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當前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎之上的經濟發展模式，導致了日益突出的環境污染和溫室效應問題。為實現人類社會可持續發展，建立人與自然的和諧關系，發展風能、水能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能等綠色能源，成為世界各國高度關注的課題。

氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點，相應技術進步可推動氫氣制備、儲藏、運輸等技術體系的發展升級。在新一輪能源革命驅動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術，以支撐實現低碳、清潔發展模式。

然而目前影響商用氫燃料電池系統大規模應用的主要因素是電池運行過程中可靠性需要評估，即電池異常狀態需要及時識別。目前，主要的狀態識別方法難以對電池內部狀態變化的發展路徑及對應機理進行檢測及分析，從而無法根據識別結果對氫燃料電池系統進行對應調控，進而保障氫燃料電池系統的運行安全。

除此之外，在氫燃料電池運行過程中，電池性能狀態與其內部水分布、電流分布息息相關。目前，相關技術主要通過材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來評估氫燃料電池性能狀態，然而這些技術會干擾電池的運行狀態，甚至破壞電池固有結構和性能，進而很難保證技術可靠性和實用性。

近日，中國科學技術大學工程科學學院特任研究員毛磊團隊在氫燃料電池無損檢測方面取得突破性進展。他們首先建立氫燃料電池仿真模型，分析其在不同運行狀態下的電流和磁場分布變化；進而搭建氫燃料電池外部磁場檢測系統，通過磁場成像分析氫燃料電池系統內部狀態變化路徑及對應機制。

研究團隊將氫燃料電池內部電流分解為平行膜方向膜電流和垂直膜方向主電流，并揭示了氫燃料電池故障時性能下降的本質原因——參與化學反應的主電流減少，寄生損耗的膜電流增加，因此膜電流及其激發磁場可以反映電池性能變化。

該項研究首次在該研究領域內系統性地分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內部不同分量電流和激發磁場的關聯機制。同時，該項研究工作中還提出了一種基于磁場成像的氫燃料電池系統無損檢測理論及方法，可在氫燃料電池運行過程中揭示狀態變化的起源和演變過程，在商用氫燃料電池系統的狀態檢測及異常識別方面極具應用潛力。

研究成果日前發表在《細胞》期刊旗下的《物理科學報告》上。

(資料來源：中國科學報)

關鍵詞： 氫燃料電池 狀態變化 狀態檢測