中国科大在氢燃料电池无损检测理论及方法研究中取得新进展

近日，中国科学技术大学工程科学学院毛磊特任研究员团队在氢燃料电池无损检测方面取得突破性进展，发展了一种基于磁场成像的氢燃料电池无损检测理论及方法，突破现有氢燃料电池性能表征依赖于材料分析、电流分布等侵入式检测手段的瓶颈，在商用PEMFC系统的状态检测及异常识别方面极具应用潜力，研究成果已发表在Cell期刊旗下的《Cell Reports Physical Science》上。

氢燃料电池技术(PEMFC)被广泛应用于氢能利用领域，然而影响商用氢燃料电池系统可靠性的主要因素是在电池运行过程中难以进行电池性能表征并识别电池异常状态。目前，主要的状态识别方法仅可对PEMFC状态变化进行识别，但难以对电池内部状态变化的发展路径及对应机理进行检测及分析，从而无法根据识别结果对PEMFC系统进行对应调控，进而保障PEMFC系统的运行安全。

在PEMFC运行过程中，电池性能状态与其内部水分布、电流分布息息相关。目前，相关技术主要通过材料分析、水传输分布、电流分布等手段来评估氢燃料电池性能状态。然而这些技术会干扰电池的运行状态，甚至破坏电池固有结构和性能，进而很难保证技术可靠性和实用性。PEMFC电流分布和相应磁场分布如图1所示，科研人员将PEMFC内部电流分解为平行膜方向膜电流（图1b）和垂直膜方向主电流（图1c），并揭示了氢燃料电池故障时性能下降的本质原因是参与化学反应的主电流减少，寄生损耗的膜电流增加，因此膜电流及其激发磁场可以反映电池性能变化。这是在该研究领域内首次系统性分析并提出了氢燃料电池的性能变化与其内部不同分量电流和激发磁场的关联机制。

图1.PEMFC内部电流和磁场分布

(A) PEMFC内部电流; (B)膜电流及其磁场分布; (C)主电流及其磁场分布

研究思路如图2所示，首先通过建立多物理场PEMFC仿真模型，对PEMFC在不同运行状态下的膜电流及其磁场分布变化进行分析；进而搭建PEMFC外部磁场检测系统，通过检测PEMFC运行过程中的膜电流磁场分布，分析PEMFC系统内部状态变化路径及对应机制。

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图2.技术路线图

如下图3所示，科研人员研究了PEMFC两种最典型的水管理故障即膜干状态和水淹状态下的磁场成像。在下图3A中，选取了轻微膜干状态进行示例分析。故障初期，当电压变化量仅为5%时，磁场成像已呈现了比较显著的变化，阴极入口（磁场图像右上方）处磁场变大。随着电压的持续下降，阴极入口磁场持续增加。揭示了该状态下因阴极入口质子交换膜湿度不足限制了质子传导能力，导致了膜干故障的状态变化机制。即使故障程度轻微，通过磁场成像也可以精准地展现PEMFC状态变化的发生起源和演变过程。

图3.膜干和水淹故障状态下的磁场图像变化

此外，即便是在同样的实验条件下，其状态变化机制也会变化。在上图3B、D和F中，水淹状态时，阴极出口处容易积累大量上游反应物带来的水，堵塞流道和电极，阻碍电化学反应。而下图4展现了相对湿度200%时水淹状态下的磁场和电压曲线，电压曲线波动现象表明PEMFC内部的液态水频繁积聚和移除。结合同步变化的磁场波动，可以推断这种状态的发生机理为：当高湿气体进入PEMFC时，液态水将在阴极入口迅速冷凝，堵塞气体通道，从而引发阴极入口的水淹。随着气体通道的堵塞，可能会出现气体饥饿。从图4中可以观察到明显电压下降后，阴极入口局部压力缓慢上升，逐渐将多余的水吹出，气体饥饿得到缓解。因此，电压显著下降后PEMFC电压又恢复这一重复的过程可通过磁场图像可视化。综上，相比于传统检测方法，基于磁场图像可精确可视化不同PEMFC状态变化路径以及对应机制。

图4.特殊水淹状态下的磁场图像和电压、磁场曲线

据此，这项研究工作中提出了一种基于磁场成像的PEMFC系统无损检测理论及方法，可在PEMFC运行过程中揭示状态变化的起源和演变过程，在商用PEMFC系统的状态检测及异常识别方面极具应用潜力。

中国科学技术大学工程科学学院博士研究生孙誉宁为论文的第一作者，毛磊研究员为论文的唯一通讯作者。该项工作得到了基金委、中科院、安徽省及合肥市等部门的资助。

图文来源：中国科学技术大学新闻网、网络公开渠道

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101083

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