近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系先進(jìn)感知、數(shù)據(jù)融合及智能運(yùn)維課題組毛磊特任研究員團(tuán)隊(duì)在氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)方面取得突破性進(jìn)展，報(bào)道了一種基于磁場(chǎng)成像的氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)理論及方法，突破現(xiàn)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(cè)手段的瓶頸，研究成果以“Imaging PEMFC performance heterogeneity by sensing external magnetic field”為題發(fā)表在《Cell Press》期刊《Cell Reports Physical Science》上。

氫燃料電池技術(shù)（PEMFC）被廣泛應(yīng)用于氫能利用領(lǐng)域，然而影響商用氫燃料電池系統(tǒng)可靠性的主要因素是在電池運(yùn)行過(guò)程中難以進(jìn)行電池性能表征并識(shí)別電池異常狀態(tài)。目前，主要的狀態(tài)識(shí)別方法僅可對(duì)PEMFC狀態(tài)變化進(jìn)行識(shí)別，但難以對(duì)電池內(nèi)部狀態(tài)變化的發(fā)展路徑及對(duì)應(yīng)機(jī)理進(jìn)行檢測(cè)及分析，從而無(wú)法根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)控，進(jìn)而保障PEMFC系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中，電池性能狀態(tài)與其內(nèi)部水分布、電流分布息息相關(guān)。目前，相關(guān)技術(shù)主要通過(guò)材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來(lái)評(píng)估氫燃料電池性能狀態(tài)。然而這些技術(shù)會(huì)干擾電池的運(yùn)行狀態(tài)，甚至破壞電池固有結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而很難保證技術(shù)可靠性和實(shí)用性。

毛磊特任研究員團(tuán)隊(duì)將PEMFC內(nèi)部電流分解為平行膜方向膜電流和垂直膜方向主電流，并揭示了氫燃料電池故障時(shí)性能下降的本質(zhì)原因是參與化學(xué)反應(yīng)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(fā)磁場(chǎng)可以反映電池性能變化。這是在該研究領(lǐng)域內(nèi)首次系統(tǒng)性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內(nèi)部不同分量電流和激發(fā)磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

圖1.PEMFC內(nèi)部電流和磁場(chǎng)分布。(a) PEMFC內(nèi)部電流; (b)膜電流及其磁場(chǎng)分布; (c)主電流及其磁場(chǎng)分布.

PEMFC電流分布和相應(yīng)磁場(chǎng)分布如圖1所示，作者團(tuán)隊(duì)將PEMFC內(nèi)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(shí)性能下降的本質(zhì)原因是參與化學(xué)反應(yīng)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(fā)磁場(chǎng)可以反映電池性能變化。這是在該研究領(lǐng)域內(nèi)首次系統(tǒng)性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內(nèi)部不同分量電流和激發(fā)磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

圖2 技術(shù)路線圖

該研究的研究思路如圖2所示，首先通過(guò)建立多物理場(chǎng)PEMFC仿真建模，對(duì)PEMFC在不同運(yùn)行狀態(tài)下的膜電流及其磁場(chǎng)分布變化進(jìn)行分析；進(jìn)而搭建PEMFC外部磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)PEMFC運(yùn)行過(guò)程中的膜電流磁場(chǎng)分布，分析PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化路徑及對(duì)應(yīng)機(jī)制。據(jù)此，本研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的PEMFC系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)理論及方法，可在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過(guò)程，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)及異常識(shí)別方面極具應(yīng)用潛力。

總之，這項(xiàng)研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的PEMFC系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)理論及方法，可在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過(guò)程，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)及異常識(shí)別方面極具應(yīng)用潛力。