固體氧化物燃料電池氣密性檢測裝置的設計

程宏輝，王昌龍，曹 磊，陳 飛，潘金平，王蔚國

CHENG Hong-hui1,WANG Chang-long1,CAO Lei1,CHEN Fei1,PAN Jin-ping2,WANG Wei-guo3

（1. 揚州大學 機械工程學院，揚州 225127；2. 嘉興市特種設備檢測院，嘉興 314001；3. 中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，寧波 110016）

0 引言

近年來，由于化石能源的日趨枯竭和環境保護問題愈加嚴重，迫使人們開發各種新能源技術。固體氧化物燃料電池(SOFC)發電技術，由于具有1）發電效率達到60%，能量綜合利用率達到80%；2）可以承受較高濃度的硫化物和CO的毒害，燃料使用種類廣泛，可以用H2、CO、天然氣、甲醇等作為燃料；3）采用固體電解質避免了使用液態電解質所帶來的腐蝕和電解質流失等問題；4）高溫下運行，反應過程非常迅速，對電極要求較低，無需使用貴金屬等優點，正在日益受到人們的重視。

固體氧化物燃料電池結構形式主要分為管式結構和平板式結構兩種。單體燃料電池是其中的核心元部件，一般只能產生1V 左右電壓，功率幾十瓦左右，為了獲得大功率SOFC，必須將若干個單電池以串聯方式組裝成電池堆。平板式結構單電池，主要由陰極、陽極和電解質組成，電解質位于陽極和陰極之間，其工作原理如圖1所示。在運行過程中，在陽極和陰極分別送入燃料氣和空氣或者氧氣，氧氣在多孔陰極催化劑的作用下得到電子，生成氧負離子。氧負離子在電解質中通過氧離子空位和氧離子之間的換位躍遷達到陽極，然后與燃料反應，生成H2O 和CO2，失去的電子通過外電路回到陰極，這樣就形成了電流。因此對于SOFC單電池的電解質層有兩個基本要求：1）具有足夠的氣密性，能夠避免燃料氣和空氣或者氧氣的混合；2）具有足夠的絕緣性，能夠阻止電子從中流動。

圖1 SOFC平板式結構單電池工作原理

中國科學院寧波材料技術與工程研究所燃料電池與能源技術事業部主要進行SOFC平板式電池和電池堆研究工作，目前已建成一條SOFC平板型單電池制備中試實驗生產線。該生產線主要生產陽極支撐型平板式電池，其中電解質層厚度為6～10μm。在生產過程中，對于這樣厚度的電解質層難以很好的控制，容易產生缺陷，導致局部沒有電解質層，形成廢品，但是在宏觀上又很難通過肉眼或者放大鏡手段觀察判斷。而這些有缺陷的單電池一旦裝入電池堆又會造成電池堆不能正常工作，浪費大量的人力物力。為此，研制了一套氣密性檢測裝置用于檢測電解質層的致密性。

1 檢測裝置的結構和原理

SOFC平板式單電池制備過程涉及幾十道工序，且陰極和陽極與電解質不同，其結構均屬于多孔結構，具有良好的透氣性。為便于實際操作，經研究分析決定對包含電解質和陽極經燒結狀態的半電池進行氣密性檢測，通過后才進入下一道工序。

圖2所示為該檢測裝置的結構簡圖，主要零部件包括電磁閥、真空泵、連接管路、壓塊等。其測試原理是：通過壓塊、O型圈和半電池電解質層形成一個相對密封的腔體，然后對該腔體進行抽真空，停止抽真空，記錄隨時間的變化其壓力值的變化，然后將半電池換成重量相近、且表面粗糙度類似的不銹鋼鋼板，進行同樣的實驗，記錄隨時間的變化其壓力值的變化情況，獲得壓力變化曲線的特征值，如果半電池的特征值明顯大于鋼板的特征值，則可斷定電解質層有裂紋，可以報廢。

圖2 SOFC氣密性檢測裝置結構簡圖

SOFC單電池主要構成是氧化物陶瓷材料，本身較脆，而且燒結過程中由于收縮等原因會導致半電池的平整度不佳，因此在抽真空檢測過程中如何確保半電池完好無損是一個必須解決的問題。為此采取兩項措施：1）半電池片的下方墊泡沫鎳；2）采用O型圈實現密封和傳遞壓力。半電池下方墊泡沫鎳，一方面使真空泵能夠有效抽走腔體內的空氣，另一方面為電池片提供支撐，防止由于壓差的存在而導致電池片碎裂。基座上的O型圈主要起密封和支撐的作用，而壓塊上的O型圈主要起傳遞壓力的作用。上下O型圈的內外徑相同，安裝位置相對。壓塊由不銹鋼材料制成，本身是剛性的，直接壓在電池片會形成面接觸，容易造成應力集中，導致電池片的損壞，而O型圈是橡膠材料，在壓力作用下可以產生變形，與電池片的接觸是線接觸，這樣可大大降低應力集中的風險。從實際使用來看，這種設計結構非常簡潔而且效果很好，自投入使用以來從沒有發生過由于進行氣密性檢測而導致電池片損壞的現象。

檢測裝置的壓塊，基座等均是自行設計制造，管路、過濾器、四通等來自于美國Swagelok公司，閥門選擇日本CKD公司的HVB112型常閉真空電磁閥，其接頭為1/4英寸VCR陰螺紋，驅動電壓為DC24V。真空泵選擇浙江黃巖真空泵廠生產的2XZ-0.25型單相直連旋片式真空泵。真空計選擇美國MKS公司HPS902型壓電真空規，驅動電壓為DC24V，輸出信號為4～20mA。

根據壓力對時間變化的多條實驗曲線的特征判斷：p＝a ·exp (b ·t)＋c，是描述曲線最佳的方程，其中p：表示壓力（單位為torr），t：表示時間（單位為s），a、b、c為根據測試曲線獲得的系數，系數b作為描述壓力變化曲線的特征值。

2 測控系統框架結構

圖3 測控系統框架結構圖

如圖2所示為整個測控系統框架結構，主要包括數據采集卡、繼電器輸出板、工控機、LabVIEW軟件。其中研華PCL-818L數據采集卡的主要參數為12位分辨率，40 kS/s采樣率，16個模擬輸入通道，1個模擬量輸出通道，16個數字量輸入通道，16個數字量輸出通道，1個計數器/定時器通道；研華PCLD-885功率繼電器輸出板的主要參數為16個單刀單擲（SPST）繼電器通道，同時擁有最大額定接觸功率為250VAC，5A或30VDC，5A； 研 華IPC-610L工 控 機 的主要參數為CPU：Intel P42.0GHz，硬盤：希捷500G/7200r，內存：金士頓1GDDR，4個PCI插槽和7個ISA插槽。

系統的壓力通過HPS902型壓電真空規進行測量，其輸出信號為4-20mA電流信號，通過阿爾泰4～20mA轉0-10V隔離模塊輸出電壓信號，以差分方式進入研華PCL-818L數據采集卡的模擬量輸入（AI）端口。研華PCL-818L數據采集卡的數字量輸出（DO）端口與研華PCLD-885功率繼電器輸出板相連，繼而控制電磁閥1、2、3、4的開關。測控系統控制軟件通過LabVIEW編程獲得。由于編程軟件和數據采集卡不是來自于同一個公司，因此需要考慮數據采集卡與LabVIEW軟件的通信問題。研華公司為該款數據采集卡提供了32位動態鏈接（DLL）驅動程序，而LabVIEW中的Call Library function函數，可以調用該動態鏈接驅動程序，解決了其中的通信問題。

3 軟件設計

系統初始狀態為真空泵關閉，所有電磁閥關閉。整個測試流程是：首先打開真空泵，將被測電池片安裝到檢測裝置當中，然后放上壓塊，打開在工控機上自行編制的測控軟件，設置相關參數，由計算機控制測試過程，最后給出并保存測試結果，取出電池片。測試系統控制軟件的程序流程圖如圖4所示，所設置的參數包括抽真空時間tv、真空壓力數據采集時間tp、壓力數據隨時間變化曲線的臨界特征值b0，一般默認抽真空時間為20s，壓力數據采集時間為20s。根據重量和表面粗糙度相近的不銹鋼鋼板多次實驗研究結果確定b0取0.002是比較合理的。除此之外，參數設置還包括輸入樣品編號和確定測試結果保存路徑。然后打開閥1、閥2、閥3，對系統抽真空之后，關閉閥1記錄系統壓力，壓力數據采集時間間隔為0.1s。通過最小二乘法回歸分析獲得壓力變化曲線特征方程 p ＝ a ·exp (b ·t) ＋ c 的系數 a、b、c。如果b＜b0，則認為電池片性能合格，否則認為電池片性能不合格，保存樣品編號和相關測試結果以實現每塊電池片生產過程的可追溯性。測試結果的數據以Excel文件形式保存，以便研究者將其導入到Origin和MATLAB軟件中，進一步對數據結果進行分析和繪圖輸出。然后打開閥4，空氣進入系統，維持1s，電磁閥恢復到初始狀態，提示操作者可以取出電池片，同時系統彈出是否繼續測試的對話框等待操作者進行操作。操作者取出電池片后，決定是否繼續測試，如果繼續測試則重復上述測試過程，否則退出程序。

圖4 程序流程圖

4 結束語

該檢測裝置經過調試，能夠實現固體氧化物燃料電池氣密性檢測，現已在中科院寧波材料所固體氧化物燃料電池實驗生長線上投入使用，運行狀況良好。該檢測裝置測控系統安全穩定，軟件界面友好，數據結果真實可靠，自動化程度高，為所在單位開展固體氧化物燃料電池技術的研發節省了大量人力物力。下一階段準備對該測試系統進一步改進，除了能夠實現氣密性檢測，還能夠定位微裂紋缺陷位置，以便回收電池片進行電解質二次噴涂修復并重新燒結。這樣可大大節省原材料的損耗，降低生產成本。

[1] 楊樂平,李海濤,楊磊. LabVIEW程序設計與應用[M].北京： 電子工業出版社.2007.

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[4] Advantech Co.,Ltd. PCLD-88516 channel power relay output board user’s manual[X]. Taiwan,2005.

[5] Singhal SC,Kendall K,著. 韓敏芳,蔣先鋒,譯. 高溫固體氧化物燃料電池： 原理、設計和應用[M]. 北京： 科學出版社. 2007.

[6] 丁麗娟,程杞元. 數值計算方法(第二版) [M]. 北京： 北京理工大學出版社. 2008.