CN108107090A - 一种固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的检测方法，具体为：首先在电流模式下对电解池进行电压检测，观察电压的阶跃；然后再检测电解池的电化学交流阻抗性能，通过检测电解池的内阻，观察内阻的增加量是否出现明显的阶跃，通过以上参数可以判断电解池性能衰减是否由污染造成。所述的检测方法可以准确、有效的评价固态聚合物电解质水电解池膜电极的污染情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态聚合物电解质(SPE)水电解制氢或制氧的一种检测方法，具体涉及一种固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的检测方法。
背景技术
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要制约因素。随着社会对环境保护的重视，氢能做为一种清洁能源即将替代汽油、柴油、城市燃气等成为生活的主要能源。目前，电解制氢的主流技术是碱液电解池，但是该技术有着高污染、气体纯度低、能耗大、体积大及电解池的漏碱等不可避免的缺陷。
固态聚合物(SPE)水解电解池技术具有产气纯度高、绿色环保、能耗低、体积小及产气压力高等诸多优点，可成为代替碱液电解池技术的电解制氢主流技术。但是，在水电解过程中的高电压环境容易导致双极板或者供水管路等材料发生氧化腐蚀，腐蚀产生的金属离子等污染物会污染膜电极组件，导致催化剂活性降低、膜阻增加甚至膜降解，影响电解池寿命。
因此，需提供一种准确的对膜电极污染进行检测的方法，以备及时采取措施，有效延长SPE水电解池寿命。
发明内容
本发明提供了一种解决固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的在线检测，传统针对膜电极污染的检测主要是对电解池离线解析，采用电子探针分析(EMPA)对膜电极断面的元素进行检测，从而判断离子污染情况。本发明提供一种操作方便、成本低廉的在线检测膜电极污染情况，用于判断电解池是否需要处理或更换。
实现本发明上述目的技术方案如下：
一种固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的检测方法，所述的检测方法包括如下步骤：
1)检测电解池的电压电流性能：
在密度范围为0～300mA/cm2的电流模式下，检测所述电解池的电压，观察该范围内电压的阶跃；
2)检测电解池的电化学交流阻抗性能：
检测电解池的欧姆电阻或/和电荷转移电阻，观察电阻增加量的阶跃。
优选的，所述的步骤1)的电压检测，电流密度范围为0～200mA cm-2，电压阶跃范围为0.1～0.8V时初步判定膜电极被污染。
优选的，所述的步骤2)中，欧姆电阻增加量为初始的2～6倍，电荷转移电阻增加量为初始的1～7倍时，可判定膜电极被污染。
优选的，所述步骤(2)中检测电解池的欧姆电阻。
优选的，所述膜电极包括离子交换膜、位于离子交换膜的一侧或两侧表面的支撑层和支撑层内表面上沉积催化剂形成的催化剂层。
优选的，所述支撑层包括纳米多孔金薄膜；所述纳米多孔金薄膜具有三维联通孔结构，孔径在2nm～500nm，孔隙率为20％～70％，膜厚度为100nm～1000nm；所述催化剂的担载量为5μg/cm2～100μg/cm2，催化剂在支撑层内表面呈岛状或连续分布。
优选的，所述支撑层预先热压在离子交换膜上，再沉积催化剂，最后对电极进行净化处理，得超薄膜电极。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
(1)本发明提供的技术方案，通过检测电解池的电压电流和交流阻抗特性，对固态聚合物电解质水电解池膜电极进行在线检测，方法简单，快捷，操作方便；
(2)本发明提供的技术方案为在线检测，无需对电极的破坏，即可完成对污染的检测，减少对昂贵电极的消耗，成本低廉。
(3)本发明提供的技术方案能及时了解在水电解过程中的高电压环境容易导致双极板或者供水管路等材料发生氧化腐蚀，使腐蚀产生的金属离子等污染物会污染膜电极组件的弊端降低了，克服了导致催化剂活性降低、膜阻增加甚至膜降解，影响电解池寿命的缺陷。
附图说明
图1为实施例1检测的电压电流检测曲线；
图2为实施例1电解池膜电极污染前后的阻抗曲线；
图3为实施例2检测的电压电流检测曲线；
图4为实施例2电解池膜电极污染前后的阻抗曲线；
具体实施方式
实验先后采用以下两个步骤对电解池的污染情况进行判断，具体如下。
实施例1
如图1所示，在电流模式下检测了电解池的电压电流性能。当电解池的电流密度由0升高到350mA/cm2时，该范围内电压出现了明显的阶跃，电压由初始的1.45V迅速升高到1.8V，电压阶跃近0.35V，初步判断这种性能的降低是由污染造成的。
如图2所示，检测电解池的电化学交流阻抗性能。通过检测电解池的欧姆电阻和电荷转移电阻，电解池的欧姆电阻(RΩ)由初始的0.23Ωcm2增加到0.47Ωcm2，而电荷转移电阻(Rct)由初始的0.12Ωcm2增加到0.35Ωcm2。，其欧姆电阻增加量为初始的2倍，电荷转移电阻增加量为初始的3倍，所以能够判定膜电极所出现的明显阶跃现象是由污染造成的。
实施例2
如图3所示，在电流模式下检测了电解池的电压电流性能。当电解池的电流密度由63mA/cm2调高到95mA/cm2时，该范围内电压出现了明显的阶跃，电压由初始的1.75V迅速升高到2.36V，电压阶跃近0.61V，初步判断这种性能的降低是由污染造成的。
如图4所示，检测电解池的电化学交流阻抗性能。通过检测电解池的欧姆电阻和电荷转移电阻，电解池的欧姆电阻(RΩ)由初始的0.47Ωcm2增加到0.65Ωcm2，而电荷转移电阻(Rct)由初始的0.37Ωcm2增加到2Ωcm2。，其欧姆电阻增加量为初始的1.6倍，电荷转移电阻增加量为初始的5.4倍，所以能够判定膜电极所出现的明显阶跃现象是由污染造成的。
综上所述，通过对电解池的电压电流性能和电化学交流阻抗性能测试，可以直接判断出膜电极污染情况，本发明的方法操作方便、成本低廉，可以在线检测膜电极污染情况，可及时为电解池是否进行处理提供依据，极大的延长电解池寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种固态聚合物电解质水电解池膜电极污染的检测方法，其特征在于：所述的检测方法包括如下步骤：
1)检测电解池的电压电流性能：
在密度范围为0～300mA/cm2的电流模式下，检测所述电解池的电压，观察该范围内电压的阶跃；
2)检测电解池的电化学交流阻抗性能：
检测电解池的欧姆电阻或/和电荷转移电阻，观察电阻增加量的阶跃。
2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的步骤1)的电压检测，电流密度范围为0～200mA cm-2，电压阶跃范围为0.1～0.8V时初步判定膜电极被污染。
3.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的步骤2)中，欧姆电阻增加量为初始的2～6倍，电荷转移电阻增加量为初始的1～7倍时，可判定膜电极被污染。
4.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中检测电解池的欧姆电阻。
5.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述膜电极包括离子交换膜、位于离子交换膜的一侧或两侧表面的支撑层和支撑层内表面上沉积催化剂形成的催化剂层。
6.按照权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述支撑层包括纳米多孔金薄膜；所述纳米多孔金薄膜具有三维联通孔结构，孔径2nm～500nm，孔隙率20％～70％，膜厚度100nm～1000nm；所述催化剂的担载量为5μg/cm2～100μg/cm2，催化剂在支撑层内表面呈岛状或连续分布。
7.按照权利要求5所述的检测方法，其特征在于：将所述支撑层在离子交换膜上预先热压后，再沉积催化剂，最后对电极进行净化处理，得超薄膜电极。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180601 |