近日，中國科學技術大學工程科學學院精密機械與精密儀器系先進感知、數據融合及智能運維課題組毛磊特任研究員團隊在氫燃料電池無損檢測方面取得突破性進展，報道了一種基于磁場成像的氫燃料電池無損檢測理論及方法，突破現有氫燃料電池性能表征依賴于材料分析、電流分布等侵入式檢測手段的瓶頸，研究成果以題為“Imaging PEMFC performance heterogeneity by sensing external magnetic field”發表在Cell Press期刊Cell Reports Physical Science上。

 

       氫燃料電池技術（PEMFC）被廣泛應用于氫能利用領域，然而影響商用氫燃料電池系統可靠性的主要因素是在電池運行過程中難以進行電池性能表征并識別電池異常狀態。目前，主要的狀態識別方法僅可對PEMFC狀態變化進行識別，但難以對電池內部狀態變化的發展路徑及對應機理進行檢測及分析，從而無法根據識別結果對PEMFC系統進行對應調控，進而保障PEMFC系統的運行安全。

 

       在PEMFC運行過程中，電池性能狀態與其內部水分布、電流分布息息相關。目前，相關技術主要通過材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來評估氫燃料電池性能狀態。然而這些技術會干擾電池的運行狀態，甚至破壞電池固有結構和性能，進而很難保證技術可靠性和實用性。PEMFC電流分布和相應磁場分布如圖1所示，作者將PEMFC內部電流分解為平行膜方向膜電流（圖1B）和垂直膜方向主電流（圖1C），并揭示了氫燃料電池故障時性能下降的本質原因是參與化學反應的主電流減少，寄生損耗的膜電流增加，因此膜電流及其激發磁場可以反映電池性能變化。這是在該研究領域內首次系統性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內部不同分量電流和激發磁場的關聯機制。

圖1.PEMFC內部電流和磁場分布

 

(a) PEMFC內部電流; (b)膜電流及其磁場分布; (c)主電流及其磁場分布.

 

該研究的研究思路如圖2所示，首先通過建立多物理場PEMFC仿真建模，對PEMFC在不同運行狀態下的膜電流及其磁場分布變化進行分析；進而搭建PEMFC外部磁場檢測系統，通過檢測PEMFC運行過程中的膜電流磁場分布，分析PEMFC系統內部狀態變化路徑及對應機制。據此，本研究工作中提出了一種基于磁場成像的PEMFC系統無損檢測理論及方法，可在PEMFC運行過程中揭示狀態變化的起源和演變過程，在商用PEMFC系統的狀態檢測及異常識別方面極具應用潛力。

圖2.技術路線圖

 

中國科學技術大學工程科學學院博士研究生孫譽寧為論文的第一作者，毛磊特任研究員為論文的唯一通訊作者。該項工作得到了基金委、中科院、安徽省及合肥市等資助。

 

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101083