| 注冊(cè)| 產(chǎn)品展廳| 收藏該商鋪

行業(yè)產(chǎn)品

當(dāng)前位置：
蘇州圣全科技有限公司>>技術(shù)文章>>重磅！我國(guó)學(xué)者提出氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)新理論及方法

重磅！我國(guó)學(xué)者提出氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)新理論及方法

閱讀：751        發(fā)布時(shí)間：2023-1-11
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院毛磊特任研究員團(tuán)隊(duì)在氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)方面取得突破性進(jìn)展，發(fā)展了一種基于磁場(chǎng)成像的氫燃料電池?zé)o損檢測(cè)理論及方法，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，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)及異常識(shí)別方面應(yīng)用潛力，研究成果已發(fā)表在Cell期刊旗下的《Cell Reports Physical Science》上。


氫燃料電池技術(shù)(PEMFC)被廣泛應(yīng)用于氫能利用領(lǐng)域，然而影響商用氫燃料電池系統(tǒng)可靠性的主要因素是在電池運(yùn)行過程中難以進(jìn)行電池性能表征并識(shí)別電池異常狀態(tài)。目前，主要的狀態(tài)識(shí)別方法僅可對(duì)PEMFC狀態(tài)變化進(jìn)行識(shí)別，但難以對(duì)電池內(nèi)部狀態(tài)變化的發(fā)展路徑及對(duì)應(yīng)機(jī)理進(jìn)行檢測(cè)及分析，從而無法根據(jù)識(shí)別結(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)的運(yùn)行安全。


在PEMFC運(yùn)行過程中，電池性能狀態(tài)與其內(nèi)部水分布、電流分布息息相關(guān)。目前，相關(guān)技術(shù)主要通過材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來評(píng)估氫燃料電池性能狀態(tài)。然而這些技術(shù)會(huì)干擾電池的運(yùn)行狀態(tài)，甚至破壞電池固有結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而很難保證技術(shù)可靠性和實(shí)用性。PEMFC電流分布和相應(yīng)磁場(chǎng)分布如圖1所示，科研人員將PEMFC內(nèi)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(shí)性能下降的本質(zhì)原因是參與化學(xué)反應(yīng)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(fā)磁場(chǎng)可以反映電池性能變化。這是在該研究領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內(nèi)部不同分量電流和激發(fā)磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。


圖片

圖1.PEMFC內(nèi)部電流和磁場(chǎng)分布


(A) PEMFC內(nèi)部電流; (B)膜電流及其磁場(chǎng)分布; (C)主電流及其磁場(chǎng)分布

研究思路如圖2所示，首先通過建立多物理場(chǎng)PEMFC仿真模型，對(duì)PEMFC在不同運(yùn)行狀態(tài)下的膜電流及其磁場(chǎng)分布變化進(jìn)行分析；進(jìn)而搭建PEMFC外部磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過檢測(cè)PEMFC運(yùn)行過程中的膜電流磁場(chǎng)分布，分析PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化路徑及對(duì)應(yīng)機(jī)制。

圖片


圖2.技術(shù)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(tài)和水淹狀態(tài)下的磁場(chǎng)成像。在下圖3A中，選取了輕微膜干狀態(tài)進(jìn)行示例分析。故障初期，當(dāng)電壓變化量?jī)H為5%時(shí)，磁場(chǎng)成像已呈現(xiàn)了比較顯著的變化，陰極入口（磁場(chǎng)圖像右上方）處磁場(chǎng)變大。隨著電壓的持續(xù)下降，陰極入口磁場(chǎng)持續(xù)增加。揭示了該狀態(tài)下因陰極入口質(zhì)子交換膜濕度不足限制了質(zhì)子傳導(dǎo)能力，導(dǎo)致了膜干故障的狀態(tài)變化機(jī)制。即使故障程度輕微，通過磁場(chǎng)成像也可以精準(zhǔn)地展現(xiàn)PEMFC狀態(tài)變化的發(fā)生起源和演變過程。


圖片


圖3.膜干和水淹故障狀態(tài)下的磁場(chǎng)圖像變化


此外，即便是在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，其狀態(tài)變化機(jī)制也會(huì)變化。在上圖3B、D和F中，水淹狀態(tài)時(shí)，陰極出口處容易積累大量上游反應(yīng)物帶來的水，堵塞流道和電極，阻礙電化學(xué)反應(yīng)。而下圖4展現(xiàn)了相對(duì)濕度200%時(shí)水淹狀態(tài)下的磁場(chǎng)和電壓曲線，電壓曲線波動(dòng)現(xiàn)象表明PEMFC內(nèi)部的液態(tài)水頻繁積聚和移除。結(jié)合同步變化的磁場(chǎng)波動(dòng)，可以推斷這種狀態(tài)的發(fā)生機(jī)理為：當(dāng)高濕氣體進(jìn)入PEMFC時(shí)，液態(tài)水將在陰極入口迅速冷凝，堵塞氣體通道，從而引發(fā)陰極入口的水淹。隨著氣體通道的堵塞，可能會(huì)出現(xiàn)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(fù)這一重復(fù)的過程可通過磁場(chǎng)圖像可視化。綜上，相比于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，基于磁場(chǎng)圖像可精確可視化不同PEMFC狀態(tài)變化路徑以及對(duì)應(yīng)機(jī)制。
圖片
圖4.特殊水淹狀態(tài)下的磁場(chǎng)圖像和電壓、磁場(chǎng)曲線
據(jù)此，這項(xiàng)研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的PEMFC系統(tǒng)無損檢測(cè)理論及方法，可在PEMFC運(yùn)行過程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過程，在商用PEMFC系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)及異常識(shí)別方面應(yīng)用潛力。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士研究生孫譽(yù)寧為論文的第一作者，毛磊研究員為論文的通訊作者。該項(xiàng)工作得到了基金委、中科院、安徽省及合肥市等部門的資助。



收藏該商鋪

請(qǐng) 登錄 后再收藏

提示

您的留言已提交成功！我們將在第一時(shí)間回復(fù)您~
二維碼