一种膜电导率测试装置及方法

技术领域

本发明属于膜电导率测试技术领域，特别涉及一种膜电导率测试装置及方法。

背景技术

现有的全钒液流电池在进行膜电导率的测试时全钒采用的装置非密封，温度的变化会造成溶液挥发改变液体浓度，测定条件发生改变进而影响数据的测量准确。传统测试每一次操作都会造成加液量的不同，进而会对空白阻值有所影响，传统的全钒液流电池在进行膜电导率的测试时容易受到外界环境或细小操作的影响导致电导率的测试不准确。

其次是和传统的测试燃料电池膜的四探针方式比较：传统方式是将膜浸没在纯水中，测试的是膜面内电导率，无法测得垂直方向电导率。考虑到液流电池的实际运行，跨膜方向的电导率更有价值。本发明提供一种实现跨膜电导率的测试装置和方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种膜电导率测试装置，所述装置包括第一模块、待测膜和第二模块，所述第一模块和所述第二模块紧贴所述待测膜两侧设置，其中，

所述第一模块和所述第二模块远离所述待测膜一侧均依次包括板框、铂电极和保温板，所述板框中部开设半槽圆孔，所述待测膜放置在所述板框上形成的所述半槽圆孔处。

进一步的，所述半槽圆孔直径≤48mm，所述板框厚度≤30mm。

进一步的，所述板框与所述铂电极之间设置有密封垫；

所述第一模块和所述第二模块相对设置的板框、铂电极和保温板通过螺栓、螺母连接。

进一步的，所述保温板上还设置加液孔，所述加液孔设置在所述保温板的两侧，两侧所述加液孔通过所述保温板内的空腔相连通。

进一步的，所述板框中形成液流通道，电解质溶液通过第一模块上的加液孔依次流经第一模块的板框、待测膜和第二模块的板框，从第二模块的加液孔流出。

进一步的，所述保温板上还开设凹槽，所述凹槽内放置测温单元用于测量所述测试装置内的温度。

本发明还提供一种膜电导率测试方法，所述方法包括：

组装并夹紧权利要求1-5任一项所述的膜电导率测试装置；

分别将电解质溶液充满不放置待测膜和放置待测膜的所述测试装置；

控制所述测试装置升温至目标温度，并依次测量所述测试装置的平均空白阻抗

根据平均空白阻抗

进一步的，根据平均空白阻抗

测试膜电阻：

测试膜面电阻：R

测试待测膜电导率：

进一步的，所述电解质溶液的电导率为0.1-1.5S/cm。

进一步的，所述目标温度为10-80℃。

进一步的，控制所述测试装置升温至目标温度，并依次测量所述测试装置的平均空白阻抗

将测试装置放入65℃的环境中，保持1h，使测试装置升温至目标温度；

将交流阻抗仪的正负极分别接在所述测试装置的两个导线处，依次测量所述测试装置的平均空白阻抗

测量的扫描频率为1Hz～10

本发明的膜电导率测试装置及方法，测试装置采用封闭系统，溶液密封在腔体中，不会产生随温度升高造成溶液挥发带来的影响，容积固定，加液量恒定，能够更加准确地测量阻抗。可以测量各种不同组分的溶液下的测试数据，增加测试装置的适用性，同时，本发明的测试装置能够对垂直方向膜的电导率进行测试，实现跨膜方向电导率测试；其次本装置即可实现跨膜电导率的测试。传统的测量方式是将膜浸没在纯水中，测试的是膜面电导率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中的膜电导率测试装置结构示意图；

图2示出了本发明实施例中膜电导率测试装置组装完成示意图；

图3示出了本发明实施例中膜电导率测试装置组装完成内部结构示意图；

图4示出了本发明实施例中板框第一通道侧立体结构示意图；

图5示出了本发明实施例中板框第四通道侧立体结构示意图；

图6示出了本发明实施例中板框第一通道侧平面结构示意图。

图中：1-待测膜；2-铂电极；3-加液孔(加液孔a、加液孔b、加液孔c、加液孔d)；4-保温板；5-板框；6-第一通道；7-第二通道；8-第三通道；9-第四通道；10-进液孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中2的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。

本发明利用高频交流扫描技术测定阻抗，通过快速改变施加在膜两侧的电压方向，消除浓差极化所带来的误差。离子传导膜可以看作带正电荷或带负电荷的固体电解质体系，存在于膜和溶液界面的双电层可以等效为物理电容，两者共同组成电阻与电容的串联等效电路。使用电化学工作站的交流阻抗法，分别测定电解质溶液阻抗值，以及膜和电解质溶液两者之和的阻抗值，扣除电解质溶液阻抗值后，可以得到膜面电阻值。

本发明实施例中提供一种膜电导率测试装置，所述装置包括第一模块、待测膜和第二模块，所述第一模块和所述第二模块紧贴所述待测膜设置，其中，所述待测膜1放置在所述第一模块和所述第二模块中部开设的半槽圆孔中；所述第一模块和所述第二模块远离所述待测膜1一侧均依次包括板框5、铂电极2和保温板4，所述板框5中部开设所述半槽圆孔，所述待测膜1放置在所述板框5上形成的所述半槽圆孔中。所述板框5与所述铂电极2之间设置有密封垫；所述第一模块和所述第二模块相对设置的板框5、铂电极2和保温板4通过螺栓、螺母连接。所述保温板4上还设置加液孔3，所述加液孔3设置在所述保温板4的两侧，两侧所述加液孔3通过所述保温板内的空腔相连通，所述板框5中形成液流通道，电解质溶液通过第一模块上的加液孔3依次流经第一模块的板框5、待测膜1和第二模块的板框5，从第二模块的加液孔3流出。

本发明实施例中还对板框5的结构进行说明，板框5的一侧设置有相隔设置的第一通道6和第二通道7，第一通道6和第二通道7之间设置有与板框5另一侧相通的第三通道8，如图4和图6所示，图4示出了本发明实施例中板框第一通道侧立体结构示意图，图6示出了本发明实施例中板框第一通道侧平面结构示意图，图中，板框5的另一侧设置有第四通道9，第四通道9设置与第三通道8贯通设置，第四通道9与第一通道6和第二通道7设置在板框5两侧，并且两侧的通道同一条直线并且倾斜角度相同设置，第一通道6/第二通道7靠近第三通道8一侧与第四通道9远离第三通道8一侧相连通，图5示出了本发明实施例中板框第四通道侧立体结构示意图；测试时，两个板框5第一通道6一侧相对设置，此时，两个板框5的两个第一通道6和两个第二通道7交叉设置，电解质溶液或其他液体流入时，先从第一通道6的背面相对处靠近板框5的对角处流入第一通道6，当电解质溶液充满第一通道6后从靠近第三通道8一侧流入背面的第四通道9内，电解质溶液充满第三通道8和第四通道9，由于两个板框5通过第三通道8贯通，电解质溶液从一侧板框5的第三通道8流入另一侧板框5的第三通道8，电解质溶液在另一侧板框5一侧先充满第三通道8和第四通道9，并进一步从第四通道9流入板框5背面的第二通道7。本发明实施例中在进行测试时，待测膜1设置在两个板框5的半槽圆孔处，电解质溶液可以通过待测膜1从两个板框5之间的第四通道9流过。本发明实施例中待测膜1放置在两个板框5靠近第一通道6一侧的第三通道8处，两个板框5紧压待测膜1。

本发明实施例中，安装完成后，板框5与保温板4紧密设置，保温板4上设置加液孔3，还设置有与加液孔贯通设置的进液孔10，进液孔10与板框5第一通道6靠近板框侧壁一侧相连通。

本发明实施例中，待测膜1为离子交换膜，实际应用过程中，待测膜的种类并不做具体的限制，在不脱离本发明实施例中的对膜电导率的测试装置及方法的前提下，仅对待测膜种类的改变也在本发明实施例的保护范围之内。

图1示出了本发明实施例中的膜电导率测试装置结构示意图，图1中，保温板4的两侧设置并位于保温板4的上下两端均设置有加液孔3，保温板4上开设放置槽，铂电极2设置在放置槽中，本发明实施例中，铂电极2的形状为椭圆形带支杆的设计，实际应用中，铂电极的形状不做具体的限制，只要能够更准确的测量膜电导率的形状均在本发明实施例的保护范围之内。本发明实施例中，铂电极2的放置可以位于保温板4上，还可以设置在板框5第四通道9一侧，图1中表示的是两个铂电极2，一个设置在保温板4的放置槽内，一个设置在板框5表面的凹陷内，实际应用过程中，两个铂电极2可以都设置在保温板4的放置槽中，也可以同时放置在板框5第四通道9一侧，本发明对铂电极2的位置设置不做具体的限制。保温板4内部呈中空设置，板框5上开设有液流通道，板框5上开设有半槽圆孔，本发明实施例中，半槽圆孔直径≤48mm，板框厚度≤30mm，优选的，本发明实施例中，半槽圆孔直径选自12mm，板框厚度选自2mm。该优选的尺寸只是示例性说明，实际应用过程中，电导率测试装置中半槽圆孔直径小于等于48mm，板框厚度小于等于30mm的范围均在本发明实施例的保护范围之内。

圆孔直径越大，待测膜试样的阻值越小，两槽深厚度越大，溶液空白阻值越大，本发明实施例中，通过待测膜试样阻值与溶液空白阻值两数相除的比值大小判断待测膜电导率测试的准确性，两数相除的比值越大，待测膜电导率测试的准确性越高。若圆孔直径增大，则板框厚度需进一步减小，本发明实施例中，考虑到半槽圆孔直径与极板间距之间的关系，将半槽圆孔厚度与板框的厚度设置在合适的范围，使得待测膜的电导率的测试结果更加的准确，实际应用过程中，测试装置中有关调整半槽圆孔直径与板框间距的关系的内容，也在本发明的保护范围之内。目前的数值是考虑加工精度的最优选择。由于交流阻抗仪的测试精度，溶液的空白阻值越大，膜试样阻值的占比越小，测量不准确。同理，直径越大，膜阻值越小，膜占空白测试阻值的占比越小，测试准确度越低。

本发明实施例中，保温板4上还开设有凹槽，凹槽的设计可以实现将热电偶插入腔体内部，可以更加准确的测定装置的实际温度。

本发明实施例中，保温板4的两侧设置并位于保温板4的上下两端均设置有加液孔3，图3示出了本发明实施例中膜电导率测试装置组装完成内部结构示意图，图3中，第一模块上的保温板4上下两端包括加液孔a和加液孔d，第二模块上的保温板4上下两端包括加液孔c和加液孔b，加液孔a通过保温板4内的空腔和板框5上的液流通道分别与加液孔b、加液孔c和加液孔d相连通，本发明实施例中在测试装置中充满电解质溶液时，可以控制任意两个加液孔的闭合控制电解质溶液充满测试装置，加液孔的闭合顺序并不做具体的限制，只要能够将测试装置中充满电解质溶液的注液方式均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例中，第一模块上的保温板4上的加液孔a与加液孔d进行液体流通时，从加液孔a进入的电解质溶液经过进液孔10进入第一通道6，按照溶液流通顺序应该是先充满第四通道9靠近加液孔a的一侧再充满第三通道8，然后再是远离加液孔a的的另一侧通道9，第四通道9远离加液孔a处进液孔10一侧与第二通道7相连通，电解质溶液流入第二通道7，第二通道与加液孔d处的进液孔10贯通，使得从加液孔a进入的电解质溶液从加液孔d流出。其他电解质溶液从加液孔a流入，从加液孔b和加液孔c流出的方式与前述描述两个板框5之间电解质溶液的流动方式类似，在此不再赘述。本发明实施例中，在进行加液时，各个加液孔中插入注射器，注射器内灌入适量溶液，直至将测试装置中充满电解质溶液，本发明实施例中插入注射器进行注液的方式只是示例性说明，实际应用过程中，对注液的方式不做具体的限制。

本发明实施例中还对测试装置的安装进行具体的说明，先安装一侧，首先在该侧保温板上方叠加放置一片金属铂电极，之后给一片板框装好密封垫，然后翻过来叠加放置到该铂电极上，最后板框上方再叠加放置离子交换膜。然后再安装另一侧，先后叠放第二块板框，密封垫和第二篇铂电极，最后另一片保温板，按压边缘，确保铂电极恰好完全放置于放置槽中，上螺栓螺母紧固，安装好的测试装置如图2所示。

本发明实施例中对膜电导率的测试方法进行具体的说明：

一、仪器

交流阻抗仪、本发明实施例中的测试装置。

需要说明的是，本发明实施例中的测试仪器并不限定于交流阻抗仪，实际应用过程中，任何满足本试验原理和技术条件的试验设备均可采用，均在本发明实施例的保护范围之内。

二、样品、试剂

3mol/L盐酸水溶液，直径12mm的待测膜。

本发明实施例中，待测膜的直径只是示例性说明，实际应用过程中，待测膜的直径可以更大或者更小，该尺寸是配合前面圆孔直径来的，根据密封垫圈确定的，该值可以修改，本发明的直径12mm是针对该组分电解质溶液和温度条件优化的最佳条件，可以换成其他尺寸，在不脱离本发明实质内容的前提下，仅对待测膜直径的改变也在本发明实施例的保护范围之内。本发明实施例中，电解质溶液选自盐酸水溶液，浓度为3mol/L，具体的，本发明实施例中电解质溶液的电导率为0.1-1.5S/cm，实际应用过程中，电解质溶液及其浓度可以有多种，例如：盐酸、氢溴酸水溶液、氢碘酸、硫酸、硝酸、高氯酸、氯酸等。

三、条件

本检测方法在65℃的条件下测定；利用电化学工作站进行测试，参数设置如下：检测方法：交流阻抗法；扫描频率：1Hz～105Hz；振幅：5mV；初始电平：略高于0V。

本发明实施例中，该检测温度可为10-80℃，实际操作过程中，可以根据待测膜的种类及检测溶液的不同对检测温度进行改变，可以根据测试需要选取合适的温度，在不脱离本发明实质内容的前提下，仅对检测温度的改变也在本发明实施例的保护范围之内。

四、测试步骤

a、将测试装置组装，夹紧；

b、用止水夹将一侧的加液孔(a)和加液孔(b)封住，用针管从另一侧加液孔(c)推入3.0mol/L的HCl溶液，直至溶液经过板框5的液流通道从加液孔(d)流出，将加液孔(d)用止水夹封住。将加液孔(b)的止水夹打开，持续从加液孔(c)推入3.0mol/L的HCl溶液；直至溶液从加液孔(b)流出，将加液孔(b)用止水夹封住。将加液孔(a)的止水夹打开，持续从加液孔(c)推入3.0mol/L的HCl溶液；直至溶液从加液孔(a)流出，将加液孔(a)用止水夹封住。将加液孔(c)用止水夹封住，将针管取下。保证整个测试装置腔体内充满了3.0mol/L的HCl溶液，并处于密封状态。该操作根据测试装置的设计有所不同，满足将3.0mol/L的HCl溶液充满测试装置的条件即可。

c、将测试装置放入65℃的环境中，保持1h；使测试装置升温至目标温度。记录放入环境的时间。

d、将交流阻抗仪的正负极分别接在测试装置的两个导线处；测试装置阻抗，测试完成后读取与实轴相交的、高频区的电阻值，放入65℃环境后后每3分钟测量一次空白阻抗值，并记录测试时间。

e、重复测量，直至阻值稳定，取稳定后的连续三次阻值的平均值即为测试装置的空白阻抗R1。

f、将盐酸溶液排空后，拆开测试装置。将预处理后的膜试样夹在两半槽圆孔的中间，将测试装置组装，夹紧。

g、用针管从另一侧加液孔(a)推入3.0mol/L的HCl溶液，直至溶液从加液孔(b)流出，将加液孔(a)和加液孔(b)用止水夹封住。用针管从另一侧加液孔(c)推入3.0mol/L的HCl溶液，直至溶液从加液孔(d)流出，将加液孔(c)和加液孔(d)用止水夹封住。保证整个测试装置腔体内充满了3.0mol/L的HCl溶液，并处于密封状态。该操作根据测试装置的设计有所不同，满足将3.0mol/L的HCl溶液充满测试装置的条件即可。

h、将测试装置放入65℃的环境中，保持1h；使测试装置升温至目标温度。记录放入环境的时间。

i、将交流阻抗仪的正负极分别接在测试装置的两个导线处；测量测试装置阻抗，测试完成后读取与实轴相交的、高频区的电阻值，放入65℃环境后每3分钟测量一次空白阻抗值，并记录测试时间。

j、重复测量，直至阻值稳定，取稳定后的连续三次阻值的平均值即为安装了膜试样的测试装置的阻抗值R

k、重复测量3次，记录测试装置的平均空白阻抗

五、数据处理

测试膜电阻：

测试膜面电阻：R

测试待测膜电导率：

为了更好的体现本发明的测试装置及测试方法测量待测膜电导率的准确性，通过设置不同的实施例并分别对测试时的工艺参数进行控制，作为对比，还分别设置了不符合本发明范围的测试装置、工艺参数作为对比例。表1为本发明的实施例与对比例的工艺参数设置及测量数据，从表中可以看出，采用本发明的测试装置及测试工艺，提高待测膜电导率测量的准确性。

表1

对比实施例1与对比例1，在测量的电解质溶液及其浓度相同的情况下，将测量温度设置为变量，通过膜阻值/空白阻值的比值可以看出，相同待测膜对比例中的溶液的空白阻值的占比大于膜试样阻值的占比，对比例1中的膜电导率的测量结果不准确，本发明实施例1、实施例2中半槽圆孔的直径为12mm、板框厚度为2mm。

将对比例1中的两侧测量结果进行对比，在测量的电解质溶液种类、电解质溶液浓度、测量温度等测量参数均相同的情况下，同一种待测膜的两次测量结果得到的膜阻值存在较大的差值，测量的电导率结果及其不稳定。

本发明的膜电导率测试装置及方法，测试装置采用封闭系统，溶液密封在腔体中，不会随着温度的升高产生溶液挥发带来的影响，容积固定，加液量恒定，能够更加准确的测量阻抗。可以测量各种不同组分的溶液下的测试数据，增加测试装置的适用性，同时，本发明的测试装置能够对垂直方向膜的电导率进行测试，实现跨膜方向电导率测试；其次本装置即可实现跨膜电导率的测试。传统的测量方式是将膜浸没在纯水中，测试的是膜面电导率。

在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“优选实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，所述替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。