CN112485199B - 适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，包括由上至下依次设置的上法兰、中法兰及基座法兰。本发明为傅里叶红外仪器设备提供了原位表征方法拓展，在应用上针对气固相界面电化学的表面分析，解决现有电化学气相反应双电极池红外光谱原位池的空白。本发明公开的在线原位反应池不但实现对室温气相电化学反应过程进行原位透射红外高时间分辨率测试，而且满足以不同温度为参数的反应过程表征要求，温度控制范围最高达到150℃。本发明适用于理解气相电化学反应中离子交换膜上催化剂表面中间产物向产物的转化过程，也适用于燃料电池反应过程的模拟表征，同时该发明的结构也适用于其他光进光出方法对电化学气相反应的原位表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对双气室反应的光进光出结构原位表征池。
背景技术
催化剂涉及全球30％的GDP包括绝大多数化工过程。反应物质与催化剂表面的相互作用是催化反应中的关键问题，理解该问题是改进催化剂并优化相关化工工艺的重要途径。催化剂反应过程表征致力于在分子水平上了解催化剂的工作机制，其关键是研究催化剂在工作状态下的结构变化，即原位表征。
光谱电化学是一种结合光谱技术和电化学技术的研究手段，在电化学过程中同时监测电化学产物信号和催化剂结构光谱信号，已经成为基于分子水平研究电化学过程的强有力技术。其中红外光谱提供分子振动结构信息，在目前已有的催化研究手段中，红外光谱技术已经发展为十分普遍和有效的方法，可以与热脱附、质谱、色谱等近代物理方法在线联合，获得对催化作用更深入全面的了解；如果与电镜(SEM/TEM)、原位XRD、热分析技术联合,可以用以对研究催化剂和功能材料体相组成结构的变化及表面官能团的变化。在电化学过程中，同步跟踪反应物、中间体和生成物的结构信息，通过获取的相关物种红外吸收信号和电化学信号，从分子水平获得电化学过程中的实时动力学信息。
其中催化剂主要参与阴极过程，涂布催化剂的离子交换膜阴极面以及其同侧的气相电化学反应阴极室是原位结构表征观察对象。
红外光谱电化学池是连接电化学和红外光谱仪的重要接口，既要求重复普通电化学反应池的电化学行为，又要求提供红外光谱仪信噪比好的红外光谱图，因此它的制备至关重要。以表面分析为使用目的的原位红外池，其主要评价指标与以下几点有关：
1、反射式结构：红外信号的采集方式一般分为反射式和透射式两种。由于气相电化学反应仅关注离子交换膜阴极面一侧，因此应采用反射式结构。但是反射式光路红外光仅与材料发生有限次接触吸收，对小覆盖率物种响应低，受光路环境背景影响大，因此应考虑其他因素优化设计结构。
2、池内光程/死体积：原位红外光谱的光路在反应池内必定会通过反应气体，这一部分光程吸收带来的背景影响，一方面整体减弱红外光通量，另一方面对某些表面附着中间产物的信号产生覆盖，因此对表面分析为目的的研究，其影响是负面的。此外，反应池体积越大，在反应气体中的光程越长，也意味着相同流速下的反应池气体切换时间也越长，即扩散极限将影响采谱周期内产物更新。对原位表征中至关重要的瞬态过程分析而言，从反应物A到B的转换过渡时间越短越好。因此反应池内光程/死体积是红外原位反应池的一个主导指标。
3、工作温度范围：温度是电化学反应重要的参数。温度相关的反应步骤与电化学反应的反应总体速率相关联，如高温下去除电极或者质子交换膜上影响实验的杂质成分、提升质子交换膜迁移速率、改变电极表面吸附等。此外，较低的温度条件提高反应中间体的稳定性，提高中间体的相关信号，对跟踪电化学反应过程中物种变化、探究物质氧化还原反应历程和反应机制，也具有十分重要的意义。因此，需要在合理范围内调整温度，达到反应和表征的最佳值。由上反应池允许的工作温度范围是原位红外光谱电化学池显而易见的指标。总体而言，气相电化学反应的温度上限较低，略高于100℃。
4、表征材料要求：原位表征不仅要求反应条件如压力成分温度范围模拟工作条件，也要求被表征材料最大程度等同于实际工业反应材料状态，才能达到原位表征的目的。本发明针对气相电化学反应进行表征，也是电化学领域相当重要的一部分。参考常见的红外光谱电化液态反应池设计，绝大部分采用基于衰减全反射结构的红外电化学池，要求催化剂为微米级薄层。对气相电化学反应，催化剂沉积在离子交换膜表面，无法通过衰减全反射结构建立模拟体系，因此气相电化学反应原位红外研究方面目前还是空白。
5、电化学反应性能：保证光谱电化学池具有良好的电化学性能，便于控制电位等反应参数，得到与普通反应池相当的产物信号。
上述条件1-5往往相互制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：气相电化学反应中发生在离子交换膜不同表面的交换过程是近期开始被关注的化学问题，目前没有对应的气相电化学原位红外反应池。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，包括由上至下依次设置的上法兰、中法兰及基座法兰，其中：
上法兰开有红外通光口，且在上法兰内设有红外窗片；
中法兰顶部设有用于密封红外窗片的阴极池密封O圈；中法兰与上法兰包围的空腔为电化学反应阴极池；在电化学反应阴极池内同心设有多孔石英管，多孔石英管的高度比红外窗片至中法兰底面的距离高；多孔石英管的底部设有阴电极丝；电化学反应阴极池与中法兰T型气路结构相连通；中法兰T型气路结构的横向管道内设有阴极池进气铜管，纵向管道为阴极池尾气管；阴极池进气铜管的一端为进气端，位于中法兰T型气路结构的横向管道外，阴极池进气铜管的另一端伸入电化学反应阴极池内且与阴电极丝紧密连接；经由阴极池进气铜管通入的气体经过多孔石英管后在电化学反应阴极池充分反应，随后经由中法兰T型气路结构自阴极池尾气管排出，形成电化学反应阴极气路回路；阴极池进气铜管的进气端口同时作为电化学反应阴电极控制信号的输入端；
离子交换膜设于中法兰底部和基座法兰顶部之间，离子交换膜的阴极池面与电化学反应阴极池底部的阴电极丝紧密接触；基座法兰顶部设有用于密封离子交换膜的阳极池密封O圈；中法兰与基座法兰包围的空腔为电化学反应阳极池；电化学反应阳极池内设有可压缩的对电极网，对电极网受压后填充整个电化学反应阳极池，确保与离子交换膜的阳极池面紧密接触；电化学反应阳极池与基座法兰T型气路结构相连通，基座法兰T型气路结构的横向管道内设有阳极池进气铜管，纵向管道为阳极池尾气管；阳极池进气铜管的一端位于基座法兰T型气路结构的横向管道外，为进气端，阳极池进气铜管的另一端伸入电化学反应阳极池且连接阳电极丝与对电极网等电位；经由阳极池进气铜管通入的气体在电化学反应阳极池充分反应，随后经由基座法兰T型气路结构自阳极池尾气管排出，形成电化学反应阳极气路回路；阳极池进气铜管的进气端口同时作为电化学反应阳电极控制信号的输入端；
基座法兰下方或中间设有加热组件，在中法兰和基座法兰间插入热电偶，配合控制器实现室温至250℃温控。
优选地，在上法兰边缘，沿周向设有上法兰螺孔；在中法兰边缘，沿周向设有中法兰螺孔；在基座法兰边缘，沿周向设有基座法兰螺孔；
上法兰螺孔、中法兰螺孔及基座法兰螺孔对齐后穿入紧固螺丝，并通过紧固螺母及垫圈对角逐步拧紧。
优选地，所述上法兰、所述中法兰及所述基座法兰均由导热性好且具备化学反应惰性的绝缘材料制成。
优选地，所述上法兰的中央形成有中央圆形槽，所述红外窗片放置在中央圆形槽内；所述上法兰与所述红外窗片之间设有用于缓冲所述红外窗片所受压力的窗片透明垫片。
优选地，所述透明垫片选用硬度低于所述上法兰与所述红外窗片的材料制成。
优选地，所述多孔石英管的底面磨平。
优选地，所述多孔石英管的高度比所述红外窗片至所述中法兰底面的距离高0.5-1.0mm。
本发明为傅里叶红外仪器设备提供了原位表征方法拓展，在应用上针对气固相界面电化学的表面分析，解决现有电化学气相反应双电极池红外光谱原位池的空白。本发明公开的在线原位反应池不但实现对室温气相电化学反应过程进行原位透射红外高时间分辨率测试，而且满足以不同温度为参数的反应过程表征要求，温度控制范围最高达到250℃。本发明适用于理解气相电化学反应中离子交换膜上催化剂表面中间产物向产物的转化过程，也适用于燃料电池反应过程的模拟表征，同时该发明的结构也适用于其他光进光出方法对电化学气相反应的原位表征。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)反应池内光程短，气体背景信号影响小；
(2)外形小型化,兼容红外设备内部通用光路方案，充分利用红外设备光源强度；
(3)微反应池死体积小，从而保证流体扩散极限匹配仪器时间分辨率上限；
(4)结构简单,快速拆卸，重组周转时间短；
(5)适用温控范围大，温度控制范围上限能够达到250℃；
(6)结构符合气相电化学反应红外测试要求，并提供在线产物分析和电化学分析接口。
附图说明
图1为本发明中原位红外微型反应池组装示意；
图2A及图2B为本发明中顶层部分的俯视图和侧视；
图3A及图3B为本发明中中层部分的俯视图和侧视；
图4A及图4B为本发明中底层部分的俯视图和侧视；
图5为实施例安装示意图；
图6为原位快速红外采谱实例，一小时内对实施例快速采谱叠加作图，图例标注了各谱在表征过程中的对应采集时间(单位：秒)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，以将本发明应用在残疾人开门关门的改造为例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明针对发明空白领域提出一项反射式原位红外光谱电化学气相反应池的新设计。其具有的主要特点是：1)结构简单，安装简便；2)死体积小，反应气体吹扫更新快捷；3)与仪器对接对气体电化学实验的产物和催化剂相关结构实现可靠有效的表征；5)实现中低温(<250℃)控制；6)以上特点同时实现，具备综合应用价值。
如图1所示，本发明包括：上法兰1.1、垫圈1.2、红外通光口1.3、红外窗片1.4、紧固螺丝1.5、上法兰螺孔1.6、窗片透明衬垫1.7、中法兰2.1、电化学反应阴极池2.2、阴极池进气铜管2.3、阴极池尾气管2.4、引线密封螺母2.5、中法兰螺孔2.6、阴极池密封O圈2.7、阴极池O圈槽2.8、阴电极丝2.9、多孔石英管2.10、基座法兰3.1、电化学反应阳极池3.2、阳极池进气铜管3.3、阳极池尾气管3.4、基座法兰螺孔3.5、阳极池密封O圈3.6、阳极池O圈槽3.7、对电极网3.8、阳电极丝3.9、紧固螺母3.10、质子交换膜4、加热组件5。
漫反射原位红外反应池结构装配分为三个部分，侧面如图1所示。上法兰1.1、中法兰2.1、基座法兰3.1，组成反应池的主体结构件，其中，上法兰1.1容纳红外窗片1.4，中法兰2.1与上法兰1.1包围的空腔为电化学反应阴极池2.2部分，中法兰2.1与基座法兰3.1包围的空腔为电化学反应阳极池3.2部分。主体三个部分均为绝缘材料，且要求导热性好，具备化学反应惰性，如石英。反应池安装过程说明如下：最上层上法兰1.1为卡环形状，中央圆形槽中放置红外窗片1.4，上法兰1.1与红外窗片1.4之间有窗片透明垫片1.7缓冲窗片受压力位置。窗片透明垫片1.7选用硬度低于上法兰1.1与红外窗片1.4的材料，如有机玻璃，制成。在中法兰2.1顶部有阴极池O圈槽2.8，为圆环形状，其中放入相同半径尺寸的阴极池密封O圈2.7，用于密封红外窗片1.4，材质选用耐高温弹性材料，如氟化橡胶、硅橡胶等。在电化学反应阴极池2.2内同心放置多孔石英管2.10。多孔石英管2.10底面磨平，外径小于阴极池O圈槽2.8及阴极池密封O圈2.7，高度比红外窗片1.4至中法兰2.1底面距离略高0.5-1.0mm。阴电极丝2.9为圆环形，放置在多孔石英管2.10底部，右侧引出与阴极池进气铜管2.3紧密连接。离子交换膜4置于中法兰2.1以及电化学反应阴极池2.2底部和基座法兰3.1顶部之间。在基座法兰3.1顶部有阳极池O圈槽3.7，为圆环形状，其中放入相同半径尺寸的阳极池密封O圈3.6，用于密封离子交换膜4，材质同阴极池密封O圈2.7。基座法兰3.1中央为扁圆柱形槽，用于放置对电极网3.8。逐层叠装后垫圈1.2、上法兰螺孔1.6、中法兰螺孔2.6和基座法兰螺孔3.5依次对齐，最后，4个紧固螺丝1.5一次穿过以上孔洞，通过紧固螺母3.10加上垫圈1.2后对角逐步拧紧，将各部分连接在一起。各层组件之间都有垫圈、垫片或O圈进行缓冲保护，保证电化学反应阴极池2.2和电化学反应阳极池3.2之间隔断的气密性。由于多孔石英管2.10略微长于电化学反应阴极池2.2的高度，紧固后保证离子交换膜4的阴极池面与阴电极丝2.9紧密接触。同时多孔石英管2.10的管壁为多孔结构，不阻碍电化学反应阴极池2.2内部气体交换。对电极网3.8为可压缩金属材料，调整其厚度填充整个电化学反应阳极池3.2，保证与离子交换膜4的阳极池面紧密接触。在基座法兰3.1下方或中间设置夹层，放置5加热组件，并在中法兰2.1和基座法兰3.1间插入热电偶，配合控制器即实现室温至250℃温控。
上法兰1.1与窗片透明衬垫1.7及红外窗片1.4连接如图2A及图2B所示。
中法兰2.1的气体进出结构如图3A及图3B所示，中法兰2.1内电化学反应阴极池2.2与侧面气路部分联通，气路部分为T字形，横向管道内接阴极池进气铜管2.3，纵向管道为阴极池尾气管2.4，横向管道及纵向管道的气路引出端口都使用引线密封螺母2.5固定。阴极池进气铜管2.3插入至尾端到达电化学反应阴极池2.2内，多孔石英管2.10外侧，与阴电极丝2.9相连接。阴极池进气铜管2.3与中法兰2.1侧面气路部分内壁有间隙，气体经过多孔石英管2.10后在电化学反应阴极池2.2充分反应后从间隙经由阴极池尾气管2.4排出，形成电化学反应阴极气路回路。阴极池进气铜管2.3本身具有导电性，且通过阴电极丝2.9与离子交换膜4的阴极池面联通，因此阴极池进气铜管2.3的进气端口同时作为电化学反应阴电极控制信号的输入端。
基座法兰3.1的气体进出结构如图4A及图4B所示，与中法兰2.1的气体进出结构类似，基座法兰3.1内电化学反应阳极池3.2与侧面气路部分联通，气路部分为T字形，横向管道内接阳极池进气铜管3.3，纵向管道为3.4阳极池尾气管，横向管道及纵向管道的气路引出端口都使用2.5引线密封螺母固定。阳极池进气铜管3.3插入至尾端到达电化学反应阳极池3.2内，连接阳电极丝3.9与对电极网3.8等电位。阳极池进气铜管3.3与中法兰3.1侧面气路部分内壁有间隙，气体在电化学反应阳极池3.2充分反应后从间隙经由阳极池尾气管3.4排出，形成电化学反应阳极气路回路。阳极池进气铜管3.3本身具有导电性，因此阳极池进气铜管3.3的进气端口同时作为电化学反应阳电极控制信号的输入端。
通过以上设计，形成原位红外漫反射电化学气相反应池，在室温到250℃具备有效温控。
实施安装如图5所示，上法兰1.1尺寸50mm×3.5mm(直径×厚)，材质为有机玻璃。上法兰1.1开四个安装件圆孔，中心对称呈正方形，圆孔中心距离40mm、直径4.5mm，轴向与上法兰光轴平行，通过m4螺丝。上法兰1.1中央圆形槽直径30mm、深度2.0mm。中央圆形槽正中为红外通光口1.3，为空心21mm直径圆孔。中央圆形槽及红外通光口1.3均与上法兰1.1为同心圆结构。红外窗片1.4为28mm×2mm(直径×厚)氟化钙(CaF)红外光学窗片。
中法兰2.1主体圆形阴极池部分尺寸50mm×11mm(直径×厚)，材质为石英玻璃。电化学反应阴极池2.2为空心同轴圆柱体，空心部分直径20mm。电化学反应阴极池2.2壁与上法兰1.1相同位置开四个安装件圆孔，直径4.5mm，轴向与上法兰光轴平行，通过m4螺丝。石英玻璃进气管位于池壁侧面，烧熔为一体，沿阴极池直径方向延长，外径为13mm、内径3.5mm，石英玻璃进气管延伸长度为50mm，终端为螺口。电化学反应阴极池2.2内空心部分与进气管联通，即3.5mm圆孔进气管相同的直径方向穿透空心同轴圆柱体，其中心轴在阴极池壁正中高度，即5.5mm处。3mm铜管内衬在石英玻璃进气管中心穿过，在螺口处用内径3mm氟橡胶圈密封，用空心滚花螺帽与石英玻璃进气管终端螺口紧固后，密封圈固定使3mm铜管与石英玻璃进气管相互隔断。3mm铜管穿过空心滚花螺帽与电化学反应阴极池2.2反应气体和阴极电极联通，3mm铜管另一端穿过中法兰空心同轴圆柱体，与电化学反应阴极池2.2内壁取齐。电化学反应阴极池2.2内与空心池体同轴安放多孔石英管2.10，长度12mm，略高于中法兰阴极池厚度，外径19mm、内径17mm，略小于中法兰阴极池内径。铂丝制成直径18mm圆环，与3mm铜管阴极池内壁端口连接，与阴极池同轴，置于多孔石英管2.10管壁下方。石英出气管与进气管垂直，方向与法兰面平行，为相同内外径石英管，烧熔为一体，烧熔结合口中心距离阴极池外壁15mm。中法兰上平面与主体圆柱形部分同心有密封圈槽，为圆环形，外径30mm、内径24mm、深度1.5mm。
基座法兰3.1主体圆形阳极池部分尺寸50mm×20mm(直径×厚)，材质为石英玻璃。电化学反应阳极池3.2为同轴圆浅槽，位于上平面，圆浅槽部分直径20mm、深度1.5mm。阳极池壁与上法兰相同位置开四个安装件圆孔，直径4.5mm，轴向与上法兰光轴平行，通过m4螺丝。石英玻璃进气管位于池壁侧面，烧熔为一体，沿电化学反应阳极池3.2直径方向延长，外径为13mm、内径3.5mm，石英玻璃进气管延伸长度为50mm，终端为螺口。电化学反应阳极池3.2内空心圆孔与进气管联通，其中心轴在阳极池壁正中高度，即10.0mm处，圆孔沿直径方向进入基座法兰10mm后，沿斜上方向进入电化学反应阳极池3.2。3mm铜管内衬在石英玻璃进气管中心穿过，在螺口处用内径3mm氟橡胶圈密封，用空心滚花螺帽与石英玻璃进气管终端螺口紧固后，密封圈固定使3mm铜管与石英玻璃进气管相互隔断。3mm铜管穿过空心滚花螺帽与阳极池反应气体和阳极电极联通，3mm铜管另一端穿过基座法兰3.1，与进气管改沿斜上方位置取齐。铂丝制成18mm蚊香形螺线，置于阳极池圆浅槽中央，其上安放对电极网3.8，为1mm厚钛网，铂丝外圈穿过进气管斜管部分与3mm铜管内端口连接。石英出气管与进气管垂直，方向与法兰面平行，为相同内外径石英管，烧熔为一体，烧熔结合口中心距离阳极池外壁15mm。基座法兰上平面与主体圆柱形部分同心有密封圈槽，为圆环形，外径30mm、内径24mm、深度1.5mm。
离子交换膜4剪裁成32mm×32mm，两个法兰密封圈为氟橡胶，外径30mm、线径3.0mm，截面为圆形。一个密封圈置于红外窗片1.4下方，中法兰密封圈槽上，另一个密封圈置于离子交换膜4下方，基座法兰密封圈槽上。
安装次序：3mm铜管分别与中法兰2.1和基座法兰3.1进气管密封连接，并与相关法兰阴极或阳极铂丝联通，从下到上，顺次叠放，基座法兰3.1、对电极钛网、基座法兰密封圈、离子交换膜4、中法兰2.1、多孔石英管2.10、中法兰阴极池密封圈、氟化钙红外窗片、上法兰1.1，检查三个法兰安装件圆孔准直，基座法兰密封圈与离子交换膜重叠，多孔石英管2.10与阴极池铂丝重叠。安装件圆孔分别装配四对m4螺丝螺母及垫片，螺丝为内六角，螺杆长度55mm。螺丝紧固安装后，氟化钙红外窗片由上法兰与中法兰阴极池密封圈夹固，叠置的多孔石英管阴极铂丝由氟化钙红外窗与离子交换膜夹固，离子交换膜4由中法兰下表面与基座法兰密封圈夹固，叠置的阳极铂丝和对电极钛网由离子交换膜与基座法兰阳极池圆浅槽表面夹固。各部件在安装螺丝一次上紧后均不会松动，阴极池与阳极池分别气密，仅与各自进气管出气管联通。
加热器件5为30mm直径陶瓷加热片，置于安装后的红外光谱原位池底部正中，与基座法兰贴紧。
红外光谱原位池安装后测试过程如图5所示，整体安放于Pike红外反射池专配光路暗盒中央，使用Bruker Vertex70红外设备，按照上述尺寸红外光经离子交换膜反射后得到最强反射波(4mm通光孔计数为15000)。阴极池与二氧化碳气体连接，阳极池输入气体通过切换阀能够由Ar气实现吹扫。阳极池仅连接氩气，水蒸气通过精密注射器泵按氩气1.0mol％输入。图6为通入水汽后一小时内对实施例快速采谱叠加作图，其中实际采谱间隔为60秒。
Claims (7)
1.一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，包括由上至下依次设置的上法兰(1.1)、中法兰(2.1)及基座法兰(3.1)，其中：
上法兰(1.1)开有红外通光口(1.3)，且在上法兰(1.1)内设有红外窗片(1.4)；
中法兰(2.1)顶部设有用于密封红外窗片(1.4)的阴极池密封O圈(2.7)；中法兰(2.1)与上法兰(1.1)包围的空腔为电化学反应阴极池(2.2)；在电化学反应阴极池(2.2)内同心设有多孔石英管(2.10)，多孔石英管(2.10)的高度比红外窗片(1.4)至中法兰(2.1)底面的距离高；多孔石英管(2.10)的底部设有阴电极丝(2.9)；电化学反应阴极池(2.2)与中法兰T型气路结构相连通；中法兰T型气路结构的横向管道内设有阴极池进气铜管(2.3)，纵向管道为阴极池尾气管(2.4)；阴极池进气铜管(2.3)的一端为进气端，位于中法兰T型气路结构的横向管道外，阴极池进气铜管(2.3)的另一端伸入电化学反应阴极池(2.2)内且与阴电极丝(2.9)紧密连接；经由阴极池进气铜管(2.3)通入的气体经过多孔石英管(2.10)后在电化学反应阴极池(2.2)充分反应，随后经由中法兰T型气路结构自阴极池尾气管(2.4)排出，形成电化学反应阴极气路回路；阴极池进气铜管(2.3)的进气端口同时作为电化学反应阴电极控制信号的输入端；
离子交换膜(4)设于中法兰(2.1)底部和基座法兰(3.1)顶部之间，离子交换膜(4)的阴极池面与电化学反应阴极池(2.2)底部的阴电极丝(2.9)紧密接触；基座法兰(3.1)顶部设有用于密封离子交换膜(4)的阳极池密封O圈(3.6)；中法兰(2.1)与基座法兰(3.1)包围的空腔为电化学反应阳极池(3.2)；电化学反应阳极池(3.2)内设有可压缩的对电极网(3.8)，对电极网(3.8)受压后填充整个电化学反应阳极池(3.2)，确保与离子交换膜(4)的阳极池面紧密接触；电化学反应阳极池(3.2)与基座法兰T型气路结构相连通，基座法兰T型气路结构的横向管道内设有阳极池进气铜管(3.3)，纵向管道为阳极池尾气管(3.4)；阳极池进气铜管(3.3)的一端位于基座法兰T型气路结构的横向管道外，为进气端，阳极池进气铜管(3.3)的另一端伸入电化学反应阳极池(3.2)且连接阳电极丝(3.9)与对电极网(3.8)等电位；经由阳极池进气铜管(3.3)通入的气体在电化学反应阳极池(3.2)充分反应，随后经由基座法兰T型气路结构自阳极池尾气管(3.4)排出，形成电化学反应阳极气路回路；阳极池进气铜管(3.3)的进气端口同时作为电化学反应阳电极控制信号的输入端；
基座法兰(3.1)下方或中间设有加热组件(5)，在中法兰(2.1)和基座法兰(3.1)间插入热电偶，配合控制器实现室温至250℃温控。
2.如权利要求1所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，在上法兰(1.1)边缘，沿周向设有上法兰螺孔(1.6)；在中法兰(2.1)边缘，沿周向设有中法兰螺孔(2.6)；在基座法兰(3.1)边缘，沿周向设有基座法兰螺孔(3.5)；
上法兰螺孔(1.6)、中法兰螺孔(2.6)及基座法兰螺孔(3.5)对齐后穿入紧固螺丝(1.5)，并通过紧固螺母(3.10)及垫圈(1.2)对角逐步拧紧。
3.如权利要求1所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，所述上法兰(1.1)、所述中法兰(2.1)及所述基座法兰(3.1)均由导热性好且具备化学反应惰性的绝缘材料制成。
4.如权利要求1所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，所述上法兰(1.1)的中央形成有中央圆形槽，所述红外窗片(1.4)放置在中央圆形槽内；所述上法兰(1.1)与所述红外窗片(1.4)之间设有用于缓冲所述红外窗片(1.4)所受压力的窗片透明垫片(1.7)。
5.如权利要求4所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，所述透明垫片选用硬度低于所述上法兰(1.1)与所述红外窗片(1.4)的材料制成。
6.如权利要求1所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，所述多孔石英管(2.10)的底面磨平。
7.如权利要求1所述的一种适用于气固相电化学反应的反射式控温红外光谱原位池，其特征在于，所述多孔石英管(2.10)的高度比所述红外窗片(1.4)至所述中法兰(2.1)底面的距离高0.5-1.0mm。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE20012374U1 (de) * | 2000-07-17 | 2001-02-15 | Kurt Schwabe Inst Fuer Mess Un | Spektroelektrochemische Messzelle |
| KR20080012438A (ko) * | 2006-08-03 | 2008-02-12 | 전남대학교산학협력단 | 엑스선 흡수 분광기용 전기화학 인-시추 셀 |
| CN103175876A (zh) * | 2011-12-22 | 2013-06-26 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种光谱电化学原位池及其应用 |
| CN105352917A (zh) * | 2015-10-19 | 2016-02-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种原位电化学红外光谱-质谱联用检测系统及方法 |
| CN105390716A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-03-09 | 同济大学 | 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用 |
| CN207730645U (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-14 | 北京中研环科科技有限公司 | 一种可控温电化学原位拉曼红外联用光谱池 |
| CN109001271A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-12-14 | 中国科学技术大学 | 一种适用于原位红外检测的薄液层电化学反应池 |
| CN111721752A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-09-29 | 中山大学 | 一种拉曼与质谱联用的原位检测密封电解池装置及方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11035791B2 (en) * | 2015-11-30 | 2021-06-15 | Georgetown University | Dual in situ infrared spectroscopy for fuel cells |
| CN106442377B (zh) * | 2016-09-24 | 2018-11-09 | 大连理工大学 | 一种实时双光束原位红外光谱系统及其方法 |
-
2020
- 2020-12-01 CN CN202011381278.XA patent/CN112485199B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE20012374U1 (de) * | 2000-07-17 | 2001-02-15 | Kurt Schwabe Inst Fuer Mess Un | Spektroelektrochemische Messzelle |
| KR20080012438A (ko) * | 2006-08-03 | 2008-02-12 | 전남대학교산학협력단 | 엑스선 흡수 분광기용 전기화학 인-시추 셀 |
| CN103175876A (zh) * | 2011-12-22 | 2013-06-26 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种光谱电化学原位池及其应用 |
| CN105352917A (zh) * | 2015-10-19 | 2016-02-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种原位电化学红外光谱-质谱联用检测系统及方法 |
| CN105390716A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-03-09 | 同济大学 | 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用 |
| CN207730645U (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-14 | 北京中研环科科技有限公司 | 一种可控温电化学原位拉曼红外联用光谱池 |
| CN109001271A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-12-14 | 中国科学技术大学 | 一种适用于原位红外检测的薄液层电化学反应池 |
| CN111721752A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-09-29 | 中山大学 | 一种拉曼与质谱联用的原位检测密封电解池装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Modeling and simulation of a novel 4.5 kWe multi-stack solid-oxide fuel cell prototype assembly for combined heat and power;Gladys A. Anyenya等;《Energy Conversion and Management》;247-259 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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