近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系毛磊特任研究員團(tuán)隊(duì)以及化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系彭冉冉副教授團(tuán)隊(duì)在氫燃料電池異質(zhì)性退化檢測(cè)方面取得突破性進(jìn)展，報(bào)道了一種基于磁場(chǎng)成像的氫燃料電池異質(zhì)性退化在線可視化方法，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(cè)手段的瓶頸，研究成果以題為“Magnetic array-aided visualizing PEMFC degradation heterogeneity”發(fā)表在AdvancedScience上。

氫燃料電池技術(shù)（PEMFC）被廣泛應(yīng)用于氫能利用領(lǐng)域，然而目前影響商用氫燃料電池系統(tǒng)耐久性的主要因素是電池內(nèi)部不一致的退化狀態(tài)（異質(zhì)性退化）加速了電池整體性能退化。目前主要的性能表征方法難以在電池運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行電池性能表征并揭示異質(zhì)性退化狀態(tài)，從而無(wú)法根據(jù)性能表征結(jié)果對(duì)PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)控，進(jìn)而保障PEMFC系統(tǒng)耐久性。

由于PEMFC性能異質(zhì)性退化，電池電極表面電流分布不均勻?qū)е码姌O面內(nèi)存在電勢(shì)差，從而導(dǎo)致面內(nèi)橫向電流產(chǎn)生。如圖1a所示，作者建立了一個(gè)三維多物理場(chǎng)耦合的仿真模型證明這一點(diǎn)：由于異質(zhì)性退化以及氣體流道與肋板處的反應(yīng)物濃度差異，電極表面電流密度分布不均勻，中間區(qū)域電流密度較低（圖1b）。如圖1c-1d所示，基于Butler-Volmer方程和Biot-Savart定律，電極表面電勢(shì)不均導(dǎo)致了面內(nèi)橫向電流移動(dòng)并激發(fā)了外部磁場(chǎng)，即PEMFC面內(nèi)電流及其激發(fā)磁場(chǎng)可以反映電池異質(zhì)性退化。

圖1.PEMFC異質(zhì)性退化仿真

(a) PEMFC仿真模型; (b)PEMFC電極表面電流密度;

(c)PEMFC電極表面橫向電流分布; (d)PEMFC橫向電流激發(fā)磁場(chǎng)分布

據(jù)此，作者研發(fā)了一款磁通門(mén)陣列，該陣列將16個(gè)磁通門(mén)陣列集成在25cm2空間內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)PEMFC電極表面微弱磁場(chǎng)的精準(zhǔn)感知。隨后在PEMFC耐久性實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，采用磁通門(mén)陣列在線監(jiān)測(cè)PEMFC外部磁場(chǎng)變化，全壽命周期內(nèi)PEMFC異質(zhì)性退化演變進(jìn)程見(jiàn)圖2。磁場(chǎng)圖像揭示了PEMFC氫氣、氧氣出口區(qū)域的嚴(yán)重退化現(xiàn)象，并且異質(zhì)性退化隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)一步加速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了材料表征驗(yàn)證，證明了該現(xiàn)象由于啟停工況下反向電流機(jī)制導(dǎo)致。因此，本研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的氫燃料電池異質(zhì)性退化在線可視化方法，可在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中揭示異質(zhì)性退化的起源和演變過(guò)程，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)及異常識(shí)別方面極具應(yīng)用潛力。

圖2. PEMFC異質(zhì)性退化演變規(guī)律

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士后孫譽(yù)寧為論文的第一作者，毛磊特任研究員為論文的通訊作者。該項(xiàng)工作得到了基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省及合肥市等部門(mén)的資助。