[發明專利]利用氫泵原理測量質子交換膜法向電導率的裝置及其方法

在審

• 申請號: 202010174872.5
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111487303A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 盧國瑋;鄒業成;張永明
• 申請（專利權）人: 山東東岳未來氫能材料有限公司
• 主分類號: G01N27/333
• 分類號: G01N27/333;G01N27/04;G01R27/08
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 耿霞

本發明公開了一種利用氫泵原理測量質子交換膜法向電導率的裝置及其方法，屬于聚合物薄膜電導率測試領域。氫氣溫濕度控制裝置通過管路與雙極板裝置連接，所述模壓力控制裝置為雙極板裝置提供夾具且進行壓合力控制，并在雙極板裝置兩側施加外部電場形成氫泵；所述電化學工作站通過導線與雙極板裝置連接。本發明避免了在質子交換膜內產生極化電勢，進而準確測量質子交換膜電導率。通過對質子傳導膜在不同氫氣水含量下的電導率比較，能相對方便地建立膜法向電導率標準數據庫，為質子傳導膜的深入研究提供基礎數據。

技術領域

本發明屬于聚合物薄膜電導率測試領域，具體涉及利用氫泵原理測量質子交換膜法相電導率的裝置及其方法。

背景技術

質子交換膜傳導質子的能力主要通過電導率和和質子遷移數兩方面來衡量。電導率反映了體系中全部離子的遷移率，是聚合物電解質導電能力的體現；而遷移數則反映了有關的離子(如H⁺、Na⁺、OH^-等)的離子遷移率。在質子交換膜兩側為氫氣和水蒸氣的環境中，遷移數僅為H⁺，電導率將會反映了體系中H⁺的遷移率。

質子交換膜電導率的測量曾采用直流掃描法、交流阻抗譜法、同軸探針法。公開號為CN105203849A的專利公開了一種測定薄膜材料膜厚方向電阻率的方法及裝置，在薄膜兩側貼合導電金屬薄膜與設有導電孔的絕緣層，通過導電孔在薄膜兩端施加直流電，通過電壓與電流計算得出薄膜的電阻值，但該方法無法適用于質子交換膜法向電導率的測量，即如果在質子交換膜的兩端施加電場，其內部的質子會向陰極移動，但其內部的陰離子則固定在質子交換膜的高分子鏈上(不能移動)，因此在質子交換膜的內部形成反向電勢(極化電勢)影響電壓值的讀取。公開號為ZL201310008250.5的專利公開了一種質子交換膜電導率表征裝置,采用交流阻抗法對質子交換膜的電導率進行快速測量,但是該方法存在著較大的誤差，在測高頻段,電極、線路和儀器的干擾十分嚴重；在低頻段,會產生與直流電一樣的極化等誤差，這些因素都必然會帶來誤差。羅志平等在文獻中提出可以使用同軸探針法對質子交換膜大法向電導率進行測量，但是同軸探頭表面有一定的粗糙度，會使電磁波產生彌散現象和隙漏，使電場能在膜外區域的損耗使反射信號減弱，導致實際值與測量值也有很大偏差。此外，交流阻抗譜和同軸探針法為有源高頻阻抗測量法，施加交流電壓的測試方法不符合質子傳導膜實際直流工況下的導電機理。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種利用氫泵原理測量質子交換膜法向電導率的裝置及其方法，能夠有效解決現有技術中存在的問題。

本發明采用如下技術方案：一種利用氫泵原理測量質子交換膜法向電導率的裝置，包括氫氣溫濕度控制裝置、雙極板裝置、模壓力控制裝置、電化學工作站；所述氫氣溫濕度控制裝置通過管路與雙極板裝置連接，所述模壓力控制裝置為雙極板裝置提供夾具且進行壓合力控制，并在雙極板裝置兩側施加外部電場形成氫泵；所述電化學工作站通過導線與雙極板裝置中的陰極板和陽極板連接。

優選的，所述氫氣溫濕度控制裝置包括與氫氣源連通的溫濕度發生器，所述溫濕度發生器通過氫氣單向閥與流量控制器連接，所述流量控制器通過氫氣管路與雙極板裝置連接，所述流量控制器控制流量范圍為0-10SLPM；所述流量控制器用于控制供給側氫氣的流量。

優選的，所述雙極板裝置包括依次排列的陽極板、陽極氣體擴散層電極、質子傳導膜、陰極氣體擴散層電極、陰極板；所述陽極板和陰極板背面均設有加熱棒及其插孔，所述陽極板和陰極板正面設有溫度傳感器及其檢測孔，所述陽極板和陰極板寬面正中間開設有蛇形氣體流道，陽極板側氣體流道進口端與陰極板側氣體流道進口端相互連通且通過氫氣三通閥a與所述氫氣管路相連通；陽極板側氣體流道出口端與陰極板側氣體流道出口端相互連通且通過氫氣三通閥b與排氣管路相連通；所述排氣管路上設有背壓閥；所述溫度傳感器及其檢測孔與所述氣體流道相鄰，所述加熱棒和溫度傳感器的控溫區間為0-100℃；所述陰極板、陽極板上各開有圓形套嵌式密封凹槽，所述密封凹槽內設有使其緊密壓合的密封圈。