陳德強(qiáng)

中弗新能源科技股份有限公司 上海 200241

1 設(shè)計背景

為了應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境問題,世界各國都在積極地開發(fā)新能源技術(shù),燃料電池作為一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,不僅能最大限度地減少有害氣體排放,而且突破傳統(tǒng)熱機(jī)的卡諾循環(huán)限制,可以獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率。目前,燃料電池研究已經(jīng)成為新能源技術(shù)行業(yè)的一個重要研究熱點,其中固體氧化物燃料電池又是目前所有燃料電池中能量轉(zhuǎn)換效率最高的新能源技術(shù)。固體氧化物燃料單電池芯片的性能優(yōu)劣直接影響到電堆,乃至整個發(fā)電系統(tǒng)的性能,因此,在固體氧化物燃料單電池芯片的測量標(biāo)準(zhǔn)中,電化學(xué)性能的測試技術(shù)是非常重要的,是固體氧化物燃料單電池芯片,乃至整個發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)過程中不可或缺的重要一環(huán)。

影響固體氧化物燃料單電池芯片應(yīng)用性能的因素很多,包括材料、制備方法、測試方法等,有效的固體氧化物燃料單電池芯片性能測試能揭示材料和制備方法之間的復(fù)雜關(guān)系,查明固體氧化物燃料單電池芯片內(nèi)部能量損耗的各種來源,如燃料泄漏、活化損耗、歐姆損耗、濃差損耗等,從而指導(dǎo)有關(guān)材料和制備技術(shù)的研發(fā)。

為了對不同研究機(jī)構(gòu)制備的固體氧化物燃料單電池芯片性能進(jìn)行測試,一般確定固體氧化物燃料單電池芯片支撐體規(guī)格尺寸為50 mm×50 mm、100 mm×100 mm或120 mm×120 mm。對于不同規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片性能測試,傳統(tǒng)測試方法需對應(yīng)配備不同的測試工裝。由于測試工裝安裝在測試設(shè)備的加熱爐膛內(nèi)的底座上,工裝上的進(jìn)出氣管及電流引出電極都穿過爐膛底座,在設(shè)備底部與外部管道及測試設(shè)備相連接,測試不同規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片時,需要將前道測試工裝拆下,裝上相應(yīng)規(guī)格的測試工裝,同時,所有與原測試工裝相連接的管路及電極導(dǎo)線等都要重裝。芯片測試爐如圖1所示。

圖1 芯片測試爐

2 國內(nèi)外測試方法對比

目前,固體氧化物燃料電池已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展應(yīng)用的前期階段,國內(nèi)外學(xué)者開始尋求固體氧化物燃料單電池芯片性能測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化,以求得測試結(jié)果的可比性。例如,歐盟已經(jīng)形成了固體氧化物燃料電池性能測試和標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò),主要目的就是對各種固體氧化物燃料單電池芯片的測試步驟進(jìn)行協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化。

日本一家公司將固體氧化物燃料單電池芯片性能測試做成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的固體氧化物燃料單電池芯片測試工裝,每種規(guī)格的固體氧化物燃料單電池芯片測試工裝做成開合式,上下壓板彼此絕緣,分別連接有進(jìn)出氣的耐高溫導(dǎo)氣管和電流導(dǎo)出電極。如果需要對某種規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片做測試,只要將固體氧化物燃料單電池芯片裝進(jìn)對應(yīng)的測試工裝內(nèi),然后放進(jìn)高溫爐內(nèi)加熱,通入氣體就可以進(jìn)行測試了,簡單實用。芯片性能測試工裝如圖2所示。

圖2 芯片性能測試工裝

國內(nèi)通常是做成整體式的一整套測試設(shè)備,設(shè)備分上下兩部分,上面部分主要是可開合的圓柱狀加熱爐,下面部分主要是管路連接及電控箱。上面部分的加熱爐用來營造固體氧化物燃料單電池芯片的測試工作環(huán)境,內(nèi)部設(shè)置有放置測試工裝的底座,爐側(cè)面是螺旋狀加熱電阻絲。配套的固體氧化物燃料單電池芯片測試工裝如圖3所示。一套測試工裝對應(yīng)一種規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片。測試時,先按固體氧化物燃料單電池芯片規(guī)格尺寸選擇對應(yīng)的測試工裝,將其安裝在加熱爐爐膛內(nèi)的底座上,然后在測試設(shè)備的底部連接好管路及電路,再裝上對應(yīng)待測性能的固體氧化物燃料單電池芯片,合上加熱爐門加熱,通氣,完成測試。

圖3 芯片測試工裝

3 新測試工裝設(shè)計

如前所述,目前國內(nèi)整體式的固體氧化物燃料單電池芯片性能測試設(shè)備存在更換不同規(guī)格固體氧化物燃料單電池芯片時拆裝不方便的問題,為此,筆者對測試工裝進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改造,設(shè)計了一套可兼容測試多種規(guī)格尺寸固體氧化物燃料單電池芯片的通用測試工裝。在測試不同規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片時,不用更換工裝,與工裝相連接的氣管路及電極連線也都不用再拆裝,只需更換測試工裝內(nèi)的模芯,簡單方便,省時省力。

新測試工裝安裝如圖4所示,對新測試工裝的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖4 新測試工裝安裝

上壓座與固定座分別在各自的相對側(cè)面固接有進(jìn)出氣管和電極棒,進(jìn)出氣管與電極棒穿過設(shè)備加熱爐爐膛內(nèi)的底座,與爐膛外的管路及電路連接。就固定座而言,上表面開設(shè)有方形沉腔,用來放置測試模芯。沉腔底部開設(shè)有同軸線的兩個長腰盲孔,分別與前后進(jìn)出氣管相通。同樣的,在上壓座下表面開設(shè)有方形沉腔,沉腔底部也開設(shè)有同軸線的兩個長腰盲孔,分別與左右進(jìn)出氣管相通。兩個長腰盲孔的軸線與固定座上的兩長腰盲孔軸線相垂直。

測試模芯如圖5所示。列出了三種規(guī)格尺寸的單電池芯片及其對應(yīng)的上下測試模芯體,上面一排是上模芯體,下面一排是下模芯體。上下測試模芯體在裝固體氧化物燃料單電池芯片的中部都開有相平行的兩條進(jìn)出氣用的與單電池芯片大小相對應(yīng)的長腰通孔,上模芯體測試時裝在上壓座的沉腔內(nèi),下模芯體測試時裝在固定座的沉腔內(nèi)。

圖5 測試模芯

就單個下模芯體而言,在上表面的中部,依據(jù)固體氧化物燃料單電池芯片的規(guī)格尺寸,開設(shè)有用于放泡沫鎳與固體氧化物燃料單電池芯片的方形沉腔。在沉腔底部左右兩邊分別開設(shè)有長腰通孔,上下貫穿,用于導(dǎo)氣。就單個上模芯體而言,在底面依據(jù)固體氧化物燃料單電池芯片的規(guī)格尺寸,開設(shè)有兩條平行且有一定間距的長腰通孔,上下貫通。在兩條平行的長腰通孔之間,開設(shè)有連接兩長腰通孔的數(shù)條具有一定間距的平行溝槽,用于導(dǎo)氣。

固定座與上壓座是各種規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片測試時通用的工裝零件,在更換不同規(guī)格的固體氧化物燃料單電池芯片進(jìn)行測試時,這兩個零件是不拆卸的,因為在它們上面焊接有進(jìn)氣管路、出氣管路和電極棒,穿過設(shè)備爐膛底部的底座,與外部管路及電路相接。更換測試工裝時,只需將裝在固定座和上壓座上面的下模芯體和上模芯體取下,替換為其它規(guī)格的上下模芯體。上下模芯體與固體氧化物燃料單電池芯片的規(guī)格一一對應(yīng),有幾種規(guī)格尺寸的固體氧化物燃料單電池芯片,就制作幾種相應(yīng)的上下模芯體。不同規(guī)格的上下模芯體,外廓尺寸都是一樣的,以便于都能裝在固定座和上壓座的安裝腔內(nèi)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)也一樣,只是內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸因固體氧化物燃料單電池芯片大小變化而變化。

在更換新的下模芯體時,在固定座的方形沉腔內(nèi)平放一張與沉腔底面形狀完全一樣、用于密封和絕緣的密封件,再將下模芯體對齊后放進(jìn)固定座的方形沉腔內(nèi)。同樣,在更換上模芯體時,在上壓座的方形沉腔內(nèi)平放一張密封件,再將上模芯體對齊后放進(jìn)上壓座的方形沉腔內(nèi)。接下來,將固體氧化物燃料單電池芯片放置在上模芯體和下模芯體之間,且同時在二者之間放置一張中空的密封件。最后將上壓座下壓在固定座上。在此要注意一點,就是上下模芯體在安裝時,長腰通孔分別要與上壓座和固定座上的長腰盲孔方向垂直,如圖6所示。測試工裝的技術(shù)關(guān)鍵點是固定座與下模芯體、上壓座與上模芯體上的長腰通孔在長度方向上的交叉設(shè)計。A為下模芯體上的長腰孔,B為固定座上的長腰孔,二者交匯區(qū)為C。A隨固體氧化物燃料單電池芯片規(guī)格大小的不同而左右移動,不管是移動到左還是右,A和B始終存在交匯區(qū)C,C就是外部氣體由固定座進(jìn)入下模芯體,到達(dá)單電池芯片下表面反應(yīng)腔的通道。上壓座與上模芯體同理。

圖6 長腰孔結(jié)構(gòu)

測試時,通過上壓座的進(jìn)氣管導(dǎo)入空氣?？諝馔ㄟ^上壓座長腰孔和上模芯體長腰孔進(jìn)入固體氧化物燃料單電池芯片上表面。固定座的進(jìn)氣管導(dǎo)入氫氣,通過固定座的長腰孔和下模芯體的長腰孔進(jìn)入固體氧化物燃料單電池芯片的下表面。在高溫狀態(tài)下,兩種反應(yīng)氣分別進(jìn)入固體氧化物燃料單電池芯片內(nèi)部,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生電動勢。

4 結(jié)束語

通過固體氧化物燃料單電池芯片測試工裝的重新設(shè)計改造,使測試工作更加穩(wěn)定便捷,提高了不同規(guī)格尺寸固體氧化物燃料單電池芯片性能測試效率和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這一技術(shù)同時申請了國家專利,并得到授權(quán)。