CN113390512A - 固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池原位温度‑应力测量系统及方法，系统包括SOFC电化学反应系统和原位温度‑应力测量系统。SOFC电化学反应系统包括SOFC单电池、阳极夹具、阳极气体输入管道、阳极气体输出管道、阴极气体输入管道、气体保压控制装置、阳极/阴极导线、两侧带有石英观测窗的密封高温反应炉；原位温度‑应力测量系统包括激光发生器、多光学传感器CCD相机、红外热像仪镜头、光学信号接收工作站。本发明可以实时测量SOFC在放电循环过程中电极内部应力和电池表面温度分布，建立SOFC运行过程中工作电压与温度的对应关系，实现对SOFC热力学性能的实时评估。
Description
技术领域
本发明涉及高温密闭环境下的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统及方法，属于新能源燃料电池技术领域，适用于固体氧化物燃料电池在运行过程中进行实时温度测量和力学表征。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell, SOFC)是一种直接把化学能转化成电能的发电装置，具有高效、低排放和无噪音等优点，是能源界最具有发展前景的能源利用方式之一。在 SOFC 的工作过程，复杂的工作环境往往会使其内部产生应力，引发变形甚至破坏与失效，影响SOFC的发电效率和使用寿命，并进而成为制约SOFC大规模发电应用的重要因素、是目前亟待解决的主要技术瓶颈之一。由于问题的复杂性，已有的工作大多是对相关的物理、化学现象进行一些微观分析，或是基于经验对材料体系和制备工艺进行改进，为验证相关工艺改进的效果并对工作条件进行优化控制，迫切需要建立SOFC高温变形和应力的实时监测系统，获取SOFC电化学服役过程中的温度、变形和应力变化规律，为提高SOFC的发电效率和使用寿命奠定基础。因此，围绕电池与电堆的发电效率和使用寿命问题开发与温度、变形及应力监测相关的技术对加速推动SOFC的发展具有十分重要的科学意义和应用价值。
近年来，国内外学者对常规材料及结构已有许多实验方法来现场测试温度分布和应力/应变场，其中红外热成像的方法可以被用来测量表面的温度分布，多光传感器(MOS)方法可以用以应力演化的测试。然而，目前由于SOFC实际工作环境为高温、密闭条件，其温度和应力测量均存在着较大的困难：对于SOFC工作温度的监测还停留在进出气口处使用热电偶这一方式来实现，很难得到内部的温度分布情况；SOFC复杂的运行环境中电池的变形和热应力分布的实时原位表征尚难以实现。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种以光学全场非接触测试方法为手段，发展基于热成像和MOS方法的SOFC温度监测和应力测量方法，研制相应的测试系统，获取SOFC制备过程和电化学服役过程中的变形、应力和微结构变化规律，为提高SOFC的发电效率和使用寿命奠定基础。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，包括：
两侧带有石英观测窗的密封高温反应炉，用于实现控制0~1200摄氏度高温反应环境，所述密封高温反应炉内部设置待测SOFC单电池；
所述SOFC单电池的一端通过第一阳极夹具与阳极气体输入管道的输出端连接，阳极气体输入管道的输入端延伸至密封高温反应炉外部与阳极气体发生设备连接；
SOFC单电池的另一端通过第二阳极夹具与阳极气体输出管道的输入端连接，阳极气体输出管道的输出端伸出密封高温反应炉外部与阳极气体收集设备连接；
红外热像仪镜头，用于通过石英观测窗口测量SOFC单电池表面的温度分布，得到电堆单元的温度分布情况；
激光发生器，用于向SOFC单电池的电极表面发射激光束；
多光学传感器CCD相机，用于捕获SOFC单电池的电极表面反射的阵列激光束；
光学信号接收工作站，接收所述多光学传感器CCD相机捕获的阵列激光束数据；
阴极气体输入管道，一端伸入所述密封高温反应炉内部，另一端伸出密封高温反应炉与阴极气体发生设备连接；
连接SOFC单电池的阴极导线、阳极导线以及电化学检测设备，用于实时测量SOFC的放电性能。
所述阴极气体输入管道上连接有气体保压控制装置。
所述阳极气体输入管道为金属管道，阳极气体输入管道伸出密封高温反应炉外部的管道上连接有阳极导线；
所述阴极气体输入管道为金属管道，所述SOFC单电池的阴极表面与阴极气体输入管道伸入密封高温反应炉外部的管道之间连接有两根耐高温导线，所述阴极气体输入管道伸出密封高温反应炉外部的管道上连接有阴极导线；
所述SOFC单电池的阴极表面设有阴极集流装置。
所述阴极集流装置为设置在所述SOFC单电池阴极表面的银网。
本发明进一步公开了一种基于所述固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统的测量方法，
通过阴极导线和阳极导线连接电化学检测装置，实时测量SOFC单电池产生的电流密度和工作电压；
所述阳极气体输入管道通入SOFC电化学反应所需的阳极气体，并由阳极气体输出管道排出，其中，通过电化学反应检测设备测量输入气体和输出气体的流速，压强，组分比例；
所述阴极气体输入管道和气体保压控制装置相连，气体保压控制装置用于控制炉内填充的阴极气体压强、以及监测阴极气体的流速与入口温度；SOFC单电池的阴极表面直接与炉内填充的阴极气体接触，并在SOFC单电池的阴极表面添加一层银网作为阴极集流装置，
通过红外热像仪镜头对电堆单元的温度分布进行监测；
通过激光发生器和多光学传感器CCD相机直接得到SOFC单电池的阴极表面的位移，并由光学信号接收工作站对数据进行处理，得到SOFC单电池的阴极表面的应力；
通过上述的电化学反应系统和原位温度-应力测量系统可以得到电化学反应与电池内部温度和应力的关系，可用于对SOFC运行功率和工作寿命进行评估；
通过SOFC在升温还原过程中，对电池内部的残余应力进行测量，可用于筛选和评估电池质量。
所述激光发生器产生的激光束照射到SOFC单电池的阴极表面，多光学传感器CCD相机捕获电极表面反射的阵列激光束，激光之间的距离变化给出样品的曲率变化，再运用Stoney方程，计算出SOFC单电池的阴极表面的应力。
对SOFC运行功率和工作寿命进行评估具体是：
对通过本测试系统得到的电流和电压数据对SOFC的运行功率进行计算，通过得到的电堆单元的温度和SOFC单电池的阴极表面的应力数据得到温度和应力关系，与电极结构的抗拉或抗压强度进行比较，判断是否达到失效，进而对工作寿命进行预测和评估。
筛选和评估电池质量具体是：
在高温密闭炉内进行SOFC单电池的制备煅烧过程，将印刷有电极材料的SOFC单电池放入高温密闭炉内，将炉内温度升高，对SOFC单电池进行煅烧成型，在这一过程中用本测试系统的应力测试系统对电极结构煅烧前和煅烧后的力学性能进行表征，进而测量电极结构的残余应力，筛选和评估：将测量到的残余应力与电极结构的各项强度进行比较，并制定相应标准，以此来筛选和评估电池质量。
有益效果：
本发明一种固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统操作简单，电堆单元的温度数据由红外热像仪镜头获得，SOFC单电池的阴极表面的应力数据由多光学传感器CCD相机采集后由程序计算可以直接获得，能够满足实时监测SOFC电池表面温度和应力分布情况，可以开展多种例如SOFC表面温度分布随工作电压变化情况、SOFC电极结构上的应力分布和温度分布不均匀的联系等研究。
此原位监测系统与SOFC电化学检测设备联合使用，可以实时得到SOFC运行状况：各气体组分分布、内部气体压强、工作电压、电流密度、温度分布、应力分布等。
该系统还可以进行SOFC长期放电测试，并对SOFC的放电性能和运行寿命进行监测和评估。
改进的阴极设计配合气体保压控制装置可以使阴极直接处于定压的气体环境下，并可以直接对电极结构进行监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明部分连接结构示意图。
图中：1-阴极导线、2-阳极导线、3-两侧带有石英观测窗的密封高温反应炉、4-阳极气体输入管道、5-石英观测窗口、6-红外热像仪镜头、7-阳极夹具、8-阳极输出管道、9-气体保压控制装置、10-阴极气体输入管道、11-耐高温导线、12-激光发生器、13-多光学传感器CCD相机、14-光学信号接收工作站、15-SOFC单电池。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1
如图1所示，本发明一种固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，包括：包括SOFC电化学反应系统和原位温度-应力测量系统。
SOFC电化学反应系统包括阴极导线1、阳极导线2、两侧带有石英观测窗的密封高温反应炉3、阳极气体输入管道4、阳极夹具7、阳极气体输出管道8、气体保压控制装置9、阴极气体输入管道10、耐高温导线11、SOFC单电池15。
原位温度-应力测量系统包括红外热像仪镜头6、激光发生器12、多光学传感器CCD相机13、光学信号接收工作站14。
通过阴极导线1和阳极导线2连接电化学检测装置，实时测量电池产生的电流密度和工作电压。
阳极气体输入管道4通入SOFC电化学反应所需的阳极气体，并由阳极气体输出管道8排出，其中，输入气体和输出气体可通过电化学反应检测设备对气体流速，压强，组分比例进行监测。
本实施例中，所述阳极气体输入管道和阳极气体输出管道均为金属管道，直接通过阳极夹具7与电池阳极接触，将阳极夹具7作为阳极集流装置，既在阳极气体输入管道和阳极气体输出管道上直接连接阳极导线2。
阴极气体输入管道10和气体保压控制装置9相连，不仅可以控制炉内填充的阴极压强，还可以监测阴极气体的流速与入口温度。
SOFC单电池阴极表面直接与炉内填充的气体接触，并在SOFC单电池阴极表面添加一层银网作为阴极集流装置，如图2所示。
原位温度-应力测量系统可在SOFC正常工作时通过高温炉上的两个石英观测窗5直接对SOFC电极进行观测，红外热像仪镜头6对电堆单元的温度分布进行监测，激光发生器12和多光学传感器CCD相机13可直接得到电极表面的位移，并由光学信号接收工作站14对数据进行处理，得到电极表面的应力。
本发明可以实时测量SOFC在放电循环过程中电极内部应力和电池表面温度分布，建立SOFC运行过程中，工作电压与温度的对应关系，应力和温度的对应关系等其他相关组分与应力和温度的对应关系。
本发明可以实时对SOFC在复杂运行工况下直接进行力学性能表征和温度监测，可实时SOFC放电性能进行评估。对通过本测试系统得到的电流和电压数据可以对SOFC的运行功率进行计算，通过得到的温度和应力数据得到温度和应力关系，与电极结构的抗拉或抗压强度进行比较，判断是否达到失效，进而对工作寿命进行预测和评估。
通过上述的电化学反应系统和原位温度-应力测量系统可以得到电化学反应与电池内部温度和应力的关系，可用于对SOFC运行功率和工作寿命进行评估。
本测试系统还可以对SOFC电极结构上的残余应力进行测量。SOFC在制备过程中需要进行多次煅烧，这一过程会使电池内部产生残余应力，而残余应力会影响SOFC在接下来运行过程中的放电效率和工作寿命，因此该系统可用于筛选和评估电池质量。具体测量步骤：在高温密闭炉内进行SOFC单电池的制备煅烧过程，将印刷有电极材料的SOFC单电池放入高温密闭炉内，将炉内温度升高，对SOFC单电池进行煅烧成型。在这一过程中用本测试系统的应力测试系统对电极结构煅烧前和煅烧后的力学性能进行表征，进而测量电极结构的残余应力。
筛选和评估：将测量到的残余应力与电极结构的各项强度进行比较，并制定相应标准，以此来筛选和评估电池质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的形状、材料、结构等作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，其特征在于，包括：
两侧带有石英观测窗的密封高温反应炉，用于实现控制0~1200摄氏度高温反应环境，所述密封高温反应炉内部设置待测SOFC单电池；
所述SOFC单电池的一端通过第一阳极夹具与阳极气体输入管道的输出端连接，阳极气体输入管道的输入端延伸至密封高温反应炉外部与阳极气体发生设备连接；
SOFC单电池的另一端通过第二阳极夹具与阳极气体输出管道的输入端连接，阳极气体输出管道的输出端伸出密封高温反应炉外部与阳极气体收集设备连接；
红外热像仪镜头，用于通过石英观测窗口测量SOFC单电池表面的温度分布，得到电堆单元的温度分布情况；
激光发生器，用于向SOFC单电池的电极表面发射激光束；
多光学传感器CCD相机，用于捕获SOFC单电池的电极表面反射的阵列激光束；
光学信号接收工作站，接收所述多光学传感器CCD相机捕获的阵列激光束数据；
阴极气体输入管道，一端伸入所述密封高温反应炉内部，另一端伸出密封高温反应炉与阴极气体发生设备连接；
连接SOFC单电池的阴极导线、阳极导线以及电化学检测设备，用于实时测量SOFC的放电性能。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，其特征在于，所述阴极气体输入管道上连接有气体保压控制装置。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，其特征在于，所述阳极气体输入管道为金属管道，阳极气体输入管道伸出密封高温反应炉外部的管道上连接有阳极导线；
所述阴极气体输入管道为金属管道，所述SOFC单电池的阴极表面与阴极气体输入管道伸入密封高温反应炉外部的管道之间连接有两根耐高温导线，所述阴极气体输入管道伸出密封高温反应炉外部的管道上连接有阴极导线；
所述SOFC单电池的阴极表面设有阴极集流装置。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统，其特征在于，所述阴极集流装置为设置在所述SOFC单电池阴极表面的银网。
5.一种基于权利要求1~4中任一所述固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统的测量方法，其特征在于，
通过阴极导线和阳极导线连接电化学检测装置，实时测量SOFC单电池产生的电流密度和工作电压；
所述阳极气体输入管道通入SOFC电化学反应所需的阳极气体，并由阳极气体输出管道排出，其中，输入气体和输出气体通过电化学反应检测设备对气体流速，压强，组分比例进行监测；
所述阴极气体输入管道和气体保压控制装置相连，气体保压控制装置用于控制炉内填充的阴极气体压强、以及监测阴极气体的流速与入口温度；SOFC单电池的阴极表面直接与炉内填充的阴极气体接触，并在SOFC单电池的阴极表面添加一层银网作为阴极集流装置，
通过红外热像仪镜头对电堆单元的温度分布进行监测；
通过激光发生器和多光学传感器CCD相机直接得到SOFC单电池的阴极表面的位移，并由光学信号接收工作站对数据进行处理，得到SOFC单电池的阴极表面的应力；
通过上述的电化学反应系统和原位温度-应力测量系统可以得到电化学反应与电池内部温度和应力的关系，可用于对SOFC运行功率和工作寿命进行评估；
通过SOFC在升温还原过程中，对电池内部的残余应力进行测量，可用于筛选和评估SOFC单电池质量。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统的测量方法，其特征在于，
所述激光发生器产生的激光束照射到SOFC单电池的阴极表面，多光学传感器CCD相机捕获电极表面反射的阵列激光束，激光之间的距离变化给出样品的曲率变化，再运用Stoney方程，计算出SOFC单电池的阴极表面的应力。
7.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统的测量方法，其特征在于，对SOFC运行功率和工作寿命进行评估具体是：
对通过本测试系统得到的电流和电压数据对SOFC的运行功率进行计算，通过得到的电堆单元的温度和SOFC单电池的阴极表面的应力数据得到温度和应力关系，与电极结构的抗拉或抗压强度进行比较，判断是否达到失效，进而对SOFC单电池工作寿命进行预测和评估。
8.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池原位温度-应力测量系统的测量方法，其特征在于，筛选和评估SOFC单电池质量具体是：
在高温密闭炉内进行SOFC单电池的制备煅烧过程，将印刷有电极材料的SOFC单电池放入高温密闭炉内，将炉内温度升高，对SOFC单电池进行煅烧成型，在这一过程中用本测试系统的应力测试系统对电极结构煅烧前和煅烧后的力学性能进行表征，进而测量电极结构的残余应力，筛选和评估：将测量到的残余应力与电极结构的各项强度进行比较，并制定相应标准，以此来筛选和评估电池质量。
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