CN103868962B - 一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具；包括固定部分、活动部分和底座；固定部分包括用于通气的内管、用于排气的外管、套筒以及用于收集电流的第一铂线和第一铂网；活动部分包括连接管，位于内管与外管之间，且与外管同轴设置；底座包括陶瓷管、端盖、第二铂线、第三铂线、第二铂网和第三铂网；第二铂线与第二铂网连接，第三铂线与第三铂网连接，第一铂网与待测样品的工作电极即阴极连接，第二铂网与待测样品的对电极连接，第三铂网与待测样品的参比电极连接；本发明用于固体氧化物燃料电池阴极气氛控制条件下的电极电化学测试，减少了电极样品装配过程中的复杂程度，通过组合式的结构保证装配的精度并达到与样品的膨胀系数匹配和良好的气氛调节能力。
Description
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具。
背景技术
固体氧化物燃料电池一般工作在较高的温度，包括近年来发展的中温固体氧化物燃料电池其一般设计工作在600℃以上，因此对于其关键材料的研究也需要相应的适应于其温度范围的设备。由于固体氧化物燃料电池阴极工作在具有氧气的环境中，因此一般直接使其暴露在空气当中而不做密封，但对于电极反应动力学的测试过程一般要求对电极的气氛进行调节。因此一般仿照阳极的密封方法，将片状的样品试样直接通过与管状测试夹具接触、密封来实现，也可以直接将测试的样品制备成U型来简化密封难度，增加可靠性。
测试夹具的材料常为刚玉，其热膨胀系数与测试样品的电解质差别较大，测试中容易出现应力过大导致样品开裂失效的问题，如果制备与电解质材料热膨胀系数相近的夹具，则成本难以控制且需要根据测试材料的不同频繁更换夹具；而制备U型样品的成本和技术难度较高且长度受到限制，不利于长期、大量的测试使用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具，目的在于减少电极样品装配过程中的复杂程度，通过组合式的结构保证装配的精度。
本发明提供了一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具，包括固定部分、活动部分和底座；所述固定部分包括用于通气的内管、用于排气的外管、套筒以及用于收集电流的第一铂线和第一铂网；所述内管为具有两条平行内腔的管道，在所述内管的侧面顶端与凸台之间设置有两个第一开孔，在所述内管的侧面靠近第一铂网处设置有两个第二开孔，所述第一铂线从所述第一开孔进入并通过所述内管的内腔与设置在所述内管底部的第一铂网连接；第二开孔用于将流经内管内腔的过量气体导通至内管和连接管之间的空腔中；所述套筒为旋转体结构，包括环形凸台、内部具有三级台阶孔和通气孔的圆柱体；所述三级台阶孔包括孔径依次减小的一级通孔、二级通孔和三级通孔；所述通气孔设置在二级通孔的孔壁，用于连通二级通孔与外界环境；所述三级通孔的孔径与所述内管的外径相当，所述三级通孔用于固定内管；所述一级通孔的孔径与所述外管的外径相当，所述一级通孔用于固定所述外管；所述外管与所述内管同轴设置；所述活动部分包括连接管，用于连接待测样品，位于内管与外管之间，且与所述外管同轴设置；所述待测样品为片状，在上表面中心设置有工作电极，即阴极，在下表面中心设置有对电极，在下表面外缘设置有参比电极；所述底座包括陶瓷管、固定在所述陶瓷管上的端盖、用于收集电流的第二铂线、第三铂线、第二铂网和第三铂网；第二铂线与第二铂网连接，第三铂线与第三铂网连接，第一铂网与所述待测样品的工作电极连接，第二铂网设置在端盖上并与所述待测样品的对电极连接，第三铂网设置在端盖上并与所述待测样品的参比电极连接；第二铂线具有两条引线，一条引线用于收集对电极表面电压信号，另一条引线用于收集对电极表面电流信号；第三铂线用于收集参比电极表面电压信号。
其中，所述内管的外径Φ1与所述待测样品的工作电极的直径相等。
其中，所述连接管的外径Φ12大于所述外管的内径的0.8倍。
其中，所述连接管的长度L12大于其与外管之间的缝隙宽度的20倍。
其中，所述连接管的材料的电解质热膨胀系数与所述待测样品的电解质热膨胀系数相似。
本发明可以减少电极样品装配过程中的复杂程度，通过组合式的结构保证装配的精度；且通过简单形状的样品得到热膨胀系数匹配和密封效果达到要求的结果。
附图说明
图1为电极测试夹具的固定部分；
图2为电极测试夹具的活动部分及其与固定部分的装配示意图；
图3(a)为氧分压为10kPa时不同温度下测试电极与对电极的电压差；
图3(b)为800℃在不同的氧分压情况下测试电极与对电极的电压差。
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。
在固体氧化物燃料电池中，由于阴极气氛与阳极气氛并不相同，不存在危险的易燃物品，因此阴极材料测试的夹具并不需要与阳极材料的相同。本着简化夹具的安装过程并保证测试精度的条件下，可以使用一种半密封式的嵌套夹具。本发明提供了一种电极测试夹具，用于固体氧化物燃料电池阴极气氛控制条件下的电极电化学测试。
本发明提供的半密封式的电池阴极样品测试夹具可以减少电极样品装配过程中的复杂程度，通过组合式的结构保证装配的精度；且通过简单形状的样品得到热膨胀系数匹配和密封效果达到要求的结果。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具包括固定部分、活动部分和底座；3个部分的中心线重合并与地面垂直，自上而下为固定部分、活动部分、底座。
固定部分包括用于通气的内管1、用于排气的外管3、套筒2以及用于收集电流的第一铂线4和第一铂网7。
套筒2可以选择便于机械加工的金属材料制备，自盘状上表面至凸台下缘，加工出孔径Φ221＜Φ222＜Φ223的上、中、下三段式通孔221、222、223。
套筒2为旋转体结构，包括环形凸台21以及内部具有三级台阶孔22和通气孔23的圆柱体；三级台阶孔22包括孔径依次减小的一级通孔221、二级通孔222和三级通孔223；通气孔23设置在二级通孔222的孔壁，用于连通二级通孔222与外界环境；三级通孔223的孔径与内管1的外径相当，三级通孔223用于固定内管1；一级通孔221用于固定外管3。
其中Φ221略大于内管1外径Φ1，Φ223略大于外管3外径Φ3，便于两管套入。中部孔径Φ222的大小介于Φ1与Φ3之间，且中部存在通向套筒2外界环境的排气孔，便于夹具内部气流的排出。内管1和外管3通过套入套筒2保证中心线的重合，两管与套筒2的接触部分可以使用橡胶圈达到密封的效果。
内管1为具有两条平行内腔的耐高温陶瓷管材管道，其外径Φ1与工作电极即阴极的直径相同，在所述内管1的侧面顶端与凸台21之间设置有两个第一开孔100，在所述内管1的侧面靠近第一铂网7处(约1cm)的地方设置有两个第二开孔200。所述第一铂线4从所述第一开孔100进入并通过内管1的内腔，之后第一开孔100用密封硅胶密封，防止可能的气体外泄。通过内管1内腔的第一铂线4与设置在内管1底部的第一铂网7连接，测试时起到收集工作电极电流的作用。
测试所需的气体从内管1的顶端经两个内腔流入至底端后一部分流经底端第一铂网7达到工作电极表面，一部分通过底端附近的第二开孔200流通至内管1和连接管12之间的空腔中。这样的设计一方面保证了在测试条件下工作电极表面的气体能够随时更新，另一方面，通过第二开孔200流入内管1和连接管12之间空腔中的气体能够保护工作电极周围环境气氛的稳定，排除外界气体造成的干扰。
外管3为耐高温空心陶瓷管，作为气体排出夹具的通道，流经待测样品11的气体一部分通过外管3向上流经套筒2并经过通气孔23流出到外界环境，另一部分通过外管3与连接管12之间的间隙扩散到外界环境中。工作时，外管3的底端应与样品11的上表面有一定的距离(如5mm)。
活动部分由连接管12组成，其内径大于内管1外径Φ1，外径Φ12与外管3的内径满足这样的设计是为了减小外管3内腔的气体与外界环境气体的接触面积，防止外界环境气体对夹具内部气体成分的污染。工作时使用高温密封胶10将连接管12与样品11封接在一起后套入固定部分使用。封接时需要保证样品的待测阴极中心位于连接管12中心线上。
待测样品11为圆片状，在上表面中心设置有工作电极，在下表面中心设置有对电极，在下表面外缘设置有参比电极。连接管12的材料应该与样品11的电解质热膨胀系数接近(如差别小于10％)，比如样品11选择氧化锆时连接管12也使用氧化锆，11是用氧化铈时连接管12可以使用氧化铝。
连接管12的长度L12需要比其与外管3之间的缝隙宽度长20倍以上，且连接管12的外径Φ12大于外管3的内径的0.8倍。这样的设计一是将工作电极与缝隙顶端之间的距离延长，二是将缝隙顶端与低端的距离延长，三是减少缝隙宽度。这种结构能够增加外界气体通过缝隙扩散进入外管3内部的难度，加上工作电极周围气体的随时更新，达到了维护工作电极在测试条件下气氛稳定的目的。
底座由陶瓷管13及固定在其上的端盖、第二铂线5、第三铂线6、第二铂网8和第三铂网9组成。
陶瓷管13位置固定，直径大于样品11的外径，其顶端界面水平，之上安装直径相同的端盖，并通过密封胶粘结、固定，端盖上钻孔，方便第二铂线5、第三铂线6穿出。第二铂线5与第二铂网8连接，第三铂线6与第三铂网9连接。第二铂网8设置在端盖上并与所述待测样品11的对电极连接，第三铂网9设置在端盖上并与所述待测样品11的参比电极连接，第三铂网9距离陶瓷管13中心线的位置等于参比电极距离样品中心的距离。第二铂线5具有两条引线，一条引线用于收集对电极表面电压信号，另一条引线用于收集对电极表面电流信号；第三铂线6用于收集参比电极表面电压信号。
在本发明实施例中，以活动部分采用以下材料为例详述如下：
样品11使用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为电解质，工作电极使用La0.8Sr0.2MnO3材料制备，对电极和参比电极使用铂浆料烧结而成。连接管12使用氧化锆管，内径、外径和长度分别为9mm、11mm和45mm。使用玻璃密封胶作为高温粘结剂将连接管12对中粘接在样品11上，在一定温度下烧结后得到具有一定强度的活动部分。
测试时，将活动部分与样品封接后套入固定部分中，这时内管1下端面贴合的第一铂网7即与样品11的工作电极充分接触，由于结构原因，1、3、11、12的中心均在一条直线上。样品11支撑在基座13上，由于重力原因端盖对参比电极和对电极存在一定的压力，以此保证工作电极、对电极、参比电极分别与第一铂网7、第二铂网8、第三铂网9接触良好。
连接管12与外管3之间的缝隙是夹具内部与外界相通的另一个通道。标准状态下空气中的氧气的扩散系数D＝2×10-5cm2/s，假设Φ12＝12mm，L12＝20mm。连接管12内部为氮气，外部为空气的条件下，25℃氧气在平衡条件下扩散进入连接管12内部的速度为1.2×10-5ml/s，800℃则为8.3×10-5ml/s。根据以上简单估算表明，外部气体通过此缝隙进入内部的速度很慢，在夹具内部持续供应气体的时候，可以认为外部气体不可能进入内部，同时内部气体向外扩散的速度也很小。
以30ml/min的速度通入所需气体，设置不同温度测试工作电极和参比电极的电压差，视为电池的开环电压OCV。并通过对比能斯特方程的理论计算值判断工作电极附近的氧分压是否和通入气体的氧分压保持一致。
图3(a)为氧分压为10kPa时不同温度下工作电极与参比电极的电压差(OCV)。随着温度的升高，OCV成线性下降的趋势，其规律与理论值一致。测试数据与理论值误差绝对值在0.1～0.2mV之间，相对值大约为1％，考虑到温度等其他的影响因素，可以认为本夹具的测试精度满足实验需求。
图3(b)为800℃等温条件下不同氧分压下工作电极与参比电极的电压差(OCV)。随着工作电极周围环境氧分压的减小，OCV的绝对值呈上升趋势。其规律与理论值也保持一致，误差约为1％，可以认为本夹具的测试精度满足实验测试的需求。
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 (3)
1.一种半密封式固体氧化物燃料电池阴极的测试夹具，其特征在于，包括固定部分、活动部分和底座；
所述固定部分包括用于通气的内管(1)、用于排气的外管(3)、套筒(2)以及用于收集电流的第一铂线(4)和第一铂网(7)；所述内管(1)为具有两条平行内腔的管道，在所述内管(1)的侧面顶端与凸台(21)之间设置有两个第一开孔(100)，在所述内管(1)的侧面靠近第一铂网(7)处设置有两个第二开孔(200)，所述第一铂线(4)从所述第一开孔(100)进入并通过所述内管(1)的内腔与设置在所述内管(1)底部的第一铂网(7)连接；第二开孔(200)用于将流经内管(1)内腔的过量气体导通至内管(1)和连接管(12)之间的空腔中；
所述套筒(2)为旋转体结构，包括环形凸台(21)、内部具有三级台阶孔(22)和通气孔(23)的圆柱体；所述三级台阶孔(22)包括孔径依次减小的一级通孔(221)、二级通孔(222)和三级通孔(223)；所述通气孔(23)设置在二级通孔(222)的孔壁，用于连通二级通孔(222)与外界环境；所述三级通孔(223)的孔径与所述内管(1)的外径相当，所述三级通孔(223)用于固定内管(1)；所述一级通孔(221)的孔径与所述外管(3)的外径相当，所述一级通孔(221)用于固定所述外管(3)；
所述外管(3)与所述内管(1)同轴设置；
所述活动部分包括连接管(12)，用于连接待测样品(11)，位于内管与外管之间，且与所述外管(3)同轴设置；所述待测样品(11)为片状，在上表面中心设置有工作电极，即阴极，在下表面中心设置有对电极，在下表面外缘设置有参比电极；
所述底座包括陶瓷管(13)、固定在所述陶瓷管(13)上的端盖、用于收集电流的第二铂线(5)、第三铂线(6)、第二铂网(8)和第三铂网(9)；第二铂线(5)与第二铂网(8)连接，第三铂线(6)与第三铂网(9)连接，第一铂网(7)与所述待测样品(11)的工作电极连接，第二铂网(8)设置在端盖上并与所述待测样品(11)的对电极连接，第三铂网(9)设置在端盖上并与所述待测样品(11)的参比电极连接；第二铂线(5)具有两条引线，一条引线用于收集对电极表面电压信号，另一条引线用于收集对电极表面电流信号；第三铂线(6)用于收集参比电极表面电压信号；
所述连接管(12)的外径Φ12大于所述外管(3)的内径φ3的0.8倍；所述连接管(12)的长度L12大于其与外管(3)之间的缝隙宽度(φ3-Φ12)的20倍。
2.如权利要求1所述的测试夹具，其特征在于，所述内管(1)的外径Φ1与所述待测样品(11)的工作电极的直径相等。
3.如权利要求1所述的测试夹具，其特征在于，所述连接管(12)的材料的电解质热膨胀系数与所述待测样品(11)的电解质热膨胀系数相似。
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