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CN112259765B - 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法 - Google Patents

一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法 Download PDF

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CN112259765B CN201910606752.5A CN201910606752A CN112259765B CN 112259765 B CN112259765 B CN 112259765B CN 201910606752 A CN201910606752 A CN 201910606752A CN 112259765 B CN112259765 B CN 112259765B
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Abstract

本发明提供一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法。该方法在阴极层与阳极层引入管道，通过监测管道之间的电信号便可实时监控电池的发电性能；通过引入阴极集流件与阳极集流件，在电池运行过程中通过监测连接阴极集流件与阳极集流件的导电柱之间的电信号便可实时监控电池的输出性能。该方法简单易行，电池的输出性能可以极大的接近电池的发电性能。

Description

一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号 收集方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法。
背景技术
自从工业化发展以来，全球的能源消耗呈现不断上升的趋势，环境污染以及全球气候变化引起了人们的普遍关注，世界各国政府都对寻找新的清洁能源和发展现有能源清洁高效的解决方案给予重点支持，而燃料电池因其清洁高效的优点在众多解决方案中脱颖而出。其中，高温固体氧化物燃料电池是一种可以通过电化学反应直接将化学能转换为电能的清洁高效的全固态能量转换设备，因需工作在较高的温度(650℃～1000℃)下，表现出对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛的适应性，成为继磷酸燃料电池、融融碳酸盐燃料电池之后第三代燃料电池发电技术。
高温固体氧化物燃料电池可以由不同的成形技术被制成各种几何形状，而最常见的有平板式和管式两种设计。其中平板式结构因其高的功率密度、低的制造成本等众多优点，是目前固体氧化物燃料电池技术较为成熟的结构。SOFC的基本结构包括阴极、电解质和阳极，在实际应用中，需要将SOFC基本结构与金属或陶瓷等连接件部件组合成SOFC电芯，再进一步串并联成大功率电堆给用电设备供电。SOFC本质上是一种将燃料气中的化学能转化为电能的设备，因此SOFC在实际运行时，首先需保证充足的反应气体在多孔电极内的供应，同时为保证良好的电子收集效果，需要在电极表面应用多孔的高电导率集流层并在集流板上设置足够多的凸点或适当的流道以保证集流板与电极或集流层的接触面积高达30％～40％。并且为了保证电极或集流层与集流体的良好的接触，需要施加适当的压力，而传统平板式固体氧化物燃料电池通常很薄(几十微米到上百微米)，强度很低，密封也通常采用压力密封方式，在高温运行过程当中，电池组元与集流板的热膨胀失配会导致电池破裂的可能性大幅增加。因此，一方面为保证密封和集流效果均需对电池施压较大的额外压力，而另一方面电池本身的结构强度低，容易在外力作用下被破坏，综合考虑这两方面的因素时，给电池和电池堆的装配带来了很大困难，对电池堆的长期稳定性也有很大影响。
管式结构的主要优点在于依靠自身的结构优势分离燃料气和空气，而不需要严苛的密封操作，并且管状结构能够提高电池的强度。管式结构电池通常既可以很长，也可以很短。前者因电池管很长，端面收集电流会造成大的功率损失，故一般采用管壁电流收集方式，应用高电导率的材料作为电极电流收集总线，但电子的流动路径较平板式仍较长，有较大的功率损失；后者依靠电池自身电极结构收集电流，在电池管的端面进行集流，通过连接件将电池组合起来，以达到实际所需的功率输出，在便携式应用领域有望取得突破性进展。
专利文献CN 106033819A公开了一种特殊的平板式结构，是以支撑电极层为中心的上下对称分布结构，并且支撑电极层内部具有中空通道，燃料气体与氧化剂气体分别自中空通道以及平板上下两侧通入，通过电解质与电极形成氧化气体离子传导和外部电路的电子传导，形成放电回路。该结构有利于在电池烧结过程中保持电池的平整性；同时由于发生电化学反应的三相界面位于支撑电极层的上下两侧，因此产生的热应力得到有效抵消，可大幅度减小了热应力，降低电解质与电极受到的损伤，从而能够有效保护电池在高温以及冷热循环等恶劣条件下的运行；另外，传统电池结构单元的厚度为400～1000μm，该中空上下分布的电极支撑型结构的厚度可增大到传统结构的10倍以上，因此具有较高的机械强度，并且易于制备大面积电池，可开展二次加工。
当阳极层为支撑层时构成对称双阴极结构固体氧化物燃料电池，此时，空气中的氧气经阴极在高温下发生电化学反应生成氧离子，经过氧离子导体电解质，和多孔阳极中的氢气发生电化学反应生成水，并释放电子。电子则通过阳极金属电极(即，连接阳极层的金属电极)、外电路负载，以及阴极金属电极(即，连接阴极层的金属电极)产生电效能。
该对称双阴极结构固体氧化物燃料电池是基于管式结构和平板式结构的电池基础上发展而来的，既继承了管式电池结构强度高、易密封的优点，又继承了平板式电池功率密度高的优点，但是同管式结构电池类似，大面积对称双阴极结构电池电子流经路径长，功率损失大的问题仍然存在。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法；所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池以阳极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电池结构单元中，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；并且，阳极层设置用于燃料气体流通的中空通道；
其特征是：采用方法A或者/和方法B；
方法A如下：
阳极层两端设置可导电的第一通气管道与第二通气管道；所述第一通气管道连通所述中空通道，用于燃料气流入阳极层；所述第二通气管道连通所述中空通道，用于燃料气流出阳极层；
第一阴极层设置可导电的第三通气管道，用于氧化气流入第一阴极层；
第二阴极层设置可导电的第四通气管道，用于氧化气流入第二阴极层；
外接测试设备收集第一管道与第三管道之间的电信号，或者/和第一管道与第四管道之间的电信号，或者/和第二管道与第三管道之间的电信号，或者/和第二管道与第四管道之间的电信号，利用这些电信号表征所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能；
所述电信号不限，包括电流、电压、电功率等。
作为一种实现方式，当固体氧化物燃料电池电芯呈上下完全结构时，即，第一电解质层与第二电解质层的材料与结构完全相同，第一阴极层与第二阴极层的材料与结构完全相同，用电流信号与电压信号的积得到电功率，用电功率表征该对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能时，为了实时、高效地测试电功率，可以采用以下方法：
外接测试设备收集第一通气管道与第三通气管道之间的电流信号A，同时收集同一时刻第二通气管道与第四通气管道之间的电压信号A；或者/和第一通气管道与第四通气管道之间的电流信号B，同时收集同一时刻第二通气管道与第三通气管道之间的电压信号B，利用这些上述两种方式测试所得电信号表征对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能；
方法B如下：
阳极层两端分别设置第一阳极集流件和第二阳极集流件，所述第一阳极导电柱与第一通气管道布置在同一侧；第二阳极导电柱与第二通气管道布置在同一侧；所述第一阳极集流件通过第一阳极导电柱与外接测试设备相连或第二阳极集流件通过第二阳极导电柱与外接测试设备相连；
第一阴极层上设置第一阴极集流件；第二阴极层下设置第二阴极集流件；所述第一阴极集流件通过第一阴极导电柱与外接测试设备相连或第二阴极集流件通过第二阴极导电柱与外接测试设备相连；
外接测试设备收集第一阳极导电柱与第一阴极导电柱之间的电信号，或者/和第二阳极导电柱与第二阴极导电柱之间的电信号，利用这些电信号表征所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯对外输出的电性能。
所述电信号不限，包括电流、电压、电功率等。
作为一种实现方式，当固体氧化物燃料电池电芯呈上下完全结构时，即，第一电解质层与第二电解质层的材料与结构完全相同，第一阴极层与第二阴极层的材料与结构完全相同，用电流信号与电压信号的积得到电功率，用电功率表征该对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的输出性能时，为了实时、高效地测试电功率，可以采用以下方法：
外接测试设备收集第一阳极导电柱与第一阴极导电柱之间的电流信号C，同时收集同一时刻第一通气管道与第三通气管道之间的电压信号C；或者/和第一阳极导电柱与第二阴极导电柱之间的电流信号D，以及第一通气管道与第四通气管道之间的电压信号D；或者/和第二阳极导电柱与第一阴极导电柱之间的电流信号E及第二通气管道与第三通气管道之间的电压信号E，或者/和第二阳极导电柱与第二阴极导电柱之间的电流信号F及第二通气管道与第四通气管道之间的电压信号F，上述四种方式测试所得电信号表征对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯对外输出的电性能。
作为优选，第一阴极集流件通过导电螺丝固定在第一阴极层上。
作为优选，第二阴极集流件通过导电螺丝固定在第二阴极层上。
所述第一电解质材料不限，包括YSZ、SSZ、LSGM等。
所述第二电解质材料不限，包括YSZ、SSZ、LSGM等。
所述第一阴极层材料不限，包括LSM、LSCF等。
所述第二阴极层材料不限，包括LSM、LSCF等。
所述阳极层材料不限，包括Ni-YSZ、Ni-GDC、Cu-YSZ-CeO2、LSCM等。
所述第一阴极集流件材料不限，包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金等。
所述第二阴极集流件材料不限，包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金等。
所述第一阳极集流件材料不限，包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金等。
所述第二阳极集流件材料不限，包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金等。
作为优选，所述第一阴极层的厚度为5μm～100μm。
作为优选，所述第二阴极层的厚度为5μm～100μm。
作为优选，所述第一电解质的厚度为1μm～15μm。
作为优选，所述第二电解质的厚度为1μm～15μm。
作为优选，所述阳极层的厚度为0.5mm～5mm。
本发明在阴极层与阳极层引入管道，通过监测管道之间的电信号便可实时监控电池的发电性能；引入带导电柱的阴极集流件与阳极集流件，在电池运行过程中通过监测连接阴极集流件与阳极集流件的导电柱之间的电信号便可实时监控电池的输出性能。并且，本发明中阴极集流件的电导率高，降低了像管式电池一样在薄的多孔电极内的传输电阻，使电池产生的电能高效输出，电池的输出性能可以极大的接近电池的发电性能。另外，本发明结构简单，易操作，价格低廉，无需引入过多的外部引线便可实现对电池发电性能和输出性能的实时监测，对探究影响这种对称双阴极结构电池性能衰减因素的分析具有积极的指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例中的固体氧化物燃料电池电芯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1中的附图标记为：1-阳极层；11-第一阳极集流件；12-第二阳极集流件；111-第一通气管道；121-第二通气管道；112-第一阳极导电柱；122-第二阳极导电柱；21-第一电解质层；22-第二电解质层；31-第一阴极层；32-第二阴极层；311-第一阴极集流件；321-第二阴极集流件；312-第三通气管道；322-第四通气管道；313-第一阴极导电柱；323-第二阴极导电柱；4-固体氧化物燃料电池；5-阴极气体流道；6-加压导电螺丝；7-阳极密封材料；
本实施例中，如图1所示，金属连接件与该对称双阴极结构固体氧化物燃料电池装配在一起形成电池电芯。固体氧化物燃料电池4呈对称双阴极结构，阳极层1为支撑层，阳极层1、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层21与第二电解质层22，第一电解质层21位于阳极层1的上表面，第二电解质层22位于阳极层1的下表面；阴极层包括第一阴极层31与第二阴极层32，第一阴极层31位于第一电解质层21的上表面，第二阴极层32位于第二电解质层22的下表面。阳极层1设置用于燃料气体流通的通道。
第一电解质层21与第二电解质层22的材料与结构完全相同。第一阴极层31与第二阴极层32的材料与结构完全相同。
阳极层1两端设置可导电的第一通气管道111与可导电的第二通气管道121。第一通气管道111连通所述通道，用于燃料气H2、CO等流入阳极层1。第二通气管道121连通所述通道，用于燃料气H2、CO等流出阳极层1。
第一阴极层31设置可导电的第三通气管道312，用于氧化气流入第一阴极层31。
第二阴极层32设置可导电的第四通气管道322，用于氧化气流入第二阴极层32。
用电功率表征该对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能。为了实时、高效地测试电功率，采用以下方法：
外接测试设备收集第一通气管道111与第三通气管道312之间的电流信号A，同时收集同一时刻第二通气管道121与第四通气管道322之间的电压信号A。或者，第一通气管道与第四通气管道之间的电流信号B，同时收集同一时刻第二通气管道与第三通气管道之间的电压信号B。
外接测试设备收集第二通气管道121与第三通气管道312之间的电流信号C，同时收集同一时刻第一通气管道121与第四通气管道322之间的电压信号C。或者，第二通气管道121与第四通气管道之间的电流信号D，同时收集同一时刻第一通气管道111与第三通气管道之间的电压信号D。
利用电流信号A与电压信号A，或者/和电流信号B与电压信号B，或者/和电流信号C与电压信号C，或者/和电流信号D与电压信号D都可得对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的发电功率。
上述四种方式测试所得电信号表征对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能。
阳极层1两端设置第一阳极集流件11和第二阳极集流件12，第一阳极导电柱112与第一通气管道111布置在同一侧；第二阳极导电柱122与第二通气管道121布置在同一侧；第一阳极集流件11通过第一阳极导电柱112与外接测试设备相连，第二阳极集流件12通过第二阳极导电柱122与外接测试设备相连。
第一阴极层31上设置第一阴极集流件311；第二阴极层32下设置第二阴极集流件321；第一阴极集流件311通过导电性好的加压导电螺丝6固定在第一阴极层31上，第二阴极集流件321通过导电性好的加压导电螺丝6固定在第二阴极层32上。第一阴极集流件311通过第一阴极导电柱313与外接测试设备相连，第二阴极集流件321通过第二阴极导电柱323与外接测试设备相连。
外接测试设备收集第一阳极导电柱112与第一阴极导电柱313之间的电流信号A，同时收集同一时刻第一通气管道111与第三通气管道312之间的电压信号A；或者/和收集第一阳极导电柱112与第二阴极导电柱323之间的电流信号B，同时收集同一时刻第一通气管道111与第四通气管道322之间的电压信号B；或者/和第二阳极导电柱122与第一阴极导电柱313之间的电流信号C，同时收集同一时刻第二通气管道121与第三通气管道312之间的电压信号C；或者/和第二阳极导电柱122与第二阴极导电柱323之间的电流信号D，同时收集同一时刻第二通气管道121与第四通气管道322之间的电压信号D。利用电流信号A与电压信号A，或者/和电流信号B与电压信号B，或者/和电流信号C与电压信号C，或者/和电流信号D与电压信号D都可得对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的对外输出功率。
上述四种方式测试所得电信号表征对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯对外输出的电性能。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池以阳极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电池结构单元中，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；并且，阳极层设置用于燃料气体流通的中空通道；
阳极层两端设置可导电的第一通气管道与第二通气管道；所述第一通气管道连通所述中空通道，用于燃料气流入阳极层；所述第二通气管道连通所述中空通道，用于燃料气流出阳极层；
第一阴极层设置可导电的第三通气管道，用于氧化气流入第一阴极层；
第二阴极层设置可导电的第四通气管道，用于氧化气流入第二阴极层；
第一电解质层与第二电解质层的材料与结构完全相同，第一阴极层与第二阴极层的材料与结构完全相同，用电流信号与电压信号的积得到电功率，用电功率表征所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池芯的发电性能；
采用方法A或者/和方法B；
方法A如下：外接测试设备收集第一通气管道与第三通气管道之间的电流信号A，同时收集同一时刻第二通气管道与第四通气管道之间的电压信号A；或者/和第一通气管道与第四通气管道之间的电流信号B，同时收集同一时刻第二通气管道与第三通气管道之间的电压信号B；利用电流信号A与电压信号A，或者/和电流信号B与电压信号B，得对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的发电功率；
方法B如下：
阳极层两端分别设置第一阳极集流件和第二阳极集流件，第一阳极导电柱与第一通气管道布置在同一侧；第二阳极导电柱与第二通气管道布置在同一侧；所述第一阳极集流件通过第一阳极导电柱与外接测试设备相连或第二阳极集流件通过第二阳极导电柱与外接测试设备相连；
第一阴极层上设置第一阴极集流件；第二阴极层下设置第二阴极集流件；所述第一阴极集流件通过第一阴极导电柱与外接测试设备相连或第二阴极集流件通过第二阴极导电柱与外接测试设备相连；
外接测试设备收集第一阳极导电柱与第一阴极导电柱之间的电流信号C，同时收集同一时刻第一通气管道与第三通气管道之间的电压信号C；或者/和第一阳极导电柱与第二阴极导电柱之间的电流信号D，以及第一通气管道与第四通气管道之间的电压信号D；或者/和第二阳极导电柱与第一阴极导电柱之间的电流信号E及第二通气管道与第三通气管道之间的电压信号E，或者/和第二阳极导电柱与第二阴极导电柱之间的电流信号F及第二通气管道与第四通气管道之间的电压信号F；利用电流信号C与电压信号C，或者/和电流信号D与电压信号D，或者/和电流信号E与电压信号E，或者/和电流信号F与电压信号F都可得对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的对外输出功率。
2.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第一电解质材料包括YSZ、SSZ、LSGM。
3.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第二电解质材料包括YSZ、SSZ、LSGM。
4.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第一阴极层材料包括LSM、LSCF。
5.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第二阴极层材料包括LSM、LSCF。
6.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述阳极层材料包括Ni-YSZ、Ni-GDC、Cu-YSZ-CeO2。
7.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第一阴极集流件材料包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金。
8.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第二阴极集流件材料包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金。
9.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第一阳极集流件材料包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金。
10.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：所述第二阳极集流件材料包括Crofer22APU、304s、310不锈钢、银合金。
11.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：第一阴极集流件通过导电螺丝固定在第一阴极层上。
12.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的电信号收集方法，其特征是：第二阴极集流件通过导电螺丝固定在第二阴极层上。
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