[發明專利]固體氧化物燃料電池原位溫度-應力測量系統及方法

在審

• 申請號: 202110547559.6
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113390512A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 俞成榮;周曄欣;張紅英;宋浩然
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）;江蘇大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01L5/00;G01N27/26;G01L1/24
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王美章

本發明公開了一種固體氧化物燃料電池原位溫度?應力測量系統及方法，系統包括SOFC電化學反應系統和原位溫度?應力測量系統。SOFC電化學反應系統包括SOFC單電池、陽極夾具、陽極氣體輸入管道、陽極氣體輸出管道、陰極氣體輸入管道、氣體保壓控制裝置、陽極/陰極導線、兩側帶有石英觀測窗的密封高溫反應爐；原位溫度?應力測量系統包括激光發生器、多光學傳感器CCD相機、紅外熱像儀鏡頭、光學信號接收工作站。本發明可以實時測量SOFC在放電循環過程中電極內部應力和電池表面溫度分布，建立SOFC運行過程中工作電壓與溫度的對應關系，實現對SOFC熱力學性能的實時評估。

技術領域

本發明涉及高溫密閉環境下的固體氧化物燃料電池原位溫度-應力測量系統及方法，屬于新能源燃料電池技術領域，適用于固體氧化物燃料電池在運行過程中進行實時溫度測量和力學表征。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell, SOFC)是一種直接把化學能轉化成電能的發電裝置，具有高效、低排放和無噪音等優點，是能源界最具有發展前景的能源利用方式之一。在 SOFC 的工作過程，復雜的工作環境往往會使其內部產生應力，引發變形甚至破壞與失效，影響SOFC的發電效率和使用壽命，并進而成為制約SOFC大規模發電應用的重要因素、是目前亟待解決的主要技術瓶頸之一。由于問題的復雜性，已有的工作大多是對相關的物理、化學現象進行一些微觀分析，或是基于經驗對材料體系和制備工藝進行改進，為驗證相關工藝改進的效果并對工作條件進行優化控制，迫切需要建立SOFC高溫變形和應力的實時監測系統，獲取SOFC電化學服役過程中的溫度、變形和應力變化規律，為提高SOFC的發電效率和使用壽命奠定基礎。因此，圍繞電池與電堆的發電效率和使用壽命問題開發與溫度、變形及應力監測相關的技術對加速推動SOFC的發展具有十分重要的科學意義和應用價值。

近年來，國內外學者對常規材料及結構已有許多實驗方法來現場測試溫度分布和應力/應變場，其中紅外熱成像的方法可以被用來測量表面的溫度分布，多光傳感器(MOS)方法可以用以應力演化的測試。然而，目前由于SOFC實際工作環境為高溫、密閉條件，其溫度和應力測量均存在著較大的困難：對于SOFC工作溫度的監測還停留在進出氣口處使用熱電偶這一方式來實現，很難得到內部的溫度分布情況；SOFC復雜的運行環境中電池的變形和熱應力分布的實時原位表征尚難以實現。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提出一種以光學全場非接觸測試方法為手段，發展基于熱成像和MOS方法的SOFC溫度監測和應力測量方法，研制相應的測試系統，獲取SOFC制備過程和電化學服役過程中的變形、應力和微結構變化規律，為提高SOFC的發電效率和使用壽命奠定基礎。

為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種固體氧化物燃料電池原位溫度-應力測量系統，包括：

兩側帶有石英觀測窗的密封高溫反應爐，用于實現控制0~1200攝氏度高溫反應環境，所述密封高溫反應爐內部設置待測SOFC單電池；

所述SOFC單電池的一端通過第一陽極夾具與陽極氣體輸入管道的輸出端連接，陽極氣體輸入管道的輸入端延伸至密封高溫反應爐外部與陽極氣體發生設備連接；

SOFC單電池的另一端通過第二陽極夾具與陽極氣體輸出管道的輸入端連接，陽極氣體輸出管道的輸出端伸出密封高溫反應爐外部與陽極氣體收集設備連接；

紅外熱像儀鏡頭，用于通過石英觀測窗口測量SOFC單電池表面的溫度分布，得到電堆單元的溫度分布情況；

激光發生器，用于向SOFC單電池的電極表面發射激光束；

多光學傳感器CCD相機，用于捕獲SOFC單電池的電極表面反射的陣列激光束；

光學信號接收工作站，接收所述多光學傳感器CCD相機捕獲的陣列激光束數據；

陰極氣體輸入管道，一端伸入所述密封高溫反應爐內部，另一端伸出密封高溫反應爐與陰極氣體發生設備連接；

連接SOFC單電池的陰極導線、陽極導線以及電化學檢測設備，用于實時測量SOFC的放電性能。