PEMFC可視化技術的研究現狀與展望

王睿迪，趙 鑫，郝 冬

(1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)的誕生為利用氫氣轉化能量提供了廣闊前景，提高燃料電池耐久性、延長燃料電池使用壽命始終是學者們的研究重點。然而，不良的水管理、燃料和氧化劑的缺乏、電池組件的腐蝕以及可能存在的反應等問題都會在極大程度上影響燃料電池的壽命和性能。在實際運行過程中，水管理不當既可能導致燃料電池內部出現膜干，引起質子交換膜損壞；也可能發生水淹，導致電極、催化劑層、氣體擴散介質和膜的腐蝕，這些都是電池性能顯著下降的原因[1]。良好的水管理對于PEMFC 的高效、穩定和長期運行至關重要[2]。研究流場中水的分布和排水過程對于理解電池排水、改進流場以及優化電池操作模式具有指導意義，對PEMFC 技術的發展具有促進作用[3]。

本文介紹了發展燃料電池可視化技術的意義，概括了近年來燃料電池可視化方法的研究進展，對燃料電池可視化方法的優勢和試驗中遇到的挑戰進行分析，為燃料電池可視化技術的深入研究提供參考意見。

1 研究意義

常規的單電池組成結構依次為絕緣環氧樹脂端板-集電銅板(鍍金)-厚石墨單極板(表面加工有蛇形流道)-聚四氟乙烯密封墊片-膜電極(MEA)-聚四氟乙烯密封墊片-厚石墨單極板(表面加工有蛇形流道)-集電銅板(鍍金)-絕緣環氧樹脂端板，由四角及邊緣中心點上的8 枚螺絲固定，單電池兩側配備有陰陽極的進氣和出氣通道接口共4 個。MEA 的面積無固定值，常見的為1 cm×1 cm 或5 cm×5 cm 等。這種不透明的結構很難直接觀察到燃料電池內部的傳質現象，難以直觀了解水的生成和走向，研究者報道過多種可觀測單電池內部水的方法，基本可以分為五大類：中子成像技術、CT、核磁共振成像(MRI)、氣相色譜(GC)和可視化單電池設計。

中子成像技術[4-6]需要將中子射線穿過檢測樣品與其原子核發生散射、核反應等相互作用，利用不同材料對中子束的不同衰減特性，通過特定影像技術將透射電子束中樣品的內部結構(元素組成、密度、空穴等)信息顯示出來，可用來提供電池內部水分分布信息。中子成像技術雖然可以保證試驗電池器件的完整性，可以在實際運行過程中實時觀測水的生成和流向，但是受金屬端板對中子有一定的吸收限制影響，需要將金屬端板替換為一些對中子吸收能力較小的材料[7]。此外，高通量的中子源也因其設備龐大且成本昂貴而限制了其廣泛應用[8]。

CT 利用X 射線掃描物體進行射線成像，無損燃料電池內部的細節信息，可對燃料電池內部結構和變化進行三維可視化研究。目前已實現二維可視化、三維重建可視化技術算法優化以及基于四維可視化系統，但依舊存在三維成像顏色不夠分明、提取的內部結構信息精度不夠等問題[7]。

核磁共振成像技術通過向原子核發射射頻磁場，觀察原子核弛豫時發射的射電信號，利用計算機軟件處理所得信號獲取圖像。核磁共振氫譜(1H NMR)方法對于獲取PEMFC 催化層和質子交換膜內存在的水傳遞信息有極大優勢，但對于容易水淹的擴散層和流道的在線觀測很難實現[3]。另外，鑒于核磁共振方法涉及強磁性環境，要求構成燃料電池的組成結構中不能出現鐵磁性元素，為了降低NMR 信號的噪音，也需要盡可能少使用導電性高的材料，燃料電池的整體結構通常面臨較大的變動[9]。

氣相色譜技術可以用來檢測氣體組分的變化，對整個PEMFC 系統內部流場不同位置的水分布信息都可達到實時監測，并且對系統內同時存在的H2、O2、N2等氣體組分信息都可一次性獲取，且設備相對中子成像技術、CT、核磁共振成像技術儀器更簡單、造價較低，但無法通過該方法得到系統中液態水的出現和位置信息。

常見的可視化單電池組成結構由外向內為：透明端板(帶硅橡膠密封圈)-石墨/金屬鏤空板-厚石墨單極板-聚四氟乙烯密封墊片-膜電極，受研究目標、材料影響并無定規，透明端板的材質、透明結構的組成部件等均可有不同設計。根據選擇陰/陽極單側可視化或陰陽極雙側可視化，將常規端板等用透明裝置替換。相比于中子成像、CT、核磁共振這些間接觀測方法，可視化單電池的設計則使得觀測PEMFC 運行過程中水的生成和在流道中的流向變得更為直觀，極大地降低了對大型測試儀器的需求和儀器運行導致的高昂成本，可視化單電池本身的價格并不高昂，兼顧了經濟性和簡便性。但是，可視化單電池系統中透明結構的引入通常伴隨整個系統性能的大幅下降，因此對該系統的優化和進一步研究至關重要。

從目前的各類研究手段來看，沒有任何一種方式能夠兼顧燃料電池性能不變、實時觀測、方法簡單、容易觀測、測試成本低廉等需求。上述五大類手段中除可視化單電池設計外，均涉及到其他輔助觀測儀器的使用，并且相對復雜。以往受各種因素影響，少有研究者系統地研究如何設計可視化單電池、盡可能減少可視化結構對單電池性能降低的影響，使電池在較高性能下對水進行可視化觀測。

2 研究現狀

自2003 年研究人員首次運用可視化方法觀測PEMFC 陰極側流場內液態水的生成和流動[10]，觀察到生成液滴直徑的變化規律以來，研究者們針對不同試驗需求設計出了各種材質的單電池，常見的流場板材質有不銹鋼/白鋼、石墨、銅/黃銅、鈦、鋁等。

2.1 不銹鋼/白鋼

2003 年，Tüber 等[11]為了明確區分電池性能的影響因素，使用不銹鋼材質作為陽極板，有機玻璃作為可視窗，將不銹鋼流場板固定在蓋板插槽中，與銅線相連實現負載所需的電流流動，通過可視窗觀察陰極流道中液態水的傳輸。極板采用雙空氣通道設計，流道寬1.5 mm，深1 mm，全長共50 mm，從左側流向右側。質子交換膜的有效面積為62 mm× 6.5 mm，固定螺絲共8 枚，使用1 N·m 的扭矩緊固，保證接觸電阻一致，提高了試驗的可重復性。試驗發現，30 ℃下膜的水合效果更好，親水性氣體擴散層(GDL)對電流密度的提升有促進作用。由于不銹鋼材質的導電性和導熱性均較好，因此不銹鋼鏤空板可以同時充當流場板和集電板。

2004 年，Yang 等[12]將聚合物電解質燃料電池不銹鋼板進行機械加工，得到1 mm 寬、100 mm 長、1 mm 厚、相隔1 mm 的7 條流道，然后對鋼板進行鍍金，將其設置為陰陽極的流場板。使用聚碳酸酯板作為可視化裝置，最外側用鋼板固定。試驗結果表明，該裝置擁有良好的電化學性能，可以觀察到液態水在GDL 表面的產生過程。

2007 年，Spernjak 等[13]使用加工有單蛇形流道的不銹鋼板作為集電器，聚碳酸酯端板作為可視窗口，并在可視窗口下安裝加熱裝置使其避免起霧，用以研究各種GDL 材料的兩相流動力學。單電池可視化窗口的起霧現象對氣液兩相流的觀察會帶來不利影響，該設計可以避免起霧現象，極大地推動了單電池可視化技術的發展。

2006 年，馬海鵬等[14]設計了大面積(有效反應面積120 cm2)陰極可視化單電池，在白鋼板上利用線切割加工技術得到直條流道，在陽極水腔通入循環水進行控溫，對陰極流場內液態水的生成和傳遞進行研究，獲取了流道內的實際水分布，為流場的改進和電池性能的提升提供了試驗依據。白鋼的工藝性能良好，可以用來制作薄刃等耐沖擊力的金屬切削工具，和不銹鋼相比，耐腐蝕性較差，因此在相關領域研究中并不多見。

2017 年，黃浩暉等[15]設計了一種使用不銹鋼金屬板作為電池極板的可視化燃料電池，使用透明亞克力有機玻璃作為燃料電池可視窗。不銹鋼金屬板易加工且導電性能良好，使用線切割技術獲得平行流場，將其固定在透明亞克力板和MEA 之間。通過試驗獲得了60 ℃工況下電池的排水性能。

在燃料電池可視化設計過程中，鏤空流場板材質的選擇多以石墨和不銹鋼材質為主，相對于石墨流場板，使用不銹鋼作為流場板具有更好的熱傳導，整體極板溫度較均勻，對控溫位置的要求更低，同時，作為集流板，電子傳導效率更高。然而，不銹鋼材質對加工工藝的要求也更高，可能會出現流道加工實現困難或流道寬度均勻性較差的現象，耐久性略差，長時間浸泡在水蒸氣/水環境中，也易生銹，為提高不銹鋼鏤空板的耐腐蝕性，可為流場板鍍金。

2.2 石墨

聚合物電解質燃料電池研究中很早便出現了石墨材質流場板的應用。2004 年，Hakenjos 等[16]對聚合物電解質燃料電池的陰極進行可視化設計，采用石墨板作為陰極流場板，對其加工寬1 mm 的蛇形單流道，流道兩側有1 mm 寬的肋，使用塑料材質作為端板。試驗發現有效區域上的夾緊壓力對電池的接觸電阻有較大影響，而電池接觸電阻的大小則對電池的性能有較明顯影響。早期試驗中，研究者對可視化單電池接觸電阻的控制主要集中于保證緊固扭矩不變，未對影響接觸電阻大小的其他因素進行研究。對于不同材質組成的單電池，緊固螺絲的扭矩設置往往有經驗數值。

2005 年，Sugiura 等[17]使用碳作為陽極隔板，聚碳酸酯作為陰極隔板，將能導電的集流板加工出直流型/蛇形氣體通道覆蓋在聚碳酸酯板下，將留有觀察窗的加熱片加裝在陰極隔板外。通過大量試驗證明了引入吸水層對緩解水淹現象有促進作用。

2006 年，馬海鵬等[18]采用石墨板作為陰陽極流場板(同時作為集流板)，加裝可視化窗口對直條單流道質子交換膜燃料電池陰極的排水過程進行了研究。同年，馬海鵬等[19]使用石墨作為流場板，進一步設計了直條單流道帶可視化觀察窗口的單電池，得到增濕溫度與氣體流速對電池陰極流道液態水分布和排水過程的影響。

2009 年，郭航等[20]分別設計了蛇形流道的陰陽極石墨流場板，陰陽極的進氣和出氣口均設計為上進下出。通過對常重力和微重力條件下PEMFC 陰極流場內氣液兩相流動過程進行可視化觀測，發現微重力條件下流道底部積存的液態水更易排出，對減小氣體傳質阻力、提升大電流條件下燃料電池的性能更有利。

2015 年，王晨等[21]分別對可視化單電池的陽極、陰極、陰陽兩極進行了可視化設計。通過與常規單電池進行比較，發現使用石墨鏤空板和聚碳酸酯端板設計透明電池時，可視化單電池性能下降。導致該現象的原因可能來自于石墨鏤空板裝配時發生形變引發的氣體擴散層和石墨鏤空板的接觸電阻增加。

2016 年，阮慎銳等[22]使用石墨作為流場板和集流板，針對使用實心聚碳酸酯端板作為透明端板時，聚碳酸酯材料導熱性能不佳造成燃料電池內部產生的水霧在端板上聚集的現象，開發了使用中空聚碳酸酯端板替代實心聚碳酸酯端板，并在溶液腔內通入加熱的丙三醇溶液外加熱循環通入溶液腔內的方法，可避免可視化結構起霧造成的觀測困難。這種方法進一步降低了可視化窗口起霧對氣液兩相流觀察的影響，但操作過程較為復雜，在系統設計上尚有優化空間。

不銹鋼和石墨材質流場板在可視化PEMFC 的設計中是最常見的兩類材料。一些研究者傾向于選擇石墨鏤空板作為流場板和集流板，石墨材質可導電且容易加工，造價相對較低，耐腐蝕性好，不生銹，擁有良好的耐久性。但同時，石墨質地較脆，在緊固螺栓時扭矩過大或受力不均時可能會出現裂紋或損壞，受石墨強度所限，也不能用來設計深度較小的流道。另一方面，石墨的導熱性能略差，使用石墨板作為陰極流場板時，黏貼加熱片進行加熱效率很低，且整片石墨板受熱不均，對控溫造成困難。

2.3 銅/黃銅

2006 年，Weng 等[23]使用黃銅作為極板，通過在延伸的黃銅板上加裝加熱器或空氣散熱完成對電池的溫度控制，使用丙烯酸材質作為透明端板，設計了雙極板有效面積為100 mm×100 mm 的可視化單電池。利用該裝置觀察了不同工況下陰極流道內氣液兩相流的流動情況，揭示了不同化學計量比時的氣體流速和加濕情況對PEMFC 性能的影響。

2011 年，Zhan 等[24]使用銅制鏤空板作為可視化單電池的流場板和集電板，塑料材質作為可視化端板。通過試驗研究了不同工況下流道內水的傳輸現象，對電池內部氣體通道轉彎處的液態水流動狀態進行了觀察，測量了不同工況下燃料電池的性能和內阻。

銅的導電性能好，但耐腐蝕性能較差，不適合長期置于潮濕水蒸氣中，可能生銹。

2.4 鋁

鋁材質作為可視化PEMFC 流場板的應用較為少見。2011 年，王世學等[25]設計了采用石墨板作為陽極流道板、表面鍍金的鏤空鋁板和有機玻璃板構成陰極流道板的可視化直流道單電池，兩側極板與端板之間設有冷卻水通道。在不同試驗工況下對陰極流道和GDL 的凝結水生成過程進行觀測，對嚴重影響單電池內陰極流場中液體水的影響因素進行研究，發現水淹現象不僅僅與氣體濕度相關，還與電極距離和氣體入口位置有關。

2.5 鈦

2018 年，Rao 等[26]將MEA 夾持在兩片高導電性、高化學穩定性的鈦制極板間，并充當集流板，板上刻蝕有寬2 mm 深1 mm、間距2 mm 的流道。在流場板的延伸區域，加裝加熱線圈對單電池陰陽極進行加熱，當達到加熱溫度上限值時，通過空氣自由或強制對流降溫，在延伸區域固定銅塊，達到燃料電池控溫的目的。MEA 兩側分別墊有0.3 mm 厚的硅膠橡板，用于防止氣體泄漏并提供正確的壓縮力、保證電絕緣。可視化窗口使用5 mm 厚的透明丙烯酸板，用開有觀測窗口的厚不銹鋼端板覆蓋，避免對鈦制極板產生彎曲作用，最后用四個螺紋接頭固定擰緊，利用該裝置研究施加在螺栓上的扭矩對單電池性能的影響。

目前鈦制流場板在可視化PEMFC 中應用較少，鈦材質強度大、密度小、硬度大，抗腐蝕性能良好，高純度時具有良好的可塑性，在滿足單電池試驗的基礎上還可以進一步減輕質量，加工難易程度與不銹鋼類似，應用場景較為廣闊。

綜上所述，研究者們為達到不同的試驗目的對可視化端板的材料、流道設計、可視化單電池活性面積、可視化窗口面積、單側/雙側可視化、可視化單電池外觀、控溫方式等進行了設計、研究和優化。在早期研究中，可視化單電池開發的目的是為了更直觀地為燃料電池水管理技術研究提供試驗依據，因此研究者們更關心燃料電池運行過程下，改變工況時液態水的產生和流道中液態水流動等問題，并未集中關注可視化單電池引入可視化透明結構后運行狀態中出現的性能下降問題。針對這一現象，前期研究者主要采用固定扭矩限制螺栓擰緊程度來實現接觸電阻一致，維持電池性能穩定性和試驗可重復性；后期研究者則對性能下降的可能因素進行了系統分析。盡管多樣化的設計方法提供了更多的設計思路，但是研究者們設計的可視化電池外觀往往差異較大，使得后續研究很難通過對比前人試驗結果得到單電池設計的最優方法。

3 優缺點分析

可視化單電池透明結構的引入為直觀即時了解燃料電池內部液態水的出現過程提供了便利，研究者可以在設計不同流道、更換不同GDL 材料、調整進出氣管道位置等方面對不同工況下單電池運行過程中水的產生位置和水流的流動現象進行觀察，為進一步優化燃料電池水管理策略提供思路。在合理設計中，可視化單電池透明端板可以實現無霧氣凝聚，結合高分辨率照相/攝像技術，測試過程簡單快捷。研究者的重點回歸到可視化單電池的設計本身，避免了不熟悉大型儀器操作、數據處理困難帶來的不便，降低了試驗成本。

然而，在可視化單電池的設計和實際試驗過程中，也面臨著一些問題。首先，作為流場，石墨板加工工藝簡單，但是質地較脆，單電池緊固螺栓時需要更加小心，損壞風險較高，且導熱性能略差，當采用加長石墨板粘附加熱片進行加溫時，可能存在一定的溫差影響試驗結果，同時，與金屬鏤空板相比，石墨鏤空板的導電性能較差，與普通單電池相比性能有所下降；其次，雖然使用金屬板作為流場板和集電板時導電性能更好，也可耐腐蝕，能夠滿足較高溫度和濕度下的測試需求，但耐久性相對略差，對加工水平要求更高；最后，引入透明結構后，可視化單電池與普通單電池性能相比有所下降，影響其性能的因素可能為使用石墨鏤空板和透明端板進行固定時發生的形變。

此外，絕大多數文獻并未對單電池控溫位置進行說明，在實際應用中，普通單電池材質更均勻、導熱性能更好，控溫位置相對一致。可視化PEMFC 透明結構的導熱性能相對較差，并不都適合在結構內預留熱電偶插孔，也可能存在受熱不均的情況影響熱電偶的測試，有待進一步優化。在替換為透明結構之后，加熱裝置的位置也可能會因為材質的改變需要進行變動，單獨使用加熱片的加熱速率要遠低于使用加熱棒或同時使用加熱片和加熱棒，而且可能存在受熱不均現象，這也需要更長的時間才能滿足電池設置的工作溫度，降低了試驗效率。

在可視化單電池的優化設計領域，研究主要集中于透明結構的清晰度上。可視化電池技術出現以來，始終缺乏對可視化技術實現方法的整理；也沒有研究者對不同結構、材料的可視化電池在同一工況下進行性能對比和分析；可視化電池的有效活性面積大小不一，導致研究者很難通過橫向對比了解可視化電池本身是否達到良好性能。而引入透明結構的情況下使PEMFC 盡可能維持更高性能是十分必要的。為了更好地為燃料電池水管理提供試驗依據，對可視化單電池的研究還應在電池結構優化、構成電池的材料篩選、加熱方式、集電板和設計流道的方式等方面多做關注。

4 結論與展望

本文對PEMFC 可視化方法的研究現狀及優缺點進行了分析與總結，提出了實際操作過程中研究者通常會面臨的問題。總體而言，設計可視化單電池的初衷是為了更好地觀察實際工況下流場內的水管理情況，目前可視化PEMFC 的透明結構多樣，普遍面臨性能降低的困難。在未來研究中，對可視化單電池的優化可在流場板(集電板)材質、透明端板與其他結構緊固方式、加熱位置等方面做進一步優化和設計。