一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置

本发明涉及一种同步辐射原位装置，尤其涉及一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置。

背景技术：

1、

2、氢能作为清洁能源的代表，具有能效密度高，清洁无污染等诸多优点。如何安全利用氢能，是未来科技发展的重点研究方向。氢燃料电池作为绿色使用氢能的新技术，被科学界广泛研究。在氢燃料电池的研究过程中，一半会把电池的阴阳极镀在薄膜表面。燃料电池工作时，薄膜会加热到六七百度以上的高温，阴阳极处于不同的气氛环境中发生反应。

3、同步辐射作为一种无损表征技术，可以对材料的微观结构及化学价态变化等进行表征。对研究燃料电池的反应机理，寻找、设计合适的催化剂具有重大帮助，是研究燃料电池的可靠手段。但是传统的同步辐射方法，因受条件限制，仅能在电池反应的首末阶段进行表征，即反应前表征和反应后表征，对反应过程中的变化一无所知。

4、具体来说，现有的燃料电池装置中，满足高温反应条件的氢燃料电池装置，仅仅是为电池能反应研发的，并未考虑同步辐射使用需求，因此，满足高温反应条件的燃料电池装置无法在同步辐射装置中使用。现有的同步辐射测试要求有相应的x光馈入窗口和信号输出窗口。这就会破坏原有的燃料电池装置，使高温等条件无法实现，因此，现有的燃料电池装置可以在同步辐射使用的不能满足高温反应条件，无法进行高温反应。因此，传统的同步辐射方法，只能离线进行氢反应，然后把反应产物进行同步辐射测试，只知道反应前表征和反应后表征，不知道反应过程中的变化。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，以同时满足高温氢电池的反应需求和同步辐射测试需要，从而能够在燃料电池反应的同时进行同步辐射表征。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，包括下到上依次固定连接的底座、陶瓷支柱和主体，所述主体包括底部密封且顶部开口的原位盒，安装于所述原位盒的腔体中并将腔体隔绝成两个气室的电池安装板、以及安装于原位盒的顶部的顶盖；

3、所述高温氢电池为薄膜电池，所述电池安装板的中心设有用于容纳薄膜电池的通孔，电池安装板的背面和正面分别安装有测温电偶和加热电极，加热电极和测温电偶将薄膜电池夹持在两者之间，所述测温电偶和加热电极的中心分别具有第一通光孔和第二通光孔；

4、原位盒上设有多个观察窗，所述观察窗包括位于电池安装板的背面一侧且设于原位盒的侧壁上的入射光窗口、激光加热窗口、荧光窗口、以及设于电池安装板的正面一侧且设于原位盒的侧壁上的衍射窗口。

5、所述顶盖由螺丝安装在原位盒上，所述顶盖的下表面的居中位置设有第一电池定位槽，所述第一电池定位槽和电池安装板之间设有真空垫。

6、所述顶盖在第一电池定位槽的两侧分别设有第一出气孔和第二出气孔，第一出气阀安装第一出气孔上，第二出气阀安装在第二出气孔上。

7、所述原位盒的侧壁上设有两组相对设置的夹板，每一组夹板包括相邻的两个夹板，且相邻的两个夹板互相靠近的一侧均贴有夹板密封条，由此，所述夹板形成了设于原位盒的侧壁的供电池安装板插入的插槽；且所述原位盒的底壁上设有第二电池定位槽。

8、所述原位盒的底壁上设有位于第二电池定位槽的两侧的、用于安装第一进气阀的第一进气孔和用于安装第二进气阀的第二进气孔；所述原位盒的底壁上还设有位于第二电池定位槽的两侧的第一真空插头和第二真空插头，第一真空插头和第二真空插头用于引出测温电偶的电路、加热电极的电路和薄膜电池的电路。

9、所述电池安装板的通孔四周有贯穿电池安装板的多个螺纹孔，所述测温电偶通过第一面螺钉和所述螺纹孔固定于电池安装板的背面，所述电池安装板通过第二面螺钉固定于电池安装板的正面，第一面螺钉和第二面螺钉的长度之和小于电池安装板的厚度；

10、所述第一面螺钉、第二面螺钉上涂有真空胶，测温电偶紧贴薄膜电池，测温电偶紧贴电池安装板，且测温电偶与电池安装板之间采用真空胶密封。

11、所述测温电偶包括第一圆柱和设于第一圆柱的背面且直径小于第一圆柱的第一圆柱形凸台，所述第一通光孔贯穿所述第一圆柱和第一圆柱形凸台的中心，所述第一通光孔由倾角45°的测温楔形和倾角50°的入射楔形组成；所述入射光窗口、荧光窗口的表面与薄膜电池的表面的夹角均呈40°且分别位于激光加热窗口的两侧；测温楔形的背面安装有电偶丝；

12、且所述加热电极包括第二圆柱和设于第二圆柱的背面且直径小于第二圆柱的第二圆柱形凸台，所述第二通光孔贯穿所述第二圆柱和第二圆柱形凸台的中心，第二通光孔是倾角45°的楔形。

13、所述第一圆柱的外径为12mm，厚度为1.5mm；第一圆柱形凸台的直径为6mm，高度为1.5mm；第一通光孔在测温电偶的背面的直径为2mm；第二圆柱的外径为12mm，厚度为1.5mm；第二圆柱形凸台的直径为6mm，高度为1mm；且第二通光孔在加热电极的背面的直径是2mm，在加热电极的正面的直径是7mm。

14、所述原位盒的侧壁上设有入射光孔、激光加热孔和荧光孔，入射光窗口通过入射光窗口压环压紧固定于原位盒的入射光孔上，激光加热窗口通过激光加热窗口压环压紧固定于原位盒的激光加热孔上，荧光窗口通过荧光窗口压环压紧固定于原位盒的荧光孔上；通光孔的直径是10mm；所述激光加热孔的孔径是15mm；荧光孔的直径是6mm；且原位盒的侧壁上设有衍射光孔，衍射窗口通过衍射窗口压环压紧固定于原位盒的衍射光孔上；衍射窗口的截面为40mm×16mm的矩形。

15、所述电池安装板的材质为耐火陶瓷，所述顶盖和原位盒的材质为不锈钢。

16、本发明的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，采用激光加热的方式，满足高温氢燃料电池的气氛需求和反应要求，且该装置的隔热设计可以有效保护同步辐射实验平台，因而可以同时满足高温氢电池的反应需求和同步辐射测试需要，从而能够在燃料电池的反应过程中进行同步辐射原位表征。另外，本发明的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置采用多个观察窗，可以综合利用同步辐射方法中的多种方法，如同步辐射荧光，吸收谱和衍射方法，对原位电池的反应过程进行表征，特别是可以在电池反应过程中，对阴极、阳极和催化剂的状态进行表征。该装置较为小巧，可以用在同步辐射实验平台上。

技术特征：

1.一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，包括下到上依次固定连接的底座、陶瓷支柱和主体，所述主体包括底部密封且顶部开口的原位盒，安装于所述原位盒的腔体中并将腔体隔绝成两个气室的电池安装板、以及安装于原位盒的顶部的顶盖；

2.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述顶盖由螺丝安装在原位盒上，所述顶盖的下表面的居中位置设有第一电池定位槽，所述第一电池定位槽和电池安装板之间设有真空垫。

3.根据权利要求2所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述顶盖在第一电池定位槽的两侧分别设有第一出气孔和第二出气孔，第一出气阀安装第一出气孔上，第二出气阀安装在第二出气孔上。

4.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述原位盒的侧壁上设有两组相对设置的夹板，每一组夹板包括相邻的两个夹板，且相邻的两个夹板互相靠近的一侧均贴有夹板密封条，由此，所述夹板形成了设于原位盒的侧壁的供电池安装板插入的插槽；且所述原位盒的底壁上设有第二电池定位槽。

5.根据权利要求4所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述原位盒的底壁上设有位于第二电池定位槽的两侧的、用于安装第一进气阀的第一进气孔和用于安装第二进气阀的第二进气孔；所述原位盒的底壁上还设有位于第二电池定位槽的两侧的第一真空插头和第二真空插头，第一真空插头和第二真空插头用于引出测温电偶的电路、加热电极的电路和薄膜电池的电路。

6.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述电池安装板的通孔四周有贯穿电池安装板的多个螺纹孔，所述测温电偶通过第一面螺钉和所述螺纹孔固定于电池安装板的背面，所述电池安装板通过第二面螺钉固定于电池安装板的正面，第一面螺钉和第二面螺钉的长度之和小于电池安装板的厚度；

7.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述测温电偶包括第一圆柱和设于第一圆柱的背面且直径小于第一圆柱的第一圆柱形凸台，所述第一通光孔贯穿所述第一圆柱和第一圆柱形凸台的中心，所述第一通光孔由倾角45°的测温楔形和倾角50°的入射楔形组成；所述入射光窗口、荧光窗口的表面与薄膜电池的表面的夹角均呈40°且分别位于激光加热窗口的两侧；测温楔形的背面安装有电偶丝；

8.根据权利要求7所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述第一圆柱的外径为12mm，厚度为1.5mm；第一圆柱形凸台的直径为6mm，高度为1.5mm；第一通光孔在测温电偶的背面的直径为2mm；第二圆柱的外径为12mm，厚度为1.5mm；第二圆柱形凸台的直径为6mm，高度为1mm；且第二通光孔在加热电极的背面的直径是2mm，在加热电极的正面的直径是7mm。

9.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述原位盒的侧壁上设有入射光孔、激光加热孔和荧光孔，入射光窗口通过入射光窗口压环压紧固定于原位盒的入射光孔上，激光加热窗口通过激光加热窗口压环压紧固定于原位盒的激光加热孔上，荧光窗口通过荧光窗口压环压紧固定于原位盒的荧光孔上；通光孔的直径是10mm；所述激光加热孔的孔径是15mm；荧光孔的直径是6mm；且原位盒的侧壁上设有衍射光孔，衍射窗口通过衍射窗口压环压紧固定于原位盒的衍射光孔上；衍射窗口的截面为40mm×16mm的矩形。

10.根据权利要求1所述的同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，其特征在于，所述电池安装板的材质为耐火陶瓷，所述顶盖和原位盒的材质为不锈钢。

技术总结
本发明提供一种同步辐射的高温氢电池反应的原位装置，包括底座、陶瓷支柱和主体，主体包括原位盒，安装于原位盒的腔体中并将腔体隔绝成两个气室的电池安装板、以及安装于原位盒的顶部的顶盖；高温氢电池为薄膜电池，电池安装板的中心设有用于容纳薄膜电池的通孔，电池安装板的背面和正面分别安装有测温电偶和加热电极，测温电偶和加热电极的中心分别具有通光孔；原位盒上设有电池安装板的背面一侧且设于原位盒的侧壁上的入射光窗口、激光加热窗口、荧光窗口、以及设于电池安装板的正面一侧且设于原位盒的侧壁上的衍射窗口。本发明的原位装置同时满足高温氢电池的反应需求和同步辐射测试需要，从而能够在燃料电池反应的同时进行同步辐射表征。

技术研发人员：闫帅,何燕,董朝晖,张丽丽,杨科,李爱国
受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11