中国科大毛磊团队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精密机械与精密仪器系先进感知、数据融合及智能运维课题组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，报道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，研究成果以题为“Imaging PEMFC performance heterogeneity by sensing external magnetic field”发表在Cell Press期刊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，作者将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.

该研究的研究思路如图2所示，首先通过建立多物理场PEMFC仿真建模，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。据此，本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。

图2.技术路线图

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，毛磊特任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、安徽省及合肥市等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101083