阅读说明：本技术 一种测试质子交换膜质子电导率的装置和方法 (Device and method for testing proton conductivity of proton exchange membrane ) 是由 尹崇山 何春清 刘其城 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测试质子交换膜质子电导率的装置和方法,包括：夹具、铂片电极、质子交换膜、电化学工作站、温度计、加热台和氮气湿度控制装置；质子交换膜放置在夹具当中,夹具上固定两片铂片电极。质子交换膜两端分别放置在一片铂片电极上,铂片电极接在电化学工作站上,用以测量质子交换膜包括质子电导率在内的电化学性能。氮气湿度控制装置将调解好湿度的氮气输送至夹具内。本发明的优点是：1.同时设定被测薄膜周围的调节温度和湿度,方便测量。2.可测在不同温度湿度条件下的电化学性能。3.可设定的湿度范围大,且调节响应快。4.可设定的温度范围大,只要低于腔室材料的最高耐热温度即可。5.结构简单,不需要额外的设备,成本低,维护简单。(The invention discloses a device and a method for testing proton conductivity of a proton exchange membrane, comprising the following steps: the device comprises a clamp, a platinum sheet electrode, a proton exchange membrane, an electrochemical workstation, a thermometer, a heating table and a nitrogen humidity control device; the proton exchange membrane is placed in a clamp, and two platinum sheet electrodes are fixed on the clamp. Two ends of the proton exchange membrane are respectively arranged on a platinum sheet electrode which is connected on an electrochemical workstation and used for measuring the electrochemical performance of the proton exchange membrane including proton conductivity. And the nitrogen humidity control device conveys the humidity-adjusted nitrogen into the clamp. The invention has the advantages that: 1. meanwhile, the temperature and humidity around the film to be measured are set, so that the measurement is convenient. 2. The electrochemical performance under different temperature and humidity conditions can be measured. 3. The settable humidity range is large, and the adjustment response is fast. 4. The settable temperature range is large as long as it is lower than the maximum heat-resistant temperature of the chamber material. 5. The structure is simple, no extra equipment is needed, the cost is low, and the maintenance is simple.)

一种测试质子交换膜质子电导率的装置和方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜电导率测试技术领域，特别涉及一种测试质子交换膜在不同湿度和温度条件下质子电导率的装置和方法。

背景技术

燃料电池作为如今备受关注的清洁能源之一，是一种直接将化学电源转化成电能的装置，也被认为是21世纪首选的洁净发电技术之一。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键组成部分,在电池中负责阻隔氧化剂气体和燃料气体直接接触，并实现质子交换。构成质子交换膜的基质材料很大程度决定了质子交换膜的整体服役性能。为了提升燃料电池的实用性，燃料电池中的质子交换膜要向高性能、高寿命、低成本的方向发展，新型质子交换膜的开发也一直是国际上热门的研究方向。

质子交换膜较重要的性能主要包括质子电导率、气体和水分子阻隔率、物理化学稳定性和机械强度等。其中，质子电导率是其核心性能。然而，质子交换膜的质子电导率并不稳定，其受外界环境的影响，对外界温度、湿度条件的变化非常敏感。因此，质子交换膜在不同温度、湿度条件下的质子电导率测试极其重要。质子电导率可以通过电化学工作站的交流阻抗模式测试。电化学交流阻抗的测试原理为通过对材料施加一个微扰电压(低强度正弦波)。因为微扰电压的施加，材料会产生一个电化学响应信号。通过分析不同微扰电压产生的电化学响应信号，能够推算出材料内部的等效电路。结合材料的几何形状，最终计算出材料包括质子电导率在内的多种动力学过程与原理。除了直接测量交流阻抗，电化学氢泵测试也能得到质子交换膜的质子电导率。这种测试基于氢气的氧化还原反应，通过给燃料电池系统外部加压，强制氢气在正极失去电子转化成氢离子，氢离子从穿过质子交换膜迁移至负极，然后在负极得到两个电子重新转化成氢气。然后直接测试电压与电流计算出质子在质子交换膜中的迁移电阻。类似的测试方法还有燃料单电池的测试，这种测试需要大型的测试仪，直接模拟燃料电池的工作状态来测得质子交换膜的质子电导率。不同的测试方法测得的结果略有差异，但是本质上都是测的质子迁移电阻。基于这些常用的测试的方法，通过人为的控制质子交换膜所处的外界环境(温度、湿度)，就能很好的测试出质子交换膜在不同条件下的质子电导率。得到的结果对于新型燃料电池的开发具有重要的指导意义。测试过程中的温度控制较简单，通常使用加热器件以及温度传感器就能实现。湿度的调控方法可以通过恒湿箱、抽湿机、盐水浓度控湿度法、石灰吸湿法等。

现有技术一

准备恒温恒湿箱和开放式质子交换膜质子电导率测量夹具。把质子交换膜两端放置在具有固定间距的铂片电极上，压紧铂片电极和质子交换膜，使其接触紧密。铂片电极接在电化学工作站上。此时质子交换膜已被固定在了夹具上，夹具不密封。把质子交换膜连同夹具一起放置进入恒温恒湿箱内。调节恒温恒湿箱，使其内部为所需的温度和湿度。待质子交换膜在该条件静置足够长时间后，从两端的铂片电极读取出质子交换膜的响应电信号，通过电化学工作站的测试质子交换膜此时的电化学交流阻抗谱。从阻抗谱中可以读取出质子交换膜中的离子迁移电阻。这个离子迁移电阻对于质子交换膜则是质子迁移电阻。根据质子交换膜的宽度、长度、厚度，以及质子迁移电阻即可计算出质子交换膜在设定温、湿度条件下的质子电导率。

现有技术一的缺点

1.恒温恒湿箱的温度、湿度范围有限。温度通常低于150℃，湿度通常高于20％RH。无法达到高温以及低湿的条件。也就无法测得质子交换膜在高温和低湿条件下的电化学性能。

2.恒温恒湿箱的温度、湿度调节需要一定的时间，响应较慢，会拉长测试时间。

3.恒温恒湿箱内具有一定的温度、湿度波动度，控制不精准，测得的结果有可能受到影响。

4.恒温恒湿箱体积大，价格贵，与电化学工作站的连用较麻烦。

现有技术二

准备密封式质子交换膜质子电导率测量夹具。把质子交换膜两端放置在具有固定间距的铂片电极上，压紧铂片电极和质子交换膜，使其接触紧密。铂片电极接在电化学工作站上。此时质子交换膜已被固定在了夹具上。夹具密封前，在夹具内部滴入足够的去离子水，保证夹具内部的饱和湿度。夹具内布置在质子交换膜附近的温度传感器直接测量质子交换膜周围的温度。调节外部升温装置，使质子交换膜处于所需的温度条件下。待质子交换膜在该条件静置足够长时间后，从两端的铂片电极读取出质子交换膜的响应电信号，通过电化学工作站的测试质子交换膜此时的电化学交流阻抗谱。从阻抗谱中可以读取出质子交换膜中的离子迁移电阻。这个离子迁移电阻对于质子交换膜则是质子迁移电阻。根据质子交换膜的宽度、长度、厚度，以及质子迁移电阻即可计算出质子交换膜在设定温、湿度条件下的质子电导率。

现有技术二的缺点

测试腔内始终为饱和湿度，无法测试不同湿度条件下的质子交换膜质子电导率。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种测试质子交换膜质子电导率的装置和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种测试质子交换膜质子电导率的装置，包括：夹具1、橡胶密封圈2、铂片电极3、质子交换膜4、电化学工作站5、电脑6、湿度计7、加热台15、温度计16和氮气湿度控制装置；

质子交换膜4放置在夹具1当中，夹具1内设有密封腔室，密封腔室由夹具1上固定的橡胶密封圈2进行密封，夹具1上固定两片铂片电极3。质子交换膜4两端分别放置在一片铂片电极3上，质子交换膜4中段悬于密封腔室的中央中空位置。使用固定夹或螺丝固定夹具1，使质子交换膜4两端和铂片电极3紧密接触，同时压紧橡胶密封圈2，把质子交换膜4密封在夹具1内。

铂片电极3接在电化学工作站5上，用以测量质子交换膜4包括质子电导率在内的电化学性能，电脑控制电化学工作站5工作。其中质子交换膜4的温度通过调节夹具1下端的加热台15功率来控制。

夹具1上设有通入密封腔室的进气口8和出气口9；湿度计7布置在出气口9用于测量薄膜附近湿度条件，温度计16布置在密封腔内直接测量质子交换膜4附近的温度，进气口8接通两路氮气控制装置；

所述氮气湿度控制装置包括：管路、氮气瓶10、两个阀门11、两个气体流量计12、加湿瓶13和混合瓶14；

氮气湿度控制装置的管路分为两路，其中一路的连接顺序依次为氮气瓶、阀门11、气体流量计12、加湿瓶13、混合瓶14、进气口8；

另一路的连接顺序依次为氮气瓶、另一个阀门11、另一个气体流量计12、混合瓶14、进气口8。

进一步地，加湿瓶13内设置气体细化石15。

进一步地，夹具1材质可以是不锈钢、聚砜板、特氟龙等刚性耐高温材料；

本发明还公开了一种测试质子交换膜质子电导率的方法，包括：将被测质子交换膜4放置在一个夹具1当中，把质子交换膜4两端放置在铂片电极上，薄膜中段悬于夹具的中央中空位置，使用固定夹或螺丝固定夹具1，使薄膜两端和铂片电极紧密接触，同时压紧橡胶密封圈2，把薄膜密封在夹具内。

然后，通过两路氮气来控制质子交换膜4周围的湿度，一路氮气通过加湿瓶13中离子水，氮气入水通过气体细化石15将气体分成大量小气泡，加大气体与水的接触面积，尽量使氮气达到饱和湿度(～100％RH)。若气温过低，可适当给去离子水加温。这一路出来的氮气称为湿润氮气。另一路则直接将干燥氮气输入进混合瓶14，入干燥氮气与湿润氮气同时通入混合瓶14中，两路氮气汇合在一起，混合成一瓶具备一定湿度的氮气。通过阀门11，改变两路氮气的流量比，达到控制瓶中氮气湿度的目的，从而调节被测质子交换膜4的湿度条件。

完成以上准备之后，待质子交换膜4在设定的温、湿度条件下稳定一定时间后，达到内外平衡，就可以开始电化学测试。测试质子交换膜4质子电导率使用电化学工作站5的交流阻抗模式。测试时对材料施加一个微扰电压(10mV的低强度正弦波)。测试中，对质子交换膜4施加从1Hz至100kHz的微扰电压，然后从两端的铂片电极3读取出质子交换膜4的响应电信号，最终可以得到一个质子交换膜4的电化学交流阻抗图。从图中数据点与实部电阻的交点可以读取出离子迁移电阻R。这个离子迁移电阻对于质子交换膜4则是质子迁移电阻。使用游标卡尺读取质子交换膜4的宽度W和长度L，使用螺旋测微器测量质子交换膜4的厚度T，使用公式(1)即可测出质子交换膜4在设定温、湿度条件下的质子电导率σ。

测完一个质子电导率以后，通过调节氮气流量改变湿度，通过调整加热台改变温度。达到需要的湿度、温度条件以后，待质子交换膜4在该条件下稳定一定时间，达到内外平衡后，就可以开始新一轮的电化学测试。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.同时设定被测薄膜周围的调节温度和湿度，方便测量。

2.可测试质子交换膜在不同温度湿度条件下的电化学性能。

3.可设定的湿度范围大(～1％RH至～100％RH)，且调节响应快。

4.可设定的温度范围大，只要低于腔室材料的最高耐热温度即可。

5.结构简单，不需要额外的设备，成本低，维护简单。

附图说明

图1是本发明测试质子交换膜质子电导率的装置结构示意图；

图2是本发明氮气湿度控制装置的结构示意图；

图3是本发明实施例1湿度25％RH和温度25℃条件下测得的纯Nafion薄膜的Nyquist图；

图4是本发明实施例2湿度50％RH和温度25℃条件下测得的纯Nafion薄膜的Nyquist图；

图5是本发明实施例3湿度99％RH和温度40℃条件下测得的纯Nafion薄膜的Nyquist图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种测试质子交换膜质子电导率的装置，包括：夹具1、橡胶密封圈2、铂片电极3、质子交换膜4、电化学工作站5、电脑6、湿度计7和温度计16；

首先将被测质子交换膜4放置在一个特制的夹具1当中，夹具1材质可以是不锈钢、聚砜板、特氟龙等刚性耐高温材料，夹具1上固定有橡胶密封圈2和铂片电极3。把质子交换膜4两端放置在铂片电极3上，质子交换膜4中段悬于夹具1的中央中空位置。使用固定夹或螺丝固定夹具1，使质子交换膜4两端和铂片电极3紧密接触，同时压紧橡胶密封圈2，把质子交换膜4密封在夹具1内。铂片电极3接在电化学工作站5上，用以测量质子交换膜4包括质子电导率在内的电化学性能。

然后，通过两路氮气来控制质子交换膜4周围的湿度，如图2所示。其中一路是完全干燥的纯氮气(湿度接近0％RH)。另外一路氮气则先通过去离子水，氮气入水通过气体细化石将气体分成大量小气泡，加大气体与水的接触面积，尽量使氮气达到饱和湿度(～100％RH)。若气温过低，可适当给去离子水加温。这一路出来的氮气称为湿润氮气。干燥氮气与湿润氮气同时通入一个玻璃瓶中，两路氮气汇合在一起，混合成一瓶具备一定湿度的氮气。通过调节流量阀门，改变两路氮气的流量比，就能达到控制瓶中氮气湿度的目的。实验结果显示，瓶中氮气的湿度能够在～1％RH至～100％RH范围内自由变化。使用这种方法来调节被测质子交换膜4的湿度条件。具备一定湿度的氮气从夹具1上半部分的孔洞中进入，从夹具1的下半部分孔洞通出，如图1所示。通出的氮气进入一个体积约100mL的塑料腔室中，腔室中有一个湿度计，湿度计的读数即为夹具1中质子交换膜4附近的即时湿度。

质子交换膜4的温度通过调节夹具1下端的加热台功率来控制，使用夹具1内布置在质子交换膜4附近的温度传感器直接测量质子交换膜4周围的温度，如图1、图2所示。每次测量前，通过调节氮气流量设定湿度，通过调整加热台设定温度。

完成以上准备之后，待质子交换膜4在设定的温、湿度条件下稳定一定时间后，达到内外平衡，就可以开始电化学测试。测试质子交换膜4质子电导率使用电化学工作站5的交流阻抗模式。测试时对材料施加一个微扰电压(10mV的低强度正弦波)，微扰电压的施加会促使材料产生一个电化学响应信号。测试中，对质子交换膜4施加从1Hz至100kHz的微扰电压，然后从两端的铂片电极3读取出质子交换膜4的响应电信号，最终可以得到一个质子交换膜4的电化学交流阻抗图。从图中数据点与实部电阻的交点可以读取出离子迁移电阻R。这个离子迁移电阻对于质子交换膜4则是质子迁移电阻。使用游标卡尺读取质子交换膜4的宽度W和长度L，使用螺旋测微器测量质子交换膜4的厚度T，使用如下公式(1)即可测出质子交换膜4在设定温、湿度条件下的质子电导率σ。

测完一个质子电导率以后，通过调节氮气流量改变湿度，通过调整加热台改变温度。达到需要的湿度、温度条件以后，待质子交换膜4在该条件下稳定一定时间，达到内外平衡后，就可以开始新一轮的电化学测试。

实施例1

准备好夹具1后，把纯Nafion质子交换膜4两端放置在铂片电极3上，质子交换膜4中段悬于夹具1的中央中空位置。使用G字不锈钢固定夹夹紧夹具1，质子交换膜4与电极紧密贴合。同时橡胶密封圈2被压紧，质子交换膜4被密封在夹具1内。铂片电极3接在电化学工作站5上。调节干燥、湿润两路氮气的流量分别为180sccm和20sccm(流量比为9:1)，湿度计显示湿度为25％RH。调节加热台功率，至温度稳定在25℃。待质子交换膜4在该条件静置3小时后，通过电化学工作站5的交流阻抗模式测试，对材料施加一个微扰电压(10mV的低强度正弦波)，微扰电压的施加会促使材料产生一个电化学响应信号。对质子交换膜4施加从1Hz至100kHz的微扰电压，然后从两端的铂片电极3读取出质子交换膜4的响应电信号，最终可以得到一个质子交换膜4的电化学交流阻抗图。从图中数据点与实部电阻的交点可以读取出离子迁移电阻R(50.6kΩ)。这个离子迁移电阻对于质子交换膜4则是质子迁移电阻。使用游标卡尺读取质子交换膜4的宽度W(1.52cm)和长度L(2.00cm)，使用螺旋测微器测量质子交换膜4的厚度T(45μm)，使用公式(1)即可测出质子交换膜4在25℃、25％RH条件下的质子电导率σ₁。电化学交流阻抗图结果如图3所示。计算出的质子交换膜4质子电导率为σ₁＝0.578×10^-2S/cm。

实施例2

准备好夹具1后，把纯Nafion质子交换膜4两端放置在铂片电极3上，质子交换膜4中段悬于夹具1的中央中空位置。使用G字不锈钢固定夹夹紧夹具1，质子交换膜4与电极紧密贴合。同时橡胶密封圈2被压紧，质子交换膜4被密封在夹具1内。铂片电极3接在电化学工作站5上。调节干燥、湿润两路氮气的流量分别为115sccm和85sccm(流量比为23:17)，湿度计显示湿度为50％RH。调节加热台功率，至温度稳定在25℃。待质子交换膜4在该条件静置3小时后，通过电化学工作站5的交流阻抗模式测试，对材料施加一个微扰电压(10mV的低强度正弦波)，微扰电压的施加会促使材料产生一个电化学响应信号。对质子交换膜4施加从1Hz至100kHz的微扰电压，然后从两端的铂片电极3读取出质子交换膜4的响应电信号，最终可以得到一个质子交换膜4的电化学交流阻抗图。从图中数据点与实部电阻的交点可以读取出离子迁移电阻R(24.3kΩ)。这个离子迁移电阻对于质子交换膜4则是质子迁移电阻。使用游标卡尺读取质子交换膜4的宽度W(1.42cm)和长度L(2.00cm)，使用螺旋测微器测量质子交换膜4的厚度T(45μm)，使用公式(1)即可测出质子交换膜4在25℃、50％RH条件下的质子电导率σ₂。电化学交流阻抗图结果如图4所示。计算出的质子交换膜4质子电导率为σ₂＝1.288×10^-2S/cm。

实施例3

准备好夹具1后，把纯Nafion质子交换膜4两端放置在铂片电极3上，质子交换膜4中段悬于夹具1的中央中空位置。使用G字不锈钢固定夹夹紧夹具1，质子交换膜4与电极紧密贴合。同时橡胶密封圈2被压紧，质子交换膜4被密封在夹具1内。铂片电极3接在电化学工作站5上。调节干燥、湿润两路氮气的流量分别为15sccm和185sccm(流量比为3:37)，湿度计显示湿度为99％RH。调节加热台功率，至温度稳定在40℃。待质子交换膜4在该条件静置3小时后，通过电化学工作站5的交流阻抗模式测试，对材料施加一个微扰电压(10mV的低强度正弦波)，微扰电压的施加会促使材料产生一个电化学响应信号。对质子交换膜4施加从1Hz至100kHz的微扰电压，然后从两端的铂片电极3读取出质子交换膜4的响应电信号，最终可以得到一个质子交换膜4的电化学交流阻抗图。从图中数据点与实部电阻的交点可以读取出离子迁移电阻R(6.7kΩ)。这个离子迁移电阻对于质子交换膜4则是质子迁移电阻。使用游标卡尺读取质子交换膜4的宽度W(1.00cm)和长度L(2.00cm)，使用螺旋测微器测量质子交换膜4的厚度T(45μm)，使用公式(1)即可测出质子交换膜4在40℃、99％RH条件下的质子电导率σ₃。电化学交流阻抗图结果如图5所示。计算出的质子交换膜4质子电导率为σ₃＝6.633×10^-2S/cm。

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实施方法，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。