CN102967733A

CN102967733A - 一种sofc纽扣式电池测试夹具及其装配方法

Info

Publication number: CN102967733A
Application number: CN2012104028168A
Authority: CN
Inventors: 李箭; 王欣; 池波; 蒲健; 颜冬; 华斌; 贾礼超
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN102967733B

Abstract

本发明公开了一种SOFC纽扣式电池测试夹具，包括夹具支架、绝缘底座、半封闭气室和上压头，夹具支架包括支架底座、竖直支撑臂、水平支撑臂、第一定位滑块、第二定位滑块以及多个限位螺丝，竖直支撑臂垂直固定于支架底座上，第一定位滑块平行设置于竖直支撑臂内部，并可在竖直支撑臂内部纵向滑动，水平支撑臂设置于支架底座的上方，且与支架底座的底部平行，第二定位滑块平行设置于水平支撑臂内部，并可在水平支撑臂内部横向滑动，绝缘底座固定在支架底座上，半封闭气室固定在绝缘底座上。本发明能解决现有测试夹具在电池测试时的密封及集流问题，并且支持二电极和三电极测试体系，同时还可以满足不同结构电池的测试需求，尤其是多孔电极支撑的SOFC。

Description

一种SOFC纽扣式电池测试夹具及其装配方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种SOFC纽扣式电池测试夹具及其装配方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，简称SOFC）是一种将燃料的化学能直接转化为电能的全固态电化学装置，单电池通常为三明治结构，又称PEN（Positive-pole,Electrolyte and Negative-pole），由多孔燃料电极（阳极）、致密电解质和多孔阴极组成。其工作原理如图1所示。在工作温度下（600℃~1000℃），空气中的氧分子在阴极获得电子成为氧离子，氧离子在电池两侧氧浓差的驱动下，自阴极通过电解质中的氧空位迁移到阳极，与燃料气体（通常为H₂）发生氧化反应并释放出电子，最后，电子流经外电路从阳极到达阴极。

在研究开发SOFC电极材料时，通常将电池制备成为纽扣式小面积的半电池和单电池（直径通常为20-30mm，厚度约1mm），然后对电极材料以及电池性能进行相关的研究，其中一项很重要的表征技术就是电化学测试。使用电化学工作站对电极/电池进行电化学测试时主要分为二电极体系和三电极体系。二电极即工作电极（WE）和对电极（CE），而三电极体系另外包括参比电极（RE），两种体系的结构分别如图2（a）、（b）所示。参比电极的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，某些时候，工作电极和对电极的电极电位在测试过程中会发生变化，为了确切地知道其中某一个电极的电位（通常我们关心的是工作电极的电极电位），我们就必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比。三电极体系中存在两个回路：电压回路（WE-RE）和电流回路（WE-CE），可以实现足够的测量精度，并且可以同时测量极化电流和极化电位。因此对于电极研究来说，三电极有着较为突出的优点。

根据电池/电极测试的需要，测试夹具的设计通常需要满足以下要求：

1、为阴极提供空气，为阳极提供燃料气体；

2、有效集流并避免导线短路；

3、在阳极测试及单电池测试时提供可靠的密封；

4、纽扣电池的面积较小，强度也相对较低，夹具设计要便于电池装配。

目前在SOFC电极材料的研究中，所用纽扣电池的结构通常为电解质支撑的半电池，电解质支撑半电池采用较厚的电解质层对薄层阳极/阴极提供机械支撑。该结构中电极厚度较薄（10~20μm），面积较小（0.5cm²），密封相对容易。该类电池的测试夹具以日本TOYO公司及新加坡NTU的设计为代表，前者仅支持二电极体系，后者支持三电极体系的测试要求但装配稍复杂。而对于单电池的研究，目前国际上的单电池通常采用多孔阳极支撑结构。在研究阳极支撑SOFC单电池或者是研究阳极支撑体时，由于阳极支撑体为较厚的多孔结构（1mm），其侧面也需要密封，且作为支撑体，其面积相对较大（5-7cm²），因此对密封有更高的要求。上述两种夹具前者可满足单电池测试需求，后者则难以实现对多孔支撑体的密封。综上所述，目前现有的测试夹具对不同的测试体系以及不同结构的电池进行研究时，兼容性较差，并且装配的可靠性不高。此外，从图2（b）中可以看到，参比电极与对电极的距离较小（约为4mm），在集流时容易发生短路，所以在满足密封要求的同时，如何更好的完成集流，也是测试夹具设计所需要面临的挑战。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可以支持二电极测试和三电极测试体系的SOFC纽扣式电池测试夹具，旨在解决现有技术电池测试时的密封以及集流问题，并且还可以满足不同结构电池的测试需求，尤其是多孔电极支撑的SOFC。

为实现上述目的，本发明提供了一种SOFC纽扣式电池测试夹具，包括夹具支架、绝缘底座、半封闭气室和上压头，夹具支架包括支架底座、竖直支撑臂、水平支撑臂、第一定位滑块、第二定位滑块以及多个限位螺丝，竖直支撑臂垂直固定于支架底座上，第一定位滑块平行设置于竖直支撑臂内部，并可在竖直支撑臂内部纵向滑动，水平支撑臂设置于支架底座的上方，且与支架底座的底部平行，第二定位滑块平行设置于水平支撑臂内部，并可在水平支撑臂内部横向滑动，绝缘底座固定在支架底座上，半封闭气室固定在绝缘底座上，并包括泡沫镍，气体通道和工作电极引线，泡沫镍平铺于半封闭气室内部，气体通道设置于泡沫镍的下方，工作电极引线焊接在半封闭气室的侧面，上压头包括弹簧、集流铂网、参比电极引线、对电极引线、陶瓷外管、陶瓷内管、进气口和出气口，弹簧设置于陶瓷内管的上端，集流铂网设置于陶瓷内管的下端，陶瓷内管嵌套于陶瓷外管的内部，参比电极引线设置于陶瓷外管中，对电极引线设置于陶瓷内管中，陶瓷内管连接进气口用于通入气体，陶瓷外管连接出气口用于排出气体。

限位螺丝的数量为4个，绝缘底座为陶瓷管。

竖直支撑臂和水平支撑臂用于为测试夹具提供力学支撑，第一定位滑块用于配合限位螺丝以调整水平支撑臂的高度，第二定位滑块配合限位螺丝完成上压头的对中及固定。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的测试夹具具有以下的有益效果：

1.本发明测试夹具将电极的密封转变为半封闭气室的密封，增大了可操作面积，提高了密封的可靠性；

2.本发明测试夹具使用绝缘陶瓷管分离对电极和参比电极引线，避免了电极引线的短路；

3.本发明测试夹具为阴极和阳极提供各自独立的供气管道和排气管道，因此可以实现不同氧分压及不同燃料配比时的电池性能研究，并且还可以对阳极的尾气进行收集。

4.本发明测试夹具可用于二电极和三电极测试体系，并且满足了电解质支撑SOFC和多孔电极支撑SOFC测试的要求，具有较好的通用性。

本发明的另一目的在于提供一种SOFC纽扣式电池测试夹具的装配方法，其能够简化电池测试时的装配操作并且提高装配的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种根据权利要求1SOFC纽扣电池测试夹具的装配方法，包括以下步骤：

（1）将绝缘底座固定在夹具支架底座上，再根据上压头的长度调节夹具竖直支撑臂上的第一定位滑块，并利用限位螺丝进行固定，

（2）将半封闭气室固定在绝缘底座上，在半封闭气室的内部平铺一层泡沫镍，其上放置待测试电池，

（3）将上压头置于夹具水平支撑臂上，配合第二定位滑块进行对中，同时利用上压头顶部的弹簧，以保证上压头的集流铂网与电池的对电极接触良好，然后用限位螺丝对第二定位滑块进行固定，

（4）在参比电极引线结点处，用银线连接参比电极与参比电极引线，参比电极引线与对电极引线和工作电极引线共同组成三电极测试体系，

（5）使用高温密封胶对半封闭气室进行密封。

本发明的装配方法还包括在步骤（2）之后，在半封闭气室的气体通道的出气口端使用少量泡沫镍进行填充的步骤。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的装配方法具有以下的有益效果：

1.通过半封闭气室的设计，在保证阳极燃料气氛的同时，为阳极提供集流作用，同时还对电池起到限位作用。

2.半封闭气室可以使电极密封转变为气室密封，这样可以增大可操作面积，降低操作难度。

3.利用测试夹具水平支撑臂的定位滑块和限位螺丝，配合上压头的弹簧机构，可以使纽扣电池得到有效的固定，保证了装配的有效性。

附图说明

图1是现有技术SOFC的工作原理示意图。

图2（a）和（b）分别是电解质支撑SOFC二电极与三电极的示意图。

图3是本发明SOFC纽扣式电池测试夹具的整体结构示意图。

图4是本发明半封闭气室的俯视图。

图5是本发明半封闭气室的正视图。

其中：1-夹具支架，2-绝缘底座，3-半封闭气室，4-上压头，5-参比电极引线结点，6-密封胶，7-SOFC纽扣电池，11-支架底座，12-竖直支撑臂，13-水平支撑臂，14-第一定位滑块，15-第二定位滑块，16-限位螺丝，31-泡沫镍，32-气体通道，33-工作电极引线，41-弹簧，42-集流铂网，43-参比电极引线，44-对电极引线，45-陶瓷外管，46-陶瓷内管，47-进气口，48-出气口。

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。

如图3所示，本发明的SOFC纽扣式电池测试夹具包括夹具支架1、绝缘底座2、半封闭气室3和上压头4。

夹具支架1包括支架底座11、竖直支撑臂12、水平支撑臂13、第一定位滑块14、第二定位滑块15以及多个限位螺丝16，竖直支撑臂12垂直固定于支架底座11上，第一定位滑块14平行设置于竖直支撑臂12内部，并可在竖直支撑臂12内部纵向滑动，水平支撑臂13设置于支架底座11的上方，且与支架底座11的底部平行，第二定位滑块15平行设置于水平支撑臂13内部，并可在水平支撑臂13内部横向滑动。竖直支撑臂12和水平支撑臂13为测试夹具提供力学支撑，第一定位滑块14配合限位螺丝16以调整水平支撑臂13的高度，第二定位滑块15配合限位螺丝16以完成上压头4的对中及固定。在本实施方式中，限位螺丝16的数量为4个。

绝缘底座2固定在支架底座11上。在本实施方式中，绝缘底座2为陶瓷管。

半封闭气室3固定在绝缘底座2上，如图4和5所示，半封闭气室3包括泡沫镍31，气体通道32和工作电极引线33。其中泡沫镍31平铺于半封闭气室3内部，气体通道32设置于泡沫镍31的下方，工作电极引线33焊接在半封闭气室3的侧面。

上压头4包括弹簧41、集流铂网42、参比电极引线43、对电极引线44、陶瓷外管45、陶瓷内管46、进气口47和出气口48，弹簧41设置于陶瓷内管46的上端，集流铂网42设置于陶瓷内管46的下端，陶瓷内管46嵌套于陶瓷外管45的内部，参比电极引线43设置于陶瓷外管45中，对电极引线44设置于陶瓷内管46中，陶瓷内管46连接进气口47用于通入气体，陶瓷外管45连接出气口48用于排出气体。

本发明SOFC纽扣电池测试夹具的装配方法包括以下步骤：

1.先将绝缘底座2固定在夹具支架底座11上，再根据上压头4的长度调节夹具竖直支撑臂12上的第一定位滑块14，利用限位螺丝16进行固定；

2.将半封闭气室3固定在绝缘底座2上，在半封闭气室3的内部平铺一层泡沫镍31，其上放置待测试电池7，在本步骤中，泡沫镍31用于收集电流以及分散气流，优选地，为了保障整个腔体气流均匀，可以在半封闭气室3的气体通道32的出气口端使用少量泡沫镍进行填充；

3.将上压头4置于夹具水平支撑臂13上，配合第二定位滑块15进行对中，同时利用上压头4顶部的弹簧41，以保证上压头4的集流铂网42与电池7的对电极接触良好，然后用限位螺丝16对第二定位滑块15进行固定；

4.在参比电极引线结点5处，用银线连接参比电极与参比电极引线43，参比电极引线43与对电极引线44和工作电极引线33共同组成三电极测试体系；

5.使用高温密封胶6对半封闭气室3进行密封，至此，电池的装配工作完毕。

本发明所指测试夹具，仅包括集流、密封及有关电池装配部分的设计，对于气体的控制以及温度的控制可以根据实际需要进行选择，不影响本发明测试夹具的正常使用。当本发明测试夹具应用于二电极测试体系时，只需将参比电极引线结点5处断路，即省略装配步骤4。半封闭气室3的材料也可根据具体的试验需求加以选择。因此，本电池测试夹具在SOFC纽扣式电池测试中具有通用性。

本领域的技术人员容易理解，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

1.一种SOFC纽扣式电池测试夹具，包括夹具支架、绝缘底座、半封闭气室和上压头，其特征在于：

所述夹具支架包括支架底座、竖直支撑臂、水平支撑臂、第一定位滑块、第二定位滑块以及多个限位螺丝；

所述竖直支撑臂垂直固定于所述支架底座上；

所述第一定位滑块平行设置于所述竖直支撑臂内部，并可在所述竖直支撑臂内部纵向滑动；

所述水平支撑臂设置于所述支架底座的上方，且与所述支架底座的底部平行；

所述第二定位滑块平行设置于所述水平支撑臂内部，并可在所述水平支撑臂内部横向滑动；

所述绝缘底座固定在所述支架底座上；

所述半封闭气室固定在所述绝缘底座上，并包括泡沫镍，气体通道和工作电极引线；

所述泡沫镍平铺于所述半封闭气室内部；

所述气体通道设置于所述泡沫镍的下方；

所述工作电极引线焊接在所述半封闭气室的侧面；

所述上压头包括弹簧、集流铂网、参比电极引线、对电极引线、陶瓷外管、陶瓷内管、进气口和出气口；

所述弹簧设置于所述陶瓷内管的上端，所述集流铂网设置于所述陶瓷内管的下端；

所述陶瓷内管嵌套于所述陶瓷外管的内部；

所述参比电极引线设置于所述陶瓷外管中；

所述对电极引线设置于所述陶瓷内管中；

所述陶瓷内管连接所述进气口用于通入气体；

所述陶瓷外管连接所述出气口用于排出气体。

2.根据权利要求1所述的SOFC纽扣式电池测试夹具，其特征在于，

所述限位螺丝的数量为4个；

所述绝缘底座为陶瓷管。

3.根据权利要求1所述的SOFC纽扣式电池测试夹具，其特征在于，

所述竖直支撑臂和所述水平支撑臂用于为测试夹具提供力学支撑；

所述第一定位滑块用于配合所述限位螺丝以调整所述水平支撑臂的高度；

所述第二定位滑块配合所述限位螺丝完成所述上压头的对中及固定。

4.一种根据权利要求1所述SOFC纽扣电池测试夹具的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将绝缘底座固定在夹具支架底座上，再根据上压头的长度调节夹具竖直支撑臂上的第一定位滑块，并利用限位螺丝进行固定；

（2）将半封闭气室固定在绝缘底座上，在半封闭气室的内部平铺一层泡沫镍，其上放置待测试电池；

（3）将上压头置于夹具水平支撑臂上，配合第二定位滑块进行对中，同时利用上压头顶部的弹簧，以保证上压头的集流铂网与电池的对电极接触良好，然后用限位螺丝对第二定位滑块进行固定；

（4）在参比电极引线结点处，用银线连接参比电极与参比电极引线，参比电极引线与对电极引线和工作电极引线共同组成三电极测试体系；

（5）使用高温密封胶对半封闭气室进行密封。

5.根据权利要求3所述的装配方法，其特征在于，还包括在所述步骤（2）之后，在半封闭气室的气体通道的出气口端使用少量泡沫镍进行填充的步骤。