CN1392408A - 一种离子交换膜电导率的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种离子交换膜电导率的测定方法和装置，采用四电极系统，将待测膜两端分别置于两个盛有电解质的电解池中，构成一串联电路，电流源通过电解质给膜提供电流，电压跟随电路测取膜中间某两点间的电压，由函数记录仪记录下电压和电流，由欧姆定律求得电导率。本发明的优点在于排除了许多影响测量结果的因素，减小了误差。提高了测量的可靠性。并且仪器简单，易于实现。

Description

一种离子交换膜电导率的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池中离子交换膜电导率的测定。

背景技术

燃料电池被认定为是21世纪首选洁净、高效的发电技术，燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府与大公司的重视

离子交换膜是燃料电池的关键部件，它的性能直接影响电池的质量。只有对离子交换膜的电导率进行准确测量，才能客观地评价其膜的性能，才能为深入研究其导电的物理一化学过程提供必要的科学依据。

离子交换膜不同于导体和一般电解质，它是一种固体电解质。在电场中，导体是靠电子移动而导电，电解质里有正负离子相向移动而导电，而质子交换膜可以认为负离子不移动，只有质子的移动而导电。因此在研究和测量其导电性能时，就不能简单地套用对导体和电解质的研究测量方法，必须充分考虑电路和电极是导体，它们是靠电子移动而行成电流，而膜是靠质子移动而行成电流，在电极与膜相接触处是两种不同的导电方式，其界面既有电化学反应产生，又有电荷堆积，会产生一定的附加电压，如果不排除这电压的影响，会给测量带来严重误差，甚至错误。

早在20世纪60年代美国通用电气公司研制出以离子交换膜为隔膜的质子交换膜的燃料电池。而对离子交换膜的电导率测定也就相应展开，陆续有了不少关于离子交换膜的导电性能的研究报导。如：《Electropolymer Studies，II》1968年12期，115卷，1264-1270页，对“聚苯乙烯磺酸交换膜电导率的研究”。其方法是用直流断电法，主要是记录膜的放电伏安曲线，采用这种方法会产生误差，产生误差的主要原因有直流电的极化、膜内离子的迁移引起离子浓度的变化以及放电伏安曲线的时间响应等，该方法测量比较粗糙。又如：《The Journal of Physical Chemistry》1994年第11期98卷2936-2940页，报导了“聚酰亚胺离子传导的交流阻抗研究”，其方法是给膜加上各种频率的交流电，绘出阻抗复平面图，从图中半圆与实轴的交点来求得电阻，再计算电导率，用该方法测量电导率，产生误差的主要原因有：低频电直流极化和膜内离子的迁移引起离子浓度的变化，高频时电路模型过于简化，电极电路的影响严重。再如《Journal of Electroanaly Chemistry》1995年395卷67-73页，报导了“用同轴探头开口端测量膜的电导率”，其方法是用同轴探头开口端压紧膜，利用膜对微波的发射差异来分析计算膜的电导率，该方法产生误差的主要原因有：探头与膜接触的松紧引起膜厚度的变化，微波通过膜的隙漏与穿透等。

发明内容

本发明的目的在于针对上述测量方法中出现的极化以及膜内离子浓度的减小所引起测量的不足等，而提供一种简单准确的测量方法和装置，消除这些因素的影响，减少系统误差与偶然误差，提高测量精度，并能准确测出离子交换膜的电导率。该系统具有仪器简单、操作方便，准确测量离子交换膜导电性能。

由于电极与膜是不同的材料，其导电机理不一样，膜在测量过程中，由于电场的作用，膜内的离子不断迁移，离子迁移到电极表面与电极发生反应或堆积在电极表面，随着时间的推移，离子迁移走的数量越来越多，膜内离子的数量也就越来越少，膜内离子浓度的变化，将引起电导率的变化，势必会产生较大误差。

本发明采用四电极系统，其目的是使测量电极与工作电极分开，减小测量电极上的电流，从而减小测量电极上的极化，使得测量更加精确。

本发明具体的测量方法是：将离子交换膜两端置于两电解池中，使电解质与离子交换膜组成一串联电路，在电场的作用下，让电流源通过电解液给膜提供电流，这样电解质中的离子会进入到离子交换膜内，补充离子交换膜内离子的流失，使膜内离子深度不会迅速缩小，稳定膜内离子的。在测量膜上某两点电压时采用电压补偿方法，通过电压补偿，可使得测量电极上电流为零，达到彻底消除测量电极上的极化电压的影响，补偿电路由电压源、电压跟随器、电压比较器和示波器组成，调解电压源的输出电压，使随时间缓慢增加，同时由示波器记录下比较器点的电压波形，当示波器上电压波形发生相反时，此时因为电压补偿，测量电极上没有电流流过，巧妙地避开了极化电压的影响，从而达到电压补偿的目的，采用补偿方法测量膜的电压、电流(由函数记录仪记录下电压和电流，由欧姆定律求得电导率)。

本发明通过把膜的两端置于盛有电解液的电解池内，让电流源通过电解液给膜提供电流。这样可使电解液中的离子进入到膜内，以致于膜内离子浓度能得到一定的补充，使得膜内离子浓度不会迅速减小，巧妙地克服了膜内离子浓度的变化而引起的误差。

本发明装置，在电流源1的两端连接加流电极5、并分别放在电解池3中、电解池3固定在绝缘支架2上待测离子交换膜4分别平放在支架2的两端并置于电解池3中，使电解液与待测膜构成一串联电路，电压跟随器7、比较器8、电压源9、示波器10构成一补偿电路。

附图说明

图1：本发明测量装置的结构示意图。

电流源1、绝缘支架2、电解池3、待测离子交换膜4、加流电极5、测量电极6、电压跟随器7、电压比较器8、电压源9、示波器10。

具体实施方式

本发明将通过具体实例和附图进一步加以说明。

本发明的测量方法是：裁一条宽度为D，厚度为d，一定长度的离子交换膜4，平放在支架2上，其两端置于两电解池3中，使电极5通过电解池与待测膜构成一串联电路3。电流源1通过电池和膜4提供适当的电流I，将测量电极6压在相距1的待测膜4上，经过电压跟随器，比较器8与电压源9示波器10构成一电压补偿电路。调整电压源9的电压使其电压缓慢地增加，同时由示波器10记录下比较器点i的电压波形，当示波器10上电压波形发生反相时，记下电压9的电压U，由欧姆定律得电阻为 $R=\frac{U}{L}$ 膜的电导率 $\mathrm{\σ}=\frac{L}{R\·S}=\frac{I\·L}{U\·d\·D}$

以美国杜邦公司生产的质子交换膜Nafion117的电导率测量为例，该膜厚度为0.183mm，其具体测量方法为：

裁剪一条宽度为10mm，长约为10cm的膜，平放在支架2上。将膜的两端置于有1M浓度的硫酸溶液的电解池3中，测量电极6压在相距为5cm的膜表面。调整电流大小，从函数示波器测得膜4，电极6间的电压为3.1伏，膜4中电流为1.0毫安。

由式得电导率 $\mathrm{\σ}=\frac{1.0\×5\×{10}^{-3}}{3.1\×0.0183\×1.0}=0.088(S\·{\mathrm{cm}}^{-1})$

Claims (2)

1.一种离子交换膜电导率的测量方法，其特征在于采用四极测量系统，将工作电极和测量电极分开，首先将离子交换膜(4)的两端置于两电解池(3)中，使电极(5)通过电解质(3)与离子交换膜(4)构成一串联电路，在电场作用下，电解质(3)中的离子会进入离子交换膜(4)内，以补充离子交换膜内离子的流失，稳定膜内离子浓度，通过电压补偿，可以使测量电极(6)的电流为零，达到彻底消除测量电极上极化电压的影响，补偿电路由电压源(9)、电压跟随器(7)、电压比较器(8)和示波器(10)构成，缓慢调节电压源的输出电压，随时间缓慢增加，从示波器观察比较器输出电压，当示波器的电压波形发生反相时，表明测量电极上无电流，从而达到电压补偿的目的，采用补偿方法测量膜的电压、电流，由欧姆定律求出电导率。

2.一种离子交换膜电导率的测量装置，其特征在于采用四电极测量，在电流源(1)的两端连接加流电极(5)、并分别放在电解池(3)中、电解池(3)固定在绝缘支架(2)上，待测离子交换膜(4)平放在支架(2)的上面，两端并置于电解池(3)中，使电解液与待测膜构成一串联电路，电压跟随器(7)、比较器(8)、电压源(9)、示波器(10)构成一补偿电路。