CN112068019A - 一种平板型sofc电流密度分布式端板测试结构及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法，设置阴极端板和阳极端板分别与SOFC电池形成密封腔体；分别用于空气与燃料气的供应；阴极端板和/或阳极端板设置n个电压测试通道，分别通过采样电阻采集所述固体氧化物燃料电池的n个区域的采样电压；总电流测试通道向所述固体氧化物燃料电池施加负载并测试固体氧化物燃料电池输出的负载总电流，负载总电流为n个区域的电流之和，依据所述采样电阻采集的n个区域的采样电压计算获得各区域电流密度。本发明实现了平板型大面积固体氧化物燃料电池高温运行条件下多个局部区域电流的实时测量。

Description

一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法

技术领域

本发明涉及燃料电池测量技术领域，尤其涉及一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的发电装置，由于不受卡诺循环限制而具有较高的能量转换效率，且对环境无污染。

在多种燃料电池中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有全陶瓷固体结构，不需要贵金属催化剂且能够直接使用碳基燃料，此外，较高的运行温度也使SOFC的能量转化效率进一步提高。因此，固体氧化物燃料电池近年来得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视，在便携式电源、分布式电站及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。

在实际应用中，通常会将SOFC单电池通过一定的方式进行串联，组装为SOFC电堆，以输出较大的电压。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具有气体流通方式多、制备与组装工艺简便、易于控制质量与体积等优点，成为了商业化发展的重点研发对象。

大功率固体氧化物燃料电池需要输出较大的电流，这势必要求平板式固体氧化物燃料电池的单电池具有很大的面积。然而，大面积平板式SOFC一般采用平行电池板方向供气，电化学反应导致的气体消耗及产放热会引起SOFC电极同一平面上组分浓度和温度分布不均，并进一步导致电流密度的不均匀分布。电流密度的分布不均匀会导致电极的微观结构变化不均，且可能引起局部温度升高，最终导致电池内应力过大从而开裂失效。因此，非常有必要对平板式SOFC电流密度分布进行研究，从而探索性能衰减机制，寻求能提高电流密度分布均匀程度的电池生产与测试技术，延长燃料电池寿命，加速燃料电池商业化进程。

公开号为CN 103018678A的专利公开了一种固体氧化物燃料电池的测试系统。该测试系统通过设立第一电压表、第二电压表、第一电流表、第二电流表对电池阵列的每个单电池进行电压和电流的测量，其权利要求主要在于系统设计。实际操作中，对每一个单电池进行直接电流测量极为困难和复杂，且其没有进一步区分单电池内部电流分布。

公开号为CN 107356879B的专利公开了一种基于多物理场的电池健康状态检测与评估方法及装备系统。其采用同时施加电、热、磁三种物理场，采集电池材料体系所含元素的固态核磁信息及电池电性能信息。但对高温下如何施加和测量电、热、磁物理场信息没有进一步描述。

公开号为CN 103698706A的专利公开了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。该专利将大电池划分成多个小电池，并直接测量多个小电池的电流量，多根电流引线从电池引出至端板外且相互之间要求绝缘，这会导致端板的设计制造工艺复杂，制作成本高，且端板的气密性难以保证。受限于电流引线直径的限制，该专利的实施例中测量的电流值一般较小(小于1安培)。工业应用中，固体氧化物燃料电池一般可达100安培。因此，亟需一种设备替代直接电流测量，解决上述问题。

公开号为CN 105866214A，CN 102967733B的专利公开了以纽扣式小电池为研究对象的电池测试夹具，公开号为CN 108598530 A的专利公开了一种固体氧化物燃料电池连接体的面比电阻测试夹具，公开号为CN 108598530 A的专利公开了接合加压单元的固体氧化物燃料电池的夹具模块，公开号为CN 108598530 A的专利公开了一种燃料电池用多流场测试夹具。可见，目前尚未存在一种测量大面积平板型固体氧化燃料电池局部电流的测试夹具。

与之相对，电流密度测量技术在工作于低温区间(200℃以下)的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中已经有了较为广泛的研究与应用。主要测试方法是将集流板分区并保证相互绝缘，从而得到相对独立的若干区域，之后将各区域的电流引线接入电流测试元件。例如，专利ZL200910248844.7一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分布式端板结构，在绝缘母板上镶嵌互相绝缘的子集流块，并在与集流块的电流引线上设置电流互感元件进行电流测试；专利ZL200810017977.9一种燃料电池局部电流密度测量流场板和专利CN101324641B一种燃料电池局部电流密度测量流场板，在印刷电路板上刻有气体流道并设置金属镀层区进行集流，再通过测量印刷电路板上不同支路中采样电阻两侧的电压实现局部电流的测量。

然而，由于PEMFC的工作温度远低于SOFC的工作温度，固体氧化物燃料电池的运行温度为500-1000℃温度区间，难以同时兼顾多个电流测量通道的绝缘性与供气模块的气密性。现有专利在应用于平板式SOFC电流密度分布原位测量时主要存在以下技术缺陷：

1.电流测量元件(霍尔效应器件、印刷电路板等)不耐高温，因此不能同电池一起置于高温炉内。若电流引线从高温的炉内引出至低温区的电流测试元件，电流引线上的沿程电压损失会导致测量范围缩小并引入测试误差。

2.多根直径较大的电流引线从电池引出至端板外，且多条引线之间要求绝缘，这会导致端板的设计制造工艺复杂，制作成本高，且端板的气密性难以保证。

3.端板分区集流时各区域的实际集流面积不同会导致测量误差；电极分割虽然能够明确集流面积，但需要通过严格控制测试电路使各区域电势同步，测试复杂且容易出现误差。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法，使用的端板测试结构能够在高温运行条件下对各区域电流进行测量，同时能保证整体气密性，且能明确各区域集流面积及实际电势，减小测量误差。

为达到上述目的，本发明提供了一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，包括：阴极端板、阳极端板以及总电流测试通道；

平板型SOFC电池设置于所述阴极端板与阳极端板之间，所述阴极端板、阳极端板分别与固体氧化物燃料电池形成独立密封腔体，分别用于空气与燃料气的供应；

所述阴极端板和/或阳极端板设置n个电压测试通道，n个电压测试通道分别通过采样电阻采集所述固体氧化物燃料电池的n个区域的采样电压，对应n个区域的电流的大小；

总电流测试通道向所述固体氧化物燃料电池施加负载并测试平板型SOFC电池输出的负载总电流，负载总电流为n个区域的电流之和。

进一步地，所述阴极端板设置阴极端板顶板，所述阳极端板设置阳极端板顶板；所述阴极端板顶板和所述阳极端板顶板分别设置一个电流引线接头引出负载总电流的电流测试引线；电压测试通道对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板设置电压引线贯穿孔引出每个电压测试通道的测试采样电压的引线。

进一步地，每个所述电压测试通道包括金属芯、采样电阻、雕刻有气体流道的子集流体以及电压测试单元；所述雕刻有气体流道的子集流体贴附在所述固体氧化物燃料电池的一个区域的表面，收集所在区域的电流；所述采样电阻贴附在子集流体的表面，将电流转换为采样电压；所述金属芯连接至所述采样电阻的上表面，将电流引至对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板；所述电压测试单元位于所述密封腔体外，用于测试采样电压的大小。

进一步地，各个所述电压测试通道的采样电阻大小相同。

进一步地，测试采样电压的引线为直径1.2～1.8毫米的银线；电流测试引线选用直径不低于8毫米的银线。

进一步地，所述采样电阻包括位于两端的金属圆形板和金属圆形板之间的金属棒。优选的，金属棒选用镍洛合金、钨钢材料或铂金材料。

进一步地，还包括计算单元，根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

本发明另一方面提供一种利用权利要求所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构进行电流密度测试的方法，包括：

将所述固体氧化物燃料电池设置分割线，分割为n个区域；

将所述固体氧化物燃料电池放入所述阴极端板和阳极端板内；每个区域对应连接电压测试通道；所述固体氧化物燃料阳极和阴极分别与对应的集流器形成燃气、空气通路，用高温密封胶进行密封；

封闭所述阴极端板和阳极端板；连接负载；

放入高温测试炉内，温度设置为600～850℃；通入燃气和空气，使电池处于放电状态；

测量n个区域的采样电压以及负载总电流；根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

进一步地，每个所述电压测试通道包括金属芯、采样电阻、雕刻有气体流道的子集流体以及电压测试单元；所述雕刻有气体流道的子集流体贴附在所述固体氧化物燃料电池的一个区域的表面，收集所在区域的电流；所述采样电阻贴附在子集流体的表面，将电流转换为采样电压；所述金属芯的连接至所述采样电阻的上表面，将电流引至对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板；所述电压测试单元位于所述密封腔体外测试采样电压的大小；

将所述固体氧化物燃料电池放入所述阴极端板和阳极端板内，之前还包括进行各个电压测试通道绝缘测试：

对于每个电压测试通道检测：每个雕刻有气体流道的子集流体与所述金属芯之间的电阻值R1；每个雕刻有气体流道的子集流体与临近的顶板边缘的电阻值R2；每个雕刻有气体流道的子集流体之间的电阻值R3；

当每个电压测试通道均满足R1≤R2，R2≤R3，则电压测试通道的绝缘满足要求；否则检查电压测试通道的绝缘。

进一步地，计算每个区域的电流，进而获得电流密度，还包括对每个区域的电流进行校正：

调节负载大小，分别获得对应的n个区域的电流的大小，计算对应的；对于第i个区域，实际电压阴极端板和阳极端板之间的电压V_out和第i个区域的采样U_i之和为纵坐标，以第i个区域的电流I_i为横坐标，绘制每个区域放电电流与放电电压的关系曲线；

沿y＝V_out直线依次读取各个局部区域的电流值，获得固体氧化物燃料电池输出电压为V_out时，每个区域的电流作为校正后的电流；

采用校正后的电流计算固体氧化物燃料电池各局部区域的电流密度。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法，实现了平板型大面积固体氧化物燃料电池高温运行条件下多个局部区域电流的实时测量。

(2)鉴于SOFC低电压大电流的放电特点，直接测量电池局部区域的电流，需要布设额外的电流通道，这将大大增加电路沿程电压损失。本发明选用测量电压信号反推电流信息，测试结果更为准确。此外，电流引线直径较大，将降低供气模块气密性。本专利公开的电压引线相对于电流通道当量直径可减小一个数量级，电压引线的绝缘和密封相对简单。

(3)本发明提供了一种依据采样电阻两端电势差以及电池总输出电流值确定局部电流大小的方法，降低了采样电阻对材料电阻率的要求，简化了测试流程；并在此基础上提出了使用该端板结构对燃料电池电学性能影响的校正方法，提高了局部电流测试的准确性。

(4)本发明公开的测试设备首次实现同时测量高温运行条件下单电池的多个局部电流，为进一步分析高温运行条件下电池内部电势分布、燃料气浓度分布提供了实验测量手段。能够在实现600～850℃温度范围进行测试。

附图说明

图1为平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构示意图；

图2为四通道电池阴极端板盖的示例图；

图3为采样电阻的结构示意图；

图4基于四通道夹具测试的燃料电池等效电路图；

图5为常规放电状态下的燃料电池等效电路图；

图中：1-阴极端板，2-电压表，3-阳极端板，4-电子负载，5-阴极端板顶板，6-T型金属芯，7-采样电阻，8-阴极子集流体，9-固体氧化物燃料电池，10-阳极集流体，11-阳极端板顶板，12-阴极电流引线接头，13-电流引线，14-阳极电流引线接头，15-第一电压引线，16-第二电压引线，17-T型金属芯贯穿孔，18-第一电压引线贯穿孔,19-第二电压引线贯穿孔，20-金属圆形板，21-金属棒。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，包括：阴极端板、阳极端板以及总电流测试通道。

平板型SOFC电池设置于所述阴极端板与阳极端板之间，所述阴极端板、阳极端板分别与固体氧化物燃料电池形成独立密封腔体，分别用于空气与燃料气的供应。

所述阴极端板和/或阳极端板设置n个电压测试通道，n个电压测试通道分别通过采样电阻采集所述固体氧化物燃料电池的n个区域的采样电压，对应n个区域的电流的大小。电压测试通道可以设置在阴极端板或阳极端板，结构相同。由于阴极端板对于绝缘和密封的实现相比于阳极端板更加容易实现，因此优选电压测试通道设置在阴极端板。也可以在阴极端板和阳极端板同时设置电压测试通道，分别测试各个区域的电流密度，计算的电流密度互相对比，进行相互验证。

所述阴极端板和所述阳极端板均为一体化结构，所述阴极端板设置阴极端板顶板，所述阳极端板设置阳极端板顶板；所述阴极端板顶板和所述阳极端板顶板形成密封腔体，分别设置一个电流引线接头引出负载总电流的电流测试引线；电压测试通道对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板设置电压引线贯穿孔引出每个电压测试通道的测试采样电压的引线。每个所述电压测试通道包括金属芯、采样电阻、雕刻有气体流道的子集流体以及电压测试单元；所述雕刻有气体流道的子集流体贴附在所述固体氧化物燃料电池的一个区域的表面，收集所在区域的电流；所述采样电阻贴附在子集流体的表面，将电流转换为采样电压；所述金属芯的连接至所述采样电阻的上表面，将电流引至对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板；所述电压测试单元位于所述密封腔体外测试采样电压的大小。

不设置电压测试通道的端板由顶板、雕刻有气体流道的集流体构成，雕刻有气体流道的集流体将所有区域的电流引至顶板，特别地该端板为整体部件，只设置一个总电流测试通道，不设置任何电压引线。

进一步地，测试采样电压的引线为直径1.2～1.8毫米的银线；电流测试引线选用直径不低于8毫米的银线，且顶板不用考虑绝缘。传统测试方式，测试每个区域的电流，每个区域的电流引线。对比电流引线与电压引线的阻值要求，电流引线直径一般为电压引线的数倍。因此，对比电流引线和电压引线的绝缘性和密封性要求，本发明中的电池端板结构设计有利于保障高温下电池端板的气密性。

总电流测试通道向所述固体氧化物燃料电池施加负载并测试固体氧化物燃料电池输出的负载总电流，负载总电流为n个区域的电流之和。

进一步地，还可以包括计算单元，根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。作为另一种实时方式，也可以采用电压表测量各个区域采样电压，电流表测试总电流，人为记录数值并计算。

进一步地，依据本发明设计的局部电流计算方法，采样电阻在高温下的阻值不必要已知，只需保证各采样电阻阻值相等或成比例即可，这大大降低了采样电阻对电阻材料特性的要求。采样电阻由金属圆形板20和金属棒21组成，金属圆形板和金属棒均应在高温下具有良好的抗氧化性，可在电池升降温循环过程重复使用。依据平板型大电池实测结果，采样电阻上的压降应在50毫伏以内，根据区域面积估算区域最大电流，通过改变金属棒的长度、横截面积调节采样电阻阻值，以满足压降要求。采样电阻高温下有一定机械强度，且阻值对通过的电流密度不敏感，可选用镍洛合金或钨钢材料。优选的，采样电阻材料可选择铂金。

进一步地，本发明的测试结构可用于流场分布对大电池电学性能影响研究。子集流体底部雕刻有正常的流道，各子集流体之间保留缝隙，且垂直于气流方向的缝隙流道以下填充耐高温绝缘材料，平行于气流方向的缝隙全部填充耐高温绝缘材料，从而保证分区测量电流时电池保持原有流场分布。本端板对流场结构无限制，平行逆向流、平行顺向流和交叉流等三种常用流场形式均可使用本端板结构。

本发明另一方面提供一种利用所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构进行电流密度测试的方法，包括以下步骤：

(1)进行各个电压测试通道绝缘测试

对于每个电压测试通道检测：每个雕刻有气体流道的子集流体与所述金属芯之间的电阻值R1；每个雕刻有气体流道的子集流体与临近的顶板边缘的电阻值R2；每个雕刻有气体流道的子集流体之间的电阻值R3；

当每个电压测试通道均满足R1≤R2，R2≤R3，则电压测试通道的绝缘满足要求；否则检查电压测试通道的绝缘。

(2)将所述固体氧化物燃料电池设置分割线，分割为n个区域。

(3)将所述固体氧化物燃料电池放入所述阴极端板和阳极端板内；每个区域对应连接电压测试通道；所述固体氧化物燃料阳极和阴极分别与对应的集流器形成燃气、空气通路，用高温密封胶进行密封。

(4)封闭所述阴极端板和阳极端板；连接负载。

(5)放入高温测试炉内，温度设置为600～850℃；通入燃气和空气，使电池处于放电状态；测量n个区域的采样电压以及负载总电流；根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

进一步地，计算每个区域的电流，还包括对每个区域的电流进行校正：

调节负载大小，分别获得对应的n个区域的电流的大小，计算对应的；对于第i个区域，实际电压阴极端板和阳极端板之间的电压V_out和第i个区域的采样U_i之和为纵坐标，以第i个区域的电流I_i为横坐标，绘制每个区域放电电流与放电电压的关系曲线；

沿y＝V_out直线依次读取各个局部区域的电流值，获得固体氧化物燃料电池输出电压为V_out时，每个区域的电流作为校正后的电流；

采用校正后的电流计算单位面积固体氧化物燃料电池的电流获得电流密度。

实施例1

参照图1所示，该实施例提供了一种固体氧化物燃料电池四通道局部电流密度测量结构，包括阴极等分为4个区域的固体氧化物燃料电池9，安装在电池两侧的含有四个独立电压测试通道的阴极端板1和一体化结构阳极端板3。电子负载4通过电流引线13分别连接到阴极电流引线接头12和阳极电流引线接头14上，实现与阴极端板和阳极端板连接，并用于控制和测量电池放电过程中总电流。

四通道电池阴极端板1包括电池阴极端板盖5，四个T型金属芯6，四个采样电阻7，四个独立雕刻有气体流道的子集流体8。固体氧化物燃料电池9的4个阴极分区与阴极端板的4个电流通道一一对应，每个电流通道由T型金属芯6、采样电阻7和雕刻有气体流道的子集流体8等部件串联焊接组成，来自固体氧化物四个区域的电流自下而上，依次穿过电流通道各部件，最终汇总到电池阴极端板盖5。

四个独立雕刻有气体流道的子集流体8的气道流向保持一致，相互之间保留3毫米缝隙，缝隙填充耐高温绝缘材料。并且，四个独立雕刻有气体流道的子集流体8与阴极端板盖5之间也保留3毫米缝隙，缝隙填充耐高温绝缘材料，以保障四个电压测试通道相互独立。

参照图2，示例中四通道局部电流测量设备的电池阴极端板盖5具体结构如图2所示，包括T型金属芯贯穿孔17、第一电压引线贯穿孔18和第二电压引线贯穿孔19，其中T型金属芯6焊接于T型金属芯贯穿孔17中，作为电流通道连接到阴极端板顶板5上。包裹绝缘层的第一电压引线15穿过第一电压引线贯穿孔18，连接到外部电压表2的负极；同时，包裹绝缘层的第二电压引线16穿过第二电压引线贯穿孔19，连接到外部电压表2的正极，实现电压表2对采样电阻7两端电压的实时监测。

T型金属芯6具有圆柱形的接触段和圆柱形的引出端，所述接触段接触采样电阻7金属圆形板20，需要保证充分接触。圆柱形的引出端的直径小于接触段的直径，经T型金属芯贯穿孔17引出电池阴极端板盖5，并固定至阴极端板盖5。第一电压引线15穿过第一电压引线贯穿孔18流经的电流较小，因此线径较细，电池阴极端板盖5的绝缘要求较低。

参照图3，示例中采样电阻7为本发明的核心部件，包括金属圆形板20和金属棒21。金属棒21焊接到金属圆形板20上，组成采样电阻7，采样电阻7的阻值由金属棒21的长度、横截面积和根数决定，采样电阻7的制备工艺保证一致性，常温下同一类型的采样电阻7阻值偏差需保证在3％以内。所述的金属棒21需保障表面氧化不明显改变金属棒电阻。优选的，本实施例中金属棒21选用铂金材料,具备足够的抗氧化性，可在电池升温和降温循环过程重复使用，且对通过的电流密度不敏感。

采样电阻7上下两端引出第一电压引线15、第二电压引线16选用直径为1.5毫米的银线，且引线外包裹耐高温绝缘层,阴极端板顶板5引出的阴极电流引线13选用直径不低于8毫米的银线。

T型金属芯6、阴极端板顶板5、子集流体8需保证在高温下具有高电导率和良好的抗氧化性，且与电池保持良好的热膨胀匹配性，使用SUS430材料。

实施例2

实施例2为使用实施例1中固体氧化物燃料电池四通道局部电流密度测量结构进行SOFC大面积平板型电池局部电流密度测试方法，包括以下步骤：

(1)检查用于电流密度分布测量电池阴极端板1的功能完好性。

首先检测四个电流通道的绝缘性与独立性。使用毫欧表检测四个雕刻有气体流道的子集流体8与T型金属芯6之间的电阻值，然后检测四个雕刻有气体流道的子集流体8与临近电池阴极端板盖5边缘的电阻值，其次检测四个雕刻有气体流道的子集流体8相互之间的电阻值。测量结果需满足雕刻有气体流道的子集流体8与T型金属芯6之间的电阻值不大于雕刻有气体流道的子集流体8与临近电池阴极端板盖5边缘的电阻值，雕刻有气体流道的子集流体8与临近电池阴极端板盖5边缘的电阻值不大于四个雕刻有气体流道的子集流体8相互之间的电阻值，以确保四个电流通道的相互绝缘。

其次检验采样电阻与电压引线的可用性。将直流电源(含有分压内阻)通过夹子导线接在某一电流通道的两侧，并设定一系列电流值。将该电流通道中采样电阻7两端的电压引线15、16接入电压测量设备2中测量采样电阻两侧的电压，利用欧姆定律可以求得该采样电阻的阻值。依次对各个电流通道进行上述测试，确保各个电流通道中的电压引线均无短路或断路，且4个采样电阻的阻值偏差在3％以内。

(2)将所述固体氧化物燃料电池设置分割线，分割为n个区域。

本实施例中，固体氧化物燃料电池9阴极为边长为100毫米的正方形。沿电池阴极横向和纵向中心线分别刮掉宽2mm的分割线，形成4块边长为49毫米的方形独立电池分区。在每个区域上分别涂抹集电浆料，并铺设边长为47毫米的方形银网，强化集电功能。

(3)在常温下完成电池的装配工作。

在阳极端板上放置与电池面积相等的镍网，将完成上述处理的电池阴极朝上的放置在镍网上，将阴极端板放置在电池上，保证各电流通道与各电池分区相对应。

用高温密封胶对阳极和阴极分别进行密封。将完成装配的电池放置于高温测试炉中，并将阳极端板3与燃料气管道连通，阴极端板1与空气管道连通。

(4)连接测试平台中其他设备

将阴极端板1所引出的4个第一电压引线15和4根第二电压引线16均接入电压测量设备2中，共四组电压测量。

电流引线13连接到电子负载4上。

(5)放入高温测试炉内，通入燃气和空气，使电池进入放电状态；测量各区域的电池电压和总电流，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

放入高温测试炉内，温度设置为600～850℃，通过调节高温测试炉的温度和燃料气管道、空气管道的流量，使电池进入运行状态。将电子负载调节至某一工况，此时电流负载测量出的总电流为I_Total。

利用电压测量设备2分别测量每个采样电阻两端的第一电压引线15和第二电压引线16之间的电压，1到4通道的采样电阻上的电压分别为U_i(i取1～4)

采样电阻7在不同温度下的电阻值发生同步波动，即4个采样电阻的阻值在高温下未知但偏差在3％以内，因此假设4个采样电阻的阻值均设为R，流经各个区域的电池、子集流体、采样电阻上的电流分别设为I_i(i取1～4)。

基于本发明四通道夹具测试的燃料电池等效电路图4所示，其中R_cons表示采样电阻。由于电池阴极已沿中心线刮掉宽2mm的分割线，平行于阴极方向的阴极横向电阻R_ca足够大，即经过电阻R_ca的电流可以忽略。虚框表示被分割的局部电池，其中R_s,i表示局部电池的欧姆电阻，R_p,i表示局部电池的极化电阻，C_p,i表示局部电池的界面电容，E_th表示局部电池的理论能斯特电势。基于上述等价电路，上述测量值符合以下欧姆定律与分流关系：

I₁R_cons＝U₁；I₂R_cons＝U₂；I₃R_cons＝U₃；I₄R_cons＝U₄；I₁+I₂+I₃+I₄＝I_Total

以上四个电流值即为通过电池四个局部区域的电流，使用局部电流分别除以区域集流面积(本实施例中为49×49平方毫米)，即可得到各个电池区域的电流密度。需要注意的是，此时各区域的电池电势略有差异，用电压测量设备2测量阴阳极端板之间的电压V_out，则每个电池局部区域的准确电压值为：

V_i＝V_out+U_i

以上四个电流是局部电池在不同放电电压下的放电电流，对应的：

I₁表示局部区域1在V_out+U₁电压下的放电电流；

I₂表示局部区域2在V_out+U₂电压下的放电电流；

I₃表示局部区域3在V_out+U₃电压下的放电电流；

I₄表示局部区域4在V_out+U₄电压下的放电电流；

然而，电池在正常使用过程的等效电路如图5所示，即各个局部电池是在均一的输出电压V_out条件下运行的。为了使测量结果更为准确，本发明针对上述局部电流计算方法，进一步提出了去除端板结构对燃料电池电学性能影响的校正方法。具体地，以电池两端的电压(V_out+U_i)为纵坐标，以电池各个区域的局部电流为横坐标，将此次测试结果在坐标轴上描点。

调节电子负载，测量其他工况，将各区域每次的测试结果都描点到上述坐标轴中。当完成全工况测量时，即可得到4个区域的全工况放电电流与放电电压的关系曲线。

最后，沿y＝V_out直线依次读取各个局部区域的电流值，即可获得电池输出电压为V_out时，4个局部区域的电流密度。

综上所述，本发明涉及一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构及测试方法，设置阴极端板和阳极端板分别与SOFC电池形成密封腔体分别用于氧化气氛与燃料气与空气的供应；阴极端板和/或阳极端板设置n个电压测试通道，分别通过采样电阻采集所述固体氧化物燃料电池的n个区域的采样电压，对应n个区域的电流的大小；总电流测试通道向所述固体氧化物燃料电池施加负载并测试固体氧化物燃料电池输出的负载总电流，负载总电流为n个区域的电流之和，计算获得电流密度。本发明实现了平板型大面积固体氧化物燃料电池高温运行条件下多个局部区域电流的实时测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述的于电流密度分布测量的四通道阴极端板及相应的测试平台、测试步骤仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，包括：阴极端板、阳极端板以及总电流测试通道；

平板型SOFC电池设置于所述阴极端板与阳极端板之间，所述阴极端板、阳极端板分别与固体氧化物燃料电池形成独立密封腔体，分别用于空气与燃料气的供应；

所述阴极端板和/或阳极端板设置n个电压测试通道，n个电压测试通道分别通过采样电阻采集所述固体氧化物燃料电池的n个区域的采样电压，对应n个区域的电流的大小；

总电流测试通道向所述固体氧化物燃料电池施加负载并测试平板型SOFC电池输出的负载总电流，负载总电流为n个区域的电流之和。

2.根据权利要求1所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，所述阴极端板设置阴极端板顶板，所述阳极端板设置阳极端板顶板；所述阴极端板顶板和所述阳极端板顶板分别设置一个电流引线接头引出负载总电流的电流测试引线；电压测试通道对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板设置电压引线贯穿孔引出每个电压测试通道的测试采样电压的引线。

3.根据权利要求2所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，每个所述电压测试通道包括金属芯、采样电阻、雕刻有气体流道的子集流体以及电压测试单元；所述雕刻有气体流道的子集流体贴附在所述固体氧化物燃料电池的一个区域的表面，收集所在区域的电流；所述采样电阻贴附在子集流体的表面，将电流转换为采样电压；所述金属芯连接至所述采样电阻的上表面，将电流引至对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板；所述电压测试单元位于所述密封腔体外，用于测试采样电压的大小。

4.根据权利要求3所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，各个所述电压测试通道的采样电阻大小相同。

5.根据权利要求3所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，测试采样电压的引线为直径1.2～1.8毫米的银线；电流测试引线选用直径不低于8毫米的银线。

6.根据权利要求3所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，所述采样电阻包括位于两端的金属圆形板和金属圆形板之间的金属棒。优选的，金属棒选用镍洛合金、钨钢材料或铂金材料。

7.根据权利要求1至6之一所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构，其特征在于，还包括计算单元，根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

8.利用权利要求1至7之一所述的平板型SOFC电流密度分布式端板测试结构进行电流密度测试的方法，其特征在于，包括：

将所述固体氧化物燃料电池设置分割线，分割为n个区域；

将所述固体氧化物燃料电池放入所述阴极端板和阳极端板内；每个区域对应连接电压测试通道；所述固体氧化物燃料阳极和阴极分别与对应的集流器形成燃气、空气通路，用高温密封胶进行密封；

封闭所述阴极端板和阳极端板；连接负载；

放入高温测试炉内，温度设置为600～850℃；通入燃气和空气，使电池处于放电状态；

测量n个区域的采样电压以及负载总电流；根据n个区域的采样电压计算n个区域的电流比，根据n个区域的电流之和及所述电流比，计算每个区域的电流，进而获得电流密度。

9.根据权利要求8所述的进行电流密度测试的方法，其特征在于，每个所述电压测试通道包括金属芯、采样电阻、雕刻有气体流道的子集流体以及电压测试单元；所述雕刻有气体流道的子集流体贴附在所述固体氧化物燃料电池的一个区域的表面，收集所在区域的电流；所述采样电阻贴附在子集流体的表面，将电流转换为采样电压；所述金属芯的连接至所述采样电阻的上表面，将电流引至对应的阴极端板顶板或阳极端板顶板；所述电压测试单元位于所述密封腔体外测试采样电压的大小；

将所述固体氧化物燃料电池放入所述阴极端板和阳极端板内，之前还包括进行各个电压测试通道绝缘测试：

对于每个电压测试通道检测：每个雕刻有气体流道的子集流体与所述金属芯之间的电阻值R1；每个雕刻有气体流道的子集流体与临近的顶板边缘的电阻值R2；每个雕刻有气体流道的子集流体之间的电阻值R3；

当每个电压测试通道均满足R1≤R2，R2≤R3，则电压测试通道的绝缘满足要求；否则检查电压测试通道的绝缘。

10.根据权利要求8或9所述的进行电流密度测试的方法，其特征在于，计算每个区域的电流，进而获得电流密度，还包括对每个区域的电流进行校正：

调节负载大小，分别获得对应的n个区域的电流的大小，计算对应的；对于第i个区域，实际电压阴极端板和阳极端板之间的电压V_out和第i个区域的采样U_i之和为纵坐标，以第i个区域的电流I_i为横坐标，绘制每个区域放电电流与放电电压的关系曲线；

沿y＝V_out直线依次读取各个局部区域的电流值，获得固体氧化物燃料电池输出电压为V_out时，每个区域的电流作为校正后的电流；

采用校正后的电流计算固体氧化物燃料电池各局部区域的电流密度。

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