近日，中國科學(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)隊在氫燃料電池無損檢測方面取得突破性進(jìn)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(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手段的瓶頸，研究成果以題為“Imaging PEMFC performance heterogeneity by sensing external magnetic field”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)行過程中難以進(jìn)行電池性能表征并識別電池異常狀態(tài)。目前，主要的狀態(tài)識別方法僅可對PEMFC狀態(tài)變化進(jìn)行識別，但難以對電池內(nèi)部狀態(tài)變化的發(fā)展路徑及對應(yīng)機(jī)理進(jìn)行檢測及分析，從而無法根據(jù)識別結(jié)果對PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行對應(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(tài)。然而這些技術(shù)會干擾電池的運(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)可靠性和實用性。PEMFC電流分布和相應(yīng)磁場分布如圖1所示，作者將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)磁場的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

圖1.PEMFC內(nèi)部電流和磁場分布

 

(a) PEMFC內(nèi)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(yùn)行狀態(tài)下的膜電流及其磁場分布變化進(jìn)行分析；進(jìn)而搭建PEMFC外部磁場檢測系統(tǒng)，通過檢測PEMFC運(yùn)行過程中的膜電流磁場分布，分析PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化路徑及對應(yīng)機(jī)制。據(jù)此，本研究工作中提出了一種基于磁場成像的PEMFC系統(tǒng)無損檢測理論及方法，可在PEMFC運(yùn)行過程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過程，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測及異常識別方面極具應(yīng)用潛力。

圖2.技術(shù)路線圖

 

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士研究生孫譽(yù)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