基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法
阅读说明：本技术 基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法 (Oxygen reduction catalyst test platform and test method based on microfluid electrochemical cell ) 是由 叶丁丁 张浩然 朱恂 廖强 陈蓉 李俊 付乾 张亮 于 2019-10-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法；一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台,包括微流体电化学池、数据采集器、微泵、电子电路和参比电极,其特征在于：所述微流体电化学池包括从上往下顺序设置的阴极盖板、电解液流道板和阳极底板；所述阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔,阴极空气呼吸孔内放置待测阴极；所述待测阴极由疏水多孔碳纸以及氧还原催化层构成；阴极空气呼吸孔的前后侧电解液进口和电解液出口；所述电解液进口和电解液出口与电解液通道板上设置的电解液流道相连通,所述电解液流道内放置金属阳极；阳极底板设置在电解液流道板的下方；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。(The invention discloses an oxygen reduction catalyst testing platform and a testing method based on a microfluid electrochemical cell; the utility model provides an oxygen reduction catalyst test platform based on microfluid electrochemical cell, includes microfluid electrochemical cell, data collection station, micropump, electronic circuit and reference electrode, its characterized in that: the microfluid electrochemical cell comprises a cathode cover plate, an electrolyte runner plate and an anode bottom plate which are sequentially arranged from top to bottom; a cathode air breathing hole is formed in the cathode cover plate, and a cathode to be detected is placed in the cathode air breathing hole; the cathode to be detected consists of hydrophobic porous carbon paper and an oxygen reduction catalyst layer; the electrolyte inlet and the electrolyte outlet are arranged at the front side and the rear side of the cathode air breathing hole; the electrolyte inlet and the electrolyte outlet are communicated with an electrolyte flow channel arranged on the electrolyte channel plate, and a metal anode is placed in the electrolyte flow channel; the anode bottom plate is arranged below the electrolyte runner plate; the invention can be widely applied to the fields of energy, chemical industry, environmental protection and the like.)
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法。
背景技术
能源问题已成为影响人类社会发展的关键问题。传统的化石燃料为不可再生能源，且存在环境污染、转化效率低等问题。燃料电池作为一种能够直接将化学能转换为电能的装置就成了极具前景的能源动力装置。燃料电池通常具有较高的能源转换效率，且燃料通常为氢气、甲醇等可再生物质，反应产物主要为水，具有运行安静、环境友好的特点。目前燃料电池技术发展迅速，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)最具商用化前景，其基本工作原理为：氢气在阳极发生氧化反应生成氢离子、电子，氢离子经质子交换膜传递至阴极，电子经外电路传导至阴极，氧气在阴极与电子和氢离子结合生成水。其中质子交换膜作为固态电解质只允许质子通过而不允许氢气分子通过，且水渗漏率极低。氧化剂通入阴极侧与电子、氢离子发生还原反应。
目前PEMFC中阴极催化剂最好的催化剂为Pt催化剂。Pt为贵金属，价格昂贵且储量少，就算仅仅只将PEMFC应用于汽车动力，目前已知的Pt储量也不够用。因此研发价格低廉、催化性能好的阴极氧还原催化剂成为目前燃料电池研究的热门方向。
对于阴极催化剂性能评价，最为直观准确的是以此组装的燃料电池电池性能，也就是阴极极化曲线的获取。常规的测试方法需要组装实际电池，包含催化剂喷涂、膜电极组件热压、电池组装、开展测试等较长的流程和周期。并且阴极与质子交换膜直接接触(如Nafion膜)，氧还原反应生成水向多孔阴极内传输，会增大多孔阴极内液相饱和度，增大氧气传输阻力，引起较大的传质损失，不利于获得高电流密度时的阴极性能。同时，需要表征一个电池的性能，除了阴极之外，阳极的情况亦不可忽略。阳极燃料传输到催化剂上的传输限制也有可能影响电池性能，以此结果来表征阴极性能会不准确。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法。
本发明的技术方案是：一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台，包括微流体电化学池、数据采集器、微泵、电子电路和参比电极，其特征在于：
所述微流体电化学池包括从上往下顺序设置的阴极盖板、电解液流道板和阳极底板；所述阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，阴极空气呼吸孔内放置待测阴极；所述待测阴极由疏水多孔碳纸以及氧还原催化层构成；阴极空气呼吸孔的前后侧电解液进口和电解液出口；所述电解液进口和电解液出口与电解液通道板上设置的电解液流道相连通，所述电解液流道内放置金属阳极；阳极底板设置在电解液流道板的下方。
所述待测阴极和金属阳极分别与电子电路连接，以构成放电回路。
所述数据采集器分别连接电池待测阴极和参比电极，从而收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线；所述参比电极设置在电解液流道的末端。
所述微泵用于以一定流速向所述微流体电化学池泵入电解液。
一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
一：将配置好的待测试氧还原催化剂浆料喷涂于具有整平层的疏水碳纸表面，并于常温下干燥作为待测试阴极。
二：组装微流体电化学池：所述微流体电化学池包括从上往下顺序设置的阴极盖板、电解液流道板和阳极底板；所述阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，阴极空气呼吸孔内放置待测阴极；阴极空气呼吸孔的前后侧电解液进口和电解液出口；所述电解液进口和电解液出口与电解液通道板上设置的电解液流道相连通，所述电解液流道内放置金属阳极；阳极底板设置在电解液流道板的下方。
三：将所述待测阴极和金属阳极分别与电子电路连接，以构成放电回路。
四：将数据采集器分别连接待测阴极以及参比电极，从而收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线；所述参比电极设置在电解液流道的末端。
五：用微泵往电化学池的电解液进口以一定流速通入电解液，以启动电池。
六：调节电子电路以使负载电阻从设定阻值变化到0，并利用将数据采集器收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线。
本发明所述的基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台及测试方法的有益效果是：
1)本发明基于微流体电化学池，尺寸小、电极面积小、制作成本低，且采用电子电路以改变外电阻方式进行阴极极化曲线测试，测试便捷高效。
2)本发明电化学池组装便捷，空气自呼吸阴极不需要复杂的热压、装配工艺，有利于缩短测试流程、减少测试时间。电化学池无需质子交换膜，简化结构、降低成本。
3)阳极采用金属电极原位发生氧化反应，避免了传统燃料电池阴极催化剂表征时受限于阳极反应物传输的问题。
4)采用金属阳极反应产物不会对阴极催化剂产生毒害，阴极催化剂可重复在不同工况下利用。
本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。
附图说明
图1是一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台的连接示意图。
图2是微流体电化学池11的三维剖面图。。
图3是微流体电化学池11的主视图。
图4是微流体电化学池11的俯视图。
具体实施方式
参见图1至图4，一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试平台，包括微流体电化学池11、数据采集器12、微泵13、电子电路14和参比电极15。
所述微流体电化学池11包括从上往下顺序设置的阴极盖板1、电解液流道板6和阳极底板9；所述阴极盖板1上设置有阴极空气呼吸孔2，阴极空气呼吸孔2内放置待测阴极5；所述待测阴极5由疏水多孔碳纸以及氧还原催化层构成；阴极空气呼吸孔2的前后侧电解液进口3和电解液出口4；所述电解液进口3和电解液出口4与电解液通道板6上设置的电解液流道7相连通，所述电解液流道7内放置金属阳极8；阳极底板9设置在电解液流道板6的下方。
所述待测阴极5和金属阳极8分别与电子电路14连接，以构成放电回路。
所述数据采集器12分别连接电池待测阴极5和参比电极15，从而收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线；所述参比电极15设置在电解液流道7的末端。参比电极15可通过电解液出口或电解液进口***电解液流道7内。
所述微泵13用于以一定流速向所述微流体电化学池11泵入电解液。
在具体实施例中，金属阳极8由锌片构成；待测阴极5是通过喷涂法将Pt/C催化剂或非贵金属氧还原催化剂浆料均匀喷涂在具有整平层的疏水碳纸表面，并于常温下干燥而成。
一种基于微流体电化学池的氧还原催化剂测试方法，该方法包括如下步骤：
一：将配置好的待测试氧还原催化剂浆料喷涂于具有整平层的疏水碳纸表面，并于常温下干燥作为待测试阴极。
二：组装微流体电化学池：所述微流体电化学池11包括从上往下顺序设置的阴极盖板1、电解液流道板6和阳极底板9；所述阴极盖板1上设置有阴极空气呼吸孔2，阴极空气呼吸孔2内放置待测阴极5；阴极空气呼吸孔2的前后侧电解液进口3和电解液出口4；所述电解液进口3和电解液出口4与电解液通道板6上设置的电解液流道7相连通，所述电解液流道7内放置金属阳极8；阳极底板9设置在电解液流道板6的下方。
三：将所述待测阴极5和金属阳极8分别与电子电路14连接，以构成放电回路。
四：将数据采集器12分别连接待测阴极5以及参比电极15，从而收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线；所述参比电极15设置在电解液流道7的末端，参比电极15可通过电解液出口或电解液进口***电解液流道7内。
五：用微泵13往电化学池的电解液进口3以一定流速通入电解液，以启动电池；电解液在电解液流道7流动，并从电解液出口4流出；电解液可采用氢氧化钾溶液。
六：调节电子电路14以使负载电阻从设定阻值缓慢变化到0，并利用数据采集器12收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线。具体可调节电子电路14以使负载电阻从设定阻值开始每一分钟降10欧直到短路为止，并利用数据采集器12收集微流体电化学池放电时的阴极电势变化的极化曲线和电池电流。通过极化曲线可以定性得出氧还原催化剂的催化性能。
本发明的工作原理为：阳极锌片发生氧化反应失去电子，电子由外接电路经负载到达阴极。空气中的氧气通过阴极多孔电极传输至催化层，在氧还原催化剂的作用下发生氧还原反应。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。