中国科大在氢燃料电池异质性退化在线可视化研究中取得新进展

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毛磊特任研究员团队以及化学与材料科学学院材料科学与工程系彭冉冉副教授团队在氢燃料电池异质性退化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异质性退化在线可视化方法，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“Magnetic array-aided visualizing PEMFC degradation heterogeneity”发表在AdvancedScience上。

氢燃料电池技术（PEMFC）被广泛应用于氢能利用领域，然而目前影响商用氢燃料电池系统耐久性的主要因素是电池内部不一致的退化状态（异质性退化）加速了电池整体性能退化。目前主要的性能表征方法难以在电池运行过程中进行电池性能表征并揭示异质性退化状态，从而无法根据性能表征结果对PEMFC系统进行对应调控，进而保障PEMFC系统耐久性。

由于PEMFC性能异质性退化，电池电极表面电流分布不均匀导致电极面内存在电势差，从而导致面内横向电流产生。如图1a所示，作者建立了一个三维多物理场耦合的仿真模型证明这一点：由于异质性退化以及气体流道与肋板处的反应物浓度差异，电极表面电流密度分布不均匀，中间区域电流密度较低（图1b）。如图1c-1d所示，基于Butler-Volmer方程和Biot-Savart定律，电极表面电势不均导致了面内横向电流移动并激发了外部磁场，即PEMFC面内电流及其激发磁场可以反映电池异质性退化。

图1.PEMFC异质性退化仿真

(a) PEMFC仿真模型; (b)PEMFC电极表面电流密度;

(c)PEMFC电极表面横向电流分布; (d)PEMFC横向电流激发磁场分布

据此，作者研发了一款磁通门阵列，该阵列将16个磁通门阵列集成在25cm2空间内，可实现PEMFC电极表面微弱磁场的精准感知。随后在PEMFC耐久性实验运行过程中，采用磁通门阵列在线监测PEMFC外部磁场变化，全寿命周期内PEMFC异质性退化演变进程见图2。磁场图像揭示了PEMFC氢气、氧气出口区域的严重退化现象，并且异质性退化随着实验进程进一步加速。实验结果得到了材料表征验证，证明了该现象由于启停工况下反向电流机制导致。因此，本研究工作中提出了一种基于磁场成像的氢燃料电池异质性退化在线可视化方法，可在PEMFC运行过程中揭示异质性退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. PEMFC异质性退化演变规律

中国科学技术大学工程科学学院博士后孙誉宁为论文的第一作者，毛磊特任研究员为论文的通讯作者。该项工作得到了基金委、中国科学院、安徽省及合肥市等部门的资助。