用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位xafs燃料電池、系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池、系統(tǒng)及方法，其中用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池包括：一支撐板，中部形成第一通孔、一膜電極組件、一頂蓋板，中部形成第二通孔、一陽(yáng)極流場(chǎng)板，陽(yáng)極流場(chǎng)板中部形成一第三通孔，一第一膜體固定于第三通孔外圍并覆蓋第三通孔；一陰極流場(chǎng)板，陰極流場(chǎng)板中部形成一第四通孔，一第二膜體固定于所述第四通孔外圍并覆蓋所述第四通孔；第一膜體和所述第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)。本發(fā)明的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池、系統(tǒng)及方法實(shí)現(xiàn)了可通過(guò)透視模式和熒光模式采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池工作溫度的調(diào)節(jié)，并具有成本低、能夠大幅度提高采譜的信噪比、密封性好、抗水性好的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池、系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)器械領(lǐng)域，尤其涉及一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池、 系統(tǒng)及方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]X射線吸收譜是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要手段，可以求得吸收原子周圍配位層的配位原子種類、數(shù)量及距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)。雖然已有很多使用原位X射線吸收譜來(lái)研究催化劑的性質(zhì)報(bào)到，但是原位研究催化劑表面氧化態(tài)的報(bào)道卻不多。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)必須是在燃料電池正常工作的條件下獲得的。2001年，首次利用X射線吸收譜和X射線衍射方法嘗試開展燃料電池催化劑的原位研究，但研究方法僅限于熒光模式采集數(shù)據(jù)，對(duì)元素含量較高的催化劑樣品，無(wú)法獲得透射模式相關(guān)數(shù)據(jù)，且實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)有一定局限性，獲得熒光信號(hào)的信噪比較差。
[0003]原位燃料電池的設(shè)計(jì)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的難點(diǎn)。對(duì)于氫-空燃料電池而言，對(duì)氣密性有著很高的要求。首先要解決陰陽(yáng)極流場(chǎng)區(qū)域的密封，其次為了實(shí)現(xiàn)透射模式和熒光模式采譜，陰陽(yáng)極流場(chǎng)板都需要穿孔，石墨對(duì)低于1 〇keV(eV: E1 ectron-Vo 11，電子伏特)的X射線有著強(qiáng)烈的吸收，為了能夠采集吸收邊能量低于10keV的元素的原位XAFS譜(XAFS:X-ray Absorpt1n Fine Structured射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜)，需要采用其他窗口代替石墨，同時(shí)面臨著窗口的密封難題。溫度對(duì)燃料電池的性能有很大的影響，還需要對(duì)燃料電池的溫度進(jìn)行控制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池、系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)了可通過(guò)透視模式和熒光模式采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池工作溫度的調(diào)節(jié)，并具有成本低、能夠大幅度提高采譜的信噪比、密封性好、抗水性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，包括:
[0006]—支撐板，所述支撐板中部形成一第一通孔；
[0007]—膜電極組件，所述膜電極組件的第一面涂覆有一陰極催化劑層，所述膜電極組件的第二面涂覆有一陽(yáng)極催化劑層；
[0008]—頂蓋板，所述頂蓋板中部形成一第二通孔；
[0009]一陽(yáng)極流場(chǎng)板，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板中部形成一第三通孔，一第一膜體固定于所述第三通孔外圍并覆蓋所述第三通孔，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板設(shè)置于所述陽(yáng)極催化劑層和所述支撐板之間或設(shè)置于所述陽(yáng)極催化劑層和所述頂蓋板之間；
[0010]—陰極流場(chǎng)板，所述陰極流場(chǎng)板中部形成一第四通孔，一第二膜體固定于所述第四通孔外圍并覆蓋所述第四通孔，所述陰極流場(chǎng)板設(shè)置于所述陰極催化劑層和所述支撐板之間或設(shè)置于所述陰極催化劑層和所述頂蓋板之間；
[0011]所述第一膜體和所述第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)；
[0012]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線通道；
[0013]所述支撐板、所述膜電極組件、所述頂蓋板、所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和所述陰極流場(chǎng)板相互密封貼合并固定連接。
[0014]優(yōu)選地，所述第一膜體和所述第二膜體采用聚酰亞胺膜。
[0015]優(yōu)選地，所述第一膜體和所述第二膜體的表面分別形成疏水層。
[0016]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板遠(yuǎn)離所述膜電極組件的一第一面上且在所述第三通孔的外圍形成一第一凹槽，所述第一膜體通過(guò)一第一密封圈壓設(shè)于的所述第一凹槽內(nèi)；所述陰極流場(chǎng)板遠(yuǎn)離所述膜電極組件的一第一面上且在所述第四通孔的外圍形成一第二凹槽，所述第二膜體通過(guò)一第二密封圈壓設(shè)于所述第二凹槽內(nèi)。
[0017]優(yōu)選地，
[0018]所述陽(yáng)極流場(chǎng)板鄰近所述膜電極組件的一第二面上形成一第一流場(chǎng)槽；
[0019]所述陰極流場(chǎng)板鄰近所述膜電極組件的一第二面上形成一第二流場(chǎng)槽；
[0020]所述第一流場(chǎng)槽和所述第二流場(chǎng)槽的外圍分別形成一密封槽，所述密封槽內(nèi)填充有密封膠。
[0021]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板設(shè)置有一加熱器;所述陰極流場(chǎng)板設(shè)置有一溫度傳感器， 所述加熱器和所述溫度傳感器連接至一溫度控制系統(tǒng)。
[0022]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板形成一加熱器插槽，所述加熱器插設(shè)所述加熱器插槽內(nèi)。
[0023]優(yōu)選地，所述陰極流場(chǎng)板形成一傳感器插槽，所述溫度傳感器插設(shè)所述傳感器插槽內(nèi)。
[0024]優(yōu)選地，所述支撐板、所述膜電極組件、所述頂蓋板、所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和所述陰極流場(chǎng)板通過(guò)復(fù)數(shù)個(gè)絕緣螺釘固定。[〇〇25]優(yōu)選地，所述頂蓋板的外側(cè)面上且在第二通孔的外圍形成一第三凹槽，所述第三凹槽的外沿呈圓形，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漸傾斜下凹。
[0026]本發(fā)明另一方面提供一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括本發(fā)明所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池。
[0027]本發(fā)明又一方面提供一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，采用本發(fā)明所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0028]進(jìn)一步地，通過(guò)在所述膜電極組件表面涂覆一待測(cè)試劑形成所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層；
[0029]使所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池進(jìn)入工作狀態(tài)；
[0030]判斷所述待測(cè)試劑中的待測(cè)元素的質(zhì)量百分含量是否大于等于一預(yù)設(shè)值；
[0031]當(dāng)大于等于所述預(yù)設(shè)值時(shí)，采用一透視模式采譜；[〇〇32]否則采用一熒光模式采譜。
[0033]進(jìn)一步地，所述采用透視模式采譜包括步驟:
[0034]向所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池方向并沿所述射線通道發(fā)射X射線；
[0035]當(dāng)所述X射線經(jīng)過(guò)一前電離室時(shí)記錄當(dāng)前所述X射線的強(qiáng)度并獲得一第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)；
[0036]當(dāng)所述X射線穿過(guò)所述射線通道后并經(jīng)過(guò)一后電離室時(shí)記錄當(dāng)前所述X射線的強(qiáng)度并獲得一第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)；
[0037]根據(jù)所述第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)和所述第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第一 XAFS譜；
[0038]進(jìn)一步地，所述采用熒光模式采譜包括步驟:
[0039]向所述第二通孔方向并與陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層呈一45°角發(fā)射X射線；
[0040]所述X射線接觸所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層并激發(fā)所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層形成并發(fā)出一熒光信號(hào)；[0041 ]記錄所述熒光信號(hào)的強(qiáng)度獲得一第三光強(qiáng)數(shù)據(jù)；[〇〇42]根據(jù)第三光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第二XAFS譜。
[0043]優(yōu)選地，通過(guò)一探測(cè)器獲取記錄所述熒光信號(hào)的強(qiáng)度，所述探測(cè)器和所述X射線在所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層上入射點(diǎn)的連線與所述X射線入射方向垂直。
[0044]優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)值為5%。
[0045]進(jìn)一步地，還包括步驟:
[0046]將所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池連接一電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)；
[0047]通過(guò)所述電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采集所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池在工作狀態(tài)下的電化學(xué)信息。
[0048]本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下有益效果:[〇〇49]支撐板的采用實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)燃料電池的密封和支撐，同時(shí)作為燃料電池的陽(yáng)極觸點(diǎn)，外接功能電路可以測(cè)量燃料電池的工作電流和電壓。頂蓋板起到密封的作用，并可作為燃料電池的陰極觸點(diǎn)。陽(yáng)極流場(chǎng)板用于為通過(guò)陽(yáng)極的氣提供流場(chǎng)。陰極流場(chǎng)板用于為通過(guò)陰極的氣體提供流場(chǎng)。由于第一膜體和第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了可對(duì)滿足一定條件的樣品進(jìn)行透射模式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，在顯著增強(qiáng)樣品信號(hào)的同時(shí)，降低了背底噪聲，提高了原位XAFS譜的信噪比。聚酰亞胺膜對(duì)X射線的吸收小，能夠大幅度提高透射模式和熒光模式采譜的信噪比。并具有良好的耐熱性，能夠耐300°C的高溫，同時(shí)可以承受3.5 個(gè)大氣壓的壓力，滿足燃料電池的氣密性要求。疏水層的采用減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中外部水對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾。第一密封圈和第二密封圈的采用提高了燃料電池的氣密性。密封槽和密封膠的配合采用，進(jìn)一步提高了燃料電池的氣密性。加熱器和溫度傳感器的采用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池的溫度的控制。加熱器插槽的采用，使得加熱器的安裝和維護(hù)更為地便捷。傳感器插槽的采用，使得溫度傳感器的安裝和維護(hù)更為地便捷。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漸傾斜下凹，其目的是增加頂蓋外側(cè)面的第二通孔開口角度，以減少頂蓋板對(duì)X射線的干擾。為了獲得更好的性噪比，當(dāng)待測(cè)元素的質(zhì)量百分比大于等于 5%時(shí)，采用透射模式，待測(cè)元素的質(zhì)量百分比小于5%時(shí)采用熒光模式。采用透射模式采集原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采譜時(shí)間短，適用于含量較高(多5%)的樣品，采用熒光模式采集原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采譜時(shí)間長(zhǎng)，適用于含量較低5 % )的樣品?！靖綀D說(shuō)明】
[0050]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；[0051 ]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的陰極流場(chǎng)板第一面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的陰極流場(chǎng)板第二面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的陰極流場(chǎng)板頂面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極流場(chǎng)板第一面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極流場(chǎng)板第二面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極流場(chǎng)板頂面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的頂蓋板外側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的頂蓋板內(nèi)側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖10為本發(fā)明實(shí)施例的頂蓋板的截面圖；
[0060]圖11為本發(fā)明原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0061 ]圖12為本發(fā)明原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法的總體流程圖；
[0062]圖13為本發(fā)明原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法透視模式的流程圖；
[0063]圖14為本發(fā)明原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法熒光模式的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0064]下面根據(jù)附圖1-12,給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。[〇〇65]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，包括:一支撐板 1，支撐板1中部形成一第一通孔11; 一膜電極組件3(MEA)，膜電極組件3的第一面涂覆有一陰極催化劑層31，膜電極組件3的第二面涂覆有一陽(yáng)極催化劑層(圖中未示)；一頂蓋板5,頂蓋板5中部形成一第二通孔51; —陽(yáng)極流場(chǎng)板2，陽(yáng)極流場(chǎng)板2中部形成一第三通孔21，陽(yáng)極流場(chǎng)板2設(shè)置于陽(yáng)極催化劑層和支撐板1之間或設(shè)置于陽(yáng)極催化劑層和頂蓋板5之間；一陰極流場(chǎng)板4,陰極流場(chǎng)板4中部形成一第四通孔41，陰極流場(chǎng)板4設(shè)置于陰極催化劑層31和支撐板1之間或設(shè)置于陰極催化劑層31和頂蓋板5之間；第一通孔11、第二通孔51、第三通孔21 和第四通孔41形成一射線通道，射線通道與陰極催化劑層31和陽(yáng)極催化劑層垂直;支撐板 1、膜電極組件3、頂蓋板5、陽(yáng)極流場(chǎng)板2和陰極流場(chǎng)板4相互密封貼合并固定連接。
[0066]本實(shí)施例中，陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板2材質(zhì)均為石墨，石墨的優(yōu)點(diǎn)是便于加工， 且導(dǎo)電，頂蓋板5和支撐板1均采用鎂鋁合金材質(zhì)，以減少對(duì)待測(cè)組分的干擾。支撐板1形成一陽(yáng)極觸點(diǎn)12,頂蓋板5形成一陰極觸點(diǎn)53。
[0067]支撐板1的采用實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)燃料電池的密封和支撐，同時(shí)作為燃料電池的陽(yáng)極觸點(diǎn)12,外接功能電路可以測(cè)量燃料電池的工作電流和電壓。頂蓋板5起到密封的作用，并可作為燃料電池的陰極觸點(diǎn)53。陽(yáng)極流場(chǎng)板2用于為通過(guò)陽(yáng)極的氣提供流場(chǎng)。陰極流場(chǎng)板4 用于為通過(guò)陰極的氣體提供流場(chǎng)。[〇〇68]請(qǐng)參閱圖2?圖7,陽(yáng)極流場(chǎng)板2第一面的第三通孔21外圍形成一第一凹槽22,第一凹槽22內(nèi)固定有一第一膜體(圖中未示)，第一膜體覆蓋第三通孔21。[〇〇69]陰極流場(chǎng)板4第一面的第四通孔41外圍形成一第二凹槽42,第二凹槽42內(nèi)固定有一第二膜體(圖中未示)，第二膜體覆蓋第四通孔41。第一膜體和第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)。
[0070]由于第一膜體和第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了可對(duì)滿足一定條件的樣品進(jìn)行透射模式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，在顯著增強(qiáng)樣品信號(hào)的同時(shí)，降低了背底噪聲，提高了原位XAFS譜的信噪比。
[0071]本實(shí)施例中，第一膜體和第二膜體采用聚酰亞胺膜。具體的，可采用Kapton薄膜， 厚度范圍為0.05mm<t<0.15mm，優(yōu)選0.05mm，可選擇用寬度大于37mm的kapton膠帶制備， 制備好之后，對(duì)第一凹槽22和第二凹槽42進(jìn)行清潔處理，然后把Kapton膜分別覆蓋到第一凹槽22和第二凹槽42里，用手均勻的擠壓Kapton膜，直到擠出里面所有的氣泡，使Kapton膜和第一凹槽22和第二凹槽42緊密的貼合在一起，然后放入直徑為37mm的硅膠密封圈，由于硅膠密封圈的厚度略大于第一凹槽22和第二凹槽42的深度，通過(guò)頂蓋板5和支撐板1的擠壓，kapton膜可以承受3.5個(gè)大氣壓的壓力，滿足氫-空燃料電池的氣密性要求。
[0072]聚酰亞胺膜對(duì)X射線的吸收小，能夠大幅度提高透射模式和熒光模式采譜的信噪比。并具有良好的耐熱性，能夠耐300°C的高溫。在其他實(shí)施例中，也可采用其他不吸收X射線的材質(zhì)，如鈹，氮化硅，金剛石等，但采用聚酰亞胺膜成本更低，且沒(méi)有毒性。本實(shí)施例中， 第一膜體和第二膜體表面形成疏水層。疏水層的采用減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中外部水對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾。在其他實(shí)施例中也可不采用疏水層，但將不具備本實(shí)施例的抗外部水干擾的效果。
[0073]請(qǐng)參閱圖1?圖7,本實(shí)施例中，第一膜體通過(guò)一第一密封圈61壓設(shè)于的第一凹槽 22內(nèi)；第二膜體通過(guò)一第二密封圈62壓設(shè)于第二凹槽42內(nèi)。第一密封圈61和第二密封圈62 的采用提高了燃料電池的氣密性。
[0074]同時(shí)，陽(yáng)極流場(chǎng)板2的第二面形成一第一流場(chǎng)槽23,第一流場(chǎng)槽23面向陽(yáng)極催化劑層設(shè)置；陰極流場(chǎng)板4的第二面形成一第二流場(chǎng)槽43,第二流場(chǎng)槽43面向陰極催化劑層31設(shè)置。本實(shí)施例中，第一流場(chǎng)槽23和第二流場(chǎng)槽43分別是在對(duì)應(yīng)流場(chǎng)板上刻制而成，第一流場(chǎng)槽23和第二流場(chǎng)槽43寬0.5mm，槽深1.0mm，這樣的設(shè)計(jì)是為了能讓氣體沿第一流場(chǎng)槽23和第二流場(chǎng)分布，從而使反應(yīng)過(guò)程中的氣體能夠均勻的分散在陰極催化劑層31和陽(yáng)極催化劑層表面。[〇〇75]本實(shí)施例中，第一流場(chǎng)槽23和第二流場(chǎng)槽43的外圍分別形成一密封槽7,密封槽7 內(nèi)填充有密封膠。密封槽7和密封膠的配合采用，進(jìn)一步提高了燃料電池的氣密性。而第一密封圈61、第二密封圈62和各自密封槽7的配合，實(shí)現(xiàn)了雙重密封效果，切實(shí)解決的燃料電池的氣密性問(wèn)題，能夠滿足氫-空燃料電池的氣密性要求。
[0076]本實(shí)施例中，陽(yáng)極流場(chǎng)板2設(shè)置有一加熱器(圖中未示)；陰極流場(chǎng)板4設(shè)置有一溫度傳感器(圖中未示)，加熱器和溫度傳感器連接一溫度控制系統(tǒng)(圖中未示)。加熱器和溫度傳感器的采用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池的溫度的控制，有效解決了以往不能控制燃料電池溫度的不足。在其他實(shí)施例中，也可不設(shè)置溫度傳感器，但將無(wú)法實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例中的溫度控制功能。[〇〇77] 本實(shí)施例中，陽(yáng)極流場(chǎng)板2形成一加熱器插槽24,加熱器插設(shè)固定于加熱器插槽24 內(nèi)。加熱器插槽24的采用，使得加熱器的安裝和維護(hù)更為地便捷。在其他實(shí)施例中，加熱器和溫度傳感器也可采用其他任意可拆卸連接的結(jié)構(gòu)或固定連接的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)采用固定連接結(jié)構(gòu)時(shí)，將不再有本實(shí)施例中可便捷安裝和便捷維護(hù)的效果。
[0078]本實(shí)施例中，陰極流場(chǎng)板4形成一傳感器插槽44,溫度傳感器插設(shè)固定于傳感器插槽44內(nèi)。傳感器插槽44的采用，使得溫度傳感器的安裝和維護(hù)更為地便捷。類似于加熱器， 在其他實(shí)施例中，溫度傳感器也可采用其他任意可拆卸連接的結(jié)構(gòu)或固定連接的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)采用固定連接結(jié)構(gòu)時(shí)，將不再有本實(shí)施例中可便捷安裝和便捷維護(hù)的效果。
[0079]同時(shí)，本實(shí)施例中，在陽(yáng)極流場(chǎng)板2形成有一陽(yáng)極進(jìn)氣口 25和一陽(yáng)極出氣口 26,加熱器插槽24的位置設(shè)置于陽(yáng)極進(jìn)氣口 25和陽(yáng)極出氣口 26之間。陰極流場(chǎng)板4形成有一陰極進(jìn)氣口 45和一陰極出氣口 46,傳感器插槽44的位置設(shè)置于陰極進(jìn)氣口 45和陰極出氣口 46之間。
[0080]請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)施例中，頂蓋板5、陰極流場(chǎng)板4、膜電極組件3、陽(yáng)極流場(chǎng)板2和支撐板1分別在四個(gè)頂角開設(shè)連接孔8,并依次通過(guò)四個(gè)絕緣螺釘9從右往左固定。此時(shí)研究對(duì)象為陰極催化劑層31。
[0081]在其他實(shí)施例中，如當(dāng)研究對(duì)象為陽(yáng)極催化劑層時(shí)，可按照頂蓋板5、陽(yáng)極流場(chǎng)板 2、膜電極組件3、陰極流場(chǎng)板4和支撐板1的順序從右往左依次連接。
[0082]另外，在其他實(shí)施例中，也可采用其他可拆卸的固定連接方式。[〇〇83]請(qǐng)參閱圖8?圖10,本實(shí)施例中，頂蓋板5外側(cè)面的第二通孔51外圍形成一第三凹槽52,第三凹槽52的外沿呈圓形，且第三凹槽52自第三凹槽52的外沿向第二通孔51的方向逐漸傾斜下凹。第三凹槽52自第三凹槽52的外沿向第二通孔51的方向逐漸傾斜下凹，其目的是增加頂蓋外側(cè)面的第二通孔51開口角度，以減少頂蓋板5對(duì)X射線的干擾。在其他實(shí)施例中，也可不采用第三凹槽52,但如此將無(wú)法達(dá)到減少頂蓋板5對(duì)X射線干擾的效果。
[0084]請(qǐng)參閱圖1，需要研究陰極催化劑時(shí)，應(yīng)使膜電極組件3的涂有陰極催化劑層31的第一面朝向頂蓋板5方向，這樣采用熒光模式采集原位XAFS譜時(shí)，可以減少陽(yáng)極催化劑層的干擾，反之，需要研究陽(yáng)極催化劑時(shí)，應(yīng)使膜電極組件3的涂有陽(yáng)極催化劑層的第二面朝向頂蓋板5方向。根據(jù)研究對(duì)象的不同，陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板2可以互換位置，但始終保持第一流場(chǎng)槽23接觸陽(yáng)極催化劑層，第二流場(chǎng)槽43接觸陰極催化劑層31。
[0085]對(duì)于陰極催化劑和陽(yáng)極催化劑的選擇，當(dāng)陰極使用非Pt催化劑(鉑催化劑)時(shí)，陽(yáng)極最好選擇Pt/C催化劑(鉑炭催化劑)。當(dāng)陰極使用Pt基催化劑時(shí)，陽(yáng)極最好選擇Pd/C催化劑(鈀碳催化劑)，Pd(鈀)作為僅次于Pt(鉑)的最佳陽(yáng)極催化劑，由于它的吸收邊的能量很高，不會(huì)對(duì)陰極催化劑形成干擾，可以顯著提高陰極催化劑原位XAFS譜的信噪比。無(wú)論采用透射模式還是熒光模式，陰陽(yáng)極催化劑都不應(yīng)該含有相同的目標(biāo)元素，因?yàn)閄AFS沒(méi)有辦法區(qū)分位于陰陽(yáng)極的相同元素。為了提高原位XAFS譜的信噪比，目標(biāo)元素在XAFS譜上的吸收邊應(yīng)和其他組分的吸收邊相差越遠(yuǎn)越好。
[0086]請(qǐng)參閱圖1、圖11，本發(fā)明的一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括本發(fā)明實(shí)施例的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池。
[0087]本實(shí)施例中，原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括一X射線發(fā)射裝置(圖中未示)、光路組件10、探測(cè)器ll〇、XAFS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)120、復(fù)數(shù)個(gè)氣體存儲(chǔ)設(shè)備130、一氣體分配裝置140、一電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180,一陰極加濕器150、一陽(yáng)極加濕器160和一溫度控制系統(tǒng)170。其中，復(fù)數(shù)個(gè)氣體存儲(chǔ)設(shè)備130連接氣體分配裝置140,本實(shí)施例中，復(fù)數(shù)個(gè)氣體存儲(chǔ)設(shè)備130分別存儲(chǔ)氫氣、氮?dú)夂涂諝猓瑲怏w分配裝置140分別連接陰極加濕器150、陽(yáng)極加濕器160和電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180,陰極加濕器150連接陰極流場(chǎng)板4的陰極進(jìn)氣口 45,陽(yáng)極加濕器160連接陽(yáng)極流場(chǎng)板2的陽(yáng)極進(jìn)氣口25,陰極流場(chǎng)板4的陰極出氣口46和陽(yáng)極流場(chǎng)板2的陽(yáng)極出氣口 26分別通過(guò)一閥門190連接外部出氣管道。同時(shí)電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180連接用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池的陰極和陽(yáng)極以及溫度控制系統(tǒng)170,電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180的采用實(shí)現(xiàn)了對(duì)用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池的C-V曲線和功率密度曲線的同步檢測(cè)。溫度控制系統(tǒng)170連接用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池的加熱器和溫度傳感器，探測(cè)器110連接X(jué)AFS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)120。本實(shí)施例中，光路組件10 包括雙晶單色器。X射線發(fā)射裝置發(fā)射的X射線通過(guò)雙晶單色器后按照所需路徑傳遞照射， 探測(cè)器110設(shè)置在熒光模式采譜時(shí)的X射線的反射光路上。
[0088]通過(guò)本發(fā)明的一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助同步輻射XAFS(X_ray Absorpt1n Fine Structure)光譜技術(shù)，可在線觀察催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，獲得催化劑在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變化和電化學(xué)信息，從而研究燃料電池催化劑結(jié)構(gòu)和性能變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)熒光模式和透射模式采集數(shù)據(jù)，適用于不同濃度含量的樣品測(cè)試，根據(jù)需要，該裝置可以分別開展燃料電池的陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑研究，并可同步監(jiān)測(cè)燃料電池的C-V曲線和功率密度曲線。
[0089]請(qǐng)參閱圖1、圖12,本發(fā)明的一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，采用本實(shí)施例的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括步驟:
[0090]S1:通過(guò)在膜電極組件3表面涂覆一待測(cè)試劑形成陰極催化劑層31或陽(yáng)極催化劑層；[0091 ] S2:使用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池進(jìn)入工作狀態(tài)；
[0092]本實(shí)施例中，S2具體包括步驟:先調(diào)節(jié)用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池的溫度和氣體的流量;再把用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池放置在XAFS線站上。[〇〇93]S3:判斷待測(cè)試劑中的待測(cè)元素的質(zhì)量百分含量是否大于等于一預(yù)設(shè)值，本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)值為5%。[〇〇94]S4:當(dāng)大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，采用一透視模式采譜；
[0095]S5:否則，即小于預(yù)設(shè)值時(shí)采用一熒光模式采譜；
[0096]請(qǐng)參閱圖13，其中，采用透視模式采譜包括步驟:[〇〇97]S41:向用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池方向并沿射線通道發(fā)射X射線；[〇〇98]S42:X射線經(jīng)過(guò)一前電離室時(shí)記錄當(dāng)前X射線的強(qiáng)度獲得一第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)；[〇〇99]S43:當(dāng)X射線穿過(guò)射線通道后并經(jīng)過(guò)一后電離室時(shí)記錄當(dāng)前X射線的強(qiáng)度并獲得一第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)；
[0100]S44:根據(jù)第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)和第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第一 XAFS譜。[0101 ]請(qǐng)參閱圖1、圖11、圖14，采用熒光模式采譜包括步驟:[〇1〇2]S51:向第二通孔51方向并與陰極催化劑層31或陽(yáng)極催化劑層呈一45°角發(fā)射X射線；
[0103]S52:X射線接觸陰極催化劑層31或陽(yáng)極催化劑層并激發(fā)接觸到的陰極催化劑層31或陽(yáng)極催化劑層形成并發(fā)出一熒光信號(hào)；[〇104]S53:記錄熒光信號(hào)的強(qiáng)度獲得一第三光強(qiáng)數(shù)據(jù);本實(shí)施例中，通過(guò)一探測(cè)器110獲取記錄熒光信號(hào)的強(qiáng)度，探測(cè)器110和X射線在陰極催化劑層31或陽(yáng)極催化劑層上入射點(diǎn)的連線與X射線入射方向垂直；[〇1〇5]S54:根據(jù)第三光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第二XAFS譜。
[0106]為了獲得更好的性噪比，當(dāng)待測(cè)元素的質(zhì)量百分比大于等于5%時(shí)，采用透射模式，待測(cè)元素的質(zhì)量百分比小于5%時(shí)采用熒光模式。采用透射模式采集原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采譜時(shí)間短，適用于含量較高(多5%)的樣品，采用熒光模式采集原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采譜時(shí)間長(zhǎng)， 適用于含量較低($5%)的樣品。這兩種模式是為了滿足不同濃度的樣品測(cè)試的需要，待測(cè)元素質(zhì)量百分比彡5%時(shí)，采用透射模式，〈5%時(shí)，采用熒光模式。[〇1〇7]同時(shí)在步驟S2后，還包括步驟:
[0108]將用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池連接一電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180;
[0109]通過(guò)電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)180采集用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池在工作狀態(tài)下的電化學(xué)信息。電化學(xué)信息包括:電池在反應(yīng)過(guò)程中的隨時(shí)間變化的電流和電壓值，功率密度變化曲線，極化曲線等。
[0110]本發(fā)明的一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，利用X射線的穿透性和能夠解析物質(zhì)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，根據(jù)待測(cè)元素含量，設(shè)計(jì)了透射模式和熒光模式兩種探測(cè)方法，在顯著增強(qiáng)樣品信號(hào)的同時(shí)，降低了背底噪聲，提高了原位XAFS譜的信噪比。在透射模式采譜過(guò)程中，X射線先經(jīng)過(guò)前電離室，記錄光強(qiáng)為1〇,獲得第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后X射線垂直穿過(guò)燃料電池中的陰極催化劑層31和陽(yáng)極催化劑層，這時(shí)X射線與催化劑成90度，再經(jīng)過(guò)后電離室，記錄光強(qiáng)h，獲得第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)獲得的第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)和第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得第一 XAFS譜;在熒光模式采譜過(guò)程中X射線經(jīng)過(guò)前電離室后，X射線與靠近X射線發(fā)射裝置的陽(yáng)極催化劑層或陰極催化劑層31成45度角，X射線激發(fā)出陽(yáng)極催化劑層或陰極催化劑層31中的熒光信號(hào)，探測(cè)器110記錄熒光信號(hào)的強(qiáng)度，獲得第二XAFS譜。燃料電池原位XAFS譜，即第一 XAFS譜和第二XAFS譜都可以給出待測(cè)元素在催化反應(yīng)過(guò)程中氧化態(tài)的變化。
[0111]本實(shí)施例中，首先需要燃料電池在正常運(yùn)行工況條件下工作，這就需要調(diào)節(jié)燃料電池的溫度和氣體的流量，然后，把燃料電池放置在XAFS線站上，這樣就可以采集燃料電池在工作條件下的XAFS譜，同時(shí)采集燃料電池在工作條件下的電化學(xué)信息，從XAFS譜可以得到燃料電池催化劑在工作條件下的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合燃料電池的電化學(xué)信息，可以找到燃料電池催化劑的結(jié)構(gòu)變化和性能變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0112]以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書及說(shuō)明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，包括:一支撐板，所述支撐板中部形成一第一通孔；一膜電極組件，所述膜電極組件的第一面涂覆有一陰極催化劑層，所述膜電極組件的 第二面涂覆有一陽(yáng)極催化劑層；一頂蓋板，所述頂蓋板中部形成一第二通孔；一陽(yáng)極流場(chǎng)板，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板中部形成一第三通孔，一第一膜體固定于所述第三通 孔外圍并覆蓋所述第三通孔，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板設(shè)置于所述陽(yáng)極催化劑層和所述支撐板之間 或設(shè)置于所述陽(yáng)極催化劑層和所述頂蓋板之間；一陰極流場(chǎng)板，所述陰極流場(chǎng)板中部形成一第四通孔，一第二膜體固定于所述第四通 孔外圍并覆蓋所述第四通孔，所述陰極流場(chǎng)板設(shè)置于所述陰極催化劑層和所述支撐板之間 或設(shè)置于所述陰極催化劑層和所述頂蓋板之間；所述第一膜體和所述第二膜體采用不吸收X射線的材質(zhì)；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線通道；所述支撐板、所述膜電極組件、所述頂蓋板、所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和所述陰極流場(chǎng)板相互密 封貼合并固定連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述第一 膜體和所述第二膜體采用聚酰亞胺膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述第一 膜體和所述第二膜體的表面分別形成疏水層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極 流場(chǎng)板遠(yuǎn)離所述膜電極組件的一第一面上且在所述第三通孔的外圍形成一第一凹槽，所述 第一膜體通過(guò)一第一密封圈壓設(shè)于的所述第一凹槽內(nèi)；所述陰極流場(chǎng)板遠(yuǎn)離所述膜電極組 件的一第一面上且在所述第四通孔的外圍形成一第二凹槽，所述第二膜體通過(guò)一第二密封 圈壓設(shè)于所述第二凹槽內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng) 極流場(chǎng)板鄰近所述膜電極組件的一第二面上形成一第一流場(chǎng)槽；所述陰極流場(chǎng)板鄰近所述膜電極組件的一第二面上形成一第二流場(chǎng)槽；所述第一流場(chǎng)槽和所述第二流場(chǎng)槽的外圍分別形成一密封槽，所述密封槽內(nèi)填充有密 封膠。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極 流場(chǎng)板設(shè)置有一加熱器;所述陰極流場(chǎng)板設(shè)置有一溫度傳感器，所述加熱器和所述溫度傳 感器連接至一溫度控制系統(tǒng)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極 流場(chǎng)板形成一加熱器插槽，所述加熱器插設(shè)于所述加熱器插槽內(nèi)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述陰極 流場(chǎng)板形成一傳感器插槽，所述溫度傳感器插設(shè)于所述傳感器插槽內(nèi)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在于，所述支撐 板、所述膜電極組件、所述頂蓋板、所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和所述陰極流場(chǎng)板通過(guò)復(fù)數(shù)個(gè)絕緣螺釘 固定。10.根據(jù)權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)所述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池，其特征在 于，所述頂蓋板的外側(cè)面上且在第二通孔的外圍形成一第三凹槽，所述第三凹槽的外沿呈 圓形，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漸傾斜下凹。11.一種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所 述的用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池。12.—種原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求11所述的原位 XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)一步包括步驟: 通過(guò)在所述膜電極組件表面涂覆一待測(cè)試劑形成所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層；使所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池進(jìn)入工作狀態(tài)；判斷所述待測(cè)試劑中的待測(cè)元素的質(zhì)量百分含量是否大于等于一預(yù)設(shè)值；當(dāng)大于等于所述預(yù)設(shè)值時(shí)，采用透視模式采譜，否則采用熒光模式采譜。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，所述采用透視模式采 譜包括步驟:向所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池方向并沿所述射線通道發(fā)射X射線；當(dāng)所述X射線經(jīng)過(guò)一前電離室時(shí)記錄當(dāng)前所述X射線的強(qiáng)度并獲得一第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)； 當(dāng)所述X射線穿過(guò)所述射線通道后并經(jīng)過(guò)一后電離室時(shí)記錄當(dāng)前所述X射線的強(qiáng)度并 獲得一第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)；根據(jù)所述第一光強(qiáng)數(shù)據(jù)和所述第二光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第一 XAFS譜。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，所述采用熒光模式采 譜包括步驟:向所述第二通孔方向并與陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層呈一45°角發(fā)射X射線； 所述X射線接觸所述陰極催化劑層或所述陽(yáng)極催化劑層并激發(fā)所述陰極催化劑層或所 述陽(yáng)極催化劑層形成并發(fā)出一熒光信號(hào)；記錄所述熒光信號(hào)的強(qiáng)度獲得一第三光強(qiáng)數(shù)據(jù)；根據(jù)第三光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲得一第二XAFS譜。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，通過(guò)一探 測(cè)器獲取記錄所述熒光信號(hào)的強(qiáng)度，所述探測(cè)器和所述X射線在所述陰極催化劑層或所述 陽(yáng)極催化劑層上入射點(diǎn)的連線與所述X射線入射方向垂直。17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè) 值為5 %。18.根據(jù)權(quán)利要求13?17任一項(xiàng)所述的原位XAFS燃料電池催化劑實(shí)驗(yàn)方法，還包括步 驟:將所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池連接一電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)；通過(guò)所述電化學(xué)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采集所述用于催化劑實(shí)驗(yàn)的原位XAFS燃料電池在 工作狀態(tài)下的電化學(xué)信息。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK105973920SQ201610504909
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】尚明豐, 黃宇營(yíng), 王建強(qiáng), 李莉娜
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所