一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置和评价方法

摘要

本发明涉及一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置和评价方法，属于电催化剂活性评价技术领域。解决目前广泛使用的液态三电极体系评价方法中电催化剂所处环境与实际应用不同的问题和组装电池评价方法中工艺繁琐、所需催化剂较多、成本高、影响因素复杂等的技术问题。所述评价装置将膜电极组件微型化，并添加可逆氢电极作为参比电极测试电催化性能，结合了目前广泛使用的液体三电极体系和膜电极评价催化性能的优点，并且使得催化剂处在固体聚合物电解质中测量其电催化性能，更好的模拟实际应用环境下的催化性能测试。所述评价方法可以准确、有效的评价用于聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能。

说明书

技术领域

本发明属于电催化剂活性评价技术领域，具体涉及一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置和评价方法。

背景技术

固体聚合物作为一种安全、绿色环保的电解质材料，现已被广泛的应用在燃料电池和水电解中。为了提高电催化性能并降低催化剂成本，性价比高的电催化剂成为目前研究的主要方向之一。所以一种有效的催化性能评价方法是十分重要的。

目前，对于催化剂性能的评价方法有两种，一种是液态电解质三电极体系，即采用酸或碱的一定浓度的水溶液作为电解质，载有催化剂玻碳电极作为工作电极进行电催化剂性能的评价。该评价方法虽然体系简单、操作快捷方便、催化剂使用量少、成本低，但是与实际操作环境的差距较大，如电解质相态和种类不同、固固界面和固液界面相容性的不同，并且溶液离子可能对于电催化剂性能评价产生影响从而不能准确的评价出电催化剂的性能。另一种方法就是组装电池进行性能评价，该方法是在电池操作条件下进行电池性能的评价，可以全面地评价出电催化剂的催化性能，但是组装电池的工艺繁琐、所需催化剂较多、成本高、影响因素复杂，电催化性能取决于多个因素，如双极板、流路设计等。

发明内容

本发明要解决目前广泛使用的液态三电极体系评价方法中电催化剂所处环境与实际应用不同的问题和组装电池评价方法中工艺繁琐、所需催化剂较多、成本高、影响因素复杂等的技术问题，提供一种制备简单、操作方便、成本低廉、可模拟操作环境的、用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置和评价方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置，包括：集流体、疏水基底膜材料、离子交换膜、催化剂浆料和导线；

所述离子交换膜的两侧设置有雕刻出所需电极形状和面积的孔洞的疏水基底膜材料，其中一侧为工作电极，另一侧为对电极和参比电极，且工作电极和对电极相对；

所述催化剂浆料滴加在相应电极裸露的离子交换膜上；并在所述三电极处分别固定上集流体；

采用导电胶连接集流体与导线制作成为固体电解质电极；

所述固体电解质电极安装在测试夹具中，接出的导线连接在电化学工作站进行电化学性能测试。

在上述技术方案中，所述疏水基底膜材料为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

在上述技术方案中，所述电极形状为圆形或正方形。

在上述技术方案中，所述工作电极面积小于1cm²，且对电极面积不小于工作电极面积。

在上述技术方案中，所述集流体为碳纸、碳布或金属网。

在上述技术方案中，所述测试夹具包括含有两个进料口的磨口容器和紧固件，所述紧固件将固体电解质电极固定在相对的两个磨口容器中间，工作电极侧的磨口容器上端有一个进气口和进液口，侧面有一个出气口，对电极侧的磨口容器上端有一个进气口，侧面有一个出气口。

一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价方法，包括以下步骤：

a.电解质基底的制备

在两张疏水基底膜材料上分别雕刻出所需电极形状和面积的孔洞，然后将疏水基底膜材料分别热压在离子交换膜的两侧形成电解质基底，热压压力为10MPa，热压时间为180s；

b.配制工作电极、对电极和参比电极的催化剂浆料；

c.固体电解质电极的制备

将配制好的工作电极、对电极和参比电极的催化剂浆料分别滴加在对应电极位置，将集流体裁剪成所需形状，分别热压在对应的电极处，然后采用导电胶连接集流体与导线制作成为固体电解质电极；

d.电催化性能测试

将制备好的固体电解质电极安装在测试夹具中，接出的导线连接在电化学工作站进行电化学性能测试。

在上述技术方案中，所述电化学性能测试为氢氧化反应的测试时，其工作电极侧通入H₂；

或所述电化学性能测试为有机小分子电氧化测试时，其工作电极侧分别为一定浓度的有机小分子溶液；

或所述电化学性能测试为氧还原反应的测试时，其工作电极侧通入O₂；

或所述电化学性能测试为水电解催化性能的评价时，其工作电极侧为蒸馏水。

在上述技术方案中，所述催化剂浆料由催化剂、离子交换电解质和分散溶剂按照比例混合而成。

在上述技术方案中，所述工作电极上的催化剂载量不大于100μg cm^-2，所述对电极和参比电极采用的催化剂为铂黑或铂碳，使用可逆氢电极作为参比电极。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置将膜电极组件微型化，并添加可逆氢电极作为参比电极测试电催化性能，结合了目前广泛使用的液体三电极体系和膜电极评价催化性能的优点，并且使得催化剂处在固体聚合物电解质中测量其电催化性能，更好的模拟实际应用环境下的催化性能测试。

2、本发明提供的用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置，其结构简单，操作方便，减少催化剂的浪费，成本低廉。

3、本发明提供的用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价方法可以准确、有效的评价在操作环境下的电催化性能，简单便捷地评价了催化剂在离子交换固体电解质中的性能，有利于其在实际应用中的综合性能评价。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明提供的固体电解质电极侧视图。

图2为本发明提供的固体电解质电极正反两面的正视图。

图3为本发明提供的用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置的一种结构示意图。

图中的附图标记表示为：

1-集流体、2-疏水基底膜材料、3-离子交换膜、4-催化剂浆料、5-导线、4-1-对电极催化剂浆料、4-2-参比电极催化剂浆料、4-3-工作电极催化剂浆料、6-对电极侧、7-紧固件、8-固体电解质电极、9-工作电极侧、10-进气口、11-出气口、12-磁子、13-进液口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

参见附图1-3：本发明提供的一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价装置，是模拟实际操作条件下，利用固体聚合物电解质设计微电极进行催化性能测试。该评价装置包括：集流体1、疏水基底膜材料2、离子交换膜3、催化剂浆料4和导线5；所述离子交换膜3的两侧设置有雕刻出所需电极形状和面积的孔洞的疏水基底膜材料2，其中一侧为工作电极，另一侧为对电极和参比电极，且工作电极和对电极相对；所述催化剂浆料4滴加在相应电极裸露的离子交换膜3上；并在所述三电极处分别固定上集流体1；采用导电胶连接集流体1与导线5制作成为固体电解质电极8；所述固体电解质电极8安装在测试夹具中，接出的导线5连接在电化学工作站进行电化学性能测试。附图2为固体电解质电极正反两面的正视图，图中显示了三电极处滴加了对电极催化剂浆料4-1、参比电极催化剂浆料4-2、工作电极催化剂浆料4-3后的效果图。所述疏水基底膜材料2为化学和电化学稳定性良好、耐高温的高分膜材料，优选为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。所述电极形状通常为圆形或正方形。所述电极面积可以根据实验需要进行调整，为了保证测试结果，工作电极面积一般小于1cm²，并且对电极面积不小于工作电极面积。所述对电极和参比电极在同一侧，两者之间存在一定距离即可。所述集流体1为碳纸、碳布或金属网。所述测试夹具的一种具体结构为：包括含有两个进料口的磨口容器和紧固件7，所述紧固件7将固体电解质电极8固定在相对的两个磨口容器中间，工作电极侧9的磨口容器上端有一个进气口10和进液口13，侧面有一个出气口11，对电极侧6的磨口容器上端有一个进气口10，侧面有一个出气口11。在参比电极侧通入氢气，工作电极侧9根据测试项目和环境决定。对于液态的电催化性能评价时，在工作电极侧9需用磁子12进行磁力搅拌加速传质；对于气态的电催化性能评价时，工作电极侧9通入具有一定湿度的气体。

一种用于固体聚合物电解质燃料电池和水电解电催化剂性能的评价方法，包括以下步骤：

a.电解质基底的制备

在两张疏水基底膜材料2上分别雕刻出所需电极形状和面积的孔洞，然后将疏水基底膜材料2分别热压在离子交换膜3的两侧形成电解质基底，热压压力为10MPa，热压时间为180s；

b.配制工作电极、对电极和参比电极的催化剂浆料；

c.固体电解质电极8的制备

将配制好的工作电极、对电极和参比电极的催化剂浆料分别滴加在对应电极位置，将集流体裁剪成所需形状，分别热压在对应的电极处，然后采用导电胶连接集流体1与导线5制作成为固体电解质电极8；

d.电催化性能测试

将制备好的固体电解质电极8安装在测试夹具中，接出的导线5连接在电化学工作站进行电化学性能测试。

所述电催化性能测试是对于氢氧化反应的测试，其工作电极侧通入H₂；对于甲醇、乙醇、甲酸等有机小分子电氧化测试，其工作电极侧分别为一定浓度的甲醇、乙醇、甲酸溶液；对于氧还原反应的测试，其工作电极侧通入O₂；对于水电解催化性能的评价，其工作电极侧为蒸馏水等。

所述催化剂浆料由催化剂、离子交换电解质和分散溶剂按照比例混合而成，其比例关系与催化剂种类相关。所述对电极和参比电极采用的催化剂为铂催化剂，具体为铂黑或铂碳，使用可逆氢电极作为参比电极。所述工作电极上的催化剂载量不大于100μg cm^-2。

实施例1在Nafion 115电解质中测试氧还原反应

a.电解质基底的制备：利用30μm厚的聚四氟乙烯薄膜作为电解质基底材料，将其裁剪成为6cm*6cm的形状，然后在一中间雕刻出两个5mm*5mm的孔洞，二者之间的间距控制在5mm；然后将制备好的聚四氟薄膜热压在干净的Nafion 115膜两侧，热压压力为10MPa，热压时间为180s。

b.工作电极、对电极和参比电极催化剂浆料相同，其配制方法为：用一级天平称取20％Pt/C催化剂5mg，添加50μL 5％Nafion溶液和950μL乙醇，超声混合溶液至Pt/C在溶液中均匀分散。

c.固体电解质电极的制备：将配置好的催化剂浆料分别滴加在对应电极位置，其中工作电极滴加5μL，待其干燥后，将电解质基底翻转，向对电极滴加10μL，参比电极滴加5μL。采用碳纸作为集流体，将其裁剪成5mm*20mm的形状，分别热压在对应的电极处，热压条件为10MPa，30s。然后利用导电胶将各个电极位置的导线引出。

d.氧还原反应的测试：将制备好的固体电解质电极安装在测试夹具中，首先在工作电极和对电极侧分别通入氮气30min以除去装置中的氧气，然后在工作电极侧通入35℃加湿的空气，流速为2L/min，在对电极侧通入氢气，流速为300mL/min，连接电化学工作站进行循环伏安、交流阻抗等电化学性能测试。

实施例2在Nafion 115电解质中测试甲醇电氧化反应

a.电解质基底的制备：利用30μm厚的聚四氟乙烯薄膜作为电解质基底材料，将其裁剪成为6cm*6cm的形状，然后在一中间雕刻出两个5mm*5mm的孔洞，二者之间的间距控制在5mm；然后将制备好的聚四氟薄膜热压在干净的Nafion 115膜两侧，热压压力为10MPa，热压时间为180s。

b.工作电极催化剂利用20％Pt10％Ru/C，对电极和参比电极催化剂为20％Pt/C，其配制方法为：用一级天平称取分别称取催化剂5mg，添加50μL 5％Nafion溶液和950μL乙醇，超声混合溶液至催化剂在溶液中均匀分散。

c.固体电解质电极的制备：将配置好的催化剂浆料分别滴加在对应电极位置，其中工作电极滴加5μL 20％Pt10％Ru/C催化剂浆料，待其干燥后，将电解质基底翻转，向对电极滴加10μL 20％Pt/C催化剂浆料，参比电极滴加5μL 20％Pt/C催化剂浆料。采用碳纸作为集流体，将其裁剪成5mm*20mm的形状，分别热压在对应的电极处，热压条件为10MPa，30s。然后利用导电胶将各个电极位置的导线引出。

d.氧还原反应的测试：将制备好的固体电解质电极安装在测试夹具中，向工作电极侧添加1M的甲醇溶液，然后利用氮气除氧30min，对电极侧通入氮气30min以除去装置中的氧气，然后在工作电极侧利用转动磁子增强传质，在对电极侧通入氢气，流速为300mL/min，连接电化学工作站进行循环伏安、交流阻抗等电化学性能测试。

实施例3在Nafion 115电解中测试水电解析氢反应

a.电解质基底的制备：利用30μm厚的聚四氟乙烯薄膜作为电解质基底材料，将其裁剪成为6cm*6cm的形状，然后在一中间雕刻出两个5mm*5mm的孔洞，二者之间的间距控制在5mm；然后将制备好的聚四氟薄膜热压在干净的Nafion 115膜两侧，热压压力为10MPa，热压时间为180s。

b.工作电极、对电极和参比电极催化剂浆料相同，其配制方法为：用一级天平称取20％Pt/C催化剂5mg，添加50μL 5％Nafion溶液和950μL乙醇，超声混合溶液至Pt/C在溶液中均匀分散。

c.固体电解质电极的制备：将配置好的催化剂浆料分别滴加在对应电极位置，其中工作电极滴加5μL，待其干燥后，将电解质基底翻转，向对电极滴加10μL，参比电极滴加5μL。采用碳纸作为集流体，将其裁剪成5mm*20mm的形状，分别热压在对应的电极处，热压条件为10MPa，30s。然后利用导电胶将各个电极位置的导线引出。

d.氧还原反应的测试：将制备好的固体电解质电极安装在测试夹具中，向工作电极侧添加蒸馏水，然后利用氮气除氧30min，对电极侧通入氮气30min以除去装置中的氧气，然后在工作电极侧利用转动磁子增强传质，在对电极侧通入氢气，流速为300mL/min，连接电化学工作站进行计时电流、交流阻抗等电化学性能测试。

在上述实施例中所述聚四氟乙烯薄膜还可以替换为聚醚醚酮或其他化学和电化学稳定性良好、耐高温的高分膜材料，所述集流体还可以采用碳布或金属网等，所述电极形状还可以为圆形等，这里不再一一例举。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。