大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量方法及裝置，包括：將待測(cè)電池制備成多個(gè)小電池；分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度；以及根據(jù)測(cè)量得到的所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度確定所述待測(cè)電池的電流分布。本發(fā)明的測(cè)量方法利用并聯(lián)電路的原理，將大面積平板型固體氧化物燃料電池分割為若干具有代表性的小電池，通過各個(gè)小電池的電流測(cè)量，表征整個(gè)電池的電流場(chǎng)分布情況，簡(jiǎn)單易操作，并能結(jié)合氣體流量和電流大小因素，驗(yàn)證流場(chǎng)設(shè)計(jì)，為固體氧化物燃料電池的成堆和實(shí)際應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
【專利說明】大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種直接測(cè)量大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的原理、測(cè)量方法、測(cè)量裝置及其組裝與操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, S0FC)能夠直接以碳?xì)浠衔餅槿剂隙恍枰獜?fù)雜的外部重整，具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，成為了近年來新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了達(dá)到較大電流和電壓，通常會(huì)將SOFC單電池通過一定的方式串聯(lián)或者并聯(lián)起來，組裝為SOFC電堆。與其它結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池相比，平板式固體氧化物燃料電池能量密度高，內(nèi)阻損失??；結(jié)構(gòu)靈活，氣體流通方式多；組元分開制備，工藝簡(jiǎn)便、多樣；組元分開組裝，質(zhì)量容易控制。
[0003]SOFC電堆工作時(shí),存在著包括氣體傳輸與擴(kuò)散、電極表面反應(yīng)、氧離子在電解質(zhì)中的傳導(dǎo)以及多孔電極中的電子傳導(dǎo)、重整反應(yīng)的吸熱和電流效應(yīng)放熱等的多過程耦合，將會(huì)對(duì)電堆中的溫度(熱量)、氣體(質(zhì)量)和電流分布(電場(chǎng))同時(shí)產(chǎn)生影響，從而造成對(duì)于電堆性能的影響。因此，電池堆內(nèi)的電流分布測(cè)試對(duì)研究電堆性能衰減機(jī)制、保持電堆安全運(yùn)行是十分重要的，尤其是SOFC電堆啟動(dòng)、停機(jī)、改變工況等瞬態(tài)過程中電流的變化等，由于過去研究得少，可參考的數(shù)據(jù)非常有限；但其對(duì)電池堆的實(shí)際運(yùn)行又很重要，更加值得關(guān)注。目前各國(guó)科學(xué)家對(duì)于SOFC的電流場(chǎng)分布研究一般僅限于理論模擬和計(jì)算，幾乎沒有運(yùn)行中的SOFC電流場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量。
[0004]仝猛等人在發(fā)明專利CN101482599A中公開了利用電流的磁效應(yīng)、采用外置的磁傳感器來間接測(cè)量質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的電流分布。但是該方法是間接測(cè)量電流分布，并且不適合高溫運(yùn)行的固體氧化物燃料電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有理論模擬計(jì)算技術(shù)的不足，本發(fā)明人利用并聯(lián)電路原理提供一種可行的直接測(cè)定平板型固體氧化物燃料電池電流場(chǎng)分布的方法及裝置，以了解大面積固體氧化物燃料電池的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為流場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供一種大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量方法，包括:將待測(cè)電池制備成多個(gè)小電池；分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度；以及根據(jù)測(cè)量得到的所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度確定所述待測(cè)電池的電流分布。
[0007]本發(fā)明的測(cè)量方法利用并聯(lián)電路的原理，將大面積平板型固體氧化物燃料電池分割為若干具有代表性的小電池，通過各個(gè)小電池的電流測(cè)量，表征整個(gè)電池的電流場(chǎng)分布情況，簡(jiǎn)單易操作，并能結(jié)合氣體流量和電流大小因素，驗(yàn)證流場(chǎng)設(shè)計(jì)，為固體氧化物燃料電池的成堆和實(shí)際應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。[0008]較佳地，將待測(cè)電池制備成多個(gè)小電池包括將待測(cè)電池的陰極制備為多個(gè)相互區(qū)隔的塊以形成多個(gè)小電池。在本發(fā)明中，可以通過將陰極制備為多個(gè)相互區(qū)隔的塊，這樣可以方便地制備多個(gè)小電池。優(yōu)選地，所述塊的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)域的總面積。例如，所述塊的面積可為待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)域的總面積的5%以下。
[0009]較佳地，本發(fā)明的方法還可包括改變待測(cè)電池的總電流量，其中，在不同的總電流量下分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。這樣，可以測(cè)定不同電流操作條件下的電流分布。
[0010]較佳地，本發(fā)明的方法還可包括改變待測(cè)電池的氣流分布，其中，在不同的氣流下分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。這樣，可以測(cè)定不同氣流分布下的電流分布。
[0011]較佳地，本發(fā)明的方法還可包括將所述多個(gè)小電池并聯(lián)接入燃料電池電流測(cè)量裝置以測(cè)定多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。
[0012]另一方面，本發(fā)明還提供一種大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量裝置，所述大面積平板型固體氧化物燃料電池是其陰極和/或陽極制備為多個(gè)相互隔離的塊以形成多個(gè)小電池的待測(cè)電池；所述測(cè)量裝置包括:用于收集待測(cè)電池的電流的電流收集單元,所述電流收集單元包括位于待測(cè)電池陽極面的泡沫鎳陽極電流收集單元、位于待測(cè)電池陰極面的銀網(wǎng)陰極電流收集單元，所述陽極電流收集單元和陰極電流收集單元對(duì)應(yīng)于多個(gè)小電池被區(qū)隔為多個(gè)子電流收集單元；以及分別與所述多個(gè)子電流收集單元連接用于測(cè)定各個(gè)小電池的電流量和/或電流密度的電流測(cè)量單元。
[0013]較佳地，本發(fā)明的測(cè)量裝置還可包括進(jìn)出氣單元，所述進(jìn)出氣單元包括一對(duì)大面積金屬板，所述金屬板設(shè)置有多個(gè)氣體通道以形成進(jìn)氣管道和出氣管道，所述一對(duì)大面積金屬板位于所述電流收集單元的兩側(cè)。
[0014]較佳地，所述金屬板可由不銹鋼材料制成，例如可使用SUS430S、US320、Crofer22
坐寸ο
[0015]較佳地，所述電池和金屬板之間還可設(shè)置密封材料。將密封材料填充于所述金屬板和所述單電池之間，達(dá)到密封和絕緣的效果。優(yōu)選地，可采用典型的絕緣密封材料如玻
璃、云母等。
[0016]較佳地，本發(fā)明的測(cè)量裝置還可包括與所述電流測(cè)量單元連接的用于記錄測(cè)量的電流量和/或電流密度的記錄單元。
[0017]相對(duì)于理論計(jì)算和模擬，本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)直觀:本測(cè)量裝置可直觀測(cè)量和顯示大面積電池在不同流場(chǎng)設(shè)計(jì)、不同操作條件下的電流分布，可對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效補(bǔ)充；
(2)真實(shí):直接測(cè)量單電池在運(yùn)行狀態(tài)下各個(gè)區(qū)塊的電流，真實(shí)表征其電流場(chǎng)分布情
況；
(3)容易實(shí)現(xiàn):除單電池陰極制備稍作改動(dòng)外，其余測(cè)試材料、裝置均為該領(lǐng)域常用的，簡(jiǎn)單易行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為具有特殊陰極設(shè)置的大面積固體氧化物燃料電池； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的平板型固體氧化物燃料電池電流的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為實(shí)施例1采用本發(fā)明裝置測(cè)得的電流場(chǎng)分布結(jié)果:(a)各特征區(qū)塊的電流隨電池總電流變化的趨勢(shì)圖；(b)l.1lAcnT2電流密度下各特征區(qū)塊的電流密度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖及下述【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式和/或附圖僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明利用并聯(lián)電路原理提供一種可行的直接測(cè)定平板型固體氧化物燃料電池電流場(chǎng)分布的方法及裝置。首先，將大面積平板型固體氧化物燃料電池(以下簡(jiǎn)稱待測(cè)電池)制備成多個(gè)小電池，每個(gè)小電池的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)總面積。例如，參見圖1和圖2，將陽極支撐型的待測(cè)電池的陰極面區(qū)隔為相互分離的多個(gè)小面積的小塊。小塊的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)總面積，優(yōu)選為待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)域的總面積的5%以下。參見圖1，在一個(gè)示例中，將陰極區(qū)隔為6個(gè)小塊，但應(yīng)理解，小塊的數(shù)目不限于6個(gè)。此外，還應(yīng)理解，在此處，將陰極區(qū)隔為多個(gè)小塊，然而也可以將陽極區(qū)隔為多個(gè)小塊，例如將陰極支撐型的待測(cè)電池的陽極區(qū)隔為多個(gè)小塊。
[0021]參見圖2，其示出本發(fā)明的大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量裝置示例結(jié)構(gòu)，首先，在該示例中待測(cè)電池的陰極3區(qū)隔為多個(gè)小塊以形成多個(gè)小電池，陽極支撐體I和電解質(zhì)層2并沒有作特殊處理。在陽極面和陰極面分別設(shè)置電流收集單元，陽極電流收集單元4可采用泡沫鎳等材料，陰極電流收集單元5可采用銀網(wǎng)等材料。在這里陽極電流收集單元4和陰極電流收集單元5也對(duì)應(yīng)于陰極區(qū)隔為相應(yīng)的多個(gè)小塊。各個(gè)小電池和其對(duì)應(yīng)的電流收集單元以并聯(lián)的方式可接入電子負(fù)載等燃料電池測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)于各個(gè)小電池分別配置測(cè)定電流量和/或電流密度的儀表，例如電流表。在待測(cè)電池的兩側(cè)可配置一對(duì)金屬板6、金屬板6可由耐高溫的不銹鋼材料制成，例如可使用SUS430S、US320、Crofer22等。在各個(gè)金屬板6上可加工有多個(gè)氣體通道作為進(jìn)氣管道8、9和出氣管道10、11以形成進(jìn)出氣單元。應(yīng)理解，這里雖然示出兩個(gè)進(jìn)氣管道和兩個(gè)出氣管道，但應(yīng)理解，可以采用一個(gè)或多于兩個(gè)進(jìn)氣管道，同樣也可以采用一個(gè)或多于兩個(gè)出氣管道。在金屬板6和待測(cè)電池之間還可設(shè)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屬板、電流收集材料和電池之間的縫隙。
[0022]陰極上區(qū)隔的各個(gè)小塊可分別位于靠近或遠(yuǎn)離進(jìn)氣管道、出氣管道，這樣可以測(cè)定在不同氣流下的位置的電流，以模擬在不同氣流場(chǎng)下的電流分布。
[0023]下面說明本發(fā)明的測(cè)定平板型固體氧化物燃料電池電流分布的方法，包括如下步驟。
[0024](I)電池的制備:制備大面積陽極支撐型平板電池，將其陰極制備為若干相互分離的小塊區(qū)域，這些小區(qū)域面積相對(duì)陰極總反應(yīng)區(qū)的面積小得多，且一般分布于進(jìn)氣口、出氣口等特征部位。
[0025](2)測(cè)量裝置的組裝:按照測(cè)量裝置要求，在一個(gè)示例中依次疊放金屬底板、陽極電流收集材料、密封材料、單電池、密封材料、陰極電流收集材料、金屬頂板；在另一個(gè)示例中依次疊放金屬底板、陰極電流收集材料、密封材料、單電池、密封材料、陽極電流收集材料、金屬頂板。其中，金屬板可采用SUS430S、US320、Crofer22等；陽極集流材料可采用泡沫鎳等；陰極集流材料可采用Ag網(wǎng)等；密封材料可采用玻璃、云母等。
[0026](3)測(cè)試電路的連接:以上述大面積固體氧化物燃料電池上的各個(gè)小塊為基礎(chǔ)構(gòu)成若干并聯(lián)電路的支路，在各個(gè)支路中分別接入電流表后，再并聯(lián)接入電子負(fù)載等燃料電池測(cè)試系統(tǒng)。
[0027](4)電流場(chǎng)的測(cè)試:將測(cè)試裝置至于電爐中，升溫密封后保溫再通入反應(yīng)氣體，改變氣流、電流等操作條件并記錄電流場(chǎng)變化。
[0028]下面進(jìn)一步舉例實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的尺寸、溫度、氣體流量以及采用的材料也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即、本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值和所用材料。
[0029]實(shí)施例1
制備如圖1所示的SOFC單電池。單電池材料與結(jié)構(gòu)為NiO-YSZ/NiO-SSZ/SSZ/LSM的陽極支撐平板型固體氧化物燃料電池；尺寸為13X13cm2。其陰極劃分為6個(gè)特征區(qū)域，分別標(biāo)記為1飛；陰極反應(yīng)區(qū)總面積為85cm2，每個(gè)特征區(qū)域的尺寸為2X2cm2。實(shí)際測(cè)量中，采用兩個(gè)進(jìn)氣口、一個(gè)出氣口的設(shè)計(jì)；氣體流動(dòng)方向如圖所示，氫氣和氧氣的流動(dòng)采用平行流、逆流的設(shè)計(jì)。采用如圖2所示的裝置測(cè)量上述SOFC電池的電流場(chǎng)分布。該裝置中，采用的金屬材料為SUS430，密封材料為玻璃。電池測(cè)試的溫度為750°C，氫氣和氧氣的流量均為 200mL min 、
[0030]該實(shí)施例所測(cè)得的電流場(chǎng)分布結(jié)果如圖3所示。(a)圖為I?6各特征區(qū)塊的電流隨電池總電流變化的趨勢(shì)圖，各點(diǎn)的電流密度均隨著電池電流的增大而線性增長(zhǎng)；因此，各點(diǎn)間的電流密度差距越來越大，至總電流達(dá)到2.75A時(shí)，電流最小的4區(qū)和電流最大的6區(qū)之間的差距達(dá)到0.2A。(b)圖為電池總電流密度為1.1lA cm_2時(shí)各特征區(qū)塊的電流密度分布，結(jié)合氣體流向可知，靠近氣體進(jìn)口的2和6區(qū)的電流密度較大、并隨著流道方向電流密度有所減小；中間的4區(qū)可能存在氣體傳質(zhì)的“死角”，從而電流密度最小，至3區(qū)由于靠近氣體出口，傳質(zhì)有所改善，電流密度又少有上升。
[0031]產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性:本發(fā)明提供的測(cè)量方法和測(cè)量裝置可直接用于測(cè)量大面積平板固體氧化物的燃料電池位于不同流場(chǎng)、不同操作電流下的電流分布，又有效表征其電流分布，測(cè)試方法簡(jiǎn)單易行，有廣闊的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量方法，其特征在于，包括: 將待測(cè)電池制備成多個(gè)小電池； 分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度；以及 根據(jù)測(cè)量得到的所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度確定所述待測(cè)電池的電流分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，將待測(cè)電池制備成多個(gè)小電池包括將待測(cè)電池的陰極制備為多個(gè)相互區(qū)隔的塊以形成多個(gè)小電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述塊的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)域的總面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述塊的面積為待測(cè)電池的有效反應(yīng)區(qū)域的總面積的5%以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于，還包括改變待測(cè)電池的總電流量，其中，在不同的總電流量下分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于，還包括改變待測(cè)電池的氣流分布，其中，在不同的氣流下分別測(cè)量所述多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于，將所述多個(gè)小電池并聯(lián)接入燃料電池電流測(cè)量裝置以測(cè)定多個(gè)小電池的電流量和/或電流密度。
8.一種大面積平板型固體氧化物燃料電池電流分布的測(cè)量裝置，其特征在于，所述大面積平板型固體氧化物燃料電池是其陰極和/或陽極制備為多個(gè)相互隔離的塊的以形成多個(gè)小電池的待測(cè)電池；所述測(cè)量裝置包括: 用于收集待測(cè)電池的電流的電流收集單元，所述電流收集單元包括位于待測(cè)電池陽極面的泡沫鎳陽極電流收集單元、位于待測(cè)電池陰極面的銀網(wǎng)陰極電流收集單元，所述陽極電流收集單元和陰極電流收集單元對(duì)應(yīng)于多個(gè)小電池被區(qū)隔為多個(gè)子電流收集單元；以及 分別與所述多個(gè)子電流收集單元連接用于測(cè)定各個(gè)小電池的電流量和/或電流密度的電流測(cè)量單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于，還包括進(jìn)出氣單元，所述進(jìn)出氣單元包括一對(duì)大面積金屬板，所述金屬板設(shè)置有多個(gè)氣體通道以形成進(jìn)氣管道和出氣管道，所述一對(duì)大面積金屬板位于所述電流收集單元的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述金屬板由不銹鋼材料制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)量裝置，其特征在于，在所述電池和金屬板之間還設(shè)置密封材料，所述密封材料為玻璃或云母。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于，還包括與所述電流測(cè)量單元連接的用于記錄測(cè)量的電流量和/或電流密度的記錄單元。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK103698706SQ201210369928
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月27日
【發(fā)明者】葉曉峰, 仲崇英, 王紹榮, 聶懷文, 史堅(jiān), 占忠亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所