一种用于评估电化学性能的半电池装置 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及评估电化学性能的半电池装置技术领域，具体涉及一种用于评估电化学性能的半电池装置。背景技术：2.旋转圆盘电极(rde)技术是目前测量电催化剂电化学性能的常用技术，将少量催化剂固定在光滑的玻碳电极上，进行高速旋转，可减少或消除扩散层的影响，快速得到催化剂的动力学参数和电化学性能。目前，许多电催化反应体系如二氧化碳还原、氮还原和氢氧化反应等都利用rde技术对催化剂在实验室条件下快速筛选。3.现有的rde测试得到的性能无法转移到真正的器件上，rde测试和工业应用上的膜电极组件(mea)中反应界面和操作条件不同，首先，rde(小面积玻璃碳盘上的薄层)中的催化剂环境与实际应用中较大电极上更厚的催化剂层有很大不同。其次，反应物气体在电解质中溶解后与旋转圆盘电极中的玻碳电极相结合，限制了最大可达到的电流密度，限制了整体电催化过程。当rde的转速为1600转/分时，电流密度一般约为6macm-2。然而，真正的应用到工业上的mea中可实现更高的电流密度，可达3000macm-2。因此，rde技术虽然可快速筛选催化剂的性能，但却不是真实的催化环境，不能捕捉在高电流密度和高过电位下的催化行为，并且rde技术只能在常温常压下进行测试，不满足大多数工业应用条件。但是，mea测试耗时且昂贵，不利于实验室早期筛选优化催化剂。因此在实验室阶段，还是利用rde技术对催化剂的性能进行筛选，但筛选后的催化剂性能却不能有效放大到工业应用中，催化剂性能测试效率低。技术实现要素：4.为此，本发明提供一种用于评估电化学性能的半电池装置，以解决无法提供真实的催化剂负载和真实的质量传输条件，在实验室阶段无法对其电化学性能进行有效评估，无法将电化学性能有效的反映到未来工业应用中，催化剂性能测试效率低的问题。5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于评估电化学性能的半电池装置，包括工作台，所述工作台顶部一侧固定设有固定板，所述工作台顶部设有性能测试机构、密封机构和吸盘控制机构；6.所述性能测试机构包括连接壳，所述连接壳设于工作台顶部，所述连接壳一侧设有多个性能测试组件，所述性能测试组件包括固定套环，所述固定套环与连接壳固定连接，所述固定套环内侧设有支撑套，所述固定套环与支撑套活动连接，所述支撑套内侧固定连接有保温储液罐，所述保温储液罐顶部固定设有支撑板，所述支撑板顶部分别固定插接有参比电极和对电极，所述保温储液罐内部分别设有绝缘套和离子交换膜，所述离子交换膜设于绝缘套底部，所述保温储液罐底部设有连接底座，所述连接底座底部固定设有加热底座，所述加热底座固定设于工作台顶部，所述连接底座内部设有流场板和扩散层，所述流场板设于扩散层底部，所述扩散层顶部嵌设有催化剂层，所述连接底座一侧固定插接有工作电极。7.优选的，所述密封机构包括底部卡套，所述底部卡套固定设于保温储液罐底部，所述连接底座顶部开设有底部卡槽，所述连接底座顶部开设有开槽，所述保温储液罐底部嵌设有密封气囊，所述密封气囊一端固定连接有第二充气管，所述第二充气管贯穿保温储液罐，所述第二充气管另一端固定连接有第一充气管，所述固定板一侧固定设有气泵，所述气泵输出端与第一充气管固定连接。8.优选的，所述吸盘控制机构包括两个固定侧板，两个所述固定侧板固定设于工作台顶部，两个所述固定侧板之间通过轴承连接有丝杠，其中一个所述固定侧板一侧固定设有第一电机，所述第一电机输出端与丝杠固定连接，所述丝杠外部通过螺纹套设有多个滑块，两个所述固定侧板之间固定连接有限位杆，所述限位杆贯穿多个所述滑块并与滑块滑动连接，多个所述滑块一侧均设有吸盘组件，所述吸盘组件包括固定顶板，所述固定顶板与滑块固定连接，所述固定顶板底部固定设有第二电动推杆，所述第二电动推杆输出端固定连接有底板，所述底板顶部固定连接有环形气管，所述底板底部固定连接有多个吸盘，多个所述吸盘均贯穿底板并与环形气管固定连接，所述环形气管一侧固定连接有第二连接管，所述第二连接管另一端固定连接有第一连接管，所述固定板一侧固定设有真空泵，所述真空泵输出端与第一连接管固定连接。9.优选的，所述性能测试机构还包括输送组件，所述输送组件包括通道，所述通道开设于加热底座内部，所述加热底座一侧固定设有进气口，所述加热底座另一侧固定设有出气口，所述通道内部固定设有两个斜板，所述进气口一端固定连接有气体加热器，所述气体加热器输入端连接有气体增湿器，所述气体增湿器输出端固定连接有进气管，所述出气口另一端固定连接有排气管。10.优选的，所述工作台顶部设有转动组件，所述转动组件包括环形外齿轮，所述环形外齿轮固定套设于支撑套外部，所述连接壳内部固定设有滑轨，所述滑轨外部套设有齿板，所述滑轨与齿板滑动连接，所述齿板与环形外齿轮相啮合，所述连接壳一侧固定设有第一电动推杆，所述第一电动推杆输出端与齿板固定连接。11.优选的，所述连接壳一侧固定设有两个滑动块，所述固定板侧壁开设有两个侧滑槽，两个所述滑动块分别延伸入两个所述侧滑槽内部，两个所述侧滑槽内部均通过轴承连接有两个丝杆，两个所述丝杆分别贯穿两个所述滑动块并与两个所述滑动块通过螺纹连接，所述固定板顶部固定设有两个第二电机，两个所述第二电机输出端分别与两个所述丝杆固定连接。12.优选的，所述工作台底部四角均固定连接有支撑腿。13.优选的，所述工作台顶部固定设有多个放置盒。14.优选的，所述工作台顶部固定设有多个收集盒。15.优选的，所述加热底座和连接底座内部开设有两个上流道，所述上流道与通道相接通。16.本发明实施例具有如下优点：17.1、通过多个性能测试组件形成多工位的催化剂层测试装置，可同时对多个催化剂层在不同温度下和不同湿度下进行测试，实现将多个催化剂层的同时放入、取出和更换新的一批催化剂层，提高检测效率，增加更多的对比数据，对催化剂层的电化学行为进行测试，加入气体扩散层后，反应物的传输与mea装置相似，可与mea测试结果相媲美，同时具有增湿和加温系统，可在不同工况下进行测试，有利于缩小与工业放大所得到的性能差异，还能测试催化剂的氧还原性能、氮还原性能等各种气体催化反应的电化学性能，加入流场板结构，构成半电池结构，模拟工业应用中催化剂真实工况，对催化剂层结构、电流和电位状态进行表征；18.2、不需要昂贵的测试站和复杂的组装过程，测试方案更易设计，适合用作实验室早期对催化剂层性能进行筛选，测试结果可靠，与工业应用差距小，还保持了半电池实验的快速、简便和良好的可对比性等优势，通过吸盘控制机构实行自动化的催化剂层和扩散层的移入移出，方便测试，减少测试的危险性，同时提升装置连接处的密封性，提升测试数据的准确性。附图说明19.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。20.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。21.图1为本发明提供的整体结构示意图；22.图2为本发明提供的整体结构剖视图；23.图3为本发明提供的性能测试组件立体图；24.图4为本发明提供的性能测试组件剖视图；25.图5为本发明提供的流场板立体图；26.图6为本发明提供的吸盘组件立体图；27.图7为本发明提供的图2中a部结构放大图；28.图8为本发明提供的连接底座剖视图。29.图中：1、工作台；2、上流道；3、支撑腿；4、收集盒；5、固定侧板；6、第一电机；7、连接壳；8、固定板；9、支撑套；10、支撑板；11、固定顶板；12、保温储液罐；13、参比电极；14、对电极；15、放置盒；16、滑块；17、滑动块；18、第二电机；19、丝杆；20、第一电动推杆；21、第一充气管；22、气泵；23、真空泵；24、丝杠；25、限位杆；26、第一连接管；27、侧滑槽；28、进气管；29、气体增湿器；30、气体加热器；31、第二充气管；32、进气口；33、加热底座；34、通道；35、斜板；36、出气口；37、排气管；38、工作电极；39、第二电动推杆；40、底部卡套；41、密封气囊；42、离子交换膜；43、绝缘套；44、环形外齿轮；45、固定套环；46、滑轨；47、齿板；48、催化剂层；49、扩散层；50、开槽；51、底部卡槽；52、连接底座；53、流场板；54、第二连接管；55、环形气管；56、吸盘；57、底板。具体实施方式30.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。31.参照附图1-8，本发明提供的一种用于评估电化学性能的半电池装置，包括工作台1，所述工作台1顶部一侧固定设有固定板8，所述工作台1顶部设有性能测试机构、密封机构和吸盘控制机构；32.所述性能测试机构包括连接壳7，所述连接壳7设于工作台1顶部，所述连接壳7一侧设有多个性能测试组件，所述性能测试组件包括固定套环45，所述固定套环45与连接壳7固定连接，所述固定套环45内侧设有支撑套9，所述固定套环45与支撑套9活动连接，所述支撑套9内侧固定连接有保温储液罐12，所述保温储液罐12顶部固定设有支撑板10，所述支撑板10顶部分别固定插接有参比电极13和对电极14，所述保温储液罐12内部分别设有绝缘套43和离子交换膜42，所述离子交换膜42设于绝缘套43底部，所述保温储液罐12底部设有连接底座52，所述连接底座52底部固定设有加热底座33，所述加热底座33固定设于工作台1顶部，所述连接底座52内部设有流场板53和扩散层49，所述流场板53设于扩散层49底部，所述扩散层49顶部嵌设有催化剂层48，所述连接底座52一侧固定插接有工作电极38；33.本实施方案中，将流场板53固定在加热底座33上，加热底座33侧方设有进气口32、出气口36、工作电极38以及可放置测温热电耦的通道34，通过进气口32连接气体增湿器29和气体加热器30，保温储液罐12为聚四氟乙烯储液罐，通过支撑板10可放置参比电极13和对电极14，保温储液罐12具有保温作用，测试开始时，通过进气管28输送气体，气体经过气体增湿器29和气体加热器30，并从加热底座33通入，斜板35具有缓冲气体的作用，防止气体未完全通过上流道2进入流场板53内，通过加热底座33内的通道34从而输送到上流道2，经过流场板53到达被保温储液罐12中电解液润湿的催化剂层48，催化剂层作为工作电极，与电解液中的参比电极13和对电极14一起构成三电极体系，通过多个性能测试组件形成多工位的催化剂层测试装置，可同时对多个催化剂层在不同温度下和不同湿度下进行测试，实现将多个催化剂层的同时放入、取出和更换新的一批催化剂层，提高检测效率，增加更多的对比数据，对催化剂层48的电化学行为进行测试，加入扩散层49后，反应物的传输与mea装置相似，可与mea测试结果相媲美，同时具有增湿和加温系统，可在不同工况下进行测试，有利于缩小与工业放大所得到的性能差异，测试伏安曲线以及电化学阻抗谱时通入大量气体进入进气管28，在反应过程中，可通过气体增湿器29、气体加热器30和加热底座33对进入的气体的湿度和温度进行控制，多组气体的湿度和温度数据选择不同，通过催化剂层48产生的电流被流场板53收集，再经工作电极38导出，与对电极14形成电流回路，而工作电极38则与参比电极13形成电压回路，质子从保温储液罐12内的电解液通过离子交换膜42到达扩散层49表面，与通过流场板53的流道进入的气体在扩散层49发生电化学反应并测得电化学性能，从而获得多组不同的催化层测试数据；34.其中，为了实现密封的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述密封机构包括底部卡套40，所述底部卡套40固定设于保温储液罐12底部，所述连接底座52顶部开设有底部卡槽51，所述连接底座52顶部开设有开槽50，所述保温储液罐12底部嵌设有密封气囊41，所述密封气囊41一端固定连接有第二充气管31，所述第二充气管31贯穿保温储液罐12，所述第二充气管31另一端固定连接有第一充气管21，所述固定板8一侧固定设有气泵22，所述气泵22输出端与第一充气管21固定连接，底部卡套40转动九十度并完全与底部卡槽51相扣合，同时催化剂层48顶部与离子交换膜42底部相接触，为了实现密封，启动气泵22，气泵22启动并使第一充气管21和第二充气管31充气，从而对密封气囊41进行充气，使密封气囊41与开槽50紧密贴触，从而实现密封目的；35.其中，为了实现吸盘控制的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述吸盘控制机构包括两个固定侧板5，两个所述固定侧板5固定设于工作台1顶部，两个所述固定侧板5之间通过轴承连接有丝杠24，其中一个所述固定侧板5一侧固定设有第一电机6，所述第一电机6输出端与丝杠24固定连接，所述丝杠24外部通过螺纹套设有多个滑块16，两个所述固定侧板5之间固定连接有限位杆25，所述限位杆25贯穿多个所述滑块16并与滑块16滑动连接，多个所述滑块16一侧均设有吸盘组件，所述吸盘组件包括固定顶板11，所述固定顶板11与滑块16固定连接，所述固定顶板11底部固定设有第二电动推杆39，所述第二电动推杆39输出端固定连接有底板57，所述底板57顶部固定连接有环形气管55，所述底板57底部固定连接有多个吸盘56，多个所述吸盘56均贯穿底板57并与环形气管55固定连接，所述环形气管55一侧固定连接有第二连接管54，所述第二连接管54另一端固定连接有第一连接管26，所述固定板8一侧固定设有真空泵23，所述真空泵23输出端与第一连接管26固定连接，启动第二电动推杆39，第二电动推杆39输出端伸出并带动底板57下移，使底板57底部的吸盘56与扩散层49相接触，启动真空泵23，真空泵23使第一连接管26和第二连接管54产生负压，通过环形气管55和吸盘56，使吸盘56将扩散层49吸附，扩散层49顶部的催化剂层48处于底板57和扩散层49之间，通过扩散层49和底板57的挤压，从而避免催化剂层48偏移，吸附完成后，启动第二电动推杆39输出端收缩，使底板57底部的吸盘56带动扩散层49和催化剂层48移出放置盒15，启动第一电机6，第一电机6启动并带动丝杠24转动，使丝杠24带动滑块16移动，使滑块16带动固定顶板11移动，固定顶板11带动第二电动推杆39和底板57移动，使扩散层49和催化剂层48也移动，通过扩散层49和催化剂层48移动到连接底座52顶部中心位置后，再次启动第二电动推杆39，使第二电动推杆39推动扩散层49和扩散层49进入连接底座52内，待位置完全契合后，关闭真空泵23，从而解除吸盘56对扩散层49和催化剂层48的吸附，测试完成后的催化剂层48和扩散层49通过吸附组件输送走；36.其中，为了实现测试的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述性能测试机构还包括输送组件，所述输送组件包括通道34，所述通道34开设于加热底座33内部，所述加热底座33一侧固定设有进气口32，所述加热底座33另一侧固定设有出气口36，所述通道34内部固定设有两个斜板35，所述进气口32一端固定连接有气体加热器30，所述气体加热器30输入端连接有气体增湿器29，所述气体增湿器29输出端固定连接有进气管28，所述出气口36另一端固定连接有排气管37，所述加热底座33和连接底座52内部开设有两个上流道2，所述上流道2与通道34相接通，加热底座33侧方设有进气口32、出气口36、工作电极38以及可放置测温热电耦的通道34，通过进气口32连接气体增湿器29和气体加热器30，保温储液罐12为聚四氟乙烯储液罐，通过支撑板10可放置参比电极13和对电极14，保温储液罐12具有保温作用，测试开始时，通过进气管28输送气体，气体经过气体增湿器29和气体加热器30，并从加热底座33通入，斜板35具有缓冲气体的作用，防止气体未完全通过上流道2进入流场板53内，通过加热底座33内的通道34从而输送到上流道2，剩余的气体通过出气口36和排气管37排出；37.其中，为了实现控制密封的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述工作台1顶部设有转动组件，所述转动组件包括环形外齿轮44，所述环形外齿轮44固定套设于支撑套9外部，所述连接壳7内部固定设有滑轨46，所述滑轨46外部套设有齿板47，所述滑轨46与齿板47滑动连接，所述齿板47与环形外齿轮44相啮合，所述连接壳7一侧固定设有第一电动推杆20，所述第一电动推杆20输出端与齿板47固定连接，启动第一电动推杆20，第一电动推杆20输出端推动齿板47移动，使齿板47在滑轨46上滑动，同时齿板47与环形外齿轮44相啮合，齿板47带动环形外齿轮44转动，通过环形外齿轮44转动九十度，环形外齿轮44带动支撑套9转动，支撑套9带动保温储液罐12转动，使保温储液罐12带动底部卡套40转动；38.其中，为了实现上下移动的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述连接壳7一侧固定设有两个滑动块17，所述固定板8侧壁开设有两个侧滑槽27，两个所述滑动块17分别延伸入两个所述侧滑槽27内部，两个所述侧滑槽27内部均通过轴承连接有两个丝杆19，两个所述丝杆19分别贯穿两个所述滑动块17并与两个所述滑动块17通过螺纹连接，所述固定板8顶部固定设有两个第二电机18，两个所述第二电机18输出端分别与两个所述丝杆19固定连接，启动第二电机18，第二电机18启动并带动丝杆19转动，丝杆19转动并带动滑动块17移动，使滑动块17带动连接壳7下移，使连接壳7带动固定套环45下移，固定套环45带动支撑套9下移，使支撑套9带动保温储液罐12下移；39.其中，为了实现支撑的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述工作台1底部四角均固定连接有支撑腿3，支撑腿3具有支撑作用；40.其中，为了实现方便收集摆料的目的，本装置采用如下技术方案实现的：所述工作台1顶部固定设有多个放置盒15，所述工作台1顶部固定设有多个收集盒4，将需要测评的催化剂层48及扩散层49堆叠在放置盒15内进行摆放，测试完的催化剂层48及扩散层49被吸盘控制机构移走到收集盒4内部。41.本发明的使用过程如下：在使用本发明时，将需要测评的催化剂层48及扩散层49堆叠在放置盒15内，启动第二电动推杆39，第二电动推杆39输出端伸出并带动底板57下移，使底板57底部的吸盘56与扩散层49相接触，启动真空泵23，真空泵23使第一连接管26和第二连接管54产生负压，通过环形气管55和吸盘56，使吸盘56将扩散层49吸附，扩散层49顶部的催化剂层48处于底板57和扩散层49之间，通过扩散层49和底板57的挤压，从而避免催化剂层48偏移，吸附完成后，启动第二电动推杆39输出端收缩，使底板57底部的吸盘56带动扩散层49和催化剂层48移出放置盒15，启动第一电机6，第一电机6启动并带动丝杠24转动，使丝杠24带动滑块16移动，使滑块16带动固定顶板11移动，固定顶板11带动第二电动推杆39和底板57移动，使扩散层49和催化剂层48也移动，通过扩散层49和催化剂层48移动到连接底座52顶部中心位置后，再次启动第二电动推杆39，使第二电动推杆39推动扩散层49和催化剂层48进入连接底座52内，待位置完全契合后，关闭真空泵23，从而解除吸盘56对扩散层49和催化剂层48的吸附，启动第二电机18，第二电机18启动并带动丝杆19转动，丝杆19转动并带动滑动块17移动，使滑动块17带动连接壳7下移，使连接壳7带动固定套环45下移，固定套环45带动支撑套9下移，使支撑套9带动保温储液罐12下移，待保温储液罐12底部与连接底座52相接触后，保温储液罐12底部的底部卡套40进入底部卡槽51内，启动第一电动推杆20，第一电动推杆20输出端推动齿板47移动，使齿板47在滑轨46上滑动，同时齿板47与环形外齿轮44相啮合，齿板47带动环形外齿轮44转动，通过环形外齿轮44转动九十度，环形外齿轮44带动支撑套9转动，支撑套9带动保温储液罐12转动，使保温储液罐12带动底部卡套40转动，底部卡套40转动九十度并完全与底部卡槽51相扣合，同时催化剂层48顶部与离子交换膜42底部相接触，为了实现密封，启动气泵22，气泵22启动并使第一充气管21和第二充气管31充气，从而对密封气囊41进行充气，使密封气囊41与开槽50紧密贴触，从而实现密封目的；42.将流场板53固定在加热底座33上，加热底座33侧方设有进气口32、出气口36、工作电极38以及可放置测温热电耦的通道34，通过进气口32连接气体增湿器29和气体加热器30，保温储液罐12为聚四氟乙烯储液罐，通过支撑板10可放置参比电极13和对电极14，保温储液罐12具有保温作用，测试开始时，通过进气管28输送反应气体，气体经过气体增湿器29和气体加热器30，并从加热底座33通入，斜板35具有缓冲气体的作用，防止气体未完全通过上流道2进入流场板53内，通过加热底座33内的通道34从而输送到上流道2，经过流场板53到达被保温储液罐12中电解液润湿的催化剂层48，催化剂层作为工作电极，与电解液中的参比电极13和对电极14一起构成三电极体系，通过多个性能测试组件形成多工位的催化剂层测试装置，可同时对不同温度下和不同湿度下的催化剂层性能进行测试，实现将多个催化剂层的同时放入、取出和更换新的一批催化剂层，提高检测效率，增加更多的对比数据，对催化剂层48的电化学行为进行测试，加入扩散层49后，反应物的传输与mea装置相似，可与mea测试结果相媲美，同时具有增湿和加温系统，可在不同干湿运行工况下进行测试，有利于缩小与工业放大所得到的性能差异，测试伏安曲线以及电化学阻抗谱时通入大量气体进入进气管28，在反应过程中，可通过气体增湿器29、气体加热器30和加热底座33对进入的测试气氛的湿度和温度进行控制，多组测试气氛的湿度和温度数据选择不同，通过催化剂层48产生的电流被流场板53收集，再经工作电极38导出，与对电极14形成电流回路，而工作电极38则与参比电极13形成电压回路，离子从保温储液罐12内的电解液通过离子交换膜42到达扩散层49表面，与通过流场板53的流道进入的气体在扩散层49发生电化学反应并测得极化性能，从而获得多组不同的电化学反应数据。43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。









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