利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置及其方法，属于聚合物薄膜电导率测试领域。氢气温湿度控制装置通过管路与双极板装置连接，所述模压力控制装置为双极板装置提供夹具且进行压合力控制，并在双极板装置两侧施加外部电场形成氢泵；所述电化学工作站通过导线与双极板装置连接。本发明专利技术避免了在质子交换膜内产生极化电势，进而准确测量质子交换膜电导率。通过对质子传导膜在不同氢气水含量下的电导率比较，能相对方便地建立膜法向电导率标准数据库，为质子传导膜的深入研究提供基础数据。

【技术实现步骤摘要】
利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置及其方法
本专利技术属于聚合物薄膜电导率测试领域，具体涉及利用氢泵原理测量质子交换膜法相电导率的装置及其方法。
技术介绍
质子交换膜传导质子的能力主要通过电导率和和质子迁移数两方面来衡量。电导率反映了体系中全部离子的迁移率，是聚合物电解质导电能力的体现；而迁移数则反映了有关的离子(如H+、Na+、OH-等)的离子迁移率。在质子交换膜两侧为氢气和水蒸气的环境中，迁移数仅为H+，电导率将会反映了体系中H+的迁移率。质子交换膜电导率的测量曾采用直流扫描法、交流阻抗谱法、同轴探针法。公开号为CN105203849A的专利公开了一种测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法及装置，在薄膜两侧贴合导电金属薄膜与设有导电孔的绝缘层，通过导电孔在薄膜两端施加直流电，通过电压与电流计算得出薄膜的电阻值，但该方法无法适用于质子交换膜法向电导率的测量，即如果在质子交换膜的两端施加电场，其内部的质子会向阴极移动，但其内部的阴离子则固定在质子交换膜的高分子链上(不能移动)，因此在质子交换膜的内部形成反向电势(极化电势)影响电压值的读取。公开号为ZL201310008250.5的专利公开了一种质子交换膜电导率表征装置,采用交流阻抗法对质子交换膜的电导率进行快速测量,但是该方法存在着较大的误差，在测高频段,电极、线路和仪器的干扰十分严重；在低频段,会产生与直流电一样的极化等误差，这些因素都必然会带来误差。罗志平等在文献中提出可以使用同轴探针法对质子交换膜大法向电导率进行测量，但是同轴探头表面有一定的粗糙度，会使电磁波产生弥散现象和隙漏，使电场能在膜外区域的损耗使反射信号减弱，导致实际值与测量值也有很大偏差。此外，交流阻抗谱和同轴探针法为有源高频阻抗测量法，施加交流电压的测试方法不符合质子传导膜实际直流工况下的导电机理。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置及其方法，能够有效解决现有技术中存在的问题。本专利技术采用如下技术方案：一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，包括氢气温湿度控制装置、双极板装置、模压力控制装置、电化学工作站；所述氢气温湿度控制装置通过管路与双极板装置连接，所述模压力控制装置为双极板装置提供夹具且进行压合力控制，并在双极板装置两侧施加外部电场形成氢泵；所述电化学工作站通过导线与双极板装置中的阴极板和阳极板连接。优选的，所述氢气温湿度控制装置包括与氢气源连通的温湿度发生器，所述温湿度发生器通过氢气单向阀与流量控制器连接，所述流量控制器通过氢气管路与双极板装置连接，所述流量控制器控制流量范围为0-10SLPM；所述流量控制器用于控制供给侧氢气的流量。优选的，所述双极板装置包括依次排列的阳极板、阳极气体扩散层电极、质子传导膜、阴极气体扩散层电极、阴极板；所述阳极板和阴极板背面均设有加热棒及其插孔，所述阳极板和阴极板正面设有温度传感器及其检测孔，所述阳极板和阴极板宽面正中间开设有蛇形气体流道，阳极板侧气体流道进口端与阴极板侧气体流道进口端相互连通且通过氢气三通阀a与所述氢气管路相连通；阳极板侧气体流道出口端与阴极板侧气体流道出口端相互连通且通过氢气三通阀b与排气管路相连通；所述排气管路上设有背压阀；所述温度传感器及其检测孔与所述气体流道相邻，所述加热棒和温度传感器的控温区间为0-100℃；所述阴极板、阳极板上各开有圆形套嵌式密封凹槽，所述密封凹槽内设有使其紧密压合的密封圈。所述质子传导膜为全氟磺酸质子传导膜，包含机械无加强层的均质膜和带机械加强层的非均质膜；所述阴极板和阳极板为具有良好导电性能耐磨材质,形状可以采用正方形或圆形边框，阴极板和阳极板在施加外电压时的绝缘特性由密封圈和质子传导膜来保证，温度传感器检测孔靠近气体流道便于准确测定气体流道内气流的温度；所述阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极为气体扩散层和催化剂层的组合；气体扩散电极的尺寸与气体流道大小相同。阴极板、阳极板上开有套嵌式上下凹槽，上凹槽内嵌下凹槽，密封圈镶嵌在下凹槽内，装配后依靠弹性压力预紧，与极板贴合后形成整体；能够使阴极板、阳极板压合面接触，以保证气体扩散电极上的催化剂层与质子传导膜紧密压合。优选的，所述模压力控制装置包括基座、压力调节阀、截止阀、气体压力传感器、气缸、活动节、上端板、重力检测模块、电控显示单元；所述基座上设有重力检测模块，所述重力检测模块和上端板之间设有所述双极板装置，所述上端板与活动节底部连接，所述活动节与气缸顶杆连接，所述气缸通过截止阀、压力调节阀与压缩空气源连接；所述气缸与截止阀之间设有压力传感器，所述压力传感器、重力检测模块、阳极板、阴极板分别与电控显示单元电联接。优选的，所述双极板装置采用压力调节阀控制压合压力大小，调压区间为0-0.7MPa。所述基座采用能够承载压合压力的不锈钢材料，所述压力调节阀用于控制压缩空气压力大小，所述截止阀用于在双极板承受压力预紧后，锁止并保持压力；在完成测试或需要改变检测压力时打开截止阀用于泄压，所述压力传感器用于检测压缩空气压力值，并与电控显示单元实现电连接；所述气缸可采用自锁式气缸、单向气缸、双向气缸等；为了更好的实现本专利技术效果气缸可以采用单向弹簧气缸，可实现气缸顶杆的位移应大于双极板装置装配后总高度；所述活动节材质采用ABS材质塑胶块或橡胶块，用于实现上端板的压力面微量调整，当上端面压合面与上部的阳极板上端面贴合时，杠杆的刚性连接使得上端面与阳极板上端面出现压力不均匀，表现在气体扩散电极与质子传导膜间的贴合压力不均匀，而活动节即消除或减小这种不均匀的压力。上端板端面应绝缘处理；上端面的绝缘处理方式可以为包覆一层橡胶绝缘材料。所述重力检测模块用于检测气缸的压合压力大小，并将压力值传输给电控单元用于显示和压力反馈控制。提供一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置的使用方法，通过在所述双极板装置阴极板和阳极板施加相同温度、湿度、压力氢气环境，并施加外部直流电源电压，在质子交换膜的两侧形成氢泵，测量回路电流，根据欧姆定律来计算质子交换膜在氢泵环境下的电阻：Rm＝U/I(1-1)然后根据下式计算在氢泵环境下的质子电导率：σm＝L/(R·S)(1-2)其中，L为膜厚，S为膜的截面积。优选的，使用方法具体步骤如下：1)将阴极板放置于所述模压力控制装置的重力检测模块上表面中间位置，将需要测试的质子传导膜裁剪为适配双极板宽面尺寸，同时裁剪两片阴极和阳极气体扩散电极，所述气体扩散电极大小等于气体流道，阴极气体扩散电极放置于阴极板的气体流道上，各边对正后依次放置质子传导膜、阳极气体扩散电极、阳极板；2)接通所述模压力控制装置的压缩空气源，观察压力传感器所测压力，调整所述模压力控制装置的压力调节阀至0-0.7MPa，所述气缸顶杆联接的活动节及上端板缓慢下降，直到上端板与阳极板上端面贴合为止，再次调节所述模压力控制装置的压力调节阀，同时观察重力检测模块的压力显示为设定压力值，关闭所述压力控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，其特征在于，包括氢气温湿度控制装置、双极板装置(5)、模压力控制装置(22)、电化学工作站(13)；所述氢气温湿度控制装置通过管路与双极板装置(5)连接，所述模压力控制装置(22)为双极板装置(5)提供夹具且进行压合力控制，并在双极板装置(5)两侧施加外部电场形成氢泵；所述电化学工作站(13)通过导线与双极板装置(5)中的阴极板和阳极板(20)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，其特征在于，包括氢气温湿度控制装置、双极板装置(5)、模压力控制装置(22)、电化学工作站(13)；所述氢气温湿度控制装置通过管路与双极板装置(5)连接，所述模压力控制装置(22)为双极板装置(5)提供夹具且进行压合力控制，并在双极板装置(5)两侧施加外部电场形成氢泵；所述电化学工作站(13)通过导线与双极板装置(5)中的阴极板和阳极板(20)连接。


2.根据权利要求1所述的利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，其特征在于，所述氢气温湿度控制装置包括与氢气源连通的温湿度发生器(1)，所述温湿度发生器(1)通过氢气单向阀(2)与流量控制器(3)连接，所述流量控制器(3)通过氢气管路与双极板装置(5)连接，所述流量控制器控制流量范围为0-10SLPM。


3.根据权利要求2所述的利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，其特征在于，所述双极板装置(5)包括从上至下依次排列的阳极板(20)、阳极气体扩散层电极(18)、质子传导膜(19)、阴极气体扩散层电极、阴极板；所述阳极板(20)和阴极板背面均设有加热棒(21)及其插孔，所述阳极板(20)和阴极板正面设有温度传感器(17)及其检测孔，所述阳极板(20)和阴极板宽面正中间开设有蛇形气体流道，阳极板(20)侧气体流道进口端与阴极板侧气体流道进口端相互连通且通过氢气三通阀a(4)与所述氢气管路相连通；阳极板(20)侧气体流道出口端与阴极板侧气体流道出口端相互连通且通过氢气三通阀b(14)与排气管路相连通，所述排气管路上设有背压阀(15)；所述温度传感器(17)及其检测孔与所述气体流道相邻，所述加热棒(21)和温度传感器(17)的控温区间为0-100℃；所述阴极板、阳极板(20)上各开有圆形套嵌式密封凹槽(16)，所述密封凹槽(16)内设有使其紧密压合的密封圈。


4.根据权利要求2所述的一种利用氢泵原理测量质子交换膜法向电导率的装置，其特征在于，所述模压力控制装置包括基座(24)、压力调节阀(11)、截止阀(12)、气体压力传感器(10)、气缸(8)、活动节(6)、上端板(23)、重力检测模块(9)及电控显示单元(7)；
所述基座(24)上设有重力检测模块(9)，所述重力检测模块(9)和上端板(23)之间设有所述双极板装置(5)，所述上端板(23)与活动节(6)底部连接，所述活动节(6)与气缸(8)顶杆连接，所述气缸(8)通过截止阀(12)、压力调节阀(11)与压缩空气源连接；所述气缸(8)与截止阀(12)之间设有压力传感器(10)，所述压力传感器(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢国玮，邹业成，张永明，
申请(专利权)人：山东东岳未来氢能材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37