專利名稱：一種燃料電池質子交換膜橫向導電率的測試方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于燃料電池電解質性能的檢測，特別涉及質子交換膜電導率的測量方法與裝置。
背景技術：
質子交換膜燃料電池PEMFC使用質子交換膜PEM做電解質，其性能直接影響PEMFC的電池性能、能量效率和使用壽命，而質子交換膜的質子導電性能是衡量PEM性能的一個重要指標。
質子交換膜電導率測量技術的發展大致可以分為3代。第1代測量技術是在60年代出現，由Fadley C S，Wallace R A.Electropolymer studies(II).Electricalconductivity of a polystyrene sulfonic acid membrane[J].J ElectrochemSoc，1968，1151264記載。當時wallace和他的合作者對控制吸水率的聚合物膜的導電率進行了測試，他們對膜施加線性變化的直流電壓，測量電流通過歐姆定律計算膜的導電率。而Grego和George等通過比較有膜和沒有膜電導池的電阻來確定膜的電阻。文獻“.電位掃描法研究質子交換膜得導電型能”[J].化學通報，1999，13131中提出，改進以往的直流測試方法，采用線性電位掃描法同時測量質子交換膜的電阻和測試系統的阻抗與容抗。但是在直流測試中，極化是影響直流法測量質子交換膜電導率精度的重要因素。而極化問題比較復雜，不僅與電流有關，而且與電極材料、形狀和平整度有關，還與電解質濃度有關克服直流法中的極化還沒有較為理想的辦法，后來的研究很少采用該方法。第2代測量技術采用交流阻抗法測試質子交換膜的導電性。由Subrahmanyan V，Laksh minarayanaiah N.A rapidmethod for the determination of electrical conductance of ion-exchangemembranes[J].J Phys Chem，1968，7243記載Subrahmanyan和Lakshminarayanaiah首先采用交流兩電極系統測試質子交換膜的導電性。隨后Meshchkov等都采用這種方法測試膜的導電性。由文獻Cahan B D，Wainright J S.A AC impedanceinvestigations of proton conduction in Nafion[J].j.Electrochem Soc，1993，140(12)185知，90年代Cahan和Wainright、Deslouis等以及Sone等改用交流四電極系統測試質子交換膜的導電性。這里所用的四電極系統測試的是沿質子交換膜表面平行方向的電導率，即縱向電導率。縱向電導率只能反映質子通過縱向傳導的性能。由文獻Gardnet C L，Anantaraman A V.Measurement of membrane conductivitiesusing an open-ended coaxial probe[J].J Electroanal Chem，1995，39567可知，第3代技術是C.L.Gardnet等發展起來的同軸探針法，后來Beatie等、Chuy等均采用此方法測定了最近研發的新型質子交換膜的導電性。但是用此方法測量的仍為質子交換膜的縱向電導率。而在質子交換膜燃料電池工作時，質子不僅通過縱向傳導，也通過橫向傳導。因此需要測量沿質子交換膜表面垂直方向的橫向電導率。
發明內容
本發明提出一種燃料電池質子交換膜橫向電導率的測試方法與裝置，將交換膜放在兩電解池相連的連接孔中間，用交流阻抗法測試出質子交換膜的橫向電阻，通過膜的厚度和連接孔的面積換算出膜的電導率。
本發明的測試方法是，采用交流阻抗法測定，工作電極與輔助電極使用碳電極，參比電極使用飽和甘汞電極，碳電極加載測試電流，參比電極測試響應電壓。測量時采用四電極或三電極體系，先測量電解池中空白溶液的電阻R1，然后將質子交換膜夾在兩電解池中間，用同樣的方法測量電阻R2，用R2-R1得到質子交換膜電阻，并由電導率公式K＝L/(S×R)，計算得到燃料電池質子交換膜橫向電導率。公式中L為膜的厚度、S為孔的面積(即Nafion膜接觸電解液的有效面積)、R為所測電阻(R2-R1)。
本發明測試方法所用裝置如下試驗裝置由兩個完全相同的電解池1與外部夾具2組成，如圖1所示。兩電解池并排放置，并在兩電解池連接一側對應各開一個圓形或方形孔3，所測質子交換膜8夾在兩電解池連接處。電解池上部有蓋子，蓋子的相應位置上打四個孔用來固定電極，如圖2所示。對應四電極體系，工作電極4與輔助電極5分別安裝在孔4、5位置，參比電極6、7分別安裝在孔6、7位置，參比電極所使用的飽和甘汞電極的管口要盡量靠近側面的圓孔，且相對位置固定。三電極體系中，使用一個參比電極。圖1中，9為密封圈。
測量時，用夾具將兩電解池夾緊，兩個電解池有孔一側對接，電解池內放入電解液(稀硫酸溶液)。先測量電解池中空白溶液的電阻，在高頻段顯示的阻抗值就是溶液的電阻值，然后將質子交換膜放在兩孔中間，用同樣的方法測量質子交換膜的電阻。
本發明主要是利用兩次測試的差值求出質子交換膜的橫向電導率。每次測試時首先測量空白溶液的電阻。以后的測量數據均與空白溶液電阻做差求出所測膜的橫向電阻。這種測試手段避免了使用直流測試方法時遇到的極化問題，同時也解決了橫向電阻的測量問題。這種裝置不僅能測量質子交換膜的橫向電導率，還能測量與質子交換膜類似的薄膜橫向電阻，而且也可測量膜電極的橫向電阻。該方法要求的試驗儀器和測試儀器簡單，因此可以被應用于其他燃料電池和鋰離子電池中隔膜橫向電導率的測試方面。
圖1為膜橫向電導率測量裝置示意2為膜橫向電導率測量裝置俯視3為熱壓前膜橫向電導率測量曲線圖4為熱壓后膜橫向電導率測量曲線具體實施方式
測定了質子交換膜(nafion117)在經預處理后進行熱壓試驗的電導率變化。熱壓溫度120℃，時間為3min，壓強為0.4MPa。電解池溶液為0.5mol/LH2SO4+1mol/L甲醇(模擬直接甲醇燃料電池工作條件)。測試裝置如圖1所示，工作和輔助電極用碳棒，兩個參比電極用飽和甘汞電極。采用交流阻抗法測量電導率，掃描頻率從20kHZ到0.1HZ，電壓擾動幅值為10mv。圖3為對nafion膜熱壓前的橫向電導率進行測量，由圖3可得空白溶液電阻6.1986Ω，測得nafion膜熱壓前的質子交換膜與溶液的總電阻為6.8893Ω。由圖3可得膜橫向電阻為0.691Ω，由電導率公式可計算出膜橫向電導率為6.58×10-2s/cm。圖4為熱壓后的電導率測量圖，由圖4得膜橫向電阻為2.198Ω(溶液電阻6.1986，總電阻8.3965)，由電導率公式可計算出膜橫向電導率為2.07×10-2s/cm。此試驗數據與前面所引用文獻的測試數據相近。
用三電極體系測定質子交換膜(Nafion117)，兩電解池連接處只裝有一個參比電極。采用交流阻抗法測定，工作電極與輔助電極使用碳電極，參比電極使用飽和甘汞電極，碳電極加載測試電流，參比電極測試響應電壓，先測量電解池中空白溶液的電阻6.1297Ω，然后將質子交換膜夾在兩電解池中間，用同樣的方法測量電阻6.6757Ω，用R2-R1得到質子交換膜電阻R為1.546Ω。質子交換膜(Nafion117)厚度L為0.02cm，兩電解池連接處的圓孔面積S為0.44cm2，由電導率公式K＝L/(S×R)，計算得到燃料電池質子交換膜橫向電導率2.94×10-2s/cm。
權利要求
1.一種燃料電池質子交換膜橫向電導率的測試方法，采用交流阻抗法測定，工作電極與輔助電極使用碳電極，參比電極使用飽和甘汞電極，碳電極加載測試電流，參比電極測試響應電壓，其特征在于，測量時采用四電極或三電極體系，先測量電解池中空白溶液的電阻R1，然后將質子交換膜夾在兩電解池中間，用同樣的方法測量電阻R2，用R2-R1得到質子交換膜電阻，并由電導率公式K＝L/(S×R)，計算得到燃料電池質子交換膜橫向電導率，公式中L為膜的厚度、S為孔的面積、R為所測電阻(R2-R1)。
2.權利要求1燃料電池質子交換膜橫向電導率測試方法所用裝置，其特征在于，試驗裝置由兩個完全相同的電解池(1)與外部夾具(2)組成，兩電解池并排放置，并在兩電解池連接一側對應各開一個圓形或方形的孔(3)，所測質子交換膜(8)夾在兩電解池連接處。
全文摘要
一種燃料電池質子交換膜橫向電導率的測試方法與裝置，涉及燃料電池電解質性能的檢測，本發明采用四電極或三電極體系，工作電極與輔助電極使用碳電極，參比電極使用飽和甘汞電極，碳電極加載測試電流，參比電極測試響應電壓。測試時，將交換膜放在兩電解池對應的連接孔中間，用交流阻抗法測試出質子交換膜的橫向電阻，通過膜的厚度和連接孔的面積換算出膜的電導率。這種測試手段避免了使用直流測試方法時遇到的極化問題，同時也解決了橫向電阻的測量問題。該方法所用裝置不僅能測量質子交換膜的橫向電導率，還能測量與質子交換膜類似的薄膜橫向電阻，而且也可測量膜電極的橫向電阻，測試裝置簡單，因此可以被應用于其他燃料電池和鋰離子電池中隔膜橫向電導率的測試。
文檔編號G01R31/36GK1564014SQ200410029759
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月26日 優先權日2004年3月26日
發明者王新東, 王博, 張紅飛, 陳玲 申請人:北京科技大學