换膜变干/变湿速率评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜变干/变湿速率评价方法，变干速率评价方法包括；将润湿状态的质子交换膜置于干气体中吹扫，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，以达到湿态平衡内阻突变点的时刻记为t1，以达到干态内阻值的时刻记为t2，则变干速率为t2‑t1；变湿速率的评价方法包括：将干燥状态的质子交换膜置于加湿气体中吹扫，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值突降结束时刻记为t4，以达到湿态平衡内阻值的时刻记为t5，则变湿速率为t5‑t4。与现有技术相比，本发明有助于评判不同质子交换膜在不同吹扫协议下的湿度变化情况，从而有利于调整***停机后的吹扫协议，同时也有助于设计膜的加速寿命测试工况条件。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜变干/变湿速率评价方法。
背景技术
由于目前日益严重的能源匮乏问题，许多绿色可再生能源，如风能、太阳能、地热能、氢能等受到了广泛的关注，其中氢能被视为未来可以替代现有化石能源的重要绿色能源。燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置，它可以将氢气和空气通过电化学反应生成水并直接产生电能，具有能量转化率高、环境友好、噪音小等优点。燃料电池的核心部件为膜电极材料，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层通过热压工艺复合而成。其中的质子交换膜是膜电极中的核心材料之一，膜的寿命直接决定了燃料电池的使用寿命，而在实际使用过程中，质子交换膜的干湿状态则直接影响了其输出性能和使用寿命。
在正常燃料电池运行结束后需进行吹扫处理，同时在电堆加速寿命预测中需要通过吹扫来控制质子交换膜的干湿状态，进而模拟燃料电池的实际运行过程。而质子交换膜的变干/变湿速率是影响其机械衰减的重要因素，因此准确确定不同质子交换膜变干/变湿速率对于调整燃料电池电堆停机吹扫协议，以及设计质子交换膜加速寿命测试工况至关重要。目前，尚缺乏测试不同质子交换膜在不同吹扫工况条件下变干/变湿速率的方法和流程。
发明内容
本发明的目的就是提供一种质子交换膜变干/变湿速率评价方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种质子交换膜变干速率评价方法，包括：将润湿状态的质子交换膜置于干气体中吹扫，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值从湿态平衡内阻开始突变的时刻记为t1，以内阻值达到干态内阻值的时刻记为t2，则该质子交换膜的变干速率为t2-t1。
进一步地，所述的润湿状态的质子交换膜的制备方法包括：采用加湿气体吹扫待测试的质子交换膜至其内阻值达到湿态平衡内阻。
进一步地，所述的加湿气体包括饱和水蒸气或过饱和水蒸气，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-50nlpm。
进一步地，所述的干气体包括惰性气体，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-100nlpm。
进一步地，所述的干态内阻值为膜含水量为1H2O/SO3H时所对应的内阻，一般认为此时膜处于干态。干态内阻值的测试方法包括：
S1，根据文献(Mittelsteadt C K,Liu H.Conductivity,permeability,andohmic shorting of ionomeric membranes[J].Handbook of Fuel Cells,2010.)确定测试温度下质子交换膜含水量为1H2O/SO3H时所对应的环境气体湿度；
S2，采用相同湿度的气体，以5nlpm的吹扫流量对质子交换膜进行吹扫，并采用交流电阻测试仪(安柏AT526)监测质子交换膜内阻变化，直至平衡，此时内阻值即为干态内阻值。
一种质子交换膜变湿速率评价方法，包括：将干燥状态的质子交换膜置于加湿气体中吹扫，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值突降结束时刻记为t4，以内阻值达到湿态平衡内阻值的时刻记为t5，则该质子交换膜的变湿速率为t5-t4。
其中内阻值突降是指在采用加湿气体吹扫干燥状态的质子交换膜的起始时刻，膜内阻在较短时间内存在一个突降过程，通常为1-3s，该过程主要是由于膜处于很干状态(含水量为1H2O/SO3H)，在膜低含水量区间(含水量由1H2O/SO3H增加为2H2O/SO3H)时，内阻差异很大，因此应排除该过程对评价质子交换膜变湿速率的影响。
进一步地，所述的干燥状态的质子交换膜的制备方法包括：采用干气体吹扫待测试的质子交换膜至其内阻值大于膜含水量为1H2O/SO3H所对应的内阻值。
进一步地，所述的干气体包括惰性气体，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-100nlpm。
进一步地，采用干气体吹扫待测试的质子交换膜前，先采用加湿气体进行吹扫直至待测试的质子交换膜升温至设定温度。采用加湿气体进行吹扫，以对待测试的质子交换膜达到较快的升温效果。
进一步地，所述的加湿气体包括饱和水蒸气或过饱和水蒸气，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-50nlpm。
与现有技术相比，本发明提出了一种评价不同质子交换膜在不同吹扫条件下变干/变湿速率的测试方法，有助于评判不同质子交换膜在不同吹扫协议下的湿度变化情况，从而有利于调整***停机后的吹扫协议，同时也有助于设计膜的加速寿命测试工况条件。
附图说明
图1为实施例中一种质子交换膜在变干速率评价过程中的内阻变化曲线；
图2为实施例中一种质子交换膜在变湿速率评价过程中的内阻变化曲线。
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。
一种质子交换膜变干速率评价方法，包括以下步骤：
1)采用加湿气体吹扫待测试的质子交换膜，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，至内阻值达到湿态平衡内阻，得到润湿状态的质子交换膜；
2)将润湿状态的质子交换膜置于干气体中吹扫，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值从湿态平衡内阻开始突变的时刻记为t1，以内阻值达到干态内阻值的时刻记为t2，则该质子交换膜的变干速率为t2-t1。
一种质子交换膜变湿速率评价方法，包括以下步骤：
1)采用加湿气体进行吹扫直至待测试的质子交换膜升温至设定温度；
2)将吹扫气体切换为干气体，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，至其内阻值达到内阻上限，得到干燥状态的质子交换膜；
3)将干燥状态的质子交换膜置于加湿气体中吹扫，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值突降结束时刻记为t4，以内阻值达到湿态平衡内阻值的时刻记为t5，则该质子交换膜的变湿速率为t5-t4。
其中，加湿气体均包括饱和水蒸气或过饱和水蒸气，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-50nlpm；干气体均包括惰性气体，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-100nlpm；干态内阻值膜含水量为1H2O/SO3H时对应内阻值。
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
一种质子交换膜变干速率评价方法，包括以下步骤：
1)采用加湿气体吹扫待测试的质子交换膜，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，至内阻值达到湿态平衡内阻，得到润湿状态的质子交换膜；
2)将吹扫气体切换为干气体，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值从湿态平衡内阻开始突变的时刻记为t1，以膜中水含量为1H2O/SO3H时对应的时刻记为t2，则该质子交换膜的变干速率为t2-t1。
具体的工艺参数如表2所示，内阻变化曲线如图2所示，从图中可以看出，t1＝38s，t2＝44s，则该质子交换膜的变干速率为t2-t1＝6s。
表1质子交换膜变干速率测试协议
一种质子交换膜变湿速率评价方法，包括以下步骤：
1)采用加湿气体进行吹扫直至待测试的质子交换膜升温至设定温度；
2)将吹扫气体切换为干气体，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，至其内阻值达到内阻上限，得到干燥状态的质子交换膜，记该时刻为t3；
3)将吹扫气体切换为加湿气体，并对干燥状态的质子交换膜进行吹扫，并监测内阻随吹扫时间的变化情况，切换气体的瞬间内阻产生1s的突降情况，即以内阻值突降结束时刻t3+1记为t4，以内阻值达到湿态平衡内阻值的时刻记为t5，则该质子交换膜的变湿速率为t5-t4。
具体的工艺参数如表2所示，内阻变化曲线如图2所示，从图中可以看出，t3＝35s，t4＝36s，t5＝40s，则该质子交换膜的变湿速率为t5-t4＝4s。
表2质子交换膜变干速率测试协议
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜变干速率评价方法，其特征在于，该方法包括：将润湿状态的质子交换膜置于干气体中吹扫，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值从湿态平衡内阻开始突变的时刻记为t1，以内阻值达到干态内阻值的时刻记为t2，则该质子交换膜的变干速率为t2-t1。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜变干速率评价方法，其特征在于，所述的润湿状态的质子交换膜的制备方法包括：采用加湿气体吹扫待测试的质子交换膜至其内阻值达到湿态平衡内阻。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜变干速率评价方法，其特征在于，所述的加湿气体包括饱和水蒸气或过饱和水蒸气，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-50nlpm。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜变干速率评价方法，其特征在于，所述的干气体包括惰性气体，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-100nlpm。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜变干速率评价方法，其特征在于，所述的干态内阻值为膜的含水量为1H2O/SO3H时所对应的内阻值。
6.一种质子交换膜变湿速率评价方法，其特征在于，该方法包括：将干燥状态的质子交换膜置于加湿气体中吹扫，并监测质子交换膜内阻随吹扫时间的变化情况，以内阻值突降结束时刻记为t4，以内阻值达到湿态平衡内阻值的时刻记为t5，则该质子交换膜的变湿速率为t5-t4。
7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜变湿速率评价方法，其特征在于，所述的干燥状态的质子交换膜的制备方法包括：采用干气体吹扫待测试的质子交换膜至其内阻值大于膜含水量为1H2O/SO3H时的内阻值。
8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜变湿速率评价方法，其特征在于，所述的干气体包括惰性气体，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-100nlpm。
9.根据权利要求7所述的一种质子交换膜变湿速率评价方法，其特征在于，采用干气体吹扫待测试的质子交换膜前，先采用加湿气体进行吹扫直至待测试的质子交换膜升温至设定温度。
10.根据权利要求6或9所述的一种质子交换膜变湿速率评价方法，其特征在于，所述的加湿气体包括饱和水蒸气或过饱和水蒸气，吹扫温度为60-90℃，吹扫流量为1-50nlpm。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6383671B1 (en) * | 1998-09-08 | 2002-05-07 | Lynntech, Inc. | Gas humidification device for operation testing and evaluation of fuel cells |
| CN101609899A (zh) * | 2008-06-06 | 2009-12-23 | 通用汽车环球科技运作公司 | 利用hfr测量提高启动可靠性 |
| US20130260185A1 (en) * | 2012-03-27 | 2013-10-03 | GM Global Technology Operations LLC | Subzero ambient shutdown purge operating strategy for pem fuel cell system |
| CN103865265A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-06-18 | 天津大学 | 一种用于湿度测量的磺化聚酰亚胺质子交换膜 |
| CN107210465A (zh) * | 2014-12-19 | 2017-09-26 | 米其林集团总公司 | 用于测量燃料电池中的离子交换膜的湿度的*** |
| CN109916964A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-21 | 清华大学 | 燃料电池阻抗标定方法 |
| CN110137539A (zh) * | 2018-02-09 | 2019-08-16 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 一种燃料电池***及其关机吹扫方法 |
-
2021
- 2021-01-29 CN CN202110134184.0A patent/CN112924496A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6383671B1 (en) * | 1998-09-08 | 2002-05-07 | Lynntech, Inc. | Gas humidification device for operation testing and evaluation of fuel cells |
| CN101609899A (zh) * | 2008-06-06 | 2009-12-23 | 通用汽车环球科技运作公司 | 利用hfr测量提高启动可靠性 |
| US20130260185A1 (en) * | 2012-03-27 | 2013-10-03 | GM Global Technology Operations LLC | Subzero ambient shutdown purge operating strategy for pem fuel cell system |
| CN103865265A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-06-18 | 天津大学 | 一种用于湿度测量的磺化聚酰亚胺质子交换膜 |
| CN107210465A (zh) * | 2014-12-19 | 2017-09-26 | 米其林集团总公司 | 用于测量燃料电池中的离子交换膜的湿度的*** |
| CN110137539A (zh) * | 2018-02-09 | 2019-08-16 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 一种燃料电池***及其关机吹扫方法 |
| CN109916964A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-21 | 清华大学 | 燃料电池阻抗标定方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| M. HINAJE: "Online humidification diagnosis of a PEMFC using a static DC-DC converter", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY》 * |
| ***等: "燃料电池聚合物电解质膜", 《化学进展》 * |
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