CN101614792A - 大面积平板式sofc单电池性能测试系统和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SOFC单电池的测试系统和测试方法，测试系统包括电子负载、测试房及安装在测试房内的单电池密封体、Pt片和Ni片集电层，Pt片和Ni片集电层分别通过第一耐高温导线与电子负载连接，单电池密封体通过第二耐高温导线与电子负载连接，测试房上连接有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口通气管，单电池密封体的阳极气体流道采用泡沫镍气体流道，阴极气体流道采用铂网包裹LSM气体流道，特点是采用铂网包裹LSM气体流道作为单电池的阴极气体流道，采用泡沫镍气体流道作为阳极气体流道，同时采用了较粗的银丝作为电流引线，降低了高温接触电阻和导线电阻，并有利于对单电池进行直流放电测试，将单电池放电过程所能得到的电压降降低到0.5V以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种单电池测试技术，尤其是涉及一种大面积平板式SOFC单电池性能测试系统和测试方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(简称SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)由于其具有能量转换效率高、环境友好(无燃烧过程，几乎不排放氮和硫的氧化物，噪音低)、燃料适应性广和可靠性高等特点，被称为21世纪的绿色能源。固体氧化物燃料电池(SOFC)有平板式和管式两种结构，平板式的SOFC具有功率密度高、制备工艺简单、制备成本低等优点，使得中低温平板式SOFC成为当前国内外SOFC研究的热点，尤其是平板式SOFC单电池的密封度及放电性能的测试问题。目前有文献报道关于平板式SOFC单电池的测试技术，其主要采用电池有效面积较小的钮扣电池为测试对象，无需气体流道，由于测试对象(钮扣电池)的有效面积较小，不能全面的反应单电池的性能，具有局限性。对于大面积平板式SOFC单电池的测试技术，通常在测试房内依次安装Pt(铂)片集电层、单电池密封体、Ni(泡沫镍)片集电层，Pt片集电层与单电池密封体之间存有空隙形成单电池的阴极气体流道，单电池密封体与Ni片集电层之间存有空隙形成单电池的阳极气体流道，Pt片集电层和Ni片集电层上连接有电流引线，单电池密封体上连接有电压引线，通过与电流引线和电压引线连接的电子负载测得电流和电压，从而实现对单电池密封性能和放电性能的测试，但这类测试技术由于阴、阳极气体流道的存在，致使电流流过阴、阳极气体流道时受阻较大，导致测试结果不理想，可靠性低，为解决这一问题，也有提出单电池的阴极气体流道采用由锶掺杂的锰酸镧(LSM，La1-xSrxMnO3)加工制成的气体流道(以下简称LSM气体流道)，虽然LSM气体流道可以降低高温接触电阻，但是LSM气体流道的高温接触电阻仍然较大、集流效果还是比较差，并且阳极气体流道并没有做改进，使得SOFC单电池性能测试结果仍然不理想。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是提供一种大大降低了高温接触电阻，提高单电池性能测试的SOFC单电池性能测试系统。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种能有效测试单电池密封、放电性能，且测试结果可靠、成功率较高的SOFC单电池性能测试方法。
本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，该测试系统包括电子负载、测试房及安装在所述的测试房内的单电池密封体、Pt(铂)片集电层和Ni(泡沫镍)片集电层，所述的电子负载用于单电池直流放电，所述的Pt片集电层和所述的Ni片集电层分别通过第一耐高温导线与所述的电子负载连接，所述的单电池密封体通过第二耐高温导线与所述的电子负载连接，所述的单电池密封体与所述的Pt片集电层之间设置有阴极气体流道，所述的单电池密封体与所述的Ni片集电层之间设置有阳极气体流道，所述的测试房上连接有阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管和阳极出口通气管，所述的阳极气体流道采用泡沫镍气体流道，所述的阴极气体流道采用铂网包裹LSM气体流道。
所述的单电池密封体包括单电池和设置在所述的单电池的测试面上的由陶瓷纤维纸和玻璃纤维纸构成的高温密封复合组件，所述的陶瓷纤维纸的两侧涂覆有高温密封玻璃溶剂，所述的陶瓷纤维纸设置在两层玻璃纤维纸之间，并通过所述的高温密封玻璃溶剂与所述的玻璃纤维纸粘合密封。
所述的测试房为对流型Al2O3测试房，对流型Al2O3测试房为单电池性能测试时用于供气和密封的载体，其主要采用纯度为95～99％的Al2O3粉末加工设计而成；所述的对流型Al2O3测试房包括上测试房和设置在所述的上测试房下方的下测试房，所述的上测试房和所述的下测试房通过陶瓷管连接；所述的上测试房上设置有电池阴极气体入口和电池阴极气体出口，所述的电池阴极气体入口与所述的阴极入口通气管连接，所述的电池阴极气体出口与所述的阴极出口通气管连接，所述的下测试房上设置有电池阳极气体入口和电池阳极气体出口，所述的电池阳极气体入口与所述的阳极入口通气管连接，所述的电池阳极气体出口与所述的阳极出口通气管连接；所述的Pt片集电层设置在所述的上测试房内，并靠近所述的单电池的阴极的一侧；所述的Ni片集电层设置在的所述的下测试房内，并靠近所述的单电池的阳极的一侧；所述的铂网包裹LSM气体流道与所述的电池阴极气体入口及所述的电池阴极气体出口相互平行；所述的泡沫镍气体流道与所述的电池阳极气体入口及所述的电池阳极气体出口相互平行，也可以相互垂直。
所述的高温密封玻璃溶剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
所述的陶瓷纤维纸的厚度为0.5-1.5mm。
所述的陶瓷纤维纸的厚度为1mm。
所述的第一耐高温导线为银丝，所述的银丝焊接在所述的Pt片集电层和所述的Ni片集电层的一侧上作为电流引线，所述的银丝的截面面积大于或等于3.5mm2，所述的银丝的长度为400-600mm；所述的第二耐高温导线为铂丝，所述的铂丝通过银浆或铂浆焊接在所述的单电池的阳极和阴极上作为电压引线，所述的铂丝的直径为0.03-0.05mm，所述的铂丝的长度为400-600mm。
本发明解决上述另一技术问题所采用的技术方案为：一种大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，它包括以下步骤：
(1)、对单电池进行密封处理，形成单电池密封体；
(2)、将Ni片集电层、泡沫镍气体流道、单电池密封体、铂网包裹LSM气体流道和Pt片集电层依次安装在测试房内；
(3)、将阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管焊接在测试房上；
(4)、将测试房置放于加热炉内进行加热，再通入燃料气体，然后检验单电池的高温密封效果，并进行直流放电测试。
所述的步骤(1)中单电池的密封过程为：在单电池的测试面上设置由陶瓷纤维纸和玻璃纤维纸构成的高温密封复合组件；所述的陶瓷纤维纸的两侧涂覆有高温密封玻璃溶剂，所述的陶瓷纤维纸设置在两层玻璃纤维纸之间，并通过所述的高温密封玻璃溶剂与所述的玻璃纤维纸粘合密封；所述的高温密封玻璃溶剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
所述的步骤(4)对单电池的高温密封效果的检测和直流放电性能的测试的具体过程为：①将测试房置放于加热炉内，将阴极入口通气管和阳极入口通气管连接上燃料气体输入管，将阴极出口通气管和阳极出口通气管连接上燃料气体输出管；②开启加热炉进行加热，以5-10℃/min的升温速度将加热炉升温至450-550℃，在阳极入口通气管内通入氮气或氮氢混合气；③继续加热至800-1000℃，然后切断阳极入口通气管内的氮气或氮氢混合气，再在阳极入口通气管内通入普通纯度氢气，在阴极入口通气管内通入压缩空气；④阳极入口通气管和阴极入口通气管内通气5小时后，利用电子负载对测试房内的单电池开路电压进行测试，检验高温密封效果，并通过电子负载进行直流放电测试。
所述的步骤(3)中焊接阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管时采用高温密封焊接剂以500-1000℃的焊接温度进行焊接，所述的阴极入口通气管、所述的阴极出口通气管、所述的阳极入口通气管及所述的阳极出口通气管均为Al2O3陶瓷通气管，所述的高温密封焊接剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用铂网包裹LSM气体流道作为单电池的阴极气体流道，采用泡沫镍气体流道作为单电池的阳极气体流道，同时采用了较粗的银丝作为电流引线，大大降低了高温接触电阻和导线电阻，提高了集流效果，并有利于对单电池进行直流放电测试，同时将单电池放电过程所能得到的电压降降低到0.5V以下，较好地满足了使用要求；采用高温密封复合组件，并在陶瓷纤维纸的两侧涂覆有高温密封玻璃溶剂，不仅提高了密封性能，有效保证了被测单电池超过1V的开路电压成功率不低于90％，而且有效保证了测试后被测单电池的完整，提高了单电池的使用寿命；采用对流型Al2O3测试房，使得单电池的有效测试面积提高到了16cm2，且该对流型Al2O3测试房可长期和重复使用，有利于长时间的衰减规律测试。
附图说明
图1为本发明测试系统的简单结构示意图；
图2a为对流型Al2O3测试房的下测试房的结构示意图；
图2b为对流型Al2O3测试房的上测试房的结构示意图；
图3为高温密封复合组件的组成结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为由单电池和高温密封复合组件构成的单电池密封体的结构示意图；
图6为铂网包裹LSM气体流道(未显示包裹的铂网)的结构示意图；
图7为本发明测试方法的流程图；
图8a为单电池开路电压测试统计图一；
图8b为单电池开路电压测试统计图二；
图9为系统外电阻测试图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～6所示，大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，该测试系统包括电子负载5、测试房3及安装在测试房3内的单电池密封体9(具体结构如图5所示)、Pt片集电层81和Ni片集电层82，电子负载5用于单电池直流放电，电子负载5与外部的自动控制系统6连接。Pt(铂)片集电层81和Ni(泡沫镍)片集电层82分别通过第一耐高温导线71与电子负载5连接，单电池密封体通过第二耐高温导线72与电子负载5连接，单电池密封体9与Pt片集电层81之间设置有阴极气体流道14，单电池密封体9与Ni片集电层82之间设置有阳极气体流道15，测试房3上连接有阴极入口通气管411、阴极出口通气管412、阳极入口通气管421和阳极出口通气管422，单电池密封体9的阳极气体流道15采用泡沫镍气体流道，单电池密封体9的阴极气体流道14采用铂网包裹LSM气体流道。本实施例中铂网包裹LSM气体流道采用LSM粉体制备压制获得，铂网包裹LSM气体流道的尺寸可以被设计成4cm×4cm，厚度可采用1～3mm不等，厚度通常采用1.5mm；泡沫镍气体流道由泡沫镍经过加工(剪切)而成，泡沫镍气体流道的尺寸可以被设计成4cm×4cm，厚度可以同样采用1～3mm不等，厚度通常采用1mm左右。
本实施例中的测试房为对流型Al2O3测试房，该对流型Al2O3测试房为单电池性能测试时用于供气和密封的载体，其主要采用纯度为95～99％的Al2O3粉末加工设计而成；对流型Al2O3测试房包括图2a所示的下测试房32和图2b所示的上测试房31；下测试房32设置在上测试房31的下方，上测试房31和下测试房32通过陶瓷管固定连接；上测试房31上设置有电池阴极气体入口311和电池阴极气体出口312，电池阴极气体入口311与阴极入口通气管411连接，电池阴极气体出口312与阴极出口通气管412连接，下测试房32上设置有电池阳极气体入口321和电池阳极气体出口322，电池阳极气体入口321与阳极入口通气管421连接，电池阳极气体出口322与阳极出口通气管422连接；Pt片集电层81设置在上测试房31内，并靠近单电池的阴极的一侧；Ni片集电层82设置在的下测试房32内，并靠近单电池的阳极的一侧。铂网包裹LSM气体流道与电池阴极气体入口311及电池阴极气体出口312相互平行，只有保持平行，才能够确保气体从电池阴极气体入口311进去，从电池阴极气体出口312出去；泡沫镍气体流道与电池阳极气体入口321及电池阳极气体出口322可以保持相互平行，也可以是相互垂直，这是由泡沫镍具有的多孔性质决定的。
图5给出了本实施例中由高温密封复合组件与单电池构成的单电池密封体的结构示意图，高温密封复合组件1设置在单电池2的测试面上。高温密封复合组件1如图3和图4所示，它包括陶瓷纤维纸11和玻璃纤维纸12，陶瓷纤维纸11的两侧分别涂覆了一层较薄的高温密封玻璃溶剂13，陶瓷纤维纸11设置在两层玻璃纤维纸12之间，并通过高温密封玻璃溶剂13与玻璃纤维纸12粘合密封。高温密封玻璃溶剂13主要由硅溶胶和SiO2玻璃粉构成，其浓度为5-15％。陶瓷纤维纸11的厚度可以在0.5-1.5mm范围内，本实施例中陶瓷纤维纸11的厚度为1mm，使得在高温测试下具有较好的缓冲压力(4-6kg)的作用，从而使得单电池测试后能够保持其完整而不破碎，提高了单电池的稳定性能和使用寿命。
上述第一耐高温导线71为较粗的银丝，银丝焊接在Pt片集电层81和Ni片集电层82的一侧上作为电流引线，银丝的截面面积大于或等于3.5mm2，银丝的长度为500mm；第二耐高温导线72为较细的铂丝，铂丝通过银浆或铂浆焊接在单电池的阳极和阴极上作为电压引线，铂丝的直径可以在0.03-0.05mm范围内，铂丝的长度为500mm。
本实施例中的SOFC单电池可以是平板式的Ni-YSZ/YSZ/LSM电池，这些电池的面积为5×6cm2有效面积不低于4×4cm2(16cm2)。
本发明提供的一种大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，它包括以下步骤，流程如图6所示：
(1)、对单电池进行密封处理，形成单电池密封体；单电池的密封过程为：在单电池的测试面上设置由陶瓷纤维纸和玻璃纤维纸构成的高温密封复合组件；
上述的陶瓷纤维纸的两侧涂覆有高温密封玻璃溶剂，陶瓷纤维纸设置在两层玻璃纤维纸之间，并通过高温密封玻璃溶剂与玻璃纤维纸粘合密封；高温密封玻璃溶剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％；
(2)、将Ni片集电层、泡沫镍气体流道、单电池密封体、铂网包裹LSM气体流道和Pt片集电层依次安装在对流型Al2O3测试房内，确保单电池密封体在测试房内处于密封状态；
(3)、利用高温密封焊接剂以500-1000℃的焊接温度将阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管焊接在对流型Al2O3测试房上；
上述的阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管均为Al2O3陶瓷通气管，高温密封焊接剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
(4)、将测试房置放于加热炉内进行加热，再通入燃料气体，然后检验单电池的高温密封效果，并进行直流放电测试；具体过程为：①将对流型Al2O3测试房置放于加热炉内，将阴极入口通气管和阳极入口通气管通过毛细紫铜管连接上燃料气体输入管，将阴极出口通气管和阳极出口通气管通过毛细紫铜管连接上燃料气体输出管；各管之间的连接接头采用直通管卡套；②开启加热炉进行加热，以5-10℃/min的升温速度将加热炉升温至450-550℃，在阳极入口通气管内通入氮气和氮氢混合气(氮氢混合气中氢气含量为9％)；③继续加热至800-1000℃，然后切断阳极入口通气管内的氮气或氮氢混合气体，再在阳极入口通气管内通入普通纯度氢气，在阴极入口通气管内通入经过过滤干燥的压缩空气，使之发生氧化还原反应；④阳极入口通气管和阴极入口通气管内通气5小时后，利用电子负载对测试房内的单电池开路电压进行测试，检验高温密封效果，并通过电子负载进行直流放电测试。
图7a和图7b所示的单电池开路电压测试统计图较好地反映了单电池密封效果的测试结果，从图中可以看出，单电池的开路电压(OCV)最高可达1.176V(1176mV)，超过1V的成果不低于90％，说明单电池的密封效果良好。直流放电测试的结果如图8所示，图中黑实点表示单电池内阻引起的电流电压曲线，其斜率即为单电池内阻，根据计算结果可知，单电池的内阻为RCell＝36.54mΩ；图中白实点表示系统电阻引起的电流电压曲线，其斜率即为测试系统的电阻，根据计算可知，系统电阻为RH＝44.43mΩ。因此，单电池测试过程中的外电阻(即导线电阻和接触电阻)为RH-RCell＝44.43mΩ-36.54mΩ＝7.99mΩ(其值为系统电阻与单电池内阻之差)，测试系统的外电阻得到了极大的降低，对有效的进行单电池的性能测试提供了良好的保障。
Claims (11)
1、一种大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，该测试系统包括电子负载、测试房及安装在所述的测试房内的单电池密封体、Pt片集电层和Ni片集电层，所述的电子负载用于单电池直流放电，所述的Pt片集电层和所述的Ni片集电层分别通过第一可耐1000℃以上的高温导线与所述的电子负载连接，所述的单电池密封体通过第二可耐900℃的高温导线与所述的电子负载连接，所述的单电池密封体与所述的Pt片集电层之间设置有阴极气体流道，所述的单电池密封体与所述的Ni片集电层之间设置有阳极气体流道，所述的测试房上连接有阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管和阳极出口通气管，其特征在于所述的阳极气体流道采用泡沫镍气体流道，所述的阴极气体流道采用铂网包裹LSM气体流道。
2、根据权利要求1所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的单电池密封体包括单电池和设置在所述的单电池的测试面上的由陶瓷纤维纸和玻璃纤维纸构成的高温密封复合组件，高温密封复合组件为所述的陶瓷纤维纸的两侧涂覆有可耐900℃的高温密封玻璃溶剂，所述的陶瓷纤维纸设置在两层玻璃纤维纸之间，并通过所述的高温密封玻璃溶剂与所述的玻璃纤维纸粘合密封。
3、根据权利要求2所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的测试房为对流型Al2O3测试房，所述的对流型Al2O3测试房主要采用纯度为95～99％的Al2O3粉末加工设计形成；所述的对流型Al2O3测试房包括上测试房和设置在所述的上测试房下方的下测试房，所述的上测试房和所述的下测试房通过陶瓷管连接；所述的上测试房上设置有电池阴极气体入口和电池阴极气体出口，所述的电池阴极气体入口与所述的阴极入口通气管连接，所述的电池阴极气体出口与所述的阴极出口通气管连接，所述的下测试房上设置有电池阳极气体入口和电池阳极气体出口，所述的电池阳极气体入口与所述的阳极入口通气管连接，所述的电池阳极气体出口与所述的阳极出口通气管连接；所述的Pt片集电层设置在所述的上测试房内，并靠近所述的单电池的阴极的一侧；所述的Ni片集电层设置在的所述的下测试房内，并靠近所述的单电池的阳极的一侧；所述的铂网包裹LSM气体流道与所述的电池阴极气体入口及所述的电池阴极气体出口相互平行；所述的泡沫镍气体流道与所述的电池阳极气体入口及所述的电池阳极气体出口相互平行或相互垂直。
4、根据权利要求2所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的高温密封玻璃溶剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％，其中SiO2含量为5-15wt.％。
5、根据权利要求4所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的陶瓷纤维纸的厚度为0.5-1.5mm。
6、根据权利要求5所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的陶瓷纤维纸的厚度为1mm。
7、根据权利要求2至6中任一项所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试系统，其特征在于所述的第一耐高温导线为银丝，所述的银丝焊接在所述的Pt片集电层和所述的Ni片集电层的一侧上作为电流引线，所述的银丝的截面面积大于或等于3.5mm2，所述的银丝的长度为400-600mm；所述的第二耐高温导线为铂丝，所述的铂丝通过银浆或铂浆焊接在所述的单电池的阳极和阴极上作为电压引线，所述的铂丝的直径为0.03-0.05mm，所述的铂丝的长度为400-600mm。
8、一种权利要求1所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)、对单电池进行密封处理，形成单电池密封体；
(2)、将Ni片集电层、泡沫镍气体流道、单电池密封体、铂网包裹LSM气体流道和Pt片集电层依次安装在测试房内；
(3)、将阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管焊接在测试房上；
(4)、将测试房置放于加热炉内进行加热，再通入燃料气体，然后检验单电池的高温密封效果，并进行直流放电测试。
9、根据权利要求8所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，其特征在于所述的步骤(1)中单电池的密封过程为：在单电池的测试面上设置由陶瓷纤维纸和玻璃纤维纸构成的高温密封复合组件；所述的陶瓷纤维纸的两侧涂覆有高温密封玻璃溶剂，所述的陶瓷纤维纸设置在两层玻璃纤维纸之间，并通过所述的高温密封玻璃溶剂与所述的玻璃纤维纸粘合密封；所述的高温密封玻璃溶剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
10、根据权利要求8所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，其特征在于所述的步骤(4)对单电池的高温密封效果的检测和直流放电性能的测试的具体过程为：①将测试房置放于加热炉内，将阴极入口通气管和阳极入口通气管连接上燃料气体输入管，将阴极出口通气管和阳极出口通气管连接上燃料气体输出管；②开启加热炉进行加热，以5-10℃/min的升温速度将加热炉升温至450-550℃，在阳极入口通气管内通入氮气和氮氢混合气；③继续加热至800-1000℃，然后切断阳极入口通气管内的氮气或氮氢混合气体，再在阳极入口通气管内通入氢气，在阴极入口通气管内通入压缩空气；④阳极入口通气管和阴极入口通气管内通气5小时后，利用电子负载对测试房内的单电池开路电压进行测试，检验高温密封效果，并通过电子负载进行直流放电测试。
11、根据权利要求8所述的大面积平板式SOFC单电池性能测试方法，其特征在于所述的步骤(3)中焊接阴极入口通气管、阴极出口通气管、阳极入口通气管及阳极出口通气管时采用高温密封焊接剂以500-1000℃的焊接温度进行焊接，所述的阴极入口通气管、所述的阴极出口通气管、所述的阳极入口通气管及所述的阳极出口通气管均为Al2O3陶瓷通气管，所述的高温密封焊接剂由硅溶胶和以SiO2为主要成分的微晶玻璃粉构成，其中微晶玻璃粉含量为5-15wt.％。
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