中國科大在氫燃料電池異質性退化在線可視化研究中取得新進展

近日，中國科學技術大學工程科學學院精密機械與精密儀器系毛磊特任研究員團隊以及化學與材料科學學院材料科學與工程系彭冉冉副教授團隊在氫燃料電池異質性退化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異質性退化在線可視化方法，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，研究成果以題為“Magnetic array-aided visualizing PEMFC degradation heterogeneity”發表在AdvancedScience上。

氫燃料電池技術（PEMFC）被廣泛應用于氫能利用領域，然而目前影響商用氫燃料電池系統耐久性的主要因素是電池內部不一致的退化狀態（異質性退化）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行過程中進行電池性能表征并揭示異質性退化狀態，從而無法根據性能表征結果對PEMFC系統進行對應調控，進而保障PEMFC系統耐久性。

由于PEMFC性能異質性退化，電池電極表面電流分布不均勻導致電極面內存在電勢差，從而導致面內橫向電流產生。如圖1a所示，作者建立了一個三維多物理場耦合的仿真模型證明這一點：由于異質性退化以及氣體流道與肋板處的反應物濃度差異，電極表面電流密度分布不均勻，中間區域電流密度較低（圖1b）。如圖1c-1d所示，基于Butler-Volmer方程和Biot-Savart定律，電極表面電勢不均導致了面內橫向電流移動并激發了外部磁場，即PEMFC面內電流及其激發磁場可以反映電池異質性退化。

圖1.PEMFC異質性退化仿真

(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橫向電流激發磁場分布

據此，作者研發了一款磁通門陣列，該陣列將16個磁通門陣列集成在25cm2空間內，可實現PEMFC電極表面微弱磁場的精準感知。隨后在PEMFC耐久性實驗運行過程中，采用磁通門陣列在線監測PEMFC外部磁場變化，全壽命周期內PEMFC異質性退化演變進程見圖2。磁場圖像揭示了PEMFC氫氣、氧氣出口區域的嚴重退化現象，并且異質性退化隨著實驗進程進一步加速。實驗結果得到了材料表征驗證，證明了該現象由于啟停工況下反向電流機制導致。因此，本研究工作中提出了一種基于磁場成像的氫燃料電池異質性退化在線可視化方法，可在PEMFC運行過程中揭示異質性退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。

圖2. PEMFC異質性退化演變規律

中國科學技術大學工程科學學院博士后孫譽寧為論文的第一作者，毛磊特任研究員為論文的通訊作者。該項工作得到了基金委、中國科學院、安徽省及合肥市等部門的資助。