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)磁場的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

(A) PEMFC內(nèi)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(yùn)行狀態(tài)下的膜電流及其磁場分布變化進(jìn)行分析；進(jìn)而搭建PEMFC外部磁場檢測系統(tǒng)，通過檢測PEMFC運(yùn)行過程中的膜電流磁場分布，分析PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化路徑及對應(yīng)機(jī)制。

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)電壓變化量僅為5%時(shí)，磁場成像已呈現(xiàn)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(xù)下降，陰極入口磁場持續(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3.膜干和水淹故障狀態(tài)下的磁場圖像變化