CN109471037A - 一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台。试验台由包含电极、盐桥、电解杯、紫铜导热块、半导体制冷片、水冷板、水散热器、水泵、水槽、温度传感器、数据采集模块、PID控制器、半导体制冷片驱动器、电化学工作站、计算机。半导体制冷片根据PID控制器输出信号，通过紫铜导热的方式，快速地对两个电解杯进行温度控制。温度传感器置于电极附近，测量电极温度。温差下两电极产生电势差，经电化学工作站测量获得输出电压与输出电流。在程序控制下，系统自动运行并记录测试电压与电流，获得热电化学电池的开路特性曲线与输出特性曲线。本发明具有台架搭建难度低、测量速度快、等优势，为热电化学电池输出特性测试提供了高效便捷的解决方案。

Description

一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台及其方法

技术领域

本发明涉及热电化学电池试验台及其方法，尤其涉及一种电极温度快速自动控制的盐桥式热电化学电池试验台及其方法。

背景技术

在当今节能与环保的时代主题下，余热回收技术是一项提高能源利用率的有效途径。关于余热回收的研究得到了学界与产业界的重点关注。而热电化学电池，就是一种基于电化学方法的余热利用技术，能够将低品位热能直接转化为电能。在工作模式上，它与传统的半导体温差发电技术相似，在电池两端施加温差，即可在两电极间形成电动势。它们具有相同的优点，比如能量直接转换，没有噪音等。由于热电化学电池主要构成是电解液，因此仅适用于电解液沸点温度以下的热能回收，在高温液体如高温冷却水、导热油等的余热回收，或者能源的梯级利用上有较大应用前景。目前该技术还未进行产业化，相关研究还处在认识阶段，需要大量的试验研究来展示不同热电化学电池的输出特性并探明其工作机制。

电极温度作为热电化学电池最重要的影响因素，在目前试验中却缺乏相关研究，通常仅观察单一温差下的电池特性，鲜见热电化学电池特性与温差的变化关系。究其原因是由于温度控制难度大，速度慢，在有限的时间与人力下，只能完成单一温差的性能研究。在精确控制温度方面，盐桥式电池具备较大优势。盐桥式电池由两个电解杯加盐桥组成，一方面，结构简单搭建容易，另一方面，由于盐桥的存在，使得两电解杯间的传热十分微弱，因此可以独立对两电解杯进行温度控制而忽略他们之间的温度影响。但目前相关试验研究中采用的控温方法基本都为水浴。由于水浴槽为单向控温，因此无法将温度控制到室温以下，且水的比热容较大，温度控制速度较慢，完成一组测试的时间较长。考虑到影响热电化学电池性能的因素还包括电解液配方、电极材料等，需要进行大量重复性试验，面对这种情况，现有的低效试验台架就显得捉襟见肘，限制了热电化学电池的进一步研究。目前的研究通常受限于温度控制的精度与速度，因此缺乏热电化学电池与温度的影响规律研究以及重复性多因素试验研究。

半导体制冷片是一种先进的热源热汇，其最大的优势在于既可以作为热源为对象加热，也可以作为热汇为对象制冷。而制冷与加热的工作模式改变，仅通过改变电流的方向即可实现，非常方便易用。这种特性使得半导体制冷片在主动高精度的温度控制具有非常好的效果。而紫铜作为一种优良的导热材料，具有较大的导热系数和较低的热容，可以快速将热量传递给电解杯，提高温度控制的速度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台，包括电池体、测量模块与温控模块。

电池体包括两个结构一致的半电池体；每个半电池体包括电解杯、电极与电解液。电解液置于电解杯中，电极下端置于电解液的液面下。两个半电池体通过盐桥相连。

温控模块为两套，每套温控模块包括紫铜导热块、半导体制冷片、水冷板、水散热器、水槽、水泵、温度传感器、PID控制器和半导体制冷片驱动器。半导体制冷片与紫铜导热块紧贴，半导体制冷片通过紫铜导热块对电解杯加热或制冷。水冷板贴附在半导体制冷片非工作侧的表面。水冷板、水散热器、水槽、水泵经水管顺次相连构成冷却水循环。温度传感器置于电解液中，用于检测电极温度。温度传感器与PID控制器连接。PID控制器控制半导体制冷片工作，PID控制器输出信号经半导体制冷片驱动器放大后输入半导体制冷片。

测量模块包括数据采集模块、电化学工作站及计算机。两个温度传感器均与数据采集模块相连。两个电极均与电化学工作站相连。数据采集模块及电化学工作站与计算机相连。计算机还连接PID控制器，通过计算机分别设定两个PID控制器的参数。参数包括电极的目标温度以及温度调控参数。通常PID控制器采用商用成品，而温度调控参数可通过自整定获得。

作为优选，电解杯还包括杯盖。杯盖上设有三个孔，分别为用于插入电极的电极孔、用于插入温度传感器的传感器孔、用于插入盐桥的盐桥孔。电解杯杯盖与杯体间采用密封层密封。电解杯直径36mm，高50mm。其中电极孔直径6mm，与标准四氟电极杆匹配，传感器孔与盐桥孔直径3mm。

作为优选，紫铜导热块为长方体，紫铜导热块顶面开有圆柱型孔槽，圆柱型孔槽尺寸与电解杯相匹配其四个侧面开有螺纹孔。紫铜导热块的长宽高尺寸为65mm*65mm*60mm。圆柱型孔槽的直径为36mm。螺纹孔为M3螺纹孔。

作为优选，导体制冷片与水冷板紧密贴合；通过螺栓压紧水冷板使导体制冷片与紫铜导热块紧固。半导体制冷片为24106型号，长宽尺寸40mm*40mm。螺栓通过M3旋紧连接。

作为优选，半导体制冷片、紫铜导热块、与水冷板的所有换热接触面上均涂覆导热硅脂，以强化导热。

作为优选，温度传感器为热电阻或热电偶，包括T型铠装绝缘式热电偶、NTC热敏电阻、PT1000铂热电阻等，适应0-100摄氏度温区的精确测量。

本发明还提供了一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台的电池体制作方法，包括如下步骤：

1)将电解液倒入两电解杯中，液面超过杯高一半，其中一杯电解液量多于另一杯；

2)杯盖盖紧，利用塑胶堵头堵住电极孔；

3)使用空的第一塑料软管插入两个电解杯的盐桥孔，以连接两个电解杯；并做好第一塑料软管与盐桥孔间的密封；

4)在电解液较多的电解杯的传感器孔上插入第二塑料软管并做好密封；

5)对第二塑料软管鼓气使得电解液进入第一塑料软管并连通两电解杯中的电解液；

6)去除塑胶堵头及第二塑料软管至此电池体制作完成。

本发明还提供了一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台的测试方法，包括如下步骤：

1)通过计算机分别设定两个PID控制器的温度调控参数，使温度控制速度与精度达到较优状态；

2)通过计算机分别设定两个PID控制器所需控制的电极的目标温度；

3)启动系统，计算机记录温度变化数据，存储为温度变化曲线，待电极温度稳定时，如与目标温度偏差在允许误差内，则进行下一步，否则重新调试PID控制器的温度调控参数；

4)电化学工作站启动，测量热电化学电池的开路电压，记录开路电压-时间曲线，记录读数；

5)重复步骤2)至4)，获得开路电压与两个电极的温差关系表，开路电压与温差的比值为赛贝克系数，至此完成热电化学电池的开路性能测试；

6)如需获得特定温度下的输出特性，则控制电极的目标温度不变，电化学工作站对输出电压从零到开路电压进行扫描测试；

7)如需观察温度效应，则控制温控模块取一系列目标温度或两电极的温差进行反复测试。

本发明提出了一种可以推广的盐桥式热电化学电池性能的试验台系统及其方法，通过半导体制冷技术与紫铜导热方式实现了电极温度的快速精确控制，较大程度地简化了试验操作。本发明既有效提升了热电化学电池性能测试的效率，大量重复性试验成为可能，并提供了温度与性能影响规律研究的试验基础，又为未来研究电极材料、电解液配方等因素时，所需的重复性试验节约了大量人力与时间成本，还为揭示电极温度对热电化学电池性能的影响提供了技术支撑。

附图说明

图1为试验台的结构示意图；

图2为电解杯的杯盖结构示意图；

图3为紫铜导热块的结构示意图；

图4为温控模块的结构示意图。

图中：电解杯-1、电极-2、盐桥-3、电解液-4、紫铜导热块-5、半导体制冷片-6、水冷板-7、水散热器-8、水槽-9、水泵-10、温度传感器-11、数据采集模块-12、PID控制器-13半导体制冷片驱动器-14、电化学工作站-15、计算机-16、电极孔-17、传感器孔-18、盐桥孔-19、密封层-20。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明做进一步介绍。

图1为本发明所述试验台结构示意图。由图1可以看出，一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台，包含电池体、测量模块与温控模块。电池体包括结构一致的两个半电池体，其中图1只展示了其中一个半电池体。该半电池体包括电池体包括电解杯1、电极2与电解液4；电解液4置于电解杯1中；电极2下端置于电解液4的液面下；两个半电池体通过盐桥3相连。图2为本发明电池体所用杯盖的结构示意图，在本实施例中，电解杯1还包括杯盖，杯盖上设有三个孔，分别为用于插入电极2的电极孔17、用于插入温度传感器11的传感器孔18、用于插入盐桥3的盐桥孔19；电解杯杯盖与杯体间采用密封层20密封。电解杯直径36mm，高50mm。其中电极孔直径6mm，与标准四氟电极杆匹配，传感器孔与盐桥孔直径3mm。

温控模块也是两套，每套温控模块分别控制一个半电池体的温度。温控模块包括紫铜导热块5、半导体制冷片6、水冷板7、水散热器8、水槽9、水泵10、温度传感器11、PID控制器13和半导体制冷片驱动器14。此外测量模块包括数据采集模块12，电化学工作站15及计算机16。

两个温控模块中的温度传感器11均与数据采集模块12相连，两个电极2均与电化学工作站15相连。数据采集模块12及电化学工作站15与计算机16相连。计算机16还连接PID控制器13，计算机16不仅用于数据的记录，还用于设置PID控制器13的参数。所述参数包括电极2的目标温度以及温度调控参数。

如图3所示，在本实施例中，紫铜导热块5为长方体，其长宽高尺寸为65mm*65mm*60mm。紫铜导热块5顶面开有圆柱型孔槽以放置电解杯，圆柱型孔槽尺寸与电解杯1相匹配，均为36mm。其紫铜导热块5四个侧面开有M3螺纹孔。温控模块如下设置，半导体制冷片6与紫铜导热块5紧贴，半导体制冷片6通过紫铜导热块5对电解杯1加热或制冷。水冷板7贴附在半导体制冷片6非工作侧的表面。水冷板7的外侧设有螺栓，螺栓与紫铜导热块5四个侧面的M3螺纹孔旋紧，螺栓旋紧后压紧水冷板7。在压力作用下，水冷板7、半导体制冷片6与紫铜导热块5紧固。同时半导体制冷片6、紫铜导热块5与水冷板7的所有换热接触面上均涂覆导热硅脂。本实施例中，半导体制冷片为24106型号，长宽尺寸40mm*40mm。可根据具体的实验需求更换不同的半导体制冷片6。

水冷板7、水散热器8、水槽9、水泵10经水管顺次相连构成冷却水循环，以此来冷却半导体制冷片6。温度传感器11置于电解液4中，用于检测电极2温度。温度传感器11位于在电极2表面附近。温度传感器11与PID控制器13连接；PID控制器13用于控制半导体制冷片6工作；PID控制器13输出信号经半导体制冷片驱动器14放大后输入半导体制冷片6。温度传感器11的可根据需求，选择热电阻或热电偶，例如T型铠装绝缘式热电偶、NTC热敏电阻、PT1000铂热电阻等。这些传感器均可以适应0-100摄氏度温区的精确测量。

图4为温控模块的结构示意图，为防止水路与电路接触，采用电路朝上，水路朝下的设计方式。实际台架应设计成立式三层结构，所有电线全部向上集中，与控制测试模块等置于上层电路层，电池体、紫铜导热块5、半导体制冷片6、水冷板7等置于中层，而冷却水路置于下层水路层。另外，如果温度控制功率不大≤300W，则电路部分中的数据采集模块12、PID控制器13、半导体制冷片驱动器三者除自行开发外，还可采用市场上较为成熟的集成式半导体制冷片控制模块及其配套上位机，以进一步降低试验台架搭建难度。

该实施例中，试验台的电池体制作方法，包括如下步骤：

1.将电解液倒入两电解杯1中，液面超过杯高一半，其中一杯电解液量多于另一杯；

2.杯盖盖紧，利用塑胶堵头堵住电极孔17；

3.使用空的第一塑料软管插入两个电解杯1的盐桥孔19，以连接两个电解杯1；并做好第一塑料软管与盐桥孔19间的密封；

4.在电解液较多的电解杯1的传感器孔18上插入第二塑料软管并做好密封；

5.对第二塑料软管鼓气使得电解液进入第一塑料软管并连通两电解杯1中的电解液4；

6.去除塑胶堵头及第二塑料软管至此电池体制作完成。

该实施例中，使用该试验台的热电化学电池性能测试方法，包括如下步骤：

1.通过计算机16分别设定两个PID控制器13的温度调控参数；

2.通过计算机16分别设定两个PID控制器13所需控制的电极2的目标温度；

3.启动PID控制器13，半导体制冷片6开始工作；通过计算机16记录温度变化数据，并将其存储为温度变化曲线，待电极温度稳定时，如与目标温度偏差在允许误差内，则进行下一步，否则重新调试PID控制器13的温度调控参数；

4.电化学工作站15启动，测量热电化学电池的开路电压，记录开路电压-时间曲线，记录读数；

5.重复步骤2至4，获得开路电压与两个电极2的温差关系表，开路电压与温差的比值为赛贝克系数，至此完成热电化学电池的开路性能测试；

6.如需获得特定温度下的输出特性，则控制电极2的目标温度不变，电化学工作站对输出电压从零到开路电压进行扫描测试；

7.如需观察温度效应，则控制温控模块取一系列目标温度或两电极2的温差进行反复测试。

应当指出，以上公布仅为本发明的具体实施方式，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，如采用方柱形结构的电池等，在不明显改变整体系统架构的前提下，也应认为在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于，包括电池体、测量模块与温控模块；

所述的电池体包括两个结构一致的半电池体；每个半电池体包括电解杯(1)、电极(2)与电解液(4)；电解液(4)置于电解杯(1)中；电极(2)下端置于电解液(4)的液面下；两个半电池体通过盐桥(3)相连；

所述的温控模块为两套，每套温控模块包括紫铜导热块(5)、半导体制冷片(6)、水冷板(7)、水散热器(8)、水槽(9)、水泵(10)、温度传感器(11)、PID控制器(13)和半导体制冷片驱动器(14)；半导体制冷片(6)与紫铜导热块(5)紧贴，半导体制冷片(6)通过紫铜导热块(5)对电解杯(1)加热或制冷；水冷板(7)贴附在半导体制冷片(6)非工作侧的表面；水冷板(7)、水散热器(8)、水槽(9)、水泵(10)经水管顺次相连构成冷却水循环；温度传感器(11)置于电解液(4)中，用于检测电极(2)温度；温度传感器(11)与PID控制器(13)连接；PID控制器(13)用于控制半导体制冷片(6)工作；PID控制器(13)输出信号经半导体制冷片驱动器(14)放大后输入半导体制冷片(6)；

所述的测量模块包括数据采集模块(12)、电化学工作站(15)及计算机(16)；所述的两个温度传感器(11)均与数据采集模块(12)相连，两个电极(2)均与电化学工作站(15)相连；数据采集模块(12)及电化学工作站(15)与计算机(16)相连；所述计算机(16)还连接PID控制器(13)，通过计算机(16)分别设定两个PID控制器(13)的参数；所述参数包括电极(2)的目标温度以及温度调控参数。

2.如权利要求1所述的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于，所述的电解杯(1)还包括杯盖；杯盖上设有三个孔，分别为用于插入电极(2)的电极孔(17)、用于插入温度传感器(11)的传感器孔(18)、用于插入盐桥(3)的盐桥孔(19)；电解杯杯盖与杯体间采用密封层(20)密封。

3.如权利要求1所述的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于所述的紫铜导热块(5)为长方体；紫铜导热块(5)顶面开有圆柱型孔槽，圆柱型孔槽尺寸与电解杯(1)相匹配，其紫铜导热块(5)四个侧面开有螺纹孔。

4.如权利要求1所述的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于所述的半导体制冷片(6)与水冷板(7)紧密贴合；通过螺栓压紧水冷板(7)使导体制冷片(6)与紫铜导热块(5)紧固。

5.如权利要求1所述的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于所述的半导体制冷片(6)、紫铜导热块(5)与水冷板(7)的所有换热接触面上均涂覆导热硅脂。

6.如权利要求1所述的盐桥式热电化学电池试验台，其特征在于所述的温度传感器(11)为热电阻或热电偶。

7.一种如权利要求2所述试验台的电池体制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将电解液倒入两电解杯(1)中，液面超过杯高一半，其中一杯电解液量多于另一杯；

2)杯盖盖紧，利用塑胶堵头堵住电极孔(17)；

3)使用空的第一塑料软管插入两个电解杯(1)的盐桥孔(19)，以连接两个电解杯(1)；并做好第一塑料软管与盐桥孔(19)间的密封；

4)在电解液较多的电解杯(1)的传感器孔(18)上插入第二塑料软管并做好密封；

5)对第二塑料软管鼓气使得电解液进入第一塑料软管并连通两电解杯(1)中的电解液(4)；

6)去除塑胶堵头及第二塑料软管至此电池体制作完成。

8.一种如权利要求1所述试验台的热电化学电池性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过计算机(16)分别设定两个PID控制器(13)的温度调控参数；

2)通过计算机(16)分别设定两个PID控制器(13)所需控制的电极(2)的目标温度；

3)启动PID控制器(13)，半导体制冷片(6)开始工作；通过计算机(16)记录温度变化数据，并将其存储为温度变化曲线，待电极温度稳定时，如与目标温度偏差在允许误差内，则进行下一步，否则重新调试PID控制器(13)的温度调控参数；

4)电化学工作站(15)启动，测量热电化学电池的开路电压，记录开路电压-时间曲线，记录读数；

5)重复步骤2)至4)，获得开路电压与两个电极(2)的温差关系表，开路电压与温差的比值为赛贝克系数，至此完成热电化学电池的开路性能测试；

6)如需获得特定温度下的输出特性，则控制电极(2)的目标温度不变，电化学工作站对输出电压从零到开路电压进行扫描测试；

7)如需观察温度效应，则控制温控模块取一系列目标温度或两电极(2)的温差进行反复测试。