用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法，其中用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池包括：一支撑板，中部形成第一通孔、一膜电极组件、一顶盖板，中部形成第二通孔、一阳极流场板，阳极流场板中部形成一第三通孔，一第一膜体固定于第三通孔外围并覆盖第三通孔；一阴极流场板，阴极流场板中部形成一第四通孔，一第二膜体固定于所述第四通孔外围并覆盖所述第四通孔；第一膜体和所述第二膜体采用不吸收X射线的材质。本发明专利技术的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法实现了可通过透视模式和荧光模式采集实验数据，并能够实现对燃料电池工作温度的调节，并具有成本低、能够大幅度提高采谱的信噪比、密封性好、抗水性好的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及实验器械领域，尤其涉及一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法。
技术介绍
X射线吸收谱是研究物质结构的重要手段，可以求得吸收原子周围配位层的配位原子种类、数量及距离等结构参数。虽然已有很多使用原位X射线吸收谱来研究催化剂的性质报到，但是原位研究催化剂表面氧化态的报道却不多。因为这些数据必须是在燃料电池正常工作的条件下获得的。2001年，首次利用X射线吸收谱和X射线衍射方法尝试开展燃料电池催化剂的原位研究，但研究方法仅限于荧光模式采集数据，对元素含量较高的催化剂样品，无法获得透射模式相关数据，且实验装置的设计有一定局限性，获得荧光信号的信噪比较差。原位燃料电池的设计是整个实验装置的难点。对于氢-空燃料电池而言，对气密性有着很高的要求。首先要解决阴阳极流场区域的密封，其次为了实现透射模式和荧光模式采谱，阴阳极流场板都需要穿孔，石墨对低于10keV(eV:Electron-Volt,电子伏特)的X射线有着强烈的吸收，为了能够采集吸收边能量低于10keV的元素的原位XAFS谱(XAFS：X-ray Absorption Fine Structure，X射线吸收精细结构谱)，需要采用其他窗口代替石墨，同时面临着窗口的密封难题。温度对燃料电池的性能有很大的影响，还需要对燃料电池的温度进行控制。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法，实现了可通过透视模式和荧光模式采集实验数
据，并能够实现对燃料电池工作温度的调节，并具有成本低、能够大幅度提高采谱的信噪比、密封性好、抗水性好的优点。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，包括：一支撑板，所述支撑板中部形成一第一通孔；一膜电极组件，所述膜电极组件的第一面涂覆有一阴极催化剂层，所述膜电极组件的第二面涂覆有一阳极催化剂层；一顶盖板，所述顶盖板中部形成一第二通孔；一阳极流场板，所述阳极流场板中部形成一第三通孔，一第一膜体固定于所述第三通孔外围并覆盖所述第三通孔，所述阳极流场板设置于所述阳极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阳极催化剂层和所述顶盖板之间；一阴极流场板，所述阴极流场板中部形成一第四通孔，一第二膜体固定于所述第四通孔外围并覆盖所述第四通孔，所述阴极流场板设置于所述阴极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阴极催化剂层和所述顶盖板之间；所述第一膜体和所述第二膜体采用不吸收X射线的材质；所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔形成一射线通道；所述支撑板、所述膜电极组件、所述顶盖板、所述阳极流场板和所述阴极流场板相互密封贴合并固定连接。优选地，所述第一膜体和所述第二膜体采用聚酰亚胺膜。优选地，所述第一膜体和所述第二膜体的表面分别形成疏水层。优选地，所述阳极流场板远离所述膜电极组件的一第一面上且在所述第三通孔的外围形成一第一凹槽，所述第一膜体通过一第一密封圈压设于的所述第一凹槽内；所述阴极流场板远离所述膜电极组件的一第一面上且在所述第四通孔的外围形成一第二凹槽，所述第二膜体通过一第二密封圈压设于所述第二凹槽内。优选地，所述阳极流场板邻近所述膜电极组件的一第二面上形成一第一流场槽；所述阴极流场板邻近所述膜电极组件的一第二面上形成一第二流场槽；所述第一流场槽和所述第二流场槽的外围分别形成一密封槽，所述密封槽内填充有密封胶。优选地，所述阳极流场板设置有一加热器；所述阴极流场板设置有一温度传感器，所述加热器和所述温度传感器连接至一温度控制系统。优选地，所述阳极流场板形成一加热器插槽，所述加热器插设所述加热器插槽内。优选地，所述阴极流场板形成一传感器插槽，所述温度传感器插设所述传感器插槽内。优选地，所述支撑板、所述膜电极组件、所述顶盖板、所述阳极流场板和所述阴极流场板通过复数个绝缘螺钉固定。优选地，所述顶盖板的外侧面上且在第二通孔的外围形成一第三凹槽，所述第三凹槽的外沿呈圆形，且所述第三凹槽自所述第三凹槽的外沿向所述第二通孔的方向逐渐倾斜下凹。本专利技术另一方面提供一种原位XAFS燃料电池催化剂实验系统，包括本专利技术所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池。本专利技术又一方面提供一种原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，采用本专利技术所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验系统进行实验。进一步地，通过在所述膜电极组件表面涂覆一待测试剂形成所述阴极催化剂层或所述阳极催化剂层；使所述用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池进入工作状态；判断所述待测试剂中的待测元素的质量百分含量是否大于等于一预设值；当大于等于所述预设值时，采用一透视模式采谱；否则采用一荧光模式采谱。进一步地，所述采用透视模式采谱包括步骤：向所述用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池方向并沿所述射线通道发射X射线；当所述X射线经过一前电离室时记录当前所述X射线的强度并获得一第一光强数据；当所述X射线穿过所述射线通道后并经过一后电离室时记录当前所述X射线的强度并获得一第二光强数据；根据所述第一光强数据和所述第二光强数据获得一第一XAFS谱；进一步地，所述采用荧光模式采谱包括步骤：向所述第二通孔方向并与阴极催化剂层或所述阳极催化剂层呈一45°角发射X射线；所述X射线接触所述阴极催化剂层或所述阳极催化剂层并激发所述阴极催化剂层或所述阳极催化剂层形成并发出一荧光信号；记录所述荧光信号的强度获得一第三光强数据；根据第三光强数据获得一第二XAFS谱。优选地，通过一探测器获取记录所述荧光信号的强度，所述探测器和所述X射线在所述阴极催化剂层或所述阳极催化剂层上入射点的连线与所述X射线入射方向垂直。优选地，所述预设值为5％。进一步地，还包括步骤：将所述用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池连接一电化学数据采集控制系统；通过所述电化学数据采集控制系统采集所述用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池在工作状态下的电化学信息。本专利技术由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：支撑板的采用实现了对整个燃料电池的密封和支撑，同时作为燃料电池的阳极触点，外接功能电路可以测量燃料电池的工作电流和电压。顶盖板起到密封的作用，并可作为燃料电池的阴极触点。阳极流场板用于为通过阳极的气提供流场。阴极流场板用于为通过阴极的气体提供流场。由于第一膜体和第二膜体采用不吸收X射线的材质，实现了可对满足一定条件的样品进行透射模式的实验数据采集，在显著增强样品信号的同时，降低了背底噪声，提高了原位XAFS谱的信噪比。聚酰亚胺膜对X射线的吸收小，能够大幅度提高透射模式和荧光模式采谱的信噪比。并具有良好的耐热性，能够耐300℃的高温，同时可以承受3.5个大气压的压力，满足燃料电池的气密性要求。疏
水层的采用减少了实验过程中外部水对实验产生的干扰。第一密封圈和第二密封圈的采用提高了燃料电池的气密性。密封槽和密封胶的配合采用，进一步提高了燃料电池的气密性。加热器和温度传感器的采用，实现了对燃料电池的温度的控制。加热器插槽的采用，使得加热器的安装和维护更为地便捷。传感器插槽的采用，使得温度传感器的安装和维护更为地便捷。第三凹槽自所述第三凹槽的外沿向所述第二通孔的方向逐渐倾斜下凹，其目的是增加顶盖外侧面的第二通孔开口角度，以减少顶盖板对X射线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，包括：一支撑板，所述支撑板中部形成一第一通孔；一膜电极组件，所述膜电极组件的第一面涂覆有一阴极催化剂层，所述膜电极组件的第二面涂覆有一阳极催化剂层；一顶盖板，所述顶盖板中部形成一第二通孔；一阳极流场板，所述阳极流场板中部形成一第三通孔，一第一膜体固定于所述第三通孔外围并覆盖所述第三通孔，所述阳极流场板设置于所述阳极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阳极催化剂层和所述顶盖板之间；一阴极流场板，所述阴极流场板中部形成一第四通孔，一第二膜体固定于所述第四通孔外围并覆盖所述第四通孔，所述阴极流场板设置于所述阴极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阴极催化剂层和所述顶盖板之间；所述第一膜体和所述第二膜体采用不吸收X射线的材质；所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔形成一射线通道；所述支撑板、所述膜电极组件、所述顶盖板、所述阳极流场板和所述阴极流场板相互密封贴合并固定连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，包括：一支撑板，所述支撑板中部形成一第一通孔；一膜电极组件，所述膜电极组件的第一面涂覆有一阴极催化剂层，所述膜电极组件的第二面涂覆有一阳极催化剂层；一顶盖板，所述顶盖板中部形成一第二通孔；一阳极流场板，所述阳极流场板中部形成一第三通孔，一第一膜体固定于所述第三通孔外围并覆盖所述第三通孔，所述阳极流场板设置于所述阳极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阳极催化剂层和所述顶盖板之间；一阴极流场板，所述阴极流场板中部形成一第四通孔，一第二膜体固定于所述第四通孔外围并覆盖所述第四通孔，所述阴极流场板设置于所述阴极催化剂层和所述支撑板之间或设置于所述阴极催化剂层和所述顶盖板之间；所述第一膜体和所述第二膜体采用不吸收X射线的材质；所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔形成一射线通道；所述支撑板、所述膜电极组件、所述顶盖板、所述阳极流场板和所述阴极流场板相互密封贴合并固定连接。2.根据权利要求1所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述第一膜体和所述第二膜体采用聚酰亚胺膜。3.根据权利要求2所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述第一膜体和所述第二膜体的表面分别形成疏水层。4.根据权利要求1所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述阳极流场板远离所述膜电极组件的一第一面上且在所述第三通孔的外围形成一第一凹槽，所述第一膜体通过一第一密封圈压设于的所述第一凹槽内；所述阴极流场板远离所述膜电极组件的一第一面上且在所述第四通孔的外围形成一第二凹槽，所述第二膜体通过一第二密封圈压设于所述第二凹槽内。5.根据权利要求4所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特 征在于，所述阳极流场板邻近所述膜电极组件的一第二面上形成一第一流场槽；所述阴极流场板邻近所述膜电极组件的一第二面上形成一第二流场槽；所述第一流场槽和所述第二流场槽的外围分别形成一密封槽，所述密封槽内填充有密封胶。6.根据权利要求1所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述阳极流场板设置有一加热器；所述阴极流场板设置有一温度传感器，所述加热器和所述温度传感器连接至一温度控制系统。7.根据权利要求6所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述阳极流场板形成一加热器插槽，所述加热器插设于所述加热器插槽内。8.根据权利要求6所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于，所述阴极流场板形成一传感器插槽，所述温度传感器插设于所述传感器插槽内。9.根据权利要求1所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚明丰，黄宇营，王建强，李莉娜，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31