CN101498614B - 固体氧化燃料电池的检漏方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于固体氧化燃料电池的检漏方法及其装置。该方法包括以下步骤为：(1)将致密钢板安装在设备的固定工作台检测底座上，确保致密钢板的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；(2)将固体氧化燃料电池安装在设备的固定工作台检测底座上，采用与致密钢板同样的方法，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；(3)比对两者的特征参数，如果两者的特征参数相近则认为固体氧化物燃料样品性能合格，否则不合格。该方法检测方便、实用，可操作性强，并且本发明装置结构合理，实用。

Description

固体氧化燃料电池的检漏方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电池性能检测方法和设备，特别是一种用于固体氧化物燃料电池的检漏方法及其装置。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)经历了第1代碱性燃料电池(AFC)，第2代磷酸燃料电池(PAFC)，第3代熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)后，在20世纪80年代迅速发展起了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)。该电池具有诸多的优点，比如：避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题；电极反应过程相当迅速；无需采用贵金属电极因而降低了成本；能量的综合利用效率可从单纯60％电效率提高到80％以上；燃料范围广泛，不仅可以用H₂，CO等作燃料，而且可以直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物如甲醇等作燃料；可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低；使用具有电催化作用的阳极可以在发电同时生产化学品，如制成燃料电池反应器等。目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发。

固体氧化物燃料电池是通过氢氧反应将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置，主要由阴极、阳极和电解质组成，其中，电解质位于阳极和阴极之间。燃料电池在运行过程中，在阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁达到阳极，然后与燃料反应，生成H₂O和CO₂，因而形成了带电离子的定向流动。通过负载输出电能，化学能就转变成电能。如附图1所示，板式固体氧化物燃料电池由阴极1，电解质3和阳极2构成，其中阴极端通入空气4，或者纯氧，阳极端通入燃料气2，一般燃料气主要由CO和H2构成，也有可能是CH₄，H₂，CO，其中任何一种单一气体或者其中两种或两种以上的混合气体。一般阳极发生如下电化学反应CO+O^2-→CO₂+2e^-，H₂+O^2-→H₂O+2e^-，当有CH₄存在也有可能发生如下反应：CH4+4O^2-→2H₂O+CO₂+8e^-。上述电化学反应主要产生游离电子。一般阴极发生如下电化学反应：O₂+4e^-→2O^2-，该过程主要是O₂获得电子生成O^2-。生成的O^2-穿过电解质3到达阳极。这样就形成了完整的电流回路，游离电子在经过外部电路6后，即将化学能转化为电能被用电设备所利用。另外电化学反应过程中还伴随有大量热的产生。整个过程中电解质3起到了非常重要的作用：(1)电解质3必须是很好的阳离子导体；(2)电解质3必须足够致密防止阳极的还原性气体和阴极的氧化性直接接触发生反应。因为直接接触发生的反应是将化学能转化成了热能，这是发电过程所不希望看到的。另外，严重的泄漏将会造成氧化性气体与还原性气体剧烈反应甚至爆炸，发生事故。对于电解质层3，为了获得很好的O^2-导通效果一般将该层做得很薄，以减小O^2-的导通阻力，实际过程中该层厚度为6～10um。在生产过程中，对于这样厚度的电解质层难以进行很好的控制，容易产生缺陷，导致局部没有电解质层，形成废品。因此，在固体氧化燃料电池之前需要对其电解质层的气密性进行检测，以确保其使用质量，而目前市场上并没有针对固体氧化物燃料电池的气密性检测设备。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是提供一种检测方便、实用的固体氧化燃料电池的检漏方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种检测方便、实用、结构合理的固体氧化燃料电池的检漏装置。

本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种固体氧化燃料电池的检漏方法，其特征在于步骤为：

(1)、将致密钢板安装在设备的固定工作台检测底座上，确保致密钢板的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；

(2)、将固体氧化燃料电池安装在设备的固定工作台检测底座上，确保燃料电池的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；

(3)、比对两者的特征参数，如果固体氧化燃料电池对应的特征参数要远远偏离致密钢板的特征参数，则认为固体氧化燃料电池样品性能不合格，如果两者的特征参数相近则认为固体氧化燃料样品性能合格。

作为优选，所述的特征参数计算所依据的模型是P＝P_x+Bt线形模型，或者是 $P=P_0-k_1{e}^{-k_{2}t}$ 指数衰减模型，t为时间，B、k₁、k₂为常数，P_O、P_X、P为压力。这些物理数学模型成熟，容易归纳获得特征参数。

作为优选，所述的固体氧化燃料电池实验获得的特征参数B或者k₂大约是致密钢板实验获得的特征参数B或者k₂大小的1～4倍时，该固体氧化燃料电池被认为是合格，否则被认为是不合格的。

作为改进，所述的致密钢板与固体氧化燃料电池具有同等或大体相同的表面粗糙度，减少系统误差。

作为改进，所述的记录和计算是采用计算机和压力传感器进行检测和计算，以便于快速检测和判别。

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：该固体氧化燃料电池的检漏装置，其特征在于：

一带检测底座的固定工作台，检测底座内凹形成密封腔体，并设置有与致密钢板或燃料电池配合的密封圈；

另一可以下压的上压板，上压板下面也设置有与致密钢板或燃料电池配合的密封圈；

密封腔体通过管道与真空泵连接，同时，管道还与电子压力表或压力传感器连接，而压力表或压力传感器通过数据采集卡连接到计算机，计算机装载有检测和分析软件。

作为优选，上述管道依次通过第一电动阀和第三电动阀再与真空泵连接，第一电动阀和第三电动阀之间管线通过第二电动阀与电子压力表或压力传感器连接，继电器模块输出分别连接各个电动阀，继电器模块通过数据采集卡连接到计算机。

作为优选，所述的第一电动阀和第三电动阀之间管线通过第四电动阀与过滤器和出口管连接。

进一步改进，所述的管道在密封腔体和第三电动阀之间连接有总切断阀。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过计算待测固体氧化燃料电池和致密钢板的在同等条件下形成的密封空间中压力随时间变化的特征参数，然后通过比较待测固体氧化燃料电池和致密钢板的特征参数，来判断待测固体氧化燃料样品的性能是否合格，该方法检测方便、实用，可操作性强；并且提供的固体氧化燃料电池的泄漏检测装置结构合理，实用，开创了针对固体氧化燃料电池的气密性检测的先河。

附图说明

图1为板式固体氧化燃料电池示意图；

图2为本发明实施例中固体氧化燃料电池的泄漏检测装置结构示意图；

图3为本发明实施例中固体氧化燃料电池的泄漏检测方法中步骤(1)的流程图；

图4为本发明实施例中固体氧化燃料电池的泄漏检测方法中步骤(2)的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示为本发明实施例固体氧化燃料电池的检漏装置，其包括带检测底座的固定工作台13，检测底座内凹形成密封腔体，并设置有与致密钢板或燃料电池配合的密封圈16；另一可以下压的上压板12，上压板下面也设置有与致密钢板或燃料电池配合的密封圈15，上压板12能够使致密钢板或燃料电池与密封圈16够充分接触，形成很好的密封效果。密封腔体通过管道与真空泵7连接，同时，管道还与电子压力表或压力传感器连接，而压力表或压力传感器通过数据采集卡连接到计算机，计算机装载有检测和分析软件。本实施例中，管道依次通过第一阀门1、第三阀门3再于真空泵7连接，第一阀门1和第三阀门3之间管线通过第二阀门2与电子压力表9或压力传感器连接，第三阀门3与过滤器6相连，过滤器通过管路与密封腔体相连，第一阀门1和第三阀门3之间管线与第四阀门4相相连，然后连接过滤器5和出口管相连。管道在密封腔体和第三电动阀之间还可以连接有总切断阀。真空压力表9由电源8提供电能，真空压力表9与数据采集卡10的模拟量输入端口相连。第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4有可能是电动阀，也有可能是手动阀。本实施例中第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4均是电动阀，第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4以及真空泵7电流输入端均与继电器模块17相连，继电器模块17与数据采集卡数字输出端相连，数据采集卡10插在计算机11的机箱中，数据采集卡10与计算机11连接。操作者通过安装在计算机11的控制软件完成对数据采集卡的功能控制，继而控制压力数据的采集和电动阀第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4开关切换，真空泵7的开启和关闭。

本发明提供的一种固体氧化物燃料电池的检漏方法，其包括以下步骤：

(1)将致密钢板安装在设备的固定工作台检测底座上，确保致密钢板的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；上述致密钢板最好与固体氧化燃料电池具有同等或大体相同的表面粗糙度；

(2)将固体氧化燃料电池安装在设备的固定工作台检测底座上，确保燃料电池的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；

(3)比对两者的特征参数，如果固体氧化燃料电池对应的特征参数要远远偏离致密钢板的特征参数，则认为固体氧化燃料电池样品性能不合格，如果两者的特征参数相近则认为固体氧化燃料样品性能合格。

其中，特征参数计算所依据的模型可以是P＝P_x+Bt线形模型，也可以是 $P=P_0-k_1{e}^{-k_{2}t}$ 指数衰减模型，t为时间，B、k₁、k₂为常数，P_O、P_X、P为压力。并且计算时，如果固体氧化燃料电池实验获得的特征参数B或者k₂大约是致密钢板实验获得的特征参数B或者k₂大小的1～4倍时，则认为该固体氧化物燃料电池被认为是合格，否则被认为是不合格的。

针对本发明实施例固体氧化燃料电池的检漏装置，上述步骤(1)流程为：首先在检测底座上安装好致密钢板，打开计算机，然后设置抽真空过程所持续的时间tv和记录压力数据所持续的时间tp，一般默认两者均为80s；然后关闭第一阀门1、第四阀门4，打开第二阀门2、第三阀门3；启动真空泵7，打开第一阀门1，维持该状态的时间为tv，然后关闭第一阀门1，开启压力数据记录程序，关闭真空泵7。然后压力数据记录程序，持续记录tp时间后停止运行；通过压力随时间变化的数据计算出特征参数B，k₂；打开第四阀门4，步骤(1)过程结束，这时可以将致密钢板取出，上述记录和计算是采用计算机和压力传感器进行检测和计算的，详见图3所示。

针对本发明实施例固体氧化燃料电池的泄漏检测装置，上述步骤(2)流程为：首先在检测底座上安装好被测的固体氧化燃料电池样品；然后设置抽真空过程所持续的时间tv、记录压力数据所持续的时间tp、针对P＝P_x+Bt模型时特征参数的阀值B0、针对 $P=P_0-k_1{e}^{-k_{2}t}$ 模型特征参数的阀值k₂0，一般B0的值设为致密钢板计算出的特征参数B的1～3倍，k₂0的值设为致密钢板计算出的特征参数k₂的1～4倍；然后关闭第一阀门1、第四阀门4，打开第二阀门2、第三阀门3；启动真空泵7，打开第一阀门1，维持该状态的时间为tv；然后关闭第一阀门1，开启压力数据记录程序，关闭真空泵7。压力数据记录程序持续运行tp时间后停止运行；最后通过压力随时间变化的数据计算出固体氧化燃料电池针对不同模型的特征参数B1，k₂1；详见图4所示。如果选择的计算模型为线形模型的话，如果B1＜B0，则认为被测固体氧化燃料电池样品的气密性能合格，否则认为样品的气密性不合格。如果选择的计算模型为指数衰减模型，如果k₂1＜k₂0，则认为被测固体氧化燃料电池样品的气密性能合格，否则认为样品的气密性能不合格。打开第四阀门4，测试过程结束。

Claims (5)

1.一种固体氧化燃料电池的检漏方法，其特征在于步骤为：

(1)将致密钢板安装在设备的固定工作台检测底座上，确保致密钢板的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；

(2)将固体氧化燃料电池安装在设备的固定工作台检测底座上，确保燃料电池的一侧与大气接触，另一侧与固定工作台检测底座形成密封腔体；然后打开真空泵对所形成的密封腔体抽真空，一段时间后，关闭真空泵，记录密封腔体的压力变化情况，经过一段时间后，计算整个过程中密封腔体压力变化的特征参数；

(3)比对两者的特征参数，如果固体氧化燃料电池对应的特征参数要远远偏离致密钢板的特征参数，则认为固体氧化燃料电池样品性能不合格，如果两者的特征参数相近则认为固体氧化燃料样品性能合格。

2.根据权利要求1所述的检漏方法，其特征在于所述的特征参数计算所依据的模型是P＝P_x+Bt线形模型，或者是

指数衰减模型，t为时间，B、k₁、k₂为常数，P_O、P_X、P为压力。

3.根据权利要求2所述的检漏方法，其特征在于所述的固体氧化燃料电池实验获得的特征参数B或者k₂是致密钢板实验获得的特征参数B或者k₂大小的1～4倍时，该固体氧化燃料电池被认为是合格，否则被认为是不合格的。

4.根据权利要求3所述的检漏方法，其特征在于所述的致密钢板与固体氧化燃料电池具有同等或大体相同的表面粗糙度。

5.根据权利要求4所述的检漏方法，其特征在于所述的记录和计算是采用计算机和压力传感器进行检测和计算。

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