一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置

1.本发明涉及固体氧化物燃料电池在线测试领域，特别是一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(solidoxide fuel cell，sofc)作为一种清洁能源利用技术，是将燃料的化学能直接转换成电能的装置，具有高效、高能量密度、无噪声和清洁等优点，具有相当广阔的应用前景。在运行过程中，sofc的工作温度一般在600℃以上，而单电池自身发热量较低，因此单电池或短堆需要通过外部热源加热电池至工作温度。
3.目前，sofc的测试一般采用单电池或短堆，其加热方式以电炉加热为主。电炉通过炉膛四周的电热丝或硅碳棒进行加热，使炉膛升至工作温度，此时，sofc处于温度场均匀的热环境中，电池内部温度也基本均匀；但在实际应用中，sofc以电堆形式组装一起运行，且电堆四周进行良好保温，电堆一般通入过量空气带走其运行过程中的产热量，空气温度的逐渐升高和吸热量变化导致电池内产生温度梯度；同时在sofc升温降温过程中也会不可避免的产生温度梯度。对于sofc来讲，其内部产生的温度梯度不仅会影响电池的性能，还会产生热应力；当温度梯度过大，其产生的热应力会导致电池的密封材料、陶瓷电解质出现破裂，在高温环境下，泄露的燃料气体和氧化剂混合会燃烧，甚至爆炸，造成严重的实验室安全问题。因此，在sofc单电池或短堆的性能、耐久性等实验测试表征过程中，使电池处于一定的温度梯度中，以得到其在实际应用环境中的输出性能、衰减速率、可靠性等关键特征，这对sofc的实际安全稳定运行和商业化推广至关重要。
4.现有的测试设备，大多采用电炉控制电池工作温度，sofc电池处于电炉恒温区内，电池内部温度梯度很小，且温度场不可控；对于sofc温度场的相关研究主要集中在温度场的测量，而缺少针对温度场控制的研究。


技术实现要素：

5.针对上述技术中的问题，本发明提供一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，通过恒温热源与冷源对sofc单电池局部区域温度(例如两端)进行调控，以在电池内部形成一大热流量，形成一定温度梯度，从而实现温度场的控制和实现快速热循环；本装置不仅可以提供sofc正常工作所需要的类似于实际工作的热环境，还可根据需要调控sofc单电池内部温度梯度和实现sofc单电池快速热循环，同时为研究sofc的耐久性研究、可靠性测试、加速实验等提供实验平台。
6.本发明所采用的方案是：一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，包括强热源、强冷源、温控机构、保温机构和气体管道；
7.所述强热源、强冷源与sofc单电池外表面相接触，可根据需要设置在不同位置，例如设置在sofc单电池两端，所述强冷源顶部连接冷空气进气管道，侧面连接冷空气出气管道；
8.所述保温机构包括保温箱、隔热支撑底座、隔热罩和导热胶；所述隔热支撑底座安装在保温机构底部，所述sofc单电池置于隔热支撑底座上，所述导热胶安装在强冷源、强热源与sofc单电池接触面上；所述隔热罩安装于保温机构底部，所述强冷源、强热源、sofc单电池和隔热支撑底座均安装在隔热罩内部；
9.所述温控机构包括中间热夹层、热电偶、电阻丝一和电阻丝二；所述强热源和强冷源内部均设有电阻丝一；所述中间热夹层安装在保温箱内侧，由电阻丝二和保温层构成，所述电阻丝二铺设在所述保温层和保温箱之间；所述热电偶设有三根，分别安装于强冷源底部、强热源底部和中间热夹层任一侧面的中心位置；
10.所述气体管道包括阳极气体输入管道、阳极气体输出管道、阴极气体输入管道、阴极气体输出管道、冷空气进气管道、冷空气出气管道；所述阳极气体输入管道、阳极气体输出管道、阴极气体输入管道、阴极气体输出管道顺次穿过保温箱底部、中间热夹层、隔热支撑底座与sofc单电池连通；所述冷空气进气管道、冷空气出气管道顺次穿过保温层、中间热夹层、隔热罩与强冷源连通。
11.进一步地，所述强热源、强冷源及内部电阻丝一可布置在sofc单电池两端、对角、上下表面等不同位置，以在sofc电池内形成不同温度场；所述强冷源与sofc单电池接触面积和所述强热源与sofc接触面积可以调节，以改变sofc电池间的传热特性和内部温度梯度；所述强冷源顶部冷空气进气管道、侧面冷空气出气管道为圆形管道。
12.进一步地，所述电阻丝一、电阻丝二、热电偶的导线均装有绝缘层；所述保温箱、中间热夹层、隔热罩留有所述电阻丝一导线、电阻丝二导线、热电偶导线、冷空气进气管道、冷空气出气管道孔洞。
13.进一步地，所述中间热夹层中的电阻丝二均匀铺装在所述保温层与保温箱之间，以在热夹层中形成均匀温度场。
14.进一步地，所述隔热罩内部设有两个隔板，放置在所述强热源与强冷源之间，减少所述强热源与强冷源之间的辐射热传递。
15.进一步地，所述保温机构还包括防辐射涂层，所述防辐射涂层涂抹于强热源、强冷源和sofc单电池表面；所述防辐射涂层厚度为1-3mm。
16.进一步地，可在sofc单电池上方设置一重块，以加固sofc单电池的密封性。
17.进一步地，所述强热源及强冷源结构材料为高导热系数的金属，以实现近似恒温热源；同时，强热源和强冷源与sofc单电池接触面厚度较厚，以实现强热源和强冷源与单电池接触面的温度均匀一致。
18.进一步地，所述保温箱包括保温箱箱体和保温箱盖板，所述中间热夹层包括中间热夹层箱体和中间热夹层盖板，均由电阻丝二和保温层构成。
19.进一步地，所述保温箱盖板由保温箱左盖板和保温箱右盖板组成，所述中间热夹层盖板包括中间热夹层左盖板和中间热夹层右盖板，左右两侧盖板配合处留有热电偶导线通过的孔洞。
20.有益效果
21.1、本发明的测试装置可模拟实际工作的热环境，且温度场易调控。所述强热源、强冷源作为可变温的恒温热源，放置在sofc单电池两端；由加热强热源、强冷源内部的电阻丝一和控制流经强冷源的冷空气流量，用以改变强热源、强冷源的温度，从而实现对sofc单电
池温度场的控制和实现快速的热循环；
22.2、本发明的测试装置温度变化传导及时，强热源、强冷源的位置和结构设计，并应用导热系数较高的金属作为导热材料，在sofc单电池接触面安装有导热胶，保证sofc单电池内温度梯度和变化及时易控，并减小温度场动态调控过程中sofc单电池温度变化的滞后性；
23.3、本发明的测试装置应用保温层、防辐射涂层、隔热罩、中间热夹层提供类似实际工作的热环境，可根据实验要求对电阻丝二进行温度调控，减少sofc单电池、强热源、强冷源向外箱内的辐射热损失。
附图说明
24.图1为实施例1一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置的整体结构示意图；
25.图2为实施例1一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置的剖视结构示意图；
26.图3为图2中a处放大示意图；
27.图中：1、热电偶导线；2、保温箱左盖板；3、保温箱箱体；4、箱体底座；5、阳极气体输入管道；6、阴极气体输出管道；7、冷空气进气管道；8、保温箱右盖板；9、阳极气体输出管道；10、阴极气体输入管道；11、中间热夹层左盖板；12、中间热夹层箱体；13、隔热罩；14、电阻丝一；15、强热源；16、隔热支撑底座；17、电阻丝二；18、中间热夹层右盖板；19、冷空气出气管道；20、强冷源；21、防辐射涂层；22、隔板；23、热电偶；24、导热胶；25、sofc单电池。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
29.实施例1
30.如图1～3所示，本发明的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，该装置包括强冷源20、强热源15、保温箱、中间热夹层、热电偶23、电阻丝、导热胶24、sofc单电池25和气体管道。如图2所示，所述强热源15、强冷源20位于sofc单电池25两端，所述强热源15、强冷源20内部装有电阻丝一14，其结构材料为高导热系数的金属，内部温度均匀并可快速向sofc单电池25传递热量，降低温度变化的滞后性；所述强冷源20顶部连接冷空气进气管道7，侧面连接有冷空气出气管道19，首先用电阻丝一14同时把强热源15，强冷源20加热到相同温度，然后用冷空气把强冷源20降温，冷空气流经强冷源20与之发生对流换热，会携带走部分热量，使sofc单电池25两端具有温差，而形成温度场，通过调整强热源和强冷源与sofc单电池的接触位置和面积，可以改变sofc单电池内部温度场分布形式与规律。如图2、图3所示，所述强热源15、强冷源20与sofc单电池25接触面设有导热胶24，以减小接触热阻。
31.所述保温箱分为保温箱箱体3和保温箱盖板两部分，所述保温箱箱体3底部四角装有箱体底座4，所述保温箱盖板由保温箱左盖板2和保温箱右盖板8两块盖板组成，盖板配合处留有热电偶导线1孔洞。
32.所述中间热夹层分为中间热夹层箱体12和中间热夹层盖板两部分，均由电阻丝二
17和保温层构成。所述电阻丝二17铺装在中间热夹层的保温层和保温箱之间；中间热夹层盖板包括中间热夹层左盖板11和中间热夹层右盖板18，两盖板配合处留有热电偶导线1三个孔洞。
33.所述电阻丝一14对称放置于强冷源20、强热源15内部。所述热电偶23设有三个，分别与热电偶导线1连接，三个热电偶23分别放置于强热源15底部、强冷源20底部和中间热夹层内壁任一面的中心位置；热电偶23一个安装在强热源底部，另一个安装在强冷源底部，得到强热源和强冷源的温度，即电池两端的温度，第三个热电偶用于测出炉膛内部温度，放在隔热罩和中间热夹层之间，中间热夹层侧边四个面，任意一个面的中间。
34.应理解这里虽然示出三根热电偶导线1，盖板配合处留有三个导线孔洞，但应理解，可以装设根热电偶23，且盖板配合处留有相应数量的孔洞。
35.所述隔热罩13扣于中间热夹层底部，使强热源15、强冷源20、sofc单电池25、隔热支撑底座16与中间热夹层侧向四壁面、顶部壁面隔离；所述防辐射涂层21涂抹在强热源15、强冷源20、sofc单电池25表面；所述隔热支撑底座16放置于中间热夹层底部，其上方放有sofc单电池25；
36.其中隔热罩内电池向中间热层的辐射热流计算公式如下：
[0037][0038]
式中：φ为辐射热流量；af为辐射换热面积；e
b1
为电池的辐射力；e
b2
为中间热夹层的辐射力；ε1为电池表面的发射率；ε3为隔热罩的表面发射率；ε2为中间热夹层的表面发射率；
[0039]
所述气体管道包括阳极气体输入管道5、阳极气体输出管道9、阴极气体输入管道10、阴极气体输出管道6、冷空气进气管道7、冷空气出气管道19；所述阳极气体输入管道5、阳极气体输出管道9、阴极气体输入管道10、阴极气体输出管道6由保温箱箱体3底部，贯穿保温箱、中间热夹层、隔热支撑底座16与sofc单电池25连通，所述冷空气进气管道7、冷空气出气管道19贯穿保温层、中间热夹层、隔热罩13与强冷源20连通；
[0040]
进一步地，所述强热源15、强冷源20关于sofc单电池25平行放置；所述强冷源20顶部冷空气进气管道7、侧面冷空气出气管道19为圆形管道。
[0041]
进一步地，所述电阻丝一14、电阻丝二17、热电偶导线1均装有绝缘层；所述保温箱、中间热夹层、隔热罩13留有所述电阻丝一导线、电阻丝二导线、热电偶导线1、冷空气进气管道7、冷空气出气管道19孔洞。
[0042]
进一步地，所述隔热罩13内部设有两个隔板22，放置在所述强热源15与强冷源20之间，减少所述强热源15与强冷源20之间的辐射热传递。
[0043]
进一步地，所述防辐射涂层21厚度为1-3mm。
[0044]
进一步地，可在sofc单电池25上方设置一重块，以加固sofc单电池25的密封性；所述重块设在隔热罩13下方，与中间热夹层侧向四壁面、顶部壁面隔离。
[0045]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，例如：改变强热源和强冷源形式、位置和大小等，将sofc单电池替换为多个电池等，
本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于，包括强热源(15)、强冷源(20)、温控机构、保温机构和气体管道；所述强热源(15)、强冷源(20)作为可变温的恒温热源，通过导热胶(24)与sofc单电池(25)外表面接触，其接触位置、面积可调节，以在sofc单电池(25)内形成不同温度场；所述强冷源(20)顶部连接冷空气进气管道(7)，侧面连接冷空气出气管道(19)；所述保温机构包括保温箱、隔热支撑底座(16)、隔热罩(13)和导热胶(24)；所述隔热支撑底座(16)安装在保温机构底部，所述sofc单电池(25)置于隔热支撑底座(16)上，所述导热胶(24)安装在强冷源(20)、强热源(15)与sofc单电池(25)接触面上；所述隔热罩(13)安装于保温机构底部，所述强冷源(20)、强热源(15)、sofc单电池(25)和隔热支撑底座(16)均安装在隔热罩(13)内部；所述温控机构包括中间热夹层、热电偶(23)、电阻丝一(14)和电阻丝二(17)；所述强热源(15)和强冷源(20)内部均设有电阻丝一(14)；所述中间热夹层安装在保温箱内侧，由电阻丝二(17)和保温层构成，所述电阻丝二(17)铺设在所述保温层和保温箱之间；所述热电偶(23)设有三根，分别安装于强冷源(20)底部、强热源(15)底部和中间热夹层任一侧面的中心位置；所述气体管道包括阳极气体输入管道(5)、阳极气体输出管道(9)、阴极气体输入管道(10)、阴极气体输出管道(6)、冷空气进气管道(7)、冷空气出气管道(19)；所述阳极气体输入管道(5)、阳极气体输出管道(9)、阴极气体输入管道(10)、阴极气体输出管道(6)顺次穿过保温箱底部、中间热夹层、隔热支撑底座(16)与sofc单电池(25)连通；所述冷空气进气管道(7)、冷空气出气管道(19)顺次穿过保温层、中间热夹层、隔热罩(13)与强冷源(20)连通。2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述强热源(15)、强冷源(20)及内部电阻丝一(14)与sofc单电池(25)连接板通过导热胶(24)连接，所述强冷源(20)顶部冷空气进气管道(7)、侧面冷空气出气管道(19)为圆形管道。3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述电阻丝一(14)、电阻丝二(17)、热电偶(23)的导线(1)均装有绝缘层；所述保温箱、中间热夹层、隔热罩(13)留有所述电阻丝一导线、电阻丝二导线、热电偶导线(1)、冷空气进气管道(7)、冷空气出气管道(19)孔洞。4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述中间热夹层中的电阻丝二(17)均匀铺装在所述保温层与保温箱之间。5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述隔热罩(13)内部设有两个隔板(22)，放置在所述强热源(15)与强冷源(20)之间，减少所述强热源(15)与强冷源(20)之间的辐射热传递。6.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述保温机构还包括防辐射涂层(21)，所述防辐射涂层(21)涂抹于强热源(15)、强冷源(20)和sofc单电池(25)表面；所述防辐射涂层(21)厚度为1-3mm。7.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述强热源(15)及强冷源(20)结构材料为高导热系数的金属，且与电池接触面厚度较厚，以实现热源的温度均匀。
8.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述保温箱包括保温箱箱体(3)和保温箱盖板，所述中间热夹层包括中间热夹层箱体(12)和中间热夹层盖板，均由电阻丝二(17)和保温层构成。9.根据权利要求8所述的一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，其特征在于：所述保温箱盖板由保温箱左盖板(2)和保温箱右盖板(8)组成，所述中间热夹层盖板包括中间热夹层左盖板(11)和中间热夹层右盖板(18)，左右两侧盖板配合处留有热电偶导线(1)通过的孔洞。

技术总结
本发明专利公开了一种固体氧化物燃料电池可控温度场的测试装置，包括强热源、强冷源、温控机构、保温机构和气体管道；强热源、强冷源作为可变温的恒温热源，置于在SOFC单电池两端；通过加热强热源内部的电阻丝一，使强热源达到预设温度，通过改变强冷源内部的冷空气流量和加热电阻丝一，使强冷源达到预设温度，实现对SOFC单电池温度场的控制；同时保温层、隔热罩、中间热夹层等结构模拟实际工作的热环境；导热系数较高的金属作为导热材料，保证恒温热源的温度更均匀，减少温度变化的滞后性。与现有技术相比，本发明不仅可模拟SOFC正常工作的热环境，还可根据需要调控SOFC单电池内部温度梯度和实现SOFC单电池快速热循环。温度梯度和实现SOFC单电池快速热循环。


技术研发人员：申双林 段康伟 王绍荣
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/20