Nafion质子交换膜电阻测量
来源：科思特仪器
发布时间：2016-05-12
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用质子交换膜(PEM)做电解质，其性能直接影响PEMFC的电池性能、能量效率和使用寿命，而质子交换膜的质子导电性能是衡量PEM性能的一个重要指标。对质子交换膜具体的质子传输机理的认识还有待深入，研究质子膜的电性能，对探讨质子在质子交换膜中的传递机理也有重要意义。
本文采用交流阻抗方法进行测试，其原理是：对电化学体系施以小振幅的对称的正弦波电信号扰动并同时测量其响应，响应信号与扰动信号的比值称阻抗或导纳。测出不同频率的阻抗实部和虚部，得到一系列数据点，构成阻抗谱图，通过对阻抗谱图分析可以计算膜的电阻R。由于电极中的电解质在交变电场的作用下。在平衡位置作简谐振动，正、负离子不会长时间向一个方向移动，同时交变电场也使电极上的双电荷层减少。因此减小了极化的影响。
采用CS350电化学工作站进行阻抗测量，正弦波幅值为10mV,直流极化幅值为0V vs OCP, 扫描频率范围105～10-2Hz, 10点/10倍频程。测试夹具如图1所示，其中两个不锈钢板采用强力弹簧夹夹住，以保证不锈钢板与薄膜的紧密接触，测试结果见图2～图3。
数据分析
根据阻抗谱特征，采用图4所示的简单等效电路进行分析，计算结果参见表1.
从表中的计算结果来看，膜的电导（电阻的倒数）大小顺序为：1#>3#> 4#> 2#，即1#和3#的导电性较好。
从Rf分析结果来看，膜内离子浓度（酸值）的高低顺序为：3#>4#> 1#> 2#，即3#和4#的含酸量更高。
再从Cf看，3#膜的电容值更大，表明3#膜内离子浓度（酸值）更高，介电常数更大。最小的为2# 膜，表明2#膜的介电常数较小，即膜内的自由酸值是更低的，这与Rf 的分析是一致的。
本文采用交流阻抗方法进行测试，其原理是：对电化学体系施以小振幅的对称的正弦波电信号扰动并同时测量其响应，响应信号与扰动信号的比值称阻抗或导纳。测出不同频率的阻抗实部和虚部，得到一系列数据点，构成阻抗谱图，通过对阻抗谱图分析可以计算膜的电阻R。由于电极中的电解质在交变电场的作用下。在平衡位置作简谐振动，正、负离子不会长时间向一个方向移动，同时交变电场也使电极上的双电荷层减少。因此减小了极化的影响。
采用CS350电化学工作站进行阻抗测量，正弦波幅值为10mV,直流极化幅值为0V vs OCP, 扫描频率范围105～10-2Hz, 10点/10倍频程。测试夹具如图1所示，其中两个不锈钢板采用强力弹簧夹夹住，以保证不锈钢板与薄膜的紧密接触，测试结果见图2～图3。
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图1.隔膜电阻测试示意图
（其中“WE”接工作站的黑色护套夹，而“CE”和“RE”分别接在红色和黄色护套夹上，即为两电极测量模式）
（其中“WE”接工作站的黑色护套夹，而“CE”和“RE”分别接在红色和黄色护套夹上，即为两电极测量模式）
图2.四种Nafion隔膜EIS测试结果（Nyquist图）
图3.四种Nafion隔膜EIS测试结果（bode图），相位+模～频率曲线
从图2和图3来看，2#膜的阻抗环更大，而3#膜的阻抗环最小。数据分析
根据阻抗谱特征，采用图4所示的简单等效电路进行分析，计算结果参见表1.
图4. 用于EIS数据分析的简单的等效电路，其中Rs为膜电阻，Rf为膜内电荷传递电阻，Cf为膜电容。
根据文献的介绍，一般以10kHz～1kHz正弦波所对应的阻抗模作为膜电阻Rs，因此表1中所列数据均为10kHz对的阻抗模。Rf可以反映膜内离子基团（-SO3H）迁移的自由度，其活性越高，则Rf越小。而Cf则反映了质子交换膜的厚度和介电常数的大小，膜厚度越大，则Cf越小，同时膜的介电常数e越小（膜内离子基团浓度越低则介电常数越小），则其电容值也越小。Cf-T一般反映膜内离子通道分布的均匀程度，膜内部结构越均匀，则该值越大。
表1. 不同类型交换膜的主要拟合参数
| Type of films | 1# | 2# | 3# | 4# |
| Rs(10kHz) W.cm2 | 855 | 1895 | 871 | 1012 |
| Rf W.cm2 | 1.7928E6 | 2.3682E6 | 768610 | 1.2358E6 |
| Cf uF/cm2 | 3.2934E-7 | 1.0199E-7 | 7.2074E-7 | 2.0055E-7 |
| Cf-T | 0.73971 | 0.77065 | 0.6707 | 0.76951 |
从表中的计算结果来看，膜的电导（电阻的倒数）大小顺序为：1#>3#> 4#> 2#，即1#和3#的导电性较好。
从Rf分析结果来看，膜内离子浓度（酸值）的高低顺序为：3#>4#> 1#> 2#，即3#和4#的含酸量更高。
再从Cf看，3#膜的电容值更大，表明3#膜内离子浓度（酸值）更高，介电常数更大。最小的为2# 膜，表明2#膜的介电常数较小，即膜内的自由酸值是更低的，这与Rf 的分析是一致的。
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