一种固体氧化物电池性能测试装置

技术领域

本发明涉及电池性能测试技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电池性能测试装置。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

固体氧化物电池（Solid Oxide Cell，简称SOC）是一种能源转换装置，可以作为固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）将化学燃料（如H

固体氧化物电池操作温度区间一般在500-1000℃，燃料种类也多种多样，可以是气态、液态也可以是固态燃料，为了满足单电池的测试条件，需要利用加热炉控制操作温度，并引入燃料气以满足相应的研究条件。高温操作对电池测试装置的安装密封要求严苛，即要求密封性好，又要求能保持长期稳定。当进行液态燃料测试时，需要能定量控制输入液态燃料的量，同时能保证不引起电池测试的温度较大变化，目前利用载气载带一定饱和蒸气压的液态燃料进行测试是实验室常用的技术路线，但是在装置的设计和气氛系统的构建上还无法简便高效的实现对液态燃料在电池两个电极的同时测试。

目前，常见的SOC性能测试装置包括以下几种：（1）单套管式设计，只需要一侧通气氛，另外一侧暴露在空气中。具体做法是将SOC固定在外管上并在电池和管子的接触面用密封材料进行密封，内部通入一根陶瓷习惯作为进气通道。缺点是该装置只能进行单侧气氛控制的测试。（2）双套管式单一进气方向设计，当需要在SOC两侧同时通入气氛时，在单管式设计用于支撑电池的套管外部套一个管子，所有的进气和排气均在装置底座设计。缺点是底座结构复杂，电池测试时位于上层电极反应室的进气管道不能直接将气氛吹到电极表面，影响气氛在电极的传质过程，影响测试时电池性能，同时由于气体流向的问题，测试气氛反应方式不合理，会对后续气体成分分析准确度产生影响。（3）对称对置式设计。当需要在SOC两侧同时通入气氛时，将电池置于两个独立的进气管路之间。缺点是电池上部分气室和电池的密封存在隐患，并且对单电池片的机械强度和平整度要求很高，同时上部分气室排气在上部，气体交换不通畅，同样不利于后续气体成分准确分析。

发明内容

本发明提供一种固体氧化物电池性能测试装置，该装置通过重新设计测试装置的整体和内部构造，有效解决了单电池在现有测试装置中电池两侧气室通入燃料不便等方面的问题。为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种固体氧化物电池性能测试装置，包括：底座、外管、内管、底部进气管、顶部进气管、第一燃料气化器和第二燃料汽化器。其中：所述外管的下端口密封固定在底座上。所述内管位于外管内腔中，且内管的下端口密封固定在底座上，所述内管的上端口为开口状。所述底部进气管插入在内管内腔中，且底部进气管的上端口正对内管的上端口，底部进气管与所述第一燃料气化器连接。所述顶部进气管从外管上端面插入其内腔中且两者密封连接，所述顶部进气管的端口正对内管的上端口，顶部进气管的另一端与第二燃料汽化器连接。所述底座上具有两个排气口，其分别与外管内腔、内管内腔连通。

进一步地，所述外管、内管、底部进气管、顶部进气管均为陶瓷管。固体氧化物电池性能测试的温度高达上千摄氏度，普通材料无法在上述环境下稳定存在。

进一步地，所述外管、内管、底部进气管、顶部进气管同心设置。

进一步地，所述外管的上端口中密封连接有密封柱，且该密封柱的厚度不小于10mm，所述顶部进气管穿过密封柱上的通孔后进入外管内腔中，且顶部进气管和密封柱之间密封连接。同样地，所述密封柱需要采用耐高温材质，如高温陶瓷、玻璃等。

进一步地，所述第一燃料气化器、第二燃料汽化器均包括：存储器、第一加热单元、进气管、出气管。其中：所述存储器为密封容器，用于存储液态燃料。所述第一加热单元连接在存储器上，以加热其中的液态燃料将其气化。所述进气管、出气管均插入在存储器内腔中，且使用时进气管位于燃料液面下，而出气管位于燃料液面上方。所述出气管的另一端与所述顶部进气管或底部进气管连通，以便于在载气的作用下将气化燃料通过顶部进气管送入外管中。

进一步地，所述第一燃料气化器、第二燃料汽化器还包括第二加热单元，其连接在出气管的外壁上，以对出气管进行加热保温，解决气化燃料在出气管中冷凝，导致进入外管中的燃料的饱和蒸气压或浓度无法达到设定要求，影响测试的准确性。

进一步地，所述第二加热单元为包含电热丝的加热单元，其缠绕或者包裹在所述出气管的外壁上，并通过控制器控制加热温度。

进一步地，所述第二燃料汽化器中，还包括载气稀释管，该载气稀释管与出气管连通，以便于通过载气对气化燃料进行稀释，降低气化燃料的饱和蒸气压或者浓度，实现不同条件下的测试。

进一步地，所述底座还包括密封垫和压板，所述密封垫位于外管下端口和底座上表面之间，且底座、外管的外壁上均固定有所述压板，且由紧固件将所述底座、外管上的压板紧固连接在一起，从而使外管的下端口压紧在密封垫上，实现底座、外管之间的密封连接。

进一步地，还包括第三加热单元，所述第三加热单元用于加热外管，为测试提供所需的高温环境，保证测试的正常进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的这种。

（1）固体氧化物电池的操作温度一般较高，高于500℃，高温密封是技术难点，同时当单体电池在电极两侧测试含液体的气氛时，安装密封和测试的可靠性一直也是非常大的技术难点。传统装置具备在电池两侧进行特定气氛的测试，存在输入气氛难以保证全部通入两侧电极，或者气氛通畅性问题。

在平板状固体氧化物电池测试时，气氛直接吹进电极是最合理的进气方式，且进气口尺寸保证燃料气供应充足的情况下，其尺寸越小，测试的性能越好。传统测试装置的设计，满足两侧电极测试的装置无法同时满足最合理的进气方式和最简便的底座设计。

相对于传统的这类测试装置，本发明装置其优势在于设计的两个电极的进气方式更加合理，为进气口直接正对电极表面，且进气管道尺寸设计既可以满足进气量需要，又能保证进气方式影响下最优测试性能。

（2）在最初使用的外管结构中，其上端端部具有一体化成型的半圆形密封头，并在该半圆形密封头上设置有通孔，以便于顶部进气管的插入。然而，本发明发现，在顶部进气管与外管安装定位的过程中，两者无法保持同心，进而导致顶部进气管输入的气化燃料无法正对下方的电池反应界面中心进行吹送，影响测试的精确度。对此，本发明分析发现这是由于顶部进气管与外管的半圆形密封头之间存在间隙，但由于半圆形密封头是与外管一体化成型制造，两者厚度基本相同，导致半圆形密封头无法有效约束顶部进气管，进而在安装固定过程中使顶部进气管总与外管无法保持良好的同心度。为此，本发明设计了两端均为开口并配合特定厚度的密封柱的结构，该密封柱不受外管制造的影响，可以独立制造成所需的厚度，因此，当顶部进气管插入这种结构的密封柱的通孔中进行安装时，在该长尺度通孔内壁的约束下不再出现偏心现象，使顶部进气管和外管之间保证良好的同心度，确保将气化燃料正对下方的电池反应界面中心进行吹送，保证测试精度。

（3）本发明在底座的上设置了两个独立的排气孔，其分别与外管的内腔、内管的内腔连通，从而有效克服了测试装置中气室中未反应的燃料影响反应环境中燃料饱和蒸气压或浓度的问题，原因在于：气室中载气以及未反应的燃料可以通过排气孔及时排出，避免在气室中积累，避免了稀释新输入气室中的燃料的饱和蒸气压或浓度的问题，确保测试的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中固体氧化物电池性能测试装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中外管的结构示意图。

图3为本发明实施例中密封柱的结构示意图。

图中标记代表：1-底座、2-外管、2.1-密封柱、2.2-通孔、3-内管、4-底部进气管、5-顶部进气管、6-排气口、7-存储器、8-第一加热单元、9-进气管、10-出气管、11-第二加热单元、12-载气稀释管、13-密封垫、14-压板、15-紧固件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。现结合说明书附图和具体实施例进一步说明。

参考图1，示例一种固体氧化物电池性能测试装置，包括：底座1、外管2、内管3、底部进气管4、顶部进气管5、第一燃料气化器和第二燃料汽化器，其中：所述外管2、内管3、底部进气管4、顶部进气管5均为陶瓷管。固体氧化物电池性能测试的温度高达上千摄氏度，普通材料无法在上述环境下稳定存在。

所述底座1为铝合金材质，所述底座1、外管2的外壁上均固定有所述压板14，且所述外管2下端口和底座1上表面之间设置有耐高温密封垫13，所述压板14上具有连接孔，将所述底座1、外管2上的压板14由紧固件15紧固连接在一起，所述紧固件15包括螺栓和螺母，所述螺栓依次穿过底座1、外管2上的压板14中的连接孔后与螺母连接，从而使外管2的下端口压紧在密封垫13上，实现底座1、外管2之间的密封连接。

所述内管3位于外管2内腔中，且内管3的下端口密封固定在所述底座1的上表面上，所述内管3的上端口为开口状。在测试时，待测电池支撑在所述内管3的上端口处，从而将内管内外隔离开来，形成内管外和内外内两个独立的气室，形成具有独立双气室特点的检测结构。这种结构的检测装置有效解决了单电池在现有测试装置中电池两侧气室通入燃料不便的问题，以及在实现电池两侧气室通入燃料的基础上，两个气室中燃料等交互而影响测试的问题。

所述底部进气管4的上端口通过底座1后插入内管3内腔中且两者之间通过高温密封胶密封连接，且底部进气管4的上端口正对内管3的上端口中心，以确保将燃料吹向待测电池的反应界面的中心，提高测试精度。所述底部进气管4的下端口与所述第一燃料气化器连接，所述第一燃料气化器外于外管2的外部，以便于将气化后的燃料输入内管3的内腔中。

所述外管2的上端端部具有一体化成型的半圆形密封头，并在该半圆形密封头上设置有通孔，所述顶部进气管5通过该通孔插入管1的内腔中且两者之间通过高温密封胶密封连接，所述顶部进气管5的端口正对内管3的上端口中心，以确保将燃料吹向待测电池的反应界面的中心，提高测试精度。所述顶部进气管5的另一端与第二燃料汽化器连接，该第二燃料气化器同样位于所述外管2的外部，以便于将气化后的燃料输入外管2的内腔中。

所述底座1上具有两个排气口6，其分别与外管2内腔、内管3内腔连通。使用时，所述排气口与燃料收集装置连接，该收集装置可以为冷凝装置，以便对输出的未反应的燃料进行冷凝收集。通过所述排气口的设计，有效克服了测试装置中气室中未反应的燃料影响反应环境中燃料饱和蒸气压或浓度的问题，原因在于：气室中载气以及未反应的燃料可以通过排气孔及时排出，避免在气室中积累，避免了稀释新输入气室中的燃料的饱和蒸气压或浓度的问题，确保测试的准确性。

继续参考图1，在另一优选的实施例中，所述第一燃料气化器、第二燃料汽化器的结构采用如下的设计：存储器7、第一加热单元8、进气管9、出气管10。其中：所述存储器7为密封容器，用于存储液态燃料，如水、甲醇、乙醇等。所述第一加热单元8连接在存储器7上，以加热其中的液态燃料将其气化。所述进气管9、出气管10均插入在存储器7内腔中，所述第一燃料气化器中的出气管10的另一端与所述顶部进气管5的上端口连通，以便于在载气（如空气、氩气、氮气等）的作用下将气化燃料通过顶部进气管5送入外管2中，所述第二燃料汽化器中的气管10的另一端与所述底部进气管4的下端口之间通过宝塔形连接头连通。使用时，所述进气管9位于燃料液面下，而出气管10位于燃料液面上方，所述第一加热单元8采用连接在存储器7外壁上的电加热装置，其中具有电热丝，并且通过温度控制器来控制加热温度。这种燃料气化器的载气通过阻力小，载带量稳定，同时利用外部加热单元保证了气化燃料的浓度。

继续参考图1，在另一优选的实施例中，上述实施例中的第一燃料气化器、第二燃料汽化器还包括了第二加热单元11，所述第二加热单元11为包含电热丝的加热单元，其缠绕或者包裹在所述出气管10的外壁上，并通过控制器控制加热温度，以对出气管10进行加热保温，解决气化燃料在出气管10中冷凝，导致进入外管2中的燃料的饱和蒸气压或浓度无法达到设定要求，影响测试的准确性。

继续参考图1，在另一优选的实施例中，所述第二燃料汽化器中，还包括载气稀释管12，该载气稀释管12的一端与出气管10连通，以便于通过载气对气化燃料进行稀释，降低气化燃料的饱和蒸气压或者浓度，实现不同条件下的测试。

进一步地，在实际试验中，本发明发现，在顶部进气管5与外管2安装定位的过程中，即将顶部进气管5插入外管2的半圆形密封头的通孔中后将两者密封连接固定的过程中，两者无法保持同心，进而导致顶部进气管5输入的气化燃料无法正对下方的电池反应界面中心吹送，影响测试的精确度。分析后发现是由于顶部进气管5与外管2的半圆形密封头之间存在间隙，但由于半圆形密封头是与外管2一体化成型制造，两者厚度基本相同，导致半圆形密封头无法有效约束顶部进气管5，进而在安装固定过程中使顶部进气管5总与外管2无法保持良好的同心度。为此，本发明提供了两端均为开口并配合特定厚度的密封柱的结构，该密封柱不受外管2制造的影响，可以独立制造成所需的厚度，因此，当顶部进气管5插入这种结构的密封柱的通孔中进行安装时，在该长尺度通孔内壁的约束下不再出现偏心现象，使顶部进气管5和外管2之间保证良好的同心度，确保将气化燃料正对下方的电池反应界面中心进行吹送，保证测试精度。具体地，参考图1至图3，在一个优选的实施例中，所述外管2的上端口中密封连接有陶瓷密封柱2.1，且该密封柱2.1的厚度不小于10mm，如10mm、11mm、13mm、15mm、20mm等。所述顶部进气管5穿过密封柱2.1上的通孔2.2后进入外管2内腔中，且顶部进气管5和密封柱2.1之间通过高温密封胶密封连接。所述密封柱2.1还可以采用采用其他符合条件的耐高温材质，如透明玻璃等，其还可以实现测试过程的可视化。

另外，在进行测试时，还包括用于加热外管2的第三加热单元，如管式加热炉，以便为测试提供所需的高温环境，保证测试的正常进行。所述外管2插入在管式加热炉中，而底座1、第一燃料气化器和第二燃料汽化器等均位于管式加热炉外部。由于陶瓷的导热性较差，热量传导至底座1上时温度已经降低至100℃以下，不会对所述密封垫13造成影响。

最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。