CN111413255A

CN111413255A - 一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法

Info

Publication number: CN111413255A
Application number: CN202010243263.0A
Authority: CN
Inventors: 和庆钢; 张硕猛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: CN111413255B

Abstract

本发明公开了一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法，包括电磁屏蔽箱、通断式温度控制器、和置于电磁屏蔽箱内的环境腔，环境腔内可持续通入气氛并监测湿度，在环境腔内设有耐高温的夹持装置、有效直径为10μm的铂盘微电极、铂片电极、硅胶加热板和温度传感器；夹持装置用于将待测质子交换膜、铂片电极、硅胶加热板依次叠置夹紧，且可将铂盘微电极压紧于待测质子交换膜上并固定，通断式温度控制器连接硅胶加热板，温度传感器用于监测硅胶加热板温度，铂盘微电极作为工作电极、铂片电极作为对电极和参比电极均连接至电化学工作站。本发明可以定量、精准地表征氧气在各类聚合物电解质中的传质系数，为催化层结构的优化提供定量指导。

Description

一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法，是一种可用于在高温低湿条件下定量测试氧气在质子交换膜中扩散系数、溶解度和渗透率等参数的微电极系统及相应的电化学测试技术方法。

背景技术

随着人类工业水平的进步与发展，化石能源的大量使用导致了严重的环境污染和能源短缺问题。因此开发新型的、环境友好的可再生能源成为现在的研究热点之一。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是极具潜力的新型能源转换装置。其工作原理为：氢气在阳极发生氧化反应，生成的氢离子通过质子交换膜传递到阴极，氧气在阴极与氢离子发生还原反应生成水，从而将氢气和氧气中的化学能转化为电能。此过程不受卡诺循环的限制，并且产物只有水，因而它具有能量密度大、噪声低、清洁环保和能量转化效率高等优点。目前发展相对比较成熟的是低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFCs)，其工作温度在100℃以下。然而，LT-PEMFCs的发展仍然面临许多问题，比如：成本高、膜甲醇渗透率、电极反应动力学缓慢、催化剂对一氧化碳(CO)的耐受性低以及水/热管理系统复杂等。提高PEMFCs的工作温度可以在很大程度上解决上述问题，高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)的工作温度在100～200℃，相比于LT-PEMFCs，其电极反应动力学大大加快，从而提升电池的放电效率。另外，提高工作温度还可以大大提高电催化剂对CO的耐受性，从而降低原料气预处理成本。在100～200℃时，电极反应生成的水以气体形式存在，便于排出，避免电池内部水淹现象的发生。因此，HT-PEMFCs成为如今的一大研究热点。

膜电极是HT-PEMFCs的核心结构，其主要由高温质子交换膜和膜两侧的催化层组成，一侧是阳极催化层，一侧是阴极催化层。催化层主要由催化剂和一定量的粘结剂组成。目前常用的催化剂为商业化铂碳催化剂(Pt/t)，即铂纳米颗粒负载在碳颗粒上。碳颗粒起到传递电子的作用，而铂颗粒作为氧气还原反应的催化剂。目前在HT-PEMFCs中常用的粘结剂主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氨酯和聚乙烯吡咯烷酮等。粘结剂起到调节催化层机械强度、增强催化层质子电导率和控制反应气体在催化层中传质的作用。在阴极催化层中，铂催化剂、氧气和粘结剂构成了电极反应的活性位点----三相界面。氧气作为HT-PEMFCs的反应气体必须通过扩散穿过粘结剂层到达三相界面，才能发生氧还原反应，因此粘结剂的性质和组成对于氧气在阴极催化层中的传质效果起到至关重要的作用，进而对于HT-PEMFCs性能的提升也具有至关重要的影响。

然而，目前关于这个问题的研究主要集中在调整粘结剂在催化层中的载量、种类，或者开发新型粘结剂。研究者在进行这些实验研究时，均需要将电池材料组装成单电池，然后进行大量的单电池性能测试。这种做法有以下几个缺点：①需耗费大量的催化剂和膜材料；②装配电池费时费力；③得到的电池性能数据是综合性结果，很难获取粘结剂对氧气在其中传质的影响。另外，所有这些都只是定性研究，这就使得HT-PEMFCs催化层结构的优化工作仍然停留在经验层面，理论指导的缺失使得HT-PEMFCs的性能提升缓慢迟滞。关于HT-PEMFCs中粘结剂对氧气在其中传质系数的定量研究还未见报道，产生这一问题的主要原因是缺乏有效的可以用来定量表征氧气在粘结剂中传质系数的工具以及分析方法。现有的可以用来定量表征氧气在粘结剂薄膜中扩散系数、溶解度和渗透率的设备是压差法气体透过率测试仪，它通过在薄膜一侧充满一定压力的待测气体，薄膜另一侧为真空，这样气体会在压差梯度的作用下，由高压侧向低压侧渗透，通过对低压侧内压强的监测处理，从而得出氧气在粘结剂薄膜中扩散系数、溶解度和渗透率参数。然而，HT-PEMFCs一般为常压操作，并且在HT-PEMFCs的催化层中，氧气在铂催化剂和粘结剂界面发生电化学反应，导致溶解在粘结剂中的氧气分子向铂催化剂表面扩散，现有压差法气体透过率测试仪无法模拟HT-PEMFCs运行的电化学环境。另外，HT-PEMFCs的运行温度一般在100～200℃，现有的压差法气体透过率测试仪无法实现如此高温下平稳运行。为此，我们设计出了一套可以模拟HT-PEMFCs运行的电化学环境，并且可以在高温低湿或无湿条件下稳定运行，定量表征氧气在粘结剂中传质系数的微电极系统。

发明内容

为了定量探究高温质子交换膜燃料电池阴极催化层中粘结剂对氧气在其中传质系数的影响，本发明提供一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，该系统是一套可以在高温低湿或无湿条件下稳定运行、并可以定量表征氧气在粘结剂中传质系数的微电极测试系统。

本发明采用的技术方案是：

一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，包括电磁屏蔽箱、通断式温度控制器、和置于电磁屏蔽箱内的环境腔，在环境腔内设有耐高温的夹持装置、有效直径为10μm的铂盘微电极、铂片电极、硅胶加热板和温度传感器；夹持装置用于将待测质子交换膜、铂片电极、硅胶加热板依次叠置夹紧，且可将铂盘微电极压紧于待测质子交换膜上并固定，通断式温度控制器连接硅胶加热板，温度传感器用于监测硅胶加热板温度，铂盘微电极作为工作电极、铂片电极作为对电极和参比电极均连接至电化学工作站，环境腔内可持续通入气氛并监测湿度。

上述技术方案中，进一步的，所述的铂盘微电极包括铂丝和毛细玻璃管，铂丝直径为10μm，封于毛细玻璃管内，前端毛细玻璃管与铂丝完全贴合并形成平整的圆盘端面，尾端铂丝通过耐高温导线引出，并通过耐高温胶水固定同时密封毛细玻璃管。

进一步的，所述的夹持装置包括底座、支撑板、第一夹板、第二夹板；硅胶加热板紧贴第二夹板，表面贴一层Kapton胶带后铂片电极贴到胶带上，抛光面朝上，然后待测质子交换膜贴到铂片电极抛光面上，第一夹板上贴上Kapton胶带后压在待测质子交换膜上，通过螺丝将第一夹板、第二夹板紧固并固定到底座上，所述的支撑板和第一夹板上均设有穿孔，支撑板固定于底座上且平行于第一、二夹板，铂盘微电极头部依次穿过支撑板、第一夹板上的穿孔，与待测质子交换膜接触压紧，并通过支撑板上的紧固装置使铂盘微电极的位置固定，温度传感器插置于第二夹板内。

更进一步的，所述的铂盘微电极外侧套设有一石英玻璃管，该石英玻璃管头部收缩成圆锥形直至与铂盘微电极贴合紧实，尾部用耐高温胶水密封；在其外侧另套设有一石英玻璃外管，该石英玻璃外管头部开口使铂盘微电极头部伸出，尾部封闭且内设有一不锈钢弹簧，弹簧与所述的石英玻璃管尾部相抵，铂盘微电极的尾部引线依次从石英玻璃管、石英玻璃外管的尾部穿出。

更进一步的，所述的底座架空固定于环境腔内壁。

一种测试质子交换膜氧气传质系数的方法，采用上述的微电极系统，将铂盘微电极与待测质子交换膜压紧并固定后，放入环境腔中，保持氧气持续通入，然后铂盘微电极接电化学工作站的工作电极，铂片电极接电化学工作站的对电极和参比电极，并用万用表检测确定工作电极和对电极之间没有短路；硅胶加热板接通断式温度控制器，关闭环境腔门，将环境腔放入电磁屏蔽箱中，保持良好接地，在环境腔中持续通入氧气，直至腔内湿度小于5％，继续通入氧气10h，使氧气在膜中充分溶解，开启温度控制器，至温度达到设定值后开始计时，2h后，开启电化学工作站，即可进行电化学测试。

本发明的有益效果是：

对于电化学实验而言，需要满足小A/V比值条件，即小的面积体积比，也就是说工作电极面积足够小，电解质体积足够大，以保证实验中流过电化学体系的电流不改变电解质中电活性物质的本体浓度，从而使得电化学体系在测试过程中保持稳定。相比于溶液电解质，固体聚合物电解质中电活性组分浓度低的多，因此，就要求工作电极的面积足够小。另外，相比于溶液电解质，固体聚合物电解质的电阻R_s要大得多，为了使得电极间的电压降在可接受的范围内，这就要求体系的响应电流足够小，尽管R_s很大，电极间的电压降iR_s也可以很小。因此，本发明中工作电极是一个直径只有10μm的铂圆盘电极，面积只有7.85*10^- ¹¹m²，响应电流在nA级，可以保证电化学体系的稳定。

由于该体系响应电路在nA级，对于铂片电极的极化作用可以忽略不计，使得其电极电位足够稳定，可以同时作为对电极和参比电极。因此，本发明为两电极体系，结构简单，开放性强，可以根据实际测试需求调整改装，可以在室温～300℃，0～100％相对湿度范围内稳定运行；

本发明可以真实模拟HT-PEMFCs催化层中氧气传质扩散的电化学环境，可以在真实的工况条件下得到真实的实验数据；

本发明测试过程简单，无须组装单电池，省时省力，还可以节省大量的电池材料；

本发明可以定量、精准地表征氧气在各类聚合物电解质中的传质系数，包括：扩散系数、溶解度和渗透率等参数，为新型、高性能的粘结剂材料的设计开发提供理论基础，为催化层结构的优化提供定量指导。

附图说明

图1.一种底座结构示意图，单位mm；

图2.一种支撑板结构示意图，单位mm；

图3.一种第一夹板结构示意图，单位mm；

图4.一种第二夹板结构示意图，单位mm；

图5.一种铂盘微电极结构示意图，单位mm；

图6.铂盘微电极在1mM羟基二茂铁甲醇溶液中循环伏安曲线；

图7.一种铂片电极结构示意图，单位mm；

图8.一种控温装置连接示意图，单位：mm；

图9.一种微电极装配示意图；

图10.一种微电极系统结构示意图；

图11.(a)循环伏安曲线；(b)电势阶跃计时电流曲线；(c)取样计时电流曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明技术方案进行进一步说明，下述实例和附图仅为用于解释说明本发明方法和原理的优选实例，并非对本发明的具体限定。

实例：

底座为铝合金材质，长100mm，宽100mm，厚度为10mm，其上开倒置丁字孔，孔位置及孔径大小如图1所示，另外，在底板下表面四角位置各贴有一块长10mm，宽10mm，厚5mm的硅胶垫，用于将底板架空，防止装置运行时温度过高，损伤环境腔。支撑板为铝合金材质，长40mm，宽10mm，高35mm，其底部开两个M5螺纹孔，顶部开一个M3螺纹孔，正面开一个直径为10mm的圆形通孔，具体孔位置如图2所示。夹板1为铝合金材质，长50mm，宽2mm，高50mm，其四角开直径为4.2mm的圆形通孔，中间开边长为10mm的方形通孔，具体孔位置如图3所示。夹板2为铝合金材质，长50mm，宽10mm，高50mm，其四角开直径为4mm的螺纹孔，侧面挖出一直径为4mm，深20mm的洞，用于放置温度传感器，检测温度。

铂盘微电极的制备：

将一根直径为10μm，长度为15mm的铂丝经退火处理后备用；

取一根外径为1mm，内径为0.2mm，长度为100mm的硼酸毛细玻璃管，将其放入一定量硫酸和过氧化氢混合溶液中(体积比3:1)浸泡清洗30min，然后用去离子水彻底清洗，然后将其放入鼓风干燥箱干燥备用；

将退火后的铂丝放置于干燥后的毛细玻璃管中间部位；

将毛细玻璃管一段封住，置于激光拉制仪中央，另一段连接真空泵，通过控制激光拉制仪的参数，先将毛细玻璃管中间部位细化至内径为50μm；

再调整参数使得毛细玻璃管中间部位与内部的铂丝完全贴合；

最后调整参数从中间部位拉断毛细玻璃管，获得两根毛细玻璃管铂电极；

取直径为180微米，长度为100mm的镍铬丝，在尖端蘸取少量导电银漆，然后在显微镜下将此镍铬丝从上述制得的毛细玻璃管铂电极尾部缓慢插入，使得镍铬丝和铂丝在导电银漆作用下连接在一起，然后将它们一起放入鼓风干燥箱中，30min后导电银漆凝固；

然后将毛细玻璃管尾部用耐高温胶水密封固定，以保证无杂质进入毛细玻璃管内，同时将镍铬丝固定，防止由于镍铬丝的扰动造成导电银漆粘合处接触不良；然后依次用800、1000、1500、2000、3000、4000、5000目砂纸将电极头部抛光，直至封在玻璃管中的铂丝被抛出，然后依次用1μm、0.3μm、0.05μm的氧化铝抛光粉在麂皮上进行抛光，得到平整的圆盘端面，获得直径为10微米的铂盘微电极，如图5(a)所示；

为了验证制备得到的铂盘微电极状态正常，我们在一个三电极体系中进行测试，电解质溶液为1mM羟基二茂铁甲醇溶液，工作电极为制备得到的铂盘微电极，对电极为直径1mm铂丝，参比电极为Ag/AgCl电极，进行循环伏安测试的电位范围为0～0.45V vs.Ag/AgCl，扫速20mV/s，整套三电极体系需要放置在电磁屏蔽箱中，并保证电磁屏蔽箱的良好接地，扫描得到的循环伏安曲线如图6所示，为平滑的S型曲线，表明电极的表面光滑平整，并且电极与周围玻璃之间密封紧实，没有缺陷；

然后将制得的铂盘微电极封装在如图5(b)所示的石英玻璃管中，该石英玻璃管长50mm，外径6.7mm，内径4.7mm，头部在高温下加热收缩成圆锥形直至与硼酸毛细玻璃管贴合紧实，尾部用耐高温胶水密封；

然后取如图5(c)所示的石英玻璃管，该石英玻璃管长50mm，外径9.8mm，内径7mm，头部开口，尾部密封后开一直径为1mm的圆形通孔，在该玻璃管中放入一长度为20mm，外径为5mm，线径为0.5mm的不锈钢弹簧，将图5(b)所示电极按照如图5(c)所示放入该石英玻璃管中组装成完整的铂盘微电极，该铂盘微电极充当工作电极；

铂片电极：

铂片电极形状如图7所示，厚度为0.5mm，依次用1500、2000、3000、4000、5000目砂纸将其一面抛光，然后依次用1μm、0.3μm、0.05μm的氧化铝抛光粉在麂皮上进行单面抛光，该铂片电极充当对电极和参比电极。

硅胶加热板：

硅胶加热板为长80mm，宽50mm，厚度为2mm，四角开圆形定位孔，并与温度传感器和通断式温度控制器配合使用，如图8所示；

该微电极测试系统是一种两电极体系，工作电极为铂盘微电极，对电极和参比电极均为铂片电极，固体电解质膜为电解质，该系统可用于定量表征测试氧气在各类固体聚合物电解质中的扩散系数，溶解度和渗透率等参数。接下来以聚醚砜(PES)-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混高温质子交换膜为例，并结合附图，详细讲述该微电极测试系统的使用操作步骤和注意事项等。

实验前，将如图5(c)和如图7所示的铂盘微电极和铂片电极分别用0.05μm的氧化铝抛光粉在麂皮上画“8”字形进行抛光，然后用超纯水冲洗3次，然后用超纯水在超声清洗机中清洗1次，将清洗后的铂盘微电极和铂片电极放入鼓风干燥箱，设置温度50℃，干燥备用；

制备PVP质量分数为60％的PES-PVP共混膜，将其剪裁成20*20mm尺寸大小，然后放置于洁净的烧杯中，向烧杯中加入30mL质量分数为85wt％的浓磷酸，用保鲜膜密封烧杯口，室温下浸泡12h(由于该类型膜在实际应用过程中，需磷酸处理，为了模拟该膜的实际应用工况，在微电极系统测试前也需要将其进行磷酸处理，其他类型高温质子交换膜可根据实际情况进行预处理)；

然后取出磷酸处理后的PES-PVP膜，迅速用擦镜纸擦除膜表面多于的磷酸，放入干燥器中备用(由于该类型膜经磷酸处理后易吸水，所以需要及时放入干燥器，其他类型不吸湿膜可以在空气中存放备用)；

打开如图10所示氧气钢瓶，向环境腔中通入高纯氧，调整气体流量为300mL/min，目的是除去环境腔中的水蒸汽；

取夹板2平放在试验台上，然后将硅胶加热板平铺在夹板2上，保证四角的定位孔对齐，在硅胶加热板上表面贴一层Kapton胶带，防止硅胶加热板被膜腐蚀；取洁净干燥的铂片电极，放置于硅胶加热板中间位置，抛光面朝上；

取夹板1，并在夹板1的一面贴上一层Kapton胶带，避开四角的定位孔和中间的方孔，Kapton胶一方面起到绝缘作用，另一方面起到隔离膜和夹板1，防止夹板1被腐蚀；

用镊子从干燥器中夹取磷酸处理后的PES-PVP膜，迅速平贴在铂片电极的抛光面中间位置，注意不要有气泡；

然后迅速将夹板1压在膜上，注意使贴有Kapton胶带的一面与膜接触，然后用四颗M4螺丝将夹板1、膜、铂片电极、硅胶加热板、夹板2紧紧地固定在一起，然后将此组合体用两颗M5螺丝固定到底座上，如图9所示；

然后将支撑板用两颗M5螺丝固定大底座上，如图9所示；

然后将如图5(c)所示的铂微盘电极插入支撑板上圆形通孔中，如图9所示，并缓慢的将铂盘微电极推向夹板1使铂盘微电极顶端与膜接触，为了保证良好的接触，继续推入，直至铂盘微电极中的弹簧完全压缩，然后将支撑板顶部的固定螺丝旋紧，使铂盘微电极的位置固定；

然后将如图9所示的装置放入如图10所示的环境腔中，保持氧气持续通入，然后铂盘微电极接电化学工作站(Autolab PGSTAT204)的工作电极，铂片电极接电化学工作站的对电极和参比电极，并用万用表检测确定工作电极和对电极之间没有短路；

硅胶加热板接通断式温度控制器，将温度传感器塞入如图4所示的夹板2侧面的圆孔中，并在环境腔中放置湿度计，关闭环境腔门，保持氧气持续通入；

然后将环境腔放入如图10所示的电磁屏蔽箱中，保持良好接地，因为此微电极测试系统的工作电极直径只有10μm，因此该系统的相应电流在nA级别，极易受到周围实验设备的干扰，为了得到高质量、高稳定性的实验数据，需要将整套测试系统放入电磁屏蔽箱中；

在环境腔中持续通入氧气，直至湿度计显示腔内湿度小于5％，继续通入氧气10h，使氧气在膜中充分溶解；

10h后，开启温度控制器，设定温度为180℃，达到设定值后开始计时；

2h后，开启Autolab电化学工作站，进行循环伏安测试，设定扫描的电位范围为-0.7～0.7V vs.Pt，扫速100mV/s(不同膜样品会引起参比电极的电极电位变化，在用不同膜样品进行测试时，电位范围不同)，重复扫描直至数据达到稳定，得到如图11(a)所示的循环伏安曲线，从图中可以判断出氧气还原反应的起始电位为0.4V vs.Pt；

然后进行电势阶跃计时电流测试，测试程序设定为：首先给工作电极施加一个初始电位V_i＝0.45V vs.Pt，持续10s，在此电位下铂盘微电极表面无电化学反应发生，然后将工作电极的电极电位阶跃到末电位V_f＝0.2V vs.Pt，持续5s，并记录计时电流数据(I-t曲线)，在此电位下，溶解在PES-PVP膜中的氧气分子将在铂盘微电极表面发生还原反应；

然后进行循环伏安测试，设定扫描的电位范围为-0.7～0.7V vs.Pt，扫速100mV/s，扫描5圈；

然后，保持初始电位V_i＝0.45V vs.Pt不变，调整末电位V_f＝0.175V vs.Pt，重复上一步的实验，得到新的I-t曲线；

然后，保持初始电位V_i＝0.45V vs.Pt不变，继续调整末电位V_f，重复以上实验步骤，末电位调整的步长为-25mV，直至析氢反应发生，得到多条I-t曲线，如图11(b)所示，注意：每次进行电势阶跃计时电流测试前，均需要进行5圈循环伏安测试，以保证每次实验时铂盘微电极表面状态一致；

根据图11(b)采用取样计时电流法得到图11(c)，取样时间为1400ms；

由图11(c)可以看出，末电位从0.2V到-0.1V，氧还原反应过电位逐渐增大，氧还原反应动力学加快，产生的响应电流也逐渐增大，此时电流大小主要由动力学因素决定；末电位从-0.1V到-0.4V，氧还原反应过电位继续增大，此时产生的响应电流不再变化，这是因为氧还原反应过电位足够大，氧还原反应动力学足够快，此时响应电流的大小由氧气在膜中扩散的速率决定；

根据图11(c)，从图11(b)中选取扩散控制区的计时电流曲线(I-t曲线)，将其转化为I-t^-0.5的形式，然后根据Cottrell方程进行线性拟合，Cottrell方程如下：

其中，I为响应电流(A)，n为氧还原反应过程中转移电子数(n＝4)，F为法拉第常数(96485C/mol)，A为铂盘微电极电化学活性表面积，D_O2为氧气在膜中的扩散系数(cm²/s)，c_O2为氧气在膜中的溶解度(mol/cm³)，t为响应时间(s)，r为铂盘微电极的有效半径。在短时间区，I-t^-0.5曲线呈线性变化，用于拟合的实验数据选择的判据为0.5＜τ＜1，其中τ＝4D_O2t/r²，τ为无量纲参数。这里令方程(1)的斜率为m，截距为b，则可得D_O2和c_O2分别为：

这里通过电化学实验和线性拟合计算，求得了氧气在PES-PVP膜中的扩散系数D_O2和溶解度c_O2，氧气在膜中的渗透率为扩散系数和溶解度的乘积D_O2*c_O2(mol/(cm*s))，实验结果如表1所示。

表1.氧气在PES-PVP膜中的扩散系数、溶解度和渗透率参数

氧气传质系数	扩散系数(cm<sup>2</sup>/s)	溶解度(mol/cm<sup>3</sup>)	渗透率(mol/(cm*s))
				值	1.412*10<sup>-6</sup>	0.755*10<sup>-6</sup>	1.066*10<sup>-12</sup>

Claims

1.一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，其特征在于，包括电磁屏蔽箱、通断式温度控制器、和置于电磁屏蔽箱内的环境腔，在环境腔内设有耐高温的夹持装置、有效直径为10μm的铂盘微电极、铂片电极、硅胶加热板和温度传感器；夹持装置用于将待测质子交换膜、铂片电极、硅胶加热板依次叠置夹紧，且可将铂盘微电极压紧于待测质子交换膜上并固定，通断式温度控制器连接硅胶加热板，温度传感器用于监测硅胶加热板温度，铂盘微电极作为工作电极、铂片电极作为对电极和参比电极均连接至电化学工作站，环境腔内可持续通入气氛并监测湿度。

2.根据权利要求1所述的测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，其特征在于，所述的铂盘微电极包括铂丝和毛细玻璃管，铂丝直径为10μm，封于毛细玻璃管内，前端毛细玻璃管与铂丝完全贴合并形成平整的圆盘端面，尾端铂丝通过耐高温导线引出，并通过耐高温胶水固定同时密封毛细玻璃管。

3.根据权利要求1所述的测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，其特征在于，所述的夹持装置包括底座、支撑板、第一夹板、第二夹板；硅胶加热板紧贴第二夹板，表面贴一层Kapton胶带后铂片电极贴到胶带上，抛光面朝上，然后待测质子交换膜贴到铂片电极抛光面上，第一夹板上贴上Kapton胶带后压在待测质子交换膜上，通过螺丝将第一夹板、第二夹板紧固并固定到底座上，所述的支撑板和第一夹板上均设有穿孔，支撑板固定于底座上且平行于第一、二夹板，铂盘微电极头部依次穿过支撑板、第一夹板上的穿孔，与待测质子交换膜接触压紧，并通过支撑板上的紧固装置使铂盘微电极的位置固定，温度传感器插置于第二夹板内。

4.根据权利要求3所述的测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，其特征在于，所述的铂盘微电极外侧套设有一石英玻璃管，该石英玻璃管头部收缩成圆锥形直至与铂盘微电极贴合紧实，尾部用耐高温胶水密封；在其外侧另套设有一石英玻璃外管，该石英玻璃外管头部开口使铂盘微电极头部伸出，尾部封闭且内设有一不锈钢弹簧，弹簧与所述的石英玻璃管尾部相抵，铂盘微电极的尾部引线依次从石英玻璃管、石英玻璃外管的尾部穿出。

5.根据权利要求3所述的测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统，其特征在于，所述的底座架空固定于环境腔内壁。

6.一种测试质子交换膜氧气传质系数的方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的微电极系统，将铂盘微电极与待测质子交换膜压紧并固定后，放入环境腔中，保持氧气持续通入，然后铂盘微电极接电化学工作站的工作电极，铂片电极接电化学工作站的对电极和参比电极，并用万用表检测确定工作电极和对电极之间没有短路；硅胶加热板接通断式温度控制器，关闭环境腔门，将环境腔放入电磁屏蔽箱中，保持良好接地，在环境腔中持续通入氧气，直至腔内湿度小于5％，继续通入氧气10h，使氧气在膜中充分溶解，开启温度控制器，至温度达到设定值后开始计时，2h后，开启电化学工作站，即可进行电化学测试。