在UCL的电化学创新实验室(EIL),一支由研究员,教授和工业合作伙伴组成的团队,正在研究使用包括氢燃料电池在内的各种电化学设备进行发电。该团队的目标是从理论和应用的角度研发未来的能源技术,最终完成这些技术的商业化应用。

燃料电池使氢气和氧气化合产生电,热和水。像电池一样,燃料电池将化学反应产生的能量转化为可利用的电能。但燃料电池只要提供燃料(氢气)就能发电,不会损失电量。燃料电池使用纯氢气性能最好;但是像天然气,甲醇,或是汽油等燃料也可以进行转化,生成燃料电池所需的氢气。为了提供需要的能量,燃料电池可以进行串联和并联,用来产生具体应用所需的更高电压或电流。这种设计叫做燃料电池堆。

燃料电池性能

James Robinson是EIL的博士研究员,重点研究蓄电池和燃料电池的高分辨率热成像。James Robinson解释道,“燃料电池中发生着众多电化学反应。

“红外热像仪检测燃料热力学热特性的能力方便我们对运行机制和故障进行检验。燃料电池内的电化学反应会产生热,基于这一原理,热像仪就成了燃料电池检测的理想设备。通过理解观测的温度,热像仪就可用于检测反应速率,冷却系统效果,和燃料电池的整体性能。”

运行中的电池出现热点,表明电池的该区域将会出现故障。这种不良的热力学行为会通过一种称为热失控的多米诺效应快速扩散到整个电池。这将导致灾难性的故障。电压过高,充电过足,环境温度过高,或多个问题同时并存都会引发热失控。如果安全通气孔堵塞或失效,密封电池有时会发生剧烈的爆炸。锂离子电池最容易发生热失控现象。通过了解这些现象,EIL就能够彻底的提出一种全新的,更安全,更长寿的电池设计方案。

EIL使用了各种技术检测燃料电池,包括X射线显微镜,电化学原子力显微镜,电流测绘,废气分析,高速成像,热成像和一大堆专门的电化学技术。热成像用于识别燃料电池内的不均匀发热,对于设备的运行来说,通常是个不好的迹象。例如热量分布不均反映了不均匀的燃料分布或高电阻,会降低所产生的电流或电池间的温度变化。

James Robinson表示:“电池间的温度变化能够为燃料电池堆的故障或降解提供早期预警。这就是为何我们更感兴趣之处在于整个电池堆的温度梯度,而不是对温度本身的缘由。因为它能告诉我们关于燃料电池是否正常工作或是否降解的信息。”

检测燃料电池热点

在EIL,James Robinson在研发中使用FLIR SC5000红外热像仪已经一年多了。他评价道:“我们团队的很多组员也都经常使用FILR红外热像仪,它总能为我们的研究提供非常可靠的检测结果。”James Robinson解释道:“除了FLIR红外热像仪以外,我们主要还使用热电偶作为辅助测温工具。热像仪的优势是能提供更好的空间温度图。这是使用热电偶无法实现的,因为它一次只能测量一个点的温度。尤其是当燃料电池出现温度分布不均时,使用热电偶很可能丢失重要数据。”

这种点测温确实能产生误导结果,容易让人产生该燃料电池比实际运行状态更好或更差的错觉。而使用热成像技术,可以通过各点的准确测温检测到燃料电池内部的瑕疵和故障。故障点就是图像中的热点或冷点;一般分别为剧烈反应或无反应区域。而使用热电偶测量这些区域是根本不可能实现的。使用热像仪能够快速轻松地完成这种分析,并精确的显示故障点的空间位置。

高级热图像分析

James Robinson表示:“购买之初,我们确实考虑了很多热像仪品牌。但是在考虑性价比,并结合FLIR销售代表给我们的现场演示后,我们深信FLIR红外热像仪就是最好的选择。”

James Robinson补充道:“这款热像仪的高热灵敏度和高帧频对于我们获得需要的可靠温度数据非常有用。同时,在了解主要功能后,FLIR SC5000操作也相对简单。与热像仪同等重要的还有我们用于热图像分析的FLIR ResearchIR软件。”FLIR ResearchIR软件主要面向使用热像仪开展研发工作的用户,具有高速记录和高级热图像分析功能。研究人员可以使用ResearchIR软件快速浏览,记录和存储图像,后处理快速热事,并根据实时图像或记录的图像序列生成时间-温度图。

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073ednc20170801 18650电池在放电状态中呈现热梯度

074ednc20170801 FLIR SC5000 红外热像仪正在检测18650电池

075ednc20170801 电气加载中的聚合物电解质膜燃料电池

(文中所示图像并不代表热像仪的实际分辨率,图像仅供说明之用。)

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