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固体氧化物燃料电池综合测试系统研究

 

目前,为便于叙述测试系统的多项功能,国内SOFCs的研究,固体氧化物已经由电池材料和电池制备的阶段进入到电池堆的组装和发电试验阶段。固体氧化物燃料电池

(SOFCs, Solid Oxide Fuel Cells)的研究过程,涉及到电池组元材料的性能评价、电池封接性能的评价以及电池堆发电性能的评价等等。发电试验阶段的测试评价工作赖以进行的平台,就是固体氧化物燃料电池综合测试系统(SOFC-ITS, Solid Oxide Fuel Cell Integrated Test System )。本文给出了一套容量为200W的SOFC-ITS设计方案。该方案不仅适用于小型固体氧化物燃料电池堆的评价测试,也符合中等规模测试系统的设计思路。   

 

1、SOFC-ITS设计   

(一)氧化剂供应单元。氧化剂通常为空气,该单元主要包括空气供给和空气处理。空气供给涉及到压缩机的压力调节、流量调节和温度调节;空气处理,主要是空气过滤和预热。   

(二)燃料供应单元。主要包括燃料供给和燃料处理。燃料供给涉及到燃料气压力调节、流量调节和温度调节;燃料处理涉及到燃料气干燥、增湿和预热。     

(三)保护气供应单元。采用N2作保护气,在电池堆启动和关闭过程进行吹扫保护,在热循环过程中对Ni/YSZ阳极抗氧化保护,以及电池堆出现故障停机时进行吹扫保护。    

(四)高温电炉。一台燃料气和氧化剂的预热电炉,工作温度约800℃;两台提供电池反应环境的高温电炉,工作温度约1000℃。三台均为程序控温电炉。   

(五)尾气处理单元。尾气处理单元主要是尾气的冷却,冷凝,分离及氧敏性分析,尾气成分分析及燃料利用率计算。      

(六)数据采集及电子负载系统。数据采集系统主要是实现对电池电压、电流的采集,并对电池电阻进行分析。采用美国Arbin公司生产的BT2000系列电池测试设备,它具备数据采集和电子负载的双重功能。   

 

2 阀件结构说明     

(一)电池通道:Anode代表阳极气体通道;Cathode代表阴极气体通道;SOFC代表电池堆;Cell代表单电池。    

(二)阀件说明:RVx代表减压阀;HVx代表针形阀;AVx代表电磁阀(扩展备用);CVx代表止回阀;Qx代表三通;Px代表压力表;Fx代表体积流量计;Tx代表高温温度仪表;tx代表指针式低温温度表,其中x代表序号,以下同。      

(三)仪器说明:标号①代表氢气干燥器;②代表氢气增湿器;③代表空气过滤器;④代表混合气体缓冲器;⑤燃料气和氧化剂预热炉(共用);⑥代表电池堆实验高温电炉;⑦代表单电池实验高温电炉;⑧、⑨代表Arbin测试设备;⑩代表氧分析仪;⑾代表阳极出气冷凝器;⑿代表阳极出气干燥器;⒀代表气相色谱仪;⒁代表阳极尾气燃烧器;⒂代表阳极出气冷却器;⒃代表阴极出气冷却器。    

 

3、测试系统功能     

3.1 测试通道定义     

为便于叙述测试系统的多项功能,对于电池堆测试,首先定义以下几个测试通道。   同理可以定义单电池测试通道,即单电池阳极进气通道1-2、单电池阳极进气通道2-2、单电池阴极进气通道3-2、单电池阴极进气通道4-2、单电池阳极出气通道1-2、单电池阳极出气通道2-2及单电池阴极出气通道3-2。     

3.2 测试项目     

该系统的设计能实现三个方面的测试评价功能:封接性能、单电池性能、电池堆性能。   

3.2.1 电池气密和封接材料性能测试   

气体泄漏对电池测试的影响分为两个部分:一是由于漏入的O2与H2反应产生H2O,导致电动势Emf降低;二是由于相对周围环境压力梯度导燃料体积减少影响燃料利用率[1]。因此封接材料测试和电池气密性测试成了SOFCs测试中至关重要的一个环节。   

(1) 串气测试:在高温电炉⑤装配好待测试样,编程升温至测试所需温度,进气通道2-1通入N2,进气通道3-1压入空气,同时关闭通道中不相关组件。调节压力使得空气压力P3大于N2压力P2,在电池堆阳极出气通道1-1利用氧分析仪进行氧敏性分析。   

(2) 漏气测试:在高温电炉⑤装配好待测试样,编程升温至测试所需温度,对于阳极气道检漏,在进气通道2-1通入N2,同时关闭通道中不相关组件。读取入口N2压力P2、流量F2、温度T0(室温)和出气通道2-1的出口N2流量F6、压力P5、温度t2,可以用Clepeyron方程计算阳极损失比率η,即气体泄漏速度与供应速度的比率(量纲为1)。损失比率η计算公式的推导结果为:         

(4)   式中,由于Clepeyron方程中的气体压力和温度分别是绝对压力和热力学温度,所以上式中各压力值加上了1个标准大气压P0(即101325 Pa),各个温度值加上了T0(即273.15K)。各压力、流量及温度的单位分别为Pa、L·min-1及K。以下计算同上。   同样,用Clepeyron方程推导漏率l(单位是sccm)的计算公式,结果为:     

(5)   可以证明,分别用Berthelot维里方程和Clepeyron方程计算所得结果相差无几。   

由于测试过程中存在系统误差和随机误差,并且误差具有传递性[2],可以认为泄漏比率η在±5%内为合理范围。同理,可以测量电池堆阴极的泄漏比率和漏率。藉此,可以做电池堆的前期测试评价工作,或者做各种封接材料的测试评价工作。   

 燃料电池的研究需要进行多次的测试评价。SOFCs的发电性能受多项因素的影响,发展SOFC-ITS技术至关重要。   

(1)SOFC-ITS技术需要多种高精度、高灵敏度的仪器设备。应有意识积累测试经验和技能,建立基于SOFC-ITS技术的各种可对比、可重复的测试方案。   

(2)利用合适的数学方法对测试结果进行科学、合理的分析,准确评价电池材料和电池发电性能,以进一步提升电池制备工艺水平,才是根本的目的。   

(3)对于提高系统测量精度和提高自动化水平,可增设数字控制系统,中央控制由计算机完成。这涉及数据采集和系统控制两部份。其中数据采集包括:利用霍尔传感器实时采集电池的电流、电压参数;利用热电偶和热敏电阻采集气体的温度参数;利用压力传感器采集气体压力;利用湿度传感器采集反应气湿度;利用质量流量计来测量气体流速。系统控制又包括:运行控制,主要涉及到对输出电压、电流监测,燃料泄漏监测以及负荷反馈控制;停机控制,包括故障停机和正常停机,停机又涉及到吹扫、降温、报警等步骤。    

燃料电池堆和单电池性能测试   电池或者电池堆的电压效率ζ、燃料利用率u及电池堆电效率ε等三个参数是判断电池堆设计成功与否的重要依据,以下详细讨论这三个参数的测试分析。   

(1)电池堆电性能参数测试   利用Arbin测试设备采集电池电压Vcell、Vstack、电流I、功率Pstack等参数并计算电池的电压效率ζ(Vcell/E0,即工作电压/开路电压)及内阻R。   

(2)计算燃料利用率   在电池平稳反应的状态下,读取进气通道1-1中的H2流量F1、压力P1、温度t0(室温)和出气通道1-1的H2流量F5、压力P5、温度t1。利用Clepeyron方程计算H2消耗速度r(H2)(单位mol·s-1)为:   

(3)不同氧分压对电池堆性能的影响   在电池堆阴极进气通道3-1和电池堆阴极进气通道4-1中,调节不同氧化剂组成,并采集相应电池性能参数,可以分析不同预热温度对电池堆性能的影响。同理可以测试氢气分压对电池堆性能的影响。 单电池性能测试与电池堆性能测试基本一致,只需变更相应气体通道即可。另外可利用气相色谱仪对尾气成份进行分析等等,均不再赘述。

(4)式中,R为通用气体常数,其值为8.314×103 L·Pa·mol-1·K-1,以下同。    

(5)下面给出H2利用率u,即燃料反应速度与消耗速度的比率(量纲为1)的推导结果:利用公式

(6)式中,ΔH是电池反应中氢气的摩尔生成焓。不同燃料气湿度对电池堆性能的影响   在电池堆阳极进气通道1-1中,调节燃料气的增湿量(3%~11%),并采集相应电池性能参数,可以分析不同燃料气湿度对电池堆性能的影响。

(7)和测试所得电池性能参数可以分析不同利用率对电池堆性能的影响。电池堆的电效率计算,电池堆的效率可以定义如下   ε=输出电功率/单位时间输出的化学能   这可由采集到的电功率Pstack和氢气消耗速度r1(H2)计算得出:      

不同进气温度对电池堆性能的影响,SOFCs的基本氢、氧反应的可逆电池电压随着温度上升而下降(化学平衡时的理论值为0.27 mV /℃[4]),但是提高操作温度却会降低活化极化、欧姆极化和浓差极化。   在电池堆阳极进气通道1-1中,调节燃料气的预热温度(400℃~800℃),并采集相应电池性能参数,可以分析不同预热温度对电池堆性能的影响,进而获取最佳预热温度。    

 

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