本发明专利技术涉及固体氧化物燃料电池领域，其公开了一种光纤式SOFC多物理场测试装置及其应用方法，该电池测试装置自上而下包括有上压板、阴极空气流道、绝缘毛毡、云母片、阳极燃料流道、电池基座、工作平面，待测燃料电池置于镍网集流体和阴极集流体之间，另外还包括了用于测试氢气浓度的光纤氢气传感器、用于测试工作温度的光纤高温传感器以及用于测量燃料电池阴极表面的应变局部特性的光纤应变传感器。本发明专利技术提供的光纤式燃料电池测试装置及其应用方法，通过收集SOFC更精确和更广泛的局部特性物理参数，具体如气体组分浓度、工作电压、电流密度、温度分布和应力分布等数据，为研究大面积平板式电池微观物理特性，提供了可靠的数据基础。基础。基础。
【技术实现步骤摘要】
一种光纤式SOFC多物理场测试装置及其应用方法
[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种光纤式SOFC多物理场测试装置及其应用方法。
技术介绍
[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)技术是一种前景广阔、用途广泛的能源发电技术，已经广泛应用于从清洁汽车到分布式电力系统的各个领域。SOFC是目前燃料电池中工作温度最高的一种，属于高温燃料电池类别。SOFC的排气温度高，能为天然气重整提供热能，还能生产蒸汽，更可以与燃气轮机联合循环，非常适用于分布式发电。SOFC系统运行过程中具有很高的内部反应温度，温度的不均匀分布使电池内部应力分布不均容易造成电池材料和结构的损伤，以至于影响电池运行的稳定性及电池性能。且在电池运行过程中燃料气体的浓度梯度变化大，现有研究方法大多依赖软件模拟，缺乏实际运行过程中的原位测量手段。因此对电池运行过程中内部的温度、应变、气体浓度等信息的原位获取，对监测电池故障、优化电池结构和解析电池运行过程有着不可或缺的作用。
[0003]高温固体氧化物燃料电池的内部环境对传感器系统提供了一个严苛的挑战，其温度超过800℃，电池的阳极周围氢气浓度范围在0
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100％之间，当电池工作过程中，燃料入口到出口的浓度和温度存在较高的梯度，从而产生热应力和局部应变特性的变化。目前大多数对大面积平板式燃料电池的微观温度变化、微观应变变化以及微观气体浓度变化的研究是很缺乏的，尤其是局部应变特性和燃料气体浓度方面。而目前SOFC采用的温度传感器较多的是热电偶传感器，将热电偶插入电池内部，以此获得内部信息。然而，使用热电偶传感器仅仅获得单个点的温度信息，无法达到较高的空间分辨率，对监测整个电池系统具有很大的限制。燃料电池是一个通电的电子系统，必须特别注意确保像热电偶这样的电子传感器与传导通道绝缘，不允许杂散电流通过传感器引线，且采用热电偶的SOFC测试装置系统布线复杂，一旦出现故障，维修更换困难、复杂。
[0004]光纤传感器的使用为燃料电池的温度测量提供了新型的测量方式。首先，相比于热电偶，光纤的使用可以确保在燃料电池系统进行一维方向上温度的多点位测量，且不受电磁、微波、射频干扰，测量结果准确性高。其次，光纤传感器可以实现对燃料电池进行实时的气体浓度以及电池表面应变的测量。因此，使用光纤技术的燃料电池测试方法使得实验解析电池内部温度和浓度梯度以及局部特性变化变得更加准确，从而可以更加清楚的了解电池运行过程、动态监测电池故障，为优化电池结构、提高电池的长期稳定性提供事实依据。
[0005]目前文献中的技术列举如下：
[0006](1)Scientific reports,2017,7(1):1
‑9[0007]该文采用了光纤高温传感器，光纤材料采用二氧化硅，通过镍管将光纤传感器插入电池，镍管提供接触电池体的通道，并将光纤传感器封装在电池体外，演示了在800℃下5mm空间分辨率的固体氧化物燃料电池(SOFC)操作的实时监测。该文指出，当在阳极引入氢
气时，燃料气体入口周围的温度急剧上升。在阳极侧，燃料入口周围的温度上升到高于环境温度55℃，温度在电解质区边界附近达到峰值，这主要是由于氢燃料的高导热性造成的。电解液对阴极侧的温度分布有显著影响，阴极侧的温升要低得多，在25℃左右。因此不能仅仅测试阳极或阴极侧的温度，两侧的温度测量需要同时进行，才能更加清楚的了解电池运行过程状态。
[0008](2)Applied Energy,2021,288:116633
[0009]该文采用光纤高温传感器，光纤材料采用二氧化硅，在集流板内嵌入微通道阵列，通过这些通道，插入光纤来监测SOFC电极的温度变化，这种结构还将光纤传感器与高温阳极中的H2隔离，以保持温度测量的准确性。电池上每根光纤12个点位(每个4mm沿50mm长的电池)，演示了800℃下4mm空间分辨率的SOFC温度的实时监测。
[0010](3)Sensors and Actuators B:Chemical,2015,221:1307
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1313.
[0011]该文采用一种光纤消逝波氢气传感器，材料采用硅芯光纤，传感区域蚀刻光纤包层，并在暴露的芯上涂覆掺La的SrTiO3传感材料作为传感元件。光纤传感器的传感部分安装在阳极板燃料流的浅通道中。对于传感器总传输量的测量，照明源为超发光二极管，探测器是一个直接与传感器耦合的固态功率计。在燃料电池加热期间，在燃料气体流动开始和结束时，以及在不同的电流水平加载燃料电池时，通过传感器传输的功率监测气体浓度变化。
[0012](4)基于EFPI与RFBG的高温光纤应变传感技术研究[D].武汉理工大学,2018
[0013]武汉理工大学设计了一种大应变量程的EFPI/RFBG复用传感器，可以同时测量温度和应变。通过高温胶将光纤传感器紧贴在测试表面，传输信号通过尾纤传输到解调仪，通过电脑将其数据解析。其测试了光纤传感器在常温到高温环境下(高达800℃)的应变传感特性，传感器的应变测量误差仅为0.67％，测量到的最大应变值为17448.6με，并通过有限元分析验证了测量的准确性。
[0014](5)2014年4月2日公布的中国专利技术专利CN103698036A中，涉及一种大面积平板型固体氧化物燃料电池温度场分布的测量装置，在金属板上设置多个孔道，直接将热电偶置于接近电池表面的区域，比较接近真实的温度场分布情况；通过金属板材的可加工性避免了大量热电偶的布设给电池密封带来的难题。但是热电偶提供单点温度测量，由于燃料电池是一个通电的电子系统，必须特别注意确保像热电偶这样的电子传感器与传导通道绝缘，不允许杂散电流通过传感器引线。
[0015](6)2021年9月14日公布的中国专利技术专利CN113390512A中，涉及一种固体氧化物燃料电池原位温度
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应力测量系统及方法，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；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；通过红外热像仪镜头对电堆单元的温度分布进行监测；
[0016]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；该系统可以获取多个物理场信息，但是系统采用多种检测设备，系统复杂，且固体氧化物燃料电池测试的种类有限制。
[0017](7)2022年1月4日公布的专利技术专利CN113884192A中，涉及一种高温固体氧化物燃
料电池电堆温度测量装置，包括燃料电池、三自由度直角坐标机械手和测量机构；通过三自由度直角坐标机械手的工作端带动测量机构，对燃料电池的电堆气道内部进行温度测量；具备对燃料电池电堆气道内部不同位置进行温度测量的性能。但是直接伸入电堆出气道内，无法保证良好的气密性。
[0018]综上所述，现本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光纤式SOFC多物理场测试装置，包括平板式的工作平面(1)，其特征在于，所述工作平面(1)上设有方形的电池基座(2)，以及贯通穿设于所述工作平面(1)的燃料导管(21)和多个引线管(17)；阳极燃料流道(3)设于所述电池基座(2)上，所述阳极燃料流道(3)采用通道阵列输送燃料气体，且其底部两侧连接燃料导管(21)；所述阳极燃料流道(3)阵列通道的两侧开孔，其内接入光纤氢气传感器(16)并贯穿整个所述阳极燃料流道(3)，所述光纤氢气传感器(16)直接与燃料流接触测量，两侧开孔位置用高温密封胶密封；所述阳极燃料流道(3)的阵列通道的下方两侧开孔，光纤高温传感器(13)穿设并贯穿所述阳极燃料流道(3)，所述光纤高温传感器(13)不与燃料流接触；所述阳极燃料流道(3)连接镍钉(20)，所述镍钉(20)穿过所述引线管(17)接入信息收集平台；镍网集流体(5)置于所述阳极燃料流道(3)之上，待测试的燃料电池(7)置于镍网集流体(5)上方，待测试的燃料电池(7)大小与镍网集流体(5)相同或略大于镍网集流体(5)，待测试的燃料电池(7)的阳极紧贴镍网集流体(5)，使用密封胶(6)将燃料电池(7)四周边缘与底部燃料流道(3)密封；回字型的云母片(4)置于燃料流道(3)之上，铺设在密封胶(6)的四周，并与所述密封胶(6)之间留有空隙；待测的燃料电池(7)的阴极表面铺设光纤应变传感器(14)，通过耐高温胶水将所述光纤应变传感器(14)紧贴在待测的燃料电池(7)的阴极表面；与待测燃料电池(7)的阴极大小相对应的阴极集流体(8)铺设在待测试燃料电池(7)的阴极上，所述阴极集流体(8)包括网面和阴极电流电压引线(15)；所述网面收集待测的所述燃料电池(7)的电流电压信息；所述阴极电流电压引线(15)与所述阴极集流体(8)的网面相连后穿过引线管(17)接入信息收集平台；所述云母片(4)上铺设绝缘毛毡(9)，所述绝缘毛毡(9)上开出与所述阴极集流体(8)相对应的开口，所述绝缘毛毡(9)上再铺设阴极空气流道(10)，所述阴极空气流道(10)采用通道阵列输送空气，并且其顶部两侧连接空气导管(12)；所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：王利刚，吕玉龙，郭欣愚，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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