基于磁性纳米粒子的燃料电池温度检测方法

We propose to develop a method of non-contact temperature measurement for fuel cells, which will provide accurate temperature distribution for performance improvement and durability optimization. Due to its enclosed cell stack design and highly sealing requirement of solid oxide fuel cell (SOFC), it’s difficult to perform direct temperature distribution measurement inside cell stack through contacted sensing. Magnetic nanoparticles (MNPs), with the susceptibility being temperature dependent and having the potential of remote sensing, will be used as a thermometer to contactlessly measure temperature distribution inside cell stack. This project will dedicated to investigate magnetization response spectroscopy of MNPs, to set up the method of 1D temperature imaging using MNP, and finally to establish a non-contact temperature measurement method for SOFCs that operate at temperature up to 900 ℃. To achieve these goals, the following scientific problems will be addressed: to precisely model the magnetization-temperature of MNPs under the excitation of combined gradient and AC magnetic fields at high temperature and electrochemical environment, and to fast solve the model for real-time temperature reconstruction. The principal innovation of this study are: (1) to propose a non-contact, in-suit temperature measurement for fuel cells using Fe-Co MNPs as a thermometer, which will not cause gas leakage or introduce any changes to the cell stack assembly; (2) to build a highly sensitive magnetism test system that specializes to operate at ≥ 700 ℃. The study will fill a void in non-contact temperature measurement for fuel cells and thus facilitate the research in this area.

本项目拟研究一种用于燃料电池的非接触式温度测量方法，为电池性能和使用寿命的优化提供准确的温度信息。受限于固体氧化物燃料电池(SOFC)电池堆封闭式结构，现有接触式测温方法难以测出实际的堆芯温度分布。本项目基于磁性纳米粒子磁化率的温度敏感性和磁学远程测量技术，研究磁性纳米粒子的磁学响应以及一维温度图像的拾取方法，最终建立一种高达900 ℃的SOFC电池堆温度测量方法。拟解决的关键科学问题是：在高温与电化学环境下，研究梯度磁场与交流激励场幅值受限条件下磁性纳米粒子的磁化强度-温度精确模型及其快速求解算法。主要创新点是：(1) 提出将铁-钴磁性纳米材料作为温度敏感元件，在不影响电池堆结构设计和密封性前提下实现电池堆的非接触式温度测量；(2) 在超过700 ℃的高温工作环境下构建一种高灵敏度的磁学测试系统。本项目的研究将为搭建更高效率、更高可靠性的燃料电池系统提供关键的技术支撑。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）具有高效、环保的特点，对缓解能源危机、保护生态环境以及保障国家安全具有重大的意义。影响平板SOFC使用寿命和性能的一个重要因素是电池堆内存在的热应力。准确地获取电池堆温度分布，分析各构件热膨胀系数对电池堆结构力学的影响，并实施有效的电池堆热管理策略已经成为SOFC的重要研究课题。然而受限于SOFC封闭式的结构、高温和电化学工作环境，以及系统的复杂性，常规的模型仿真法和接触式温度测量方法均很难满足温度场测量精度要求。钴纳米粒子的居里温度点高达1150℃，为实现SOFC内非侵入式远程温度测量提供了可能性。.本项目基于磁性纳米粒子磁化率的温度敏感性和磁学远程测量技术，研究了钴纳米粒子的磁学响应特性，建立了基于温度均匀分布特征的一维模型温度图像测量方法，设计了实验装置，模拟燃料电池内部的温度分布模式进行温度测量实验，在实验室环境下验证了测量模型的有效性。主要研究工作如下：（1）构建了一维温度图像测量模型。提取零磁场及周围磁纳米敏感元件混合磁化强度响应信号的基次谐波，建立基次谐波幅值与温度之间的对应关系。该模型具有标定容易、算法简单的特点，适合快速测温。在[650,950]℃范围内，仿真研究了温度分布不均对测量精确度的影响。研究表明只要梯度磁场高于基本梯度磁场G0的2倍，即使零磁场点与周围测量点的温差高达50℃，仍能保证温度测量误差小于1℃。（2）设计了温度图像测量硬件系统。分析确定了磁纳米粒子、激励磁场、梯度磁场、测量信号信噪比参数的合适选择；对探测线圈进行了隔热设计，利用激光高能束流加热，测试了隔热效果。（3）实验验证了一维模型温度图像测量的有效性。水域加热磁纳米粒子模拟燃料电池内的温差分布，实验表明一维模型温度测量方法优于点模型测温方法。.本项目从仿真分析和实验测试两方面验证了一维模型温度测量方法的有效性。与传统的点模型相比，一维模型对梯度磁场要求大大降低，且在温度分布不均匀时也能获得很好的测量结果。该项目研究成果对固体结构对象内部的温度测量具有参考价值。