中國科大在氫燃料電池無損檢測理論及方法研究中取得新進展

近日，中國科學技術大學工程科學學院毛磊特任研究員團隊在氫燃料電池無損檢測方面取得突破性進展，發展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，在商用PEMFC系統的狀態檢測及異常識別方面極具應用潛力，研究成果已發表在Cell期刊旗下的《Cell Reports Physical Science》上。

氫燃料電池技術(PEMFC)被廣泛應用于氫能利用領域，然而影響商用氫燃料電池系統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。目前，主要的狀態識別方法僅可對PEMFC狀態變化進行識別，但難以對電池內部狀態變化的發展路徑及對應機理進行檢測及分析，從而無法根據識別結果對PEMFC系統進行對應調控，進而保障PEMFC系統的運行安全。

在PEMFC運行過程中，電池性能狀態與其內部水分布、電流分布息息相關。目前，相關技術主要通過材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來評估氫燃料電池性能狀態。然而這些技術會干擾電池的運行狀態，甚至破壞電池固有結構和性能，進而很難保證技術可靠性和實用性。PEMFC電流分布和相應磁場分布如圖1所示，科研人員將PEMFC內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原因是參與化學反應的主電流減少，寄生損耗的膜電流增加，因此膜電流及其激發磁場可以反映電池性能變化。這是在該研究領域內首次系統性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內部不同分量電流和激發磁場的關聯機制。

圖1.PEMFC內部電流和磁場分布

(A) PEMFC內部電流; (B)膜電流及其磁場分布; (C)主電流及其磁場分布

研究思路如圖2所示，首先通過建立多物理場PEMFC仿真模型，對PEMFC在不同運行狀態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，通過檢測PEMFC運行過程中的膜電流磁場分布，分析PEMFC系統內部狀態變化路徑及對應機制。

重磅！我國學者提出氫燃料電池無損檢測新理論及方法

圖2.技術路線圖

如下圖3所示，科研人員研究了PEMFC兩種最典型的水管理故障即膜干狀態和水淹狀態下的磁場成像。在下圖3A中，選取了輕微膜干狀態進行示例分析。故障初期，當電壓變化量僅為5%時，磁場成像已呈現了比較顯著的變化，陰極入口（磁場圖像右上方）處磁場變大。隨著電壓的持續下降，陰極入口磁場持續增加。揭示了該狀態下因陰極入口質子交換膜濕度不足限制了質子傳導能力，導致了膜干故障的狀態變化機制。即使故障程度輕微，通過磁場成像也可以精準地展現PEMFC狀態變化的發生起源和演變過程。

圖3.膜干和水淹故障狀態下的磁場圖像變化

此外，即便是在同樣的實驗條件下，其狀態變化機制也會變化。在上圖3B、D和F中，水淹狀態時，陰極出口處容易積累大量上游反應物帶來的水，堵塞流道和電極，阻礙電化學反應。而下圖4展現了相對濕度200%時水淹狀態下的磁場和電壓曲線，電壓曲線波動現象表明PEMFC內部的液態水頻繁積聚和移除。結合同步變化的磁場波動，可以推斷這種狀態的發生機理為：當高濕氣體進入PEMFC時，液態水將在陰極入口迅速冷凝，堵塞氣體通道，從而引發陰極入口的水淹。隨著氣體通道的堵塞，可能會出現氣體饑餓。從圖4中可以觀察到明顯電壓下降后，陰極入口局部壓力緩慢上升，逐漸將多余的水吹出，氣體饑餓得到緩解。因此，電壓顯著下降后PEMFC電壓又恢復這一重復的過程可通過磁場圖像可視化。綜上，相比于傳統檢測方法，基于磁場圖像可精確可視化不同PEMFC狀態變化路徑以及對應機制。

圖4.特殊水淹狀態下的磁場圖像和電壓、磁場曲線

據此，這項研究工作中提出了一種基于磁場成像的PEMFC系統無損檢測理論及方法，可在PEMFC運行過程中揭示狀態變化的起源和演變過程，在商用PEMFC系統的狀態檢測及異常識別方面極具應用潛力。

中國科學技術大學工程科學學院博士研究生孫譽寧為論文的第一作者，毛磊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、安徽省及合肥市等部門的資助。

圖文來源：中國科學技術大學新聞網、網絡公開渠道

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101083

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