專利名稱：一種光譜電化學原位池及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于光譜電化學技術領域，具體涉及一種光譜電化學原位池，可在燃料電池工況下實現膜電極表面吸附物種隨反應條件變化的原位檢測。
背景技術：
光譜技術包括紫外和可見光譜、紅外和拉曼振動轉動光譜、電子和離子能譜、X射線光譜等。把光譜技術與電化學體系聯用可以提供純粹電化學實驗無法得到的電化學體系的信息，可以進行電極表面吸附物種檢測以及其隨化學、電化學環境改變的變化。以此為基礎可推測電化學反應途徑、獲得電化學反應動力學，對于在分子層認識電化學反應機理，進而指導電催化劑的合成、優化有著重要意義。目前，光譜-電化學聯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行光譜觀察十分具有挑戰性，至今仍未解決。膜電極結構與模型電極結構、燃料電池工況和三電極系統有很大的差別，在燃料電池單池上原位實時地獲取電化學反應的直接信息對于提高燃料電池的性能和穩定性具有更為重要的理論價值和指導意義。用于膜電極表征的光譜電化學原位池的開發屬于初步階段，文獻中的電化學紅外光譜原位池，電化學X射線近邊衍射原位池已有一些范例。但是還存在以下問題:1)原位池電流密度較低，工作狀態與真實電池差異較大；2)不能變溫變壓，進行不同反應條件的考察3)結構復雜，常針對單一光路系統，普適性差。
發明內容
針對以上問題，本發明目的在于提供一種光譜電化學原位池，該裝置可實現在燃料電池工況下光譜電化學聯用，原位觀察光譜信號隨電化學激勵及反應環境改變產生的變化，可擴展光譜電化學原位技術應用范圍，為燃料電池動態實時監測提供表征手段。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:—種光譜電化學原位池,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；上極板上開有一通透板面的光譜觀察孔；于光譜觀察孔周圍的、上極板的一側壁面刻有上極板流場；于上極板上設置有與上極板流場相連通的上極板物料進口和上極板物料出口 ；下極板的一側壁面刻有下極板流場；于下極板上設置有與下極板流場相連通的下極板物料進口和下極板物料出口，下極板的側壁壁面上設置有加熱部件插口和熱偶插口 ；于上極板的流場側、光譜觀察孔的一端設有一凹槽，光譜觀察孔與凹槽同軸；窗片通過卡入凹槽的窗片密封O圈安置在凹槽內部，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、下級板依次疊壓在一起，并通過緊固螺釘固接裝配成待測試的單體電池；
上極板流場與下極板流場的軸向投影相重合。所述光譜電化學原位池，其中，上極板與第一聚酯框之間以及下級板與第二聚酯框之間分別通過上極板密封線和下極板密封線密封壓合。所述光譜電化學原位池，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。所述光譜電化學原位池，其光譜觀察孔為圓柱型、圓臺型、圓錐型、或方體型。所述光譜電化學原位池，其上極板流場和下極板流場為點狀流場、蛇形流場、平行溝槽流場或交齒形流場。所述光譜電化學原位池，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。所述光譜電化學原位池，其中，膜電極集合體包括電解質膜和置于其兩側的催化層，也可能包括擴散層。所述光譜電化學原位池可用作為檢測光譜信號的原位檢測器，檢測光譜信號隨電化學激勵及反應環境改變而變化的信息，如直接液體燃料電池工作過程中陽極中間產物及吸附物種的測定，陰極氧還原反應中間產物及吸附物種的測定。所述光譜信號為紫外和可見光譜、紅外或拉曼振動轉動光譜、電子或離子能譜、或X射線光譜等。本發明所述光譜電化學原位池，其優點與特征如下:1.本發明所述光譜電化學原位池可實現與多種外反射光路的光譜儀聯用，達到對燃料電池反應產物、中間產物及吸附物種原位檢測的目的，從而推測電化學反應途徑以進一步指導電催化劑的合成。2.本發明所述光譜電化學原位池其工作過程中與燃料電池實際工作環境，可實現加熱和加壓的，從而可實現電池在不同溫度和不同氣體壓力下工作時反應產物、中間產物和吸附物種的原位檢測。3.本發明所述光譜電化學原位池通用性強、適用范圍廣、結構簡單、加工方便、成本低廉、可以實現多種情況下膜電極上光譜信號的檢測。
圖1為本發明所述光譜電化學原位池結構示意圖。其中，I為上極板物料進口 ；2為上極板物料出口 ；3下極板物料進口 ；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；17為下極板流場；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程中原位紅外表征結果。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作詳細的描述。當然本發明并不僅限于下述具體的實施例。實施例1:圖1為本發明所述一種光譜電化學原位池結構示意圖。該原位池用于研究小分子有機物電催化氧化過程，中間吸附物種在膜電極陽極側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，在電極反應區加工為點狀流場，流場外加工有密封槽，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、下極板流場側鍍金以減小接觸電阻，上極板靠近光束側可烤炭黑減小金屬對光線的反射。在上極板13的中心位置開成錐度為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內側，靠近流場一方留有凹槽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，窗片9置于上極板窗片槽內。膜電極集合體11 (膜電極集合體11包括依次疊合的陽極側擴散層、陽極催化層、電解質膜、陰極催化層、陰極側擴散層)在制備時需在陽極側擴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。全系統可在幾分鐘內從室溫升至90°C并保持穩定。本發明的光譜電化學原位池在直接液體燃料電池中應用的工作流程為:有機小分子水溶液由上極板物料進口 I導入，經上極板流場使物料在膜電極集合體11陽極側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口 3導入，經下極板流場使物料在膜電極集合體11陰極側分布均勻后從下極板物料出口 4流出。用電子負載測試控制原位池放電,測試條件為:75°C，陽極通入IM甲醇溶液，陰極通入氧氣,流速為40sccm。電池1-V曲線測試結果如圖2所示，電池最大功率密度達到45mW/cm2，與典型直接甲醇燃料電池功率密度接近。在此條件下，對電極表面吸附物種測量更接近電池工況下的情況。在恒流放電條件下50mAcm_2，150mAcm_2分別采集電化學原位紅外譜圖，結果如圖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。由上述實施例可以看出本發明 所述光譜電化學原位池通用性強、適用范圍廣、結構簡單、加工方便、成本低廉、是一種用于光譜電化學原位測試的裝置，可以實現多種情況下膜電極上光譜信號的檢測。
權利要求
1.一種光譜電化學原位池，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)上開有一通透板面的光譜觀察孔(15);于光譜觀察孔(15)周圍的、上極板(13)的一側壁面刻有上極板流場(16);于上極板(13)上設置有與上極板流場(16)相連通的上極板物料進口(I)和上極板物料出口(2)； 下極板(14)的一側壁面刻有下極板流場(17);于下極板(14)上設置有與下極板流場(17)相連通的下極板物料進口(3)和下極板物料出口(4)，下極板(14)的側壁壁面上設置有加熱部件插口(5)和熱電偶孔(6)； 于上極板(13)的流場側、光譜觀察孔(15)的一端設有一環狀凹槽(18)，光譜觀察孔(15)與凹槽(18)同軸；窗片(9)通過卡入凹槽(18)的窗片密封O圈⑶安置在凹槽(18)內部，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’)、下級板(14)依次疊壓在一起，并通過緊固螺釘固接裝配成待測試的單體電池； 上極板流場(16)與下極板流場(17)的軸向投影相重合，且流場相對設置。
2.如權利要求1所述光譜電化學原位池，其特征在于: 其中，上極板(13)與第一聚酯框(10)之間以及下級板(14)與第二聚酯框(10’)之間分別通過上極板密封線(7)和下極板密封線(12)密封壓合。
3.如權利要求1所述光譜電化學原位池，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.如權利要求1所述光譜電化學原位池，其特征在于:光譜觀察孔為圓柱型、圓臺型、圓錐型、或方體型。
5.如權利要求1所述光譜電化學原位池，其特征在于:上極板流場(16)和下極板流場(17)為點狀流場、蛇形流場、平行溝槽流場或交齒形流場。
6.如權利要求2所述光譜電化學原位池，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.如權利要求1所述光譜電化學原位池，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￠)內插有熱電偶。
8.如權利要求1所述光譜電化學原位池，其特征在于:所述膜電極集合體(11)包括電解質膜和置于其兩側的催化層。
9.一種權利要求1所述光譜電化學原位池的應用，其特征在于:權利要求1所述光譜電化學原位池可用作為檢測光譜信號的原位檢測器，檢測光譜信號隨電化學激勵及反應環境改變而變化的信息。
10.如權利要求9所述光譜電化學原位池的應用，其特征在于:所述光譜信號為紫外和可見光譜、紅外或拉曼振動轉動光譜、電子或離子能譜、或X射線光譜。
全文摘要
本發明屬于電化學光譜儀器聯用技術領域。本發明涉及一種光譜電化學原位池，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)。本發明可實現與多種外反射光路的光譜儀聯用，接近燃料電池實際工作環境，可實現加熱和加壓，達到在不同工況條件下對燃料電池反應產物、中間產物及吸附物種原位檢測的目的；本發明通用性強、適用范圍廣、結構簡單、加工方便、成本低廉、可以實現多種情況下膜電極上光譜信號的檢測。
文檔編號G01N27/28GK103175876SQ20111043646
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者孫公權, 敬銘軼, 孫丕昌, 姜魯華, 王素力 申請人:中國科學院大連化學物理研究所