一種多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置及其應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液汽遷移通量測定的領(lǐng)域，具體為測量液汽在溫度梯度的驅(qū)動下，在單位時間單位面積內(nèi)通過多孔介質(zhì)從高溫處遷移至低溫處的量。
【背景技術(shù)】
[0002]由于燃料電池各組件的熱導(dǎo)率不同，各組件周圍的溫度環(huán)境也有差別，在燃料電池降溫的過程中各組件存在溫度差，導(dǎo)致各組件中的水的化學(xué)勢不同，水汽將會從化學(xué)勢高的區(qū)域向化學(xué)勢低的區(qū)域遷移。燃料電池的電極是多孔介質(zhì)，上面所說的水汽遷移必定通過多孔介質(zhì)。通過燃料電池用多孔介質(zhì)的水汽遷移通量的測定，對于了解燃料電池在降溫過程中的水汽重新分布有重要意義，從而可以指導(dǎo)電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計，達(dá)到燃料電池低溫儲存及低溫啟動的目的。具體來說就是單電池中極板的熱導(dǎo)率較膜電極的高，故在降溫過程中極板溫度要比膜低，在溫度梯度的驅(qū)動下，水汽會通過擴散層從膜電極向流道遷移，減少在電極中的存水量，降低水結(jié)冰對電極的破壞。
[0003]文獻(Journalof The Electrochemical Society, 158(2011),B303)中對水汽通量的測量利用單電池裝置進行測量，測試樣品為MEA，在樣品兩側(cè)通入溫度各異的增濕氣體或液態(tài)水。此方法較復(fù)雜，當(dāng)測試樣品為擴散層時，不能排除強制對流對水汽通量的影響，故不利于分析MEA各個組成部分對水汽遷移通量的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明了一種在不同溫度梯度下液體通過多孔介質(zhì)的遷移量。
[0005]為實現(xiàn)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置，包括第一加熱板、液腔、樣品架、汽腔和第二加熱板；
[0007]液腔和汽腔分別為二個密閉的腔體，于液腔的內(nèi)壁面和汽腔的內(nèi)壁面上分別設(shè)有通孔，作為液腔開口和汽腔開口 ；
[0008]于液腔外壁面上設(shè)有第一加熱板，所述第一加熱板用于為液腔加熱；于汽腔外壁面上設(shè)有第二加熱板，所述第二加熱板用于為汽腔加熱；
[0009]所述樣品架為中空結(jié)構(gòu)，用于固定待測多孔介質(zhì)；所述液腔和汽腔分別置于待測多孔介質(zhì)兩側(cè)；且液腔開口和汽腔開口分別對應(yīng)于樣品架中的多孔介質(zhì)。
[0010]所述液腔開口與所述汽腔開口形狀大小相同；所述液腔外壁面上設(shè)置有液體進口和液體出口 ；所述汽腔外壁面上設(shè)置有汽體出口。
[0011]所述液腔上的液體進口經(jīng)導(dǎo)管與一不帶有刻度的或帶有刻度的容器相連，用于測量測試過程中的液體遷移量。
[0012]所述液腔開口與所述汽腔開口相對設(shè)置；于液腔開口和汽腔開口的開口端面上分別設(shè)有環(huán)形凹槽，開口處于環(huán)形凹槽包圍的區(qū)域內(nèi)；樣品架兩端分別扣合于液腔和汽腔開口端面的凹槽中。
[0013]所述樣品架為二個環(huán)形支架，二個環(huán)形支架分別相對置于待測多孔介質(zhì)的上下兩偵U，環(huán)形支架與待測多孔介質(zhì)緊密貼接；
[0014]液腔和汽腔分別置于二個環(huán)形支架遠(yuǎn)離待測多孔介質(zhì)的一側(cè)；且液腔開口和汽腔開口分別對應(yīng)于環(huán)形支架的中空部位。
[0015]于樣品架與液腔和汽腔之間分別設(shè)置有用于密封的密封環(huán)。
[0016]所述密封環(huán)的材料為聚硫橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯中的一種。
[0017]所述液腔與所述汽腔均為良導(dǎo)熱性材料，且所述液腔與所述汽腔可通過固定部件固定。
[0018]所述良導(dǎo)熱性材料為不銹鋼、鋁合金或?qū)崾凰龉潭ú考槁菟ê吐菽傅慕M合或夾緊板。
[0019]所述液腔上有第一加熱板，所述汽腔下有第二加熱板，第一加熱板固定在液腔上壁面上，第二加熱板固定在汽腔下壁面上。
[0020]第一加熱板和/或第二加熱板為不銹鋼電加熱板、陶瓷電加熱板、鑄鋁電加熱板、鑄銅電加熱板中的一種。
[0021]所述多孔介質(zhì)與待測液體不發(fā)生反應(yīng)；所述待測液體飽和蒸汽壓所產(chǎn)生的壓力需大于蒸汽穿過多孔介質(zhì)時多孔介質(zhì)產(chǎn)生的阻力。
[0022]所述多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置測量液汽遷移量的方法，包括以下步驟，
[0023](I)將待測多孔介質(zhì)置于樣品架中，將第一加熱板、液腔、固定有多孔介質(zhì)的樣品架、汽腔和第二加熱板依次組合后固定；
[0024](2)通過液體進口向液腔中加注液體；
[0025](3)用第一加熱板和第二加熱板分別加熱液腔和汽腔，使液腔和汽腔溫度相等，一段時間后測量液腔中液體的消耗量或汽腔中液體和汽體合計增加量，記為V1，所用時間記為t1;則單位時間內(nèi)液汽遷移量為V1A1 ；
[0026](4)用第一加熱板和第二加熱板分別加熱液腔和汽腔,使液腔溫度高于汽腔，液腔和汽腔有一溫差，一段時間后測量液腔中液體的消耗量或汽腔中液體和汽體合計增加量，記為V2，所用時間記為t2,則單位時間內(nèi)液汽遷移量為v2/t2 ；
[0027](5) N2Zt2和V1A1的差即為在此溫差條件下單位時間內(nèi)液體通過多孔介質(zhì)的遷移量。
[0028]所述多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置測量液汽遷移量的方法，其可用于評價燃料電池多孔介質(zhì)中的水、甲醇、甲酸、乙醇中一種或二種以上的遷移量，亦可評價其他液體在多孔介質(zhì)中的液體的遷移量。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0030](I)裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造；
[0031](2)測試過程簡單、準(zhǔn)確，可有效提供數(shù)據(jù)；
[0032](3)測試范圍廣，可測試不同溫度條件下不同液體在不同多孔介質(zhì)中的液體遷移量，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不受限制。
【附圖說明】
[0033]圖1.多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置示意圖。
[0034]圖中，I為第一加熱板；2為液腔；3為第一密封O圈；4為樣品架上；5為多孔介質(zhì)；6為樣品架下；7為第二密封O圈；8為汽腔；9為第二加熱板；10為液體進口 ；11為汽體出口 ；12為液體出口 ；13為固定孔。
[0035]圖2.水腔溫度為40°C時，水通過陰極擴散層的水汽遷移量。
[0036]圖3.水腔溫度為50°C時，水通過陰極擴散層的水汽遷移量。
[0037]圖4.水腔溫度為40°C時，水通過陽極擴散層的水汽遷移量。
[0038]圖5.水腔溫度為50°C時，水通過陽極擴散層的水汽遷移量。
[0039]圖6.水腔溫度為40°C時，水通過單面疏水碳紙的水汽遷移量。
[0040]圖7.水腔溫度為40°C時，水通過雙面疏水碳紙的水汽遷移量。
[0041]圖8.水腔溫度為40°C時，水通過單面膜電極的水汽遷移量。
【具體實施方式】
[0042]實施例1:圖1為一種燃料電池用多孔介質(zhì)水汽遷移評價裝置示意圖。有圖中可以看出，此液汽遷移評價裝置結(jié)構(gòu)如下:第一加熱板I固定在液腔2上，第二加熱板9固定在汽腔8下；液腔2和汽腔8相對側(cè)分別開有液腔開口和汽腔開口，液腔開口與汽腔開口大小相同，且均為圓形開口，二者的直徑為4cm ;多孔介質(zhì)5為邊長為3.5cm的圓形陰極擴散層；采用樣品架上4和樣品架下6將陰極擴散層夾緊，樣品架上4和樣品架下6大小相等，形狀相同，其均為直徑為4cm的圓；采用與樣品架相同大小的第一和第二密封O圈3和7將分別將樣品架上4和樣品架下7固定于液腔2和汽腔8的開口位置，對準(zhǔn)位置后，采用螺栓和螺母通過液腔2和汽腔8上的固定孔13將多孔介質(zhì)液汽遷移評價裝置固定。
[0043]通過液體進口 10將液腔2中充滿水，并確保其中無空氣殘留，同時將液體出口 12密封；通過第一加熱板I和第二加熱板9對液腔2和汽腔8分別加熱,使二者溫度相同,記錄一定時間內(nèi)與液腔相連的帶刻度的容器的液位的示數(shù)之差，求得背景通量。
[0044]控制液腔2的溫度高于