在PEMFC運行過程中，電池性能狀態(tài)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(tài)。然而這些技術會干擾電池的運行狀態(tài)，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。PEMFC電流分布和相應磁場分布如圖1所示，科研人員將PEMFC內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性能下降的本質原因是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(fā)磁場可以反映電池性能變化。這是在該研究領域內系統(tǒng)性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(fā)磁場的關聯(lián)機制。

(A) PEMFC內部電流; (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在不同運行狀態(tài)下的膜電流及其磁場分布變化進行分析；進而搭建PEMFC外部磁場檢測系統(tǒng)，通過檢測PEMFC運行過程中的膜電流磁場分布，分析PEMFC系統(tǒng)內部狀態(tài)變化路徑及對應機制。

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)進行示例分析。故障初期，當電壓變化量僅為5%時，磁場成像已呈現了比較顯著的變化，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)下因陰極入口質子交換膜濕度不足限制了質子傳導能力，導致了膜干故障的狀態(tài)變化機制。即使故障程度輕微，通過磁場成像也可以精準地展現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