阅读说明：本技术 一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统及方法 (Reversible solid oxide fuel cell measuring system and method ) 是由 张宝锋 宋子琛 童博 赵勇 张健 韩毅 高晨 陈臣 王新 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统的方法,包括气路控制系统、三电极测量系统、电压电流测量系统和气相色谱仪；三电极测量系统包括电堆和箱式炉,且电堆安装于箱式炉之中；箱式炉具有与电堆连接的燃料电极和空气电极；气路控制系统包括气瓶、空气压缩机、水蒸气发生器和气体流量计,气瓶和水蒸气发生器的气路均与燃料电极的一端相连,空气压缩机与空气电极的一端相连,燃料电池气道出口与排风系统和气相色谱仪相连；气体流量计设置在气瓶气路上；燃料电极和空气电极均通过电路与电压电流测量系统连接；气体流量计、气相色谱仪、可控电压电流电源、电子负载均与计算机电连接。本发明可以对可逆固体氧化物燃料电池进行测量。(The invention discloses a method of a reversible solid oxide fuel cell measuring system, which comprises a gas path control system, a three-electrode measuring system, a voltage and current measuring system and a gas chromatograph; the three-electrode measuring system comprises a galvanic pile and a box-type furnace, and the galvanic pile is arranged in the box-type furnace; the box-type furnace is provided with a fuel electrode and an air electrode which are connected with the electric pile; the gas path control system comprises a gas cylinder, an air compressor, a water vapor generator and a gas flowmeter, gas paths of the gas cylinder and the water vapor generator are connected with one end of the fuel electrode, the air compressor is connected with one end of the air electrode, and an air passage outlet of the fuel cell is connected with the exhaust system and the gas chromatograph; the gas flowmeter is arranged on a gas path of the gas cylinder; the fuel electrode and the air electrode are both connected with a voltage and current measuring system through a circuit; the gas flowmeter, the gas chromatograph, the controllable voltage and current power supply and the electronic load are all electrically connected with the computer. The invention can be used for measuring the reversible solid oxide fuel cell.)

一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统及方法

技术领域

本发明属于可逆固体氧化物燃料电池的性能测量技术领域，具体涉及一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统及方法。

背景技术

可逆固体氧化物燃料电池及附件(包括气体控制和电路部分)是构建分布式发电网络的物理基础组件，也是储能的关键设备。但由于气体在多孔电极中传输缓慢，可逆固体氧化物燃料电池的在电解和产氢模式状态转换时，电池或者电解池的动态性能会受到影响。此外，固体氧化物燃料电池相比质子交换膜燃料电池的一大优点是支持多种燃料气体，包括氢气、一氧化碳以及甲烷，同时电解模式时还可以共电解水蒸气和二氧化碳生成氢气和一氧化碳。可逆固体氧化物燃料电池作为储能装置使用，其运行长期稳定性和动态响应的快速性十分关键，而本系统可以对电堆在不同气体下发电以及电解的性能进行测试，此外还可以进行模式切换的动态测试。这些研究结果对于电堆投入实际使用以及控制系统的设计至关重要。

常用的电堆测试系统只能测试电堆在发电模式下的功率以及产氢模式下的产氢率，但还未实现模式切换以及多种气体的测量，因此有必要研发更加灵活方便的系统。

可逆固体氧化物电堆运行在700度左右的高温条件下，同时需要氢气、一氧化碳和甲烷等易燃易爆气体，因此排风系统14和测试系统的安全性和可靠性十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统及方法，本发明的系统可以灵活切换气体、运行方式，并且安全可靠的支持多种气体。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统，包括气路控制系统、三电极测量系统、电压电流测量系统和气相色谱仪；

其中，所述三电极测量系统包括可逆固体氧化物燃料电池电堆和箱式炉，且可逆固体氧化物燃料电池电堆安装于箱式炉之中；箱式炉具有与可逆固体氧化物燃料电池电堆连接的燃料电极和空气电极；

所述气路控制系统包括支持多种气体切换的气瓶、空气压缩机、水蒸气发生器和气体流量计，气瓶和水蒸气发生器的气路均与燃料电极的一端相连，空气压缩机与空气电极的一端相连，燃料电池气道出口与排风系统和气相色谱仪相连；气体流量计设置在气瓶的多种气体切换的气路上；

所述燃料电极和空气电极均通过电路与电压电流测量系统连接；

所述气体流量计、气相色谱仪、可控电压电流电源、电子负载均与计算机电连接。

作为本发明的进一步改进，所述可逆固体氧化物燃料电池电堆通过陶瓷柱压紧，空气电极上依次设置有空气电极接线柱、空气入口，燃料电极依次设置有燃料电极接线柱、燃料气入口以及燃料气出口；空气电极接线柱、燃料电极接线柱、空气入口、燃料气入口以及燃料气出口均穿过箱式炉上开设的通孔伸出，空气电极接线柱、燃料电极接线柱与可控电压电流电源、电子负载串联相连，空气入口、燃料气入口以及燃料气出口与气路控制系统相连。

作为本发明的进一步改进，所述箱式炉的外壳和空气电极均接地，空气电极接线柱通过绝缘胶带与外壳绝缘。

作为本发明的进一步改进，所述电压电流测量系统包括可控电压电流电源、电子负载和数显表；所述燃料电极和空气电极均通过电路与可控电压电流电源、电子负载串联；可控电压电流电源、电子负载和电压数显表与可逆固体氧化物燃料电池电堆并联。

作为本发明的进一步改进，所述气瓶包括5％氢气、纯氢气瓶、一氧化碳瓶和氮气对应的多种气路。

作为本发明的进一步改进，所述燃料电极出口通过三通阀连接冷凝器后连通排风系统。

作为本发明的进一步改进，电子负载和可控电压电流电源与计算机中的燃料电池测试程序电连接。

作为本发明的进一步改进，所述箱式炉上开口处填充石英棉。

作为本发明的进一步改进，所述水蒸气发生器的气路通过气体净化器后与燃料电极的一端相连。

一种可逆固体氧化物燃料电池的测量系统的测量方法，包括以下步骤：

控制气路控制系统的气体流量，电路与电压电流测量系统的电源和负载大小，根据电路与电压电流测量系统采集到的信号计算可逆固体氧化物燃料电池的功率和产氢率。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可以的测量发电或产氢两种模式下的电池性能，使用数控的质子流量计、电源、电子负载和气相色谱仪，能够对多种复合气体下多种工况下的稳态和动态性能自动化测量，实现长期稳定性、负载切换以及模式切换动态性能的测量。本发明，可以对可逆固体氧化物燃料电池进行测量，支持多种气体切换，实时检测电池的电压、电流、功率、产氢率和气体流量，便于可逆固体氧化物燃料电池电堆的设计和优化。

其中，气瓶包括5％氢气、纯氢、一氧化碳、氮气多种气体气路，可以实现支持多种气体切换。

进一步的，通过燃料电池测试程序，可以精确地定时定量地对负载、电源和气体流量进行控制，并实时检测电池的电压、电流、功率、产氢率和气体流量，将电池状态可视化显示便于对可逆固体氧化物燃料电池电堆进行调试和观测，并将结果保存到本地文件。

附图说明

图1为一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统的设计框图；

图2为一种可逆固体氧化物燃料电池测量系统的结构图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图2，本发明公开了一种支持多种气体切换的可逆固体氧化物燃料电池测量系统，包括用于测量试样可逆固体氧化物燃料电池的功率和产氢的气路控制系统、箱式炉、可控电压电流电源8、电子负载9、气相色谱仪13以及数据采集处理软件；

其中，气路控制系统包括气瓶(具有多种气体，具体为5％氢气、纯氢、一氧化碳、氮气)、空气压缩机16、水蒸气发生器10、气体流量计11和气体流量控制软件，气路控制系统的5％氢气、纯氢、一氧化碳、水蒸气发生器10气路通过三通阀与燃料电极的一端相连，空气压缩机16与空气电极的一端相连，燃料电池气道出口通过三通阀与排风系统14和气相色谱仪13相连。燃料电极和空气电极极板通过电路与可控电压电流电源8、电子负载9串联，箱式炉外壳和空气电极接地。气体流量计11、气相色谱仪13、可控电压电流电源8、电子负载9通过串口与计算机相连，用于控制气体流量、电源和负载大小，以及根据采集到的信号计算相应的功率和产氢率。

三电极测量系统包括可逆固体氧化物燃料电池电堆1和箱式炉2，且可逆固体氧化物燃料电池电堆1安装于箱式炉2之中，通过陶瓷柱将可逆固体氧化物燃料电池电堆压紧，空气电极上依次设置有空气电极接线柱3、空气入口4，燃料电极依次设置有燃料电极接线柱5、燃料气入口6以及燃料气出口7。接线柱和气体出入口的穿过箱式炉2上开设的通孔伸出，接线柱与电流电压测量系统相连，气体出入口与气路控制系统相连。

三电极测量系统还包括用于可逆固体氧化物燃料电池电堆功率和产氢率测量显示的系统，该功率和产氢率测量系统中包括可控电压电流电源8、电子负载9和电压数显表，其中，可控电压电流电源8、电子负载9和电压数显表与可逆固体氧化物燃料电池电堆1并联，两端接在可逆固体氧化物燃料电池电堆上下两极的接线柱上，电池模式工作时接入电子负载9，可控电压电流电源8设置成开路状态，电池模式工作时接入可控电压电流电源8，电子负载9设置成开路状态。

空气电极气体入口连接空气压缩机16，燃料电极气体入口通过三通阀连接燃料气气路和水蒸气发生器10，其中燃料气气路可以通过质量流量计11控制氢气流量，可以选择燃料气气路通过三通连接5％氢气、纯氢气瓶和一氧化碳瓶。燃料电极出口通过三通阀连接冷凝器12和气相色谱仪13，最终通过软管通入排风系统14。

电子负载9和可控电压电流电源8通过燃料电池测试程序15，根据测量和运行模式，改变负载电流和电源电压值，实现可逆固体氧化物燃料电池电堆可逆运行、伏安特性曲线、动态性能及长期稳定性测试。

燃料电极气体出口7连接冷凝器12，用于冷却高温水蒸气，防止水蒸气冷凝回流至可逆固体氧化物燃料电池电堆。

外壳和燃料电极接线柱接地，空气电极接线柱通过绝缘胶带与外壳绝缘。

箱式炉上开口填充石英棉，用于保温。所述水蒸气发生器10的气路通过气体净化器17后与燃料电极的一端相连。

如图1中，本发明的系统还包括限流电阻、电路过流保护装置和高阻计。

本发明还提供一种可逆固体氧化物燃料电池的测量系统的测量方法，包括以下步骤：

控制气路控制系统的气体流量，电路与电压电流测量系统的电源和负载大小，根据电路与电压电流测量系统采集到的信号计算可逆固体氧化物燃料电池的功率和产氢率。

可控电压电流电源8、电子负载9和电压数显表与可逆固体氧化物燃料电池电堆1并联，两端接在可逆固体氧化物燃料电池电堆上下两极的接线柱上，电池模式工作时接入电子负载9，可控电压电流电源8设置成开路状态，电池模式工作时接入可控电压电流电源8，电子负载9设置成开路状态。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为本发明的限制。