揭秘高溫燃料電池夾具：技術原理與應用實踐

一、高溫燃料電池夾具技術原理

   溫度控制原理

   1、加熱元件工作機制
      常見的加熱元件在高溫燃料電池夾具中起著核心作用。電阻絲加熱爐通過電流通過電阻絲產生焦耳熱，將電能高效轉化為熱能，從而使夾具內部溫度迅速升高。這種加熱方式結構相對簡單，成本較低，在小型夾具中應用廣泛，能夠快速實現對燃料電池工作溫度的提升，滿足其高溫運行需求。例如，一些實驗室用的小型高溫燃料電池測試夾具，多采用電阻絲加熱爐，可在較短時間內將夾具內溫度升至 700℃以上 。
紅外加熱燈則利用紅外線輻射原理，直接向被加熱物體傳遞能量。當紅外線照射到燃料電池及夾具相關部件時，物體分子吸收紅外線能量，產生振動和轉動，進而轉化為熱能，實現加熱目的。與電阻絲加熱相比，紅外加熱燈的加熱速度更快，且能夠提供更均勻的加熱效果，特別適用于大型或形狀復雜的燃料電池夾具，能確保整個夾具內部溫度分布均勻，避免局部過熱或過冷現象，有利于提高燃料電池性能測試的準確性 。

    2、溫度傳感器與控制系統協同
      溫度傳感器是實現精確溫度控制的關鍵環節。熱電偶作為常用的溫度傳感器，基于塞貝克效應工作，即兩種不同金屬導體組成閉合回路，當兩端溫度不同時，回路中會產生熱電動勢，通過測量該電動勢大小即可精確獲取溫度信息。在高溫燃料電池夾具中，熱電偶被布置在關鍵位置，如靠近燃料電池電極處、氣體流道附近等，實時監測夾具內部溫度變化。
溫度控制系統接收溫度傳感器反饋的信號后，與預設的目標溫度進行比對。若實際溫度低于目標溫度，控制系統會增大加熱元件的功率，使加熱速度加快；反之，若實際溫度高于目標溫度，控制系統則降低加熱元件功率，減少熱量產生。通過這種閉環控制方式，能夠將夾具內部溫度穩定在設定值附近，波動范圍可控制在極小范圍內，一般能達到 ±1℃甚至更精確，為高溫燃料電池提供穩定、適宜的工作溫度環境 。

二、電池固定與密封原理

    1、機械固定方式及優勢
      定制的夾具結構通過多種機械方式實現對燃料電池的牢固固定。機械夾緊方式通常采用特殊設計的夾爪或壓板，利用螺栓緊固或彈簧彈力，將燃料電池緊密固定在夾具上。這種方式能夠根據燃料電池的形狀和尺寸進行靈活調整，提供可靠的固定力，防止燃料電池在高溫、高壓等工作條件下發生位移或晃動，確保其內部電極與其他組件之間的相對位置穩定，從而保證電化學反應的正常進行 。
      螺紋連接也是常用的固定手段，通過在燃料電池和夾具相應位置設置匹配的螺紋結構，將兩者緊密連接在一起。螺紋連接具有較高的連接強度和穩定性，且拆卸方便，便于在測試或維護過程中對燃料電池進行更換或調整 。

    2、密封材料與結構設計
      耐高溫、耐腐蝕的密封材料是保障夾具密封性的關鍵。陶瓷密封墊憑借其優異的耐高溫性能，能夠在 800℃以上的高溫環境下保持穩定的密封性能，同時具備良好的化學穩定性，可有效抵抗燃料電池工作過程中產生的腐蝕性氣體侵蝕，適用于高溫、高壓且對密封要求高的環境 。
      硅膠密封圈則在一般的常溫到高溫環境下表現出良好的彈性和密封性能。其柔軟的材質能夠緊密貼合燃料電池與夾具的連接表面，填充微小縫隙，防止氣體泄漏。在密封結構設計上，針對不同類型的燃料電池和夾具，采用了平面密封、錐面密封和螺紋密封等多種形式。平面密封通過在密封面之間設置密封墊，利用壓力使密封墊變形，填充縫隙實現密封；錐面密封利用錐面之間的緊密貼合，在壓力作用下形成良好的密封效果；螺紋密封則通過在螺紋連接處涂抹密封膠或采用特殊的螺紋結構，增強密封性能，確保在高溫工作狀態下，夾具內部的反應氣體不會泄漏，維持燃料電池內部的氣體壓力和成分穩定，為高效電化學反應提供保障 。

三、電氣連接原理

     1、低電阻連接材料選擇
      為實現高效的電氣連接，在高溫燃料電池夾具中，低電阻連接材料的選擇至關重要。高溫合金電極因其具有良好的導電性和耐高溫性能，成為理想的連接材料之一。在高溫環境下，其電阻變化極小，能夠確保電池與測試設備之間的電流傳輸穩定，減少因電阻引起的能量損耗和電壓降，從而保證對燃料電池電流、電壓等性能參數的精確測量 。
      銅基復合材料也常被應用于電氣連接部位，其在保持較高導電性的同時，具備一定的強度和耐腐蝕性，能夠適應燃料電池復雜的工作環境。通過對連接材料的精心選擇和優化，可將接觸電阻降低小值，一般能達到毫歐級別，大大提高了電氣連接的可靠性和穩定性 。

     2、連接結構設計要點
      合理的連接結構設計是保障電氣連接可靠性的關鍵。連接端子的形狀和尺寸經過精確設計，以確保與電池電極和測試設備接口緊密匹配，實現良好的電氣接觸。例如，采用特殊的扁平狀或叉狀端子設計，能夠增大接觸面積，降低接觸電阻。同時，對連接端子進行表面處理，如鍍銀工藝，銀具有極低的接觸電阻和良好的抗氧化性能，可進一步提高連接部位的導電性和穩定性，防止在高溫、高濕度等惡劣環境下發生氧化腐蝕，影響電氣連接性能 。
      此外，在連接結構中還考慮了熱膨脹因素，通過設計具有一定彈性或可調節的連接部件，能夠適應燃料電池和夾具在高溫環境下因熱膨脹產生的尺寸變化，避免連接部位因熱應力而損壞，確保電氣連接在整個工作溫度范圍內始終保持穩定可靠 。

四、高溫燃料電池夾具應用實踐

  在燃料電池性能測試中的應用

     1、實驗測試流程與要點
      在利用高溫燃料電池夾具進行性能測試時，首先需將燃料電池準確安裝在夾具上，確保電池固定牢固且密封良好。然后，通過夾具的溫度控制系統將溫度逐步升高至燃料電池的工作溫度區間，升溫速率需根據燃料電池的特性進行合理控制，一般在每分鐘 5 - 10℃左右，避免因升溫過快導致電池內部組件熱應力過大而損壞 。
在溫度穩定后，向夾具內通入反應氣體，如氫氣、氧氣或空氣等，同時利用夾具的電氣連接系統連接電化學工作站、電池充放電測試儀等測試設備，開始測量電池的各項性能參數，包括開路電壓、工作電壓、電流密度、功率密度、內阻等。在測試過程中，需實時監測溫度、氣體流量、壓力等環境參數，確保測試條件的穩定性。例如，在進行電流密度 - 電壓（I - V）曲線測試時，需以一定的電流密度增量逐步增加負載，記錄每個電流密度下對應的電壓值，從而繪制出準確的 I - V 曲線，通過該曲線可直觀了解燃料電池在不同負載條件下的性能表現 。

    3、數據準確性保障措施
      為確保測試數據的準確性，高溫燃料電池夾具采取了一系列保障措施。在溫度控制方面，除了采用高精度的溫度傳感器和先進的控制系統外，還定期對溫度傳感器進行校準，確保溫度測量的準確性。同時，通過優化夾具的保溫結構，減少熱量散失，進一步提高溫度均勻性，避免因溫度差異導致測試數據偏差 。
在電氣連接方面，選用低電阻、高穩定性的連接材料和結構，并定期檢查連接部位是否存在松動、氧化等問題，及時進行維護和更換。此外，在測試設備的選擇上，采用高精度、高穩定性的儀器，并對儀器進行定期校準和維護。在數據采集過程中，利用數據采集系統對各項參數進行多次采集和平均處理，減少數據噪聲和隨機誤差，從而獲得準確可靠的燃料電池性能數據 。

 在燃料電池電堆組裝中的應用

    1、組裝工藝與夾具作用
      在燃料電池電堆組裝過程中，高溫燃料電池夾具發揮著至關重要的作用。首先，夾具用于精確對齊和固定單電池，確保每個單電池在電堆中的位置準確無誤，電極之間的連接緊密且一致。通過夾具的定位結構，能夠快速、準確地將多個單電池按照設計要求進行堆疊組裝，大大提高了組裝效率和精度 。
在組裝過程中，夾具還能夠施加適當的壓力，使單電池之間的密封材料充分壓縮，形成良好的密封效果，防止氣體泄漏。同時，夾具能夠在一定程度上調節單電池之間的間距，優化電堆內部的氣體流道和電流分布，提高電堆的整體性能 。

    2、提高電堆穩定性與可靠性
      合理使用高溫燃料電池夾具能夠顯著提高電堆的穩定性和可靠性。通過精確的定位和固定，減少了單電池在電堆運行過程中的位移和晃動風險，降低了因機械應力導致的電池損壞概率。良好的密封效果保證了電堆內部氣體壓力和成分的穩定，有利于維持電化學反應的一致性和高效性 。
      此外，夾具在電堆組裝過程中對單電池間距和接觸壓力的優化，有助于改善電堆內部的電流分布均勻性，減少局部過熱或過冷現象，從而延長電堆的使用壽命，提高其可靠性和穩定性。例如，在一些大型固體氧化物燃料電池電堆的組裝中，采用特殊設計的夾具，能夠將電堆的運行穩定性提高 20% 以上，有效降低了電堆的故障率 。

  在不同領域的實際應用案例

    1、分布式發電領域
        在分布式發電項目中，高溫燃料電池憑借其高效、清潔的發電特性得到廣泛應用。以某商業園區的分布式能源系統為例，采用了基于固體氧化物燃料電池的發電裝置，該裝置配備了專門設計的高溫燃料電池夾具。夾具在運行過程中，能夠穩定地將燃料電池工作溫度維持在 750℃左右，確保電池高效發電。同時，通過精確的電氣連接，將燃料電池產生的電能穩定傳輸至電網，為園區內的商業建筑、辦公設施等提供可靠的電力供應。該分布式發電系統在高溫燃料電池夾具的支持下，實現了能源的高效利用，與傳統發電方式相比，能源利用率提高了 15% - 20%，有效降低了園區的能源消耗和碳排放 。

     2、交通運輸領域（輔助動力裝置）
      在交通運輸領域，高溫燃料電池作為輔助動力裝置，為車輛提供額外的電力支持，有助于降低主發動機的負荷，提高燃油經濟性和減少尾氣排放。例如，在一些大型長途運輸車輛上，安裝了固體氧化物燃料電池輔助動力系統，其中的高溫燃料電池夾具采用了輕量化設計，在保證電池固定和密封性能的同時，減輕了整體重量，適應了車輛對設備重量的嚴格要求。在實際運行中，夾具能夠在車輛行駛過程中的振動和溫度變化環境下，穩定地為燃料電池提供適宜的工作條件，確保輔助動力系統在車輛怠速、低速行駛等工況下正常工作，為車輛的照明、空調、電子設備等提供穩定電力，延長了車輛的續航里程，提高了運輸效率 。

五、結論

      高溫燃料電池夾具作為高溫燃料電池技術體系中的關鍵組成部分，其技術原理涵蓋溫度控制、電池固定與密封、電氣連接等多個復雜且精密的領域。通過巧妙設計和合理運用各種技術手段，高溫燃料電池夾具能夠為高溫燃料電池提供穩定、適宜的工作環境，確保其在性能測試、電堆組裝及實際應用中發揮出最佳效能。

      在應用實踐方面，高溫燃料電池夾具在燃料電池性能測試中助力獲取準確可靠的數據，為燃料電池的研發和優化提供了堅實基礎；在電堆組裝中，提高了組裝效率和精度，增強了電堆的穩定性與可靠性；在分布式發電、交通運輸等不同領域的實際應用案例中，充分展現了其對高溫燃料電池技術推廣和應用的重要支撐作用，有效推動了高溫燃料電池在能源領域的廣泛應用和發展。

      隨著高溫燃料電池技術的不斷進步和應用場景的日益拓展，對高溫燃料電池夾具的性能和功能提出了更高要求。未來，需進一步深入研究和創新高溫燃料電池夾具技術，如開發更高效的加熱與溫度控制技術、更可靠的電池固定與密封方案、更先進的電氣連接材料和結構等，以滿足高溫燃料電池在不同領域大規模、高性能應用的需求，為實現能源的高效、清潔利用提供更有力的支持。

產品展示

      SSC-SOFC80固態氧化物燃料電池評價系統用于評估SOFC單電池或電堆的電化學性能、穩定性及效率，明確關鍵影響因素（材料、溫度、燃料組成等）。該系統能夠精確控制操作條件（溫度、氣體組成、流量等），實時監測電化學性能（電壓、電流、阻抗等），并分析反應產物（H?O、CO?、O?等）。本SOFC評價系統設計科學、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統集成的多種測試需求。

      通過高精度控制和多功能測試模塊，可為SOFC的性能優化與商業化應用提供可靠的數據支持。

1、測量不同溫度（600–900°C）下的極化曲線（I-V-P曲線）及功率密度。

2、分析燃料利用率（H?/CH?）對電池效率和輸出性能的影響。

3、 通過電化學阻抗譜（EIS）解析歐姆阻抗、活化極化與濃差極化貢獻。

4、 評估長期運行（>100小時）中的衰減機制（如陽極積碳、電解質老化）。

5、常用燃料氣體：H?、CH?、合成氣（H?/CO）、空氣（氧化劑）。

6、電化學工作站、電子負載（用于I-V、EIS測試）。

7、氣相色譜儀（GC）或質譜儀（燃料利用率分析）。

8、數據采集系統（溫度、電壓、電流實時記錄）。

9、可全面評價SOFC的電化學性能與可靠性，為材料優化和系統集成提供實驗依據。