CN103698706A

CN103698706A - 大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量方法及装置

Info

Publication number: CN103698706A
Application number: CN201210369928.8A
Authority: CN
Inventors: 叶晓峰; 仲崇英; 王绍荣; 聂怀文; 史坚; 占忠亮
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-02

Abstract

一种大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量方法及装置，包括：将待测电池制备成多个小电池；分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度；以及根据测量得到的所述多个小电池的电流量和/或电流密度确定所述待测电池的电流分布。本发明的测量方法利用并联电路的原理，将大面积平板型固体氧化物燃料电池分割为若干具有代表性的小电池，通过各个小电池的电流测量，表征整个电池的电流场分布情况，简单易操作，并能结合气体流量和电流大小因素，验证流场设计，为固体氧化物燃料电池的成堆和实际应用提供设计依据。

Description

大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量方法及装置

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种直接测量大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的原理、测量方法、测量装置及其组装与操作方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）能够直接以碳氢化合物为燃料而不需要复杂的外部重整，具有能量转化率高、环境友好、燃料适应性强、系统简便等优点，成为了近年来新能源领域的研究热点。在实际应用中，为了达到较大电流和电压，通常会将SOFC单电池通过一定的方式串联或者并联起来，组装为SOFC电堆。与其它结构的固体氧化物燃料电池相比，平板式固体氧化物燃料电池能量密度高，内阻损失小；结构灵活，气体流通方式多；组元分开制备，工艺简便、多样；组元分开组装，质量容易控制。

SOFC电堆工作时，存在着包括气体传输与扩散、电极表面反应、氧离子在电解质中的传导以及多孔电极中的电子传导、重整反应的吸热和电流效应放热等的多过程耦合，将会对电堆中的温度（热量）、气体（质量）和电流分布（电场）同时产生影响，从而造成对于电堆性能的影响。因此，电池堆内的电流分布测试对研究电堆性能衰减机制、保持电堆安全运行是十分重要的，尤其是SOFC电堆启动、停机、改变工况等瞬态过程中电流的变化等，由于过去研究得少，可参考的数据非常有限；但其对电池堆的实际运行又很重要，更加值得关注。目前各国科学家对于SOFC的电流场分布研究一般仅限于理论模拟和计算，几乎没有运行中的SOFC电流场的实际测量。

仝猛等人在发明专利CN101482599A中公开了利用电流的磁效应、采用外置的磁传感器来间接测量质子交换膜燃料电池内部的电流分布。但是该方法是间接测量电流分布，并且不适合高温运行的固体氧化物燃料电池。

发明内容

本发明的目的在于克服现有理论模拟计算技术的不足，本发明人利用并联电路原理提供一种可行的直接测定平板型固体氧化物燃料电池电流场分布的方法及装置，以了解大面积固体氧化物燃料电池的实际运行状态，为流场的设计优化提供依据。

为了达到上述目的，本发明一方面提供一种大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量方法，包括：将待测电池制备成多个小电池；分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度；以及根据测量得到的所述多个小电池的电流量和/或电流密度确定所述待测电池的电流分布。

本发明的测量方法利用并联电路的原理，将大面积平板型固体氧化物燃料电池分割为若干具有代表性的小电池，通过各个小电池的电流测量，表征整个电池的电流场分布情况，简单易操作，并能结合气体流量和电流大小因素，验证流场设计，为固体氧化物燃料电池的成堆和实际应用提供设计依据。

较佳地，将待测电池制备成多个小电池包括将待测电池的阴极制备为多个相互区隔的块以形成多个小电池。在本发明中，可以通过将阴极制备为多个相互区隔的块，这样可以方便地制备多个小电池。优选地，所述块的面积远远小于待测电池的有效反应区域的总面积。例如，所述块的面积可为待测电池的有效反应区域的总面积的5%以下。

较佳地，本发明的方法还可包括改变待测电池的总电流量，其中，在不同的总电流量下分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度。这样，可以测定不同电流操作条件下的电流分布。

较佳地，本发明的方法还可包括改变待测电池的气流分布，其中，在不同的气流下分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度。这样，可以测定不同气流分布下的电流分布。

较佳地，本发明的方法还可包括将所述多个小电池并联接入燃料电池电流测量装置以测定多个小电池的电流量和/或电流密度。

另一方面，本发明还提供一种大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量装置，所述大面积平板型固体氧化物燃料电池是其阴极和/或阳极制备为多个相互隔离的块以形成多个小电池的待测电池；所述测量装置包括：用于收集待测电池的电流的电流收集单元，所述电流收集单元包括位于待测电池阳极面的泡沫镍阳极电流收集单元、位于待测电池阴极面的银网阴极电流收集单元，所述阳极电流收集单元和阴极电流收集单元对应于多个小电池被区隔为多个子电流收集单元；以及分别与所述多个子电流收集单元连接用于测定各个小电池的电流量和/或电流密度的电流测量单元。

较佳地，本发明的测量装置还可包括进出气单元，所述进出气单元包括一对大面积金属板，所述金属板设置有多个气体通道以形成进气管道和出气管道，所述一对大面积金属板位于所述电流收集单元的两侧。

较佳地，所述金属板可由不锈钢材料制成，例如可使用SUS430S、US320、Crofer22等。

较佳地，所述电池和金属板之间还可设置密封材料。将密封材料填充于所述金属板和所述单电池之间，达到密封和绝缘的效果。优选地，可采用典型的绝缘密封材料如玻璃、云母等。

较佳地，本发明的测量装置还可包括与所述电流测量单元连接的用于记录测量的电流量和/或电流密度的记录单元。

相对于理论计算和模拟，本发明的有益效果主要表现在以下几个方面：

（1）直观：本测量装置可直观测量和显示大面积电池在不同流场设计、不同操作条件下的电流分布，可对理论计算结果进行有效补充；

（2）真实：直接测量单电池在运行状态下各个区块的电流，真实表征其电流场分布情况；

（3）容易实现：除单电池阴极制备稍作改动外，其余测试材料、装置均为该领域常用的，简单易行。

附图说明

图1为具有特殊阴极设置的大面积固体氧化物燃料电池；

图2为根据本发明的平板型固体氧化物燃料电池电流的测量装置的结构示意图；

图3为实施例1采用本发明装置测得的电流场分布结果：(a)各特征区块的电流随电池总电流变化的趋势图；(b)1.11Acm^-2电流密度下各特征区块的电流密度分布图。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明利用并联电路原理提供一种可行的直接测定平板型固体氧化物燃料电池电流场分布的方法及装置。首先，将大面积平板型固体氧化物燃料电池（以下简称待测电池）制备成多个小电池，每个小电池的面积远远小于待测电池的有效反应区总面积。例如，参见图1和图2，将阳极支撑型的待测电池的阴极面区隔为相互分离的多个小面积的小块。小块的面积远远小于待测电池的有效反应区总面积，优选为待测电池的有效反应区域的总面积的5%以下。参见图1，在一个示例中，将阴极区隔为6个小块，但应理解，小块的数目不限于6个。此外，还应理解，在此处，将阴极区隔为多个小块，然而也可以将阳极区隔为多个小块，例如将阴极支撑型的待测电池的阳极区隔为多个小块。

参见图2，其示出本发明的大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量装置示例结构，首先，在该示例中待测电池的阴极3区隔为多个小块以形成多个小电池，阳极支撑体1和电解质层2并没有作特殊处理。在阳极面和阴极面分别设置电流收集单元，阳极电流收集单元4可采用泡沫镍等材料，阴极电流收集单元5可采用银网等材料。在这里阳极电流收集单元4和阴极电流收集单元5也对应于阴极区隔为相应的多个小块。各个小电池和其对应的电流收集单元以并联的方式可接入电子负载等燃料电池测试系统。对于各个小电池分别配置测定电流量和/或电流密度的仪表，例如电流表。在待测电池的两侧可配置一对金属板6、金属板6可由耐高温的不锈钢材料制成，例如可使用SUS430S、US320、Crofer22等。在各个金属板6上可加工有多个气体通道作为进气管道8、9和出气管道10、11以形成进出气单元。应理解，这里虽然示出两个进气管道和两个出气管道，但应理解，可以采用一个或多于两个进气管道，同样也可以采用一个或多于两个出气管道。在金属板6和待测电池之间还可设置密封材料7，所用密封材料包括但不限于玻璃或云母。密封材料可以密封金属板、电流收集材料和电池之间的缝隙。

阴极上区隔的各个小块可分别位于靠近或远离进气管道、出气管道，这样可以测定在不同气流下的位置的电流，以模拟在不同气流场下的电流分布。

下面说明本发明的测定平板型固体氧化物燃料电池电流分布的方法，包括如下步骤。

（1）电池的制备：制备大面积阳极支撑型平板电池，将其阴极制备为若干相互分离的小块区域，这些小区域面积相对阴极总反应区的面积小得多，且一般分布于进气口、出气口等特征部位。

（2）测量装置的组装：按照测量装置要求，在一个示例中依次叠放金属底板、阳极电流收集材料、密封材料、单电池、密封材料、阴极电流收集材料、金属顶板；在另一个示例中依次叠放金属底板、阴极电流收集材料、密封材料、单电池、密封材料、阳极电流收集材料、金属顶板。其中，金属板可采用SUS430S、US320、Crofer22等；阳极集流材料可采用泡沫镍等；阴极集流材料可采用Ag网等；密封材料可采用玻璃、云母等。

（3）测试电路的连接：以上述大面积固体氧化物燃料电池上的各个小块为基础构成若干并联电路的支路，在各个支路中分别接入电流表后，再并联接入电子负载等燃料电池测试系统。

（4）电流场的测试：将测试装置至于电炉中，升温密封后保温再通入反应气体，改变气流、电流等操作条件并记录电流场变化。

下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的尺寸、温度、气体流量以及采用的材料也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值和所用材料。

实施例1

制备如图1所示的SOFC单电池。单电池材料与结构为NiO-YSZ/NiO-SSZ/SSZ/LSM的阳极支撑平板型固体氧化物燃料电池；尺寸为13×13cm²。其阴极划分为6个特征区域，分别标记为1~6；阴极反应区总面积为85cm²，每个特征区域的尺寸为2×2cm²。实际测量中，采用两个进气口、一个出气口的设计；气体流动方向如图所示，氢气和氧气的流动采用平行流、逆流的设计。采用如图2所示的装置测量上述SOFC电池的电流场分布。该装置中，采用的金属材料为SUS430，密封材料为玻璃。电池测试的温度为750℃，氢气和氧气的流量均为200mL min^-1。

该实施例所测得的电流场分布结果如图3所示。(a)图为1～6各特征区块的电流随电池总电流变化的趋势图，各点的电流密度均随着电池电流的增大而线性增长；因此，各点间的电流密度差距越来越大，至总电流达到2.75A时，电流最小的4区和电流最大的6区之间的差距达到0.2A。(b)图为电池总电流密度为1.11A cm^-2时各特征区块的电流密度分布，结合气体流向可知，靠近气体进口的2和6区的电流密度较大、并随着流道方向电流密度有所减小；中间的4区可能存在气体传质的“死角”，从而电流密度最小，至3区由于靠近气体出口，传质有所改善，电流密度又少有上升。

产业应用性：本发明提供的测量方法和测量装置可直接用于测量大面积平板固体氧化物的燃料电池位于不同流场、不同操作电流下的电流分布，又有效表征其电流分布，测试方法简单易行，有广阔的应用前景。

Claims

1.一种大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量方法，其特征在于，包括：

将待测电池制备成多个小电池；

分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度；以及

根据测量得到的所述多个小电池的电流量和/或电流密度确定所述待测电池的电流分布。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，将待测电池制备成多个小电池包括将待测电池的阴极制备为多个相互区隔的块以形成多个小电池。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述块的面积远远小于待测电池的有效反应区域的总面积。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述块的面积为待测电池的有效反应区域的总面积的5%以下。

5.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，还包括改变待测电池的总电流量，其中，在不同的总电流量下分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度。

6.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，还包括改变待测电池的气流分布，其中，在不同的气流下分别测量所述多个小电池的电流量和/或电流密度。

7.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，将所述多个小电池并联接入燃料电池电流测量装置以测定多个小电池的电流量和/或电流密度。

8.一种大面积平板型固体氧化物燃料电池电流分布的测量装置，其特征在于，所述大面积平板型固体氧化物燃料电池是其阴极和/或阳极制备为多个相互隔离的块的以形成多个小电池的待测电池；所述测量装置包括：

用于收集待测电池的电流的电流收集单元，所述电流收集单元包括位于待测电池阳极面的泡沫镍阳极电流收集单元、位于待测电池阴极面的银网阴极电流收集单元，所述阳极电流收集单元和阴极电流收集单元对应于多个小电池被区隔为多个子电流收集单元；以及

分别与所述多个子电流收集单元连接用于测定各个小电池的电流量和/或电流密度的电流测量单元。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，还包括进出气单元，所述进出气单元包括一对大面积金属板，所述金属板设置有多个气体通道以形成进气管道和出气管道，所述一对大面积金属板位于所述电流收集单元的两侧。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述金属板由不锈钢材料制成。

11.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，在所述电池和金属板之间还设置密封材料，所述密封材料为玻璃或云母。

12.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，还包括与所述电流测量单元连接的用于记录测量的电流量和/或电流密度的记录单元。