CN220821641U - 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 - Google Patents
一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 Download PDFInfo
- Publication number
- CN220821641U CN220821641U CN202322493417.3U CN202322493417U CN220821641U CN 220821641 U CN220821641 U CN 220821641U CN 202322493417 U CN202322493417 U CN 202322493417U CN 220821641 U CN220821641 U CN 220821641U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- communicated
- outlet
- pipeline
- sealing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 79
- 238000011056 performance test Methods 0.000 claims abstract description 55
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 52
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 83
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 73
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 14
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 242
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 abstract 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000012956 testing procedure Methods 0.000 description 8
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 7
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000000835 electrochemical detection Methods 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002920 hazardous waste Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，用于进行各种固体氧化物燃料电池及其材料的综合性能测试，包括气体分配单元、多功能反应单元以及分析检测单元。该装置一方面可匹配多种复杂燃料反应气组合，包括直接燃料使用和燃料气前重整系统，通过匹配水蒸气组分，实现燃料电池的多种工作条件匹配，另一方面，多功能反应单元采用模块化结构设计，可同时实现SOFCs电池性能测试、材料电化学性能测试和材料催化性能测试，获得固体氧化物燃料电池及其材料综合性能评价。应用该测试平台，可获得可靠的电池性能参数，还可根据实际气相组分的变化，推断电极反应机理，为电池组成结构及工作参数优化提供理论基础和数据支持。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池研发与评价领域，涉及一种测试平台，具体涉及一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，它能够将化学能转化为电能，并且在这个过程中不会产生有害的废弃物。为了深入研究 SOFC 的性能和工作机理，需要开发出一种可靠的实验设备，即固体氧化物燃料电池测试平台。固体氧化物燃料电池测试平台是用于评估 SOFC性能和研究 SOFC 工作机理的实验设备。现有的测试平台不仅可以测量 SOFC 的基本性能参数，如电压、电流和功率等，还可以用于研究 SOFC 的动态响应、热力学和传输性质等方面。它通常由多个子系统组成，包括燃料供应系统、气体净化系统、电池测试系统、数据采集和控制系统等。燃料供应系统通常包括氢气或甲烷储罐、压缩机、气体净化器、阀门等组件。气体净化系统用于净化进入 SOFC的气体，以防止 SOFC 电解质层的污染和损坏。气体净化系统通常包括各种各样的过滤器和化学吸附剂。电池测试系统主要用于测量 SOFC 的电压、电流、功率和效率等性能参数。电池测试系统通常由负载、电源和数据采集仪等组成。数据采集和控制系统用于控制实验参数、记录实验数据和分析数据。数据采集和控制系统通常包括计算机、数据采集卡、实时控制软件等。
固体氧化物燃料电池测试平台的发展和应用，推动了 SOFC 技术的研究和发展。它为 SOFC 的优化设计和商业化应用提供了有力支持，并为更多的研究者提供了实验平台，促进 SOFC技术的推广和应用。但是现有的测试平台功能单一，测试过程复杂，很难满足获得燃料电池在多种实际工况下的测试要求。
发明内容
（一）实用新型目的
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种可用于固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，以期解决上述问题的至少之一。
（二）技术方案
为实现该实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型的第一个实用新型目的在于提供一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，所述综合测试平台至少包括一气体分配单元、一多功能反应单元及一分析检测单元，其特征在于，所述气体分配单元，至少包括一水蒸气发生装置、一多流路气体供给装置及一气体混合输送装置；所述多功能反应单元设置在气体分配单元的下游位置，至少包括一加热炉以及设置在所述加热炉内并与所述气体分配单元连接的一全电池性能测试模块、一电化学性能测试模块及一电池材料催化性能测试模块；所述分析检测单元设置在多功能反应单元的下游位置，至少包括与所述多功能反应单元连接的一电化学性能分析检测模块、一第一气体组分分析检测模块。
优选地，所述气体分配单元中，所述气体混合输送装置至少包括一气体混合罐、一第一三通及一气体预热器，所述第一三通的第一进口通过管路经一截止阀与所述气体混合罐的出口连通、第二进口通过管路与所述水蒸气发生装置连通、出口通过管路与所述气体预热器的进口连通；
所述水蒸气发生装置至少包括一液体储罐、一恒流液体计量泵、一第二三通及一水蒸气发生器，其中，所述液体储罐的出口通过管路依次经所述恒流液体计量泵、第二三通的第一进口、第二三通的出口后与所述水蒸气发生器的进口连通，所述第二三通的第二进口通过管路与所述多流路气体供给装置连通，所述水蒸气发生器的出口通过管路与所述第一三通的第二进口连通；
所述多流路气体供给装置包括若干相互独立的气体供给流路，其中，每一所述气体供给流路均至少包括一第一气体储罐、一第二气体储罐、一第一三通切换阀，所述第一气体储罐的出口通过管路经一第一减压阀与所述第一三通切换阀的第一进口连通，所述第二气体储罐的出口通过管路经一第二减压阀与所述第一三通切换阀的第二进口连通，所述第一三通切换阀的出口通过管路至少依次经一截止阀、一流量计、一单向阀后与所述气体混合罐的进口连通，并且其中，第一气体供给流路的管路上还设有一位于单向阀下游的第二三通切换阀，所述第二三通切换阀的进口通过管路与其上游的单向阀的出口连通、第一出口通过管路与所述气体混合罐的进口连通、第二出口通过管路与所述第二三通的第二进口连通。
进一步地，所述气体分配单元中，所述气体混合罐的出口管路上设有一第一压力传感器，所述气体预热器内设有一第二温度传感器，且其出口管路上设有一第二压力传感器，所述水蒸气发生器的内部设有一第一温度传感器，用于调控输送至下游的所述气体预热器中水蒸气的温度，且所述水蒸气发生器的出口气路上还设置有辅热设备。
优选地，所述多功能反应单元中，所述全电池性能测试模块放置于所述加热炉的第一孔位中，至少包括由内向外依次布置并同心套设的一内层筒体、一中间筒体和一外层筒体，其中：
所述内层筒体，其下端开口处固定设有一第一密封件，所述第一密封件用于固定与密封所述内层筒体的下端开口，且所述第一密封件上设有一与所述内层筒体的中空腔体连通的阳极气体输入管，所述阳极气体输入管与所述气体分配单元中多流路气体供给装置的气体预热器的出口管路连通；
所述中间筒体，其顶部开口上设有一样品固定件，所述样品固定件用于固定燃料电池或材料样品，所述样品的阳极上设有一阳极导线、阴极上设有一阴极导线，并通过所述阳极导线、阴极导线分别与所述连接电化学性能分析检测模块的阳极、阴极连接，所述中间筒体的下端开口与内层筒体的外壁之间定设有一第二密封件，用于连接所述内层筒体和中间筒体以及密封中间筒体下端，且所述第二密封件上设有一与所述中间筒体的中空腔体连通的阳极气体输出管路，且所述阳极气体输出管路与分析检测单元连通；
所述外层筒体，其下端开口与所述中间筒体的外壁之间设有一第三密封件，所述第三密封件用于连接所述中间筒体和外层筒体以及密封外层筒体的下端，且所述第三密封件上设有一与所述外层筒体的中空腔体连通的阴极气体输出管，且所述阴极气体输出管与分析检测单元连通，所述外层筒体的上端开口设有一第四密封件，所述第四密封件用于密封外层筒体上端，其所述第四密封件上设有一阴极气体输入管，所述阴极气体输入管与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通。
优选地，所述多功能反应单元中，所述电化学性能测试模块放置于所述加热炉的第二孔位中，至少包括由内向外依次布置并同心套设的一内层筒体和一外层筒体，其中：
所述内层筒体，其顶端开口上设有一用于固定燃料电池或材料样品的样品固定件，所述固定燃料电池或材料样品上至少设有一与所述电化学性能分析检测模块的阳极连接的阳极导线和一与所述电化学性能分析检测模块的阴极连接的阴极导线，所述内层筒体的下端开口处固定设有一第一密封件，所述第一密封件用于固定与密封所述内层筒体的下端，且所述第一密封件上设有一与所述内层筒体的中空腔体连通的气体输入管，所述气体输入管与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通；
所述外层筒体，其下端开口与所述内层筒体的外壁之间设有一第二密封件，其上端开口处设有一第三密封件，所述第三密封件用于密封所述外层筒体的上端，所述第二密封件用于连接所述内层筒体和外层筒体以及密封外层筒体的下端，且所述第二密封件上设有一与所述外层筒体的中空腔体连通的气体输出管，且所述气体输出管与所述分析检测单元连通。
进一步地，所述多功能反应单元中设有多个相互独立的电化学性能测试模块并通过一测试探针切换器进行耦合，所述测试探针切换器至少包括一输入端口和若干输出端口，其中，所述输入端口与所述气体分配单元中多流路气体供给装置的气体预热器的出口管路连通，各所述输出端口与各电化学性能测试模块的气体输入管一一对应连通。
优选地，所述多功能反应单元中，所述电池材料催化性能测试模块放置于所述加热炉的第三孔位中，至少包括一U型样品管，其进气端开口处设有一第一密封组件，所述第一密封组件用于密封所述U型样品管的进气端，且所述第一密封组件上设有一气体输送管，所述气体输送管的一端与所述U型样品管的中空腔体连通、另一端与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通，所述U型样品管的排气端开口处设有一第二密封组件，所述第二密封组件用于密封所述U型样品管的排气端，且所述第二密封组件上设有一气体输出管，所述气体输出管的一端与所述U型样品管的中空腔体连通、另一端与所述分析检测单元连通。
优选地，所述分析检测单元中，所述电化学性能分析检测模块至少设有一阳极连接导线及一阴极连接导线，并分别与所述多功能反应单元中全电池性能测试模块和/或电化学性能测试模块伸出的阳极导线及阴极导线相连接。
优选地，所述分析检测单元中，所述第一气体组分分析检测模块通过管路连接于所述全电池性能测试模块、电化学性能测试模块和/或电池材料催化性能测试模块的一气体出口端，且在连通管路上依次设有一压力传感器、一冷凝装置及一在线气体检测装置。
进一步地，当所述多功能反应单元进行全电池性能测试时使用，所述分析检测单元中还设有一结构与所述第一气体组分分析检测模块相同的第二气体组分分析检测模块，此时，所述第一、二气体组分分析检测模块分别与所述全电池性能测试模块的阳极气体输出管路、阴极气体输出管路连通，且在各在线气体检测装置中均设有一排空气路，并在排空气路上设有截止阀，当不需要在线监测或在线气体检测装置的进样量较小时，打开排空气路上的截止阀，开启排空气路。
（三）技术效果
同现有技术相比，本实用新型的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台具有以下有益且显著的技术效果：
（1）本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，采用模块化的三元反应结构设计，可同时实现SOFCs电池性能测试、材料电化学性能测试和材料催化性能测试，获得固体氧化物燃料电池及其材料综合性能。
（2）本实用新型提供的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，在匹配电化学检测的基础上，进一步匹配了气相检测装置，不仅能够获得电池性能参数，还可根据气相成分的变化，推断电极反应机理，为电池组成结构及工作参数优化提供理论基础和数据支持。
（3）本实用新型提供的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，具有样品安装方便、测试步骤简单、评价速度快捷等优势，可普适性地用于各种燃料电池性能评价。
附图说明
图1为本实用新型实施例1所述固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台的总体结构示意图；
图2为本实用新型实施例1所述固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台中气体分配单元的机构示意图；
图3为本实用新型实施例1所述固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台中气体组分分析检测模块与电化学性能分析检测模块的结构示意图；
图4为本实用新型实施例2所述全电池性能测试模块的结构示意图；
图5为本实用新型实施例3所述电化学性能测试模块的结构示意图；
图6为本实用新型实施例4所述多通道电化学性能测试模块结构示意图；
图7为本发明实施例5-9所述电池材料催化性能测试模块结构示意图。
附图标记说明：
气体分配单元1，气体混合输送装置10，气体混合罐101，第一压力传感器102，第一截止阀103，第一三通104，气体预热器105，第二温度传感器106，第二压力传感器107，气路108，水蒸气发生装置11，液体储罐111，恒流液体计量泵112，第二三通113，水蒸气发生器114，第一温度传感器115，第二截止阀116，第一气体流路12，第一气体储罐1211，第一减压阀1212，第二气体储罐1221，第二减压阀1222，第一三通切换阀123，第三截止阀124，第一流量计125，第一单向阀126，第二三通切换阀127，第二气体流路13，第三气体储罐1311，第三减压阀1312，第四气体储罐1321，第四减压阀1322，第三三通切换阀133，第四截止阀134，第二流量计135，第二单向阀136，多功能反应单元2，加热炉201，全电池性能测试模块202，内层管路20201，中间管路20202，外层管路20203，第一密封件20204，阳极气体输入管20205，第二密封件20206，阳极气体输出管20207，第三密封件20208，阴极气体输出管20209，第四密封件20210，阴极气体输入管20211，样品固定件20212，阳极导线20213，阴极导线20214，电化学性能测试模块203，内层管路20301，外层管路20302，第一密封件20303，气体输入管20304，第二密封件20305，气体输出管20306，第三密封件20307，样品固定件20308，阳极导线20309，阴极导线20310，多通道电化学性能测试模块213，燃料电池测试探针切换器2131，电化学性能测试单元2132、2133、2134、2135，电池材料催化性能测试模块204，U型样品管2041，颗粒状电池材料样品2042，第一密封组件2043，气体输送管2044，第二密封组件2045，气体输出管2046，分析检测单元3，电化学性能分析检测模块301，第三压力传感器302，第一冷凝装置303，第一在线气体检测装置304，第四压力传感器305，第二冷凝装置306，第二在线气体检测装置307。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本实用新型的一个实施例。
实施例1
图1-图3为本实用新型实施例中一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台的总体结构及各组成单元结构示意图，所述装置由气体分配单元1、多功能反应单元2及分析检测单元3组成。具体组成包括：
如图2所示，本实用新型中的气体分配单元1，用于为多功能反应单元2供给反应气氛，主要由水蒸气发生装置、多流路气体供给装置及气体混合输送装置组成，其中：
水蒸气发生装置11由液体储罐111、恒流液体计量泵112、第二三通113、水蒸气发生器114及第二截止阀116依次连接组成，其中：
第二三通113的第一进口与恒流液体计量泵112连接，出口与水蒸气发生器114连接，第二进口通过第二三通切换阀127的第二出口与多流路气体供给装置的第一气体流路12连接，当反应气氛中含水蒸气组分时，可通过第一气体流路12向水蒸气发生装置11提供气体，将液态水夹带进入水蒸气发生器114；
水蒸气发生器114的进口与第二三通113的出口连接，出口通过第二截止阀116与第一三通104的第一进口连接，并设有第一温度传感器115；
多流路气体供给装置包括至少两条独立的气体流路，其中：
第一气体流路12设有第一气体储罐1211和第二气体储罐1221，并依次通过第一减压阀1212和第二减压阀1222连接至第一三通切换阀123的第一、第二进口，通过切换第一三通切换阀123的连通状态，可调整供给的气体种类。第一三通切换阀123的出口后依次连接第三截止阀124、第一流量计125、第一单向阀126，并连接于第二三通切换阀127的进口。第二三通切换阀127的第二出口连接第二三通113的第二进口，第一出口连接气体混合罐101的进口，通过切换第二三通切换阀127的连通状态，可选择将第一气体流路12供给的气相组分输送至水蒸气发生装置11，或直接输送至气体混合输送装置10中；
第二气体流路13设有第三气体储罐1311和第四气体储罐1321，并依次通过第三减压阀1312和第四减压阀1322连接至第三三通切换阀133的第一、第二进口，通过切换第三三通切换阀133的连通状态，可调整供给的气体种类。第三三通切换阀133的出口后依次连接第四截止阀134、第二流量计135、第二单向阀136，并连接于气体混合罐101的进口；
此外，根据检测需求，所述多流路气体供给装置还可增设第三、第四、……、第N阳极气体流路，用于配制多种混合气相组分，增设阳极气体流路组成与第二阳极气体13流路一致，均与气体混合罐101连接。
气体混合输送装置10由气体混合罐101、第一截止阀103、第一三通104及气体预热器105组成，详细连接方式如下：
气体混合罐101的出口后设有第一压力传感器102，用于测定混合气体压力，剩余端口分别连接多流路气体供给装置的各气体流路；第一截止阀103的进口连接气体混合罐101，出口连接至第一三通104的第二进口；第一三通104的第一进口通过第二截止阀116连接至水蒸气发生器114的出口端，出口连接气体预热器105的进口；气体预热器105设有第二温度传感器106，且出口后设有第二压力传感器107，用于调控输送至多功能反应单元的气氛的温度与压力。
此外，为防止气氛输送过程中水蒸气组分冷凝，水蒸气发生器114后的气路108需设置辅热。
应用气体分配单元1向多功能反应单元2供给气氛时：（1）当不含水蒸气组分时，第一气体流路12中第二三通切换阀127的第一出口与进口连通，截止阀103开启，第二截止阀116关闭，气相组分经气体混合罐101后依次流经第一截止阀103、第一三通104及气体预热器105；（2）当气氛含水蒸气组分时，第一气体流路12中第二三通切换阀127的第二出口与进口连通，第二截止阀116开启，此时水蒸气及其余气相组分分别通过第一三通104的第一进口和第二进口，并进入气体预热器105，实现组分均匀混合及预热。
如图1所示，本实用新型中的多功能反应单元2，用于进行固体氧化物燃料电池及相关材料的反应评价，由加热炉201、全电池性能测试模块202、电化学性能测试模块203及电池材料催化性能测试模块204组成。其中加热炉内包含三个孔位，分别用于放置三种测试模块。
如图3所示，本实用新型中的分析检测单元3，用于检测固体氧化物燃料电池及相关材料的电化学参数及多功能反应单元流出的气相组分，并根据组成及含量变化，推断反应过程，评价电池性能，包括：
电化学性能分析检测模块301，用于评价燃料电池或材料的电化学性能，设有阳极及阴极连接导线，并分别与电池反应器伸出的阳极导线及阴极导线相连接；
第一气体组分分析检测模块，用于检测测试平台流出气相组分，连接于反应器气体出口端，依次设有第三压力传感器302、第一冷凝装置303及第一在线气体检测装置304，其中，第三压力传感器302用于在线监测气体出口端压力，第一冷凝装置303用于除去气相中残余水分，满足第一在线气体检测装置304进样需求；第一在线气体检测装置304用于在线检测流出气相组分组成及含量变化。此外，第一气体组分分析检测模块还设有排空气路，并在气路中设有截止阀，当不需要在线监测，或在线气体检测装置进样量较小时，可打开截止阀，开启排空气路；
第二气体组分分析检测模块，当进行全电池性能测试时使用，连接于反应器的第二（阴极）气体出口端，用于检测该出口端流出气相组分。依次设有第四压力传感器305、第二冷凝装置306及第二在线气体检测装置307。并设有排空气路，其中含有截止阀，连接方式与第一气体组分检测单元相同。
此外，本实施例所述固体氧化物燃料电池及其材料测试平台还包含了控制与分析单元，用于实现该装置的程序控制及检测数据读取等功能，具体包括：
所述固体氧化物燃料电池及其材料评价的综合测试平台的参数设定与调节，包括评价温度设定与控制及评价所使用的阳极、阴极反应气体种类及流量设定；
装置中涉及的各阀体连通方式调节；
温度、压力、电化学及气体检测数据实时读取、输出与分析。
本实施例提供了一种燃料电池测试平台，该装置具有以下特点：
（1）采用模块化的三元反应结构设计，可以同时实现SOFCs电池性能测试、材料电化学性能测试和材料催化性能测试，获得固体氧化物燃料电池及其材料综合性能评价；
（2）本实用新型提供的固体氧化物燃料电池及材料的综合测试平台，在匹配电化学检测站的基础上，进一步匹配了气相检测装置，不仅能够获得电池性能参数，还可根据气相成分的变化，推断电极反应机理，为电池组成结构及工作参数优化提供理论基础和数据支持。
实施例2
图4为本实用新型实施例2所述全电池性能测试模块的结构示意图，所述全电池性能测试模块202包括：
内层筒体20201，用于输送阳极反应气氛；
中间筒体20202，用于阳极气氛流通，顶端用于固定燃料电池样品；
外层筒体20203，用于阴极气氛输送与流通；
第一密封件20204，用于固定与密封内层筒体20201下端，第一密封件20204上设有阳极气体输入管20205；
第二密封件20206，用于连接内层筒体20201和中间筒体20202，以及密封中间筒体20202下端，其上设有阳极气体输出管20207。当中间筒体20202顶端固定了样品时，形成独立的阳极气体流通筒体，即阳极气体从第一密封件20204上的阳极气体输入管20205进入内层筒体20201，继而输送至中间筒体20202中，并与样品阳极接触，最后经第二密封件20206上的阳极气体输出管20207流出多功能反应单元2，阳极气体输出管20207流出气相组分经脱水后，通入第一在线气体检测装置304进行组分及含量检测；
第三密封件20208，用于连接中间筒体20202和外层筒体20203，以及密封外层管20203下端，其上设有阴极气体输出管20209；
第四密封件20210，用于密封外层筒体20203上端，其上设有阴极气体输入管20211。当中间筒体20202顶端固定了样品时，形成独立的阴极气体流通筒体，即阴极气体从第四密封件20210上的阴极气体输入管20211进入外层层筒体20203，并与样品阴极接触，最后经第三密封件20208上的阴极气体输出管20209流出多功能反应单元2，阴极气体输出管20209流出气相组分经脱水后，通入第二在线气体检测装置307进行组分及含量检测；
样品固定件20212，用于固定燃料电池或材料样品，放置于中间筒体20202上端，当装载了样品时，可以实现阴阳两极气相组分隔离，并在合适的操作条件下，开启电极反应；
阳极导线20213，连接于电化学性能分析检测模块301的阳极；
阴极导线20214，连接于电化学性能分析检测模块301的阴极。
应用本实施例所述全电池性能测试模块，可广泛开展燃料电池样品或材料的性能评价，评价步骤同实施例2。
实施例3
图5为本实用新型实施例4所述电化学性能测试模块的结构示意图，所述对称燃料电池反应模块203包括：
内层筒体20301，用于输送反应气氛，顶端设有样品固定件20308；
外层筒体20302，用于反应气氛流通与密封；
第一密封件20303，用于固定密封内层筒体20301下端，第一密封件20303上设有气体输入管20304；
第二密封件20305，用于连接内层筒体20301和外层筒体20302，以及密封外层筒体20302下端，其上设有气体输出管20306；
第三密封件20307，用于密封外层筒体20302上端；
样品固定件20308，用于固定燃料电池或材料样品，设于内层筒体上端；
阳极导线20309，连接于电化学性能分析检测模块301的阳极；
阴极导线20310，连接于电化学性能分析检测模块301的阴极。
应用所述电化学性能测试模块进行对称燃料电池或材料测试时，从第一密封件20303上的气体输入管20304输入反应气体，反应气体经内层筒体20301上端流出，并与样品接触发生反应，继而流经外层筒体，并从第二密封件20305的气体输出管20306排出。
实施例4
图6为本实用新型实施例5所述多通道电化学性能测试模块的结构示意图；所多通道电化学性能测试模块213包括：
燃料电池测试探针切换器2131，结构为五通切换阀，该切换阀共有a、b、c、d、e五个端口，其中a端口连接气体分配单元1，b、c、d、e四个端口并联4个独立的电化学性能测试模块2132、2133、2134、2135。
本实施例中，电化学性能测试模块2132、2133、2134、2135具体为电化学性能测试模块203。
应用所述多通道电化学性能测试模块213，可以通过调节燃料电池测试探针切换器2131的联通方式，快速切换电化学性能测试单元，实现多通道快速检测。
实施例5
图7为本实用新型实施例6所述电池材料催化性能测试模块的结构示意图，所述电池材料催化性能测试模块204包括：
U型样品管2041，用于装载颗粒状电池材料样品2042；
第一密封组件2043，用于密封进气端样品管，其上设有气体输送管2044，用于连接气体分配单元1，提供反应气体。
第二密封组件2045，用于密封排气端样品管，其上设有气体输出管2046，流出气相组分经脱水后输送至第一在线气体检测装置304，进行组分及含量分析。
实施例6
实施例6为应用图7所述电池材料催化性能测试模块204，开展氧气程序升温脱附（O2-TPD）的测试步骤，本实施例中第一在线气体检测装置304具体为TCD检测器，具体测试步骤如下：
（1）样品装载：将颗粒样品装载至U型样品管2041底部，并安装第一密封组件2043及第二密封组件2045；
（2）反应器安装：将电池材料催化性能测试模块204安装至所述固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台；
（3）气路清洗：常温下，通过气体分配单元1向U型样品管2041中通入高纯He，清洗气路；
（4）样品脱水：以一定升温速率，在高纯He气氛吹扫下，将多功能反应单元2升温至100℃以上，并维持1小时；
（5）氧气吸附：根据待测样品性质，将多功能反应单元2调节至吸附温度，并将气体分配单元1供给的气氛切换为含氧气氛，吸附一定时间；
（6）氧气脱附：将气体分配单元1供给气氛切换为高纯He，并将气体输出管2046流出气相组分通入TCD检测器304中，待基线稳定后，设定升温程序并使多功能反应单元2温度逐渐升高，通过TCD检测器304实时检测气体组分变化。
实施例7
实施例7为应用图7所述电池材料催化性能测试模块204，开展氢气程序升温脱附（H2-TPD）的测试步骤，本实施例中第一在线气体检测装置304具体为TCD检测器，具体测试步骤如下：
步骤（1）及步骤（2）同实施例6；
（3）气路清洗：常温下，通过气体分配单元1向U型样品管2041中通入高纯Ar，清洗气路；
（4）样品脱水：以一定升温速率，在高纯Ar气氛吹扫下，将多功能反应单元2升温至100℃以上，并维持1小时；
（5）氢气吸附：根据待测样品性质，将多功能反应单元2调节至吸附温度，并将气体分配单元1供给的气氛切换为含氢气氛，吸附一定时间；
（6）氢气脱附：将气体分配单元1供给气氛切换为高纯Ar，并将气体输出管2046流出气相组分通入TCD检测器304中，待基线稳定后，设定升温程序并使多功能反应单元2温度逐渐升高，通过TCD检测器304实时检测气体组分变化。
实施例8
实施例8为应用图7所述电池材料催化性能测试模块204，开展二氧化碳程序升温脱附（CO2-TPD）的测试步骤，本实施例中第一在线气体检测装置304具体为TCD检测器，具体测试步骤如下：
步骤（1）及步骤（4）同实施例6；
（5）CO2吸附：根据待测样品性质，将多功能反应单元2调节至吸附温度，并将气体分配单元1供给的气氛切换为含CO2气氛，吸附一定时间；
（6）CO2脱附：将气体分配单元1供给气氛切换为高纯He，并将气体输出管2046流出气相组分通入TCD检测器304中，待基线稳定后，设定升温程序并使多功能反应单元2温度逐渐升高，通过TCD检测器304实时检测气体组分变化。
实施例9
实施例9为应用图7所述电池材料催化性能测试模块204，开展积碳程序升温氧化（C-TPO）的测试步骤，本实施例中第一在线气体检测装置304具体为TCD检测器，具体测试步骤如下：
步骤（1）及步骤（4）同实施例6；
（5）程序升温氧化：将气体分配单元1供给气氛切换为氧气/氮气混合气氛，并将气体输出管2046流出气相组分通入TCD检测器304中，待基线稳定后，设定升温程序并使多功能反应单元2温度逐渐升高，通过TCD检测器304实时检测气体组分变化。
通过上述实施例，完全有效地实现了本实用新型的目的。该领域的技术人员可以理解本实用新型包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本实用新型已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，所述综合测试平台至少包括一气体分配单元、一多功能反应单元及一分析检测单元，其特征在于，所述气体分配单元，至少包括一水蒸气发生装置、一多流路气体供给装置及一气体混合输送装置；所述多功能反应单元设置在所述气体分配单元的下游位置，至少包括一加热炉以及设置在所述加热炉内并与所述气体分配单元连接的一全电池性能测试模块、一电化学性能测试模块及一电池材料催化性能测试模块；所述分析检测单元设置在所述多功能反应单元的下游位置，至少包括与所述多功能反应单元连接的一电化学性能分析检测模块及一第一气体组分分析检测模块。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述气体分配单元中，所述气体混合输送装置至少包括一气体混合罐、一第一三通及一气体预热器，所述第一三通的第一进口通过管路经一截止阀与所述气体混合罐的出口连通、第二进口通过管路与所述水蒸气发生装置连通、出口与所述气体预热器的进口连通；
所述水蒸气发生装置至少包括一液体储罐、一恒流液体计量泵、一第二三通及一水蒸气发生器，其中，所述液体储罐的出口通过管路依次经所述恒流液体计量泵、第二三通的第一进口、第二三通的出口后与所述水蒸气发生器的进口连通，所述第二三通的第二进口通过管路与所述多流路气体供给装置连通，所述水蒸气发生器的出口通过管路与所述第一三通的第二进口连通；
所述多流路气体供给装置包括若干相互独立的气体供给流路，其中，每一所述气体供给流路均至少包括一第一气体储罐、一第二气体储罐及一第一三通切换阀，所述第一气体储罐的出口通过管路经一第一减压阀与所述第一三通切换阀的第一进口连通，所述第二气体储罐的出口通过管路经一第二减压阀与所述第一三通切换阀的第二进口连通，所述第一三通切换阀的出口通过管路依次经一截止阀、一流量计、一单向阀后与所述气体混合罐的进口连通，并且其中，第一气体供给流路的管路上还设有一位于单向阀下游的第二三通切换阀，所述第二三通切换阀的进口通过管路与其上游的单向阀的出口连通、第一出口通过管路与所述气体混合罐的进口连通、第二出口通过管路与所述第二三通的第二进口连通。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述气体分配单元中，所述气体混合罐的出口管路上设有一第一压力传感器，所述气体预热器内设有一第二温度传感器，且其出口管路上设有一第二压力传感器，所述水蒸气发生器内设有一第一温度传感器，且所述水蒸气发生器的出口气路上设置有辅热设备。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述多功能反应单元中，所述全电池性能测试模块放置于所述加热炉的第一孔位中，至少包括由内向外依次布置并同心套设的一内层筒体、一中间筒体和一外层筒体，其中：
所述内层筒体，其下端开口处固定设有一第一密封件，所述第一密封件用于固定与密封所述内层筒体的下端开口，且所述第一密封件上设有一与所述内层筒体的中空腔体连通的阳极气体输入管，所述阳极气体输入管与所述气体分配单元中多流路气体供给装置的气体预热器的出口管路连通；
所述中间筒体，其顶部开口上设有一样品固定件，所述样品固定件用于固定燃料电池或材料样品，所述样品的阳极上设有一阳极导线、阴极上设有一阴极导线，并通过所述阳极导线、阴极导线分别与所述电化学性能分析检测模块的阳极、阴极连接，所述中间筒体的下端开口与内层筒体的外壁之间定设有一第二密封件，用于连接所述内层筒体和中间筒体以及密封中间筒体下端，且所述第二密封件上设有一与所述中间筒体的中空腔体连通的阳极气体输出管路，且所述阳极气体输出管路与下游的所述分析检测单元连通；
所述外层筒体，其下端开口与所述中间筒体的外壁之间设有一第三密封件，所述第三密封件用于连接所述中间筒体和外层筒体以及密封外层筒体的下端，且所述第三密封件上设有一与所述外层筒体的中空腔体连通的阴极气体输出管，且所述阴极气体输出管与下游的所述分析检测单元连通，所述外层筒体的上端开口设有一第四密封件，所述第四密封件用于密封外层筒体上端，且所述第四密封件上设有一阴极气体输入管，所述阴极气体输入管与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述多功能反应单元中，所述电化学性能测试模块放置于所述加热炉的第二孔位中，至少包括由内向外依次布置并同心套设的一内层筒体和一外层筒体，其中：
所述内层筒体，其顶端开口上设有一用于固定燃料电池或材料样品的样品固定件，所述固定燃料电池或材料样品上至少设有一与所述电化学性能分析检测模块的阳极连接的阳极导线和一与所述电化学性能分析检测模块的阴极连接的阴极导线，所述内层筒体的下端开口处固定设有一第一密封件，所述第一密封件用于固定与密封所述内层筒体的下端，且所述第一密封件上设有一与所述内层筒体的中空腔体连通的气体输入管，所述气体输入管与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通；
所述外层筒体，其下端开口与所述内层筒体的外壁之间设有一第二密封件，其上端开口处设有一第三密封件，所述第三密封件用于密封所述外层筒体的上端，所述第二密封件用于连接所述内层筒体和外层筒体以及密封外层筒体的下端，且所述第二密封件上设有一与所述外层筒体的中空腔体连通的气体输出管，且所述气体输出管与所述分析检测单元连通。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述多功能反应单元中设有多个相互独立的电化学性能测试模块并通过一测试探针切换器进行耦合，所述测试探针切换器至少包括一输入端口和若干输出端口，其中，所述输入端口与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通，各所述输出端口与各电化学性能测试模块的气体输入管一一对应连通。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述多功能反应单元中，所述电池材料催化性能测试模块放置于所述加热炉的第三孔位中，至少包括一U型样品管，其进气端开口处设有一第一密封组件，所述第一密封组件用于密封所述U型样品管的进气端，且所述第一密封组件上设有一气体输送管，所述气体输送管的一端与所述U型样品管的中空腔体连通、另一端与所述气体分配单元中气体预热器的出口管路连通，所述U型样品管的排气端开口处设有一第二密封组件，所述第二密封组件用于密封所述U型样品管的排气端，且所述第二密封组件上设有一气体输出管，所述气体输出管的一端与所述U型样品管的中空腔体连通、另一端与所述分析检测单元连通。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述分析检测单元中，所述电化学性能分析检测模块至少设有一阳极连接导线及一阴极连接导线，并分别与所述多功能反应单元中全电池性能测试模块或电化学性能测试模块伸出的阳极导线及阴极导线相连接。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，所述分析检测单元中，所述第一气体组分分析检测模块通过管路连接于所述全电池性能测试模块、电化学性能测试模块或电池材料催化性能测试模块的一气体出口端，且在连通管路上设有一压力传感器、一冷凝装置及一在线气体检测装置。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台，其特征在于，当所述多功能反应单元进行全电池性能测试时使用，所述分析检测单元中还设有一结构与所述第一气体组分分析检测模块相同的第二气体组分分析检测模块，此时，所述第一、二气体组分分析检测模块分别与所述全电池性能测试模块的阳极气体输出管路、阴极气体输出管路连通，且在各在线气体检测装置中均设有排空气路，并在排空气路上设有截止阀，当不需要在线监测或在线气体检测装置的进样量较小时，打开排空气路上的截止阀，开启排空气路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322493417.3U CN220821641U (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322493417.3U CN220821641U (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220821641U true CN220821641U (zh) | 2024-04-19 |
Family
ID=90672500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202322493417.3U Active CN220821641U (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN220821641U (zh) |
-
2023
- 2023-09-14 CN CN202322493417.3U patent/CN220821641U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107017421B (zh) | 一种燃料电池汽车的燃料实时监测与再循环装置 | |
| CN201237636Y (zh) | 一种燃料电池测试系统 | |
| KR101571177B1 (ko) | 다양한 연료 조성물을 갖는 연료로 작동되는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 흐름 제어 조립체 | |
| CN102375122A (zh) | 中小功率质子交换膜燃料电池测试系统 | |
| CN111304675B (zh) | 一种多用途电化学二氧化碳还原电解池 | |
| CN111082108A (zh) | 一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法 | |
| CN110937574A (zh) | 一种甲醇重整制氢设备、包含其的制氢系统 | |
| CN113937322B (zh) | 一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统及其运行方法 | |
| CN220821641U (zh) | 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台 | |
| CN101989665A (zh) | 自循环燃料电池控制系统及其方法 | |
| CN109802159A (zh) | 燃料电池气体采样系统及采样方法 | |
| CN111426623B (zh) | 模拟生物质高温腐蚀环境并实时检测实验反应气体的装置 | |
| CN117013008A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台与方法 | |
| CN217277828U (zh) | 气体检测装置 | |
| CN113488682B (zh) | 燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法 | |
| CN101556212A (zh) | 一种燃料电池加湿器性能测试系统 | |
| CN115377461A (zh) | 一种燃料电池电堆测试的阳极脉冲尾排模拟系统 | |
| CN111521449B (zh) | 石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法 | |
| CN110336042B (zh) | 一种气体扩散阴极及其制备方法与应用 | |
| CN220585268U (zh) | 一种燃料电池的测试系统 | |
| CN113466212A (zh) | 烟气重金属监测系统及其监测方法 | |
| CN102297906B (zh) | 一种膜电极中炭腐蚀的在线检测方法 | |
| Benjamin | Quantification of Methane Generation using a Solid Oxide Electrolyzer with an Electrode-based Sabatier Reactor for Oxygen Regeneration | |
| CN114405438B (zh) | 一种光电催化反应系统 | |
| CN112310437A (zh) | 固体氧化物燃料电池系统和固体氧化物燃料电池发电的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |