CN108226789B - 一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，基于利用电子负载作为电测量设备的测试，具体可分为如下步骤：1)测试前准备工作；2)电池的活化及电流扫描上限的确定；3)快速恒电流扫描(瞬态性能快速测试)；4)慢速恒电流扫描(准稳态性能测试)；5)进一步的电流扫描测试；6)稳态极化测量；7)实验数据的处理。本方法强调了燃料电池测量过程中稳态的保持及测试条件的详细记录这两个要点。使用本方法可以准确、简单、高效、直观的对各种不同固体氧化物燃料电池性能进行评价，测试得到的数据全面，可以更好的反映燃料电池的实际工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体来说，涉及一种针对固体氧化物燃料电池的性能测试方法。
背景技术
燃料电池是一种可以直接将燃料及氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，其具有很多相对于传统能源的优势，如效率高，环保无污染等。
燃料电池可按采用的电解质不同而分成多种不同的类型。其中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)以离子传导陶瓷作为电池的主要成分，具有许多独特的优点，被认为在多个领域拥有广阔的发展空间。
根据操作温度的不同，一般将工作于800摄氏度以上的固体氧化物燃料电池称为高温固体氧化物燃料电池，工作于800摄氏度到600摄氏度之间的固体氧化物燃料电池称为中温固体氧化物燃料电池，600摄氏度至300摄氏度则称为低温固体氧化物燃料电池。本发明适用于中低温固体氧化物燃料电池，但其适用范围并不仅限于此。
目前，固体氧化物燃料电池的研究日益深入，催生了许多采用新型材料或结构的燃料电池不断出现，因此亟待提出一种准确、简单、高效、直观的对各种不同体系固体氧化物燃料电池性能进行评价的标准方法。
根据燃料电池的实际应用情况及各种文献，为了区分、描述一种燃料电池性能的好坏，需要进行j-V(电流密度-电压)特性的测量，j-V特性的测量是最普遍使用的燃料电池表征技术，并且提供了对燃料电池性能和功率密度的整体定量评估。对于较小规模的燃料电池，现在一般运用恒速扫描极化曲线的测量方法，即将燃料电池的电流随时间从0到某一预设值逐步扫描，随着电流的上升电压会由于极化的存在而逐步下降。此外，为了满足燃料电池商业化的要求，燃料电池的稳定性能也是一项十分重要的性能指标。
保证稳态以及记录测试条件是燃料电池测试过程中需要注意的两个要点。而在燃料电池的测量过程中现有的测量方法中，扫描的时间间隔与电流步进值是影响测试结果的重要因素。特别是扫描的时间间隔，由于燃料电池内部传质以及能量传递的存在，当工作条件变化时，电池需要经过一段时间才可以达到稳态，这段时间即时间常数。燃料电池的时间常数有3个，其中第一时间常数与燃料电池的电化学过程有关，一般为微秒级别，可以忽略其影响；第二时间常数与电池的物质传输过程有关，一般为秒级别，对电池测试的结果影响有限；最后的第三时间常数与燃料电池的燃料内部的能量传输特性有关，此常数一般为分钟到小时级，其对电池测试结果的影响最大，是最需要注意的时间常数。
不论燃料电池的工作温度如何，时间常数总会存在，但由于气体传质及能量输送特性的影响，文献表明时间常数对中低温条件下燃料电池测试的影响更为显著。为了消除时间常数的影响，得到准确的测量结果，必须确定好j-V曲线中扫描的速度。另外可以知道，j-V特性测量的结果与燃料电池工作环境以及测试条件密切相关，会由于各种条件的不同而发生变化。
在现有的测量方法的专利中，大多侧重于在增强复杂条件下以及微小波动时的测量精度(专利申请号CN201510006771.6)以及燃料电池某一方面特性的测量 (专利申请号CN201410475394.6)。
而大部分测试中所采用的电化学工作站一般采用间隔1-10mV的测试条件，完成一条极化曲线测试时间约100s左右，并没有实现稳态测量。而扫描速度也并没有统一的标准，若扫描速度过快，低于燃料电池的时间常数，会使得燃料电池的状态无法稳定，会造成结果的不准确及数值上的偏高，而过慢时则高于燃料电池时间常数，则会花费过多的时间进行测试。根据相关资料，由于能量传递过程相当复杂，条件不同也会引起相关参数的变化，但资料表明大多数情况下，时间常数的大小低于300秒。同时，由于不同机构或个人所采用的燃料电池测试标准及方法也不尽相同，导致他人在整理汇总不同来源数据时会不可避免的遇到因方法标准不同而造成的数据差异，影响了测试的可比较性。
综上，现有的燃料电池测试方法虽然可以得到更为理想的结果，但往往并不能得到反映燃料电池真实性能的准确数据；同时，由于测试标准的不同，也常常导致结果数据产生额外的差异。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，目的在于得到反映燃料电池真实性能的准确数据；同时减少由于测试标准的不同而导致结果数据产生的额外差异。
技术方案：本发明的一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法基于以电子负载为电测量设备的测试，包括以下步骤：
1)测试前准备工作：将燃料电池固定并置于设定的温度环境下，并进行10 至30分钟左右的预热，其目的在于使电池温度稳定；从电池的两极引出导线并与电子负载或其他测量装置相连接，再通入氢气或碳氢燃料以及空气或氧气，气体流量由流量计进行测量及控制；
2)电池的活化及电流扫描上限的确定：在通入燃料之后的一段时间内燃料电池是不稳定的，因而需要待电池电压达到稳定之后，使燃料电池先在较小的电流密度下工作一段时间直到稳态，再将电子负载切换至短路模式，测量出燃料电池的短路电流；测得的短路电流可用于为恒电流扫描提供电流上限的参考值；
3)快速恒电流扫描即瞬态性能快速测试：待电池性能稳定之后，以小于10 秒的时间为时间间隔，将之前得到的短路电流作为电流上限值，0.1～0.5安培为电流步进值对燃料电池进行快速度的电流扫描，从而得到相关的电流-电压测量数据；
4)慢速恒电流扫描即准稳态性能测试：在完成第3)步中的快速电流扫描过程之后，为了消除电流变化时燃料电池内部传质、能量传递因素的影响，从而保证电池的稳态运行，以300秒以上的时间间隔对燃料电池进行测试，电流上限值及电流步进值的大小同第3)步，从而得到该条件下的燃料电池电流-电压数据；
5)进一步的电流扫描测试：为了保证测量真正克服时间常数的影响并达到稳态，可以在完成300秒恒电流扫描后，继续增加扫描的时间间隔，直至测量结果不再受扫描速度的变化而变化为止，到此就已经得到了一组接近稳态性能的燃料电池性能数据；
6)稳态极化测量：为了验证第4)、5)步中所得结果的准确性，对燃料电池进行稳态测量，即利用电子负载或其他设备使受测燃料电池在大于100个小时的长时间内保持恒电流状态，并且记录得到的实验数据；
7)实验数据的处理：通过以上实验得到的各个数据需要处理成折线图形式的 j-V曲线图，其中以电流密度j为横坐标，电压V为纵坐标，以反映出燃料电池工作电压在不同电流密度的变化，或根据所得数据计算出各个不同电流值所对应的功率密度，更为直观的确定电池的性能。
其中，
步骤1)中所述设定的温度环境为：高温固体氧化物燃料电池为800摄氏度至 900摄氏度，中温固体氧化物燃料电池为800摄氏度至600摄氏度，低温固体氧化物燃料电池为600摄氏度至300摄氏度。
步骤2)中所述小于10秒的时间间隔一般为0.5秒。
所述燃料电池性能数据有开路电压、短路电流、不同电流密度下的放电电压及电池的工作功率密度以及电池的稳定性能。
有益效果：
(1)目前燃料电池测试方法的标准不统一，且多数在瞬非稳态条件下进行。本发明根据燃料电池的实际应用情况及各项资料提出了一种可以准确、简单、高效、直观的对不同种类燃料电池的性能数据进行测试的方法。同时，测试得到的数据全面，可以更好的反映燃料电池的实际工作性能。
(2)目前文献中的燃料电池性能数据是在采用连续快速扫描得到的，由于燃料电池时间常数的影响因而会降低实验数据的准确性，造成结果偏高，无法评价电池的稳定工作性能。本发明采用阶梯步进扫描程序，以300秒及以上为扫描间隔，可以一定程度上减小或消除燃料电池时间常数造成的影响，确保所得准稳态/稳态数据更为贴近实际应用下的状况。
(3)保证稳态以及记录实验条件是燃料电池性能测试的两个要点，本发明通过详细记录实验条件、采用阶梯步进扫描、增加恒电流扫描时间间隔等方式强调了这两个要点，从而保证了测量数据及结果的准确性及公平性。
附图说明
图1是新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法的程序流程图。
图2是新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法所采用的一种典型测试系统示意图；
图中有：接电测量装置1，流量控制2，管道阀门3，燃料气罐4，接排气装置5，燃料电池6，接空气泵7。
图3为质量比为4：1的NSDC-LCNC燃料电池的开路电压稳定过程。
图4是采用不同扫描时间间隔的新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法对质量比为3：1的NSDC-LCN燃料电池进行性能测试所得到的结果。
图5是质量比为3：1的NSDC-LCN燃料电池进行扫描时间间隔为60秒及300 秒时的电压-时间曲线。
图6是采用不同扫描时间间隔的新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法对质量比为3：1的NSDC-LCNC燃料电池进行性能测试所得到的结果。
图7是采用新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法对质量比为3：1 的NSDC-LCNC燃料电池进行长时间稳定性测试所得到的结果。
图8是采用不同扫描时间间隔的新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法对质量比为4：1的NSDC-LCNC燃料电池进行性能测试所得到的结果。
图9是采用新型中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法对质量比为4：1 的NSDC-LCNC燃料电池进行长时间稳定性测试所得到的结果。
具体实施方式
本发明的一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，可针对高、中及低温下所有固体氧化物燃料电池进行测量，并且是基于使用电子负载作为电测量仪器所进行的测试。本发明的测试方法如下所述：
1)测试前准备工作：
将燃料电池固定并置于一定的温度环境(高温固体氧化物燃料电池为800摄氏度至900摄氏度，中温固体氧化物燃料电池为800摄氏度至600摄氏度，低温固体氧化物燃料电池为600摄氏度至300摄氏度)下，并进行10至30分钟左右的预热，其目的在于使电池温度稳定；从电池的两极引出导线并与电子负载或其他测量装置相连接，注意电极的正负情况；再通入燃料(氢气、碳氢燃料等)以及空气(或氧气)，气体流量可由流量计进行测量及控制。详细的测量系统可参考图2中的内容。
另外，为了保证测量的准确以及公正，需要对每次测试的条件进行详细而全面的记录。其中包括的项目有：电池类型、工作温度、燃料流量、空气流量、燃料种类规格等。
2)电池的活化及电流扫描上限的确定：
在通入燃料之后的一段时间内燃料电池是不稳定的，因而需要待电池性能达到稳定之后，使燃料电池先在较小的电流密度下工作一段时间直到稳态。再将电子负载切换至短路模式，测量出燃料电池的短路电流，测得的短路电流可用于为恒电流扫描提供电流上限的参考值。
3)快速恒电流扫描(瞬态性能快速测试)：
接下来待电池性能稳定之后，以较短的时间(小于10秒)为时间间隔，这里取一般值0.5秒，之前得到的短路电流为电流上限值，0.1～0.5安培为电流步进值对燃料电池进行较快速度的阶梯步进电流扫描，从而得到相关的电流密度-电压测量数据。考虑到燃料电池时间常数的存在，由于这一步骤中扫描速度很快，通常低于燃料电池的时间常数，导致电池性能无法稳定，因而得到的数据是不准确的， j-V曲线中的电压会比实际值偏高。
4)慢速恒电流扫描(准稳态性能测试)：
在完成第3)步中的恒电流扫描过程之后，为了消除电流变化时燃料电池内部传质、能量传递因素的影响，从而保证电池的稳态运行，以300秒以上的时间间隔继续对燃料电池进行测试，电流上限值及电流步进值的设置同第3)步，从而得到该条件下的燃料电池电流密度-电压数据。
5)进一步的电流扫描测试：
为了保证测量真正克服时间常数的影响并达到稳态，可以在完成300秒恒电流扫描后，继续增加扫描的时间间隔，直至测量结果不再受扫描速度的变化而变化为止，到此就已经得到了一组接近稳态性能的燃料电池性能数据。
6)稳态极化测量：
为了验证第4)、5)步中所得结果的准确性，可以对燃料电池进行稳态测量。即利用电子负载或其他设备使受测燃料电池长时间(大于100个小时)保持恒电流状态，并记录得到的实验数据。从另一方面来说，长时间j-V测量得到的结果也可用于分析电池的耐久性以及商业化价值。
7)实验数据的处理：
通过以上实验得到的各个数据都是某一时间点上燃料电池的电流电压数据，不够直观也难以分析。因此应将数据处理成以电流密度j为横坐标，电压V为纵坐标，折线图形式的j-V曲线图。从而反映出燃料电池工作电压岁电流密度变化而变化情况。除此之外还需要根据公式计算出各个不同电流值所对应的功率密度，从而更为直观的确定电池的性能。
8)实验完成之后，按照安全规范结束实验，整理实验设备。
下面结合附图举例做进一步说明。
如下是采用发明中的新型测试方法对三种不同材料体系的燃料电池所进行的测试，这三种材料体系分别是质量比为3：1的NSDC-LNC燃料电池、质量比为 4：1的NSDC-LCNC燃料电池以及质量比为3：1的NSDC-LCNC燃料电池进行性能测试的实例及测试结果。。
其中，质量比为3：1的NSDC-LNC电池采用包覆碳酸钠的钐掺杂的氧化铈纳米复合电解质，电极则采用锂化的钴镍电极；而质量比为4：1及3：1的 NSDC-LCNC燃料电池同样采用包覆碳酸钠的钐掺杂的氧化铈纳米复合电解质，但电极材料为锂化的氧化钴、氧化镍(其中钴与铜的含量比例为1：3)和氧化铜。
实验中使用管式电阻炉对燃料电池进行加热，采用电子负载对燃料的电池性能进行测试，电子负载型号则为IT8511+：
1)按照要求将待测燃料电池加热并利用气泵通入空气，并接入电子负载。待电池10～15分钟后完全稳定后，通入氢气作为燃料并开始进行测试，整个测试系统的简图如图2所示；
2)详细记录各项实验条件，包括的项目有：电池类型、工作温度、燃料流量、空气流量、燃料种类规格。对于本次测试来说，测试的电池类型为质量比为3： 1的NSDC-LNC燃料电池，工作温度为550摄氏度，燃料类型为纯度为99.9％的氢气，阳极通入的是空气，氢气流量为180毫升每分钟。
其中，测试使用的电池片以喷涂过电极材料的泡沫镍为电极，将NSDC、 LCNC(LNC)混合物置于两片电极之间，再利用圆形模具，通过压片机压制而成， NSDC、LCNC(LNC)混合时需滴入无水乙醇并且经过研磨。最终制得的电池片大小为直径13毫米，有效工作面积为0.64平方厘米。
3)通入燃料后约10分钟，待燃料电池的性能趋向稳定后，通过将电子负载设为短路状态对燃料电池的最大短路电流进行测试，燃料电池的开路电压稳定过程如附图3所示。对于第一个测试体系质量比为3：1的NSDC-LNC燃料电池来说，所得结果为1.5安培，电流密度为2.4安培每平方厘米。另外两种燃料电池体系的短路电流为1.2安培，电流密度为1.8安培每平方厘米。
4)将电子负载恢复至断路状态，等待约5至10分钟电压稳定之后进行时间间隔为0.5秒，电流步进值为0.1安培，电流上限取略低于步骤3中测得的电池短路电流的快速电流扫描测试，并且记录数据。对于第一个测试体系质量比为3：1 的NSDC-LNC燃料电池来说此上限取1.5安培，另外两种则取1.2安培。
5)将电子负载恢复至断路状态，等待约5至10分钟电压稳定之后进行时间间隔为60秒，电流步进值为0.025安培，电流上限为取略低于步骤3中测得的电池短路电流的快速恒电流扫描测试，并且记录数据，其中电流上限具体取值同步骤4)。
6)将电子负载恢复至断路状态，等待约5至10分钟电压稳定之后进行时间间隔为300秒，电流步进值为0.05安培，电流上限为取略低于步骤3中测得的电池短路电流的慢速恒电流扫描测试，并且记录数据，其中电流上限具体取值同步骤4)。
7)对燃料电池进行长时间稳定性测试，测试条件同第2)步，设置定电流大小为0.55安培每平方厘米，测试进行到燃料电池失效为止，记录并保存数据。
8)利用相关的数据处理软件对所得结果进行处理与分析，包括计算电池在不同工作电流下的电流密度、功率密度，以及绘制j-V-P折线图。
为了更为全面、清晰的描述燃料电池的性能，绘制了以电流密度(安培每平方厘米)为横坐标，电压(伏特)及功率密度(瓦特每平方厘米)为纵坐标的0.5 秒、60秒及300秒阶梯步进电流扫描测试折线图。其中，两条曲线分别为j-V和 j-P曲线。长时间稳态测试的结果则以持续时间(小时)为横坐标，电池电压为(伏特)纵坐标。
对于质量比为3：1的NSDC-LNC燃料电池体系来说，由图3可以看出虽然其瞬时性能较好，特别是瞬时功率密度可以达到0.8瓦每平方厘米以上，但以 60秒为扫描速度时所测得的性能已大大下降，而300秒的扫描过程则由于电池失效而无法得到完整的数据。图4则进一步说明了这一点，此种体系的燃料电池虽然以60秒为扫描时间间隔时仍可得到完整的数据，但在进行300秒测试时电池在0.39安培每平方厘米的电流密度下发生失效，电池电压降到很低，因而无法通过300秒扫描测试，无法得到完整数据。这也说明该体系的稳定性不佳，无法通过稳态及准稳态测试，也就无法继续进行接下来的测试。
而对于质量比为4：1的NSDC-LCNC燃料电池以及质量比为3：1的 NSDC-LCNC燃料电池，由所得测试结果附图6、附图8中可以看出，虽然其瞬时性能不如上一体系，但稳定性较佳，可以通过以300秒为扫描速度的准稳态测试并得到完整的扫描数据。因而这两种体系可以继续进行下一步中的燃料电池稳定性测试。
同时，由附图6以及附图8也可以看出，在较短的扫描时间间隔(0.5 秒、60秒)下所得到的功率密度结果比准稳态情况下偏高，电压随电流密度的升高也下降的更快，这一点说明了时间常数及扫描时间间隔对实验结果的影响，较短的扫描时间间隔会掩盖时间常数的影响，使电池得不到足够的时间以恢复到平衡态，从而导致电池实验结果的提升。而对比附图6以及附图8两者的性能也可以看出，质量比为3：1的NSDC-LCN燃料电池性能较好，瞬时及准稳态性能也更为稳定。
在进一步对后两种体系的燃料电池进行长时间的稳态性能测试，由附图7可以看出，质量比为3：1的NSDC-LCNC燃料电池性能在定电流密度0.7安培每平方厘米的情况下在不断的发生衰减，至220分钟之后则出现了失效，电池电压降至很低。而由附图9可以看出，质量比为4：1的NSDC-LCNC燃料电池稳定性较好，在持续运行了11小时以上后仍未出现明显的衰减情况，因此可知该体系燃料电池稳定性较佳，具有较高的耐久性。
9)实验完成之后，按照安全规范结束实验，并整理实验设备。
Claims (4)
1.一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，其特征在于，该测试方法基于以电子负载为电测量设备的测试，包括以下步骤：
1)测试前准备工作：将燃料电池固定并置于设定的温度环境下，并进行10至30分钟的预热，其目的在于使电池温度稳定；从电池的两极引出导线并与电子负载设备相连接，再通入氢气或碳氢燃料以及空气或氧气，气体流量由流量计进行测量及控制；
2)电池的活化及电流扫描上限的确定：在通入燃料之后的一段时间内燃料电池是不稳定的，因而需要使燃料电池先在较小的电流密度下工作一段时间直到稳态，待电池电压达到稳定之后，将电子负载切换至定电流模式，测量出燃料电池的短路电流；测得的短路电流可用于为恒电流扫描提供电流上限的参考值；
3)快速恒电流扫描即瞬态性能快速测试：待电池性能稳定之后，以小于10秒的时间为时间间隔，将之前得到的短路电流作为电流上限值，0.1～0.5安培为电流步进值对燃料电池进行快速度的电流扫描，从而得到相关的电流-电压测量数据；
4)慢速恒电流扫描即准稳态性能测试：在完成第3)步中的快速恒流扫描过程之后，为了消除电流变化时燃料电池内部传质、能量传递因素的影响，从而保证电池的稳态运行，采用阶梯步进扫描程序以300秒以上的时间间隔对燃料电池进行测试，电流上限值及电流步进值的大小同第3)步，从而得到该条件下的燃料电池电流-电压数据；
5)进一步的电流扫描测试：为了保证测量真正克服时间常数的影响并达到稳态，在完成300秒恒电流扫描后，继续增加扫描的时间间隔，直至测量结果不再受扫描速度的变化而变化为止，到此就已经得到了一组接近稳态性能的燃料电池性能数据；
6)稳态极化测量：为了验证第4)、5)步中所得结果的准确性，继续对燃料电池进行稳态测量，利用电子负载设备使受测燃料电池在大于100个小时的长时间下保持恒电流状态，并记录得到的实验数据；
7)实验数据的处理：通过以上实验得到的各个数据需要处理成折线图形式的j-V曲线图，其中以电流密度j为横坐标，电压V为纵坐标，从而反映燃料电池工作电压在不同电流密度的变化，或根据所得数据计算出各个不同电流值所对应的功率密度，更为直观的确定电池的性能。
2.如权利要求1所述的一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，其特征在于，步骤1)中所述设定的温度环境为：高温固体氧化物燃料电池工作温度为800摄氏度以上，中温固体氧化物燃料电池为800摄氏度至600摄氏度，低温固体氧化物燃料电池为600摄氏度至300摄氏度。
3.如权利要求1所述的一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，其特征在于，步骤2)中所述小于10秒的时间间隔一般为0.5秒。
4.如权利要求1所述的一种中低温固体氧化物燃料电池的性能测试方法，其特征在于，所述燃料电池性能数据有定电流条件下的开路电压、定电压下的短路电流、不同电流密度下的放电电压及电池的工作功率密度以及电池的稳定性能。
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