在UCL的電化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室(EIL)，一支由研究員，教授和工業(yè)合作伙伴組成的團(tuán)隊(duì)，正在研究使用包括氫燃料電池在內(nèi)的各種電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是從理論和應(yīng)用的角度研發(fā)未來(lái)的能源技術(shù)，最終完成這些技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

 

燃料電池使氫氣和氧氣化合產(chǎn)生電，熱和水。像電池一樣，燃料電池將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為可利用的電能。但燃料電池只要提供燃料(氫氣)就能發(fā)電，不會(huì)損失電量。燃料電池使用純氫氣性能最好；但是像天然氣，甲醇，或是汽油等燃料也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化，生成燃料電池所需的氫氣。為了提供需要的能量，燃料電池可以進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)，用來(lái)產(chǎn)生具體應(yīng)用所需的更高電壓或電流。這種設(shè)計(jì)叫做燃料電池堆。

 

 

James Robinson是EIL的博士研究員，重點(diǎn)研究蓄電池和燃料電池的高分辨率熱成像。James Robinson解釋道，“燃料電池中發(fā)生著眾多電化學(xué)反應(yīng)。

 

“紅外熱像儀檢測(cè)燃料熱力學(xué)熱特性的能力方便我們對(duì)運(yùn)行機(jī)制和故障進(jìn)行檢驗(yàn)。燃料電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱，基于這一原理，熱像儀就成了燃料電池檢測(cè)的理想設(shè)備。通過(guò)理解觀測(cè)的溫度，熱像儀就可用于檢測(cè)反應(yīng)速率，冷卻系統(tǒng)效果，和燃料電池的整體性能。”

 

運(yùn)行中的電池出現(xiàn)熱點(diǎn)，表明電池的該區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)故障。這種不良的熱力學(xué)行為會(huì)通過(guò)一種稱為熱失控的多米諾效應(yīng)快速擴(kuò)散到整個(gè)電池。這將導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。電壓過(guò)高，充電過(guò)足，環(huán)境溫度過(guò)高，或多個(gè)問(wèn)題同時(shí)并存都會(huì)引發(fā)熱失控。如果安全通氣孔堵塞或失效，密封電池有時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸。鋰離子電池最容易發(fā)生熱失控現(xiàn)象。通過(guò)了解這些現(xiàn)象，EIL就能夠徹底的提出一種全新的，更安全，更長(zhǎng)壽的電池設(shè)計(jì)方案。

 

EIL使用了各種技術(shù)檢測(cè)燃料電池，包括X射線顯微鏡，電化學(xué)原子力顯微鏡，電流測(cè)繪，廢氣分析，高速成像，熱成像和一大堆專門的電化學(xué)技術(shù)。熱成像用于識(shí)別燃料電池內(nèi)的不均勻發(fā)熱，對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行來(lái)說(shuō)，通常是個(gè)不好的跡象。例如熱量分布不均反映了不均勻的燃料分布或高電阻，會(huì)降低所產(chǎn)生的電流或電池間的溫度變化。

 

James Robinson表示：“電池間的溫度變化能夠?yàn)槿剂想姵囟训墓收匣蚪到馓峁┰缙陬A(yù)警。這就是為何我們更感興趣之處在于整個(gè)電池堆的溫度梯度，而不是對(duì)溫度本身的緣由。因?yàn)樗芨嬖V我們關(guān)于燃料電池是否正常工作或是否降解的信息。”

 

 

在EIL，James Robinson在研發(fā)中使用FLIR SC5000紅外熱像儀已經(jīng)一年多了。他評(píng)價(jià)道：“我們團(tuán)隊(duì)的很多組員也都經(jīng)常使用FILR紅外熱像儀，它總能為我們的研究提供非?？煽康臋z測(cè)結(jié)果。”James Robinson解釋道：“除了FLIR紅外熱像儀以外，我們主要還使用熱電偶作為輔助測(cè)溫工具。熱像儀的優(yōu)勢(shì)是能提供更好的空間溫度圖。這是使用熱電偶無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗淮沃荒軠y(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度。尤其是當(dāng)燃料電池出現(xiàn)溫度分布不均時(shí)，使用熱電偶很可能丟失重要數(shù)據(jù)。”

 

這種點(diǎn)測(cè)溫確實(shí)能產(chǎn)生誤導(dǎo)結(jié)果，容易讓人產(chǎn)生該燃料電池比實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)更好或更差的錯(cuò)覺(jué)。而使用熱成像技術(shù)，可以通過(guò)各點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)溫檢測(cè)到燃料電池內(nèi)部的瑕疵和故障。故障點(diǎn)就是圖像中的熱點(diǎn)或冷點(diǎn)；一般分別為劇烈反應(yīng)或無(wú)反應(yīng)區(qū)域。而使用熱電偶測(cè)量這些區(qū)域是根本不可能實(shí)現(xiàn)的。使用熱像儀能夠快速輕松地完成這種分析，并精確的顯示故障點(diǎn)的空間位置。

 

 

James Robinson表示：“購(gòu)買之初，我們確實(shí)考慮了很多熱像儀品牌。但是在考慮性價(jià)比，并結(jié)合FLIR銷售代表給我們的現(xiàn)場(chǎng)演示后，我們深信FLIR紅外熱像儀就是最好的選擇。”

 

James Robinson補(bǔ)充道：“這款熱像儀的高熱靈敏度和高幀頻對(duì)于我們獲得需要的可靠溫度數(shù)據(jù)非常有用。同時(shí)，在了解主要功能后，F(xiàn)LIR SC5000操作也相對(duì)簡(jiǎn)單。與熱像儀同等重要的還有我們用于熱圖像分析的FLIR ResearchIR軟件。”FLIR ResearchIR軟件主要面向使用熱像儀開展研發(fā)工作的用戶，具有高速記錄和高級(jí)熱圖像分析功能。研究人員可以使用ResearchIR軟件快速瀏覽，記錄和存儲(chǔ)圖像，后處理快速熱事，并根據(jù)實(shí)時(shí)圖像或記錄的圖像序列生成時(shí)間-溫度圖。

 

 

電池在放電狀態(tài)中呈現(xiàn)熱梯度

 

紅外熱像儀正在檢測(cè)18650電池

 

電氣加載中的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池

 

（文中所示圖像并不代表熱像儀的實(shí)際分辨率，圖像僅供說(shuō)明之用。）