平面单电池固体氧化物燃料电池测试的简易压缩密封方法研究

为解决SOFC高温密封难题，研究人员开发了一种基于Thermiculite压缩密封的低成本单电池测试系统。采用AISI316不锈钢反应器和0.2 N·m扭矩密封，实现0.44 mL min?1 m?1 的低泄漏率，在650°C下获得1.04 V稳定开路电位，为实验室级SOFC研究提供了可重复、易操作的解决方案。

　　

随着全球能源需求持续增长，开发高效、低碳的能源转换技术成为当务之急。固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高达60%的能量转换效率和燃料灵活性备受关注，但其商业化进程长期受制于高温密封这一关键技术瓶颈。传统玻璃密封存在脆性大、热膨胀系数(CTE)匹配困难等问题，而金属/云母基压缩密封又面临氧化风险和密封性不足的挑战。在此背景下，开发简单可靠、适合实验室研究的密封方案显得尤为重要。

为突破这一技术壁垒，来自未知机构的研究团队在《Fuel》期刊发表研究，设计了一种基于AISI316不锈钢和Thermiculite密封材料的平面单电池SOFC测试系统。该研究创新性地采用双层Thermiculite 870组合密封（0.7 mm和1 mm厚度），通过0.2 N·m扭矩实现动态密封，避免了传统玻璃密封的高温烧结过程。研究人员通过泄漏率测试、电化学表征和热循环实验系统评估了密封性能，并采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对材料进行后处理分析。

在实验结果部分，泄漏测试显示系统在1.1 bar压力下泄漏率仅为0.44 mL min^?1
m^?1
，显著优于单一Thermiculite材料的标称值。电化学测试中，650°C时开路电位(OCP)达1.14 V，接近理论能斯特电位，气相色谱检测显示阴极氢气浓度接近零，证实了优异的密封效果。值得注意的是，在650-800°C热循环过程中，尽管800°C时OCP降至0.99 V，但冷却后仍能保持1.04 V的稳定值。通过27次启停循环模拟（每次2小时0.7 V极化+2小时OCP），系统在109小时内电流密度仅从0.16降至0.14 A cm^?2
，展现了良好的运行稳定性。

材料表征方面，SEM显示Thermiculite经高温压缩后厚度减少48-54%，形成致密结构；而Ni-YSZ阳极在还原后出现典型孔洞结构。EDS图谱证实GDC缓冲层有效阻止了Sr向YSZ电解质的扩散，避免了有害相生成。这些微观结构特征与电化学性能相互印证，阐明了材料稳定性机制。

该研究的核心价值在于提供了一种低成本、易操作的实验室级SOFC测试方案。相比需要专用设备的商业系统，该设计采用标准AISI316材料和简单螺栓加压结构，显著降低了研究门槛。其模块化特性便于拆卸和部件更换，为后续材料优化和失效分析提供了便利。特别值得关注的是，该方法通过组合不同厚度Thermiculite实现了"自调节"密封，既保护了脆性电解质，又确保了高温下的气密性。虽然Thermiculite在热循环后出现脆化现象，但实际性能衰减可控，表明该材料体系在中等温度范围（650-700°C）具有良好适用性。

这项研究为SOFC基础研究提供了标准化测试平台，其设计理念也可延伸至其他高温电化学反应器领域。未来通过优化密封材料组合和压缩参数，有望进一步提升系统在极端条件下的耐久性，推动SOFC技术向实际应用迈出关键一步。