CN103728472A

CN103728472A - 用于质子交换膜质子电导率的测量夹具

Info

Publication number: CN103728472A
Application number: CN201310471671.1A
Authority: CN
Inventors: 于非
Original assignee: QINGYUAN JINSHENG ZR & TI RESOURCES Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: QINGYUAN JINSHENG ZR & TI RESOURCES Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，包括上电极、下电极、套筒、上极耳和下极耳；套筒为圆筒形，底部密封，上电极为带有凸起的柱形结构，凸起为圆柱形，位于柱形结构的下部中心，凸起的下表面镀铂，为下电极镀铂测试面，上电极位于套筒内，与套筒活动连接；下电极为圆柱形结构，下电极的上表面镀铂，为上电极镀铂测试面，下电极设置在套筒底部中心上，上电极的上端和下电极的下端分别设有上极耳和下极耳；上电极、下电极与套筒为同轴结构。本发明可使每次测量时质子交换膜表面承受的压力保持稳定，排除了因人为因素而导致的测量数据不稳定的情况，保证了测量的相对精确度。

Description

用于质子交换膜质子电导率的测量夹具

技术领域

本发明涉及一种电导率的测量夹具，特别是涉及一种用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，是一种采用交流阻抗法测试质子交换膜质子电导率的测量夹具。

技术背景

质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用质子交换膜(PEM)做电解质,其性能直接影响PEMFC的电池性能、能量效率和使用寿命。而质子交换膜的质子导电性能是衡量质子交换膜(PEM)性能的一个重要指标。

测量技术的发展大致可以分为3种，包括直流扫描法、交流阻抗法和同轴探针法。其中两电极交流阻抗法由于所需设备简单，操作简单,测量快捷，而且测量的是质子交换膜的横向电阻，虽在低频段由于界面阻抗的影响，其测得的膜电阻的绝对精度较差，但基本可满足研究需要，为众多研究者所采用。

采用两电极交流阻抗法测试质子交换膜的质子传导率有两种方法，一种方法的主要特点是将铂电极浸入水银中,用水银槽来实现电极与膜的接触。但该方法不易操作，使用的水银也有害于健康。

另一种测试方法为将待测膜样品用上、下电极夹紧，上、下电极分别连接电化学工作站的测试端子，采用交流阻抗法进行测量，频率1～10⁶Hz，扰动电压10mV。质子交换膜的质子传导率可通过下式进行计算：

σ = \frac{l}{AR}

式中，l为膜厚（cm），R为膜的电阻（Ω），A为膜的有效面积（cm²），σ为膜的质子传导率（S/cm）。膜的有效面积A实际上就是电极表面的面积。膜厚l采用螺旋测微仪（精度为0.01mm）进行测量。电阻R值由电化学工作站测得的交流阻抗奈奎斯特（Nyquist）图得到。在交流阻抗奈奎斯特（Nyquist）图中，阻抗Z=Z′+jZ″，Z′（横轴）为实部阻抗，Z″（纵轴）为虚部阻抗。由于在高频范围内消除了界面电容的影响，质子交换膜的阻抗值基本呈线性，该直线与Z′轴的交点所对应的数值即为质子交换膜的电阻值。该方法的主要问题在于由螺栓结构来固定上、下电极，使其对正，并根据测试人本身力量大小、熟练程度来确定待测膜的所受压力，随意性较大，测试结果受人为影响较多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，测量结果准确的用于质子交换膜质子电导率的测量夹具。

本发明目的通过如下技术方案实现：

用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于包括上电极、下电极、套筒、上极耳和下极耳；套筒为圆筒形，底部密封，上电极为带有凸起的柱形结构，凸起为圆柱形，位于柱形结构的下部中心，凸起的下表面镀铂，为下电极镀铂测试面，上电极位于套筒内，与套筒活动连接；下电极为圆柱形结构，下电极的上表面镀铂，为上电极镀铂测试面，下电极设置在套筒底部中心上，上电极的上端和下电极的下端分别设有上极耳和下极耳；上电极、下电极与套筒为同轴结构。

优选地，位于下电极与上电极凸起处外侧的套筒上开设有观察窗。所述下电极与套筒的底部固接。所述上电极和下电极均为不锈钢材质制备。所述套筒为工程塑料制备。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1）测试时待测膜所承受的压力恒定，即上电极的自身所受重力。并可根据需要在电极上面添加砝码，增加待测膜所受压力。

2）上、下电极与套筒为同轴结构，上、下电极相对位置稳定，不必依赖人为操作对齐，可减少人为误差。

附图说明

图1本发明用于质子交换膜质子电导率的测量夹具的正视图。

图2本图1的俯视图。

图3本图1的左视图。

图中示出：1-上电极，2-下电极，3-套筒，4-上极耳，5-下极耳，6-观察窗，7-下电极镀铂测试面，8-上电极镀铂测试面。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。

如图1、2、3所示，用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，包括上电极1、下电极2、套筒3、上极耳4和下极耳5；套筒3为圆筒形，底部密封，上电极1为带有凸起的柱形结构，凸起为圆柱形，位于柱形结构的下部中心，凸起的下表面镀铂，为下电极镀铂测试面7，上电极1位于套筒3内，与套筒3活动连接；下电极2为圆柱形结构，下电极2的上表面镀铂，为上电极镀铂测试面8，下电极2设置在套筒3底部中心上，优选地，下电极2与套筒3的底部固接；上电极1的上端和下电极2的下端分别设有上极耳4和下极耳5。下电极2与上电极1凸起之间用于放置待测试的质子交换膜；位于下电极2与上电极1凸起处外侧的套筒3开设有观察窗6。上电极1、下电极2与套筒3为同轴结构。

上电极1和下电极2均为不锈钢材质，上电极1和下电极2的测试接触面镀铂，以减少界面电阻。套筒3为工程塑料制备。

下电极2及套筒3固定在一起，上电极1可沿套筒内壁滑动，上电极1依靠自身重力对测试样产生压力，夹紧待测的质子交换膜，上电极1的上表面还可以放置砝码，以增加测试压力。套筒3为工程塑料制备，一方面隔开上电极1和下电极2，使其绝缘；另一方面可以保证上电极1和下电极2测试表面位置平行并相对固定，套筒3侧面开有观察窗6，用于放置、观察试样。上极耳4和下极耳5用于连接测试仪器。配合千分尺，可以同时记录试样厚度。

将夹具竖直放好，取待测试样剪成1.5cm×1.5cm面积小块待测试样，水平放置于电极1和下电极2的测试面间，将上电极沿套筒内壁缓慢放下，依其自身重量压在待测试样的上表面，放妥后，将电化学工作站的测试端子连接到上极耳4和下极耳5上，采用交流阻抗法进行测量，频率1～10⁶Hz，扰动电压10mV，膜厚通过千分尺测量，通过公式

计算可得质子交换膜的质子传导率。式中，l为待测质子交换膜的膜厚（cm），R为膜的电阻（Ω），A为膜的有效面积（cm²），σ为待测质子交换膜的质子传导率（S/cm）。膜的有效面积A实际上就是下电极上表面的面积。测质子交换膜的膜厚l采用螺旋测微仪（精度为0.01mm）进行测量。电阻R值由电化学工作站测得的交流阻抗奈奎斯特（Nyquist）图得到。

在交流阻抗奈奎斯特（Nyquist）的图中，阻抗Z=Z′+jZ″，Z′（横轴）为实部阻抗，Z″（纵轴）为虚部阻抗。由于在高频范围内消除了界面电容的影响，质子交换膜的阻抗值基本呈线性，该直线与Z′轴的交点所对应的数值即为质子交换膜的电阻值。

本发明，测试时待测膜所承受的压力恒定，即上电极的自身所受重力。并可根据需要在电极上面添加砝码，增加待测膜所受压力。上电极1、下电极2与套筒3为同轴结构，上电极1、下电极2相对位置稳定，不必依赖人为操作对齐，可减少人为误差。上电极可沿套筒内壁滑动，依靠重力作用夹紧待测的质子交换膜。通过用于质子交换膜质子电导率的测量夹具可使每次测量时膜表面承受的压力保持稳定，排除了因人为因素而导致的测量数据不稳定的情况，保证了测量的相对精确度。

Claims

1.用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于：包括上电极、下电极、套筒、上极耳和下极耳；套筒为圆筒形，底部密封，上电极为带有凸起的柱形结构，凸起为圆柱形，位于柱形结构的下部中心，凸起的下表面镀铂，为下电极镀铂测试面，上电极位于套筒内，与套筒活动连接；下电极为圆柱形结构，下电极的上表面镀铂，为上电极镀铂测试面，下电极设置在套筒底部中心上，上电极的上端和下电极的下端分别设有上极耳和下极耳；上电极、下电极与套筒为同轴结构。

2.根据权利要求1所述的用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于：位于下电极与上电极凸起处外侧的套筒上开设有观察窗。

3.根据权利要求1所述的用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于：所述下电极与套筒的底部固接。

4.根据权利要求1所述的用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于：所述上电极和下电极均为不锈钢材质制备。

5.根据权利要求1所述的用于质子交换膜质子电导率的测量夹具，其特征在于：所述套筒为工程塑料制备。