用于催化剂实验的原位xafs燃料电池、系统及方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池、系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及实验器械领域，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。【背景技术】
[0002]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。
[0003]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1 〇keV(eV: E1 ectron-Vo 11，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 Absorpt1n Fine Structured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。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中的不足，本发明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。
[0005]为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，包括:
[0006]—支撑板，所述支撑板中部形成一第一通孔；
[0007]—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；
[0008]—顶盖板，所述顶盖板中部形成一第二通孔；
[0009]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；
[0010]—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；
[0011]所述第一膜体和所述第二膜体采用不吸收X射线的材质；
[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线通道；
[0013]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。
[0014]优选地，所述第一膜体和所述第二膜体采用聚酰亚胺膜。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]优选地，
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。[〇〇25]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。
[0026]本发明另一方面提供一种原位XAFS燃料电池催化剂实验系统，包括本发明所述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池。
[0027]本发明又一方面提供一种原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，采用本发明所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验系统进行实验。
[0028]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；
[0029]使所述用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池进入工作状态；
[0030]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；
[0031]当大于等于所述预设值时，采用一透视模式采谱；[〇〇32]否则采用一荧光模式采谱。
[0033]进一步地，所述采用透视模式采谱包括步骤:
[0034]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；
[0035]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；
[0036]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；
[0037]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；
[0038]进一步地，所述采用荧光模式采谱包括步骤:
[0039]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；
[0040]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；[0041 ]记录所述荧光信号的强度获得一第三光强数据；[〇〇42]根据第三光强数据获得一第二XAFS谱。
[0043]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。
[0044]优选地，所述预设值为5%。
[0045]进一步地，还包括步骤:
[0046]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；
[0047]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。
[0048]本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果:[〇〇49]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°C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射线的干扰。为了获得更好的性噪比，当待测元素的质量百分比大于等于 5%时，采用透射模式，待测元素的质量百分比小于5%时采用荧光模式。采用透射模式采集原位实验数据，采谱时间短，适用于含量较高(多5%)的样品，采用荧光模式采集原位实验数据，采谱时间长，适用于含量较低5 % )的样品。【附图说明】
[0050]图1为本发明实施例的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池结构示意图；[0051 ]图2为本发明实施例的阴极流场板第一面的结构示意图；
[0052]图3为本发明实施例的阴极流场板第二面的结构示意图；
[0053]图4为本发明实施例的阴极流场板顶面的结构示意图；
[0054]图5为本发明实施例的阳极流场板第一面的结构示意图；
[0055]图6为本发明实施例的阳极流场板第二面的结构示意图；
[0056]图7为本发明实施例的阳极流场板顶面的结构示意图；
[0057]图8为本发明实施例的顶盖板外侧面的结构示意图；
[0058]图9为本发明实施例的顶盖板内侧面的结构示意图；
[0059]图10为本发明实施例的顶盖板的截面图；
[0060]图11为本发明原位XAFS燃料电池催化剂实验系统的结构示意图；[0061 ]图12为本发明原位XAFS燃料电池催化剂实验方法的总体流程图；
[0062]图13为本发明原位XAFS燃料电池催化剂实验方法透视模式的流程图；
[0063]图14为本发明原位XAFS燃料电池催化剂实验方法荧光模式的流程图。【具体实施方式】
[0064]下面根据附图1-12,给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。[〇〇65]请参阅图1，本发明的一种用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池，包括:一支撑板 1，支撑板1中部形成一第一通孔11; 一膜电极组件3(MEA)，膜电极组件3的第一面涂覆有一阴极催化剂层31，膜电极组件3的第二面涂覆有一阳极催化剂层(图中未示)；一顶盖板5,顶盖板5中部形成一第二通孔51; —阳极流场板2，阳极流场板2中部形成一第三通孔21，阳极流场板2设置于阳极催化剂层和支撑板1之间或设置于阳极催化剂层和顶盖板5之间；一阴极流场板4,阴极流场板4中部形成一第四通孔41，阴极流场板4设置于阴极催化剂层31和支撑板1之间或设置于阴极催化剂层31和顶盖板5之间；第一通孔11、第二通孔51、第三通孔21 和第四通孔41形成一射线通道，射线通道与阴极催化剂层31和阳极催化剂层垂直;支撑板 1、膜电极组件3、顶盖板5、阳极流场板2和阴极流场板4相互密封贴合并固定连接。
[0066]本实施例中，阴极流场板4和阳极流场板2材质均为石墨，石墨的优点是便于加工， 且导电，顶盖板5和支撑板1均采用镁铝合金材质，以减少对待测组分的干扰。支撑板1形成一阳极触点12,顶盖板5形成一阴极触点53。
[0067]支撑板1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12,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5起到密封的作用，并可作为燃料电池的阴极触点53。阳极流场板2用于为通过阳极的气提供流场。阴极流场板4 用于为通过阴极的气体提供流场。[〇〇68]请参阅图2?图7,阳极流场板2第一面的第三通孔21外围形成一第一凹槽22,第一凹槽22内固定有一第一膜体(图中未示)，第一膜体覆盖第三通孔21。[〇〇69]阴极流场板4第一面的第四通孔41外围形成一第二凹槽42,第二凹槽42内固定有一第二膜体(图中未示)，第二膜体覆盖第四通孔41。第一膜体和第二膜体采用不吸收X射线的材质。
[0070]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。
[0071]本实施例中，第一膜体和第二膜体采用聚酰亚胺膜。具体的，可采用Kapton薄膜， 厚度范围为0.05mm<t<0.15mm，优选0.05mm，可选择用宽度大于37mm的kapton胶带制备， 制备好之后，对第一凹槽22和第二凹槽42进行清洁处理，然后把Kapton膜分别覆盖到第一凹槽22和第二凹槽42里，用手均匀的挤压Kapton膜，直到挤出里面所有的气泡，使Kapton膜和第一凹槽22和第二凹槽42紧密的贴合在一起，然后放入直径为37mm的硅胶密封圈，由于硅胶密封圈的厚度略大于第一凹槽22和第二凹槽42的深度，通过顶盖板5和支撑板1的挤压，kapton膜可以承受3.5个大气压的压力，满足氢-空燃料电池的气密性要求。
[0072]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°C的高温。在其他实施例中，也可采用其他不吸收X射线的材质，如铍，氮化硅，金刚石等，但采用聚酰亚胺膜成本更低，且没有毒性。本实施例中， 第一膜体和第二膜体表面形成疏水层。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。在其他实施例中也可不采用疏水层，但将不具备本实施例的抗外部水干扰的效果。
[0073]请参阅图1?图7,本实施例中，第一膜体通过一第一密封圈61压设于的第一凹槽 22内；第二膜体通过一第二密封圈62压设于第二凹槽42内。第一密封圈61和第二密封圈62 的采用提高了燃料电池的气密性。
[0074]同时，阳极流场板2的第二面形成一第一流场槽23,第一流场槽23面向阳极催化剂层设置；阴极流场板4的第二面形成一第二流场槽43,第二流场槽43面向阴极催化剂层31设置。本实施例中，第一流场槽23和第二流场槽43分别是在对应流场板上刻制而成，第一流场槽23和第二流场槽43宽0.5mm，槽深1.0mm，这样的设计是为了能让气体沿第一流场槽23和第二流场分布，从而使反应过程中的气体能够均匀的分散在阴极催化剂层31和阳极催化剂层表面。[〇〇75]本实施例中，第一流场槽23和第二流场槽43的外围分别形成一密封槽7,密封槽7 内填充有密封胶。密封槽7和密封胶的配合采用，进一步提高了燃料电池的气密性。而第一密封圈61、第二密封圈62和各自密封槽7的配合，实现了双重密封效果，切实解决的燃料电池的气密性问题，能够满足氢-空燃料电池的气密性要求。
[0076]本实施例中，阳极流场板2设置有一加热器(图中未示)；阴极流场板4设置有一温度传感器(图中未示)，加热器和温度传感器连接一温度控制系统(图中未示)。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，有效解决了以往不能控制燃料电池温度的不足。在其他实施例中，也可不设置温度传感器，但将无法实现本实施例中的温度控制功能。[〇〇77] 本实施例中，阳极流场板2形成一加热器插槽24,加热器插设固定于加热器插槽24 内。加热器插槽24的采用，使得加热器的安装和维护更为地便捷。在其他实施例中，加热器和温度传感器也可采用其他任意可拆卸连接的结构或固定连接的结构，但当采用固定连接结构时，将不再有本实施例中可便捷安装和便捷维护的效果。
[0078]本实施例中，阴极流场板4形成一传感器插槽44,温度传感器插设固定于传感器插槽44内。传感器插槽44的采用，使得温度传感器的安装和维护更为地便捷。类似于加热器， 在其他实施例中，温度传感器也可采用其他任意可拆卸连接的结构或固定连接的结构，但当采用固定连接结构时，将不再有本实施例中可便捷安装和便捷维护的效果。
[0079]同时，本实施例中，在阳极流场板2形成有一阳极进气口 25和一阳极出气口 26,加热器插槽24的位置设置于阳极进气口 25和阳极出气口 26之间。阴极流场板4形成有一阴极进气口 45和一阴极出气口 46,传感器插槽44的位置设置于阴极进气口 45和阴极出气口 46之间。
[0080]请参阅图1，本实施例中，顶盖板5、阴极流场板4、膜电极组件3、阳极流场板2和支撑板1分别在四个顶角开设连接孔8,并依次通过四个绝缘螺钉9从右往左固定。此时研究对象为阴极催化剂层31。
[0081]在其他实施例中，如当研究对象为阳极催化剂层时，可按照顶盖板5、阳极流场板 2、膜电极组件3、阴极流场板4和支撑板1的顺序从右往左依次连接。
[0082]另外，在其他实施例中，也可采用其他可拆卸的固定连接方式。[〇〇83]请参阅图8?图10,本实施例中，顶盖板5外侧面的第二通孔51外围形成一第三凹槽52,第三凹槽52的外沿呈圆形，且第三凹槽52自第三凹槽52的外沿向第二通孔51的方向逐渐倾斜下凹。第三凹槽52自第三凹槽52的外沿向第二通孔51的方向逐渐倾斜下凹，其目的是增加顶盖外侧面的第二通孔51开口角度，以减少顶盖板5对X射线的干扰。在其他实施例中，也可不采用第三凹槽52,但如此将无法达到减少顶盖板5对X射线干扰的效果。
[0084]请参阅图1，需要研究阴极催化剂时，应使膜电极组件3的涂有阴极催化剂层31的第一面朝向顶盖板5方向，这样采用荧光模式采集原位XAFS谱时，可以减少阳极催化剂层的干扰，反之，需要研究阳极催化剂时，应使膜电极组件3的涂有阳极催化剂层的第二面朝向顶盖板5方向。根据研究对象的不同，阴极流场板4和阳极流场板2可以互换位置，但始终保持第一流场槽23接触阳极催化剂层，第二流场槽43接触阴极催化剂层31。
[0085]对于阴极催化剂和阳极催化剂的选择，当阴极使用非Pt催化剂(铂催化剂)时，阳极最好选择Pt/C催化剂(铂炭催化剂)。当阴极使用Pt基催化剂时，阳极最好选择Pd/C催化剂(钯碳催化剂)，Pd(钯)作为仅次于Pt(铂)的最佳阳极催化剂，由于它的吸收边的能量很高，不会对阴极催化剂形成干扰，可以显著提高阴极催化剂原位XAFS谱的信噪比。无论采用透射模式还是荧光模式，阴阳极催化剂都不应该含有相同的目标元素，因为XAFS没有办法区分位于阴阳极的相同元素。为了提高原位XAFS谱的信噪比，目标元素在XAFS谱上的吸收边应和其他组分的吸收边相差越远越好。
[0086]请参阅图1、图11，本发明的一种原位XAFS燃料电池催化剂实验系统，包括本发明实施例的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池。
[0087]本实施例中，原位XAFS燃料电池催化剂实验系统还包括一X射线发射装置(图中未示)、光路组件10、探测器ll〇、XAFS数据采集系统120、复数个气体存储设备130、一气体分配装置140、一电化学数据采集控制系统180,一阴极加湿器150、一阳极加湿器160和一温度控制系统170。其中，复数个气体存储设备130连接气体分配装置140,本实施例中，复数个气体存储设备130分别存储氢气、氮气和空气，气体分配装置140分别连接阴极加湿器150、阳极加湿器160和电化学数据采集控制系统180,阴极加湿器150连接阴极流场板4的阴极进气口 45,阳极加湿器160连接阳极流场板2的阳极进气口25,阴极流场板4的阴极出气口46和阳极流场板2的阳极出气口 26分别通过一阀门190连接外部出气管道。同时电化学数据采集控制系统180连接用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池的阴极和阳极以及温度控制系统170,电化学数据采集控制系统180的采用实现了对用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池的C-V曲线和功率密度曲线的同步检测。温度控制系统170连接用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池的加热器和温度传感器，探测器110连接XAFS数据采集系统120。本实施例中，光路组件10 包括双晶单色器。X射线发射装置发射的X射线通过双晶单色器后按照所需路径传递照射， 探测器110设置在荧光模式采谱时的X射线的反射光路上。
[0088]通过本发明的一种原位XAFS燃料电池催化剂实验系统，借助同步辐射XAFS(X_ray Absorpt1n Fine Structure)光谱技术，可在线观察催化剂在反应过程中的动态变化，获得催化剂在工作状态下的结构变化和电化学信息，从而研究燃料电池催化剂结构和性能变化的对应关系。该系统可以同时实现荧光模式和透射模式采集数据，适用于不同浓度含量的样品测试，根据需要，该装置可以分别开展燃料电池的阳极催化剂和阴极催化剂研究，并可同步监测燃料电池的C-V曲线和功率密度曲线。
[0089]请参阅图1、图12,本发明的一种原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，采用本实施例的原位XAFS燃料电池催化剂实验系统进行实验，包括步骤:
[0090]S1:通过在膜电极组件3表面涂覆一待测试剂形成阴极催化剂层31或阳极催化剂层；[0091 ] S2:使用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池进入工作状态；
[0092]本实施例中，S2具体包括步骤:先调节用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池的温度和气体的流量;再把用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池放置在XAFS线站上。[〇〇93]S3:判断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，本实施例中，预设值为5%。[〇〇94]S4:当大于等于预设值时，采用一透视模式采谱；
[0095]S5:否则，即小于预设值时采用一荧光模式采谱；
[0096]请参阅图13，其中，采用透视模式采谱包括步骤:[〇〇97]S41:向用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池方向并沿射线通道发射X射线；[〇〇98]S42:X射线经过一前电离室时记录当前X射线的强度获得一第一光强数据；[〇〇99]S43:当X射线穿过射线通道后并经过一后电离室时记录当前X射线的强度并获得一第二光强数据；
[0100]S44:根据第一光强数据和第二光强数据获得一第一 XAFS谱。[0101 ]请参阅图1、图11、图14，采用荧光模式采谱包括步骤:[〇1〇2]S51:向第二通孔51方向并与阴极催化剂层31或阳极催化剂层呈一45°角发射X射线；
[0103]S52:X射线接触阴极催化剂层31或阳极催化剂层并激发接触到的阴极催化剂层31或阳极催化剂层形成并发出一荧光信号；[〇104]S53:记录荧光信号的强度获得一第三光强数据;本实施例中，通过一探测器110获取记录荧光信号的强度，探测器110和X射线在阴极催化剂层31或阳极催化剂层上入射点的连线与X射线入射方向垂直；[〇1〇5]S54:根据第三光强数据获得一第二XAFS谱。
[0106]为了获得更好的性噪比，当待测元素的质量百分比大于等于5%时，采用透射模式，待测元素的质量百分比小于5%时采用荧光模式。采用透射模式采集原位实验数据，采谱时间短，适用于含量较高(多5%)的样品，采用荧光模式采集原位实验数据，采谱时间长， 适用于含量较低($5%)的样品。这两种模式是为了满足不同浓度的样品测试的需要，待测元素质量百分比彡5%时，采用透射模式，〈5%时，采用荧光模式。[〇1〇7]同时在步骤S2后，还包括步骤:
[0108]将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180;
[0109]通过电化学数据采集控制系统180采集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。电化学信息包括:电池在反应过程中的随时间变化的电流和电压值，功率密度变化曲线，极化曲线等。
[0110]本发明的一种原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，利用X射线的穿透性和能够解析物质结构等特点，根据待测元素含量，设计了透射模式和荧光模式两种探测方法，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。在透射模式采谱过程中，X射线先经过前电离室，记录光强为1〇,获得第一光强数据，然后X射线垂直穿过燃料电池中的阴极催化剂层31和阳极催化剂层，这时X射线与催化剂成90度，再经过后电离室，记录光强h，获得第二光强数据，最后根据获得的第一光强数据和第二光强数据获得第一 XAFS谱;在荧光模式采谱过程中X射线经过前电离室后，X射线与靠近X射线发射装置的阳极催化剂层或阴极催化剂层31成45度角，X射线激发出阳极催化剂层或阴极催化剂层31中的荧光信号，探测器110记录荧光信号的强度，获得第二XAFS谱。燃料电池原位XAFS谱，即第一 XAFS谱和第二XAFS谱都可以给出待测元素在催化反应过程中氧化态的变化。
[0111]本实施例中，首先需要燃料电池在正常运行工况条件下工作，这就需要调节燃料电池的温度和气体的流量，然后，把燃料电池放置在XAFS线站上，这样就可以采集燃料电池在工作条件下的XAFS谱，同时采集燃料电池在工作条件下的电化学信息，从XAFS谱可以得到燃料电池催化剂在工作条件下的结构变化，结合燃料电池的电化学信息，可以找到燃料电池催化剂的结构变化和性能变化的对应关系。
[0112]以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
【主权项】
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，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。10.根据权利要求1?9任一项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。11.一种原位XAFS燃料电池催化剂实验系统，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所 述的用于催化剂实验的原位XAFS燃料电池。12.—种原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，其特征在于，采用权利要求11所述的原位 XAFS燃料电池催化剂实验系统进行实验。13.根据权利要求12所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，进一步包括步骤: 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，采用透视模式采谱，否则采用荧光模式采谱。14.根据权利要求13所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，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。15.根据权利要求13所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，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。16.根据权利要求15所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，其特征在于，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。17.根据权利要求13所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，其特征在于，所述预设 值为5 %。18.根据权利要求13?17任一项所述的原位XAFS燃料电池催化剂实验方法，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。
【文档编号】H01M4/86GK105973920SQ201610504909
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】尚明丰, 黄宇营, 王建强, 李莉娜
【申请人】中国科学院上海应用物理研究所