[实用新型]一种测试质子交换膜质子电导率的装置

说明书

本发明公开了一种测试质子交换膜质子电导率的装置，包括：夹具、铂片电极、质子交换膜、电化学工作站、温度计、加热台和氮气湿度控制装置；质子交换膜放置在夹具当中，夹具上固定两片铂片电极。质子交换膜两端分别放置在一片铂片电极上，铂片电极接在电化学工作站上，用以测量质子交换膜包括质子电导率在内的电化学性能。氮气湿度控制装置将调解好湿度的氮气输送至夹具内。本发明的优点是：1.同时设定被测薄膜周围的调节温度和湿度，方便测量。2.可测在不同温度湿度条件下的电化学性能。3.可设定的湿度范围大，且调节响应快。4.可设定的温度范围大，只要低于腔室材料的最高耐热温度即可。5.结构简单，不需要额外的设备，成本低，维护简单。

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜电导率测试技术领域，特别涉及一种测试质子交换膜在不同湿度和温度条件下质子电导率的装置。

背景技术

燃料电池作为如今备受关注的清洁能源之一，是一种直接将化学电源转化成电能的装置，也被认为是21世纪首选的洁净发电技术之一。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键组成部分,在电池中负责阻隔氧化剂气体和燃料气体直接接触，并实现质子交换。构成质子交换膜的基质材料很大程度决定了质子交换膜的整体服役性能。为了提升燃料电池的实用性，燃料电池中的质子交换膜要向高性能、高寿命、低成本的方向发展，新型质子交换膜的开发也一直是国际上热门的研究方向。

质子交换膜较重要的性能主要包括质子电导率、气体和水分子阻隔率、物理化学稳定性和机械强度等。其中，质子电导率是其核心性能。然而，质子交换膜的质子电导率并不稳定，其受外界环境的影响，对外界温度、湿度条件的变化非常敏感。因此，质子交换膜在不同温度、湿度条件下的质子电导率测试极其重要。质子电导率可以通过电化学工作站的交流阻抗模式测试。电化学交流阻抗的测试原理为通过对材料施加一个微扰电压(低强度正弦波)。因为微扰电压的施加，材料会产生一个电化学响应信号。通过分析不同微扰电压产生的电化学响应信号，能够推算出材料内部的等效电路。结合材料的几何形状，最终计算出材料包括质子电导率在内的多种动力学过程与原理。除了直接测量交流阻抗，电化学氢泵测试也能得到质子交换膜的质子电导率。这种测试基于氢气的氧化还原反应，通过给燃料电池系统外部加压，强制氢气在正极失去电子转化成氢离子，氢离子从穿过质子交换膜迁移至负极，然后在负极得到两个电子重新转化成氢气。然后直接测试电压与电流计算出质子在质子交换膜中的迁移电阻。类似的测试方法还有燃料单电池的测试，这种测试需要大型的测试仪，直接模拟燃料电池的工作状态来测得质子交换膜的质子电导率。不同的测试方法测得的结果略有差异，但是本质上都是测的质子迁移电阻。基于这些常用的测试的方法，通过人为的控制质子交换膜所处的外界环境(温度、湿度)，就能很好的测试出质子交换膜在不同条件下的质子电导率。得到的结果对于新型燃料电池的开发具有重要的指导意义。测试过程中的温度控制较简单，通常使用加热器件以及温度传感器就能实现。湿度的调控方法可以通过恒湿箱、抽湿机、盐水浓度控湿度法、石灰吸湿法等。

现有技术一

准备恒温恒湿箱和开放式质子交换膜质子电导率测量夹具。把质子交换膜两端放置在具有固定间距的铂片电极上，压紧铂片电极和质子交换膜，使其接触紧密。铂片电极接在电化学工作站上。此时质子交换膜已被固定在了夹具上，夹具不密封。把质子交换膜连同夹具一起放置进入恒温恒湿箱内。调节恒温恒湿箱，使其内部为所需的温度和湿度。待质子交换膜在该条件静置足够长时间后，从两端的铂片电极读取出质子交换膜的响应电信号，通过电化学工作站的测试质子交换膜此时的电化学交流阻抗谱。从阻抗谱中可以读取出质子交换膜中的离子迁移电阻。这个离子迁移电阻对于质子交换膜则是质子迁移电阻。根据质子交换膜的宽度、长度、厚度，以及质子迁移电阻即可计算出质子交换膜在设定温、湿度条件下的质子电导率。

现有技术一的缺点

1.恒温恒湿箱的温度、湿度范围有限。温度通常低于150℃，湿度通常高于20％RH。无法达到高温以及低湿的条件。也就无法测得质子交换膜在高温和低湿条件下的电化学性能。

2.恒温恒湿箱的温度、湿度调节需要一定的时间，响应较慢，会拉长测试时间。