專利名稱：一種光譜電化學(xué)原位池及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光譜電化學(xué)原位池，可在燃料電池工況下實(shí)現(xiàn)膜電極表面吸附物種隨反應(yīng)條件變化的原位檢測(cè)。
背景技術(shù)：
光譜技術(shù)包括紫外和可見(jiàn)光譜、紅外和拉曼振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、電子和離子能譜、X射線光譜等。把光譜技術(shù)與電化學(xué)體系聯(lián)用可以提供純粹電化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到的電化學(xué)體系的信息，可以進(jìn)行電極表面吸附物種檢測(cè)以及其隨化學(xué)、電化學(xué)環(huán)境改變的變化。以此為基礎(chǔ)可推測(cè)電化學(xué)反應(yīng)途徑、獲得電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)于在分子層認(rèn)識(shí)電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)電催化劑的合成、優(yōu)化有著重要意義。目前，光譜-電化學(xué)聯(lián)用的表征方法已用于在金屬單晶、多晶或薄層催化劑表面有機(jī)小分子的電催化氧化研究，手段已較為成熟。但是在燃料電池用膜電極表面進(jìn)行光譜觀察十分具有挑戰(zhàn)性，至今仍未解決。膜電極結(jié)構(gòu)與模型電極結(jié)構(gòu)、燃料電池工況和三電極系統(tǒng)有很大的差別，在燃料電池單池上原位實(shí)時(shí)地獲取電化學(xué)反應(yīng)的直接信息對(duì)于提高燃料電池的性能和穩(wěn)定性具有更為重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。用于膜電極表征的光譜電化學(xué)原位池的開(kāi)發(fā)屬于初步階段，文獻(xiàn)中的電化學(xué)紅外光譜原位池，電化學(xué)X射線近邊衍射原位池已有一些范例。但是還存在以下問(wèn)題:1)原位池電流密度較低，工作狀態(tài)與真實(shí)電池差異較大；2)不能變溫變壓，進(jìn)行不同反應(yīng)條件的考察3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常針對(duì)單一光路系統(tǒng)，普適性差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明目的在于提供一種光譜電化學(xué)原位池，該裝置可實(shí)現(xiàn)在燃料電池工況下光譜電化學(xué)聯(lián)用，原位觀察光譜信號(hào)隨電化學(xué)激勵(lì)及反應(yīng)環(huán)境改變產(chǎn)生的變化，可擴(kuò)展光譜電化學(xué)原位技術(shù)應(yīng)用范圍，為燃料電池動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供表征手段。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:—種光譜電化學(xué)原位池,包括上極板、下極板、膜電極集合體、第一聚酯框和第二聚酯框、窗片、上極板密封線、下極板密封線和窗片密封O圈；上極板上開(kāi)有一通透板面的光譜觀察孔；于光譜觀察孔周?chē)?、上極板的一側(cè)壁面刻有上極板流場(chǎng)；于上極板上設(shè)置有與上極板流場(chǎng)相連通的上極板物料進(jìn)口和上極板物料出口 ；下極板的一側(cè)壁面刻有下極板流場(chǎng)；于下極板上設(shè)置有與下極板流場(chǎng)相連通的下極板物料進(jìn)口和下極板物料出口，下極板的側(cè)壁壁面上設(shè)置有加熱部件插口和熱偶插口 ；于上極板的流場(chǎng)側(cè)、光譜觀察孔的一端設(shè)有一凹槽，光譜觀察孔與凹槽同軸；窗片通過(guò)卡入凹槽的窗片密封O圈安置在凹槽內(nèi)部，與上極板連為一體；安置有窗片的上極板、第一聚酯框、膜電極集合體、第二聚酯框、下級(jí)板依次疊壓在一起，并通過(guò)緊固螺釘固接裝配成待測(cè)試的單體電池；
上極板流場(chǎng)與下極板流場(chǎng)的軸向投影相重合。所述光譜電化學(xué)原位池，其中，上極板與第一聚酯框之間以及下級(jí)板與第二聚酯框之間分別通過(guò)上極板密封線和下極板密封線密封壓合。所述光譜電化學(xué)原位池，所述窗片材料為硒化鋅、氟化鈣、硅、鍺、溴化鉀、氯化鈉、
石英、玻璃中的一種。所述光譜電化學(xué)原位池，其光譜觀察孔為圓柱型、圓臺(tái)型、圓錐型、或方體型。所述光譜電化學(xué)原位池，其上極板流場(chǎng)和下極板流場(chǎng)為點(diǎn)狀流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、平行溝槽流場(chǎng)或交齒形流場(chǎng)。所述光譜電化學(xué)原位池，其中，窗片密封O圈、上極板密封線和下極板密封線的材料為丁腈橡膠、氟橡膠或硅橡膠。所述光譜電化學(xué)原位池，其加熱部件插口可插入的加熱組件為加熱棒，加熱片，力口熱絲或加熱帶。所述光譜電化學(xué)原位池，其中，膜電極集合體包括電解質(zhì)膜和置于其兩側(cè)的催化層，也可能包括擴(kuò)散層。所述光譜電化學(xué)原位池可用作為檢測(cè)光譜信號(hào)的原位檢測(cè)器，檢測(cè)光譜信號(hào)隨電化學(xué)激勵(lì)及反應(yīng)環(huán)境改變而變化的信息，如直接液體燃料電池工作過(guò)程中陽(yáng)極中間產(chǎn)物及吸附物種的測(cè)定，陰極氧還原反應(yīng)中間產(chǎn)物及吸附物種的測(cè)定。所述光譜信號(hào)為紫外和可見(jiàn)光譜、紅外或拉曼振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、電子或離子能譜、或X射線光譜等。本發(fā)明所述光譜電化學(xué)原位池，其優(yōu)點(diǎn)與特征如下:1.本發(fā)明所述光譜電化學(xué)原位池可實(shí)現(xiàn)與多種外反射光路的光譜儀聯(lián)用，達(dá)到對(duì)燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物、中間產(chǎn)物及吸附物種原位檢測(cè)的目的，從而推測(cè)電化學(xué)反應(yīng)途徑以進(jìn)一步指導(dǎo)電催化劑的合成。2.本發(fā)明所述光譜電化學(xué)原位池其工作過(guò)程中與燃料電池實(shí)際工作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)加熱和加壓的，從而可實(shí)現(xiàn)電池在不同溫度和不同氣體壓力下工作時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物、中間產(chǎn)物和吸附物種的原位檢測(cè)。3.本發(fā)明所述光譜電化學(xué)原位池通用性強(qiáng)、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、可以實(shí)現(xiàn)多種情況下膜電極上光譜信號(hào)的檢測(cè)。


圖1為本發(fā)明所述光譜電化學(xué)原位池結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為上極板物料進(jìn)口 ；2為上極板物料出口 ；3下極板物料進(jìn)口 ；4下極板物料出口 ；5為加熱棒口 ；6為熱偶口 ；7為上極板密封線；8為窗片密封O圈；9為窗片；10為第一聚酯框；10’為第二聚酯框；11為膜電極集合體；12為下極板密封線；13為上極板；14為下極板；15為光譜觀察孔；16為上極板流場(chǎng)；17為下極板流場(chǎng)；18為凹槽。圖2為采用原位池裝置的直接甲醇燃料電池單電池性能曲線。圖3為直接甲醇燃料電池放電過(guò)程中原位紅外表征結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述。當(dāng)然本發(fā)明并不僅限于下述具體的實(shí)施例。實(shí)施例1:圖1為本發(fā)明所述一種光譜電化學(xué)原位池結(jié)構(gòu)示意圖。該原位池用于研究小分子有機(jī)物電催化氧化過(guò)程，中間吸附物種在膜電極陽(yáng)極側(cè)的漫反射紅外光譜隨電位、溫度、流速、燃料濃度、氣體壓力的變化。該原位池包括上極板13，下極板14，膜電極集合體11，窗片9，極板密封線7、12，窗片密封O圈8，第一聚酯框10和第二聚酯框10’。其中上極板13和下極板14采用316L不銹鋼為材料加工，在電極反應(yīng)區(qū)加工為點(diǎn)狀流場(chǎng)，流場(chǎng)外加工有密封槽，上極板密封線7和下極板密封線12分別放于上、下極板密封槽中。上、下極板流場(chǎng)側(cè)鍍金以減小接觸電阻，上極板靠近光束側(cè)可烤炭黑減小金屬對(duì)光線的反射。在上極板13的中心位置開(kāi)成錐度為45°的圓孔，作為光譜觀察孔15，用于漫反射光線的引入；上極板13上的光譜觀察孔15內(nèi)側(cè)，靠近流場(chǎng)一方留有凹槽18作為O圈槽和窗片槽，窗片密封O圈8置于上極板O圈槽內(nèi)，窗片9置于上極板窗片槽內(nèi)。膜電極集合體11 (膜電極集合體11包括依次疊合的陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層、電解質(zhì)膜、陰極催化層、陰極側(cè)擴(kuò)散層)在制備時(shí)需在陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散層上留出與窗片同大小的孔，便于紅外光射入催化層。上、下極板間依次放入聚酯框10、膜電極集合體11、第二聚酯框10’，通過(guò)螺釘孔用螺釘緊固上下極板，完成原位池組裝。加熱棒從加熱部件口 5處插入下極板，熱電偶從熱電偶孔6處插入下極板。全系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)從室溫升至90°C并保持穩(wěn)定。本發(fā)明的光譜電化學(xué)原位池在直接液體燃料電池中應(yīng)用的工作流程為:有機(jī)小分子水溶液由上極板物料進(jìn)口 I導(dǎo)入，經(jīng)上極板流場(chǎng)使物料在膜電極集合體11陽(yáng)極側(cè)分布均勻后從上極板物料出口 2流出；氧氣或空氣由下極板物料進(jìn)口 3導(dǎo)入，經(jīng)下極板流場(chǎng)使物料在膜電極集合體11陰極側(cè)分布均勻后從下極板物料出口 4流出。用電子負(fù)載測(cè)試控制原位池放電,測(cè)試條件為:75°C，陽(yáng)極通入IM甲醇溶液，陰極通入氧氣,流速為40sccm。電池1-V曲線測(cè)試結(jié)果如圖2所示，電池最大功率密度達(dá)到45mW/cm2，與典型直接甲醇燃料電池功率密度接近。在此條件下，對(duì)電極表面吸附物種測(cè)量更接近電池工況下的情況。在恒流放電條件下50mAcm_2，150mAcm_2分別采集電化學(xué)原位紅外譜圖，結(jié)果如圖3所示，可以看到在電池工況下2080-2090(^-1之間CO的吸附并不明顯，而在lOOOcnT1左右有較強(qiáng)的吸收峰表明電池工況下，甲酸甲酯的生成量較大。由上述實(shí)施例可以看出本發(fā)明 所述光譜電化學(xué)原位池通用性強(qiáng)、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、是一種用于光譜電化學(xué)原位測(cè)試的裝置，可以實(shí)現(xiàn)多種情況下膜電極上光譜信號(hào)的檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:包括上極板(13)、下極板(14)、膜電極集合體(11)、第一聚酯框(10)和第二聚酯框(10’)、窗片(9)和窗片密封O圈⑶； 上極板(13)上開(kāi)有一通透板面的光譜觀察孔(15);于光譜觀察孔(15)周?chē)?、上極板(13)的一側(cè)壁面刻有上極板流場(chǎng)(16);于上極板(13)上設(shè)置有與上極板流場(chǎng)(16)相連通的上極板物料進(jìn)口(I)和上極板物料出口(2)； 下極板(14)的一側(cè)壁面刻有下極板流場(chǎng)(17);于下極板(14)上設(shè)置有與下極板流場(chǎng)(17)相連通的下極板物料進(jìn)口(3)和下極板物料出口(4)，下極板(14)的側(cè)壁壁面上設(shè)置有加熱部件插口(5)和熱電偶孔(6)； 于上極板(13)的流場(chǎng)側(cè)、光譜觀察孔(15)的一端設(shè)有一環(huán)狀凹槽(18)，光譜觀察孔(15)與凹槽(18)同軸；窗片(9)通過(guò)卡入凹槽(18)的窗片密封O圈⑶安置在凹槽(18)內(nèi)部，與上極板(13)連為一體； 安置有窗片(9)的上極板(13)、第一聚酯框(10)、膜電極集合體(11)、第二聚酯框(10’)、下級(jí)板(14)依次疊壓在一起，并通過(guò)緊固螺釘固接裝配成待測(cè)試的單體電池； 上極板流場(chǎng)(16)與下極板流場(chǎng)(17)的軸向投影相重合，且流場(chǎng)相對(duì)設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于: 其中，上極板(13)與第一聚酯框(10)之間以及下級(jí)板(14)與第二聚酯框(10’)之間分別通過(guò)上極板密封線(7)和下極板密封線(12)密封壓合。
3.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:所述窗片(9)材料為硒化鋅、氟化鈣、硅、鍺、溴化鉀、氯化鈉、石英、玻璃中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:光譜觀察孔為圓柱型、圓臺(tái)型、圓錐型、或方體型。
5.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:上極板流場(chǎng)(16)和下極板流場(chǎng)(17)為點(diǎn)狀流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、平行溝槽流場(chǎng)或交齒形流場(chǎng)。
6.如權(quán)利要求2所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:窗片密封O圈(8)、上極板密封線(7)和下極板密封線(12)的材料為丁腈橡膠、氟橡膠或硅橡膠。
7.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:加熱部件插口(5)可插入的加熱組件為加熱棒、加熱片、加熱絲或加熱帶；熱電偶孔￠)內(nèi)插有熱電偶。
8.如權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池，其特征在于:所述膜電極集合體(11)包括電解質(zhì)膜和置于其兩側(cè)的催化層。
9.一種權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池的應(yīng)用，其特征在于:權(quán)利要求1所述光譜電化學(xué)原位池可用作為檢測(cè)光譜信號(hào)的原位檢測(cè)器，檢測(cè)光譜信號(hào)隨電化學(xué)激勵(lì)及反應(yīng)環(huán)境改變而變化的信息。
10.如權(quán)利要求9所述光譜電化學(xué)原位池的應(yīng)用，其特征在于:所述光譜信號(hào)為紫外和可見(jiàn)光譜、紅外或拉曼振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、電子或離子能譜、或X射線光譜。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學(xué)光譜儀器聯(lián)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種光譜電化學(xué)原位池，包括上極板、下極板、膜電極集合體、第一聚酯框和第二聚酯框、窗片、上極板密封線、下極板密封線和窗片密封O圈(8)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)與多種外反射光路的光譜儀聯(lián)用，接近燃料電池實(shí)際工作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)加熱和加壓，達(dá)到在不同工況條件下對(duì)燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物、中間產(chǎn)物及吸附物種原位檢測(cè)的目的；本發(fā)明通用性強(qiáng)、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、可以實(shí)現(xiàn)多種情況下膜電極上光譜信號(hào)的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/28GK103175876SQ20111043646
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者孫公權(quán), 敬銘軼, 孫丕昌, 姜魯華, 王素力 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所