CN113125532B - 一种电催化析氢性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电化学测试技术领域，提供了一种电催化析氢性能测试装置，包括：析氢组件，用于产生氢气以及对产生的氢气进行导出；还包括有：氢气验纯组件，设置在析氢组件一侧且可收集产生的氢气，所述氢气验纯组件包括验纯反应筒，所述验纯反应筒上连接有氯气倒入管，所述验纯反应筒上还设有用于对氢气和氯气进行抽取的负压抽取机构，所述验纯反应筒的外侧还设有光照发生组件，本发明提供的电催化析氢性能测试装置可以对析氢组件产生的氢气进行验纯，通过定量实验结合定性分析观测的现象更加直观和明显，可以快速评判析氢组件析氢的性能，同时通过联动机构的作用可以对测试人员形成自动保护，试验更加安全。

Description

一种电催化析氢性能测试装置
技术领域
本发明属于电化学测试技术领域，尤其涉及一种电催化析氢性能测试装置。
背景技术
过度消耗化石燃料引发的气候变化和能源危机已经成为世界性的问题，作为一种绿色能源，氢被认为是未来可替代化石燃料的能源，利用可再生太阳能驱动电化学水裂解是生产氢燃料的绿色途径，为了克服固有迟缓的反应动力学，具有低过电势、高反应速率的高效HER(Electrocatalytic dehydrogenation，电催化剂析氢反应)催化剂是迫切需要的。目前，最有效的HER催化剂是Pt基材料。然而，资源有限和成本高的问题严重制约了其商业化应用，因此，有必要在全pH值下开发高效、稳定、经济、环保的HER催化剂，电催化析氢反应是在金属电极表面放氢腐蚀的阴极过程，是在可逆氢燃料电池中产氢的重要过程，简单来说就是指通过电化学的方法在催化剂作用的条件下产生氢气。
现有的电催化析氢性能测试装置在测试析氢性能时往往通过成分分析以及反应发生所需的最低电势的变化等来评价析氢的性能。
然而成分分析等往往过程缓慢，实验成本大，验证周期长，特别是针对一些HER的催化剂需要快速评价各自的优劣时，其缺点暴露无遗。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电催化析氢性能测试装置，旨在解决成分分析等测试方式往往过程缓慢，实验成本大，验证周期长的问题。
本发明实施例是这样实现的，包括析氢组件，用于产生氢气以及对产生的氢气进行导出，还包括有：
氢气验纯组件，设置在析氢组件一侧且可收集产生的氢气，所述氢气验纯组件包括验纯反应筒，所述验纯反应筒上连接有氯气倒入管，所述验纯反应筒上还设有用于对氢气和氯气进行抽取的负压抽取机构，所述验纯反应筒的外侧还设有光照发生组件。
优选地，所述负压抽取机构包括固定连接的活塞和活塞杆，所述活塞配合设置在验纯反应筒内，所述活塞杆滑动伸出验纯反应筒，当析氢组件产生氢气前，所述活塞处于行程的初始端。
优选地，所述析氢组件包括析氢发生组件以及对电解槽进行密封的析氢密封组件。
优选地，所述析氢发生组件包括盛设有电解液的电解槽以及将电解槽内部隔开的质子交换膜，还包括设置在质子交换膜两侧极性相反的两个电极，两个所述电极分别电性连接于各自对应的电源的正负极上，所述电极与电解液接触的表面均设有催化剂，所述电解槽于产生氢气的一侧与验纯反应筒通过氢气导管连通。
优选地，所述析氢密封组件包括：
顶盖，与开设于电解槽上嵌槽间隙配合；
密封件，设置在嵌槽的底部，用于对嵌槽的弹性密封；以及
锁紧件，与电解槽螺纹配合，用于对顶盖的抵触压紧。
所述电解槽和顶盖内侧设有与质子交换膜配合的分隔件，所述分隔件用于将电解槽和质子交换膜形成的区域分隔为析氢区和析氧区。
优选地，所述光照发生组件包括光照箱和光照灯，所述光照灯安装在光照箱内且光照箱上开设有透光孔。
优选地，所述光照发生组件包括光照箱和光照灯，所述光照灯安装在光照箱内且光照箱上开设有透光孔。
优选地，还包括有防护组件，所述防护组件包括固定防护筒和活动防护筒，所述固定防护筒和活动防护筒呈对应设置且二者滑动连接成一个完整的防护筒，所述固定防护筒上开设有观察窗口，所述固定防护筒罩设固定在光照箱上，所述活塞杆与活动防护筒之间设有用于驱动活动防护筒对观察窗口进行封闭的联动机构。
优选地，所述联动机构包括以固定防护筒和以活动防护筒的中轴为对称分布的两个联动单元，所述联动单元包括：
第二铰杆，铰接安装在活动防护筒的内壁；
触发件，固定在活塞杆上；以及
第一铰杆，倾斜设置，中部铰接连接在固定于验纯反应筒一侧的支撑横杆上，一端与第二铰杆铰接连接，另一端设置在触发件的行程位置上。
优选地，所述氢气导管上分别安装有；
单向阀，用于对电解槽内氢气的单向导出，以及防止验纯反应筒内生成物的逆流。
截止阀，用于对电解槽内氢气的导出截止。
优选地，所述验纯反应筒上还均匀安装有若干个缓冲弹簧，所述缓冲弹簧设置在活塞的行程轨迹上。
本发明实施例提供的一种电催化析氢性能测试装置，通过氢气验纯组件，对析氢组件产生的氢气进行验纯，剩余混合物的颜色越浅，表明反应越完全，氯气的反应消耗越多，产生的氢气纯度越高，解决了凭借成分析验证分析电催化析氢的操作复杂，成本高的问题，通过定量实验结合定性分析使得现象更加直观和明显，可以评判析氢组件析氢的性能；且通过联动机构的设置，利用活动防护筒对观察窗口进行封堵，同时使得活动防护筒和固定防护筒之间的体积相对变小，形成对剧烈反应冲击力反方向的屏障，通过联动机构的作用可以对测试人员形成保护，试验更加安全。
附图说明
图1为本发明实施例提供的结构示意图；
图2为图1中a处的局部放大图；
图3为图1中A-A视图；
图4为本发明实施例中顶盖的立体视图；
图5为本发明实施例中活动防护筒的立体视图；
附图中：1、电解槽；2、质子交换膜；3、电源；4、电极；5、顶盖；6、嵌槽；7、密封件；8、锁紧件；9、氢气导管；10、验纯反应筒；11、活塞；12、活塞杆；13、触发件；14、氯气倒入管；15、缓冲弹簧；16、固定防护筒；17、光照箱；18、光照灯；19、支撑横杆；20、第一铰杆；21、第二铰杆；22、活动防护筒；23、观察窗口；24、氧气导管；25、氧气收集器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明的一个实施例提供的一种电催化析氢性能测试装置的结构图，包括析氢组件，用于产生氢气以及对产生的氢气进行导出，还包括有；
氢气验纯组件，设置在析氢组件一侧且可收集产生的氢气，所述氢气验纯组件包括验纯反应筒10，所述验纯反应筒10上连接有氯气倒入管14，所述验纯反应筒10上还设有用于对氢气和氯气进行抽取的负压抽取机构，所述验纯反应筒10的外侧还设有光照发生组件。
在本实施例中，通过析氢组件产生氢气，通过氢气验纯组件的验纯反应筒10对氢气进行收集，通过负压抽取机构先后抽取过量氯气和一定量的氢气，验纯反应筒内发生的反应：H2+Cl2＝2HCl(条件：点燃或光照条件下)，也就是说在氢气和氯气在等体积条件下反应将会产生等体积的氯化氢，无论反应完全与否反应前后气体的体积不变，但，若是析氢组件产生的氢气不纯(即氢气少量，氯气过量)，那么在同等条件下，反应产物中将会含有大量的氯气，剩余混合物中的氯气将会使得混合物本身显现出黄绿色(氯化氢无色)，混合物的颜色越深，表明产生的氢气纯度越低，析氢组件产氢的纯度越低，含有的杂质气体越多，相反的，剩余混合物的颜色越浅，表明反应越完全，氯气的反应消耗越多，产生的氢气纯度越高，设置若干组同等反应装置，或者提供反应达到平衡状态下的时间也可以表征析氢组件的产氢性能，解决了凭借复杂成分分析等验证电催化析氢的操作复杂，成本高的问题，通过定量实验使得现象更加明显，可以评判析氢组件析氢的性能。
本实施例在具体应用时，每次通过氯气倒入管14往验纯反应筒10内注入一定体积的氯气，在验纯反应筒10上刻设有刻度，方便观察和比较反应平衡后恢复原体积的变化以及从反应开始到恢复平衡的时间；
在本实施例的一种情况中，所述氯气倒入管14上安装有截止阀或防止气体从验纯反应筒10内逸出的单向阀。
如图1～5所示，作为本发明的一种优选实施例，所述负压抽取机构包括固定连接的活塞11和活塞杆12，所述活塞11配合设置在验纯反应筒10内，所述活塞杆12滑动伸出验纯反应筒10，当析氢组件产生氢气前，所述活塞11处于行程的初始端。
本实施例在具体应用时，通过活塞杆12配合活塞11先后抽取氯气和产生的氢气，活塞杆12的移动既可以通过手动拉取，也可以通过气缸、液压缸或者电动推杆等直线驱动件使得验纯反应筒10发生移动，在此不再一一列举，为了保持验纯反应筒10内的密封性，活塞11优选为橡胶材质制成，将所述活塞11处于行程的初始端是为了避免不必要的杂质对实验的影响。
如图1～5所示，作为本发明的另一种优选实施例，所述析氢组件包括析氢发生组件以及对电解槽1进行密封的析氢密封组件。
在本实施例的一种情况中，所述析氢发生组件包括盛设有电解液的电解槽1以及将电解槽1内部隔开的质子交换膜2，还包括设置在质子交换膜2两侧极性相反的两个电极4，两个所述电极4分别电性连接于各自对应的电源3的正负极上，所述电极4与电解液接触的表面均设有催化剂，所述电解槽1于产生氢气的一侧与验纯反应筒10通过氢气导管9连通。
在本实施例的另一种情况中，所述析氢密封组件包括：
顶盖5，与开设于电解槽1上嵌槽7间隙配合；
密封件7，设置在嵌槽7的底部，用于对嵌槽7的弹性密封；以及
锁紧件8，与电解槽1螺纹配合，用于对顶盖5的抵触压紧。
所述电解槽1和顶盖5内侧设有与质子交换膜2配合的分隔件，所述分隔件用于将电解槽1和质子交换膜2形成的区域分隔为析氢区和析氧区。
具体来说，析氢反应大多是在酸性或者碱性条件下发生，
其化学反应总反应式为:2H2O→2H2↑+O2↑,
电极反应式(假设在电解液为酸性的条件下)；
阳极：2H2O-4e-→4H++O2↑；阴极：4H++4e-→2H2↑；
若是在碱性条件下则也可产生氢气，则相应的离子产物有所区别，在此不再赘述，实验中阴极和阳极的电极4根据需要测定装置的性能来替换，HER的催化剂可以通过胶粘的形式附着在电极4，当然也可以通过其他方式，在比较催化剂或者电极4等因素对析氢性能的影响时需要遵循单一变量的原则。
需要说明的是，本实施例中的密封件7可为但不限于密封软板或褶皱板，锁紧件8可以但不限于锁紧螺钉，机械锁等。
本实施例在实际应用中时，通过氢气导管9对阴极产生的氢气进行导出。
作为优选的，所述分隔件包括固定在电解槽1顶部的固定分隔板以及嵌设在固定分隔板上的活动分隔板，所述活动分隔板与顶盖5一体化成型，所述质子交换膜2设置在固定分隔板和电解槽1底部之间。
作为优选的，所述电解槽1的析氧区连接设有氧气导管24，所述氧气导管24上套设有氧气收集器25，通过氧气收集器25对析氧区产生的氧气进行收集，氧气收集器25可以设为气囊或其它收集容器等。
如图1所示，作为本发明的另一种优选实施例，所述光照发生组件包括光照箱17和光照灯18，所述光照灯18安装在光照箱17内且光照箱17上开设有透光孔。
本实施例在具体应用中，通过光照灯18安装在半封闭的光照箱17内，通过透光孔可以对验纯反应筒10内混合气体进行照射，提供氢气和氯气反应发生的条件，通过光照箱17的设置不会影响测试人员的视线，安全有保障。
如图1～5所示，作为本发明的另一种优选实施例，还包括有防护组件，所述防护组件包括固定防护筒16和活动防护筒22，所述固定防护筒16和活动防护筒22呈对应设置且二者滑动连接成一个完整的防护筒，所述固定防护筒16上开设有观察窗口23，所述固定防护筒16罩设固定在光照箱17上，所述活塞杆12与活动防护筒22之间设有用于驱动活动防护筒22对观察窗口23进行封闭的联动机构。
在本实施例的一种情况中，所述联动机构包括以固定防护筒16和以活动防护筒22的中轴为对称分布的两个联动单元，所述联动单元包括：
第二铰杆21，铰接安装在活动防护筒22的内壁；
触发件13，固定在活塞杆12上；以及
第一铰杆20，倾斜设置，中部铰接连接在固定于验纯反应筒10一侧的支撑横杆19上，一端与第二铰杆21铰接连接，另一端设置在触发件13的行程位置上。
本实施例在实际应用中时，通过观察窗口23可以对验纯反应筒10的情况进行观测，当验纯反应筒10内发生氢气和氯气的剧烈反应时，内部发生膨胀，通过活塞11的移动使得活塞杆12往外移动，带动触发件13往外移动，通过第一铰杆20的另一端设置在触发件13的行程位置上，对第一铰杆20进行转动驱动，通过第一铰杆20、第二铰杆21的配合使得活动防护筒22往右边移动(图1所示)，使得活动防护筒22与固定防护筒16发生相对滑动，利用活动防护筒22对观察窗口23进行封堵(主要是活动防护筒22的上半段)，同时使得活动防护筒22和固定防护筒16之间的体积相对变小，形成对剧烈反应冲击力反方向的屏障，同时，图1所示的活动防护筒22的下半段可以使得活动防护筒2对光照灯18形成一定的保护，通过联动机构的作用可以对测试人员形成自动保护，可有效防止意外的发生，试验更加安全。
如图1所示，作为本发明的另一种优选实施例，所述氢气导管9上分别安装有；
单向阀，用于对电解槽1内氢气的单向导出，以及防止验纯反应筒10内生成物的逆流。
截止阀，用于对电解槽1内氢气的导出截止。
本实施例在实际应用中，通过氢气导管9上单向阀和截止阀的设置可以在不断电的情况下，右边的析氢反应继续进行，而左边的反应可以同时进行，便于进行下一次反应测试，节省实验时间。
如图1所示，作为本发明的另一种优选实施例，所述验纯反应筒10上还均匀安装有若干个缓冲弹簧15，所述缓冲弹簧15设置在活塞11的行程轨迹上。
在实际应用中，通过均布的缓冲弹簧15的设置对活塞11在剧烈反应的推动下往左滑动时，可以作用于活塞11，对活塞11形成缓冲保护。
本发明上述实施例中提供了一种电催化析氢性能测试装置，并且通过氢气验纯组件，对析氢组件产生的氢气进行验纯，剩余混合物的颜色越浅，表明反应越完全，氯气的反应消耗越多，产生的氢气纯度越高，解决了凭借成分析验证分析电催化析氢的操作复杂，成本高的问题，通过定量实验结合定性分析使得现象更加直观和明显，可以评判析氢组件析氢的性能；且通过联动机构的设置，利用活动防护筒对观察窗口进行封堵，同时使得活动防护筒和固定防护筒之间的体积相对变小，形成对剧烈反应冲击力反方向的屏障，通过联动机构的作用可以对测试人员形成自动保护，试验更加安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电催化析氢性能测试装置，所述装置包括：
析氢组件，用于产生氢气以及对产生的氢气进行导出；
其特征在于，还包括有：
氢气验纯组件，设置在析氢组件一侧且可收集产生的氢气，所述氢气验纯组件包括验纯反应筒，所述验纯反应筒上连接有氯气倒入管，所述验纯反应筒上还设有用于对氢气和氯气进行抽取的负压抽取机构，所述验纯反应筒的外侧还设有光照发生组件；
所述负压抽取机构包括固定连接的活塞和活塞杆，所述活塞配合设置在验纯反应筒内，所述活塞杆滑动伸出验纯反应筒；
当析氢组件产生氢气前，所述活塞处于行程的初始端；
所述光照发生组件包括光照箱和光照灯，所述光照灯安装在光照箱内且光照箱上开设有透光孔；
还包括有防护组件，所述防护组件包括固定防护筒和活动防护筒，所述固定防护筒和活动防护筒呈对应设置且二者滑动连接成一个完整的防护筒，所述固定防护筒上开设有观察窗口，所述固定防护筒罩设固定在光照箱上，所述活塞杆与活动防护筒之间设有用于驱动活动防护筒对观察窗口进行封闭的联动机构；
所述联动机构包括以固定防护筒和以活动防护筒的中轴为对称分布的两个联动单元，所述联动单元包括：
第二铰杆，铰接安装在活动防护筒的内壁；
触发件，固定在活塞杆上；以及
第一铰杆，倾斜设置，中部铰接连接在固定于验纯反应筒一侧的支撑横杆上，一端与第二铰杆铰接连接，另一端设置在触发件的行程位置上。
2.根据权利要求1所述的电催化析氢性能测试装置，其特征在于，所述析氢组件包括析氢发生组件以及对电解槽进行密封的析氢密封组件。
3.根据权利要求2所述的电催化析氢性能测试装置，其特征在于，所述析氢发生组件包括盛设有电解液的电解槽以及将电解槽内部隔开的质子交换膜，还包括设置在质子交换膜两侧极性相反的两个电极，两个所述电极分别电性连接于各自对应的电源的正负极上，所述电极与电解液接触的表面均设有催化剂，所述电解槽于产生氢气的一侧与验纯反应筒通过氢气导管连通。
4.根据权利要求2所述的电催化析氢性能测试装置，其特征在于，所述析氢密封组件包括：
顶盖，与开设于电解槽上嵌槽间隙配合；
密封件，设置在嵌槽的底部，用于对嵌槽的弹性密封；以及
锁紧件，与电解槽螺纹配合，用于对顶盖的抵触压紧；
所述电解槽和顶盖内侧设有与质子交换膜配合的分隔件，所述分隔件用于将电解槽和质子交换膜形成的区域分隔为析氢区和析氧区。
5.根据权利要求1所述的电催化析氢性能测试装置，其特征在于，所述氢气导管上分别安装有：
单向阀，用于对电解槽内氢气的单向导出，以及防止验纯反应筒内生成物的逆流；
截止阀，用于对电解槽内氢气的导出截止。
6.根据权利要求1或2或3所述的电催化析氢性能测试装置，其特征在于，所述验纯反应筒上还均匀安装有若干个缓冲弹簧，所述缓冲弹簧设置在活塞的行程轨迹上。
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