CN115508715B - 平板式固体氧化物电池分区测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平板式固体氧化物电池分区测试装置及其测试方法，底板安装在基座上，底板上开设有多个导流通道；底板夹口连接镍钉；底板上依次为镍网集流体、待测试电池、阴极集流体、第三层绝缘毛毡、第二层绝缘毛毡、第一层绝缘毛毡、上压板；待测试电池的电池电解质边缘与底板之间通过密封胶密封；“回”字型的云母片铺设于密封胶的四周；阴极集流体、待测试电池的阴极位于第三层绝缘毛毡的开口内；热电偶探头放置于第二层绝缘毛毡、第三层绝缘毛毡之间；第二层绝缘毛毡、第一层绝缘毛毡、上压板上分别开有对应的气孔。本发明结构简单，便于拆卸，大大提高了电池的测试效率。

Description

平板式固体氧化物电池分区测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于固体氧化物电池测试领域，具体涉及一种平板式固体氧化物电池分区测试装置及其测试方法。

背景技术

固体氧化物电池(SOC)是一种绿色清洁的能量转化装置，燃料中的化学能不经过卡诺循环直接转化为电能，大大提高了燃料的利用率，固体氧化物电池一般有管式和平板式，由于制备工艺简单、成本低等优点，平板式SOC更为成熟。

随着平板式SOFC技术的发展，其尺寸放大至商业化的10cm×10cm，甚至更大的15cm×15cm，大电池的性能、可靠性与耐久性受堆内过程与物理场均匀性的影响，当前相关研究仍多依赖模拟，研究表明电流密度的不均匀分布及运行期间较大的温度差是导致SOFC机械性能损伤及性能下降的主要原因，因此大尺寸的电池单元其局部特性演化的研究就显得极为重要。

目前对电池内部的能量转化传递过程的时空不均匀性的探索尚处于理论与模拟层面，传热-传质-电学过程的本征局部特征及其演变规律仍是本领域未能深入探索的核心问题，受限于多孔介质内物质与电流测量技术，及高温、气密的苛刻运行条件，高空间分辨率多场原位测量手段仍然极为有限。

采用分区的电化学阻抗谱测试方法可实现电学局部性能的原位测量，使实验解析电化学基础过程在热质输运作用下的时空不均匀性成为可能，从而理解电池内部运行机理、指导理论模拟、改善电池结构以提高电池的耐久性。

目前文献中的技术列举如下：

(1)Local Characterisation of Solid Oxide Fuel Cells

德国宇航中心所开发的SOFC SRU分区测试装置将电池活性层与连接体分区连接形成数个电化学独立的区域，实现了各区极化的独立控制，从而由大量局部极化特性与退化特性，实验表征电学与多场的空间不均匀性及其演化。

(2)Journal of The Electrochemical Society,164(13)F1460-F1470(2017)

EPFL对200cm2平板式电池进行了19分区的单电池测试，通过对阴极端板的定制，预设不同分区的电流、电压测试线通道，对各个分区电学、热学参数进行了采集。并通过加装主动负载，对测量时线阻引起的误差进行了抵消。

(3)Journal of Power Sources 536(2022)231477

哈工大将电池阴极沿气流方向分为四个区域，研究不同燃料浓度及不同负载下，电池的空间表征，包括局部和全局极化曲线、局部EIS和温度分布。以了解燃料浓度及电负载对阳极支撑的SOFC局部电化学和温度行为的影响。

其研究均对平板式固体氧化物燃料电池进行了分区原位测试，但均只是对固定分区的电池进行测试，没有对自由分区的电池测试方式进行讨论。

2021年8月17日公布的实用新型专利CN 213988951 U公布了一种平板式固体氧化物燃料电池的测试装置，装置简单，易拆卸可测试不同形状的平板式固体氧化物燃料电池，并可测量电池整体的电流点压及功率，但其无法对电池进行分区测试。

2013年5月1日公布的发明专利TW 201317598A1公布的一种多功能固体氧化物燃料电池检测装置，阴阳极采用多个分块集流体，每个集流体配置对应电流电压探针，可监控局部电流电压变化，流体通道与集流体结合，用于分配气流，采用相同长度的电流电压传感器，电流电压测试线有固定的通道，以不受外部载重的影响。但其只能测量确定分区的电池，不能改变分区方式，布线复杂，易出故障。

2011年10月19日公布的发明专利CN 102221674 A涉及一种平板式SOFC单电池局部性能测试装置，阴极采用多个分块集流体，实现电池的分块测试，各分块集流单元设有单独的流体通道，使用螺丝压紧集流体并测量电流电压及温度，但其分区已经确定，无法对不同分区的平板式固体氧化物电池进行测试。

发明内容

综合考虑以上的技术与问题，本发明提出一种可以测量不同分区的平板式固体氧化物电池分区测试装置及其测试方法，能够测量不同分区的平板式固体氧化物电池分区测试装置，更加灵活的测量电池的局部及整体性能参数。

为达上述目的，本发明提供一种平板式固体氧化物电池分区测试装置，包括工作平面，工作平面上设有基座和多个引线管；

底板安装在基座上，底板上开设有多个导流通道，并连接燃料导管；

底板夹口连接镍钉，镍钉穿过工作平面上的引线管接入信息收集平台；

镍网集流体大小与待测试电池大小相同或略小于电池，镍网集流体铺设在底板之上，待测试电池铺设在镍网集流体上，待测试电池阳极朝下与镍网集流体接触，待测试电池的电池电解质边缘与底板之间通过密封胶密封；

“回”字型的云母片铺设于密封胶的四周，并与密封胶之间留有空隙；

云母片外侧与底板外围对齐，云母片的厚度与镍网集流体、待测试电池的阳极和电解质叠加的高度相等；

与阴极分区相对应的阴极集流体铺设在待测试电池的阴极上，所述的阴极集流体包括网面、电流电压引线，电流电压引线通过引线管接入信息收集平台；

云母片上依次铺设第三层绝缘毛毡，第三层绝缘毛毡上开出与阴极分区相对应的开口，阴极集流体、待测试电池的阴极位于第三层绝缘毛毡的开口内，第三层绝缘毛毡的高度与待测试电池的阴极和阴极集流体的叠加高度相等；

第三层绝缘毛毡上再依次铺设第二层绝缘毛毡、第一层绝缘毛毡、上压板；

热电偶探头放置于第二层绝缘毛毡、第三层绝缘毛毡之间，并位于对应分区中心处；上压板对应分区中心处上设有中心热电偶导孔，用于热电偶穿过，热电偶的引线通过引线管接入信息收集平台。

第二层绝缘毛毡、第一层绝缘毛毡、上压板上分别开有对应的气孔，作为气体通道，上压板上的气孔连接空气导管；

紧固螺栓依次穿过上压板、第一层绝缘毛毡、第二层绝缘毛毡、第三层绝缘毛毡、云母片、底板、基座、工作平面，并且与压紧弹簧及紧固螺母配合，压紧各层。

空气导管与燃料导管分别设有三条气道可实现空气侧、燃料侧中心通气，空气侧、燃料测顺流通气，空气侧、燃料侧逆流通气，空气侧、燃料侧中心与顺流通气等多种通气方式。

平板式固体氧化物电池分区测试方法，包括以下步骤：

将待测试电池安装到所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置内；

将平板式固体氧化物电池分区测试装置放入加热炉内，升温达到待测试电池的工作温度，并分别通过通入空气导管与燃料导管导入空气与燃料；

热电偶引线通过引线管将收集的温度信息传递到信息收集平台。

阳极电压电流信息由镍网集流体经过底板、镍钉传递至信息收集平台。

阴极电流电压信息由传递线传递至信息收集平台。

本发明具有如下有益的技术效果。

(1)本发明结构简单，便于拆卸，大大提高了电池的测试效率。

(2)本发明不仅可对固体氧化物电池在SOFC模式下进行测试，也可对其在SOEC模式下进行测试。

(3)本发明不仅可以对电池的整体性能参数进行检测，而且可以对电池的局部电化学性能进行分区测试，对于不同分区的电池，通过选取与电池分区数相对应的阴极集流体、第一层绝缘毛毡，可实现对电池进行4×1分区、2×2分区、2×3分区、3×3分区、乃至4×4分区的参数测量。更加灵活的测量平板式固体氧化物电池的局部性能参数，极大地增加了装置的测试范围。

(4)本发明提供了多种气流方式，上压板3与底板均设有3个气体通道，可实现空气侧、燃料侧中心通气，空气侧、燃料测顺流通气，空气侧、燃料侧逆流通气，空气侧、燃料侧中心与顺流通气等至少5种通气方式。

(5)本发明实现了平板式大面积SOFC电池在高温运行条件下，对多个局部区域进行电信号、热信号的实时测量。

(6)本发明在底板上设有气体导流通道，燃料气体经导流通道导流后接触电池阳极，提高了燃料气体的燃料利用率和单电池的测试功率。

(7)本发明在底板与上压板之间设置了云母片与多层绝缘毛毡，保证了电池阴阳极集流体之间的绝缘性良好。

(8)本发明在测试时使用密封胶将电池电解质与底板之间完全密封，保证了燃料气体的气密性良好，同时在密封时，密封胶与云母片之间留有一定空隙，为密封胶的受热膨胀预留了空间。

附图说明

图1为实施例2×2分区测试的装置示意图。

图2为实施例装载完成的2×2分区测试装置的局部剖面图。

图3为实施例4×1分区及3×3分区的电池配套阴极集流体示意图。

图4为实施例底板示意图。

图5为实施例第三层绝缘毛毡23示意图。

图6为实施例阴极集流体示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

以下结合图1-6对本发明的实施方式作进一步详细阐述。

如图1、图2所示，一种平板式固体氧化物电池分区测试装置，包括工作平面17，工作平面17上设有基座12和多个引线管15；

底板13安装在基座12上，底板13上开设有多个导流通道，以便燃料气体的均匀扩散，并连接燃料导管14；底板13结构如图4所示。

底板13夹口连接镍钉11，镍钉11穿过工作平面17上的引线管15接入信息收集平台；

镍网集流体7大小与待测试电池9大小相同或略小于电池，镍网集流体7铺设在底板13之上，待测试电池9铺设在镍网集流体7上，待测试电池9阳极朝下与镍网集流体7接触，待测试电池9的电池电解质边缘与底板13之间通过密封胶24密封；

“回”字型的云母片10铺设于密封胶24的四周，并与密封胶24之间留有空隙；

云母片10外侧与底板13外围对齐，云母片10的厚度与镍网集流体7、待测试电池9的阳极和电解质叠加的高度相等；

阴极集流体8铺设在待测试电池9的阴极上，如图6所示，所述的阴极集流体8包括网面20、电流电压引线25，电流电压引线25通过引线管15接入信息收集平台；

云母片10上依次铺设第三层绝缘毛毡23，如图5所示，第三层绝缘毛毡23上开出与阴极分区相对应的开口，阴极集流体8、待测试电池9的阴极位于第三层绝缘毛毡23的开口内，第三层绝缘毛毡23的高度与待测试电池9的阴极和阴极集流体8的叠加高度相等；

阴极集流体8发分布与待测试电池9阴极分区相对应，图1为2×2分区测试示意图，图3a为4×1分区、图3b为3×3分区的电池配套阴极集流体8分布示意图。进行不同分区测试时，仅需使用配套阴极集流体8及第三层绝缘毛毡23，无需改变夹具结构。

第三层绝缘毛毡23上再依次铺设第二层绝缘毛毡22、第一层绝缘毛毡21、上压板3；

热电偶6探头放置于第二层绝缘毛毡22、第三层绝缘毛毡23之间，并位于对应分区中心处；上压板3对应分区中心处上设有中心热电偶导孔2，用于热电偶6穿过，热电偶6的引线通过引线管15接入信息收集平台。

第二层绝缘毛毡22、第一层绝缘毛毡21、上压板3上分别开有对应的气孔，作为气体通道，用于气体的导入，上压板3上的气孔连接空气导管1；

紧固螺栓4依次穿过上压板3、第一层绝缘毛毡21、第二层绝缘毛毡22、第三层绝缘毛毡23、云母片10、底板13、基座12、工作平面17，并且与压紧弹簧16及紧固螺母18配合，压紧各层。

空气导管1与燃料导管14分别设有三条气道可实现空气侧、燃料侧中心通气，空气侧、燃料测顺流通气，空气侧、燃料侧逆流通气，空气侧、燃料侧中心与顺流通气等多种通气方式。

上压板3、第一层绝缘毛毡21、第二层绝缘毛毡22、第三层绝缘毛毡23、云母片10外侧均与底板13外围对齐，并且四角分别开出与紧固螺栓4对应的空洞，以提供螺栓4贯通通道。

镍网集流体7与底板13及电池阳极紧密接触，阳极电压电流信息由镍网集流体7传递至底板13，由镍钉11传递至信息收集平台。

与电池分区相同的阴极集流体8覆盖在电池阴极19之上，阴极集流体8之上的阴极电流电压传递线25通过引线管15接入信息收集平台。

当以SOFC模式下进行电池测试时，燃料侧导管通入燃料，当以SOEC模式下进行电池测试时，燃料侧导管通入水蒸气。

本发明平板式固体氧化物电池分区测试方法如下，以阳极支撑的2×2分区的SOFC单电池为例，包括以下步骤：

将待测试电池9安装到所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置内；

将平板式固体氧化物电池分区测试装置放入加热炉内，升温达到待测试电池9的工作温度，并分别通过通入空气导管1与燃料导管14导入空气与燃料；

热电偶6引线通过引线管15将收集的温度信息传递到信息收集平台。

阳极电压电流信息由镍网集流体7经过底板13、镍钉11传递至信息收集平台。

阴极电流电压信息由传递线25传递至信息收集平台。

Claims (7)

1.平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，包括工作平面（17），工作平面（17）上设有基座（12）和多个引线管（15）；

底板（13）安装在基座（12）上，底板（13）上开设有多个导流通道，并连接燃料导管（14）；

底板（13）夹口连接镍钉（11），镍钉（11）穿过工作平面（17）上的引线管（15）接入信息收集平台；

镍网集流体（7）铺设在底板（13）之上，待测试电池（9）铺设在镍网集流体（7）上，待测试电池（9）阳极朝下与镍网集流体（7）接触，待测试电池（9）的电池电解质边缘与底板（13）之间通过密封胶（24）密封；

“回”字型的云母片（10）铺设于密封胶（24）的四周，并与密封胶（24）之间留有空隙；

阴极集流体（8）铺设在待测试电池（9）的阴极上，所述的阴极集流体（8）包括网面（20）、电流电压引线（25），电流电压引线（25）通过引线管（15）接入信息收集平台；

云母片（10）上铺设第三层绝缘毛毡（23），第三层绝缘毛毡（23）上开出与阴极分区相对应的开口，阴极集流体（8）、待测试电池（9）的阴极位于第三层绝缘毛毡（23）的开口内；

第三层绝缘毛毡（23）上再依次铺设第二层绝缘毛毡（22）、第一层绝缘毛毡（21）、上压板（3）；

热电偶（6）探头放置于第二层绝缘毛毡（22）、第三层绝缘毛毡（23）之间，并位于对应分区中心处；上压板（3）对应分区中心处上设有中心热电偶导孔（2），用于热电偶（6）穿过，热电偶（6）的引线通过引线管（15）接入信息收集平台；

第二层绝缘毛毡（22）、第一层绝缘毛毡（21）、上压板（3）上分别开有对应的气孔，作为气体通道，上压板（3）上的气孔连接空气导管（1）；

紧固螺栓（4）依次穿过上压板（3）、第一层绝缘毛毡（21）、第二层绝缘毛毡（22）、第三层绝缘毛毡（23）、云母片（10）、底板（13）、基座（12）、工作平面（17），并且与压紧弹簧（16）及紧固螺母（18）配合，压紧各层。

2.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，所述的阴极集流体（8）的分布与待测试电池（9）的阴极分区相对应。

3.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，所述的空气导管（1）与燃料导管（14）分别设有三条。

4.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，所述的云母片（10）的厚度与镍网集流体（7）、待测试电池（9）的阳极和电解质叠加的高度相等。

5.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，所述的第三层绝缘毛毡（23）的高度与待测试电池（9）的阴极和阴极集流体（8）的叠加高度相等。

6.根据权利要求1所述平板式固体氧化物电池分区测试装置，其特征在于，不仅能对固体氧化物电池在SOFC模式下进行测试，也能对其在SOEC模式下进行测试。

7.平板式固体氧化物电池分区测试方法，其特征在于，采用权利要求1到5任一项所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置；包括以下步骤：

将待测试电池（9）安装到所述的平板式固体氧化物电池分区测试装置内；

将平板式固体氧化物电池分区测试装置放入加热炉内，升温达到待测试电池（9）的工作温度，并分别通过通入空气导管（1）与燃料导管（14）导入空气与燃料；

热电偶（6）引线通过引线管（15）将收集的温度信息传递到信息收集平台；

阳极电压电流信息由镍网集流体（7）经过底板（13）、镍钉（11）传递至信息收集平台；

阴极电流电压信息由电流电压引线（25）传递至信息收集平台。

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