CN105158119A - 一种多孔膜气体扩散系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔膜气体扩散系数测试装置，包括单晶石英管、质子交换膜和待测膜；所述单晶石英管的一端连接质子交换膜，另一端连接待测多孔膜；所述质子交换膜的两侧分别设有氢气泵的两个氢气泵电极和氧气传感器的两个氧气传感器电极。本发明提供的多孔膜气体扩散系数测试装置具有以下有益效果：1、通过该测试装置测量，可以得到待测膜(如待测质子交换膜、多孔膜等)的气体扩散系数；2、通过气体扩散系数的值，可以精确地评估待测膜(特别是待测质子交换膜)的气密性，为高性能的PEMFC设计提供重要的依据；此外，也为选用优质薄膜提供判据，对待测多孔膜的结构优化具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于电池测试技术领域，涉及一种多孔膜气体扩散系数测试装置。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电效率高，环境污染少等优点。燃料电池按照电解质类型的不同，可分为碱性燃料电池(AFC，alkalinefuelcell)，磷酸型燃料电池(PAFCphosphoricacidfuelcell)，熔融碳酸盐型燃料电池(MCFCMoltenCarbonateFuelCell)，质子交换膜燃料电池(PEMFCprotonexchangemembranefuelcell)和固态氧化物燃料电池(SOFCSolidOxideFuelCell)。其中，质子交换膜燃料电池不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪音、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高、工作温度低、启动快、膜的耐腐蚀性强、使用寿命长等优点。根据质子交换膜燃料电池的工作原理，质子交换膜起到分隔燃料和氧化剂、传导质子的双重作用，因此要求质子交换膜质子传导率高且气密性好，它是确保PEMFC性能优良的前提之一。
目前，还未公开有对PEMFC用质子交换膜气体扩散系数测量的研究。鉴于上述背景，我们发明了一种能够测试燃料电池用质子交换膜的装置，该装置不仅能够实现对质子交换膜气体扩散系数的测试，而且也可以测试其它普通多孔膜的气体扩散系数，以衡量测试膜的气密性程度。
发明内容
本发明提供的测试装置，通过测量，得到待测多孔膜气体扩散系数。
为解决上述问题，一种多孔膜气体扩散系数测试装置，包括单晶石英管、质子交换膜和待测膜；所述单晶石英管的一端连接质子交换膜，另一端连接待测多孔膜；
所述质子交换膜的两侧分别设有氢气泵的两个氢气泵电极和氧气传感器的两个氧气传感器电极。
进一步的，所述单晶石英管与全氟磺酸质子交换膜和待测多孔膜的连接部位用玻璃胶进行密封。
进一步的，所述其氢气泵电极采用Pt/C作电极材料。
进一步的，所述氧气传感器电极采用Pt作为电极材料。
进一步的，所述单晶石英管为两根。
进一步的，所述质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜。
进一步的，所述待测多孔膜为全氟磺酸质子交换膜。
本发明提供的多孔膜气体扩散系数测试装置具有以下有益效果：
1、通过该测试装置测量，可以得到待测膜(如待测质子交换膜、多孔膜等)的气体扩散系数；
2、通过气体扩散系数的值，可以精确地评估待测膜(特别是待测质子交换膜)的气密性，为高性能的PEMFC设计提供重要的依据；此外，也为选用优质薄膜提供判据，对待测多孔膜的结构优化具有指导意义。
附图说明
图1为本发明多孔膜气体扩散系数测试装置示意图。
其中，1、单晶石英管，2、质子交换膜，3、待测多孔膜，4、氢气泵，5、氢气泵电极，6、氧气传感器，7、氧气传感器电极。
具体实施方式
为了使本领域技术人员对发明有更详细的了解，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示，本实施例提供的多孔膜气体扩散系数测试装置包括单晶石英管1，单晶石英管1内是气体传输、气体分压变化的区域，单晶石英管1的一端连接扩散系数已知的质子交换膜2，质子交换膜2的作用为仅允许质子H+通过，因为氢气经Pt催化剂后以H+的形式必须通过质子交换膜2泵入到石英管内。
本实施例中，质子交换膜2为全氟磺酸质子交换膜。单晶石英管1的另一端连接待测膜3，目的是测量其气体扩散系数。待测多孔膜3可以为质子交换膜，也可以为其它多孔膜。
本实施例中采用的待测多孔膜3为全氟磺酸质子交换膜。单晶石英管1与质子交换膜2和待测多孔膜3的连接部位用玻璃胶进行密封，氢气泵4的两个氢气泵电极5分别连接在质子交换膜2的两侧，氧气传感器6的两个氧气传感器电极7电极分别连接在质子交换膜2的两侧。氢气泵电极5采用Pt/C作电极材料，氧气传感器电极7采用Pt作为电极材料。本发明中氢气泵4要使用Pt/C作催化剂，氧气传感器6使用Pt作催化剂。
本实施例中，单晶石英管1为两根，两端分别连接全氟磺酸质子交换膜和待测全氟磺酸质子交换膜。可根据实际情况设置单晶石英管1的数量。本发明的多孔膜气体扩散系数测试装置放置在炉子中进行测量，炉子通过恒电位仪以150cm3min-1的速度泵入含有3％H2O的潮湿H2。
工作时，氢气泵4工作时要通过稳定的电流i。进行测量时，氢气泵4在Pt/C材料的氢气泵电极5催化作用下，将一定量的氢气以质子H+的形式通过固定的全氟磺酸质子交换膜泵入单晶石英管1内，气体在单晶石英管1内的分压开始发生变化：单晶石英管1内氢气分压增大，氧气分压减小。因此，单晶石英管1内外氧气分压之间产生了压差，该压差以能斯特电位E的形式表现出来。同时，氧气传感器6可以检测到能斯特电位E。
由能斯特电位E与单晶石英管1内氧气分压的关系:其中R为气体常数，T为温度，F为法拉第常数，为单晶石英管1外氧气的分压且是常量，可以得到单晶石英管1内氧气
事实上，单晶石英管1内满足为单晶石英管1内的氢气分压，为为单晶石英管1内的水气分压。
当单晶石英管1内化学反应达到平衡时，再由气体平衡常数与气体组分之间的关系：可以得到单晶石英管1内的氢气分压，其中p表示分压,表示氢气分压，表示氧气分压，上标2是平方关系，Keq为已知常数。再由单晶石英管1内、外氢气分压，电流之间的表达式：其中，为单晶石英管1外的氧气分压且为常量，R为气体常数，T为温度，F为法拉第常数，D为扩散系数，l为质子交换膜的厚度，即可测得气体扩散系数D。通过气体扩散系数的值，可以精确地评估质子交换膜的气密性。
该测试装置分别在800℃、750℃、700℃、650℃条件下测量某一全氟磺酸质子交换膜的气体扩撒系数结果如下：0.070cm2s-1，800℃；0.060cm2s-1，750℃；0.055cm2s-1，700℃；0.046cm2s-1，650℃。相比于报道中在800℃条件下，有效扩散系数0.07-0.82cm2s-1本发明给出的测量值更加精确。这为高性能的PEMFC设计提供重要的依据；此外，也为质子交换膜的结构优化具有指导意义。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：包括单晶石英管(1)、质子交换膜(2)和待测多孔膜(3)；所述单晶石英管(1)的一端连接质子交换膜(2)，另一端连接待测多孔膜(3)；
所述质子交换膜(2)的两侧分别设有氢气泵(4)的两个氢气泵电极(5)和氧气传感器(6)的两个氧气传感器电极(7)。
2.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述单晶石英管(1)与质子交换膜(2)和待测多孔膜(3)的连接部位用玻璃胶进行密封。
3.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述其氢气泵电极(5)采用Pt/C作电极材料。
4.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述氧气传感器电极(6)采用Pt作为电极材料。
5.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述单晶石英管(1)为两根。
6.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述质子交换膜(2)为全氟磺酸质子交换膜。
7.根据权利要求1所述的多孔膜气体扩散系数测试装置，其特征在于：所述待测待测多孔膜(3)为全氟磺酸质子交换膜。
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