高精度无损质子交换膜燃料电池膜电极Pt载量与分布测试方法

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220379

摘要/Abstract

摘要：

随着质子交换膜燃料电池商业化的推进，为提高膜电极制造的可重现性，保障膜电极制造工艺的产品控制，需要Pt载量和分布无损高精度在线检测提供技术支撑。根据欧姆定律与焦耳定律，利用质子交换膜燃料电池膜电极在直流激励电压下产生的电流密度和热分布信号可以对膜电极电阻进行分析，通过膜电极Pt载量与其电阻的关系就可以实现膜电极Pt载量和空间分布分析。通过不同直流激励电压下电流测试，证明了膜电极电阻与Pt载量反相关，Pt载量定量表征精度为0.0008~0.0025 mg/cm²；利用红外热成像法对直流激励电压下膜电极热分布信息的采集成功实现了Pt载量分布的定性分析；最后，通过直流激励前后膜电极性能的对比证明了该方法对膜电极性能是无损的。高精度无损的直流激励测试方法可以实现膜电极Pt载量的高效在线测试，提高膜电极质量和制造效率，降低膜电极制造成本，对于质子交换膜燃料电池大规模商用具有重要意义。

关键词: 直流激励法, 无损测试, Pt载量, 膜电极, 红外热成像

Abstract:

As the commercialization of proton exchange membrane fuel cells advances， non-destructive high-precision online inspection of Pt loading and distribution is needed in order to improve the reproducibility and product control of membrane electrode assemblies （MEA） fabrication. According to Joule's law and Ohm's law， the MEA resistance can be analyzed by using the heat distribution and current density signals generated under a DC excitation voltage. The inverse correlation between MEA resistance and Pt loading is demonstrated by current testing at different DC excitation voltages， and the accuracy of the non-destructive quantitative characterization of Pt loading is 0.0008~0.0025 mg/cm². The qualitative analysis of Pt loading distribution is successfully achieved by collecting thermal distribution information of MEA under DC excitation voltage using infrared thermography. Finally， comparison of MEA performance before and after DC excitation demonstrates that the method is non-destructive to membrane electrode performance. This method can improve the quality and manufacturing efficiency of MEA and reduce the cost of MEA manufacturing， which is of great significance to the large-scale commercialization of proton exchange membrane fuel cells.

Key words: DC excitation method, Non-destructive testing, Pt loading, Membrane electrode assemblies, Infrared thermography

中图分类号:

O657.9

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图/表 6

图 1 直流激励法Pt载量测试装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the Pt loading test set-up for the DC excitation method

图 2 标准曲线测试（A）电压-时间（V-t）曲线；（B）不同Pt载量（0.1、0.2、0.3和0.4 mg/cm2）膜电极电流-时间曲线（i-t）曲线；（C）经转换后电流-电压（i-V）曲线；（D）不同电压下的电流密度-Pt载量标准曲线

Fig.2 Standard curve test （A） voltage-time （V-t） curve；（B） Current-time curve （i-t） curve for membrane electrodes with different Pt loadings （0.1， 0.2， 0.3 and 0.4 mg/cm2）；（C） Current-voltage （i-V） curve after conversion；（D） Current density-Pt loading standard curve at different voltages current density-Pt loading standard curves

表1 实测膜电极电流密度与Pt载量计算结果

Table 1 Calculated Pt loading results and correlated measured current density under different voltage

Voltage/V	1# MEA		2# MEA		3# MEA		4# MEA		5# MEA		6# MEA
Voltage/V	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）	Current density/（mA·cm^-2）	Pt loading/（mg·cm^-2）
0.1	0.052 04	0.143	0.095 46	0.239	0.033 13	0.101	0.077 35	0.199	0.121 86	0.298	0.169 03	0.402
0.2	0.104 08	0.143	0.190 3	0.239	0.066 34	0.101	0.154 62	0.199	0.243 58	0.297	0.337 66	0.402
0.3	0.156 1	0.143	0.284 81	0.238	0.099 49	0.101	0.231 81	0.199	0.365 34	0.298	0.506 41	0.402
0.4	0.208 1	0.143	0.379 01	0.238	0.132 70	0.101	0.308 99	0.199	0.487 13	0.298	0.675 02	0.402
0.5	0.260 21	0.143	0.472 88	0.237	0.165 99	0.101	0.386 42	0.199	0.609 27	0.298	0.843 91	0.402
0.6	0.312 51	0.143	0.567	0.237	0.199 32	0.101	0.463 92	0.199	0.731 56	0.298	1.012 84	0.402
0.7	0.365 11	0.143	0.661 17	0.237	0.232 81	0.101	0.541 78	0.199	0.853 91	0.298	1.181 92	0.402
0.8	0.418 03	0.143	0.755 4	0.237	0.266 47	0.101	0.619 81	0.199	0.976 55	0.298	1.351 48	0.402
0.9	0.471 28	0.143	0.850 46	0.237	0.300 18	0.101	0.698 45	0.199	1.099 78	0.298	1.521 62	0.402
1.0	0.524 95	0.143	0.946 12	0.237	0.334 04	0.101	0.777 65	0.199	1.223 64	0.298	1.692 45	0.402
1.1	0.579 11	0.144	1.042 46	0.237	0.368 04	0.101	0.857 34	0.199	1.348 19	0.298	1.864 06	0.401
1.2	0.633 8	0.144	1.139 27	0.237	0.402 29	0.101	0.937 65	0.199	1.473 26	0.298	2.036 52	0.402
μ		0.000 8		0.002 5		0.001 0		0.001 0		0.002 1		0.001 9

图 3 （A） 1# MEA和（B） 2# MEA Pt载量测试结果

Fig.3 （A） 1# MEA and （B） 2# MEA Pt load test results

图 4 （A）手持静电喷涂非均匀膜电极；（B）超声喷涂均匀膜电极； Pt载量为（C） 0.1 mg/cm2、（D） 0.2 mg/cm2和（E） 0.3 mg/cm2膜电极直流激励法测试中膜电极红外热成像图

Fig.4 （A） Hand-held electrostatically sprayed non-uniform MEA；（B） Ultrasonically sprayed uniform MEA； Pt loading of （C） 0.1 mg/cm2，（D） 0.2 mg/cm2 and （E） 0.3 mg/cm2 MEA infrared thermography in DC excitation method testing

图 5 直流激励法测试前后膜电极性能（80 ℃，100% RH，300/500 sccm H2/air，101325 Pa）对比

Fig.5 Comparison of membrane electrode performance （80 ℃， 100% RH， 300/500 sccm H2/air， 101325 Pa） before and after DC excitation test

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