CN101441252A - 燃料电池的电化学特性评估装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池的电化学特性评估装置，包括：电炉，其内部可以容纳作为评估对象的燃料电池，得到供电后发热而提高燃料电池的周围温度；加压机制，可以对收容在上述电炉内部的燃料电池施加预先设定的固定压力；以及控制单元，控制上述评估装置的整体动作。本发明可设定出适合评估高温型燃料电池特性的温度条件，利用电炉维持较高的燃料电池周围温度，通过加压机制从上方对燃料电池施加一定压力而在燃料电池与歧管紧固接合面之间维持一定压力，营造出适合评估高温型燃料电池电化学特性的最佳环境，确保评估结果的准确性与可靠性。还随着环境条件的变化而获得相应的性能特性资料，设定出燃料电池的最佳工作环境。

Description

燃料电池的电化学特性评估装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的电化学特性评估装置，本发明可针对需要高温环境的燃料电池的性能评估作业而使燃料电池的周围温度维持在高温，使歧管紧固接合面的压力维持一固定值，为燃料电池的电化学特性评估作业提供最佳环境，确保评估结果数据的准确性与可靠性。
背景技术
燃料电池是一种可以把氢与氧的化学能转换成电能的电化学装置，燃料通过电化学的形态进行反应而产生电流，在上述过程也会同时产生热量，因此可以高效率地发电，由于有害气体的排放量较少而减轻了公害问题，是一种颇受欢迎的高效率绿色能量转换装置。
上述燃料电池的基本构造包括：燃料极，作为燃料的氢进行反应后分解成阳离子与电子；氧极，通过电解质移过来的阳离子与氧进行反应后产生水；以及电解质，由燃料极生成的阳离子的移动。燃料极与氧极包括：催化剂层，可以引起电化学反应；气体扩散层(GDL，gas diffusion layer)，使反应气体分散到催化剂上；以及气体通道，导引气体移动。分离板(BP，bipolar plate)的作用是电极，也是一种允许所生成的电子进行移动的集电板，气体通道位于该分离板上，气体通过歧管分散到各CELL、各通道。
上述燃料电池根据发电温度与燃料形态而分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)等。其中，熔融碳酸盐型燃料电池与固体氧化物型燃料电池由于发电温度大于500℃而可以在较高温度发电。
为了制作出效率更高的燃料电池，在燃料电池的电极上连接电负荷，对于根据供应给燃料电池的燃料或催化剂的种类、供应量、温度及压力等变量而变化的输出电量进行分析，为了针对上述变量而设定出最佳反应条件，需要通过电化学特性评估装置进行性能评估过程。
然而，现有的电化学特性评估装置没有考虑到根据燃料电池的种类而存在差异的特性，只在形式上的、千篇一律的条件下针对所有的燃料电池进行评估，因此无法确保评估结果的准确性与可靠性。
例如，熔融碳酸盐型燃料电池与固体氧化物型燃料电池的发电温度高于500℃，是一种发电温度较高的电池，因此需要在上述燃料电池的电化学特性评估过程中维持周围温度的高温状态。然而，目前还没有可以针对上述高温型燃料电池的评估作业而调节并维持适当温度的评估装置。
上述熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物型燃料电池需要在高温状态下供应氢、氧或包含该元素的混合气体，而且需要避免所供应的上述气体在测定区(cell)的内部互相混合，因此通过各自独立的歧管供应。然而，一般金属在200℃到1000℃之间的高温会出现氧化反应，因此很难在燃料电池与歧管接合面之间维持一定压力，接合面也会泄漏气体。目前也还没有可以妥善地克服上述问题的评估装置。
发明内容
为了解决现有燃料电池的电化学特性评估装置的上述问题，本发明的目的是提供一种具有下列优点的燃料电池的电化学特性评估装置，可以设定出适合评估熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池等高温型燃料电池的特性的最佳环境，使周围温度维持在高温，使燃料电池与歧管紧固接合面之间维持一定压力，确保评估结果的准确性与可靠性，还可以随着环境条件的变化而获得相应的性能特性资料，进一步设定出燃料电池的最佳工作环境。
为了实现上述目的，本发明燃料电池的电化学特性评估装置包括：电炉，其内部可以容纳作为评估对象的燃料电池，得到供电后发热而提高燃料电池的周围温度；加压机制，可以对收容在上述电炉内部的燃料电池施加预先设定的固定压力；以及控制单元，控制上述评估装置的整体动作。
上述电炉包括：机壳，其内部形成了可以容纳作为评估对象的燃料电池的一定空间；电热器，安装在上述机壳的内墙，接受外部的电源并发热；以及隔热层，位于上述机壳与电热器之间，可以防止电热器生成的热量流失到外部。
上述电热器是康泰尔(Kanthal)电线埋入式加热器。
上述电炉另外安装了可以实时检测电炉内部温度的温度传感器，上述温度传感器所检测到的电炉内部的温度信息信号将反馈给上述控制单元，控制单元根据上述反馈信号而为电热器供应电源或切断电源，从而使电炉内部的温度一直维持一定值。
上述加压机制包括：安装单元，从下方支持燃料电池；加压单元，从上方对置放在上述安装单元上的燃料电池施加压力；以及加压驱动单元，驱使上述加压单元沿着上下方向进行升降运动。
上述安装单元包括：固定板，其上部直接置放燃料电池并且从下方给予支持；下固定轴，从下方支持上述固定板；以及底板，其上方结合在上述下固定轴的尾端，其下方固定紧固在上述电炉底部，支持上述下固定轴与固定板。
上述加压单元包括：加压板，对于上述安装单元所支持的燃料电池的上部面施加压力；以及上加压杆，上部尾端结合在上述加压驱动单元，下侧尾端结合在上述加压板的上部，随着加压驱动单元的动作而升降并驱使上述加压板进行升降运动。
上述加压驱动单元是由汽缸与活塞杆组成的气压致动器。
优选地，上述安装单元与加压单元使用镍基合金(inconel)材料制作。
优选地，上述上加压杆与加压板通过万向接头连接。
连接件可以把上述上加压杆与加压板连接起来，上述连接件的上部中间位置形成了允许上述上加压杆的下侧尾端插入的插槽，其下部直径小于上部直径，其外柱面的螺纹可以和上述加压板的上部进行螺纹结合，其上部的外柱面具有多个螺丝孔，上述上加压杆的下侧尾端做了圆形加工处理，其上部的外柱面形成了环槽，上述上加压杆的下侧尾端被插入上述连接件的插槽后把固定螺丝紧固在上述螺丝孔，就能使上述固定螺丝安置在上加压杆的环槽内部并对上加压杆施加压力、防止脱离。
如前所述，本发明可以设定出适合评估熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池等高温型燃料电池的特性的温度条件，本发明利用电炉使燃料电池的周围温度维持高温，通过加压机制从上方对燃料电池施加一定压力而使燃料电池与歧管紧固接合面之间维持一定压力，从而营造出适合评估高温型燃料电池的电化学特性的最佳环境，进一步确保评估结果的准确性与可靠性。还可以随着环境条件的变化而获得相应的性能特性资料，进一步设定出燃料电池的最佳工作环境。
附图说明
图1是本发明燃料电池的电化学特性评估装置的主视图；
图2是本发明燃料电池的电化学特性评估装置的侧视图；
图3是本发明的电炉的具体结构侧视图；
图4是本发明的加压机制具体结构及结合关系图；
图5是本发明的加压机制中加压单元的连接关系图；
图6是本发明一较佳实施例的上加压杆与加压板的结合构造图；
图7是本发明燃料电池的电化学特性评估装置的整体结构的概略方块图。
具体实施方式
下面参考附图详细地描述本发明燃料电池的电化学特性评估装置的结构及作用。
图1是本发明燃料电池的电化学特性评估装置的主视图，图2是本发明评估装置的侧视图。
如图所示，本发明燃料电池的电化学特性评估装置包括电炉(100)、加压机制(200)及控制单元(300)。
如前所述，上述电炉(100)可以使燃料电池的周围温度上升到200℃到1000℃左右，从而营造出适合评估熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池等高温型燃料电池性能的高温环境。
图3是上述电炉(100)的具体结构侧视图。如图所示，上述电炉(100)包括机壳(110)、电热器(120)、隔热层(130)及温度传感器(140)。
上述机壳(110)是一个内置了后述的电热器(120)并具有近似于正六面体形状的盒体，该盒体内部的收容部具有一定空间并可以放置作为评估对象的燃料电池，优选地，应该使用耐腐蚀性良好的不锈钢材料制作。
上述机壳(110)的开闭式门(112)可以把作为评估对象的燃料电池投入内部或者从内部取出，上述开闭式门(112)通过其一侧的铰链以旋转方式进行开闭动作，因此在上述开闭式门(112)的一侧面形成了可以在开闭动作时方便把持的手柄(114)。上述机壳(110)的下面另外安装了方便电炉(100)移动的小轮(150)。
如图3所示，上述电炉(100)的机壳(110)内墙安装电热器(120)。上述电热器(120)接受外部的电源并发热，优选地，本发明的上述电热器(120)使用康泰尔电线埋入式加热器。也就是说，发热体使用康泰尔电线(122)，但上述康泰尔电线(122)以安装在陶瓷材料等耐火物(124)内部的方式配置在机壳(110)内墙，然后在供应电源时对内部进行间接加热。
为了防止电热器(120)生成的热量流失到外部，优选地，上述电炉(100)在上述机壳(110)与电热器(120)之间形成隔热层(130)。上述隔热层(130)使用热传导率较低的不燃性材料制作，优选地，可以选择由破损玻璃再生制成的玻璃面或者把石材融化后纤维化的岩面等。
使用220V单相5Kw电源驱动上述电炉(100)的电热器(120)，加热温度达到1000℃。
上述电炉(100)的一侧安装温度传感器(140)。上述温度传感器(140)实时检测电炉(100)的内部温度后把温度信息信号传输给后述的控制单元(300)，从而把电炉(100)的内部温度调整成燃料电池评估作业中所要求的温度并维持其值。本发明的上述温度传感器(140)使用热电偶。如图3所示，上述热电偶温度传感器(140)从外部贯穿电炉(100)的机壳(110)，其尾端位于电炉(100)的内部空间并实时检测电炉(100)内部温度。
具有上述结构的电炉(100)可以在评估高温型燃料电池的电化学特性时满足200℃到1000℃之间的高温条件。
如前所述，本发明燃料电池的电化学特性评估装置配备了加压机制(200)。上述加压机制(200)把一定压力施加到作为评估对象的燃料电池并维持该值。上述加压机制(200)包括安装单元(220)、加压单元(240)及加压驱动单元(260)。图4是上述加压机制(200)的具体结构及结合关图，图5具体显示了上述加压机制(200)中加压单元(240)的连接关系。
上述安装单元(220)在作为评估对象的燃料电池被放置在其上部的情形下从下侧给与支持，如图4所示包括固定板(222)、下固定轴(224)及底板(226)。
上述固定板(222)是一种大约呈矩形的板件，它的上面置放燃料电池并且从下方给予支持。
上述下固定轴(224)是一种可以在上述固定板(222)的下方给与支持的棒件。如图4所示，上部尾端的外柱面上形成了螺纹并且与上述固定板(222)的下侧进行螺纹结合，下侧尾端的外柱面上也形成了螺纹并且与底板(226)的上部进行螺纹结合。
上述底板(226)是一种可以针对结合在上部的下固定轴(224)与固定板(222)给与支持的固定件，上述底板(226)被固定紧固在电炉(100)的机壳(110)底部或者由下固定轴(224)贯穿电炉(100)后以突出于外部的方式安装并结合在其下侧而受到支撑座等的支持。
上述加压单元(240)可以从上方对置放在固定板(222)上的燃料电池施加一定压力，如图3到图5所示包括加压板(244)与上加压杆(242)。
上述加压板(244)是一板件，位于固定板(222)的上部并根据后述的加压驱动单元(260)的动作而进行升降运动，同时按照预先设定的一定压力对置放在上述固定板(222)上的燃料电池施加压力。
如图4所示，上述上加压杆(242)是一棒件，其上侧结合后述的加压驱动单元(260)，下侧结合加压板(244)，可以随着加压驱动单元(260)的动作而升降并驱使加压板(244)进行升降运动。
上述上加压杆(242)可以和安装单元(220)的下固定轴(224)一样与上述加压板(244)直接进行螺纹结合，优选地，通过万向接头进行连接。
图5与图6是本发明一较佳实施例的上加压杆(242)与加压板(244)的结合构造图。
如图所示，上述上加压杆(242)的下侧尾端经过圆形加工处理，其上部的外柱面形成了环槽(243)。上述上加压杆(242)的下侧尾端部插入连接件(246)的上部并结合。
如图5所示，上述连接件(246)的上部中间位置形成了允许上述上加压杆(242)的下侧尾端插入的圆形插槽(247)，该圆形槽的深度应该在上述上加压杆(242)插入时足以完全容纳上加压杆(242)外柱面的环槽(243)。上述连接件(246)的下部直径小于上部直径，其外柱面的螺纹可以和加压板(244)的上部进行螺纹结合。上述连接件(246)上部的外柱面具有多个螺丝孔(248)，上述螺丝孔(248)的位置对应于上加压杆(242)插入连接件(246)的插槽(247)时上加压杆(242)的外柱面环槽(243)的位置。
下面说明具有上述结构的连接件(246)结合上加压杆(242)与加压板(244)的方法。
首先，把上述上加压杆(242)的尾端部插入连接件(246)上部中间位置的插槽(247)。此时，上述上加压杆(242)中经过圆形加工处理的尾端正面接触插槽(247)底面，位于上加压杆(242)外柱面的环槽(243)也完全进入上述插槽(247)内部。把固定螺丝(249)紧固在位于上述连接件(246)的上侧外柱面的螺丝孔(248)上，固定螺丝(249)将如图6所示贯穿连接件(246)并通过其尾端对上加压杆(242)外柱面的环槽(243)表面加压，从而使上述上加压杆(242)以直立状态固定。上述固定螺丝(249)在安置到上加压杆(242)的环槽(243)里面时被上述环槽(243)的内侧挡槛挡住，一般的外力是无法把上加压杆(242)从连接件(246)脱离分开的。然后，使上述连接件(246)的下侧与加压板(244)的上部进行螺纹结合，从而完成上加压杆(242)与加压板(244)的结合。
由于上述安装单元(220)与加压单元(240)安装在高温电炉(100)内部，因此需要使用耐热性良好的材料。本发明的上述安装单元(220)与加压单元(240)使用镍基合金(inconel)材料制作。镍基合金(inconel)是一种以镍为主并添加了15％的铬、6～7％的铁、2.5％的钛及1％以下的铝.锰.硅的耐热合金。不仅耐热性良好，即使在900℃以上的氧化气流里也不会氧化，也不会被含硫大气浸渍。其延伸.拉伸强度.屈服点等各种性质也能在600℃以下的温度保持不变而维持良好的机械性能，也不会受到有机物.盐类溶液的腐蚀。因此非常适合作为本发明评估装置的电炉(100)内部的零件材料。
上述加压单元(240)随着位于其上方的加压驱动单元(260)动作而进行升降运动，从而对置放在固定板(222)上的燃料电池施加一定压力或解除该压力。只要可以驱动上述上加压杆(242)进行上下往复运动，上述加压驱动单元(260)可以使用例如气压致动器，液压致动器或机械式往复驱动机制等。
优选地，本发明的上述加压驱动单元(260)使用气压致动器。图3及图4是本发明一较佳实施例的上加压杆(242)与气压致动器的连接图。
如图所示，上述气压致动器包括汽缸(262)与活塞杆(264)。上述汽缸(262)接受来自外部的压缩空气后驱使所连接的活塞杆(264)进行往复移动。上述汽缸(262)安装在电炉(100)的上部外侧，活塞杆(264)贯穿上述电炉(100)的机壳(110)，其尾端则与上加压杆(242)结合。以汽缸(262)内部的活塞为中心向其两侧交替供应空气而驱使上述活塞杆(264)进行往复移动。上述空气的交替供应是由后述的控制单元(300)控制电磁阀(参考图7)的开闭动作而实现的。活塞杆(264)随着电磁阀的开闭动作而沿着上下方向进行升降移动，因此，结合在上述活塞杆(264)尾端的上加压杆(242)可以进行升降移动。而且，加压板(244)可以随着上加压杆(242)的移动而对置放在固定板(222)上的燃料电池施加压力或解除该压力。
上述控制单元(300)可以控制上述本发明电化学特性评估装置的整体动作，和现有的评估装置一样，可以控制评估时所需要的各种气体的供应量与供应压力等，从连接到燃料电池的电极上的电负荷接收电量数据后加以分析，从而评估该燃料电池的电化学特性。本发明评估装置的控制单元(300)可以根据预先设定的温度数据驱动电热器(120)，以来自温度传感器(140)的电炉(100)内部温度信息为基础控制电热器(120)的动作，可以使电炉(100)内部温度一直维持在预先设定的温度。本发明评估装置的控制单元(300)为了向燃料电池施加压力而控制电磁阀，可以视需要而以汽缸(262)内部的活塞(未图示)为中心驱使空气向其两侧交替流入及流出，从而使活塞杆(264)进行升降运动并对燃料电池施加压力或解除该压力。
前文对本发明电化学特性评估装置的结构做了详细说明。下面结合图7对本发明评估装置的动作关系做进一步说明。图7是本发明评估装置的结构的概略方块图。
首先，工作人员把作为评估对象的燃料电池放在电炉(100)内部的固定板(222)上。通过控制面板对评估时所需要的电炉(100)内部温度进行设定，控制单元(300)对电热器(120)供电而使康泰尔(Kanthal)发热体加热。温度传感器(140)实时检测电炉(100)内部的温度后反馈到控制单元(300)，控制单元(300)根据反馈信号而对电热器(120)供应或切断电源，使电炉(100)的内部温度始终维持在设定温度。
通过控制面板下达要求对燃料电池施加压力的命令时，控制单元(300)将控制电磁阀并利用图7的膨胀线供应空气，从而驱使活塞与活塞杆(264)下降，连接在活塞杆(264)尾端的上加压杆(242)跟着下降并驱使连接在其尾端的加压板(244)下降，然后对燃料电池的上部表面施加压力。
通过上述方法形成了适合评估高温型燃料电池的温度与压力条件后，为阳极供应氢气、为阴极供应氧气后发电。上述阳极与阴极事先连接电负荷，对于氢与氧进行反应后生成的电量进行测定与分析，然后评估燃料电池的电化学特性与性能。
反应后从阴极排放出来的气体被排放到外部，利用除水器(400)把阳极排放物质中的水分除掉后排水，剩下的氢气则由点火器(500)燃烧。
前文结合较佳实施例对本发明做了详细说明，但在本发明的技术思想范畴内，可以根据本发明的详细说明而实现各种变形及修改，这在同一行业人士来说是非常明显的，因此上述实施例不能限定本发明，本发明真正的权利范围应根据权利要求书及其等值范围的技术思想而决定。

Claims (11)

1.一种燃料电池的电化学特性评估装置，包括：
电炉(100)，其内部可以容纳作为评估对象的燃料电池，得到供电后发热而提高燃料电池的周围温度；
加压机制(200)，可以对收容在上述电炉(100)内部的燃料电池施加预先设定的固定压力；以及
控制单元(300)，控制上述评估装置的整体动作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述电炉(100)包括：
机壳(110)，其内部形成了可以容纳作为评估对象的燃料电池的一定空间；
电热器(120)，安装在上述机壳(110)的内墙，接受外部的电源并发热；以及
隔热层(130)，位于上述机壳(110)与电热器(120)之间，可以防止电热器生成的热量流失到外部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述电热器(120)是康泰尔电线埋入式加热器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述电炉(100)另外包括可以实时检测电炉(100)内部温度的温度传感器(140)，上述温度传感器(140)所检测到的电炉(100)内部的温度信息信号被反馈给上述控制单元(300)，上述控制单元(300)根据上述反馈信号而为电热器(120)供应电源或切断电源，从而使电炉(100)内部的温度一直维持一定值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述加压机制(200)包括：
安装单元(220)，从下方支持燃料电池；
加压单元(240)，从上方对置放在上述安装单元(220)上的燃料电池施加压力；以及
加压驱动单元(260)，驱使上述加压单元(240)沿着上下方向进行升降运动。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述安装单元(220)包括：
固定板(222)，其上部直接置放燃料电池并且从下方给予支持；
下固定轴(224)，从下方支持上述固定板(222)；以及
底板(226)，其上方结合在上述下固定轴(224)的尾端，其下方固定紧固在上述电炉(100)底部，支持上述下固定轴(224)与固定板(222)。
7.根据权利要求5所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述加压单元(240)包括：
加压板(244)，对于上述安装单元(220)所支持的燃料电池的上部面施加压力；以及
上加压杆(242)，上部尾端结合在上述加压驱动单元(260)，下侧尾端结合在上述加压板(244)的上部，随着加压驱动单元(260)的动作而升降并驱使上述加压板(244)进行升降运动。
8.根据权利要求5所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述加压驱动单元(260)是由汽缸(262)与活塞杆(264)组成的气压致动器。
9.根据权利要求5所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述安装单元(220)与加压单元(240)使用镍基合金(inconel)材料制作。
10.根据权利要求7所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，上述上加压杆(242)与加压板(244)通过万向接头连接。
11.根据权利要求7所述的燃料电池的电化学特性评估装置，其特征在于，连接件(246)把上述上加压杆(242)与加压板(244)连接起来，上述连接件(246)的上部中间位置形成了允许上述上加压杆(242)的下侧尾端插入的插槽(247)，其下部直径小于上部直径，其外柱面的螺纹可以和上述加压板(244)的上部进行螺纹结合，其上部的外柱面具有多个螺丝孔(248)，上述上加压杆(242)的下侧尾端做了圆形加工处理，其上部的外柱面形成了环槽(243)，上述上加压杆(242)的下侧尾端被插入上述连接件(246)的插槽(247)后把固定螺丝(249)紧固在上述螺丝孔(248)，能使上述固定螺丝(249)安置在上加压杆(242)的环槽(243)内部并对上加压杆(242)施加压力、防止脱离。
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