近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機械與精密儀器系先進感知、數(shù)據(jù)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?zé)o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?zé)o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“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行過程中難以進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)機理進行檢測及分析，從而無法根據(jù)識別結(jié)果對PEMFC系統(tǒng)進行對應(yīng)調(diào)控，進而保障PEMFC系統(tǒng)的運行安全。

在PEMFC運行過程中，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)會干擾電池的運行狀態(tài)，甚至破壞電池固有結(jié)構(gòu)和性能，進而很難保證技術(shù)可靠性和實用性。

毛磊特任研究員團隊將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.

PEMFC電流分布和相應(yīng)磁場分布如圖1所示，作者團隊將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，首先通過建立多物理場PEMFC仿真建模，對PEMFC在不同運行狀態(tài)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(tǒng)，通過檢測PEMFC運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。

總之，這項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。