一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具；包括固定部分、活動部分和底座；固定部分包括用于通氣的內管、用于排氣的外管、套筒以及用于收集電流的第一鉑線和第一鉑網；活動部分包括連接管，位于內管與外管之間，且與外管同軸設置；底座包括陶瓷管、端蓋、第二鉑線、第三鉑線、第二鉑網和第三鉑網；第二鉑線與第二鉑網連接，第三鉑線與第三鉑網連接，第一鉑網與待測樣品的工作電極即陰極連接，第二鉑網與待測樣品的對電極連接，第三鉑網與待測樣品的參比電極連接；本發明用于固體氧化物燃料電池陰極氣氛控制條件下的電極電化學測試，減少了電極樣品裝配過程中的復雜程度，通過組合式的結構保證裝配的精度并達到與樣品的膨脹系數匹配和良好的氣氛調節能力。
【專利說明】一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具
【技術領域】
[0001]本發明屬于固體氧化物燃料電池【技術領域】，更具體地，涉及一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具。
【背景技術】
[0002]固體氧化物燃料電池一般工作在較高的溫度，包括近年來發展的中溫固體氧化物燃料電池其一般設計工作在600°C以上，因此對于其關鍵材料的研究也需要相應的適應于其溫度范圍的設備。由于固體氧化物燃料電池陰極工作在具有氧氣的環境中，因此一般直接使其暴露在空氣當中而不做密封，但對于電極反應動力學的測試過程一般要求對電極的氣氛進行調節。因此一般仿照陽極的密封方法，將片狀的樣品試樣直接通過與管狀測試夾具接觸、密封來實現，也可以直接將測試的樣品制備成U型來簡化密封難度，增加可靠性。
[0003]測試夾具的材料常為剛玉，其熱膨脹系數與測試樣品的電解質差別較大，測試中容易出現應力過大導致樣品開裂失效的問題，如果制備與電解質材料熱膨脹系數相近的夾具，則成本難以控制且需要根據測試材料的不同頻繁更換夾具；而制備U型樣品的成本和技術難度較高且長度受到限制，不利于長期、大量的測試使用。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具，目的在于減少電極樣品裝配過程中的復雜程度，通過組合式的結構保證裝配的精度。
[0005]本發明提供了一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具，包括固定部分、活動部分和底座；所述固定部分包括用于通氣的內管、用于排氣的外管、套筒以及用于收集電流的第一鉬線和第一鉬網；所述內管為具有兩條平行內腔的管道，在所述內管的側面頂端與凸臺之間設置有兩個第一開孔，在所述內管的側面靠近第一鉬網處設置有兩個第二開孔，所述第一鉬線從所述第一開孔進入并通過所述內管的內腔與設置在所述內管底部的第一鉬網連接；第二開孔用于將流經內管內腔的過量氣體導通至內管和連接管之間的空腔中；所述套筒為旋轉體結構，包括環形凸臺、內部具有三級臺階孔和通氣孔的圓柱體；所述三級臺階孔包括孔徑依次減小的一級通孔、二級通孔和三級通孔；所述通氣孔設置在二級通孔的孔壁，用于連通二級通孔與外界環境；所述三級通孔的孔徑與所述內管的外徑相當，所述三級通孔用于固定內管；所述一級通孔的孔徑與所述外管的外徑相當，所述一級通孔用于固定所述外管；所述外管與所述內管同軸設置；所述活動部分包括連接管，用于連接待測樣品，位于內管與外管之間，且與所述外管同軸設置；所述待測樣品為片狀，在上表面中心設置有工作電極，即陰極，在下表面中心設置有對電極，在下表面外緣設置有參比電極；所述底座包括陶瓷管、固定在所述陶瓷管上的端蓋、用于收集電流的第二鉬線、第三鉬線、第二鉬網和第三鉬網；第二鉬線與第二鉬網連接，第三鉬線與第三鉬網連接，第一鉬網與所述待測樣品的工作電極連接，第二鉬網設置在端蓋上并與所述待測樣品的對電極連接，第三鉬網設置在端蓋上并與所述待測樣品的參比電極連接；第二鉬線具有兩條引線，一條引線用于收集對電極表面電壓信號，另一條引線用于收集對電極表面電流信號；第三鉬線用于收集參比電極表面電壓信號。
[0006]其中，所述內管的外徑Φ1與所述待測樣品的工作電極的直徑相等。
[0007]其中，所述連接管的外徑Φ12大于所述外管的內徑φ3的0.8倍。
[0008]其中，所述連接管的長度L12大于其與外管之間的縫隙寬度(φ3-Φ12)的20倍。
[0009]其中，所述連接管的材料的電解質熱膨脹系數與所述待測樣品的電解質熱膨脹系數相似。
[0010]本發明可以減少電極樣品裝配過程中的復雜程度，通過組合式的結構保證裝配的精度；且通過簡單形狀的樣品得到熱膨脹系數匹配和密封效果達到要求的結果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為電極測試夾具的固定部分；
[0012]圖2為電極測試夾具的活動部分及其與固定部分的裝配示意圖；
[0013]圖3(a)為氧分壓為IOkPa時不同溫度下測試電極與對電極的電壓差；
[0014]圖3(b)為800°C在不同的氧分壓情況下測試電極與對電極的電壓差。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0016]在固體氧化物燃料電池中，由于陰極氣氛與陽極氣氛并不相同，不存在危險的易燃物品，因此陰極材料測試的夾具并不需要與陽極材料的相同。本著簡化夾具的安裝過程并保證測試精度的條件下，可以使用一種半密封式的嵌套夾具。本發明提供了一種電極測試夾具，用于固體氧化物燃料電池陰極氣氛控制條件下的電極電化學測試。
[0017]本發明提供的半密封式的電池陰極樣品測試夾具可以減少電極樣品裝配過程中的復雜程度，通過組合式的結構保證裝配的精度；且通過簡單形狀的樣品得到熱膨脹系數匹配和密封效果達到要求的結果。
[0018]如圖1和圖2所示，本發明實施例提供的半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具包括固定部分、活動部分和底座；3個部分的中心線重合并與地面垂直，自上而下為固定部分、活動部分、底座。
[0019]固定部分包括用于通氣的內管1、用于排氣的外管3、套筒2以及用于收集電流的第一鉬線4和第一鉬網7。
[0020]套筒2可以選擇便于機械加工的金屬材料制備，自盤狀上表面至凸臺下緣，加工出孔徑Φ221 < Φ222 < Φ223的上、中、下三段式通孔221、222、223。
[0021]套筒2為旋轉體結構，包括環形凸臺21以及內部具有三級臺階孔22和通氣孔23的圓柱體；三級臺階孔22包括孔徑依次減小的一級通孔221、二級通孔222和三級通孔223 ;通氣孔23設置在二級通孔222的孔壁，用于連通二級通孔222與外界環境；三級通孔223的孔徑與內管I的外徑相當，三級通孔223用于固定內管I ;一級通孔221用于固定外管3。
[0022]其中Φ221略大于內管I外徑Φ1, Φ223略大于外管3外徑Φ3，便于兩管套入。中部孔徑Φ222的大小介于Φ1與Φ3之間，且中部存在通向套筒2外界環境的排氣孔，便于夾具內部氣流的排出。內管I和外管3通過套入套筒2保證中心線的重合，兩管與套筒2的接觸部分可以使用橡膠圈達到密封的效果。
[0023]內管I為具有兩條平行內腔的耐高溫陶瓷管材管道，其外徑Φ1與工作電極即陰極的直徑相同，在所述內管I的側面頂端與凸臺21之間設置有兩個第一開孔100，在所述內管I的側面靠近第一鉬網7處(約Icm)的地方設置有兩個第二開孔200。所述第一鉬線4從所述第一開孔100進入并通過內管I的內腔，之后第一開孔100用密封硅膠密封，防止可能的氣體外泄。通過內管I內腔的第一鉬線4與設置在內管I底部的第一鉬網7連接，測試時起到收集工作電極電流的作用。
[0024]測試所需的氣體從內管I的頂端經兩個內腔流入至底端后一部分流經底端第一鉬網7達到工作電極表面，一部分通過底端附近的第二開孔200流通至內管I和連接管12之間的空腔中。這樣的設計一方面保證了在測試條件下工作電極表面的氣體能夠隨時更新，另一方面，通過第二開孔200流入內管I和連接管12之間空腔中的氣體能夠保護工作電極周圍環境氣氛的穩定，排除外界氣體造成的干擾。
[0025]外管3為耐高溫空心陶瓷管，作為氣體排出夾具的通道，流經待測樣品11的氣體一部分通過外管3向上流經套筒2并經過通氣孔23流出到外界環境，另一部分通過外管3與連接管12之間的間隙擴散到外界環境中。工作時，外管3的底端應與樣品11的上表面有一定的距離(如5mm)。
[0026]活動部分由連接管12組成，其內徑φ12大于內管I外徑Φ1，外徑Φ12與外管3的內徑φ3滿足0.8 < Φ12+φ3< I。這樣的設計是為了減小外管3內腔的氣體與外界環境氣體的接觸面積，防止外界環境氣體對夾具內部氣體成分的污染。工作時使用高溫密封膠10將連接管12與樣品11封接在一起后套入固定部分使用。封接時需要保證樣品的待測陰極中心位于連接管12中心線上。
[0027]待測樣品11為圓片狀，在上表面中心設直有工作電極，在下表面中心設直有對電極，在下表面外緣設置有參比電極。連接管12的材料應該與樣品11的電解質熱膨脹系數接近(如差別小于10% )，比如樣品11選擇氧化鋯時連接管12也使用氧化鋯，11是用氧化鈰時連接管12可以使用氧化鋁。
[0028]連接管12的長度L12需要比其與外管3之間的縫隙寬度(φ3-Φ 12 )長20倍以上，且連接管12的外徑Φ12大于外管3的內徑φ3的0.8倍。這樣的設計一是將工作電極與縫隙頂端之間的距離延長，二是將縫隙頂端與低端的距離延長，三是減少縫隙寬度。這種結構能夠增加外界氣體通過縫隙擴散進入外管3內部的難度，加上工作電極周圍氣體的隨時更新，達到了維護工作電極在測試條件下氣氛穩定的目的。
[0029]底座由陶瓷管13及固定在其上的端蓋、第二鉬線5、第三鉬線6、第二鉬網8和第三鉬網9組成。
[0030]陶瓷管13位置固定，直徑大于樣品11的外徑，其頂端界面水平，之上安裝直徑相同的端蓋，并通過密封膠粘結、固定，端蓋上鉆孔，方便第二鉬線5、第三鉬線6穿出。第二鉬線5與第二鉬網8連接，第三鉬線6與第三鉬網9連接。第二鉬網8設置在端蓋上并與所述待測樣品11的對電極連接，第三鉬網9設置在端蓋上并與所述待測樣品11的參比電極連接，第三鉬網9距離陶瓷管13中心線的位置等于參比電極距離樣品中心的距離。第二鉬線5具有兩條引線，一條引線用于收集對電極表面電壓信號，另一條引線用于收集對電極表面電流信號；第三鉬線6用于收集參比電極表面電壓信號。
[0031]在本發明實施例中，以活動部分采用以下材料為例詳述如下:
[0032]樣品11使用氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)作為電解質，工作電極使用Laa8Sra2MnO3材料制備，對電極和參比電極使用鉬漿料燒結而成。連接管12使用氧化鋯管，內徑、外徑和長度分別為9mm、llmm和45_。使用玻璃密封膠作為高溫粘結劑將連接管12對中粘接在樣品11上，在一定溫度下燒結后得到具有一定強度的活動部分。
[0033]測試時，將活動部分與樣品封接后套入固定部分中，這時內管I下端面貼合的第一鉬網7即與樣品11的工作電極充分接觸，由于結構原因，1、3、11、12的中心均在一條直線上。樣品11支撐在基座13上，由于重力原因端蓋對參比電極和對電極存在一定的壓力，以此保證工作電極、對電極、參比電極分別與第一鉬網7、第二鉬網8、第三鉬網9接觸良好。
[0034]連接管12與外管3之間的縫隙是夾具內部與外界相通的另一個通道。標準狀態下空氣中的氧氣的擴散系數 D = 2Xl(T5cm2/s，假設 Φ12 = 12mm，φ3= 13mm，L12 = 20mm。
連接管12內部為氮氣，外部為空氣的條件下，25°C氧氣在平衡條件下擴散進入連接管12內部的速度為1.2X10_5ml/S，800°C則為8.3X10_5ml/s。根據以上簡單估算表明，外部氣體通過此縫隙進入內部的速度很慢，在夾具內部持續供應氣體的時候，可以認為外部氣體不可能進入內部，同時內部氣體向外擴散的速度也很小。
[0035]以30ml/min的速度通入所需氣體，設置不同溫度測試工作電極和參比電極的電壓差，視為電池的開環電壓0CV。并通過對比能斯特方程的理論計算值判斷工作電極附近的氧分壓是否和通入氣體的氧分壓保持一致。
[0036]圖3(a)為氧分壓為IOkPa時不同溫度下工作電極與參比電極的電壓差(OCV)。隨著溫度的升高，OCV成線性下降的趨勢，其規律與理論值一致。測試數據與理論值誤差絕對值在0.1?0.2mV之間，相對值大約為I %，考慮到溫度等其他的影響因素，可以認為本夾具的測試精度滿足實驗需求。
[0037]圖3(b)為800°C等溫條件下不同氧分壓下工作電極與參比電極的電壓差(OCV)。隨著工作電極周圍環境氧分壓的減小，OCV的絕對值呈上升趨勢。其規律與理論值也保持一致，誤差約為I %，可以認為本夾具的測試精度滿足實驗測試的需求。
[0038]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種半密封式固體氧化物燃料電池陰極的測試夾具，其特征在于，包括固定部分、活動部分和底座； 所述固定部分包括用于通氣的內管(I)、用于排氣的外管(3)、套筒(2)以及用于收集電流的第一鉬線(4)和第一鉬網(7);所述內管(I)為具有兩條平行內腔的管道，在所述內管⑴的側面頂端與凸臺(21)之間設置有兩個第一開孔(100)，在所述內管⑴的側面靠近第一鉬網(7)處設置有兩個第二開孔(200)，所述第一鉬線(4)從所述第一開孔(100)進入并通過所述內管(I)的內腔與設置在所述內管(I)底部的第一鉬網(7)連接；第二開孔(200)用于將流經內管⑴內腔的過量氣體導通至內管⑴和連接管(12)之間的空腔中； 所述套筒(2)為旋轉體結構，包括環形凸臺(21)、內部具有三級臺階孔(22)和通氣孔(23)的圓柱體；所述三級臺階孔(22)包括孔徑依次減小的一級通孔(221)、二級通孔(222)和三級通孔(223);所述通氣孔(23)設置在二級通孔(222)的孔壁，用于連通二級通孔(222)與外界環境；所述三級通孔(223)的孔徑與所述內管(I)的外徑相當，所述三級通孔(223)用于固定內管(I);所述一級通孔(221)的孔徑與所述外管(3)的外徑相當，所述一級通孔(221)用于固定所述外管(3)； 所述外管(3)與所述內管(I)同軸設置； 所述活動部分包括連接管(12)，用于連接待測樣品(11)，位于內管與外管之間，且與所述外管(3)同軸設置；所述待測樣品(11)為片狀，在上表面中心設置有工作電極，即陰極，在下表面中心設置有對電極，在下表面外緣設置有參比電極； 所述底座包括陶瓷管(13)、固定在所述陶瓷管(13)上的端蓋、用于收集電流的第二鉬線(5)、第三鉬線(6)、第二鉬網⑶和第三鉬網(9);第二鉬線(5)與第二鉬網⑶連接，第三鉬線(6)與第三鉬網(9)連接，第一鉬網(7)與所述待測樣品(11)的工作電極連接，第二鉬網(8)設置在端蓋上并與所述待測樣品(11)的對電極連接，第三鉬網(9)設置在端蓋上并與所述待測樣品(11)的參比電極連接；第二鉬線(5)具有兩條引線，一條引線用于收集對電極表面電壓信號，另一條引線用于收集對電極表面電流信號；第三鉬線(6)用于收集參比電極表面電壓信號。
2.如權利要求1所述的測試夾具，其特征在于，所述內管(I)的外徑ΦI與所述待測樣品(11)的工作電極的直徑相等。
3.如權利要求1所述的測試夾具，其特征在于，所述連接管(12)的外徑Φ12大于所述外管(3)的內徑φ3的0.8倍。
4.如權利要求1所述的測試夾具，其特征在于，所述連接管(12)的長度L12大于其與外管⑶之間的縫隙寬度(φ3-Φ12)的20倍。
5.如權利要求1所述的測試夾具，其特征在于，所述連接管(12)的材料的電解質熱膨脹系數與所述待測樣品(11)的電解質熱膨脹系數相似。
【文檔編號】G01N27/26GK103868962SQ201410100049
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】李箭, 王方中, 顏冬, 池波, 蒲健 申請人:華中科技大學
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