CN103076367A - 质子交换膜电导率表征装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜电导率表征装置，结合电化学工作站或交流阻抗测试仪对质子交换膜的电导率进行快速测量，包括固定架、膜夹具和加压装置，固定架是由一个上底板、一个下底板和两个支撑螺杆组装构成，膜夹具的材料为绝缘材料板，膜夹具至少包括一组，每组膜夹具皆包括两个紧密重叠组合的夹板，待测电导率的质子交换膜和测试电极被安装在膜夹具的两个夹板之间，加压装置包括加压螺杆、加压缓冲板和弹簧。通过调整该装置的测量参数，与具有不同质子电导率的各种质子交换膜匹配使用，可以得到准确的测试结果，以此来适应具有不同电导率范围的质子交换膜的测量要求，本装置设计巧妙，结构稳定，具有很强的实用性。

Description

质子交换膜电导率表征装置

技术领域

本发明涉及一种电化学测试测量方法，特备是一种质子交换膜性能测试方法，用它结合SI1287 electrochemical interface (Solartron)电化学工作站以及1255B frequency response analyzer (Solartron) 交流阻抗测试仪可以快速准确地测量出质子交换膜的电导率。

背景技术

在新能源广泛受到关注的当今，燃料电池以其高效节能、安全环保等特性，成为新能源技术的重要发展方向。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池以其优越的性能，成为燃料电池最主要发展方向。其中，质子交换膜和电催化剂是质子交换膜燃料电池的两种关键材料，对其发展起到决定作用。因此，质子交换膜得到了众多研究机构和研究者的青睐。质子电导率是评价质子交换膜性能的最基本指标，对该指标进行快速、精确的测量是研制和生产质子交换膜的基本要求。但是，现行的质子交换膜电导率测量的手段仍存在很大的缺陷；特别是在研制新型质子交换膜的过程中，需要评价的材料的质子电导率变化范围广阔。

目前，测量质子电导率的主要方法是电化学阻抗谱法，这种方法又分为两电极法和四电极法。理论上相对于两电极法，四电极法的驱动电极与检测电极相互独立，可以有效降低接触电阻带来的误差，测试结果更为准确。但是实验中发现这条理论并不是一直成立的。当质子电导率很低时，驱动电极之间产生的电流小到不足以达到仪器的检测电流这时，四电极法得到的谱图全是散点没法应用于电导率的计算。因此，必须利用与膜的电导率相互匹配的测试装置，才能取得理想的测量结果。现在广泛使用的装置不能够准确快速地对其进行表征。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种质子交换膜电导率表征装置，通过调整该装置的测量参数，与具有不同质子电导率的各种质子交换膜匹配使用，可以得到准确的测试结果，以此来适应具有不同电导率范围的质子交换膜的测量要求，本装置设计巧妙，结构稳定，具有很强的实用性。

为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种质子交换膜电导率表征装置，结合电化学工作站或交流阻抗测试仪对质子交换膜的电导率进行快速测量，包括固定架、膜夹具和加压装置；固定架是由一个上底板、一个下底板和两个支撑螺杆组装构成，在左右两个支撑螺杆之间和在上底板与下底板之间形成架空的膜夹具的安装和卸载空间，各支撑螺杆的底端和顶端分别与下底板和上底板垂直固定组装连接，上底板和下底板平行设置，至少有两个膜夹具固定杆垂直固定安装在下底板上的两个支撑螺杆之间，各膜夹具固定杆在下底板上方的部分为光杆，各膜夹具固定杆的光杆顶端与上底板之间保持间距，使带孔的膜夹具能重叠垒放插接到膜夹具固定杆的光杆上或从膜夹具固定杆的光杆上取下；膜夹具的材料为绝缘材料板，膜夹具至少包括一组，每组膜夹具皆包括两个紧密重叠组合的夹板，待测电导率的质子交换膜和测试电极被安装在膜夹具的两个夹板之间，膜夹具的横向尺寸小于左右两个支撑螺杆之间的开间距离，膜夹具的两个夹板之间设有定位安装测试电极的电极槽，不同组的膜夹具的两个夹板之间的电极槽，能适应不同电极尺寸大小、不同电极类型和不同电极距离中的任意一种电极参数或任意几种电极参数组合的测试使用要求，通过更换不同组的膜夹具，实现在不同的电极测试参数下的质子交换膜电导率测量；加压装置包括加压螺杆、加压缓冲板和弹簧，加压缓冲板也具有与全部膜夹具固定杆对应的插孔，加压缓冲板重叠垒放在膜夹具的上方，加压缓冲板的横向尺寸也小于左右两个支撑螺杆之间的开间尺寸，在加压缓冲板上的中间位置放置弹簧，加压螺杆从上底板上的通孔穿过，加压螺杆与上底板上的通孔之间为螺纹配合，通过驱动加压螺杆的螺旋下压，将压力传送到弹簧上，使弹簧被压缩，弹簧再将压力传导到加压缓冲板上，然后通过加压缓冲板向膜夹具施加均匀稳定的正压力，使两个膜夹具之间的质子交换膜和测试电极被压紧固定，加压螺杆施加的压力可调。

上述膜夹具的材料优选为聚四氟乙烯。

上述固定架和加压装置皆优选由不锈钢材料制成。

上述膜夹具固定杆优选包括四根，靠近每个支撑螺杆各设置两根膜夹具固定杆。

上述加压螺杆的底端优选通过螺纹连接固定一个螺母，螺母直接与弹簧接触。

上述弹簧优选包括适应不同测试要求的可更换使用的模具弹簧。

上述膜夹具优选至少包括4组，其中至少包括进行两电极法测量质子交换膜电导率的两组可替换膜夹具 ，并且至少包括进行四电极法测量质子交换膜电导率的两组可替换的膜夹具 。

上述固定架的各部件之间的连接、上述压螺杆和下底板之间的连接皆优选为螺纹组装连接，结构简单，便于安装和拆卸。

本发明的基本原理：

将两块不锈钢上下底板用螺杆和螺母组装成固定架，在这基础上，将四根膜夹具固定杆和膜夹具的下板通过螺孔和螺母固定在固定架下底板上，实验表征中可将膜安放在膜夹具下板上，然后将膜夹具上板和加压缓冲板依次往上垒放，再在加压缓冲板上中间位置放弹簧，加压螺杆通过固定架上底板螺纹孔，螺旋下压与弹簧接触，用螺母固定。通过加压螺杆螺旋下压，将压力转移到弹簧上，压力再通过缓冲片和膜夹具转移到膜和电极之间，通过压力大小、电极距离、电极大小等参数调节来实现与具有不同质子电导率各种质子交换膜的匹配，得到准确的测试结果。电极分两种，四电极的柱形电极和两电极的方形电极，本发明可适应使用不同的电极对质子交换膜电导率进行表征测试。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明质子交换膜电导率表征装置的测试参数可调，通过调整该装置的测量参数，与具有不同质子电导率的各种质子交换膜匹配使用，可以得到准确的测试结果，实用性强；

2. 本发明质子交换膜电导率表征装置结构简单，组装和拆卸方便，组装方式多样，便于制造和使用。

3. 本发明质子交换膜电导率表征装置可以有效降低测试误差，测试数据精确，测量结果理想，能广泛应用于燃料电池的质子交换膜准确快速电导率表征。

4. 本发明可以通过加压螺杆的上下移动来实现对模具弹簧的压缩，从而间接对质子交换膜和电极加压，且膜和电极之间的受压是均匀稳定的，压力可以按需调节和测定。

5. 本发明一套装置只需更换聚四氟乙烯膜夹具就能实现对质子交换的两电极和四电极测试，如需要改变电极尺寸、类型等来满足对不同质子交换膜的测试要求，只需要制作符合需要的聚四氟乙烯膜夹具就可以，装置制造方便。

附图说明

图1是本发明质子交换膜电导率表征装置结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是图1的B向视图。

具体实施方式

结合附图，本发明的电极和配套膜夹具共5套，四电极3套中，电极间距分别是2 mm、4 mm、6 mm可以适用不同测试要求。对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1~图3，一种质子交换膜电导率表征装置，结合电化学工作站或交流阻抗测试仪对质子交换膜的电导率进行快速测量，包括固定架、膜夹具5和加压装置；固定架是由一个上底板1、一个下底板2和两个支撑螺杆3组装构成，在左右两个支撑螺杆3之间和在上底板1与下底板2之间形成架空的膜夹具5的安装和卸载空间，各支撑螺杆3的底端和顶端分别与下底板2和上底板1垂直固定组装连接，上底板1和下底板2平行设置，至少有两个膜夹具固定杆4垂直固定安装在下底板2上的两个支撑螺杆3之间，各膜夹具固定杆4在下底板2上方的部分为光杆，各膜夹具固定杆4的光杆顶端与上底板1之间保持间距，使带孔的膜夹具5能重叠垒放插接到膜夹具固定杆4的光杆上或从膜夹具固定杆4的光杆上取下；膜夹具5的材料为聚四氟乙烯材料板，膜夹具5至少包括一组，每组膜夹具5皆包括两个紧密重叠组合的夹板，待测电导率的质子交换膜和测试电极被安装在膜夹具5的两个夹板之间，膜夹具5的横向尺寸小于左右两个支撑螺杆3之间的开间距离，膜夹具5的两个夹板之间设有定位安装测试电极的电极槽，不同组的膜夹具5的两个夹板之间的电极槽，能适应不同电极尺寸大小、不同电极类型和不同电极距离中的任意一种电极参数或任意几种电极参数组合的测试使用要求，通过更换不同组的膜夹具5，实现在不同的电极测试参数下的质子交换膜电导率测量；加压装置包括加压螺杆6、加压缓冲板8和弹簧7，加压缓冲板8也具有与全部膜夹具固定杆4对应的插孔，加压缓冲板8重叠垒放在膜夹具5的上方，加压缓冲板8的横向尺寸也小于左右两个支撑螺杆3之间的开间尺寸，在加压缓冲板8上的中间位置放置弹簧7，加压螺杆6从上底板1上的通孔穿过，加压螺杆6与上底板1上的通孔之间为螺纹配合，通过驱动加压螺杆6的螺旋下压，将压力传送到弹簧7上，使弹簧7被压缩，弹簧7再将压力传导到加压缓冲板8上，然后通过加压缓冲板8向膜夹具5施加均匀稳定的正压力，使两个膜夹具5之间的质子交换膜和测试电极被压紧固定，加压螺杆6施加的压力可调。

在本实施例中，固定架和加压装置皆由不锈钢材料制成，刚度高，不易变形，易于清洗和维护。

在本实施例中，膜夹具固定杆4包括四根，靠近每个支撑螺杆3各设置两根膜夹具固定杆4。膜夹具5固定用螺杆采用四根固定杆4定位，使膜夹具5使用时不发生错位。

在本实施例中，加压螺杆6的底端通过螺纹连接固定一个螺母9，螺母9直接与弹簧7接触，增加与加压螺杆6接触面积，提高输出压力的稳定性。

在本实施例中，质子交换膜电导率具体测试步骤如下：

（1）    弹簧7的选取：

本装置中使用的弹簧7是外径27 mm，内径15 mm，自由长45 mm，定数4 Kgf/mm模具弹簧。

（2）    固定元件的制作：

固定架：两块120 mm *40 mm *8 mm(长宽高)不锈钢上下底板和两根M6不锈钢支撑螺杆3组成，并用M6六角螺母固定，在上底板中央有一个直径为12 mm的螺纹孔，与加压螺杆6配套使用；下底板除了两边两个直径为6 mm的螺纹孔外还有四个对称的直径为6 mm的螺纹孔，与特制膜夹具固定杆4配套使用，起到对膜夹具5的固定作用。

特制膜夹具固定杆4：每根螺杆分两部分，一部分直径为6 mm长23 mm带螺纹，另一部分直径为8 mm长56 mm光杆，共四根。

加压螺杆6：长100 mm的M12不锈钢螺杆，M12螺母三个。

   加压缓冲板8：74 mm * 40 mm * 8mm不锈钢，四个角上有直径为8.5 mm的螺孔。

（3）    变量元件的制作：

 膜夹具5：74 mm * 40 mm * 10 mm（长宽高）聚四氟乙烯板两块，聚四氟乙烯板的中间有一个5 mm * 5 mm * 1 mm（长宽深）电极槽，并从两边引出两个17.5 mm * 0.8 mm * 1 mm导线槽。放在下面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为6.5 mm的固定用螺孔，放在上面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为8.5 mm的固定用螺孔。

     电极：5 mm * 5 mm * 1 mm方形铂电极两个，电极均用直径0.8 mm的铂丝引出。

实施例二：

本实例与实施一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，质子交换膜电导率具体测试步骤如下：

（1）    同实施例一。

（2）    同实施例一。

（3）    变量元件的制作：

 膜夹具5：74 mm * 40 mm * 10 mm（长宽高）聚四氟乙烯板两块，聚四氟乙烯板的中间有一个10 mm * 10 mm * 1 mm（长宽深）电极槽，并从两边引出两个17.5 mm * 0.8 mm * 1 mm导线槽。放在下面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为6.5 mm的固定用螺孔，放在上面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为8.5 mm的固定用螺孔。

       电极：10 mm * 10 mm * 1 mm方形铂电极两个，电极均用直径0.8 mm的铂丝引出。

实施例三：

本实例与前述实施基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，质子交换膜电导率具体测试步骤如下：

（1）    同前述实施例。

（2）    同前述实施例。

（3）    变量元件的制作：

膜夹具5：74 mm * 40 mm * 10 mm（长宽高）聚四氟乙烯板两块，上下聚四氟乙烯板有40 mm * 0.8 mm * 1 mm的电极槽，上下板各两个，膜夹具上下板有槽面重合后相邻电极槽间距是2 mm。放在下面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为6.5 mm的固定用螺孔，放在上面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为8.5 mm的固定用螺孔。

      电极：直径0.8 mm长57 mm的柱形电极四根。

实施例四：

本实例与前述实施基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，质子交换膜电导率具体测试步骤如下：

（1）    同前述实施例。

（2）    同前述实施例。

（3）    变量元件的制作：

膜夹具5：74 mm * 40 mm * 10 mm（长宽高）聚四氟乙烯板两块，上下聚四氟乙烯板有40 mm * 0.8 mm * 1 mm的电极槽，上下板各两个，膜夹具上下板有槽面重合后相邻电极槽间距是4 mm。放在下面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为6.5 mm的固定用螺孔，放在上面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为8.5 mm的固定用螺孔。

      电极：直径0.8 mm长57 mm的柱形电极四根。

实施例五：

本实例与前述实施基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，质子交换膜电导率具体测试步骤如下：

（1）    同前述实施例。

（2）    同前述实施例。

（3）    变量元件的制作：

膜夹具5：74 mm * 40 mm * 10 mm（长宽高）聚四氟乙烯板两块，上下聚四氟乙烯板有40 mm * 0.8 mm * 1 mm的电极槽，上下板各两个，膜夹具上下板有槽面重合后相邻电极槽间距是6 mm。放在下面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为6.5 mm的固定用螺孔，放在上面的聚四氟乙烯板四个角上有直径为8.5 mm的固定用螺孔。

   电极：直径0.8 mm长57 mm的柱形电极四根。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明质子交换膜电导率表征装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种质子交换膜电导率表征装置，结合电化学工作站或交流阻抗测试仪对质子交换膜的电导率进行快速测量，其特征在于：包括固定架、膜夹具（5）和加压装置；

所述固定架是由一个上底板（1）、一个下底板（2）和两个支撑螺杆（3）组装构成，在左右两个支撑螺杆（3）之间和在所述上底板（1）与下底板（2）之间形成架空的所述膜夹具（5）的安装和卸载空间，各所述支撑螺杆（3）的底端和顶端分别与所述下底板（2）和所述上底板（1）垂直固定组装连接，所述上底板（1）和所述下底板（2）平行设置，至少有两个膜夹具固定杆（4）垂直固定安装在所述下底板（2）上的两个支撑螺杆（3）之间，各所述膜夹具固定杆（4）在所述下底板（2）上方的部分为光杆，各所述膜夹具固定杆（4）的光杆顶端与所述上底板（1）之间保持间距，使带孔的所述膜夹具（5）能重叠垒放插接到所述膜夹具固定杆（4）的光杆上或从所述膜夹具固定杆（4）的光杆上取下；

所述膜夹具（5）的材料为绝缘材料板，所述膜夹具（5）至少包括一组，每组所述膜夹具（5）皆包括两个紧密重叠组合的夹板，待测电导率的质子交换膜和测试电极被安装在所述膜夹具（5）的两个夹板之间，所述膜夹具（5）的横向尺寸小于左右两个所述支撑螺杆（3）之间的开间距离，所述膜夹具（5）的两个夹板之间设有定位安装测试电极的电极槽，不同组的所述膜夹具（5）的两个夹板之间的电极槽，能适应不同电极尺寸大小、不同电极类型和不同电极距离中的任意一种电极参数或任意几种电极参数组合的测试使用要求，通过更换不同组的所述膜夹具（5），实现在不同的电极测试参数下的质子交换膜电导率测量；

所述加压装置包括加压螺杆（6）、加压缓冲板（8）和弹簧（7），所述加压缓冲板（8）也具有与全部所述膜夹具固定杆（4）对应的插孔，所述加压缓冲板（8）重叠垒放在所述膜夹具（5）的上方，所述加压缓冲板（8）的横向尺寸也小于左右两个所述支撑螺杆（3）之间的开间尺寸，在所述加压缓冲板（8）上的中间位置放置所述弹簧（7），所述加压螺杆（6）从所述上底板（1）上的通孔穿过，所述加压螺杆（6）与所述上底板（1）上的通孔之间为螺纹配合，通过驱动所述加压螺杆（6）的螺旋下压，将压力传送到所述弹簧（7）上，使所述弹簧（7）被压缩，所述弹簧（7）再将压力传导到所述加压缓冲板（8）上，然后通过所述加压缓冲板（8）向所述膜夹具（5）施加均匀稳定的正压力，使两个所述膜夹具（5）之间的质子交换膜和测试电极被压紧固定，所述加压螺杆（6）施加的压力可调。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述膜夹具（5）的材料为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述固定架和所述加压装置皆由不锈钢材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述膜夹具固定杆（4）包括四根，靠近每个所述支撑螺杆（3）各设置两根所述膜夹具固定杆（4）。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述加压螺杆（6）的底端通过螺纹连接固定一个螺母（9），所述螺母（9）直接与所述弹簧（7）接触。

6.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述弹簧（7）包括适应不同测试要求的可更换使用的模具弹簧。

7.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：所述膜夹具（5）至少包括4组，其中至少包括进行两电极法测量质子交换膜电导率的两组可替换所述膜夹具（5），并且至少包括进行四电极法测量质子交换膜电导率的两组可替换的所述膜夹具（5）。

8.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电导率表征装置，其特征在于：固定架的各部件之间的连接、所述压螺杆（6）和所述下底板（2）之间的连接皆为螺纹组装连接。

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