[发明专利]一种SOFC纽扣式电池测试夹具及其装配方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种SOFC纽扣式电池测试夹具及其装配方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，简称SOFC）是一种将燃料的化学能直接转化为电能的全固态电化学装置，单电池通常为三明治结构，又称PEN（Positive-pole,Electrolyte and Negative-pole），由多孔燃料电极（阳极）、致密电解质和多孔阴极组成。其工作原理如图1所示。在工作温度下（600℃~1000℃），空气中的氧分子在阴极获得电子成为氧离子，氧离子在电池两侧氧浓差的驱动下，自阴极通过电解质中的氧空位迁移到阳极，与燃料气体（通常为H₂）发生氧化反应并释放出电子，最后，电子流经外电路从阳极到达阴极。

在研究开发SOFC电极材料时，通常将电池制备成为纽扣式小面积的半电池和单电池（直径通常为20-30mm，厚度约1mm），然后对电极材料以及电池性能进行相关的研究，其中一项很重要的表征技术就是电化学测试。使用电化学工作站对电极/电池进行电化学测试时主要分为二电极体系和三电极体系。二电极即工作电极（WE）和对电极（CE），而三电极体系另外包括参比电极（RE），两种体系的结构分别如图2（a）、（b）所示。参比电极的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，某些时候，工作电极和对电极的电极电位在测试过程中会发生变化，为了确切地知道其中某一个电极的电位（通常我们关心的是工作电极的电极电位），我们就必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比。三电极体系中存在两个回路：电压回路（WE-RE）和电流回路（WE-CE），可以实现足够的测量精度，并且可以同时测量极化电流和极化电位。因此对于电极研究来说，三电极有着较为突出的优点。

根据电池/电极测试的需要，测试夹具的设计通常需要满足以下要求：

1、为阴极提供空气，为阳极提供燃料气体；

2、有效集流并避免导线短路；

3、在阳极测试及单电池测试时提供可靠的密封；

4、纽扣电池的面积较小，强度也相对较低，夹具设计要便于电池装配。

目前在SOFC电极材料的研究中，所用纽扣电池的结构通常为电解质支撑的半电池，电解质支撑半电池采用较厚的电解质层对薄层阳极/阴极提供机械支撑。该结构中电极厚度较薄（10~20μm），面积较小（0.5cm²），密封相对容易。该类电池的测试夹具以日本TOYO公司及新加坡NTU的设计为代表，前者仅支持二电极体系，后者支持三电极体系的测试要求但装配稍复杂。而对于单电池的研究，目前国际上的单电池通常采用多孔阳极支撑结构。在研究阳极支撑SOFC单电池或者是研究阳极支撑体时，由于阳极支撑体为较厚的多孔结构（1mm），其侧面也需要密封，且作为支撑体，其面积相对较大（5-7cm²），因此对密封有更高的要求。上述两种夹具前者可满足单电池测试需求，后者则难以实现对多孔支撑体的密封。综上所述，目前现有的测试夹具对不同的测试体系以及不同结构的电池进行研究时，兼容性较差，并且装配的可靠性不高。此外，从图2（b）中可以看到，参比电极与对电极的距离较小（约为4mm），在集流时容易发生短路，所以在满足密封要求的同时，如何更好的完成集流，也是测试夹具设计所需要面临的挑战。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可以支持二电极测试和三电极测试体系的SOFC纽扣式电池测试夹具，旨在解决现有技术电池测试时的密封以及集流问题，并且还可以满足不同结构电池的测试需求，尤其是多孔电极支撑的SOFC。