一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置的製作方法
2024-03-21 00:32:05
專利名稱：一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測試材料性能的裝置，特別是涉及一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置。
背景技術：
目前兼具電子、質子電導性的混合荷電粉體材料，由於其能顯著優化質子交換膜燃料電池、水電解池膜電極的電子、質子通道傳輸能力，進而改善界面反應特性，被大量研究者用於催化層修飾材料、催化劑載體材料。其中粉體材料的電子、質子電導率性能的測量是評價粉體材料應用過程中不可或缺的物性參數。因此通過電導率測試優化催化材料的選擇以及膜電極製備工藝對改善質子交換膜燃料電池或水電解池的性能極其關鍵。目前測試粉體材料電導率的方法主要有壓塊法、四探針法等。秦長勇等在《華東理工大學學報》發表成果中，將ATO粉末加入壓片機空腔後，在一定壓力下成型獲得壓塊，然後通過萬用電錶測量壓塊兩端電阻值，計算獲得粉體電導率，該方法易於操作，但是誤差較大，不能測量混合荷電粉體材料的離子電導率；陳衛忠等人在其發明專利中(申請號:200810216653.8)，先將被測粉體材料通過壓片機壓塊，並在壓塊兩側壓覆金屬粉末後連接測試裝置，通過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、離子電導率，金屬粉末降低了壓塊與導線的接觸電阻，此方法測試精度較高，但是不能測量不同溫度、溼度下混合荷電粉體材料的電子、離子電導率特性。此外，對於混合荷電粉體材料所製備的膜電極兼具電子傳導和質子電導性，且其厚度為70-200 μ m左右，需要較高的測試精度，溫度、溼度對膜電極的阻抗產生很大影響，更加大了膜電極阻抗的測試難度。大部分研究者對於膜電極阻抗的測試是在單池中進行的，通過三電極法對工作電極進行交流阻抗測試，利用等效電路擬合得到的電子、質子阻抗，此方法存在很大誤差，因為該阻抗值包含線路、鹽橋至工作電極電解質電阻等，不僅測試過程繁雜，還造成大量材料浪費，測試成本較高。在諸多研究者 的工作基礎上，
發明內容本實用新型目的在於解決粉體材料電導率與其所製備膜電極阻抗測試中存在的諸多問題，提供一種粉體材料電子、質子電導率以及由其製備膜電極阻抗測試裝置及方法。本實用新型藉助所設計模具以及電化學工作站，獲得粉體材料電子、質子電導率以及由其製備膜電極的阻抗。而且制樣步驟簡單，誤差小，能更加真實的反映不同催化材料在不同溫度、溼度條件下的電子、質子電導率大小。本實用新型的技術方案是:一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置，該裝置包括上壓杆、上緊固螺杆、控溫套管、底座和下緊固螺杆；所述上壓杆的上端一側設有上接線柱，所述上壓杆的下端插入所述控溫套管內，所述上壓杆與所述控溫套管通過所述上緊固螺杆固定，所述上壓杆與所述控溫套管接觸部分設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設有下接線柱，所述下端底座與所述控溫套管通過所述下緊固螺杆固定；所述上壓杆上設有用於水蒸氣的進出管道的上加溼通道，所述下端底座上設有用於水蒸氣的進出管道的下加溼通道。進一步，所述上壓杆、上緊固螺杆、控溫套管、底座和下緊固螺杆的材質為經退火處理的316L不鏽鋼，碳素鋼，軸承鋼或鉻12材質。本實用新型的有益效果是:由於採用上述技術方案，本實用新型提供的測試粉體材料電導率及其所製備膜電極阻抗的裝置可以測試粉體材料在不同溫度下、溼度下的電子、質子電導率以及膜電極阻抗，測試操作簡單，易於掌握；在獲得高精度的測試結果的基礎上，測試過程沒有使用大型精密複雜設備，成本低廉。
圖1a為本實用新型測量裝置的測電子、質子混合導電性應用下的剖面示意圖。圖1b為本實用新型測量裝置的測試膜電極應用下的剖面示意圖。圖2為被測電子、質子混合導電性粉體壓塊的三明治結構示意圖。圖3為被測膜電極的三明治結構示意圖。圖4a為本實用新型具體實施方式
中交流阻抗測試的模擬等效電路圖。圖4b為本本實用新型具體實施方式
中交流阻抗測試的模擬等效電路的簡化圖。圖5為依照實例I的粉體電導率測量模式獲得的不同溫度下ATO粉末的電導率數據。圖6照實例2的粉體電導率測量模式獲得的不同條件下混合荷電粉體材料ATO-SnP2O7粉末的電導率數據。附圖7依照實例3的膜電極阻抗測量模式獲得的不同混合荷電粉體製備膜電極的阻抗數據。圖中:1:上壓杆，2:上接線柱，3:緊固螺杆，4:控溫套管，5:聚四氟乙烯套管，6:上加溼通道，7:被測樣粉體壓塊，8:下加溼通道，9:下接線柱，10:底座，11:下緊固螺杆，
12:被測膜電極，71:上不鏽鋼網，72:被測電子、質子混合導電性粉體壓塊，73:下不鏽鋼網，121:碳紙，122:陽極催化層，123 =Nafion膜，124:陰極極催化層，125:碳紙。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本本實用新型做進一步詳細說明。如圖1a和圖1b所示，本實用新型一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置，該裝置包括上壓杆1、上緊固螺杆3、控溫套管4、底座10和下緊固螺杆11 ；所述上壓杆I的上端一側設有上接線柱2，所述上壓杆I的下端插入所述控溫套管4內，所述上壓杆I與所述控溫套管4通過所述上緊固螺杆3固定，所述上壓杆I與所述控溫套管4接觸部分設置起到絕緣作用的聚四氟乙烯套管5 ；所述下端底座10的一側設有下接線柱9，所述下端底座10與所述控溫套管4通過所述下緊固螺杆11固定；所述上壓杆I上設有用於水蒸氣的進出管道的上加溼通道6，所述下端底座10上設有用於水蒸氣的進出管道的下加溼通道8。本實用新型提供一種測試粉體材料電子、質子電導率及其所製備膜電極阻抗的裝置，將粉體材料或者所製備膜電極置於被測樣小室，連接電化學工作站後通過直流極化曲線測試與交流阻抗測試分別獲得由電子傳導引起阻抗和由電子、質子傳導引起的總阻抗，
並根據電導率公式計算可得粉體材料電子電導率以及總電導率(電子電導率與質
R.S
子電導率共同影響)，其中I為電子電導率或總電導率，L為壓片厚度，R為電阻，S為壓片面積。上述的總阻抗等效於混合荷電粉體材料中電子、質子傳導引起阻抗的並聯總阻抗，其等效電路可以參照附圖4a，其中Rint、Ri, Re分別為界面阻抗、電子傳導引起阻抗、質子傳導引起阻抗，W為Warburg阻抗、Crall為空間幾何電容，Cint為界面電容。由於阻抗測試過程沒有電化學反應以及界面阻抗和界面電容為定值，等效電路可以簡化為附圖4b，總阻抗、電子阻抗、質子阻抗的關係可通過等效電阻公式表示1@&=1/巧+1/式，其中電子阻抗、總阻抗分別
可通過直流極化曲線測試與交流阻抗測試獲得。實施例1將具電子導電性的ATO粉體材料進行研磨，用200目網篩獲得一定粒度的粉體導電材料，稱量0.5 g置於80°C真空乾燥箱內乾燥12 h,壓塊。然後，將乾燥的ATO粉體材料置於商業壓塊機中製備壓塊，壓塊直徑為10 mm，壓塊厚度由遊標卡尺測得。取出壓塊，將多孔的不鏽鋼網-壓塊7-不鏽鋼網按圖2組裝後，獲取三明治結構的被測樣。如圖1a所示，將其 置於由上壓杆1、底座10和控溫套管4組成被測樣小室，通過上緊固螺杆2和下緊固螺杆11對壓塊7進行壓緊，每個螺杆的扭矩為I N m。通過控溫套管4可控制測樣小室的測試溫度；通過加溼通道6和下加溼通道8控制測樣小室的溼度；將上接線2、下接線柱9採用二電極方式連接VMP2電化學工作站，進行直流極化曲線測試，通過測量電流隨電壓的變化關係獲得其電子阻抗Re，再結合壓塊厚度L、壓塊上的
面積S，根據電導率計算公式J = 算得粉體電子電導率，最終獲得不同溫度下ATO粉體
R^S
材料的電子電導率。直流極化曲線測試過程電壓範圍為0-10 V，響應電流大小範圍為0-2 A0如附圖5，通過控溫套管控制溫度，獲得不同溫度下ATO粉體材料的電導率，可以發現在隨著溫度的升高ATO粉體材料的電導率變化不，這是由於ATO為電子導電相，受溫度影響很小。實施例2測試材料則換為兼具電子、質子導電性的ATO-SnP2O7混合荷電粉體材料，將粉體材料進行研磨，用200目網篩獲得一定粒度的粉體材料，稱量0.5 g置於80 °C真空乾燥箱內乾燥12 h,待壓塊。將乾燥的ATO-SnP2O7粉體材料置於商業壓塊機中製備壓塊，壓塊直徑為10 mm,壓塊厚度由遊標卡尺測得。[0039]取出壓塊，將多孔的不鏽鋼網-壓塊-不鏽鋼網按圖2組裝後，獲取三明治結構的被測樣。如圖1a所示，將其置於將其置於由上壓杆1、底座10和控溫套管4組成被測樣小室，通過上緊固螺杆2和下緊固螺杆11對壓塊7進行壓緊，每個螺杆的扭矩為I N m。通過控溫套管4可控制測樣小室的測試溫度；通過加溼通道6和下加溼通道8控制測樣小室的溼度；將上接線柱2、下接線柱9採用二電極方式連接VMP2電化學工作站，通過直流極化曲線測試與交流阻抗測試測量其電子阻抗和總阻抗，再結合壓塊厚度、壓塊截面積，根據等效電阻公式計算獲得質子阻抗，最終獲得不同溫度、溼度下ATO-SnP2O7粉體材料的總電導率，電子以及質子電導率。直流極化曲線測試過程電壓範圍為0-10 V，響應電流大小範圍為0-2 A0交流阻抗測試的條件為其頻率範圍為10 Hz-100 KHz，振幅為10 mV。從附圖6可以發現對於混合荷電粉體材料，溫度和溼度對其總電導率影響很大，這主要是由於混合荷電粉體材料中的質子導電相的電導率隨著溫度升高增大,加溼環境下質子導電相的電導率增大，進而導致總電導率增大。通過等效電阻公式表示1/R^l/Ri+l/Re計算，表I為附圖6所測粉體材料在不同測試條件下的質子電導率、電子電導率、總電導率數據。表IATO-SnP2O7 中 SnP2O7 摻雜比例為 20%:
權利要求1.一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置，其特徵在於，該裝置包括上壓杆(I)、上緊固螺杆(3)、控溫套管(4)、底座(10)和下緊固螺杆(11); 所述上壓杆(I)的上端一側設有上接線柱(2)，所述上壓杆(I)的下端插入所述控溫套管(4)內，所述上壓杆(I)與所述控溫套管(4)通過所述上緊固螺杆(3)固定，所述上壓杆(O與所述控溫套管(4)接觸部分設置起到絕緣作用的聚四氟乙烯套管(5)； 所述下端底座(10)的一側設有下接線柱(9)，所述下端底座(10)與所述控溫套管(4)通過所述下緊固螺杆(11)固定； 所述上壓杆(I)上設有用於水蒸氣的進出管道的上加溼通道(6)，所述下端底座(10)上設有用於水蒸氣的進出管道的下加溼通道(8 )。
2.如權利要求1所述的測試裝置，其特徵在於，所述上壓杆(I)、上緊固螺杆(3)、控溫套管(4)、底座(10)和下緊固螺杆(11)的材質為經退火處理的316L不鏽鋼，碳素鋼，軸承鋼或鉻 12材質。
專利摘要本實用新型一種粉體材料電導率與膜電極阻抗的測試裝置，可滿足兩種測量模式。對於粉體材料電導率測量模式將製備的粉體壓塊被測樣置於被測樣小室，組裝模具進行測試，分別獲得粉體的電子阻抗和總阻抗，結合阻抗並聯公式獲得質子阻抗，計算獲得電子、質子電導率，總電導率；對於膜電極阻抗測量模式，將製備的膜電極被測樣置於被測樣小室，組裝模具進行測試，獲得膜電極的阻抗。本測試裝置配有控溫套管和加溼管道，可測試不同溫度以及溼度下的粉體材料電導率及膜電極阻抗。設備簡單，易於操作，測量結果精確；適合混合荷電粉體材料的電導率測試以及在模擬PEM水電解池環境中進行膜電極阻抗測試，凸顯了本裝置的可行性、必要性以及重要性。
文檔編號G01R27/02GK203164294SQ20132008284
公開日2013年8月28日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者王新東, 劉高陽, 許軍元, 劉桂成, 蔣鉅明, 王一拓, 彭冰霜 申請人:北京科技大學