一種用於質子交換膜電導率測試的夾具的製作方法

2023-11-04 02:03:42

本發明涉及一種電導率的測試夾具，特別是涉及一種用於質子交換膜質子電導率測試的夾具，將它與電化學工作站結合，採用交流阻抗的方法進行膜質子、離子電導率的測定。

技術背景

如今，能源問題受到了廣泛關注，燃料電池則因其高的能量利用率、低的汙染排放物和安全全環保而成為新能源技術發展的重要方向。其中，質子交換膜燃料電池因其優良的性能而受到人們的廣泛關注並已實現小範圍的商業化。質子交換膜作為電池的重要組成部分，人們就膜的不同結構對其性能的影響進行了廣泛研究。在新型質子交換膜的性能測試中，電導率作為一個重要的參數常常需要被快速地檢測。但是，目前的質子交換膜電導率測試夾具仍有很多缺陷，如在測試過程中，質子交換膜會出現水汽結露、測試設備與電極連接時造成電壓電極與膜的接觸點發生移動而極易發生電極間距離的改變及接觸不良等現象，並且大多數測試用夾具都採用鍍鎳不鏽鋼鱷魚夾進行電極與導線之間的連接，在此，鍍鎳不鏽鋼鱷魚夾的質量將很大程度地影響測試結果。

目前，質子交換膜電導率的測試方法主要採用交流阻抗，其具體又分為兩電極法和四電極法。相對於兩電極法，四電極法具有操作方便、精確度高、對樣品尺寸無嚴格要求，並且四電極法還有一個很大的優點，即它不需要校準。所以很多科研人員都利用四電極的方法進行質子交換膜電導率的測定，但是其測試夾具中所存在的問題依舊沒有得到很好解決。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服已有的技術不足，提供一種結構簡單、操作方便、測量準確性高的質子交換膜電導率測試夾具。

為了達到上述發明目的，本測試夾具採用如下技術方案：

用於質子交換膜電導率測試的夾具，其特徵在於夾具由上、下兩個部分構成，上部稱為四電極固定架，包括上座及2個電壓電極固定板，上座開有用於電壓電極的金屬絲的貫穿孔、膜平展窗和觀察窗，下部稱為質子交換膜支撐底座，底座設置電壓電極固定接觸柱、膜平展窗、觀察窗和防水結露孔；

由鋁、銅等金屬箔，或碳布、碳紙等製成T形的電流電極，將2個T形的電流電極分別置於支撐底座上，保持電流導出端位於膜平展窗內。

將質子交換膜切割成寬10x長40 mm的條狀，橫跨支撐底座的2個電壓電極固定接觸柱，安放在支撐底座的T形電流電極之上。

安放四電極固定架，用4個螺絲將上、下兩部分鬆散結合，手持上下兩部分保持接觸，通過膜平展窗用鑷子調節膜、使之保持平展，旋緊螺絲將上、下兩部分緊固。

將用作電壓電極的金屬絲從四電極固定架頂部的椅背與椅面相交處的貫穿孔穿過，調整金屬絲尖端與支撐底座上的兩個電壓電極固定接觸柱的圓錐形尖端相抵、對齊，安裝椅背部的電壓電極固定板1，保持圓錐形尖端與金屬絲尖端處於相抵狀態，旋緊螺絲將電壓電極緊固。

折彎電壓電極金屬絲，或調整預先已折彎的電壓電極金屬絲，蓋上電壓電極固定板2，保持圓錐形尖端與金屬絲尖端處於相抵狀態，旋緊螺絲將電壓電極進一步緊固，然後進行電導率測定。

上述測試夾具中四電極固定架的基本形狀為椅形，且椅背及頂部位置有螺紋孔，分別用於以平板固定電壓電極。

上述測試夾具中，四電極固定架中的電壓電極分別在椅背部及頂部使用電壓電極固定板1及2兩次固定。

上述測試夾具中四電極固定架中兩個電壓電極與支撐底座中的兩個電極固定接觸柱對齊、相抵。

上述測試夾具中四電極固定架中的膜平展窗與支撐底座中的膜平展窗對齊，且窗的形狀可設計為楔形、方形、圓柱形等。

上述測試夾具中四電極固定架上的觀察窗與支撐底座上的觀察窗對齊。

上述測試夾具中在支撐底座電極固定接觸柱前後各有一個通孔作為防水汽結露孔。

根據權利要求1所述的用於質子交換膜電導率測試的夾具，其特徵在於：電極固定架和支撐底座通過四個螺絲將其緊固在一起，進行電導率的測定。

上述測試夾具中模具的製作材料可以根據使用溫度進行選擇，在低溫、高溫測定時選擇聚四氟乙烯、陶瓷等耐高溫絕緣材料，在中溫測定時除上述材料外，還可以選擇有機玻璃、工程塑料等。

本發明的基本原理：

將兩塊聚四氟乙烯模具利用螺絲緊固在一起，用於四電極膜電導率的測試。上部分四電極固定架包括上座及2個電壓電極固定板1、2，上座開有膜平展窗3、觀察窗4、電壓電極孔5及緊固螺孔6，下部分膜支撐底座上開有膜平展窗7、電極固定接觸柱8、觀察窗9、緊固螺孔10和防水節結露孔11。在測試過程中，將膜放在四電極固定架和膜支撐底座之間，電壓電極及電流電極與測試連接導線通過接線柱或鱷魚夾相連，電壓電極採用電壓電極固定板1及2兩次固定，保證了電壓電極與膜的接觸狀態及2電極間的位置和距離保持穩定、一致。電壓電極下端與膜支撐底座中的電極固定接觸柱8相抵，利用膜平展窗3或7將膜用鑷子拉平並用螺絲緊固後測量。在測試過程中，兩個電壓電極之間的膜為懸空狀態，並且在膜支撐底座中有兩個防水結露孔11可以很好地防止測試過程中膜上出現水汽結露現象。

本發明與現有技術相比較，具有以下優勢：

（1）本發明可以很好地應用於一定溼度的氣氛環境中測量並有效地防止水汽結露現象的出現；

（2）本發明多次測試過程中，不需要每一次測量兩電壓電極之間的距離，其值固定為膜支撐底座中電極固定接觸柱之間的距離，便於計算；

（3）本發明在支撐底座中引入電極固定接觸柱，可以確保電壓電極與膜及電極接觸柱之間良好的接觸，進而保證測試結果的準確性；

（4）本發明結構簡單，操作方便。

附圖說明

圖1是測試夾具四電極固定架的三維圖；

圖2是測試夾具質子交換膜支撐底座的三維圖；

圖3是測試夾具四電極固定架上座的各方向結構視圖；

圖4是測試夾具四電極固定架電壓電極固定板的各方向結構視圖；

圖5是測試夾具質子交換膜支撐底座的各方向結構視圖；

其中，1、2-電壓電極固定板，3-上座膜平展窗，4-上座觀察窗，5-電壓電極孔，6-螺孔，7-下座膜平展窗，8-電壓電極固定接觸柱，9-下座觀察窗，10-下座螺孔，11-防水結露孔。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合附圖對本發明進一步說明。

圖1、2是測試夾具三維圖，夾具包含上、下兩部分，上部分為聚四氟乙烯製作的電極固定架，其主要尺寸如下：輪廓尺寸為50*30*30 mm，電壓電極插入槽5直徑為0.5 mm，膜平展窗3為10*10*10 mm的楔形，觀察窗3為5*16 mm，電壓電極固定板使用M3的螺紋，四電極固定架上座及電壓電極固定板的各方向結構視圖如圖3、4所示；下部分為聚四氟乙烯膜支撐底座，其主要尺寸如下：輪廓尺寸為50*30*30 mm，兩電極固定接觸柱8間距為10 mm，膜平展窗7為10*10*10 mm的楔形，防水結露孔11的直徑為5 mm，觀察窗9為10*16 mm，上下部分利用M5的螺絲緊固，膜支撐底座的各方向結構視圖如圖5所示。

具體操作如下：

取兩根φ0.5*50 mm的Pt絲並將其插入電極插入槽中作為電壓電極，採取一定厚度的鋁箔作為電流電極，切割、摺疊成T形，取厚度0.2 mm，經過前處理，待測試用的膜，準確裁剪成長40*寬10 mm的測試條，並將其放在置於膜支撐底座上的T形電流電極上，保持電流電極的電流導出端位於膜平展窗內，安放四電極固定架上座，通過觀察窗調節膜的位置使其中線位於兩電極固定接觸柱所在的直線，利用螺絲使夾具上下兩部分鬆散結合，並使用鑷子在膜平展窗調節待測膜水平，旋緊螺絲緊固，調節Pt絲高度，使其與膜相接觸並與電極固定接觸柱相抵，然後利用電極固定板1將Pt絲電極固定，折彎電壓電極Pt絲，或調整預先已折彎的電壓電極Pt絲，蓋上電壓電極固定板2，保持圓錐形尖端與金屬絲尖端處於相抵狀態，旋緊螺絲將電壓電極進一步緊固，然後使用電化學工作站進行交流阻抗測試。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。