一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统及方法，通过同时测量催化层涂层的质量变化和蒸发表面热通量的损失来计算涂层中双溶剂组分各自的蒸发速率，实现对燃料电池催化层涂层干燥过程中溶剂蒸发行为的原位监测

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池催化层干燥领域，尤其是涉及一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统及方法
。

技术介绍

[0002]催化层
(CL)
是质子交换膜燃料电池
(PEMFC)
内部电化学反应发生的场所，很大程度上决定着燃料电池的性能和成本
。
催化层制备过程主要包括三个阶段：
(1)
催化剂浆料的配制：催化剂浆料作为催化层的前驱体，其性质由其配方和混合方法所决定，最终在很大程度上决定了所得催化层的结构和性能；
(2)
催化剂浆料的涂布：通过在贴花转印基底或气体扩散层或质子交换膜上涂覆设定厚度和尺寸的浆料薄膜，实现对催化层的涂布和沉积；
(3)
催化剂浆料的干燥：通过将浆料涂层在设定的干燥条件下干燥和固化，使涂层中溶剂组分挥发，最终得到完全干燥的多孔催化层
。
以上过程中，干燥成膜阶段与浆料配制阶段同样重要，因为涂层的微观结构在干燥过程中不断演变，使得催化层结构的最终形貌与浆料阶段的观测结构存在一定差异，因此影响着催化层结构的最终成型和电化学性能
。
[0003]涂层中溶剂蒸发行为是主导催化层微观结构演变的关键因素，因为溶剂蒸发行为诱导固相组分的重组和排列，并促使涂层内部孔结构的演变
。
然而，监测和分析涂层干燥过程中溶剂的蒸发行为存在难度，因为催化剂浆料中并非单一溶剂组分，一般存在两种水醇溶剂组分
。
在溶剂蒸发过程中，水醇的蒸发同时进行
、
相互耦合，使得监测和分析涂层实时组成成为研究的难题，阻碍了对催化层干燥过程机理深入探究的开展
。
[0004]现有技术主要通过传统称量法来测量单位面积的涂层重量损失随时间的变化，此方法仅适用于监测单组分溶剂的浆料组成变化，不能解耦双组分溶剂的蒸发行为
。
有研究通过收集和检验干燥后的对流气体成分，来计算涂层的剩余组分情况，但该方法需要复杂的结构系统，且易受到气体混合不均
、
检测结果滞后所导致的精确度不足的问题
。
因此，基于目前的研究现状，开发能够解耦催化层双组分溶剂蒸发行为的精确干燥监测方法，对于理解催化层涂层干燥过程和机理具有重要的实际性意义
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够解耦双组分溶剂蒸发行为的催化层干燥过程监测系统及方法
。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，包括：
[0008]干燥装置，包括由下至上依次连接的加热片
、
传热垫
、
浆料涂层成型槽；其中，所述传热垫的上下表面分别设有传热温度传感器；待测的浆料涂层设于所述浆料涂层成型槽内；
[0009]称量组件，用于称量浆料涂层在干燥过程中的重量变化；
[0010]表面测温器，用于检测浆料涂层蒸发表面温度；
[0011]环境温度测温器，用于检测环境温度；
[0012]数据采集器，用于采集表面测温器及所述传热温度传感器的数据
。
[0013]进一步地，该监测系统还包括数据处理器，用于处理来自称量组件及数据采集器的数据
。
[0014]进一步地，所述称量组件为电子天平
。
[0015]进一步地，所述传热温度传感器包括1个位于所述传热垫中心位置的热电偶和4个位于中心热电偶外围的热电偶
。
[0016]进一步地，所述表面测温器为红外测温仪，所述红外测温仪位于浆料涂层蒸发槽上方以监测浆料涂层表面温度的实时变化
。
[0017]进一步地，所述浆料涂层蒸发槽为圆形
PTFE
材质
。
[0018]进一步地，该系统还包括温度控制器，所述温度控制器与所述加热片线连
。
[0019]进一步地，所述数据采集器与所述数据处理器线连
。
[0020]一种基于上述燃料电池催化层蒸发干燥监测系统提供的燃料电池催化层蒸发干燥监测方法，包括：
[0021]分别根据式
(1)
与式
(2)
获得双溶剂体系的催化剂浆料在干燥成型过程中，溶剂
A
与溶剂
B
的干燥速率
r
A
及
r
B
：
[0022][0023][0024]其中，
Δ
H
A
和
Δ
H
B
分别表示溶剂
A
和
B
的蒸发潜热；
q
t
为浆料涂层的热通量；
h
sol
为蒸发表面的换热系数；
T
t
及
T
a
分别为蒸发表面温度及环境温度；
r
total
为两种溶剂总蒸发速率，
r
total
＝
r
A
+r
B
，通过计算单位时间电子天平称量的质量变化获得
。
[0025]进一步地，所述
q
t
的获取方法包括：
[0026]基于一维导热准稳态近似，浆料涂层的热通量近似为传热垫导热通量；采集干燥过程中所述传热垫上下表面的平均温度
T1和
T2，并根据式
(3)
计算获得：
[0027][0028]其中，平均温度
T1和
T2分别为上下表面热电偶温度平均值，
λ
c
为传热垫的导热系数；
δ
c
为传热垫
(13)
的厚度
。
[0029]进一步地，根据式
(4)
获得
h
sol
：
[0030][0031]其中，
λ
s
及
λ
a
分别为溶剂和空气的导热系数，及分别为溶剂和空气对应的普朗特数；
H
air
为空气的换热系数，其获取方法包括：
[0032]采用同
q
t
的获取方法，获得当浆料涂层成型槽中未设置浆料涂层时的传热垫的热通量
q
t0
，并根据式
(5)
获得
h
air
：
[0033][0034]其中，
T0为浆料涂层成型槽的底层表面温度
。
[0035]进一步地，所述干燥过程的设置温度范围为
50
‑
120℃。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，包括：干燥装置，包括由下至上依次连接的加热片
(14)、
传热垫
(13)、
浆料涂层成型槽
(12)
；其中，所述传热垫
(13)
的上下表面分别设有传热温度传感器；待测的浆料涂层
(11)
设于所述浆料涂层成型槽
(12)
内；称量组件
(2)
，用于称量浆料涂层
(11)
在干燥过程中的重量变化；表面测温器
(6)
，用于检测浆料涂层
(11)
蒸发表面温度；以及数据采集器
(5)
，用于采集表面测温器
(6)
及所述传热温度传感器的数据
。2.
根据权利要求1所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，所述称量组件
(2)
为电子天平
。3.
根据权利要求1所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，所述传热温度传感器包括1个位于所述传热垫
(13)
中心位置的热电偶和4个位于中心热电偶外围的热电偶
。4.
根据权利要求1所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，该系统还包括温度控制器
(3)
，所述温度控制器
(3)
与所述加热片
(14)
相连
。5.
根据权利要求1所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，所述表面测温器
(6)
为红外测温仪，所述红外测温仪位于浆料涂层成型槽
(12)
上方以检测浆料涂层
(11)
表面温度的实时变化
。6.
根据权利要求1所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统，其特征在于，所述浆料涂层成型槽
(12)
为圆形
PTFE
材质
。7.
一种基于权利要求1‑6任一所述的燃料电池催化层蒸发干燥监测系统的燃料电池催化层蒸发干燥监测方法，其特征在于，包括：分别根据式
(1)
与式
(2)
获得双溶剂体系的催化剂浆料在干燥成型过程中，溶剂
A
与溶剂
B
的干燥速率
r
A
及
r
B
：：其中，
Δ
H
A
和
Δ
H

【专利技术属性】
技术研发人员：明平文，康嘉伦，李冰，郑伟波，杨代军，张存满，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：