固体氧化物燃料电池综合测试系统研究

固体氧化物燃料电池综合测试系统研究

摘要：本文提出一套容量为200W固体氧化物燃料电池综合测试系统（SOFCITS）的设计方案。该方案详细列出了各部件选型依据，所选型号以及参数说明。该系统功能主要包括：电池封接性能的测试，单电池发电性能的测试以及小型电池堆发电性能测试。由于系统的开放式结构，基于该系统的设计架构，还可以根据具体需要进行扩展以满足测试需求。

1、引言

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。目前，国内SOFCs的研究，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。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。

2、SOFC－ITS设计

本文给出的SOFC－ITS设计，主要由以下几部分构成：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

2.1 SOFCITS工艺过程流程图

SOFCITS工艺过程流程图及其组件说明见图1。

图1 SOFCITS工艺过程流程图

对图1中各部件说明如下：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

2.2 主要组件型号选择

根据系统容量、操作条件及测试项目要求，对于主要仪器及仪表给出详尽的选型依据与计算方法。

2.2.1 气体反应速度计算及流量计选择

在以H2为燃料的电池反应中，H2与O2按化学计量比2:1进行反应，每1摩尔H2会放出2摩尔电子，故该反应会产生4F的电荷（F为法拉第常数，即96485 C·mol-1，以下同）。据此可以推导出氧气的反应速度见下式（1）：

（1）

其中P stack为电池堆的功率，V cell为每片电池的电压（对于电池堆，可以理解为各片电池的平均工作电压，以下同）。

通常情况下，电池堆所需氧气是由空气提供的，将上式变换成空气流速并将空气的消耗速度单位mol·s-1换成L·min-1（标准状况下）得：

（2）同样方法可以推导，标准状况下氢气的消耗速度（L·min-1）：

（3）

对于200W电池堆，可由此式算得标准状况下空气消耗速度为4.43 L·min-1，标准状况下H2的消耗速度1.78 L·min-1。计算中取V cell为0.75V。

如果反应中某种物质的消耗速率为r L·min-1，则供给的速率就应为λr L·min-1。这里定义变量λ为裕量系数。比如取λ等于2，则标准状况下H2和空气的供应速度分别为2.56 L·min-1和8.86 L·min-1。据此，各流量计量程选择见表1。

表1 流量计型号选择

2.2.2 温度及压力仪表选择

温度计t1、t2、t3测量中低温，选择了WSS型普通轴向双金属温度计。这是一种适合测量中、低温的现场监测工业仪表，可以直接测量并显示气体的温度。

温度计T1、T2、T3、T4测量高温，选择了SBWR型一体化数显温度器。该温度计采用K偶采集温度，该种热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金。采用四位LCD显示现场温度。

氢气压力表P1、P5，氮气压力表P2、P6，空气压力表P3、P7及氧气压力表

P4，均采用Y系列轴向不锈钢压力表，其工作温度为-40～70℃。实际应用表明，压力表工作在满量程的66％左右精度最高。各温度计及压力表量程选择见表2。表中及文中的正体t x、T x、P x、F x代表仪表；斜体t x、T x、P x、F x代表物理量，x 表示序号，以下同。

表2 温度计/压力表型号选择

2.2.3 高温电炉及测试设备选择

预热电炉⑤为特殊定制，其炉膛内固定两套不锈钢盘管（φ10×1），预热通过盘管的待反应气体。提供电池反应环境的高温电炉⑥和⑦，也为特殊定制，程序控温。应保证高温电炉⑥和⑦的温场相对均匀，程序升温和降温平滑，以减少电池测试中的不确定因素。各电炉规格见表3。

表3 程序控温电炉规格选择

两套BT2000系列Arbin电池测试设备，其中⑧的规格为±0.0001A、±0.01A、±1A，±10 V(DC)；⑨规格为±1A、±5A、±35A，±50 V(DC)。该设备与计算机串行口连接，利用Arbin MIT Pro软件编程测试电压，电流及电阻，并可进行数据处理，然后导出Excel报表。

氧分析仪⑩采用GPR-12MS型微量氧分析仪，量程：10 ppm；精度：±2% of FS（在20℃时）；分辨率：10ppb（在10ppm量程）。气相色谱仪⒀为国产GC-9890A 型气相色谱仪，该仪器性能指标和惠普公司HP-5890基本一致。

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，见表4。

表4 电池堆测试通道

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E mf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。

2.1.1 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V cell、V stack、电流I、功率P stack等参数并计算电池的电压效率ζ（V cell/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：

（6）

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。

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：

（7）

利用公式（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。

（3）电池堆的电效率计算

电池堆的效率可以定义如下[3]：

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：

（8）

式中，ΔH是电池反应中氢气的摩尔生成焓。

（4）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。

（5）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。

（6）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、结语

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。