一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池

1.本发明涉及一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，属于电化学电池技术领域。

背景技术：

2.电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学，电和化学反应相互作用可通过电池来完成；电化学电池指的是化学能与电能互相转化的装置，它分为原电池和电解池两大类；原电池能自发地将化学能转化为电能；电解池则需要消耗外部电源提供的电能，使电化学电池内部发生化学反应；当实验条件改变时，很多电化学电池能在原电池和电解池之间相互转化；可以在不同温度范围和气体气氛下工作的电化学电池是非常重要的，因为它能用于针对固体样品进行电化学测量，从而了解其物理性质和潜在应用，所以设计一个合适的电化学电池，首先是选择合适的材料来建造它，对于高温和低温，石英是最佳选择，因为它们坚固且热稳定，中子透过率高，适合中子散射应用；为了使其满足在不同的气体环境中服务，还要必须具有一个密封的外壳，并且可以与外部供应进行气体交换；同时还要具有方便拆装和维护的功能；但是现有的电化学电池工作时所能承受高温和低温的温度范围较小，用于构成电化学电池的材料坚固性较差，高温反应时热稳定性差，且中子透过率低，不适合中子散射应用；在不同的气体环境中服务时，密封性差；整体结构不便于拆装和维护。

技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，用于在
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200℃（需要使用液氮进行冷却）至 900℃（需要使用高温管式炉进行加热）之间的受控气氛下测量材料、固体/气体界面和电极的电气特性、传输参数以及动力学；本发明电化学电池允许通过多种方式连接到样品，由于电化学电池的外壳和样品容器由熔融石英制成，因此也可以在中子束流下及不同的温度和气体环境下进行原位测量，了解样品结构性质和电化学性能。
4.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，包括罩管、封堵组件、联接杆、支架管、样品槽、导气管、弯管、热电偶以及多个电接头；所述罩管、支架管、样品槽和导气管均为熔融石英材料；所述罩管的一端具有开口，所述封堵组件可拆卸安装在罩管的开口处；所述联接杆沿封堵组件的轴线穿过封堵组件并与封堵组件固定连接，位于罩管内部的联接杆端部与支架管的一端连接，支架管的另一端与样品槽连接，位于罩管外部的联接杆端部与外部设备连接；所述导气管和弯管的一端分别穿过封堵组件与罩管内部连通，且导气管的一端在罩管内部沿罩管长度方向延伸至罩管的内底部；所述热电偶安装在封堵组件上并用于检测罩管内部温度；所述多个电接头设置在封堵组件上，每个电接头上电连接有用于
引出样品导电率信号的导电线，所述导电线在罩管内部延伸。
5.作为本发明的进一步优选，所述封堵组件包括左法兰和右法兰，所述左法兰背向右法兰一侧形成有管体结构，所述左法兰和右法兰通过卡箍连接；所述罩管的开口端插入左法兰的管体结构内部，在左法兰管体结构的内圆周面上设置有用于限制罩管开口端插入深度的限位凸环；在罩管外圆周面活动套设有第一压盖螺母，所述第一压盖螺母与左法兰管体结构的外圆周面螺纹连接，第一压盖螺母的压盖与左法兰管体结构的端面之间的罩管外圆周面上套接有第一o型密封圈，第一压盖螺母与左法兰管体结构螺纹连接时通过挤压第一o型密封圈将罩管与左法兰密封连接；所述联接杆沿右法兰的轴线穿过右法兰并与右法兰固定连接；所述导气管和弯管的一端分别穿过右法兰与罩管内部连通；所述热电偶安装在右法兰上；所述多个电接头设置在右法兰上。
6.作为本发明的进一步优选，所述左法兰和右法兰之间设置有密封组件；所述密封组件包括法兰密封件支架和法兰密封圈，所述法兰密封圈套接在法兰密封件支架的外圆周面上。
7.作为本发明的进一步优选，所述法兰密封件支架包括圆环体，在圆环体的外圆周面设置有隔板，所述法兰密封圈套接在隔板的外圆周面上；所述左法兰和右法兰的相对面上分别形成有环形卡槽，所述法兰密封件支架的圆环体两端分别卡接在左法兰和右法兰相对面上的环形卡槽中，圆环体外圆周面上的隔板以及法兰密封圈位于左法兰和右法兰之间。
8.作为本发明的进一步优选，位于罩管内部的联接杆端部的端面上形成有插槽，所述支架管的一端插接在插槽中，在支架管外圆周面活动套设有第二压盖螺母，所述第二压盖螺母与联接杆端部的外圆周面螺纹连接，第二压盖螺母的压盖与联接杆端部的端面之间的支架管外圆周面上套接有第二o型密封圈，第二压盖螺母与联接杆螺纹连接时通过挤压第二o型密封圈将支架管与联接杆连接。
9.作为本发明的进一步优选，所述右法兰上设置导气管联接座，所述导气管在导气管联接座中穿过，在导气管外圆周面活动套设有第三压盖螺母，所述第三压盖螺母与导气管联接座的外圆周面螺纹连接，第三压盖螺母的压盖与导气管联接座的端面之间的导气管外圆周面上套接有第三o型密封圈，第三压盖螺母与导气管联接座螺纹连接时通过挤压第三o型密封圈将导气管与导气管联接座密封连接。
10.作为本发明的进一步优选，所述右法兰上设置热电偶联接座，所述热电偶在热电偶联接座中穿过，在热电偶外圆周面活动套设有第四压盖螺母，所述第四压盖螺母与热电偶联接座的外圆周面螺纹连接，第四压盖螺母的压盖与热电偶联接座的端面之间的热电偶外圆周面上套接有第四o型密封圈，第四压盖螺母与热电偶联接座螺纹连接时通过挤压第四o型密封圈将热电偶与热电偶联接座密封连接。
11.作为本发明的进一步优选，所述多个电接头与热电偶、导气管和弯管以联接杆为圆心环绕联接杆周向布置。
12.作为本发明的进一步优选，位于罩管外部的联接杆端部连接有支座，支座上形成有多个孔洞，位于罩管外部的联接杆端部通过支座与外部设备连接。
13.作为本发明的进一步优选，所述导电线是金线或铂金线。
14.本发明的有益之处在于：可以在
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200℃（需要使用液氮进行冷却）至 900℃（需要使用高温管式炉进行加热）之间的受控气氛下测量材料、固体/气体界面和电极的电气特性、传输参数以及动力学；本发明电化学电池允许通过多种方式连接到样品，由于电化学电池的外壳和样品容器由熔融石英制成，坚固性好，在高温反应时热稳定性好，中子透过率高，适合中子散射应用；因此适合在中子束流下及不同的温度和气体环境下进行原位测量，了解样品结构性质和电化学性能；同时具有方便拆装和维护的功能。
附图说明
15.图1是本发明立体结构示意图；图2是本发明侧视结构示意图；图3是本发明剖面结构示意图；图4是本发明左法兰结构示意图；图5是本发明右法兰内侧面结构示意图；图6是本发明右法兰与弯管、导气管联接座以及热电偶联接座连接后的结构示意图；图7是图6中a向剖面结构示意图；图8是图6中b向剖面结构示意图；图9是本发明联接杆结构示意图；图10是本发明第一压盖螺母结构示意图；图11是本发明第三压盖螺母与导气管及导气管联接座未连接时的结构示意图；图12是本发明第四压盖螺母与热电偶及热电偶联接座未连接时的结构示意图；图13是压盖螺母外观结构示意图；图中附图标记的含义：1-罩管，2-联接杆，3-支架管，4-样品槽，5-导气管，6-弯管，7-热电偶，8-电接头，9-左法兰，10-右法兰，11-卡箍，12-限位凸环，13-法兰密封件支架，14-法兰密封圈，15-导气管联接座，16-支座，17-热电偶联接座，19-环形卡槽，20-插槽，21-第一压盖螺母，22-第二压盖螺母，23-第三压盖螺母，24-第四压盖螺母，31-第一o型密封圈，32-第二o型密封圈，33-第三o型密封圈，34-第四o型密封圈。
具体实施方式
16.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
17.如图1-13所示，本实施例是一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，包括罩管1、封堵组件、联接杆2、支架管3、样品槽4、导气管5、弯管6、热电偶7以及多个电接头8；其中罩管1、支架管3、样品槽4和导气管5均为熔融石英材料；罩管1的一端具有开口，封堵组件可拆卸安装在罩管1的开口处；联接杆2沿封堵组件的轴线穿过封堵组件并与封堵组件固定连接，位于罩管1内部的联接杆2端部与支架管3的一端连接，支架管3的另一端与样品槽4连接，样品槽4用于容纳样品；位于罩管1外部的联接杆2端部与外部设备连接；导气管5和弯管6的一端分别穿过封堵组件与罩管1内部连通，且导气管5的一端在罩管1内部沿罩管
1长度方向延伸至罩管1的内底部；导气管5用于向罩管1内部输送气体，弯管6用于罩管1内部气体向外输出；热电偶7安装在封堵组件上并用于检测罩管1内部温度；热电偶7采用k型热电偶，位于罩管1内部的热电偶7沿罩管1长度方向延伸；多个电接头8设置在封堵组件上，每个电接头8上电连接有用于引出样品导电率信号的导电线，导电线在罩管1内部延伸；在实际应用时，导电线1可以根据实际情况采用金线或铂金线。
18.本实施例中，封堵组件包括左法兰9和右法兰10，左法兰9背向右法兰10一侧形成有管体结构，左法兰9和右法兰10通过卡箍11连接；卡箍11采用不锈钢三节卡箍；罩管1的开口端插入左法兰9的管体结构内部，在左法兰9管体结构的内圆周面上设置有用于限制罩管1开口端插入深度的限位凸环12；在罩管1外圆周面活动套设有第一压盖螺母21，第一压盖螺母21与左法兰9管体结构的外圆周面螺纹连接，第一压盖螺母21的压盖与左法兰9管体结构的端面之间的罩管1外圆周面上套接有第一o型密封圈31，第一压盖螺母21与左法兰9管体结构螺纹连接时通过挤压第一o型密封圈31将罩管1与左法兰9密封连接；联接杆2沿右法兰10的轴线穿过右法兰10并与右法兰10固定连接；导气管5和弯管6的一端分别穿过右法兰10与罩管1内部连通；热电偶7安装在右法兰10上；多个电接头8设置在右法兰10上。
19.本实施例中，左法兰9和右法兰10之间设置有密封组件；密封组件包括法兰密封件支架13和法兰密封圈14，法兰密封圈14套接在法兰密封件支架13的外圆周面上；法兰密封件支架13包括圆环体，在圆环体的外圆周面设置有隔板，法兰密封圈14套接在隔板的外圆周面上；左法兰9和右法兰10的相对面上分别形成有环形卡槽19，法兰密封件支架13的圆环体两端分别卡接在左法兰9和右法兰10相对面上的环形卡槽19中，用以使左法兰9和右法兰10之间相互限位；圆环体外圆周面上的隔板以及法兰密封圈14位于左法兰9和右法兰10之间；用以使左法兰9和右法兰10之间形成密封连接。
20.本实施例中，位于罩管1内部的联接杆2端部的端面上形成有插槽20，支架管3的一端插接在插槽20中，在支架管3外圆周面活动套设有第二压盖螺母22，第二压盖螺母22与联接杆2端部的外圆周面螺纹连接，第二压盖螺母22的压盖与联接杆2端部的端面之间的支架管3外圆周面上套接有第二o型密封圈32，第二压盖螺母22与联接杆2螺纹连接时通过挤压第二o型密封圈32将支架管3与联接杆2连接；第二压盖螺母22与其它压盖螺母结构相似，其区别仅在于尺寸的不同，参考其它有关压盖螺母的结构示意图即可；本实施例中各个压盖螺母的外观也相似，参考图13即可。
21.本实施例中，右法兰10上设置导气管联接座15，导气管5在导气管联接座15中穿过，在导气管5外圆周面活动套设有第三压盖螺母23，第三压盖螺母23与导气管联接座15的外圆周面螺纹连接，第三压盖螺母23的压盖与导气管联接座15的端面之间的导气管5外圆周面上套接有第三o型密封圈33，第三压盖螺母23与导气管联接座15螺纹连接时通过挤压第三o型密封圈33将导气管5与导气管联接座15密封连接。
22.本实施例中，右法兰10上设置热电偶联接座17，热电偶7在热电偶联接座17中穿过，在热电偶7外圆周面活动套设有第四压盖螺母24，第四压盖螺母24与热电偶联接座17的外圆周面螺纹连接，第四压盖螺母24的压盖与热电偶联接座17的端面之间的热电偶7外圆周面上套接有第四o型密封圈34，第四压盖螺母24与热电偶联接座17螺纹连接时通过挤压第四o型密封圈34将热电偶7与热电偶联接座17密封连接。
23.本实施例中，多个电接头8与热电偶7、导气管5和弯管6以联接杆2为圆心环绕联接杆2周向布置；本实施例中，电接头8的设置数量具体为五个。
24.本实施例中，位于罩管1外部的联接杆2端部连接有支座16，支座16上形成有多个孔洞，位于罩管1外部的联接杆2端部通过支座16与外部设备连接。
25.本实施例中，右法兰10与弯管6、导气管联接座15以及热电偶联接座17连接之前，将结合面清理干净，结合面配合公差h7/m6，在结合处点焊加固，并打磨抛光，整件清洗干净。
26.本实施例在实验时的一些要求如下：样品形状要求：圆形或矩形颗粒状样品；电化学测量方法：（1）2 点阻抗谱和电导率测量；（2）van der pauw（范德堡法）4 点电导率测量；气体类型：空气、氢气、氮气、氩气、氦气、甲烷及以上的混合气体；电极接头数量：5个；若使用 2 点阻抗谱进行电导率测量，则最多可以放四个不同样品；电压和电流范围：电流高达 5a；电压
±
100 v；温度范围：
−
200℃（需要使用液氮进行冷却）至 900℃（需要使用高温管式炉进行加热）；温度感应器：k型热电偶；导电线：铂金线或金线。
27.本实施例在使用时：（1）粉状样品或颗粒状样品首先被压成片体，并在高温下烧结，以形成致密样品；（2）将步骤（1）所得片体样品涂上金或铂，并在高温下烧结，以形成集流体；（3）将步骤（2）所得片体样品放入电化学电池的样品槽4中，然后放入罩管1再利用封堵组件封堵罩管1的开口，之后允许气体引入；（4）电化学电池可放进管式炉进行加热，或使用液氮进行冷却；（5）建议在电化学测量前将样品在某一温度下稳定两小时；（6）电化学测量可采用电化学阻抗测量或直流极化法进行；本发明电化学电池允许通过多种方式连接到样品；在电化学阻抗测量时，片体样品两侧各设一个电极片，片体样品两侧的电极片分别通过金线或铂金线与两个电接头8相连，两个电接头8与外部电源设备连接，外部电源设备提供偏置电压，之后进行电流信号的测量；范德堡法采用围绕样品周边放置的四点探头进行电阻率的测量。
28.本实施例还可以参与进行以下的相关测量：（1）电导率与 t、po2氧分压、ph2o水分压等的关系；（2）直流、交流、阻抗谱；（3）介电性能、损耗等；（4）圆盘、van der pauw（范德堡法）和条形几何；（5）2、3 和 4 个电极；（6）离子传输数；
（7）质子运输数；（8）h/d同位素效应；（9）塞贝克系数；（10）i-v 特性；（11）燃料电池组件和单电池测试；（12）电极动力学；（13）电化学泵送、气体渗透和电催化，并在出口处进行气体分析（例如 gc 或 ms）；（14）传感器测试，高压（kv）版本可实现铁电体极化；（15）大电流版本；（16）在受控气氛下退火或烧结。
29.本发明可以在
−
200℃（需要使用液氮进行冷却）至 900℃（需要使用高温管式炉进行加热）之间的受控气氛下测量材料、固体/气体界面和电极的电气特性、传输参数以及动力学；本发明电化学电池允许通过多种方式连接到样品，由于电化学电池的外壳和样品容器由熔融石英制成，坚固性好，在高温反应时热稳定性好，中子透过率高，适合中子散射应用；因此适合在中子束流下及不同的温度和气体环境下进行原位测量，了解样品结构性质和电化学性能；同时具有方便拆装和维护的功能。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，否则术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点；本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，包括罩管、封堵组件、联接杆、支架管、样品槽、导气管、弯管、热电偶以及多个电接头；所述罩管、支架管、样品槽和导气管均为熔融石英材料；所述罩管的一端具有开口，所述封堵组件可拆卸安装在罩管的开口处；所述联接杆沿封堵组件的轴线穿过封堵组件并与封堵组件固定连接，位于罩管内部的联接杆端部与支架管的一端连接，支架管的另一端与样品槽连接，位于罩管外部的联接杆端部与外部设备连接；所述导气管和弯管的一端分别穿过封堵组件与罩管内部连通，且导气管的一端在罩管内部沿罩管长度方向延伸至罩管的内底部；所述热电偶安装在封堵组件上并用于检测罩管内部温度；所述多个电接头设置在封堵组件上，每个电接头上电连接有用于引出样品导电率信号的导电线，所述导电线在罩管内部延伸。2.根据权利要求1所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述封堵组件包括左法兰和右法兰，所述左法兰背向右法兰一侧形成有管体结构，所述左法兰和右法兰通过卡箍连接；所述罩管的开口端插入左法兰的管体结构内部，在左法兰管体结构的内圆周面上设置有用于限制罩管开口端插入深度的限位凸环；在罩管外圆周面活动套设有第一压盖螺母，所述第一压盖螺母与左法兰管体结构的外圆周面螺纹连接，第一压盖螺母的压盖与左法兰管体结构的端面之间的罩管外圆周面上套接有第一o型密封圈，第一压盖螺母与左法兰管体结构螺纹连接时通过挤压第一o型密封圈将罩管与左法兰密封连接；所述联接杆沿右法兰的轴线穿过右法兰并与右法兰固定连接；所述导气管和弯管的一端分别穿过右法兰与罩管内部连通；所述热电偶安装在右法兰上；所述多个电接头设置在右法兰上。3.根据权利要求2所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述左法兰和右法兰之间设置有密封组件；所述密封组件包括法兰密封件支架和法兰密封圈，所述法兰密封圈套接在法兰密封件支架的外圆周面上。4.根据权利要求3所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述法兰密封件支架包括圆环体，在圆环体的外圆周面设置有隔板，所述法兰密封圈套接在隔板的外圆周面上；所述左法兰和右法兰的相对面上分别形成有环形卡槽，所述法兰密封件支架的圆环体两端分别卡接在左法兰和右法兰相对面上的环形卡槽中，圆环体外圆周面上的隔板以及法兰密封圈位于左法兰和右法兰之间。5.根据权利要求1或2所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，位于罩管内部的联接杆端部的端面上形成有插槽，所述支架管的一端插接在插槽中，在支架管外圆周面活动套设有第二压盖螺母，所述第二压盖螺母与联接杆端部的外圆周面螺纹连接，第二压盖螺母的压盖与联接杆端部的端面之间的支架管外圆周面上套接有第二o型密封圈，第二压盖螺母与联接杆螺纹连接时通过挤压第二o型密封圈将支架管与联接杆连接。6.根据权利要求2所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述右法兰上设置导气管联接座，所述导气管在导气管联接座中穿过，在导气管外圆周面活动套设有第三压盖螺母，所述第三压盖螺母与导气管联接座的外圆周面螺纹连接，第三压盖螺母的压盖与导气管联接座的端面之间的导气管外圆周面上套接有第三o型密封圈，第三压盖螺母与导气管联接座螺纹连接时通过挤压第三o型密封圈将导气管与导气管联接
座密封连接。7.根据权利要求2所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述右法兰上设置热电偶联接座，所述热电偶在热电偶联接座中穿过，在热电偶外圆周面活动套设有第四压盖螺母，所述第四压盖螺母与热电偶联接座的外圆周面螺纹连接，第四压盖螺母的压盖与热电偶联接座的端面之间的热电偶外圆周面上套接有第四o型密封圈，第四压盖螺母与热电偶联接座螺纹连接时通过挤压第四o型密封圈将热电偶与热电偶联接座密封连接。8.根据权利要求1或2所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述多个电接头与热电偶、导气管和弯管以联接杆为圆心环绕联接杆周向布置。9.根据权利要求1所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，位于罩管外部的联接杆端部连接有支座，支座上形成有多个孔洞，位于罩管外部的联接杆端部通过支座与外部设备连接。10.根据权利要求1所述一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，其特征在于，所述导电线是金线或铂金线。

技术总结

本发明公开一种用于高低温和受控气氛的多功能电化学电池，包括罩管、封堵组件、联接杆、支架管、样品槽、导气管、弯管、热电偶以及多个电接头；其中罩管、支架管、样品槽和导气管均为熔融石英材料；罩管的一端具有开口，封堵组件可拆卸安装在罩管的开口处；联接杆穿过封堵组件，位于罩管内部的联接杆端部通过支架管与样品槽连接；导气管和弯管的一端分别穿过封堵组件与罩管内部连通；热电偶安装在封堵组件上并用于检测罩管内部温度；多个电接头设置在封堵组件上，每个电接头上电连接有用于引出样品导电率信号的导电线；本发明可以在