一種多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電池測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置， 具有發(fā)電效率高，環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿性燃料電 池（AFC，alkaline fuel cell)，磷酸型燃料電池 （PAFC phosphoric acid fuel cell)，恪 融碳酸鹽型燃料電池 （MCFC Molten Carbonate Fuel Cell)，質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC proton exchange membrane fuel cell)和固態(tài)氧化物燃料電池 （SOFC Solid Oxide Fuel Cell)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池不僅具有一般燃料電池所具有的高效率、無污染、無噪 音、可連續(xù)工作的特點(diǎn)，而且還具有功率密度高、工作溫度低、啟動快、膜的耐腐蝕性強(qiáng)、使 用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理，質(zhì)子交換膜起到分隔燃料和氧化 劑、傳導(dǎo)質(zhì)子的雙重作用，因此要求質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)率高且氣密性好，它是確保PEMFC 性能優(yōu)良的前提之一。
[0003] 目前，還未公開有對PEMFC用質(zhì)子交換膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測量的研究。鑒于上述背 景，我們發(fā)明了一種能夠測試燃料電池用質(zhì)子交換膜的裝置，該裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對質(zhì)子 交換膜氣體擴(kuò)散系數(shù)的測試，而且也可以測試其它普通多孔膜的氣體擴(kuò)散系數(shù)，以衡量測 試膜的氣密性程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供的測試裝置，通過測量，得到待測多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)。
[0005] 為解決上述問題，一種多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，包括單晶石英管、質(zhì)子交換 膜和待測膜；所述單晶石英管的一端連接質(zhì)子交換膜，另一端連接待測多孔膜；
[0006] 所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別設(shè)有氫氣栗的兩個氫氣栗電極和氧氣傳感器的兩個 氧氣傳感器電極。
[0007] 進(jìn)一步的，所述單晶石英管與全氟磺酸質(zhì)子交換膜和待測多孔膜的連接部位用玻 璃膠進(jìn)行密封。
[0008] 進(jìn)一步的，所述其氫氣栗電極采用Pt/C作電極材料。
[0009] 進(jìn)一步的，所述氧氣傳感器電極采用Pt作為電極材料。
[0010] 進(jìn)一步的，所述單晶石英管為兩根。
[0011] 進(jìn)一步的，所述質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。
[0012] 進(jìn)一步的，所述待測多孔膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。
[0013] 本發(fā)明提供的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置具有以下有益效果：
[0014] 1、通過該測試裝置測量，可以得到待測膜（如待測質(zhì)子交換膜、多孔膜等）的氣體 擴(kuò)散系數(shù)；
[0015] 2、通過氣體擴(kuò)散系數(shù)的值，可以精確地評估待測膜（特別是待測質(zhì)子交換膜）的 氣密性，為高性能的PEMFC設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)；此外，也為選用優(yōu)質(zhì)薄膜提供判據(jù)，對待 測多孔膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置示意圖。
[0017] 其中，1、單晶石英管，2、質(zhì)子交換膜，3、待測多孔膜，4、氫氣栗，5、氫氣栗電極，6、 氧氣傳感器，7、氧氣傳感器電極。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員對發(fā)明有更詳細(xì)的了解，下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對 本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0019] 如圖1所示，本實(shí)施例提供的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置包括單晶石英管1，單 晶石英管1內(nèi)是氣體傳輸、氣體分壓變化的區(qū)域，單晶石英管1的一端連接擴(kuò)散系數(shù)已知的 質(zhì)子交換膜2,質(zhì)子交換膜2的作用為僅允許質(zhì)子H +通過，因?yàn)闅錃饨?jīng)Pt催化劑后以H +的 形式必須通過質(zhì)子交換膜2栗入到石英管內(nèi)。
[0020] 本實(shí)施例中，質(zhì)子交換膜2為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。單晶石英管1的另一端連接 待測膜3,目的是測量其氣體擴(kuò)散系數(shù)。待測多孔膜3可以為質(zhì)子交換膜，也可以為其它多 孔膜。
[0021] 本實(shí)施例中采用的待測多孔膜3為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。單晶石英管1與質(zhì)子交 換膜2和待測多孔膜3的連接部位用玻璃膠進(jìn)行密封，氫氣栗4的兩個氫氣栗電極5分別 連接在質(zhì)子交換膜2的兩側(cè)，氧氣傳感器6的兩個氧氣傳感器電極7電極分別連接在質(zhì)子 交換膜2的兩側(cè)。氫氣栗電極5采用Pt/C作電極材料，氧氣傳感器電極7采用Pt作為電 極材料。本發(fā)明中氫氣栗4要使用Pt/C作催化劑，氧氣傳感器6使用Pt作催化劑。
[0022] 本實(shí)施例中，單晶石英管1為兩根，兩端分別連接全氟磺酸質(zhì)子交換膜和待測全 氟磺酸質(zhì)子交換膜。可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置單晶石英管1的數(shù)量。本發(fā)明的多孔膜氣體擴(kuò) 散系數(shù)測試裝置放置在爐子中進(jìn)行測量，爐子通過恒電位儀以150cm 3min 1的速度栗入含有 3% H2O的潮濕H2。
[0023] 工作時(shí)，氫氣栗4工作時(shí)要通過穩(wěn)定的電流i。進(jìn)行測量時(shí)，氫氣栗4在Pt/C材料 的氫氣栗電極5催化作用下，將一定量的氫氣以質(zhì)子H+的形式通過固定的全氟磺酸質(zhì)子交 換膜栗入單晶石英管1內(nèi)，氣體在單晶石英管1內(nèi)的分壓開始發(fā)生變化：單晶石英管1內(nèi)氫 氣分壓增大，氧氣分壓減小。因此，單晶石英管1內(nèi)外氧氣分壓之間產(chǎn)生了壓差，該壓差以 能斯特電位E的形式表現(xiàn)出來。同時(shí)，氧氣傳感器6可以檢測到能斯特電位E。
[0024] 由能斯特電位E與單晶石英管1內(nèi)氧氣分壓Plb的關(guān)系：
，其中R 為氣體常數(shù)，T為溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)s為單晶石英管1外氧氣的分壓且是常量，可以 得到單晶石英管1內(nèi)氧氣
[0025] 事實(shí)上，單晶石英管1內(nèi)滿足
為單晶石英管1內(nèi)的氫氣分壓， 綠 W為為單晶石英管1內(nèi)的水氣分壓。
[0026] 當(dāng)單晶石英管1內(nèi)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，再由氣體平衡常數(shù)與氣體組分之間的關(guān) 系：
，可以得到單晶石英管1內(nèi)的氫氣分壓，其中P表不分壓，./??表不氫 氣分壓，/?表示氧氣分壓，上標(biāo)2是平方關(guān)系，Keq為已知常數(shù)。再由單晶石英管1內(nèi)、外 氫氣分壓，電流之間的表達(dá)式：
其中，為單晶石英管1外的氧氣分壓且 為常量，R為氣體常數(shù)，T為溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)，1為質(zhì)子交換膜的厚度， 即可測得氣體擴(kuò)散系數(shù)D。通過氣體擴(kuò)散系數(shù)的值，可以精確地評估質(zhì)子交換膜的氣密性。
[0027] 該測試裝置分別在800°C、750°C、700°C、650°C條件下測量某一全氟磺酸質(zhì)子交換 膜的氣體擴(kuò)撒系數(shù)結(jié)果如下070cm 2s 1AOOcC ;0· 060cm2s ^7501: ;0· 055cm2s 1JOOcC ; 0. 046cm2s」，650°C。相比于報(bào)道中在800°C條件下，有效擴(kuò)散系數(shù)0. 07-0. 82cm2s 1本發(fā)明 給出的測量值更加精確。這為高性能的PEMFC設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)；此外，也為質(zhì)子交換膜 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
[0028] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：包括單晶石英管（I)、質(zhì)子交換膜 (2)和待測多孔膜（3);所述單晶石英管（1)的一端連接質(zhì)子交換膜（2)，另一端連接待測 多孔膜（3); 所述質(zhì)子交換膜（2)的兩側(cè)分別設(shè)有氫氣栗（4)的兩個氫氣栗電極（5)和氧氣傳感器 (6)的兩個氧氣傳感器電極（7)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述單晶石英 管⑴與質(zhì)子交換膜⑵和待測多孔膜⑶的連接部位用玻璃膠進(jìn)行密封。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述其氫氣栗 電極（5)采用Pt/C作電極材料。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述氧氣傳感 器電極（6)采用Pt作為電極材料。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述單晶石英 管⑴為兩根。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述質(zhì)子交換 膜（2)為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，其特征在于：所述待測待測 多孔膜（3)為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置，包括單晶石英管、質(zhì)子交換膜和待測膜；所述單晶石英管的一端連接質(zhì)子交換膜，另一端連接待測多孔膜；所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別設(shè)有氫氣泵的兩個氫氣泵電極和氧氣傳感器的兩個氧氣傳感器電極。本發(fā)明提供的多孔膜氣體擴(kuò)散系數(shù)測試裝置具有以下有益效果：1、通過該測試裝置測量，可以得到待測膜(如待測質(zhì)子交換膜、多孔膜等)的氣體擴(kuò)散系數(shù)；2、通過氣體擴(kuò)散系數(shù)的值，可以精確地評估待測膜(特別是待測質(zhì)子交換膜)的氣密性，為高性能的PEMFC設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)；此外，也為選用優(yōu)質(zhì)薄膜提供判據(jù)，對待測多孔膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
【IPC分類】G01N13/00
【公開號】CN105158119
【申請?zhí)枴緾N201510412132
【發(fā)明人】何偉東, 霍偉榮, 梁亞春
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月14日