大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置制造方法
【专利摘要】一种大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置，包括：进出气单元，所述进出气单元包括夹着电池（7）设置的一对大面积金属板（1）、（2），所述金属板（1）、（2）设置有多个气体通道以形成进气管道（3）、(4)和出气管道（5）、（6）；位于所述一对大面积金属板（1）、（2）之间，用于分配气流的流道分布单元；位于所述一对大面积金属板（1）、（2）之间用于收集所述电池（7）的电流的电流收集单元；以及设置于所述对大面积金属板（1）、（2）中的至少一个大面积金属板（1）上的用于采集电池（7）的温度的温度采集单元。
【专利说明】大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池【技术领域】，具体涉及一种直接测量燃料电池，尤其是大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的装置及其组装与操作方法。
【背景技术】
[0002]作为一种清洁高效的能源转换装置，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide FuelCell, SOFC)以其全固态组件，无腐蚀、无泄漏，高温运行，燃料适用性强，便于热电联用(效率可高达70~80%)等优点，引起了世界各国的广泛关注，成为当今燃料电池研究的重点和热点。在实际应用中，为了达到较大电流和电压，通常会将SOFC单电池通过一定的方式串联或者并联起来，组装为SOFC电堆。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能量密度高，内阻损失小；结构灵活，气体流通方式多；部件分别制备，工艺简便、多样；组元分开组装，质量容易控制。
[0003]在SOFC电堆中，由于气流分布和电流输出的影响，电池单元温度往往出现分布的不均匀性，从而导致热应力的变化，使电池膜片出现破裂、分层和电池堆的性能输出急剧下降等现象。因此，对电池堆内的温度场分布进行研究，对研究电堆性能衰减机制、保持电堆安全运行是十分重要的。尤其是SOFC电堆启动、停机、改变工况等瞬态过程中温度场的变化等，由于过去研究得少，对电池堆的实际运行又很重要，更加值得关注。
[0004]目前各国科学家对于SOFC的温度场分布一般仅限于理论模拟和计算，而由于布设热电偶容易受到电堆密封材料的限制，因此运行中的SOFC温度场的实际测量较少。燕希强等人在专利CN10115860 7A中利用铜丝漆包线和康铜丝漆包线制备成微型热电偶测量质子交换膜燃料电池内部的温度场，但是这些方法加工困难、成本高，很难应用于高温运行的固体氧化物燃料电池，志村重辅等人在专利CN101904035A中利用固定构件的电阻值检测装置测量直接甲醇燃料电池的温度，但该法仅测量整个电池的平均温度，而不能反映温度场的分布。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有理论模拟计算技术的不足，提供一种可行的测定平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置及其组装与操作方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明一方面提供一种直接测量大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置，包括:进出气单元，所述进出气单元包括夹着电池设置的一对大面积金属板，所述金属板设置有多个气体通道以形成进气管道和出气管道；位于所述一对大面积金属板之间，用于分配气流的流道分布单兀；位于所述一对大面积金属板之间用于收集所述电池的电流的电流收集单元；以及设置于所述一对大面积金属板中的至少一个大面积金属板上的用于采集电池的温度的温度采集单元。
[0007]本发明是利用金属连接体材料的导热和导电性，表征各种流场设计下实际运行中的电池上的温度场分布，简单易操作，并能接合气体流量和电流大小因素，验证流场设计，为固体氧化物燃料电池的成堆和实际应用提供设计依据。
[0008]较佳地，所述金属板中的至少一个金属板上可设置有多个孔道，所述温度采集单元可为位于所述多个孔道中的多个热电偶。更优选地，所述多个孔道底部可距离所述电池的表面2?3mm。
[0009]较佳地，所述流道分布单元可包括位置可动的多个导流条以模拟不同的流场设计。所述导流条可由不锈钢材料制成，例如SUS430S、US320、Crofer22等。
[0010]较佳地，所述电流收集单元包括位于所述电池的阳极面上的泡沫镍、位于所述电池的阴极面上的银网以及焊接在所述金属板上的银导线。
[0011]较佳地，所述金属板由不锈钢材料制成，例如SUS430S、US320、Crofer22等。
[0012]较佳地，在所述电池和金属板之间还可设置密封材料。所述密封材料填充于所述金属板和所述单电池之间，达到密封和绝缘的效果。优选地，可采用典型的绝缘密封材料如玻璃、云母等。
[0013]较佳地，本发明的测量装置还可包括与所述温度采集单元连接的用于动态记录采集的温度的多通道记录仪。
[0014]相对于理论计算和模拟，本发明的有益效果主要表现在以下几个方面:
(1)直观:本测量装置可直观测量和显示大面积电池在不同流场设计、不同操作条件下的温度分布，可对理论计算结果进行有效补充；
(2)真实:直接将热电偶置于接近电池表面的区域，比较接近真实的温度场分布情况；
(3)容易实现:通过金属板材的可加工性，避免了大量热电偶的布设给电池密封带来的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为根据本发明的大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置的结构不意图；
图2为实施例1所采用的均匀气体流道设计和相应热电偶布设位置(圆孔部分)示意
图；
图3为实施例1采用本发明装置测得的温度分布结果:(a)进气口 I处温度随操作条件变化曲线；(b)进气方向上各点温度分布曲线；(c)垂直于进气方向上各点温度分布曲线。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图及下述【具体实施方式】进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0017]参见图1，其示出本发明的大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置示例结构。该装置包括:一对金属板1、2，金属板为大面积金属板，其面积与待测量电池大致相同，一对金属板1、2位于单电池7的两侧。金属板1、2可由抗高温的不锈钢钢材制成，例如可使用但不限于SUS430S、US320、Crofer22等。各个金属板上可加工有多个气体通道作为进气管道3、4和出气管道5、6以形成进出气单元。应理解，这里虽然示出两个进气管道和两个出气管道，但应理解，可以采用一个或多于两个进气管道，同样也可以采用一个或多于两个出气管道。在金属板1、2和单电池之间还可设置密封材料8，所用密封材料包括但不限于玻璃或云母。
[0018]在金属板1、2之间，但在单电池7的两侧上设置用于收集电流的泡沫镍9和银网10，其中泡沫镍9位于单电池7的阳极面上，银网10位于单电池7的阴极面上，除了泡沫镍9和银网10，电流收集单元还包括焊接在金属板1、2上的银导线11。
[0019]金属板1、2的内表面上(朝向单电池7的一面)还设置有多个导流条12用于分配气流、导流条12也可由抗高温的不锈钢钢材制成，例如可使用但不限于SUS430S、US320、Crofer22等。导流条12的位置可变，因此可模拟不同的流场设计。
[0020]又参见图1，金属板1、2中的至少一个上可设置多个孔道13，孔道13的底部非常靠近单电池7的表面，例如，孔道13的底部距离单电池的表面2?3毫米。在多个孔道13中可放置多个热电偶14以采集温度。采集温度的热电偶可连接至多通道记录仪(未图示)，以动态地记录采集的温度。在两块金属板上下放置的情况下，可在上金属板(金属顶板)I上设置多个孔道13，但不在下金属板(金属底板)2上设置孔道13。金属板1、2虽然在图1中以上下设置的方式示出，且在上金属板上设置孔道，但应理解，其它方式也是可以的，而且在两个金属板上均设置孔道也是适用的。
[0021]在金属板1、2和单电池之间还可设置密封材料8，所用密封材料包括但不限于玻璃或云母。密封材料8用于密封单电池7、金属板1、2以及电流收集材料之间的接触面的外
周缝隙。
[0022]下面说明本发明示例测定平板型固体氧化物燃料电池的温度测量装置的组装和使用方法，具体包括如下步骤。
[0023](I)测量装置的组装:根据待测量的大面积固体氧化物燃料电池，例如阳极支撑型平板固体氧化物燃料电池，采用合适的不锈钢材料，例如SUS430S、US320、Crofer22等，力口工所需金属板、导流条。按照上述测量装置要求，在一个示例中，依次叠放金属底板、导流条、阴极集流材料、密封玻璃、阳极面朝上的单电池、密封材料、阳极集流材料、导流条、金属顶板，然后在金属顶板的孔洞内放置好测温热电偶并接上多通道记录仪。在另一个示例中，依次叠放金属底板、导流条、阳极集流材料、密封材料、阴极面朝上的单电池、密封玻璃、阴极集流材料、导流条、金属顶板，然后在金属顶板的孔洞内放置好测温热电偶并接上多通道记录仪。
[0024]( 2 )温度场的测试:将上述组装好的测试装置至于电炉中，升温密封后进行温度场测试，改变气流、电流等操作条件并记录温度场变化。参见图3，其示出本发明装置测得的温度分布结果。
[0025]下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例所采用的材料也仅是可选择范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例所采用的材料。
[0026]实施例1
采用如图1所示的测试装置测量运行中的SOFC电池温度场分布。该装置中，气体分配如图2所示，即两个进气口、一个出气口，(阳极气体为氢气，阴极气体为氧气)，流道均匀分布的设计；相应的顶部金属板上I?5号的特征位置放置热电偶，测量单电池温度场分布，其中1、2、3号为平行于气体流动方向，1、4、5号为垂直于气体流动方向。单电池结构为:NiO-YSZ/NiO-SSZ/SSZ/LSM的阳极支撑平板型固体氧化物燃料电池，且阳极面朝上；采用的金属材料为SUS430S，密封材料为玻璃。
[0027]该实施例所测得的温度场分布结果如图3所示。(a)图为I号点温度随操作条件变化的趋势:电炉保温时温度逐渐升至接近程序温度；氮气通入电池阳极、氧气通入电池阴极后，由于没有预热，温度降低约20°C ;通入氢气阳极还原并电池放电后，温度逐渐升高了约30°C。(b)图为进气方向上各点温度分布曲线，通入氢气阳极还原期间，流道尾端温度比前端温度升高10°C ;电池开始放电后，温度逐渐接近，温差降低为约5°C。(c)图为垂直于进气方向上各点温度分布曲线，5号点处温度始终较低，可能存在流场的死角。
[0028]产业应用性:本发明提供的测量装置可直接用于测量大面积平板固体氧化物的燃料电池位于不同流场、不同操作温度下的温度，又有效表征其温度场分布，测试方法简单易行，有广阔的应用前景。
【权利要求】
1.一种大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置，其特征在于，包括: 进出气单元，所述进出气单元包括夹着电池(7)设置的一对大面积金属板(I)、(2)，所述金属板(I)、(2)设置有多个气体通道以形成进气管道(3)、(4)和出气管道(5)、(6)；位于所述一对大面积金属板(I )、( 2 )之间，用于分配气流的流道分布单元； 位于所述一对大面积金属板(I)、(2)之间用于收集所述电池(7)的电流的电流收集单元；以及 设置于所述对大面积金属板(I)、(2)中的至少一个大面积金属板(I)上的用于采集电池(7)的温度的温度采集单元。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述金属板(1)、(2)中的至少一个金属板(I)上设置有多个孔道(13 )，所述温度采集单元为位于所述多个孔道(13 )中的多个热电偶(14)。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述多个孔道(13)底部距离所述电池(7)的表面2?3mm。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述流道分布单元包括位置可动的多个导流条(12)以模拟不同的流场设计。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述导流条(12)由不锈钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电流收集单元包括位于所述电池(7)的阳极面上的泡沫镍(9)、位于所述电池(7)的阴极面上的银网(10)以及焊接在所述金属板(1)、(2)上的银导线(11)。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述金属板(1)、(2)由不锈钢材料制成。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在所述电池(7)和金属板(1)、(2)之间还设置密封材料(8)。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述密封材料(8)为玻璃或云母。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括与所述温度采集单元连接的用于动态记录采集的温度的多通道记录仪。
【文档编号】G01K7/02GK103698036SQ201210366142
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】叶晓峰, 钱继勤, 王绍荣, 仲崇英, 史坚 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所