CN104716363B - 一种多孔介质液汽迁移评价装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种多孔介质液汽迁移评价装置，包括第一加热板、液腔、样品架、汽腔和第二加热板；液腔和汽腔分别为二个密闭的腔体，于液腔的下壁面和汽腔的上壁面上分别设有通孔，作为液腔开口和汽腔开口；样品架为二个环形支架，二个环形支架分别相对置于待测多孔介质的上下两侧，环形支架与待测多孔介质紧密贴接；液腔和汽腔分别置于二个环形支架远离待测多孔介质的一侧；且液腔开口和汽腔开口分别对应于环形支架的中空部位；于液腔外壁面上设有第一加热板，所述第一加热板用于为液腔加热；于汽腔外壁面上设有第二加热板，所述第二加热板用于为汽腔加热。与现有技术相比，本发明装置结构简单，易于加工制造；测试过程简单、准确，可有效提供数据；测试范围广，可测试不同温度条件下不同液体在不同多孔介质中的液体迁移量，应用领域广泛，不受限制。
Description
技术领域
本发明属于液汽迁移通量测定的领域，具体为测量液汽在温度梯度的驱动下，在单位时间单位面积内通过多孔介质从高温处迁移至低温处的量。
背景技术
由于燃料电池各组件的热导率不同，各组件周围的温度环境也有差别，在燃料电池降温的过程中各组件存在温度差，导致各组件中的水的化学势不同，水汽将会从化学势高的区域向化学势低的区域迁移。燃料电池的电极是多孔介质，上面所说的水汽迁移必定通过多孔介质。通过燃料电池用多孔介质的水汽迁移通量的测定，对于了解燃料电池在降温过程中的水汽重新分布有重要意义，从而可以指导电池结构的设计，达到燃料电池低温储存及低温启动的目的。具体来说就是单电池中极板的热导率较膜电极的高，故在降温过程中极板温度要比膜低，在温度梯度的驱动下，水汽会通过扩散层从膜电极向流道迁移，减少在电极中的存水量，降低水结冰对电极的破坏。
文献（Journal of The Electrochemical Society，158（2011），B303）中对水汽通量的测量利用单电池装置进行测量，测试样品为MEA，在样品两侧通入温度各异的增湿气体或液态水。此方法较复杂，当测试样品为扩散层时，不能排除强制对流对水汽通量的影响，故不利于分析MEA各个组成部分对水汽迁移通量的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，发明了一种在不同温度梯度下液体通过多孔介质的迁移量。
为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：
一种多孔介质液汽迁移评价装置，包括第一加热板、液腔、样品架、汽腔和第二加热板；
液腔和汽腔分别为二个密闭的腔体，于液腔的内壁面和汽腔的内壁面上分别设有通孔，作为液腔开口和汽腔开口；
于液腔外壁面上设有第一加热板，所述第一加热板用于为液腔加热；于汽腔外壁面上设有第二加热板，所述第二加热板用于为汽腔加热；
所述样品架为中空结构，用于固定待测多孔介质；所述液腔和汽腔分别置于待测多孔介质两侧；且液腔开口和汽腔开口分别对应于样品架中的多孔介质。
所述液腔开口与所述汽腔开口形状大小相同；所述液腔外壁面上设置有液体进口和液体出口；所述汽腔外壁面上设置有汽体出口。
所述液腔上的液体进口经导管与一不带有刻度的或带有刻度的容器相连，用于测量测试过程中的液体迁移量。
所述液腔开口与所述汽腔开口相对设置；于液腔开口和汽腔开口的开口端面上分别设有环形凹槽，开口处于环形凹槽包围的区域内；样品架两端分别扣合于液腔和汽腔开口端面的凹槽中。
所述样品架为二个环形支架，二个环形支架分别相对置于待测多孔介质的上下两侧，环形支架与待测多孔介质紧密贴接；
液腔和汽腔分别置于二个环形支架远离待测多孔介质的一侧；且液腔开口和汽腔开口分别对应于环形支架的中空部位。
于样品架与液腔和汽腔之间分别设置有用于密封的密封环。
所述密封环的材料为聚硫橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯中的一种。
所述液腔与所述汽腔均为良导热性材料，且所述液腔与所述汽腔可通过固定部件固定。
所述良导热性材料为不锈钢、铝合金或导热石墨；所述固定部件为螺栓和螺母的组合或夹紧板。
所述液腔上有第一加热板，所述汽腔下有第二加热板，第一加热板固定在液腔上壁面上，第二加热板固定在汽腔下壁面上。
第一加热板和/或第二加热板为不锈钢电加热板、陶瓷电加热板、铸铝电加热板、铸铜电加热板中的一种。
所述多孔介质与待测液体不发生反应；所述待测液体饱和蒸汽压所产生的压力需大于蒸汽穿过多孔介质时多孔介质产生的阻力。
所述多孔介质液汽迁移评价装置测量液汽迁移量的方法，包括以下步骤，
（1）将待测多孔介质置于样品架中，将第一加热板、液腔、固定有多孔介质的样品架、汽腔和第二加热板依次组合后固定；
（2）通过液体进口向液腔中加注液体；
（3）用第一加热板和第二加热板分别加热液腔和汽腔，使液腔和汽腔温度相等，一段时间后测量液腔中液体的消耗量或汽腔中液体和汽体合计增加量，记为V1，所用时间记为t1，则单位时间内液汽迁移量为V1/t1；
（4）用第一加热板和第二加热板分别加热液腔和汽腔，使液腔温度高于汽腔,液腔和汽腔有一温差，一段时间后测量液腔中液体的消耗量或汽腔中液体和汽体合计增加量，记为V2，所用时间记为t2，则单位时间内液汽迁移量为V2/t2；
（5）V2/t2和V1/t1的差即为在此温差条件下单位时间内液体通过多孔介质的迁移量。
所述多孔介质液汽迁移评价装置测量液汽迁移量的方法，其可用于评价燃料电池多孔介质中的水、甲醇、甲酸、乙醇中一种或二种以上的迁移量，亦可评价其他液体在多孔介质中的液体的迁移量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）装置结构简单，易于加工制造；
（2）测试过程简单、准确，可有效提供数据；
（3）测试范围广，可测试不同温度条件下不同液体在不同多孔介质中的液体迁移量，应用领域广泛，不受限制。
附图说明
图1.多孔介质液汽迁移评价装置示意图。
图中，1为第一加热板；2为液腔；3为第一密封O圈；4为样品架上；5为多孔介质；6为样品架下；7为第二密封O圈；8为汽腔；9为第二加热板；10为液体进口；11为汽体出口；12为液体出口；13为固定孔。
图2.水腔温度为40℃时，水通过阴极扩散层的水汽迁移量。
图3.水腔温度为50℃时，水通过阴极扩散层的水汽迁移量。
图4.水腔温度为40℃时，水通过阳极扩散层的水汽迁移量。
图5.水腔温度为50℃时，水通过阳极扩散层的水汽迁移量。
图6.水腔温度为40℃时，水通过单面疏水碳纸的水汽迁移量。
图7.水腔温度为40℃时，水通过双面疏水碳纸的水汽迁移量。
图8.水腔温度为40℃时，水通过单面膜电极的水汽迁移量。
具体实施方式
实施例1：图1为一种燃料电池用多孔介质水汽迁移评价装置示意图。有图中可以看出，此液汽迁移评价装置结构如下：第一加热板1固定在液腔2上，第二加热板9固定在汽腔8下；液腔2和汽腔8相对侧分别开有液腔开口和汽腔开口，液腔开口与汽腔开口大小相同，且均为圆形开口，二者的直径为4cm；多孔介质5为边长为3.5cm的圆形阴极扩散层；采用样品架上4和样品架下6将阴极扩散层夹紧，样品架上4和样品架下6大小相等，形状相同，其均为直径为4cm的圆；采用与样品架相同大小的第一和第二密封O圈3和7将分别将样品架上4和样品架下7固定于液腔2和汽腔8的开口位置，对准位置后，采用螺栓和螺母通过液腔2和汽腔8上的固定孔13将多孔介质液汽迁移评价装置固定。
通过液体进口10将液腔2中充满水，并确保其中无空气残留，同时将液体出口12密封；通过第一加热板1和第二加热板9对液腔2和汽腔8分别加热，使二者温度相同，记录一定时间内与液腔相连的带刻度的容器的液位的示数之差，求得背景通量。
控制液腔2的温度高于汽腔8，并保持一定的温度差，则在温度梯度的驱动下水从液腔2迁移到汽腔8，记录一定时间内与液腔相连的带刻度的容器的示数之差，扣除背景通量，求得水汽通过多孔介质5从液腔2迁移至汽腔8的量。测量在不同的温差下通过多孔介质5的水汽迁移通量。
阴极扩散层：TGP-H-060碳纸，单面10wt%PTFE，微孔层（XC-72：PTFE=6:4）0.6mgXC-72/cm2，测试结果如图2（液腔温度为40℃）和图3（液腔温度为50℃）。
从图中可以看出，在各个温度梯度下，水汽迁移量随时间的变化为一直线；温度梯度增加，达到相同水汽迁移量的时间减少。
实施例2：装置与实施例1相同，多孔介质样品为阳极扩散层，液腔温度分别为40℃和50℃。
阳极扩散层：TGP-H-060碳纸，双面10wt%PTFE，微孔层（XC-72：Nafion=9:1），1mgXC-72/cm2，测试结果如图4（液腔温度为40℃）和图5（液腔温度为50℃）所示。
实施例3：装置与实施例1相同，多孔介质样品为单面疏水碳纸，液腔温度分别为40℃。
单面疏水碳纸：TGP-H-060碳纸，单面10wt%PTFE，测试结果如图6所示。
实施例4：装置与实施例1相同，多孔介质样品为双面疏水碳纸，液腔温度分别为40℃。
双面疏水碳纸：TGP-H-060碳纸，双面10wt%PTFE，测试结果如图7所示。
实施例5：装置与实施例1相同，多孔介质样品为单面膜电极，液腔温度分别为40℃。
单面膜电极：TGP-H-060碳纸，单面10%wtPTFE疏水，微孔层（XC-72:PTFE=6:4）0.6mgXC-72/cm2，催化层（60%Pt/C:Nafion=4:1）2.2mgPt/cm2，组成气体扩散电极，H+-Nafion115膜，气体扩散电极与膜在120℃200kg/cm2热压1分钟，测试结果如图8所示。
综合上述不同液体在不同多孔介质中的测试结果，可以看出，在同一温度梯度条件下，该多孔介质液汽迁移评价装置测得的液汽迁移量随测试时间的增长线性增大，符合气液迁移的基本原理，表明该评价装置测试得到的数据准确可靠，应用领域广泛，不受限制。
Claims (13)
1.一种多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：包括第一加热板、液腔、样品架、汽腔和第二加热板；
液腔和汽腔分别为二个密闭的腔体，于液腔的内壁面和汽腔的内壁面上分别设有通孔，作为液腔开口和汽腔开口；
于液腔外壁面上设有第一加热板，所述第一加热板用于为液腔加热；于汽腔外壁面上设有第二加热板，所述第二加热板用于为汽腔加热；
所述样品架为中空结构，用于固定待测多孔介质；所述液腔和汽腔分别置于待测多孔介质两侧；且液腔开口和汽腔开口分别对应于样品架中的多孔介质；
所述液腔上的液体进口经导管与一不带有刻度的或带有刻度的容器相连，用于测量测试过程中的液体迁移量。
2.如权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：
所述液腔开口与所述汽腔开口形状大小相同；所述液腔外壁面上设置有液体进口和液体出口；所述汽腔外壁面上设置有汽体出口。
3.如权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述液腔开口与所述汽腔开口相对设置；于液腔开口和汽腔开口的开口端面上分别设有凹槽，开口处于凹槽包围的区域内；样品架两端分别扣合于液腔和汽腔开口端面的凹槽中。
4.如权利要求1或3所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述样品架为二个环形支架，二个环形支架分别相对置于待测多孔介质的上下两侧，环形支架与待测多孔介质紧密贴接；
液腔和汽腔分别置于二个环形支架远离待测多孔介质的一侧；且液腔开口和汽腔开口分别对应于环形支架的中空部位。
5.如权利要求1或3所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：于样品架与液腔和汽腔之间分别设置有用于密封的密封环。
6.如权利要求5所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述密封环的材料为聚硫橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯中的一种。
7.如权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述液腔与所述汽腔均为良导热性材料，且所述液腔与所述汽腔通过固定部件固定。
8.如权利要求7所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述良导热性材料为不锈钢、铝合金或导热石墨；所述固定部件为螺栓和螺母的组合或夹紧板。
9.如权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述液腔上有第一加热板，所述汽腔下有第二加热板，第一加热板固定在液腔上壁面上，第二加热板固定在汽腔下壁面上。
10.如权利要求9所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：第一加热板和/或第二加热板为不锈钢电加热板、陶瓷电加热板、铸铝电加热板、铸铜电加热板中的一种。
11.如权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置，其特征在于：所述多孔介质与待测液体不发生反应；所述待测液体饱和蒸汽压所产生的压力需大于蒸汽穿过多孔介质时多孔介质产生的阻力。
12.一种采用权利要求1所述多孔介质液汽迁移评价装置测量液汽迁移量的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)将待测多孔介质置于样品架中，将第一加热板、液腔、固定有多孔介质的样品架、汽腔和第二加热板依次组合后固定；
(2)通过液体进口向液腔中加注液体；
(3)用第一加热板和第二加热板分别加热液腔和汽腔，使液腔和汽腔温度相等，一段时间后测量液腔中液体的消耗量或汽腔中液体和汽体合计增加量，记为V1，所用时间记为t1，则单位时间内液汽迁移量为V1/t1；
(4)用第一加热板和第二加热板分别加热液腔和汽腔，使液腔温度高于汽腔,液腔和汽腔有一温差，一段时间后测量液腔中液体的消耗量或汽腔中液体和汽体合计增加量，记为V2，所用时间记为t2，则单位时间内液汽迁移量为V2/t2；
(5)V2/t2和V1/t1的差即为在此温差条件下单位时间内液体通过多孔介质的迁移量。
13.如权利要求12所述多孔介质液汽迁移评价装置测量液汽迁移量的方法，其特征在于：其可用于评价燃料电池多孔介质中的水、甲醇、甲酸、乙醇中一种或二种以上的迁移量。
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| CN201310693360.XA Active CN104716363B (zh) | 2013-12-15 | 2013-12-15 | 一种多孔介质液汽迁移评价装置及其应用方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN101319611A (zh) * | 2006-12-18 | 2008-12-10 | 普拉德研究及开发有限公司 | 用于评估多孔介质特性的装置、系统和方法 |
| CN102313672A (zh) * | 2010-06-29 | 2012-01-11 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池气体扩散层抗弯刚度的非破坏性测量装置和方法 |
| CN102338727A (zh) * | 2010-07-28 | 2012-02-01 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种水凝胶中可溶气体扩散性能的测量装置 |
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-
2013
- 2013-12-15 CN CN201310693360.XA patent/CN104716363B/zh active Active
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| CN101319611A (zh) * | 2006-12-18 | 2008-12-10 | 普拉德研究及开发有限公司 | 用于评估多孔介质特性的装置、系统和方法 |
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