專(zhuān)利名稱(chēng)：一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)試材料性能的裝置，特別是涉及一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
目前兼具電子、質(zhì)子電導(dǎo)性的混合荷電粉體材料，由于其能顯著優(yōu)化質(zhì)子交換膜燃料電池、水電解池膜電極的電子、質(zhì)子通道傳輸能力，進(jìn)而改善界面反應(yīng)特性，被大量研究者用于催化層修飾材料、催化劑載體材料。其中粉體材料的電子、質(zhì)子電導(dǎo)率性能的測(cè)量是評(píng)價(jià)粉體材料應(yīng)用過(guò)程中不可或缺的物性參數(shù)。因此通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)試優(yōu)化催化材料的選擇以及膜電極制備工藝對(duì)改善質(zhì)子交換膜燃料電池或水電解池的性能極其關(guān)鍵。目前測(cè)試粉體材料電導(dǎo)率的方法主要有壓塊法、四探針?lè)ǖ取Ｇ亻L(zhǎng)勇等在《華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表成果中，將ATO粉末加入壓片機(jī)空腔后，在一定壓力下成型獲得壓塊，然后通過(guò)萬(wàn)用電表測(cè)量壓塊兩端電阻值，計(jì)算獲得粉體電導(dǎo)率，該方法易于操作，但是誤差較大，不能測(cè)量混合荷電粉體材料的離子電導(dǎo)率；陳衛(wèi)忠等人在其發(fā)明專(zhuān)利中(申請(qǐng)?zhí)?200810216653.8)，先將被測(cè)粉體材料通過(guò)壓片機(jī)壓塊，并在壓塊兩側(cè)壓覆金屬粉末后連接測(cè)試裝置，通過(guò)直流分流法和交流阻抗法獲得了混合荷電粉體材料的電子、離子電導(dǎo)率，金屬粉末降低了壓塊與導(dǎo)線的接觸電阻，此方法測(cè)試精度較高，但是不能測(cè)量不同溫度、濕度下混合荷電粉體材料的電子、離子電導(dǎo)率特性。此外，對(duì)于混合荷電粉體材料所制備的膜電極兼具電子傳導(dǎo)和質(zhì)子電導(dǎo)性，且其厚度為70-200 μ m左右，需要較高的測(cè)試精度，溫度、濕度對(duì)膜電極的阻抗產(chǎn)生很大影響，更加大了膜電極阻抗的測(cè)試難度。大部分研究者對(duì)于膜電極阻抗的測(cè)試是在單池中進(jìn)行的，通過(guò)三電極法對(duì)工作電極進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，利用等效電路擬合得到的電子、質(zhì)子阻抗，此方法存在很大誤差，因?yàn)樵撟杩怪蛋€路、鹽橋至工作電極電解質(zhì)電阻等，不僅測(cè)試過(guò)程繁雜，還造成大量材料浪費(fèi)，測(cè)試成本較高。在諸多研究者 的工作基礎(chǔ)上，
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于解決粉體材料電導(dǎo)率與其所制備膜電極阻抗測(cè)試中存在的諸多問(wèn)題，提供一種粉體材料電子、質(zhì)子電導(dǎo)率以及由其制備膜電極阻抗測(cè)試裝置及方法。本實(shí)用新型借助所設(shè)計(jì)模具以及電化學(xué)工作站，獲得粉體材料電子、質(zhì)子電導(dǎo)率以及由其制備膜電極的阻抗。而且制樣步驟簡(jiǎn)單，誤差小，能更加真實(shí)的反映不同催化材料在不同溫度、濕度條件下的電子、質(zhì)子電導(dǎo)率大小。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置，該裝置包括上壓桿、上緊固螺桿、控溫套管、底座和下緊固螺桿；所述上壓桿的上端一側(cè)設(shè)有上接線柱，所述上壓桿的下端插入所述控溫套管內(nèi)，所述上壓桿與所述控溫套管通過(guò)所述上緊固螺桿固定，所述上壓桿與所述控溫套管接觸部分設(shè)置起到絕緣作用的聚四氟乙烯套管；[0008]所述下端底座的一側(cè)設(shè)有下接線柱，所述下端底座與所述控溫套管通過(guò)所述下緊固螺桿固定；所述上壓桿上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的上加濕通道，所述下端底座上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的下加濕通道。進(jìn)一步，所述上壓桿、上緊固螺桿、控溫套管、底座和下緊固螺桿的材質(zhì)為經(jīng)退火處理的316L不銹鋼，碳素鋼，軸承鋼或鉻12材質(zhì)。本實(shí)用新型的有益效果是:由于采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型提供的測(cè)試粉體材料電導(dǎo)率及其所制備膜電極阻抗的裝置可以測(cè)試粉體材料在不同溫度下、濕度下的電子、質(zhì)子電導(dǎo)率以及膜電極阻抗，測(cè)試操作簡(jiǎn)單，易于掌握；在獲得高精度的測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，測(cè)試過(guò)程沒(méi)有使用大型精密復(fù)雜設(shè)備，成本低廉。

圖1a為本實(shí)用新型測(cè)量裝置的測(cè)電子、質(zhì)子混合導(dǎo)電性應(yīng)用下的剖面示意圖。圖1b為本實(shí)用新型測(cè)量裝置的測(cè)試膜電極應(yīng)用下的剖面示意圖。圖2為被測(cè)電子、質(zhì)子混合導(dǎo)電性粉體壓塊的三明治結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為被測(cè)膜電極的三明治結(jié)構(gòu)示意圖。圖4a為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中交流阻抗測(cè)試的模擬等效電路圖。圖4b為本本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中交流阻抗測(cè)試的模擬等效電路的簡(jiǎn)化圖。圖5為依照實(shí)例I的粉體電導(dǎo)率測(cè)量模式獲得的不同溫度下ATO粉末的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。圖6照實(shí)例2的粉體電導(dǎo)率測(cè)量模式獲得的不同條件下混合荷電粉體材料ATO-SnP2O7粉末的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。附圖7依照實(shí)例3的膜電極阻抗測(cè)量模式獲得的不同混合荷電粉體制備膜電極的阻抗數(shù)據(jù)。圖中:1:上壓桿，2:上接線柱，3:緊固螺桿，4:控溫套管，5:聚四氟乙烯套管，6:上加濕通道，7:被測(cè)樣粉體壓塊，8:下加濕通道，9:下接線柱，10:底座，11:下緊固螺桿，
12:被測(cè)膜電極，71:上不銹鋼網(wǎng)，72:被測(cè)電子、質(zhì)子混合導(dǎo)電性粉體壓塊，73:下不銹鋼網(wǎng)，121:碳紙，122:陽(yáng)極催化層，123 =Nafion膜，124:陰極極催化層，125:碳紙。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1a和圖1b所示，本實(shí)用新型一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置，該裝置包括上壓桿1、上緊固螺桿3、控溫套管4、底座10和下緊固螺桿11 ；所述上壓桿I的上端一側(cè)設(shè)有上接線柱2，所述上壓桿I的下端插入所述控溫套管4內(nèi)，所述上壓桿I與所述控溫套管4通過(guò)所述上緊固螺桿3固定，所述上壓桿I與所述控溫套管4接觸部分設(shè)置起到絕緣作用的聚四氟乙烯套管5 ；所述下端底座10的一側(cè)設(shè)有下接線柱9，所述下端底座10與所述控溫套管4通過(guò)所述下緊固螺桿11固定；所述上壓桿I上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的上加濕通道6，所述下端底座10上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的下加濕通道8。本實(shí)用新型提供一種測(cè)試粉體材料電子、質(zhì)子電導(dǎo)率及其所制備膜電極阻抗的裝置，將粉體材料或者所制備膜電極置于被測(cè)樣小室，連接電化學(xué)工作站后通過(guò)直流極化曲線測(cè)試與交流阻抗測(cè)試分別獲得由電子傳導(dǎo)引起阻抗和由電子、質(zhì)子傳導(dǎo)引起的總阻抗，
并根據(jù)電導(dǎo)率公式計(jì)算可得粉體材料電子電導(dǎo)率以及總電導(dǎo)率(電子電導(dǎo)率與質(zhì)
R.S
子電導(dǎo)率共同影響)，其中I為電子電導(dǎo)率或總電導(dǎo)率，L為壓片厚度，R為電阻，S為壓片面積。上述的總阻抗等效于混合荷電粉體材料中電子、質(zhì)子傳導(dǎo)引起阻抗的并聯(lián)總阻抗，其等效電路可以參照附圖4a，其中Rint、Ri, Re分別為界面阻抗、電子傳導(dǎo)引起阻抗、質(zhì)子傳導(dǎo)引起阻抗，W為Warburg阻抗、Crall為空間幾何電容，Cint為界面電容。由于阻抗測(cè)試過(guò)程沒(méi)有電化學(xué)反應(yīng)以及界面阻抗和界面電容為定值，等效電路可以簡(jiǎn)化為附圖4b，總阻抗、電子阻抗、質(zhì)子阻抗的關(guān)系可通過(guò)等效電阻公式表示1@&=1/巧+1/式，其中電子阻抗、總阻抗分別
可通過(guò)直流極化曲線測(cè)試與交流阻抗測(cè)試獲得。實(shí)施例1將具電子導(dǎo)電性的ATO粉體材料進(jìn)行研磨，用200目網(wǎng)篩獲得一定粒度的粉體導(dǎo)電材料，稱(chēng)量0.5 g置于80°C真空干燥箱內(nèi)干燥12 h,壓塊。然后，將干燥的ATO粉體材料置于商業(yè)壓塊機(jī)中制備壓塊，壓塊直徑為10 mm，壓塊厚度由游標(biāo)卡尺測(cè)得。取出壓塊，將多孔的不銹鋼網(wǎng)-壓塊7-不銹鋼網(wǎng)按圖2組裝后，獲取三明治結(jié)構(gòu)的被測(cè)樣。如圖1a所示，將其 置于由上壓桿1、底座10和控溫套管4組成被測(cè)樣小室，通過(guò)上緊固螺桿2和下緊固螺桿11對(duì)壓塊7進(jìn)行壓緊，每個(gè)螺桿的扭矩為I N m。通過(guò)控溫套管4可控制測(cè)樣小室的測(cè)試溫度；通過(guò)加濕通道6和下加濕通道8控制測(cè)樣小室的濕度；將上接線2、下接線柱9采用二電極方式連接VMP2電化學(xué)工作站，進(jìn)行直流極化曲線測(cè)試，通過(guò)測(cè)量電流隨電壓的變化關(guān)系獲得其電子阻抗Re，再結(jié)合壓塊厚度L、壓塊上的
面積S，根據(jù)電導(dǎo)率計(jì)算公式J = 算得粉體電子電導(dǎo)率，最終獲得不同溫度下ATO粉體
R^S
材料的電子電導(dǎo)率。直流極化曲線測(cè)試過(guò)程電壓范圍為0-10 V，響應(yīng)電流大小范圍為0-2 A0如附圖5，通過(guò)控溫套管控制溫度，獲得不同溫度下ATO粉體材料的電導(dǎo)率，可以發(fā)現(xiàn)在隨著溫度的升高ATO粉體材料的電導(dǎo)率變化不，這是由于ATO為電子導(dǎo)電相，受溫度影響很小。實(shí)施例2測(cè)試材料則換為兼具電子、質(zhì)子導(dǎo)電性的ATO-SnP2O7混合荷電粉體材料，將粉體材料進(jìn)行研磨，用200目網(wǎng)篩獲得一定粒度的粉體材料，稱(chēng)量0.5 g置于80 °C真空干燥箱內(nèi)干燥12 h,待壓塊。將干燥的ATO-SnP2O7粉體材料置于商業(yè)壓塊機(jī)中制備壓塊，壓塊直徑為10 mm,壓塊厚度由游標(biāo)卡尺測(cè)得。[0039]取出壓塊，將多孔的不銹鋼網(wǎng)-壓塊-不銹鋼網(wǎng)按圖2組裝后，獲取三明治結(jié)構(gòu)的被測(cè)樣。如圖1a所示，將其置于將其置于由上壓桿1、底座10和控溫套管4組成被測(cè)樣小室，通過(guò)上緊固螺桿2和下緊固螺桿11對(duì)壓塊7進(jìn)行壓緊，每個(gè)螺桿的扭矩為I N m。通過(guò)控溫套管4可控制測(cè)樣小室的測(cè)試溫度；通過(guò)加濕通道6和下加濕通道8控制測(cè)樣小室的濕度；將上接線柱2、下接線柱9采用二電極方式連接VMP2電化學(xué)工作站，通過(guò)直流極化曲線測(cè)試與交流阻抗測(cè)試測(cè)量其電子阻抗和總阻抗，再結(jié)合壓塊厚度、壓塊截面積，根據(jù)等效電阻公式計(jì)算獲得質(zhì)子阻抗，最終獲得不同溫度、濕度下ATO-SnP2O7粉體材料的總電導(dǎo)率，電子以及質(zhì)子電導(dǎo)率。直流極化曲線測(cè)試過(guò)程電壓范圍為0-10 V，響應(yīng)電流大小范圍為0-2 A0交流阻抗測(cè)試的條件為其頻率范圍為10 Hz-100 KHz，振幅為10 mV。從附圖6可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于混合荷電粉體材料，溫度和濕度對(duì)其總電導(dǎo)率影響很大，這主要是由于混合荷電粉體材料中的質(zhì)子導(dǎo)電相的電導(dǎo)率隨著溫度升高增大,加濕環(huán)境下質(zhì)子導(dǎo)電相的電導(dǎo)率增大，進(jìn)而導(dǎo)致總電導(dǎo)率增大。通過(guò)等效電阻公式表示1/R^l/Ri+l/Re計(jì)算，表I為附圖6所測(cè)粉體材料在不同測(cè)試條件下的質(zhì)子電導(dǎo)率、電子電導(dǎo)率、總電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。表IATO-SnP2O7 中 SnP2O7 摻雜比例為 20%:
權(quán)利要求1.一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置，其特征在于，該裝置包括上壓桿(I)、上緊固螺桿(3)、控溫套管(4)、底座(10)和下緊固螺桿(11); 所述上壓桿(I)的上端一側(cè)設(shè)有上接線柱(2)，所述上壓桿(I)的下端插入所述控溫套管(4)內(nèi)，所述上壓桿(I)與所述控溫套管(4)通過(guò)所述上緊固螺桿(3)固定，所述上壓桿(O與所述控溫套管(4)接觸部分設(shè)置起到絕緣作用的聚四氟乙烯套管(5)； 所述下端底座(10)的一側(cè)設(shè)有下接線柱(9)，所述下端底座(10)與所述控溫套管(4)通過(guò)所述下緊固螺桿(11)固定； 所述上壓桿(I)上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的上加濕通道(6)，所述下端底座(10)上設(shè)有用于水蒸氣的進(jìn)出管道的下加濕通道(8 )。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試裝置，其特征在于，所述上壓桿(I)、上緊固螺桿(3)、控溫套管(4)、底座(10)和下緊固螺桿(11)的材質(zhì)為經(jīng)退火處理的316L不銹鋼，碳素鋼，軸承鋼或鉻 12材質(zhì)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型一種粉體材料電導(dǎo)率與膜電極阻抗的測(cè)試裝置，可滿(mǎn)足兩種測(cè)量模式。對(duì)于粉體材料電導(dǎo)率測(cè)量模式將制備的粉體壓塊被測(cè)樣置于被測(cè)樣小室，組裝模具進(jìn)行測(cè)試，分別獲得粉體的電子阻抗和總阻抗，結(jié)合阻抗并聯(lián)公式獲得質(zhì)子阻抗，計(jì)算獲得電子、質(zhì)子電導(dǎo)率，總電導(dǎo)率；對(duì)于膜電極阻抗測(cè)量模式，將制備的膜電極被測(cè)樣置于被測(cè)樣小室，組裝模具進(jìn)行測(cè)試，獲得膜電極的阻抗。本測(cè)試裝置配有控溫套管和加濕管道，可測(cè)試不同溫度以及濕度下的粉體材料電導(dǎo)率及膜電極阻抗。設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，測(cè)量結(jié)果精確；適合混合荷電粉體材料的電導(dǎo)率測(cè)試以及在模擬PEM水電解池環(huán)境中進(jìn)行膜電極阻抗測(cè)試，凸顯了本裝置的可行性、必要性以及重要性。
文檔編號(hào)G01R27/02GK203164294SQ20132008284
公開(kāi)日2013年8月28日 申請(qǐng)日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者王新東, 劉高陽(yáng), 許軍元, 劉桂成, 蔣鉅明, 王一拓, 彭冰霜 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)