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。