專利名稱：一種離子交換膜電導(dǎo)率的測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池中離子交換膜電導(dǎo)率的測定。
背景技術(shù)：
燃料電池被認定為是21世紀(jì)首選潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)倍受各國政府與大公司的重視離子交換膜是燃料電池的關(guān)鍵部件，它的性能直接影響電池的質(zhì)量。只有對離子交換膜的電導(dǎo)率進行準(zhǔn)確測量，才能客觀地評價其膜的性能，才能為深入研究其導(dǎo)電的物理一化學(xué)過程提供必要的科學(xué)依據(jù)。
離子交換膜不同于導(dǎo)體和一般電解質(zhì)，它是一種固體電解質(zhì)。在電場中，導(dǎo)體是靠電子移動而導(dǎo)電，電解質(zhì)里有正負離子相向移動而導(dǎo)電，而質(zhì)子交換膜可以認為負離子不移動，只有質(zhì)子的移動而導(dǎo)電。因此在研究和測量其導(dǎo)電性能時，就不能簡單地套用對導(dǎo)體和電解質(zhì)的研究測量方法，必須充分考慮電路和電極是導(dǎo)體，它們是靠電子移動而行成電流，而膜是靠質(zhì)子移動而行成電流，在電極與膜相接觸處是兩種不同的導(dǎo)電方式，其界面既有電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，又有電荷堆積，會產(chǎn)生一定的附加電壓，如果不排除這電壓的影響，會給測量帶來嚴重誤差，甚至錯誤。
早在20世紀(jì)60年代美國通用電氣公司研制出以離子交換膜為隔膜的質(zhì)子交換膜的燃料電池。而對離子交換膜的電導(dǎo)率測定也就相應(yīng)展開，陸續(xù)有了不少關(guān)于離子交換膜的導(dǎo)電性能的研究報導(dǎo)。如《Electropolymer Studies，II》1968年12期，115卷，1264-1270頁，對“聚苯乙烯磺酸交換膜電導(dǎo)率的研究”。其方法是用直流斷電法，主要是記錄膜的放電伏安曲線，采用這種方法會產(chǎn)生誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因有直流電的極化、膜內(nèi)離子的遷移引起離子濃度的變化以及放電伏安曲線的時間響應(yīng)等，該方法測量比較粗糙。又如《The Journal of Physical Chemistry》1994年第11期98卷2936-2940頁，報導(dǎo)了“聚酰亞胺離子傳導(dǎo)的交流阻抗研究”，其方法是給膜加上各種頻率的交流電，繪出阻抗復(fù)平面圖，從圖中半圓與實軸的交點來求得電阻，再計算電導(dǎo)率，用該方法測量電導(dǎo)率，產(chǎn)生誤差的主要原因有低頻電直流極化和膜內(nèi)離子的遷移引起離子濃度的變化，高頻時電路模型過于簡化，電極電路的影響嚴重。再如《Journal of Electroanaly Chemistry》1995年395卷67-73頁，報導(dǎo)了“用同軸探頭開口端測量膜的電導(dǎo)率”，其方法是用同軸探頭開口端壓緊膜，利用膜對微波的發(fā)射差異來分析計算膜的電導(dǎo)率，該方法產(chǎn)生誤差的主要原因有探頭與膜接觸的松緊引起膜厚度的變化，微波通過膜的隙漏與穿透等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述測量方法中出現(xiàn)的極化以及膜內(nèi)離子濃度的減小所引起測量的不足等，而提供一種簡單準(zhǔn)確的測量方法和裝置，消除這些因素的影響，減少系統(tǒng)誤差與偶然誤差，提高測量精度，并能準(zhǔn)確測出離子交換膜的電導(dǎo)率。該系統(tǒng)具有儀器簡單、操作方便，準(zhǔn)確測量離子交換膜導(dǎo)電性能。
由于電極與膜是不同的材料，其導(dǎo)電機理不一樣，膜在測量過程中，由于電場的作用，膜內(nèi)的離子不斷遷移，離子遷移到電極表面與電極發(fā)生反應(yīng)或堆積在電極表面，隨著時間的推移，離子遷移走的數(shù)量越來越多，膜內(nèi)離子的數(shù)量也就越來越少，膜內(nèi)離子濃度的變化，將引起電導(dǎo)率的變化，勢必會產(chǎn)生較大誤差。
本發(fā)明采用四電極系統(tǒng)，其目的是使測量電極與工作電極分開，減小測量電極上的電流，從而減小測量電極上的極化，使得測量更加精確。
本發(fā)明具體的測量方法是將離子交換膜兩端置于兩電解池中，使電解質(zhì)與離子交換膜組成一串聯(lián)電路，在電場的作用下，讓電流源通過電解液給膜提供電流，這樣電解質(zhì)中的離子會進入到離子交換膜內(nèi)，補充離子交換膜內(nèi)離子的流失，使膜內(nèi)離子深度不會迅速縮小，穩(wěn)定膜內(nèi)離子的。在測量膜上某兩點電壓時采用電壓補償方法，通過電壓補償，可使得測量電極上電流為零，達到徹底消除測量電極上的極化電壓的影響，補償電路由電壓源、電壓跟隨器、電壓比較器和示波器組成，調(diào)解電壓源的輸出電壓，使隨時間緩慢增加，同時由示波器記錄下比較器點的電壓波形，當(dāng)示波器上電壓波形發(fā)生相反時，此時因為電壓補償，測量電極上沒有電流流過，巧妙地避開了極化電壓的影響，從而達到電壓補償?shù)哪康?，采用補償方法測量膜的電壓、電流(由函數(shù)記錄儀記錄下電壓和電流，由歐姆定律求得電導(dǎo)率)。
本發(fā)明通過把膜的兩端置于盛有電解液的電解池內(nèi)，讓電流源通過電解液給膜提供電流。這樣可使電解液中的離子進入到膜內(nèi)，以致于膜內(nèi)離子濃度能得到一定的補充，使得膜內(nèi)離子濃度不會迅速減小，巧妙地克服了膜內(nèi)離子濃度的變化而引起的誤差。
本發(fā)明裝置，在電流源1的兩端連接加流電極5、并分別放在電解池3中、電解池3固定在絕緣支架2上待測離子交換膜4分別平放在支架2的兩端并置于電解池3中，使電解液與待測膜構(gòu)成一串聯(lián)電路，電壓跟隨器7、比較器8、電壓源9、示波器10構(gòu)成一補償電路。


圖1本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
電流源1、絕緣支架2、電解池3、待測離子交換膜4、加流電極5、測量電極6、電壓跟隨器7、電壓比較器8、電壓源9、示波器10。
具體實施例方式
本發(fā)明將通過具體實例和附圖進一步加以說明。
本發(fā)明的測量方法是裁一條寬度為D，厚度為d，一定長度的離子交換膜4，平放在支架2上，其兩端置于兩電解池3中，使電極5通過電解池與待測膜構(gòu)成一串聯(lián)電路3。電流源1通過電池和膜4提供適當(dāng)?shù)碾娏鱅，將測量電極6壓在相距1的待測膜4上，經(jīng)過電壓跟隨器，比較器8與電壓源9示波器10構(gòu)成一電壓補償電路。調(diào)整電壓源9的電壓使其電壓緩慢地增加，同時由示波器10記錄下比較器點i的電壓波形，當(dāng)示波器10上電壓波形發(fā)生反相時，記下電壓9的電壓U，由歐姆定律得電阻為R=UL]]>膜的電導(dǎo)率σ=LR·S=I·LU·d·D]]>以美國杜邦公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜Nafion117的電導(dǎo)率測量為例，該膜厚度為0.183mm，其具體測量方法為裁剪一條寬度為10mm，長約為10cm的膜，平放在支架2上。將膜的兩端置于有1M濃度的硫酸溶液的電解池3中，測量電極6壓在相距為5cm的膜表面。調(diào)整電流大小，從函數(shù)示波器測得膜4，電極6間的電壓為3.1伏，膜4中電流為1.0毫安。
由式得電導(dǎo)率σ=1.0×5×10-33.1×0.0183×1.0=0.088(S·cm-1)]]>
權(quán)利要求
1.一種離子交換膜電導(dǎo)率的測量方法，其特征在于采用四極測量系統(tǒng)，將工作電極和測量電極分開，首先將離子交換膜(4)的兩端置于兩電解池(3)中，使電極(5)通過電解質(zhì)(3)與離子交換膜(4)構(gòu)成一串聯(lián)電路，在電場作用下，電解質(zhì)(3)中的離子會進入離子交換膜(4)內(nèi)，以補充離子交換膜內(nèi)離子的流失，穩(wěn)定膜內(nèi)離子濃度，通過電壓補償，可以使測量電極(6)的電流為零，達到徹底消除測量電極上極化電壓的影響，補償電路由電壓源(9)、電壓跟隨器(7)、電壓比較器(8)和示波器(10)構(gòu)成，緩慢調(diào)節(jié)電壓源的輸出電壓，隨時間緩慢增加，從示波器觀察比較器輸出電壓，當(dāng)示波器的電壓波形發(fā)生反相時，表明測量電極上無電流，從而達到電壓補償?shù)哪康模捎醚a償方法測量膜的電壓、電流，由歐姆定律求出電導(dǎo)率。
2.一種離子交換膜電導(dǎo)率的測量裝置，其特征在于采用四電極測量，在電流源(1)的兩端連接加流電極(5)、并分別放在電解池(3)中、電解池(3)固定在絕緣支架(2)上，待測離子交換膜(4)平放在支架(2)的上面，兩端并置于電解池(3)中，使電解液與待測膜構(gòu)成一串聯(lián)電路，電壓跟隨器(7)、比較器(8)、電壓源(9)、示波器(10)構(gòu)成一補償電路。
全文摘要
一種離子交換膜電導(dǎo)率的測定方法和裝置，采用四電極系統(tǒng)，將待測膜兩端分別置于兩個盛有電解質(zhì)的電解池中，構(gòu)成一串聯(lián)電路，電流源通過電解質(zhì)給膜提供電流，電壓跟隨電路測取膜中間某兩點間的電壓，由函數(shù)記錄儀記錄下電壓和電流，由歐姆定律求得電導(dǎo)率。本發(fā)明的優(yōu)點在于排除了許多影響測量結(jié)果的因素，減小了誤差。提高了測量的可靠性。并且儀器簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號G01N27/04GK1392408SQ02115958
公開日2003年1月22日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者羅志平, 潘牧, 袁潤章, 張東方 申請人:武漢理工大學(xué)