CN100478699C - 一种燃料电池质子交换膜横向电导率的测试方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池质子交换膜横向电导率的测试方法与装置，涉及燃料电池电解质性能的检测，本发明采用四电极或三电极体系，工作电极与辅助电极使用碳电极，参比电极使用饱和甘汞电极，碳电极加载测试电流，参比电极测试响应电压。测试时，将交换膜放在两电解池对应的连接孔中间，用交流阻抗法测试出质子交换膜的横向电阻，通过膜的厚度和连接孔的面积换算出膜的电导率。这种测试手段避免了使用直流测试方法时遇到的极化问题，同时也解决了横向电阻的测量问题。该方法所用装置不仅能测量质子交换膜的横向电导率，还能测量与质子交换膜类似的薄膜横向电阻，而且也可测量膜电极的横向电阻，测试装置简单，因此可以被应用于其他燃料电池和锂离子电池中隔膜横向电导率的测试。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池电解质性能的检测，特别涉及质子交换膜电导率的测量方法与装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池PEMFC使用质子交换膜PEM做电解质，其性能直接影响PEMFC的电池性能、能量效率和使用寿命，而质子交换膜的质子导电性能是衡量PEM性能的一个重要指标。
质子交换膜电导率测量技术的发展大致可以分为3代。第1代测量技术是在60年代出现，由Fadley C S，Wallace R A.Electropolymer studies(II).Electricalconductivity of a polystyrene sulfonic acid membrane[J].J ElectrochemSoc，1968，115：1264记载。当时wallace和他的合作者对控制吸水率的聚合物膜的导电率进行了测试，他们对膜施加线性变化的直流电压，测量电流通过欧姆定律计算膜的导电率。而Grego和George等通过比较有膜和没有膜电导池的电阻来确定膜的电阻。文献“.电位扫描法研究质子交换膜得导电型能”[J].化学通报，1999，13：131中提出，改进以往的直流测试方法，采用线性电位扫描法同时测量质子交换膜的电阻和测试系统的阻抗与容抗。但是在直流测试中，极化是影响直流法测量质子交换膜电导率精度的重要因素。而极化问题比较复杂，不仅与电流有关，而且与电极材料、形状和平整度有关，还与电解质浓度有关克服直流法中的极化还没有较为理想的办法，后来的研究很少采用该方法。第2代测量技术采用交流阻抗法测试质子交换膜的导电性。由Subrahmanyan V，Laksh minarayanaiah N.A rapidmethod for the determination of electrical conductance of ion-exchangemembranes[J].J Phys Chem，1968，72：43记载Subrahmanyan和Lakshminarayanaiah首先采用交流两电极系统测试质子交换膜的导电性。随后Meshchkov等都采用这种方法测试膜的导电性。由文献Cahan B D，Wainright J S.A AC impedanceinvestigations of proton conduction in Nafion[J].j.Electrochem Soc，1993，140(12)：185知，90年代Cahan和Wainright、Deslouis等以及Sone等改用交流四电极系统测试质子交换膜的导电性。这里所用的四电极系统测试的是沿质子交换膜表面平行方向的电导率，即纵向电导率。纵向电导率只能反映质子通过纵向传导的性能。由文献Gardnet C L，Anantaraman A V.Measurement of membrane conductivitiesusing an open-ended coaxial probe[J].J Electroanal Chem，1995，395：67可知，第3代技术是C.L.Gardnet等发展起来的同轴探针法，后来Beatie等、Chuy等均采用此方法测定了最近研发的新型质子交换膜的导电性。但是用此方法测量的仍为质子交换膜的纵向电导率。而在质子交换膜燃料电池工作时，质子不仅通过纵向传导，也通过横向传导。因此需要测量沿质子交换膜表面垂直方向的横向电导率。
发明内容
本发明提出一种燃料电池质子交换膜横向电导率的测试方法与装置，将交换膜放在两电解池相连的连接孔中间，用交流阻抗法测试出质子交换膜的横向电阻，通过膜的厚度和连接孔的面积换算出膜的电导率。
本发明的测试方法是，采用交流阻抗法测定，工作电极与辅助电极使用碳电极，参比电极使用饱和甘汞电极，碳电极加载测试电流，参比电极测试响应电压。测量时采用四电极或三电极体系，先测量电解池中空白溶液的电阻R1，然后将质子交换膜夹在两电解池中间，用同样的方法测量电阻R2，用R2-R1得到质子交换膜电阻，并由电导率公式K＝L/(S×R)，计算得到燃料电池质子交换膜横向电导率。公式中L为膜的厚度、S为孔的面积(即Nafion膜接触电解液的有效面积)、R为所测电阻(R2-R1)。
本发明测试方法所用装置如下：
试验装置由两个完全相同的电解池1与外部夹具2组成，如图1所示。两电解池并排放置，并在两电解池连接一侧对应各开一个圆形或方形孔3，所测质子交换膜8夹在两电解池连接处。电解池上部有盖子，盖子的相应位置上打四个孔用来固定电极，如图2所示。对应四电极体系，工作电极4与辅助电极5分别安装在孔4、5位置，参比电极6、7分别安装在孔6、7位置，参比电极所使用的饱和甘汞电极的管口要尽量靠近侧面的圆孔，且相对位置固定。三电极体系中，使用一个参比电极。图1中，9为密封圈。
测量时，用夹具将两电解池夹紧，两个电解池有孔一侧对接，电解池内放入电解液(稀硫酸溶液)。先测量电解池中空白溶液的电阻，在高频段显示的阻抗值就是溶液的电阻值，然后将质子交换膜放在两孔中间，用同样的方法测量质子交换膜的电阻。
本发明主要是利用两次测试的差值求出质子交换膜的横向电导率。每次测试时首先测量空白溶液的电阻。以后的测量数据均与空白溶液电阻做差求出所测膜的横向电阻。这种测试手段避免了使用直流测试方法时遇到的极化问题，同时也解决了横向电阻的测量问题。这种装置不仅能测量质子交换膜的横向电导率，还能测量与质子交换膜类似的薄膜横向电阻，而且也可测量膜电极的横向电阻。该方法要求的试验仪器和测试仪器简单，因此可以被应用于其他燃料电池和锂离子电池中隔膜横向电导率的测试方面。
附图说明
图1为膜横向电导率测量装置示意图
图2为膜横向电导率测量装置俯视图
图3为热压前膜横向电导率测量曲线
图4为热压后膜横向电导率测量曲线
具体实施方式
测定了质子交换膜(nafion117)在经预处理后进行热压试验的电导率变化。热压温度120℃，时间为3min，压强为0.4MPa。电解池溶液为0.5mol/LH2SO4+1mol/L甲醇(模拟直接甲醇燃料电池工作条件)。测试装置如图1所示，工作和辅助电极用碳棒，两个参比电极用饱和甘汞电极。采用交流阻抗法测量电导率，扫描频率从20kHZ到0.1HZ，电压扰动幅值为10mv。图3为对nafion膜热压前的横向电导率进行测量，由图3可得空白溶液电阻6.1986Ω，测得nafion膜热压前的质子交换膜与溶液的总电阻为6.8893Ω。由图3可得膜横向电阻为0.691Ω，由电导率公式可计算出膜横向电导率为6.58×10-2s/cm。图4为热压后的电导率测量图，由图4得膜横向电阻为2.198Ω(溶液电阻6.1986，总电阻8.3965)，由电导率公式可计算出膜横向电导率为2.07×10-2s/cm。此试验数据与前面所引用文献的测试数据相近。
用三电极体系测定质子交换膜(Nafion117)，两电解池连接处只装有一个参比电极。采用交流阻抗法测定，工作电极与辅助电极使用碳电极，参比电极使用饱和甘汞电极，碳电极加载测试电流，参比电极测试响应电压，先测量电解池中空白溶液的电阻6.1297Ω，然后将质子交换膜夹在两电解池中间，用同样的方法测量电阻6.6757Ω，用R2-R1得到质子交换膜电阻R为1.546Ω。质子交换膜(Nafion117)厚度L为0.02cm，两电解池连接处的圆孔面积S为0.44cm2，由电导率公式K＝L/(S×R)，计算得到燃料电池质子交换膜横向电导率2.94×10-2s/cm。
Claims (2)
1、一种燃料电池质子交换膜横向电导率的测试方法，采用交流阻抗法测定，工作电极与辅助电极使用碳电极，参比电极使用饱和甘汞电极，碳电极加载测试电流，参比电极测试响应电压，其特征在于，交流阻抗法测定的扫描频率从20κHZ到0.1HZ，电压扰动幅值10mV；参比电极靠近膜的表面，测试响应电压；测量时采用四电极或三电极体系，先测量电解池中空白溶液的电阻R1，然后将质子交换膜夹在两电解池中间，用同样的方法测量电阻R2，用R2-R1得到质子交换膜电阻，并由电导率公式K＝L/(S×R)，计算得到燃料电池质子交换膜横向电导率K，L为膜的厚度、S为两电解池相连接一侧对应所开孔的面积、R为所测电阻R2-R1。
2、权利要求1燃料电池质子交换膜横向电导率测试方法所用装置，其特征在于，试验装置由两个完全相同的电解池(1)与外部夹具(2)组成，两电解池并排放置，并在两电解池相连接一侧对应各开一孔为第一孔(3)，所测质子交换膜(8)夹在两电解池连接处，在电解池(1)顶部位置开四个孔，分别为相对于第一孔(3)对称的第二孔(6)与第三孔(7)，以及对称的第四孔(4)与第五孔(5)，这四个孔分别对应安装四电极体系，工作电极与辅助电极分别安装在第四孔(4)、第五孔(5)位置，参比电极安装在第二孔(6)、第三孔(7)位置，参比电极所使用的饱和甘汞电极的管口靠近侧面的第一孔(3)，且参比电极和质子交换膜的相对位置固定。
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