CN117233502B - 固体氧化物电池分区连接体测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体氧化物电池分区连接体测试装置及其测试方法，工作平面上设有基座和多个引线管；底板安装在基座上，底板连接燃料导管；底板夹口连接镍钉，镍钉穿过引线管接入信息收集平台；镍网集流体镍网集流体铺设在底板之上，圆形电池铺设在镍网集流体上，电池的电解质边缘与底板之间通过密封胶密封；环型的云母片铺设于上述密封胶的四周，并与密封胶之间留有空隙；阴极集流体铺设在各阴极分区上，阴极集流体引线通过工作平面与信息收集平台相连；扇形分区连接体铺设在阴极集流体之上，绝缘毛毡铺设于分区连接体上；连接体测试板、上压板中心开有气孔。本发明结构简单，便于拆卸，可以根据测试需求同时测试多个连接体。
Description
技术领域
本发明属于固体氧化物电池测试领域，具体涉及一种固体氧化物电池分区连接体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，能够以燃料电池和电解池两种模式运行，实现可再生电能的高效转化-存储-在转化。，以燃料电池模式运行时，SOC可将化石燃料中的化学能通过电极反应直接转化为电能，由于内部化学反应不受卡诺循环的限制，因此化学能-电能转化效率可达85%；由于没有燃烧及机械过程，其还具有无污染，无噪音的特点。以电解池模式运行时，SOC可将过剩的可再生电能转化为储存在燃料中的化学能，例如电解水产生氢气、共电解水和CO2产生合成气（CO-H2）等。
由于SOC单电池有限的输出功率不能满足实际应用的需要，为了获取更高的功率输出，需要通过连接体部件将单电池堆叠成电堆，以满足实际应用的需求。因此，连接体是SOFC电堆中的关键部件之一。
连接体在电堆中分别连接电池的阴极和阳极，为电子传输提供通道，同时也为相邻电极传送氧气和燃料气体且隔开氧气和燃料气体。为了保证电堆平稳而高效的运作，连接体必须具备一定的化学物理性能及电性能，如高温抗氧化性，热力学稳定性、一定的机械强度和高导电率。
随着SOFC研究的发展，其工作温度降至600-800℃，这使金属应用于连接体材料成为了可能。金属材料与传统的陶瓷材料相比具有更好的导电能力，导热能力，更高的机械加工性能及更低廉的成本。在各种合金材料中，含Cr的铁素体不锈钢和一些特殊成分的Ni-Cr合金因具备抗氧化性、与电解质匹配的热膨胀系数、导电性良好等优势成为了当下的重点研究对象。为确保连接体合金的抗氧化能力，Cr的添加必不可少，但是同时也使连接体产生了致命缺陷：挥发的Cr会导致阴极毒化现象，Cr基合金连接体中含Cr气态物质会挥发并且沉积在阴极表面，造成阴极性能的快速衰减，解决Cr毒化阴极问题是实现SOFC商业化亟需攻克的技术难关之一。
连接体测试为研究新型连接体材料、涂层在实际运行时稳定性的重要手段，目前市面上并无制式连接体测试夹具，各研究机构通常自行设计实验方案对连接体进行测试，连接体测试的时长通常为600-700h，有的甚至可达1000h。
根据目前调研的文献，大部分连接体测试都采用直接在高温炉中高温加热或采用半电池与连接体接触通电后在高温炉中加热的测试方法，缺少在真实的电堆运行环境测试连接体性能的制式装置。
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同时测试多个连接体的固体氧化物电池连接体测试装置及其测量方法。
本发明可以同时测试多个连接体涂层样品，在相同的服役工况下，提供一个真实的电堆运行环境来测试连接体的高温退化情况，对比得出更加优秀的连接体材料或连接体涂层。
为达上述目的，本发明提供一种固体氧化物电池连接体测试装置，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，底板上开设有两个燃料通道，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；
镍网集流体大小与圆形固体氧化物燃料电池燃料电极大小相近，镍网集流体铺设在底板之上，圆形电池铺设在镍网集流体上，电池的电解质边缘与底板之间通过密封胶密封；
环型的云母片铺设于上述密封胶的四周，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、固体氧化物燃料电池的阳极和电解质叠加的高度相等；
圆形电池的阴极分区成多个大小相同的扇形，每个扇形间互不接触，与阴极分区相对应的阴极集流体铺设在各阴极分区上，阴极集流体引线通过工作平面与信息收集平台相连。与分区阴极大小相同的扇形分区连接体铺设在阴极集流体之上，并通过连接体测试板对分区连接体进行位置固定；
与分区连接体大小相同的绝缘毛毡铺设于分区连接体上，对分区连接体和上压板进行电绝缘；
连接体测试板、上压板中心开有气孔，作为空气侧气体进气通道，上压板中心上的气孔连接空气导管，空气通过空气导管、气孔均匀的分配至各分区连接体，以实现四个分区连接体测试条件一致；
紧固螺栓依次穿过上压板、连接体测试板、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；
燃料气体由燃料气体导管供给，扩散至电池表面，并经两侧燃料气体收集管流出。
固体氧化物电池连接体测试方法，包括以下步骤：
S1.将镍网集流体铺设在夹具底板之上，并将阴极分区电池安装到铺设于镍网集流体之上；
S2．使用密封胶将电池电解质与夹具底板间进行密封，并将云母片铺设在电池四周；
S3.将阴极集流体铺设于电池各分区，并将分区连接体安装在阴极集流体之上；
S4.在阴极集流体上铺设绝缘毛毡，并在其上安装连接体测试板；
S5.安装上压板，并通过紧固螺栓、压紧弹簧压紧测试装置；
S6.将固体氧化物燃料电池连接体测试装置放入加热炉内，升温达到电池的工作温度，并分别通过空气导管与燃料导管导入空气与燃料。
S7.电流电压信息通过镍钉、阴极集流体引线传递至信息收集平台。
本发明具有如下有益的技术效果；
本发明结构简单，便于拆卸，大大提高了连接体的测试效率。
本发明可以根据测试需求同时测试多个连接体，可提供真实的电堆运行环境，并保证各连接体具有相同的服役工况，横向对比不同涂层的连接体或不同材质连接体的抗氧化性能及抑制Cr挥发的能力。本文四分区连接体测试装置为例，如需进行不同数量的连接体测试，可通过改变连接体测试板的等分数量，对分区电池、阴极集流体重新制作，达到测试的需求。
本发明使用阴极分区电池，测试连接体放置于各独立阴极分区之上，避免了测试结果间的相互干扰。
本发明将空气供给管道设置在夹具中心，并对夹具测试位置进行扇形布置，保证各测试区间气体分配的均匀性与一致性。
本发明在连接体与连接体测试板间布置了绝缘毛毡，保证了电池与连接体测试夹板之间的电绝缘性良好。
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、绝缘垫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为实施例四分区连接体测试装置示意图；
图2为实施例四分区连接体金属框架测试板俯视图；
图3为实施例四分区连接体俯视图；
图4为实施例四分区连接体侧视图；
图5为实施例四分区连接体金属框架测试板、绝缘毛毡和连接体空间位置排布示意图；
图6为实施例四分区连接体Comsol流场图；
图7为实施例四分区连接体Comsol局部流场图；
1-空气导管；2-上压板；3-螺栓；4-连接体测试板；5-绝缘毛毡；6-分区连接体；7-阴极集流体；8-阴极集流体引线；9-阴极；10-电解质；11-阳极；12-密封胶；13-镍网集流体；14-云母片；15-底板；16-镍钉；17-基座；18-工作平台；19-引线管。
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-分区测试四个连接体，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-图5对本发明的实施方式作进一步详细阐述。
如图1所示，一种固体氧化物电池连接体测试装置，包括工作平台18，工作平台18上设有基座17和多个引线管19；
底板15安装在基座17上，底板15上开设有两个燃料通道，以便燃料气体的均匀扩散，并连接燃料导管；
底板15夹口连接镍钉16，镍钉16穿过工作平台18上的引线管19接入电流信息收集平台；
镍网集流体13大小与圆形固体氧化物燃料电池燃料电极大小相近，镍网集流体13铺设在底板15之上，圆形电池铺设在镍网集流体13上，电池的电解质10边缘与底板15之间通过密封胶12密封；
环型的云母片14铺设于上述密封胶12的四周，并与密封胶12之间留有空隙；
云母片14外侧与底板15外围对齐，云母片14的厚度与镍网集流体13、固体氧化物燃料电池的阳极11和电解质10叠加的高度相等；
圆形电池的阴极9分区成多个大小相同的扇形，每个扇形间互不接触，与阴极9分区相对应的阴极集流体7铺设在各阴极9分区上，阴极集流体引线8通过工作平面与信息收集平台相连。与分区阴极9大小相同的扇形的分区连接体6铺设在阴极集流体7之上，并通过连接体测试板4对分区连接体6进行位置固定。
与分区连接体6大小相同的绝缘毛毡5铺设于分区连接体6上，对分区连接体6和上压板2进行电绝缘；
连接体测试板4、上压板2中心开有气孔，作为空气侧气体进气通道，上压板2中心上的气孔连接空气导管1，空气通过空气导管1、气孔均匀的分配至各分区连接体6，以实现四个分区连接体6测试条件一致，用COMSOL软件模拟分区连接体6流场，证明了扇形分区连接体6流场均匀、四个分区连接体6测试条件基本一致，如图6-图7；
紧固螺栓3依次穿过上压板2、连接体测试板4、底板15、基座17、工作平台18，并且与压紧弹簧及紧固螺母配合，压紧各层；
燃料气体由燃料气体导管供给，扩散至电池表面，并经两侧燃料气体收集管流出。
固体氧化物电池连接体测试方法，包括以下步骤：
S1.将镍网集流体13铺设在夹具底板15之上，并将阴极分区电池安装到铺设于镍网集流体13之上；
S2．使用密封胶12将电池电解质10与夹具底板15间进行密封，并将云母片14铺设在电池四周；
S3.将阴极集流体7铺设于电池各分区，并将分区连接体6安装在阴极集流体7之上；
S4.在阴极集流体7上铺设绝缘毛毡5，并在其上安装连接体测试板4；
S5.安装上压板2，并通过紧固螺栓3、压紧弹簧压紧测试装置；
6S.将固体氧化物燃料电池连接体测试装置放入加热炉内，升温达到电池的工作温度，并分别通过空气导管1与燃料导管导入空气与燃料。
S7.电流电压信息通过镍钉16、阴极集流体引线8传递至信息收集平台。
Claims (1)
1.一种固体氧化物电池连接体测试方法，采用一种固体氧化物电池连接体测试装置，包括工作平台（18），工作平台（18）上设有基座（17）和多个引线管（19）；
底板（15）安装在基座（17）上，底板（15）上开设有两个燃料通道，以便燃料气体的均匀扩散，并连接燃料导管；
底板（15）夹口连接镍钉（16），镍钉（16）穿过工作平台（18）上的引线管（19）接入电流信息收集平台；
镍网集流体（13）大小与圆形固体氧化物燃料电池燃料电极大小相近，镍网集流体（13）铺设在底板（15）之上，圆形电池铺设在镍网集流体（13）上，电池的电解质（10）边缘与底板（15）之间通过密封胶（12）密封；
环型的云母片（14）铺设于上述密封胶（12）的四周，并与密封胶（12）之间留有空隙；
云母片（14）外侧与底板（15）外围对齐，云母片（14）的厚度与镍网集流体（13）、固体氧化物燃料电池的阳极（11）和电解质（10）叠加的高度相等；
圆形电池的阴极（9）分区成多个大小相同的扇形，每个扇形间互不接触，与阴极（9）分区相对应的阴极集流体（7）铺设在各阴极（9）分区上，阴极集流体引线（8）通过工作平面与信息收集平台相连；与分区阴极（9）大小相同的扇形的分区连接体（6）铺设在阴极集流体（7）之上，并通过连接体测试板（4）对分区连接体（6）进行位置固定，
与分区连接体（6）大小相同的绝缘毛毡（5）铺设于分区连接体（6）上，对分区连接体（6）和上压板（2）进行电绝缘；
连接体测试板（4）、上压板（2）中心开有气孔，作为空气侧气体进气通道，上压板（2）中心上的气孔连接空气导管（1），空气通过空气导管（1）、气孔均匀的分配至各分区连接体（6），以实现四个分区连接体（6）测试条件一致；
紧固螺栓（3）依次穿过上压板（2）、连接体测试板（4）、底板（15）、基座（17）、工作平台（18），并且与压紧弹簧及紧固螺母配合，压紧各层；
燃料气体由燃料气体导管供给，扩散至电池表面，并经两侧燃料气体收集管流出；
其特征在于，所述的方法，包括以下步骤：
S1.将镍网集流体（13）铺设在夹具底板（15）之上，并将阴极分区电池安装到铺设于镍网集流体（13）之上；
S2．使用密封胶（12）将电池电解质（10）与夹具底板（15）间进行密封，并将云母片（14）铺设在电池四周；
S3.将阴极集流体（7）铺设于电池各分区，并将分区连接体（6）安装在阴极集流体（7）之上；
S4.在阴极集流体（7）上铺设绝缘毛毡（5），并在其上安装连接体测试板（4）；
S5.安装上压板（2），并通过紧固螺栓（3）、压紧弹簧压紧测试装置；
S6.将固体氧化物燃料电池连接体测试装置放入加热炉内，升温达到电池的工作温度，并分别通过空气导管（1）与燃料导管导入空气与燃料；
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