质子交换膜电导率测试仓及测试方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜电导率测试技术领域，具体地，涉及一种质子交换膜电导率测试仓和基于该测试仓的质子交换膜电导率测试方法。

背景技术

氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转换为电能的发电装置。质子交换膜是氢燃料电池的重要组成部分，其对氢燃料电池的性能起着关键作用。电导率作为反映质子交换膜通过一定浓度的质子形成电流的能力，是质子交换膜的重要物理参数。

质子交换膜电导率的测试需要借助专门的测试系统，但是相关技术中，测试系统的质子交换膜的测试精度较低，不能对质子交换膜在横截面方向上的质子传输能力有效评估，使得后续的质子交换膜的研发和生产缺乏有力的理论和数据支持。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种质子交换膜电导率测试仓，该质子交换膜电导率测试仓的测试精度高，能够为后续质子交换膜的研发和生产提供理论和数据支持。

本发明实施例还提出一种基于上述质子交换膜电导率测试仓的质子交换膜电导率测试方法。

根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试仓包括：仓体；测试夹具，所述测试夹具包括第一夹具、第二夹具、导向杆、安装座和顶压组件，所述第一夹具和所述第二夹具均设在所述仓体内，所述第一夹具上设有第一参比电极和第一工作电极，所述第二夹具上设有第二参比电极和第二工作电极，所述第一夹具和所述第二夹具用于将质子交换膜夹紧在所述第一参比电极和第二工作电极之间、所述第二参比电极和所述第一工作电极之间，所述第一参比电极、所述第一工作电极、所述第二参比电极、所述第二工作电极适于与电化学工作站相连，所述安装座穿设在所述仓体的仓壁上，所述导向杆连接在所述第一夹具和所述安装座之间，所述第二夹具设在所述安装座和所述第一夹具之间并导向滑移装配在所述导向杆上，所述顶压组件穿设在所述安装座上并沿着所述导向杆的延伸方向位置可调，所述顶压组件用于顶推所述第二夹具以使所述第一夹具和所述第二夹具夹紧所述质子交换膜。

根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试仓，该质子交换膜电导率测试仓的测试精度高，能够为后续质子交换膜的研发和生产提供理论和数据支持。

在一些实施例中，所述顶压组件包括顶杆、压力表、调节座、弹性件和固定件，所述调节座配合在所述安装座内并沿着所述导向杆的延伸方向位置可调，所述调节座内设有安装孔，所述安装孔沿着所述导向杆的延伸方向延伸，所述顶杆的一端配合在所述安装孔内且沿着所述安装孔可移动，所述顶杆的另一端穿过所述安装座并用于与所述第二夹具止抵，所述弹性件设置所述安装孔内且所述弹性件的一端与所述顶杆止抵，所述压力表的探针适于插入所述安装孔内并与所述弹性件的另一端止抵，所述固定件用于将所述压力表和所述调节座固定。

在一些实施例中，所述调节座螺纹配合在所述安装孔内且所述调节座沿着所述安装孔的延伸方向可螺旋移动调整。

在一些实施例中，所述固定件螺纹配合在所述调节座上，且所述固定件的一端伸入所述安装孔内并用于与所述压力表的探针止抵配合。

在一些实施例中，所述导向杆包括第一导向杆和第二导向杆，所述第一导向杆和所述第二导向杆并行间隔布置，所述质子交换膜放置在所述第一导向杆和所述第二导向杆之间。

在一些实施例中，所述第一参比电极和所述第二参比电极为铂柱，所述第一工作电极和所述第二工作电极为铂片，所述第一工作电极和所述第二工作电极均具有重合段和非重合段，在所述导向杆的延伸方向上，所述第一工作电极的重合段与所述第二工作电极的重合段叠压重合，所述第一参比电极与所述第二工作电极的非重合段相对应，所述第二参比电极与所述第一工作电极的非重合段相对应。

在一些实施例中，所述仓体包括第一仓体、第二仓体和紧固件，所述仓体通过所述第一仓体和所述第二仓体密封扣合形成，所述紧固件的一端与所述第一仓体相连，所述紧固件的另一端与所述第二仓体相连，所述紧固件用于将所述第一仓体和所述第二仓体夹紧固定。

在一些实施例中，所述紧固件包括紧固螺栓和紧固螺母，所述紧固螺栓的一端与所述第一仓体相连，所述紧固螺栓的另一端穿过所述第二仓体，所述紧固螺母螺纹配合在所述紧固螺栓的外周侧，所述第二仓体夹紧固定在所述第一仓体和所述紧固螺母之间。

在一些实施例中，所述第一仓体上设有进气孔，所述进气孔适于与湿度调节装置连通，所述第二仓体上设有排气孔，所述排气孔适于与压力调节装置相连。

根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试方法包括以下步骤：

利用酒精擦拭第一工作电极和第二工作电极；

待酒精挥发后，在所述第一工作电极上涂抹碳导电胶并在所述第一工作电极上粘贴气体扩散材料，在所述第二工作电极上涂抹碳导电胶并在所述第二工作电极上粘贴气体扩散材料；

将裁切后的质子交换膜放置在第一夹具和第二夹具之间，并使得第一参比电极、第一工作电极、第二参比电极、第二工作电极位于所述质子交换膜的外周轮廓内；

按压第二夹具以使第一夹具和第二夹具预夹紧所述质子交换膜；

调节顶压组件并使所述顶压组件向所述第二夹具施加设定作用力以夹紧固定所述质子交换膜。

附图说明

图1是根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试仓的整体结构立体示意图。

图2是图1中测试仓的剖视示意图。

图3是图2中质子交换膜布置示意图。

附图标记：

测试仓1；第二仓体11；第一仓体12；导向杆13；安装座14；调节座15；顶杆16；紧固螺母17；紧固螺栓18；湿度传感器19；温度调节装置110；进气孔111；排气孔112；第二夹具113；第一夹具114；压力表115；弹性件116；固定件117；第一参比电极118；第一工作电极119；第二参比电极120；第二工作电极121；质子交换膜122。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试仓（以下简称测试仓1）包括仓体和测试夹具。

如图1和图2所示，仓体可以为分体式设计，即仓体可以由两部分密封拼合而成，仓体的内腔用于为质子交换膜122的电导率测试提供测试环境。可以理解的是，在其他一些实施例中，仓体上也可以为一体式设计，例如可以在仓体上设有开门或开窗结构，从而方便质子交换膜122的放入。

测试夹具包括第一夹具114、第二夹具113、导向杆13、安装座14和顶压组件，第一夹具114和第二夹具113均设在仓体内，第一夹具114上设有第一参比电极118和第一工作电极119，第二夹具113上设有第二参比电极120和第二工作电极121，第一夹具114和第二夹具113用于将质子交换膜122夹紧在第一参比电极118和第二工作电极121之间、第二参比电极120和第一工作电极119之间，第一参比电极118、第一工作电极119、第二参比电极120、第二工作电极121适于与电化学工作站相连，安装座14穿设在仓体的仓壁上，导向杆13连接在第一夹具114和安装座14之间，第二夹具113设在安装座14和第一夹具114之间并导向滑移装配在导向杆13上，顶压组件穿设在安装座14上并沿着导向杆13的延伸方向位置可调，顶压组件用于顶推第二夹具113以使第一夹具114和第二夹具113夹紧质子交换膜122。

具体地，如图2所示，测试夹具的安装座14一体设在仓体的顶壁上，安装座14的一部分位于仓体的外侧，安装座14的另一部分位于仓体内。第一夹具114和第二夹具113均设在仓体的内部，第一夹具114和第二夹具113均大体为扁四棱柱状，其中第一夹具114通过导向杆13与安装座14连接固定，导向杆13可以设有多个，各导向杆13的一端均与第一夹具114连接固定，各导向杆13的另一端均与安装座14的底部连接固定。导向杆13沿着上下方向延伸，第二夹具113上设有供各导向杆13穿过的导向孔，第二夹具113设在第一夹具114和安装座14之间并沿着各导向杆13的延伸方向可上下移动，第一夹具114和第二夹具113之间用于放置质子交换膜122。

顶压组件可以为一根顶推杆，且顶推杆可以与安装座14螺纹装配，顶推杆的底端伸入仓体内。由此，当顶推杆向下移动时，顶推杆能够与第二夹具113止抵，通过顶推杆的顶压可以实现第一夹具114和第二夹具113的夹紧固定，从而可以实现对质子交换膜122的夹紧固定。

如图3所示，第一夹具114上设有第一工作电极119和第一参比电极118，第二夹具113上设有第二工作电极121和第二参比电极120。需要说明的是，第一工作电极119和第二工作电极121之间、第一参比电极118和第二参比电极120之间均通过软导线电性相连，然后第二夹具113上的所有电极均通过导线连接至仓体外侧并与阻抗分析仪（电化学工作站）相连。其中第一工作电极119和第二工作电极121在宽度方向上部分重合，第一工作电极119和第二工作电极121在上下方向的重叠部分即为质子交换膜122测试的有效面积。本实施例中第一参比电极118和第二工作电极121在上下方向上正对，第二参比电极120和第一工作电极119在上下方向上正对。

需要说明的是，为了保证仓体内的密封性，导线和仓体之间、安装座14和仓体之间均需要具有较好的密封性。

根据本发明实施例的质子交换膜电导率测试仓，测试夹具采用二电极四端口的设计思路，测试过程中，质子交换膜122的测试放置位置与质子交换膜122实际使用中的摆放位置一致，使得测试的电导率方向为电池真实工作时质子传导方向，并且有效地减弱了由于膜较薄而带来的电感效应影响。由此，可有效模拟燃料电池质子传导方向，避免了相关技术中采用平面测试的测试仓1存在质子交换膜122阻抗测试方向与实际质子传输方向不一致的问题，尤其针对复合增强型质子交换膜122，通过采用本实施例的测试仓1测试可以有效表征复合增强型质子交换膜122在实际使用方向上的电导率值，进而能够评估质子交换膜122在横截面方向上传输质子的能力，为后续质子膜的研发和生产提供理论和数据支撑，提高了质子交换膜122电导率的测试精度。

另外，本实施例的测试仓1所需要的样品量较小，可有效节省测试成本，提高测试效率，减少测试系统误差；相较单电池测试质子交换膜122阻抗，该测试仓1可有效除去制作膜电极过程，很大程度上节约测试时间，提高了测试效率。

在一些实施例中，顶压组件包括顶杆16、压力表115、调节座15、弹性件116和固定件117，调节座15配合在安装座14内并沿着导向杆13的延伸方向位置可调，调节座15内设有安装孔，安装孔沿着导向杆13的延伸方向延伸，顶杆16的一端配合在安装孔内且沿着安装孔可移动，顶杆16的另一端穿过安装座14并用于与第二夹具113止抵，弹性件116设置安装孔内且弹性件116的一端与顶杆16止抵，压力表115的探针适于插入安装孔内并与弹性件116的另一端止抵，固定件117用于将压力表115和调节座15固定。

具体地，如图2所示，安装座14内设有螺纹孔，螺纹孔沿着上下方向延伸，调节座15螺纹配合在螺纹孔内，本实施例中顶杆16、弹性件116、压力表115、固定件117均设在调节座15上，调节座15内设有安装孔，顶杆16的顶端配合在安装孔内，且顶杆16可以在安装孔内上下移动，需要说明的是，顶杆16的顶端从安装孔内不可脱出，例如，顶杆16的顶端周侧可以设有凸起，安装孔的底端孔口可以与凸起挡止，从而限制了顶杆16从安装孔的底部端口脱出。

弹性件116可以为弹簧，弹性件116装配在安装孔，且弹性件116位于顶杆16的上侧。压力表115具有探针（接触探头），安装压力表115时，将压力表115的探针插入安装孔内并使得压力表115的探针与弹性件116的顶端止抵，然后通过上下调整压力表115的位置即可实现对压力表115的校正归零，需要说明的是，弹性件116的设置使得压力表115的探针能够受到作用力，从而方便了压力表115的校正归零。当压力表115校正归零后，可以通过固定件117将压力表115与调节座15固定，固定件117可以为环形堵头，固定件117可以套设在压力表115探针的外周侧并配合在安装孔内，当压力表115校正归零后，可以将固定件117楔入探针和安装孔之间。

当需要夹紧第一夹具114和第二夹具113时，通过旋转调节座15，调节座15能够上下移动，从而可以带动顶杆16上下移动，移动的顶杆16会止抵在第二夹具113的上表面上，从而可以实现第一夹具114和第二夹具113的夹紧固定。另外，由于顶杆16可以在安装座14内上下移动，顶杆16施加在第二夹具113上的作用力会通过弹性件116传递给压力表115，压力表115会显示处顶杆16和第二夹具113之间的作用力大小，由此，当需要进行多次试验时，可以通过压力表115使得每次施加在第二夹具113上的作用相一致。

在一些实施例中，固定件117螺纹配合在调节座15上，且固定件117的一端伸入安装孔内并用于与压力表115的探针止抵配合。具体地，如图2所示，固定件117可以为顶丝，固定件117螺纹配合在调节座15上，固定件117的内端伸入安装孔内，由此，当压力表115校正归零后，可以通过旋转固定件117并使得固定件117的内端与压力表115上的探针顶死，从而可以实现对压力表115的固定。使得压力表115的固定简单便捷，方便了操作。

在一些实施例中，导向杆13包括第一导向杆和第二导向杆，第一导向杆和第二导向杆并行间隔布置，质子交换膜122放置在第一导向杆和第二导向杆之间。具体地，如图2所示，导向杆13可以沿着左右方向间隔布置，第一导向杆和第二导向杆之间的第一夹具114部分和第二夹具113部分形成用于放置质子交换膜122的放置区。由此，避免了质子交换膜122与第一导向杆和第二导向杆干涉的情况，方便了质子交换膜122的放置。

在一些实施例中，第一参比电极118和第二参比电极120为铂柱，第一工作电极119和第二工作电极121为铂片，第一工作电极119和第二工作电极121均具有重合段和非重合段，在导向杆13的延伸方向上，第一工作电极119的重合段与第二工作电极121的重合段叠压重合，第一参比电极118与第二工作电极121的非重合段相对应，第二参比电极120与第一工作电极119的非重合段相对应。

具体地，如图3所示，第一参比电极118和第二参比电极120均为长圆柱状的铂柱，第一工作电极119和第二工作电极121可以均为矩形铂片。第一工作电极119和第二工作电极121在上下方向上具有重合段，即第一工作电极119的右侧一部分与第二工作电极121的左侧一部分在上下方向叠压在一起。第一工作电极119不与第二工作电极121上下叠压的部分形成第一工作电极119的非重合段，第二工作电极121不与第一工作电极119上下叠压的部分形成第二工作电极121的非重合段。第一参比电极118位于第二工作电极121的非重合段的下方，第二参比电极120位于第一工作电极119的非重合段的上方。

改进了传统四电极法测膜内阻和燃料电池EIS测试电导率方法的一些缺陷并将两者的优势相结合，夹具采用采用二电极四端口的设计思路，使得测试的电导率方向为电池真实工作时质子传导方向，进一步提升了测试的准确性。

优选地，第一夹具114和第二夹具113均为长方体状，且第一夹具114和第二夹具113的长、宽、高分别为50毫米、50毫米、10毫米。第一参比电极118和第二参比电极120的直径为2毫米。第一工作电极119和第二工作电极121重合段的接触面积可以为50 平方毫米。

在一些实施例中，仓体包括第一仓体12、第二仓体11和紧固件，仓体通过第一仓体12和第二仓体11密封扣合形成，紧固件的一端与第一仓体12相连，紧固件的另一端与第二仓体11相连，紧固件用于将第一仓体12和第二仓体11夹紧固定，紧固件包括紧固螺栓18和紧固螺母17，紧固螺栓18的一端与第一仓体12相连，紧固螺栓18的另一端穿过第二仓体11，紧固螺母17螺纹配合在紧固螺栓18的外周侧，第二仓体11夹紧固定在第一仓体12和紧固螺母17之间。

具体地，如图1所示，仓体分体设置，仓体包括上下设置的第一仓体12和第二仓体11，第一仓体12和第二仓体11均为方盒状，且第一仓体12和第二仓体11的敞口相对。紧固件设有四个，四个紧固件分别设在仓体的四个边角位置处，四个紧固件的紧固螺栓18的底端均与第一仓体12的四个边角位置焊接固定，四个紧固螺栓18的顶端均穿过第一仓体12，每个紧固螺栓18的顶端均螺纹装配有紧固螺母17，四个紧固螺母17均位于第二仓体11的上侧，由此，通过旋拧四个紧固螺母17可以将第一仓体12和第二仓体11夹紧固定。由此，方便了质子交换膜122的放置和取出。

需要说明的是，如图2所示，第一夹具114和仓体顶壁之间的间距小于仓体的高度。由此可以避免第一夹具114和仓体的底壁碰触的情况。

在一些实施例中，第一仓体12上设有进气孔111，进气孔111适于与湿度调节装置连通，第二仓体11上设有排气孔112，排气孔112适于与压力调节装置相连。

具体地，如图1所示，进气孔111设在第一仓体12上，排气孔112设在第二仓体11上有利于仓体内气体的排入和排出。另外，湿度调节装置可以实现对仓体内湿度的调整，压力调节装置可以实现对仓体内压力的调整。从而可以实现对不同环境下的质子交换膜122电导率的测试。

在一些实施例中，如图1所示，仓体内还设有湿度传感器19和温度调节装置110，温度传感器适于与湿度调节装置配合使用，温度调节装置110（热电偶）能够实现对仓体内温度的自动调整。

下面描述根据本发明实施例的质子交换膜122电导率测试方法。

根据本发明实施例的质子交换膜122电导率测试方法包括以下步骤：

利用酒精擦拭第一工作电极119和第二工作电极121。

具体地，可以利用一次性棉签蘸取95%乙醇擦拭第一工作电极119和第二工作电极121的表面，从而使得第一工作电极119和第二工作电极121的表面干净无杂质。由此，可以提高测试精度。需要说明的是，第一参比电极118和第二参比电极120也可以通过酒精进行擦拭。

待酒精挥发后，在第一工作电极119上涂抹碳导电胶并在第一工作电极119上粘贴气体扩散材料，在第二工作电极121上涂抹碳导电胶并在第二工作电极121上粘贴气体扩散材料。

具体地，待第一工作电极119、第二工作电极121、第一参比电极118、第二参比电极120上的酒精完全挥发后，可以在第一工作电极119上涂抹SPI碳导电胶，然后在第一工作电极119上粘贴上一层气体扩散材料，气体扩散材料可以为碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及炭黑纸等，优选地，气体扩散材料为GDL。由此，使得质子交换膜122的测试更加接近燃料电池的真实运行状态。

将裁切后的质子交换膜122放置在第一夹具114和第二夹具113之间，并使得第一参比电极118、第一工作电极119、第二参比电极120、第二工作电极121位于质子交换膜122的外周轮廓内。

具体地，首先参照第一夹具114、第二夹具113、第一工作电极119、第二工作电极121的对应尺寸裁切出相应大小的质子交换膜122。然后将质子交换膜122放置在第一夹具114和第二夹具113之间，在上下方向上，第一参比电极118、第一工作电极119、第二参比电极120、第二工作电极121均位于质子交换膜122外周轮廓边界的范围内。由此，使得质子交换膜122能够完全覆盖所有的电极并富有一定的余量，确保了测试的准确性。

按压第二夹具113以使第一夹具114和第二夹具113预夹紧质子交换膜122。具体地，可以通过手指轻轻按压第二夹具113，从而使得质子交换膜122初步夹紧固定在第一夹具114和第二夹具113之间。

调节顶压组件并使顶压组件向第二夹具113施加设定作用力以夹紧固定质子交换膜122。具体地，通过调整顶压组件的位置并使得顶压组件与第二夹具113顶压接触，从而实现质子交换膜122的夹紧固定，设定作用力即为顶压组件施加在第二夹具113上的作用力，由此，可以确保每次试验施加的作用力相一致，减小测量误差。

在一些实施例中，将各电极引线按顺序连接电化学工作站，将湿度传感器19、温度调节装置110与PC终端电性相连，然后从进气孔111通入氛围气氮气，通过高精度湿度传感器19提供的实时数据对仓体内的湿度进行控制，来维持仓体内湿度的恒定，通过温度调节装置110控制温度以控制仓体内温度的恒定。排气孔112为氛围气出气口并连接背压阀。最后将电化学工作站连接PC终端，运用相应软件测试阻抗并折算穿透电导率。在该膜测试系统的测试方法下，穿透电导率σ⊥由穿透内电阻R⊥（Ω）、膜厚L（cm）和电导率测试的有效面积0.5平方厘米决定：

以戈尔18 业膜（质子交换膜122）为例，最终测试并拟合的戈尔18 业膜内阻如表1所示。

表1 阻抗测试结果

从上述表格中可获知，通过采用本实施例的测试仓1和对应的测试方法，质子交换膜122的测量结果和官方给出的数据具有较高的重合度，本实施例的测试仓1和对应的测试方法对质子交换膜122电导率的测量精度较高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。