質子交換膜燃料電池可視化設計及其優化

阮慎銳，胡鳴若，歐陽楠，曹廣益

(上海交通大學燃料電池研究所綠色電化學系統和結構實驗室，上海200240)

質子交換膜燃料電池可視化設計及其優化

阮慎銳，胡鳴若*，歐陽楠，曹廣益

(上海交通大學燃料電池研究所綠色電化學系統和結構實驗室，上海200240)

基于常規PEMFC單電池的結構，采用實心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結構作為陰極的可視化流場，由于在可視化拍攝過程中實心聚碳酸酯端板內表面會發生霧化現象，影響可視化效果，為此，將實心聚碳酸酯端板設計為中空聚碳酸端板，通過在中空溶液腔內通入加熱的乙二醇水溶液可以消除霧化現象的產生。然而，由于乙二醇水溶液在長時間運行過程中會釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內，這也影響了可視化的效果，因此，進一步采用純丙三醇液體作為循環液，在此基礎上可視化拍攝效果清晰，電池性能保持不變。

質子交換膜燃料電池；透明電池；可視化結構設計

質子交換膜燃料電池運行時的水管理對電池性能有著重要的影響。理解燃料電池長期運行時內部水傳遞的機理是提高電池運行穩定性、增加電池壽命的關鍵因素之一[1]。目前對于質子交換膜燃料電池運行時的水分布和排水過程的實驗研究方法主要有中子成像、核磁共振成像、氣相色譜和可視化技術等?？梢暬夹g沒有中間轉換過程，可在電池運行過程中全程、在線、直接觀測液態水在擴散層上的出現、長大及在流道內累積和排出，與其他技術手段相比，所需設備簡單，非常適用于研究流場內液態水行為[2－6]。

本文首先在常規單電池的基礎上，設計了實心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結構作為陰極流場，通過攝影系統拍攝陰極流場內液態水的狀態，由于在可視化過程中實心聚碳酸酯端板內表面會發生霧化現象，影響可視化效果，為此，將實心聚碳酸酯端板設計為中空聚碳酸端板，通過在中空溶液腔內通入加熱的乙二醇水溶液可消除霧化現象的產生。然而，由于乙二醇水溶液在長時間運行過程中會釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內，這也影響了可視化的效果，因此，進一步采用純丙三醇液體作為循環液，在此基礎上可視化拍攝效果清晰，電池性能保持不變。

1 PEMFC可視化實驗系統

質子交換膜燃料電池可視化研究的目的是為了觀察電池內部液態水的形成、聚集和排出的規律，因此其實驗系統主要包括兩方面，即：測試系統和具有透明結構的質子交換膜燃料電池。圖1為質子交換膜燃料電池可視化實驗系統圖，在實驗中采用FC5100測試臺為燃料電池供氣。采用電化學工作站作為燃料電池的電子負載，并可在需要時進行電化學阻抗測試。采用羅技C905高清攝像頭進行流場拍攝，自動對焦，實驗中采用視頻錄制模式記錄視頻。

在上述測試系統的基礎上，本文將設計和優化具有透明陰極流場結構的質子交換膜燃料電池。

2 常規單電池結構

圖1 PEMFC可視化實驗系統圖

圖2 PEMFC單電池各部分組裝圖

如圖2所示，常規單電池的結構由外到內分別是：兩片絕緣的環氧樹脂端板、兩片表面鍍金的集電銅板、兩塊表面加工有蛇形流道的厚石墨單極板、兩片聚四氟乙烯密封墊片和正中間的膜電極三合一組件(MEA)。如圖3所示，以上部件在六個螺栓預緊力的作用下，組成單個測試電池。其中，膜電極的活性面積為50mm×50mm，質子交換膜采用杜邦公司生產的Nafion-212膜，碳紙采用060型碳紙，催化劑采用4100型催化劑。從而可以對電池進行加熱。

圖3 PEMFC單電池外形圖

3 陰極采用實心聚碳酸酯端板的單電池結構設計

為了研究質子交換膜燃料電池長期運行時陰極流場內部液態水的發生、成長、聚集等流動的特性，我們在上述常規單電池結構的基礎上，將陰極流場設計為透明結構，即陰極側流場板是由實心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板組合而成，如圖4和圖5所示。聚碳酸酯材料由于透光性好，能在100℃以下長期使用，因此，被選作透明端板的材料；鏤空板的石墨材料與常規單電池極板的材料相同。

圖4 實心聚碳酸酯端板

圖5 石墨鏤空板

圖5 為石墨鏤空板的外形示意圖，其尺寸為：長160mm，寬106mm，厚2mm。石墨鏤空板分為兩個區域，即，流場區和加熱集電區。流場區的兩側同樣排列著六個螺栓孔和兩個定位孔，這些孔的位置分別與實心聚碳酸酯端板上孔的位置一一對應。流場區內有8條相互平行的蛇形流道，每條流道的深度為2mm，即流道在板厚度方向上是貫穿的。加熱集電區位于流場區的上部，電池裝配后將有背膠的加熱膜片(如圖6所示)粘貼在加熱集電區。在石墨鏤空板的厚度方向上加工有直徑為1mm的小孔，在小孔內插入熱電偶。熱電偶通過和加熱膜片配合使用，可以實現對電池陰極的加熱和溫度控制。加熱集電區的右上角開有集電孔，通過螺絲將導線與石墨鏤空板相連，在電池運行時可以將電流引出。

圖6 陰極側采用透明結構的單電池

空氣在上述透明陰極流場中的流向如下：空氣先從空氣進口流入實心聚碳酸酯端板，通過與空氣進口相連的凹陷將空氣送入石墨鏤空板的始端；在始端處，空氣被分配至8條相互平行的蛇形流道，空氣沿平行流道前進的同時擴散進入電池陰極并進行電化學反應；反應后的產物和剩余空氣經由石墨鏤空板的尾端被匯集進入實心聚碳酸酯端板的另一個凹陷，最后再經由實心聚碳酸酯端板上的空氣出口排出。

陰極采用透明結構的單電池如圖6所示。為了避免陰極單側加熱的不均勻性，在電池陽極側的石墨單極板上開有加熱棒孔和熱電偶孔，從而實現對電池的陽極側和陰極側同時進行加熱和控制。

圖7 采用實心聚碳酸酯端板的PEMFC運行30m in內的可視化拍攝圖

圖7 是陰極側采用實心聚碳酸酯端板，燃料電池運行30 m in內的可視化視頻截圖。圖7(a)為起始時刻，此時陰極內部流場清晰可見；圖7(b)為電池運行15m in時的情況，由圖7可見，在電池下部，實心聚碳酸酯端板內表面(與石墨鏤空板接觸的面)開始出現水霧；圖7(c)為運行30m in時的情況，在實心聚碳酸酯端板的整個內表面都形成了水霧。由于實心聚碳酸酯端板導熱性差，無法用加熱棒對其進行加熱，因此，外表面暴露于環境溫度(通常在30℃以下)的實心聚碳酸酯端板對于運行溫度為60℃以上的膜電極三和一組件和內部反應氣體而言是一冷源，陰極流場內部的水蒸汽由此被冷凝下來，從而在實心聚碳酸酯端板內表面發生霧化現象，這直接影響了可視化拍攝的效果。

4 聚碳酸酯端板的改進

綜上所述，為了避免霧化現象的發生，聚碳酸酯端板的溫度必須略高于或等于膜電極三合一組件的運行溫度，因此必須對端板進行加熱。然而，由于實心聚碳酸酯材料導熱性能十分差，通過在該材料厚度上加工加熱棒孔和熱電偶孔后我們發現即使熱電偶孔的位置距離加熱棒孔只有1mm，熱電偶的測量溫度也很難達到設定值，因此溫度控制器會始終對加熱棒輸出電功，加熱棒表面的溫度會遠高于100℃，不一會與加熱棒接觸的聚碳酸酯材料便開始變形、融化。由此可見，加熱棒無法對25mm厚的實心聚碳酸酯端板進行有效加熱和溫度控制，因此，無法將熱量傳遞到整個可視化窗口處。

為了對整個可視化窗口進行有效加熱，從而避免霧化現象的發生，本文設計了圖8所示的中空聚碳酸酯端板結構。由圖8可見，中空聚碳酸酯端板由中間的中空板和兩側的薄板組成。中空板采用厚度為25mm聚碳酸酯材料，中間開有與電池活性面積一樣大小的方孔，兩側薄板采用厚度為6mm的聚碳酸酯材料，由此形成了一個尺寸為50mm×50mm×25mm的中空溶液腔體。在25mm聚碳酸酯材料的厚度方向上分別開有空氣進口、空氣出口及溶液進口、溶液出口?？諝膺M口和空氣出口的結構與實心聚碳酸酯端板上的對應結構相同。溶液進口通過中空腔體與溶液出口相連。通過結構設計保證空氣進口、空氣出口與溶液進口、溶液出口和中空溶液腔體無關聯，即空氣與溶液不發生互竄。

圖8 中空聚碳酸酯端板

進一步，我們設計了圖9所示的溶液加熱系統。將裝有乙二醇水溶液的燒杯裝入恒溫水浴中，在蠕動泵的推動下，乙二醇水溶液進入中空聚碳酸酯端板的中空溶液腔，將溶液的熱量傳遞給可視化窗口處的6mm聚碳酸酯薄板，保證了聚碳酸酯薄板的溫度比相鄰的石墨鏤空板略高，從而避免了上述霧化現象的發生。

圖10是陰極側采用中空聚碳酸酯端板，內部通入乙二醇水溶液，燃料電池運行30min內的可視化視頻截圖。圖10(a)、圖10(b)和圖10(c)分別是起始時刻，電池運行15m in時，電池運行30m in時的電池陰極側狀態。由圖10可知，端板內表面的霧化現象完全消失。然而，在中空溶液腔內的乙二醇水溶液中形成氣泡，隨著時間的推移氣泡數量增加，這也影響了可視化效果。

圖9 溶液加熱系統

圖10 采用中空聚碳酸酯端板的PEMFC運行30 m in內的可視化拍攝圖

經過觀察，我們發現氣泡可能來源于乙二醇水溶液中溶解的空氣，當乙二醇水溶液被加熱后，溶液中的空氣逐漸被釋放出來，并聚集在中空溶液腔內。在此基礎上，我們通過增加乙二醇水溶液的中乙二醇的濃度，可以緩解氣泡的產生，采用純的乙二醇液體后，氣泡產生的數量最少。

5 循環液體及加熱系統的改進

綜上所述，即使采用純的乙二醇液體，也會溶解微量的空氣，但是其氣泡釋放量比乙二醇水溶液要少很多。由于純的乙二醇液體比乙二醇水溶液粘度大，因此我們嘗試采用粘度更大、沸點更高的純丙三醇液體作為循環液體。

此外，在上述實驗中發現，通過恒溫水浴對燒杯內的液體進行加熱的效果并不理想，由于燒杯的隔熱作用，為了保證中空溶液腔內溶液的溫度為80～85℃(此時膜電極三合一組件的溫度為80℃)，需要將恒溫水浴的設定溫度提高到接近沸點溫度。然而，如果將膜電極三合一組件的運行溫度進一步提高，由于恒溫水浴的設定溫度無法提高到沸點溫度以上，因此，中空溶液腔中的溶液溫度也無法相應提高，霧化現象仍然會出現。為此采用恒溫磁力攪拌器作為加熱裝置，對燒杯中的液體直接加熱，從而避免了上述問題的發生。

圖11是陰極側采用中空聚碳酸酯端板，內部通入純的丙三醇溶液，燃料電池運行30min內的可視化視頻截圖。圖11 (a)、圖11(b)和圖11(c)分別是起始時刻，電池運行15m in時，電池運行120min時的電池陰極側狀態。由圖11可見，經過上述改進后，不僅霧化現象完全消失，中空溶液腔內也無氣泡產生。

6 長期運行性能比較

圖12是以上三種情況下(即實心聚碳酸酯端板、中空聚碳酸酯端板和乙二醇水溶液、中空聚碳酸酯端板和純丙三醇液體)，當運行電流為2.5A時，PEMFC運行120min的電壓隨時間變化曲線。由圖12可見，在三種情況下，質子交換膜燃料電池長期運行的性能無明顯差異。

圖11 以純的丙三醇為循環溶液的PEMFC運行30m in內的可視化拍攝圖

圖12 三種情況下PEMFC運行120m in的V-t變化曲線

因此，采用中空聚碳酸酯端板和純丙三醇液體作為循環液體的設計滿足了PEMFC可視化研究的要求。

7 結論

本文基于常規PEMFC單電池的結構，采用實心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結構作為陰極的可視化流場，由于在可視化拍攝過程中實心聚碳酸酯端板內表面會發生霧化現象，影響可視化效果，為此，將實心聚碳酸酯端板設計為中空聚碳酸端板，通過在中空溶液腔內通入加熱的乙二醇水溶液可以消除霧化現象的產生，然而，由于乙二醇水溶液在長時間運行過程中會釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內，也影響了可視化的效果，因此，進一步采用純丙三醇液體作為循環液，在此基礎上可視化拍攝效果清晰，電池性能保持不變。

[1]衣寶廉.燃料電池——原理、技術、應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]馬海鵬.質子交換膜燃料電池陰極水分布及排水可視化研究[D].北京：中國科學院研究生院，2007.

[3]LEED，BAE J.Visualization of flooding in a single celland stacks by using a new ly-designed transparent PEMFC[J].International Journalof Hydrogen Energy，2012(37)：422-435.

[4]TUBER.K，POCZA.D，HEBLING.C.Visualization of water buildup in the cathode of a transparent PEM fuel cell[J].Journal of Power Sources，2003(124)：403-414.

[5]LOPEZ A M，BARRERAS F，LOZANO A，et al.Comparison of watermanagementbetween two bipolar plate flow-field geometries in proton exchange membrane fuel cells at low-density current range[J].Journalof Power Sources，2009(192)：94-99.

[6]ST-PIERRE J.PEMFC in situ liquid-water-contentmonitoring status[J].Journal of the Electrochemical Society，2007(154)：B724-B731.

Visualization design and optimization of transparentPEM fuelcell

RUAN Shen-rui，HU M ing-ruo*，OUYANG Nan，CAO Guang-yi
(Green Electrochemical System and Structure Lab，Institute ofFuelCell，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

Based on the structure of a conventional PEMFC single cell，a visualization cathode flow field combining a solid polycarbonate end plate and an engraved graphite plate was designed.It is found the fog is condensed on the inte rnal surface of the solid polycarbonate and im pacts the visualization.As a result，a hollow polycarbonate end plate was designed.By pum ping heated ethylene glycolsolution into the hollow polycarbonate end plate，fogging w as elim inated.How ever，it is found bubbles are re leased from the heated ethylene glyco l solution after some time and they gathere inside the ho llow polycarbonate end plate to impact the visualization.As a result，pure glycerin w as used as the circulating fluid.C lear visualiza tion is reached w hile the perform ance of the transparen t cell unchanges.

PEMFC;transparent cell;visualization struc ture design

TM 911

A

1002-087 X(2016)07-1372-03

2015-12-06

上海市自然科學基金(16ZR1417000)，國家自然科學基金(51006070)

阮慎銳(1988—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為PEMFC內部水管理。

胡鳴若，m ingruohu@sjtu.edu.cn