流场可变的板式燃料电池测试装置的制作方法

本实用新型涉及电池检测技术领域，更具体地，涉及一种流场可变的板式燃料电池测试装置。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以在高温状态(600℃-1000℃)下，利用燃料气(H2或CO+H2)和空气，将燃料中的化学能直接转化为电能。对于固体氧化物板式燃料电池，它具有阳极-电解质-阴极三层结构，由于制备工艺相对简单，可工作电流密度高，集成性好的优点而获得国内外多家公司及高校的大力发展。但是，伴随着大功率密度的突出优势，其内部流场、温度场不一致的问题也突显出来。

为了更好地评价流场、温度场对板式燃料电池性能的影响，关于其流场、温度场和性能的测试装置需要得到进一步的发展。一方面，现有的测试装置普遍采用不锈钢做电池夹具，不锈钢的氧化和其中Cr元素对电池性能的不良影响不可避免，测试夹具寿命短；另一方面，电池阴阳极侧不同的流场条件对电池的温度场有着决定性的作用，在顺流、逆流和交叉流三种流场模式下获得电池的温度场十分有必要；同时，由于燃料电池工作时对于阳极的密封要求极高，这使得对电池温度场的监控变得困难。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型提供一种在同一电池上连续转变流场的流场可变的板式燃料电池测试装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种流场可变的板式燃料电池测试装置，包括：

阴极端板，包括阴极陶瓷基体和阴极金属电极，所述阴极陶瓷基体内设置至少一条第一气体通道，所述阴极金属电极包括阴极金属片、阴极电压引线和阴极电流引线，所述阴极金属片设置在阴极陶瓷基体和电池的阴极之间，在阴极陶瓷基体和电池的阴极之间形成阴极气室，空气通过第一气体通道在阴极气室中形成第一方向的空气流；

阳极端板，包括阳极陶瓷基体和阳极金属电极，所述阳极陶瓷基体内设置有至少一条第二气体通道、至少一条第三气体通道和至少一条第四气体通道，所述阳极金属电极包括阳极金属片、阳极电压引线和阳极电流引线，所述阳极金属片设置在阳极陶瓷基体和电池的阳极之间，使得在阳极陶瓷基体和电池的阳极之间形成阳极气室，燃料气体通过第二通道、第三通道或第四通道进入阳极气室，分别形成第二方向、第三方向或第四方向的燃料气流，所述第二方向与第一方向相同，所述第三方向和第一方向垂直，所述第四方向和第一方向相反；

气体控制单元，用于控制第二气体通道、第三气体通道和第四通道的燃料气体的通断，使得在阴极陶瓷基体和阳极陶瓷基体之间形成不同方向的气体流场；

温度传感器，用于感测阴极陶瓷基体和阳极陶瓷基体之间的温度。

所述的测试装置，其中，所述第一气体通道包括布置在阴极陶瓷基体中的空气孔道以及布置在阴极陶瓷基体下表面的条形气道，所述条形气道沿第一方向设置，阴极金属片形状与所述条形气道的形状相同，阴极金属片镶嵌于条形气道中。

所述的测试装置，其中，所述阴极陶瓷基体的下表面设置有金属插孔，用于插入阴极金属片。

所述的测试装置，其中，所述温度传感器为热电偶，所述阴极陶瓷基体内布置有热电偶插孔，所述热电偶穿过所述热电偶插孔感测阴极气室的温度。

所述的测试装置，其中，所述阳极陶瓷基体内布置四个燃料气体出入通道，即沿第二方向布置的第一阳极燃气通道和第四阳极燃气通道以及沿第三方向布置的第二阳极燃气通道和第三阳极燃气通道，在阳极陶瓷基体上面设有方形凹槽，用于放置阳极金属片，第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道设置有一个或多个燃气出口在所述方形凹槽上，其中，当第一阳极燃气通道进气，第四阳极燃气通道出气时，形成第二气体通道；当第二阳极燃气通道进气，第三阳极燃气通道出气时，形成第三气体通道；当第四阳极燃气通道进气，第一阳极燃气通道出气时，形成第四气体通道。

所述的测试装置，其中，所述阳极金属片包括镍片和镍集电层，所述方形凹槽包括第一方形凹槽和外包围第一方形凹槽的第二方形凹槽，所述镍片放置在所述第一方形凹槽内，所述镍集电层放置在所述第二方形凹槽内。

所述的测试装置，其中，所述镍集电层和第二方形凹槽的尺寸小于电池的尺寸。

所述的测试装置，其中，还包括金框，设置在电池和镍集电层之间，提供高度差，在阳极陶瓷基体和电池阳极之间形成阳极气室的同时起到密封阳极气室的作用。

所述的测试装置，其中，所述气体控制单元包括分别与第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道连通的第一燃气通道至第四燃气通道、连通第一燃气通道和第三燃气通道的第五燃气通道和第六燃气通道以及控制器，第五燃气通道上设置有燃料气出口和第一阀门，第六燃气通道上设置有燃料气入口和第二阀门，第二燃气通道与第一燃气通道的连通处设置有第三阀门，第四燃气通道和第三燃气通道连通处设置有第四阀门，通过控制器控制第一阀门至第四阀门的开通方向控制燃料气体进出第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道。

所述的测试装置，其中，所述阴极陶瓷基体和阳极陶瓷基体上分别设置有穿出阴极电压引线和阴极电流引线、阳极电压引线和阳极电流引线的引线插孔，引线插孔和引线之间的空隙填充有陶瓷粘结剂。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

(1)阴极和阳极端板的基体均采用纯氧化铝陶瓷制作，使用寿命长，并且排出了不锈钢中Cr元素对电池测试结果的影响。

(2)提出了在板式燃料电池阴极侧监测电池温场的结构，通过在阴极陶瓷基体布置若干(9个以上)热电偶，热电偶测试端直接与电池阴极接触，温场结果准确可靠，对电池的温场变化响应快。

(3)提出了在同一片电池上连续转变流场的测试装置，保证了测试结果的可比性。本实用新型通过将阳极端板上的四个燃料气出入通道与燃料气体控制单元相连接，可以在不停炉，不换电池的情况下直接切换电池内部的流场方向。

附图说明

通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本实用新型的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是本实用新型所述流场可变的板式燃料电池测试装置的示意图；

图2是本实用新型所述流场可变的板式燃料电池测试装置装配示意图；

图3是本实用新型所述阴极端板立体示意图；

图4是本实用新型所述阴极端板的俯视示意图；

图5是本实用新型所述阳极端板立体示意图；

图6是本实用新型所述阳极端板俯视示意图；

图7是本实用新型所述气体控制单元的示意图；

图8是本实用新型所述顺流、交叉流和逆流条件下气体流动状态示意图。

其中，1-阴极端板，11-阴极陶瓷基体，111-热电偶插孔，112-空气进入口，113-空气进口孔道，114-条形气道，115-空气出口孔道，116-空气排出口，117-金属片插孔，12-阴极金属电极，121-阴极金属片，122-阴极电流引线，123-阴极电压引线；2-阳极端板，21-阳极陶瓷基体，211-第一阳极燃气通道，212-第二阳极燃气通道，213-第三阳极燃气通道，214-第四阳极燃气通道，215-第一方形凹槽，216-第二方形凹槽，22-阳极金属电极，221-阳极金属片，2211-镍片，2212-镍集电层，222-阳极电流引线，223-阳极电压引线，23-金框；3-气体控制单元，31-第一燃气通道，32-第二燃气通道，33-第三燃气通道；34-第四燃气通道；35-第五燃气通道，351-燃料气出口，352-第一阀门；36-第六燃气通道，361-燃料气入口，362-第二阀门，37-第三阀门，38-第四阀门；4-热电偶；5-电池；6-砝码；7-加热炉；8-引线插孔；9-空气入口管路，在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

为了可实时改变电池内部流场，实时监测电池内部温度场，同时测试板式燃料电池(简称电池)电化学性能，本实用新型所述流场可变的板式燃料电池测试装置包括阴极端板、阳极端板和温度传感器，阴极端板、电池和阳极端板构成上中下三层布置，阴极端板和电池阴极接触，阳极端板和电池阳极接触，在阴极端板和电池阴极之间具有阴极气室，在阳极端板和电池阳极之间具有阴极气室，在阴极端板上设置一条或多条通向阴极气室的空气通道，在阳极端板上设置一条或多条通向阳极气室的燃料气体通道，在空气通道送气方向不变的情况下改变燃料气体通道的送气方向或者在燃料气体通道送气方向不变的情况下改变空气通道的送气方向或者空气通道送气方向和燃料气体送气方向均改变以形成可变气体流场；温度传感器可以设置在阴极端板或/和阳极端板朝向电池的一面，用于感测气体流场的温度的变化，阴极端板引出阴极电流引线和阴极电压引线，阳极端板引出阳极电流引线和阳极电压引线，通过监测阴极和阳极之间的电流和电压，检测电池的性能。

为了保证电池的温度场和性能检测的准确性、简便性，降低检测成本，采用图1-图8所示的流场可变的板式燃料电池测试装置及其使用方法。

图1是本实用新型所述流场可变的板式燃料电池测试装置的示意图，图2是本实用新型所述流场可变的板式燃料电池测试装置装配示意图，如图1和2所示，所述测试装置包括：

阴极端板1，包括阴极陶瓷基体11和阴极金属电极12，所述阴极陶瓷基体11内设置至少一条第一气体通道，所述阴极金属电极12包括阴极金属片121、阴极电流引线122和阴极电压引线123，所述阴极金属片121设置在阴极陶瓷基体和电池5的阴极之间，在阴极陶瓷基体1和电池5的阴极之间形成阴极气室，空气通过第一气体通道在阴极气室中形成第一方向的空气流；

阳极端板2，包括阳极陶瓷基体21和阳极金属电极22，所述阳极陶瓷基体内设置有至少一条第二气体通道、至少一条第三气体通道和至少一条第四气体通道，所述阳极金属电极包括阳极金属片221、阳极电流引线222和阳极电压引线223，所述阳极金属片设置在阳极陶瓷基体和电池的阳极之间，使得在阳极陶瓷基体和电池的阳极之间形成阳极气室，燃料气体通过第二通道、第三通道或第四通道进入阳极气室，分别形成第二方向、第三方向或第四方向的燃料气流，所述第二方向与第一方向相同，所述第三方向和第一方向垂直，所述第四方向和第一方向相反；

气体控制单元3，用于控制第二气体通道、第三气体通道和第四通道的燃料气体的通断，使得在阴极陶瓷基体11和阳极陶瓷基体21之间形成不同方向的气体流场；

温度传感器，用于感测阴极陶瓷基体11和阳极陶瓷基体21之间的温度。

图3是本实用新型所述阴极端板立体示意图，图4是本实用新型所述阴极端板的俯视示意图，如图3和4所示，阴极端板1包括：

阴极陶瓷基体11，其内布置有热电偶插孔111，温度传感器为热电偶4，所述热电偶4穿过所述热电偶插孔111感测阴极气室的温度；在阴极陶瓷基体中还布置有空气孔道，空气孔道包括空气入口管路9连通的空气进入口112、和空气进入口连通的空气进口孔道113、空气出口孔道115以及和空气出口孔道连通的空气排出口116，在阴极陶瓷基体下表面布置有条形气道114，条形气道114连通空气进口孔道和空气出口孔道，条形气道114沿第一方向设置；阴极陶瓷基体11上设置有多个引线插孔8，分别穿出阴极电压引线123和阴极电流引线122；

阴极金属片121的形状与所述条形气道114的形状相同，阴极金属片121镶嵌于条形气道114中，例如，阴极陶瓷基体的下表面设置有金属插孔117，用于插入阴极金属片121。

图5是本实用新型所述阳极端板立体示意图，图6是本实用新型所述阳极端板俯视示意图，如图5和6所示，阳极端板2包括阳极陶瓷基体21和阳极金属电极22，其中：

在阳极陶瓷基体21内布置有四个燃料气体出入通道，即沿第二方向布置的第一阳极燃气通道211和第四阳极燃气通道214以及沿第三方向布置的第二阳极燃气通道212和第三阳极燃气通道213，在阳极陶瓷基体上面设有方形凹槽，用于放置阳极金属片，第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道设置有一个或多个燃气出口在所述方形凹槽上，其中，当第一阳极燃气通道进气，第四阳极燃气通道出气时，形成第二气体通道；当第二阳极燃气通道进气，第三阳极燃气通道出气时，形成第三气体通道；当第四阳极燃气通道进气，第一阳极燃气通道出气时，形成第四气体通道；

阳极陶瓷基体21上设置有多个引线插孔8，分别穿出阳极电压引线223和阳极电流引线222。

优选地，所述阳极金属片221包括镍片2211和镍集电层2212，所述方形凹槽包括第一方形凹槽215和外包围第一方形凹槽的第二方形凹槽216，所述镍片2211放置在所述第一方形凹槽215内，所述镍集电层2212放置在所述第二方形凹槽216内，进一步，优选地，镍集电层2212和第二方形凹槽216的尺寸小于电池的尺寸。

另外，优选地，还包括金框23，设置在电池的阳极和镍集电层之间，提供高度差，在阳极陶瓷基体和电池阳极之间形成阳极气室的同时起到密封阳极气室的作用。

图7是本实用新型所述气体控制单元的示意图，如图7所示，所述气体控制单元3包括分别与第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道(211-214)连通的第一燃气通道至第四燃气通道(31-34)、连通第一燃气通道31和第三燃气通道33的第五燃气通道35和第六燃气通道36以及控制器(未示出)，其中，第五燃气通道35上设置有燃料气出口351和第一阀门352，第六燃气通道36上设置有燃料气入口361和第二阀门362，第二燃气通道32与第一燃气通道31的连通处设置有第三阀门37，第四燃气通道34和第三燃气通道33连通处设置有第四阀门38，通过控制器控制第一阀门至第四阀门的开通方向控制燃料气体进出第一阳极燃气通道至第四阳极燃气通道。

利用上述各实施例的流场可变的板式燃料电池测试装置对板式燃料电池测试的方法包括：

机械组装及加压步骤，将阴极端板1和阳极端板2安装到加热炉7内，将温度传感器(例如热电偶4)连接至温度巡检仪，将阴极电流引线122和阳极电流引线222连接到电子负载和电化学工作站，将阴极电压引线123和阳极电压引线223连接到电化学工作站，在第一气体通道至第四气体通道进行机械加压，加热炉7可以通过砝码6调节机械压力；

分别在顺流、交叉流和逆流气体流动状态下进行下述升温、还原、活化、性能及阻抗测试、温度场测试步骤，其中：

在顺流气体流动状态下，空气在阴极气室流动的方向与燃料气体在阳极气室流动的方向相同；在交叉流气体流动状态下，空气在阴极气室流动的方向与燃料气体在阳极气室流动的方向垂直；在逆流气体流动状态下，空气在阴极气室流动的方向与燃料气体在阳极气室流动的方向相反；

所述性能及阻抗测试步骤包括：使用电化学工作站和电子负载，采用四点极进行性能及阻抗测试；通过阶梯放电获得电池性能；通过交流阻抗-频率扫描法获得电池阻抗；

温度场测试步骤通过温度巡检仪监测温度传感器的数据。

优选地，在机械组装加压步骤之后还包括：

短路和气密性检测的步骤，测量阴极电流引线与阳极电流引线之间的电阻来检测是否短路；用压力保持法或氦气泄漏探测法检测装置气密性。

在本实用新型的一个实施例中，所述升温步骤包括通过加热炉按照设定速率升温；所述还原步骤包括升温达到设定范围内后，采用纯氢条件还原；所述活化步骤包括使得电池在设定放电电流下工作设定时间。

在本实用新型的一个实施例中，所述顺流、交叉流和逆流气体流动状态通过下述步骤实现：

在开路状态下，燃料气体通过第二阀门362进入第一燃气通道31，通过第一燃气通道进入第一阳极燃气通道211，进入阳极气室，通过第四阳极燃气通道214进入第四燃气通道34，通过第四阀门38进入第三燃气通道33，通过第一阀门352进入燃料气出口351排出，在阳极气室形成第二方向的燃气气流；空气通过空气孔道和条形气道进入阴极气室，在阴极气室形成第一方向的空气流，第一方向和第二方向相同，形成顺流气体流动状态；

在开路状态下，燃料气体通过第二阀门362进入第一燃气通道31，通过第三阀门37进入第二燃气通道32，通过第二阳极燃气通道212进入阳极气室，从第三阳极燃气通道213进入第三燃气通道33，通过第一阀门352进入燃料气出口351排出，在阳极气室形成第三方向的燃气气流；空气通过空气孔道和条形气道进入阴极气室，在阴极气室形成第一方向的空气流，第一方向和第三方向垂直，形成交叉气体流动状态；

在开路状态下，燃料气体通过第一阀门362进入第三燃气通道33，通过第四阀门38进入第四燃气通道34，通过第四阳极燃气通道214进入阳极气室，从第一阳极燃气通道211进入第一燃气通道31，通过第一阀门352进入燃料气出口351排出，在阳极气室形成第四方向的燃气气流；空气通过空气孔道和条形气道进入阴极气室，在阴极气室形成第一方向的空气流，第一方向和第四方向相反，形成逆流气体流动状态。

在本实用新型的一个具体实施例中，流场可变的板式燃料电池测试装置包括：

阴极端板1，整体上为底面为正方形的长方体。在长方体底面两对角处分别布置有空气进入口112和空气进排出口116，在阴极端板内部布置有空气孔道，孔道一端与空气进出口连通，在阴极端板的底面，布置有条形气道若干条。同时，在阴极端板底面，包覆有一定厚度的方波形金箔作为阴极金属片121，阴极金属片121与条形气道114完全匹配，为方波形，可与电池阴极直接接触。阴极金属片121的两侧从阴极端板内部两金属片插孔117引出，与外部阴极电流引线122和阴极电压引线相连123。此外，在阴极端板内部，均匀布置有热电偶插孔111，贯穿阴极端板上下底面，用以布置热电偶4，热电偶检测端与阴极端板底部金箔直接接触，其中，热电偶插孔111为通孔，数量为n×n个，n为大于等于3的正整数，并且采用n×n等间距布置。

阳极端板2，整体上为底面为正方形的长方体。在长方体底面四个对角处布置有四个燃料气出入通道，每个燃料气出入通道有两出口位于第二方形凹槽216上，第二方形凹槽216形心与阳极端板形心重合，第一方形凹槽215和第二方形凹槽216落差1mm，其形心重合。在第一方形凹槽215内部均匀布置4个引线插孔8，贯穿阳极端板两正方形表面。同时，在第一方形凹槽215处布置有镍片2211，镍片顶部与第二方形凹槽216底部平齐，镍片可与电池阳极直接接触。镍片2211底部连接有4根阳极电流引线222。阳极电流引线222从阳极端板底面引出。其中一根金线上连接有一根阳极电压引线223。

其中，采用0.2mm金框23作为阳极的密封件，密封效果好，拆卸方便。利用金延展性好的特点，加工成薄片金框，再用机械加压的方式压实密封。测试完毕后可泄压直接将电池取下。

此外，引线插孔8与引线间空隙用陶瓷粘接剂填充，保证气体不会从缝隙处通过。

优选地，热电偶采用k型，精度±0.1℃，巡检时间步长60-120s。

在本实用新型的一个具体实施例中，流场可变的板式燃料电池测试方法依次包括：机械组装及加压、气密性和短路检测、升温、还原、活化、性能及阻抗测试、拓展测试、稳定性测试、降温和拆卸10个环节，具体地：

(1)机械组装及加压：机械组装包括阴极端板、电池、阳极端板的三层布置，电池密封，电流和电压引线的引出、气体管路连接和机械加压；其中加压压力20kPa-100kPa为宜。

(2)短路和气密性检测：测量阴极与阳极电流引出点之间的电阻来检测是否短路；用压力保持法或氦气泄漏探测法检测装置气密性。

(3)升温：目标温度750℃-850℃，升温速率1-2℃/min。

(4)还原：还原温度750℃-850℃，纯氢条件还原；电池开路电压(OCV)稳定2h以上视为还原完全。

(5)活化：电池在0.05A/cm²放电电流下工作24h。

(6)性能及阻抗测试：使用电化学工作站和电子负载，采用四点极进行性能及阻抗测试；电池性能通过阶梯放电获得，放电电压范围0.3V-OCV；电池阻抗通过交流阻抗-频率扫描法获得，频率范围10mHz-100kHz。

(7)温度场测试：

第一步：在开路状态下，如图8中A)顺流所示的连接方式，监测热电偶温度，待其稳定后记录温度场数据，并进行性能和阻抗测试；

第二步：在开路状态下，图8中B)交叉流所示的连接方式，监测热电偶温度，待其稳定后记录温度场数据，并进行性能和阻抗测试；

第三步：在开路状态下，如图8中C)逆流所示的连接方式，监测热电偶温度，待其稳定后记录温度场数据，并进行性能和阻抗测试。

(8)稳定性测试：电池在恒定温度恒定放电电流下的耐久性测试。温度范围750℃-850℃，电流范围0.05-0.5A/cm²。

(9)降温：目标温度<200℃，降温速率1-2℃/min。

(10)拆卸：测试装置冷却至室温后，切断气体供应，卸除机械压力，分离阴极端板、电池和阳极端板。

在上述各实施例中，电压引线和电流引线采用纯金或纯铂材料。

综上所述，本实用新型设计了一种功能全面、使用寿命长的板式燃料电池温度场和性能的测试装置，可以实时表征不同流场下温度场和性能。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。

尽管前面公开的内容示出了本实用新型的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本实用新型的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。