PEMFC可视化技术的研究现状与展望

王睿迪，赵 鑫，郝 冬

(1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的诞生为利用氢气转化能量提供了广阔前景，提高燃料电池耐久性、延长燃料电池使用寿命始终是学者们的研究重点。然而，不良的水管理、燃料和氧化剂的缺乏、电池组件的腐蚀以及可能存在的反应等问题都会在极大程度上影响燃料电池的寿命和性能。在实际运行过程中，水管理不当既可能导致燃料电池内部出现膜干，引起质子交换膜损坏；也可能发生水淹，导致电极、催化剂层、气体扩散介质和膜的腐蚀，这些都是电池性能显著下降的原因[1]。良好的水管理对于PEMFC 的高效、稳定和长期运行至关重要[2]。研究流场中水的分布和排水过程对于理解电池排水、改进流场以及优化电池操作模式具有指导意义，对PEMFC 技术的发展具有促进作用[3]。

本文介绍了发展燃料电池可视化技术的意义，概括了近年来燃料电池可视化方法的研究进展，对燃料电池可视化方法的优势和试验中遇到的挑战进行分析，为燃料电池可视化技术的深入研究提供参考意见。

1 研究意义

常规的单电池组成结构依次为绝缘环氧树脂端板-集电铜板(镀金)-厚石墨单极板(表面加工有蛇形流道)-聚四氟乙烯密封垫片-膜电极(MEA)-聚四氟乙烯密封垫片-厚石墨单极板(表面加工有蛇形流道)-集电铜板(镀金)-绝缘环氧树脂端板，由四角及边缘中心点上的8 枚螺丝固定，单电池两侧配备有阴阳极的进气和出气通道接口共4 个。MEA 的面积无固定值，常见的为1 cm×1 cm 或5 cm×5 cm 等。这种不透明的结构很难直接观察到燃料电池内部的传质现象，难以直观了解水的生成和走向，研究者报道过多种可观测单电池内部水的方法，基本可以分为五大类：中子成像技术、CT、核磁共振成像(MRI)、气相色谱(GC)和可视化单电池设计。

中子成像技术[4-6]需要将中子射线穿过检测样品与其原子核发生散射、核反应等相互作用，利用不同材料对中子束的不同衰减特性，通过特定影像技术将透射电子束中样品的内部结构(元素组成、密度、空穴等)信息显示出来，可用来提供电池内部水分分布信息。中子成像技术虽然可以保证试验电池器件的完整性，可以在实际运行过程中实时观测水的生成和流向，但是受金属端板对中子有一定的吸收限制影响，需要将金属端板替换为一些对中子吸收能力较小的材料[7]。此外，高通量的中子源也因其设备庞大且成本昂贵而限制了其广泛应用[8]。

CT 利用X 射线扫描物体进行射线成像，无损燃料电池内部的细节信息，可对燃料电池内部结构和变化进行三维可视化研究。目前已实现二维可视化、三维重建可视化技术算法优化以及基于四维可视化系统，但依旧存在三维成像颜色不够分明、提取的内部结构信息精度不够等问题[7]。

核磁共振成像技术通过向原子核发射射频磁场，观察原子核弛豫时发射的射电信号，利用计算机软件处理所得信号获取图像。核磁共振氢谱(1H NMR)方法对于获取PEMFC 催化层和质子交换膜内存在的水传递信息有极大优势，但对于容易水淹的扩散层和流道的在线观测很难实现[3]。另外，鉴于核磁共振方法涉及强磁性环境，要求构成燃料电池的组成结构中不能出现铁磁性元素，为了降低NMR 信号的噪音，也需要尽可能少使用导电性高的材料，燃料电池的整体结构通常面临较大的变动[9]。

气相色谱技术可以用来检测气体组分的变化，对整个PEMFC 系统内部流场不同位置的水分布信息都可达到实时监测，并且对系统内同时存在的H2、O2、N2等气体组分信息都可一次性获取，且设备相对中子成像技术、CT、核磁共振成像技术仪器更简单、造价较低，但无法通过该方法得到系统中液态水的出现和位置信息。

常见的可视化单电池组成结构由外向内为：透明端板(带硅橡胶密封圈)-石墨/金属镂空板-厚石墨单极板-聚四氟乙烯密封垫片-膜电极，受研究目标、材料影响并无定规，透明端板的材质、透明结构的组成部件等均可有不同设计。根据选择阴/阳极单侧可视化或阴阳极双侧可视化，将常规端板等用透明装置替换。相比于中子成像、CT、核磁共振这些间接观测方法，可视化单电池的设计则使得观测PEMFC 运行过程中水的生成和在流道中的流向变得更为直观，极大地降低了对大型测试仪器的需求和仪器运行导致的高昂成本，可视化单电池本身的价格并不高昂，兼顾了经济性和简便性。但是，可视化单电池系统中透明结构的引入通常伴随整个系统性能的大幅下降，因此对该系统的优化和进一步研究至关重要。

从目前的各类研究手段来看，没有任何一种方式能够兼顾燃料电池性能不变、实时观测、方法简单、容易观测、测试成本低廉等需求。上述五大类手段中除可视化单电池设计外，均涉及到其他辅助观测仪器的使用，并且相对复杂。以往受各种因素影响，少有研究者系统地研究如何设计可视化单电池、尽可能减少可视化结构对单电池性能降低的影响，使电池在较高性能下对水进行可视化观测。

2 研究现状

自2003 年研究人员首次运用可视化方法观测PEMFC 阴极侧流场内液态水的生成和流动[10]，观察到生成液滴直径的变化规律以来，研究者们针对不同试验需求设计出了各种材质的单电池，常见的流场板材质有不锈钢/白钢、石墨、铜/黄铜、钛、铝等。

2.1 不锈钢/白钢

2003 年，Tüber 等[11]为了明确区分电池性能的影响因素，使用不锈钢材质作为阳极板，有机玻璃作为可视窗，将不锈钢流场板固定在盖板插槽中，与铜线相连实现负载所需的电流流动，通过可视窗观察阴极流道中液态水的传输。极板采用双空气通道设计，流道宽1.5 mm，深1 mm，全长共50 mm，从左侧流向右侧。质子交换膜的有效面积为62 mm× 6.5 mm，固定螺丝共8 枚，使用1 N·m 的扭矩紧固，保证接触电阻一致，提高了试验的可重复性。试验发现，30 ℃下膜的水合效果更好，亲水性气体扩散层(GDL)对电流密度的提升有促进作用。由于不锈钢材质的导电性和导热性均较好，因此不锈钢镂空板可以同时充当流场板和集电板。

2004 年，Yang 等[12]将聚合物电解质燃料电池不锈钢板进行机械加工，得到1 mm 宽、100 mm 长、1 mm 厚、相隔1 mm 的7 条流道，然后对钢板进行镀金，将其设置为阴阳极的流场板。使用聚碳酸酯板作为可视化装置，最外侧用钢板固定。试验结果表明，该装置拥有良好的电化学性能，可以观察到液态水在GDL 表面的产生过程。

2007 年，Spernjak 等[13]使用加工有单蛇形流道的不锈钢板作为集电器，聚碳酸酯端板作为可视窗口，并在可视窗口下安装加热装置使其避免起雾，用以研究各种GDL 材料的两相流动力学。单电池可视化窗口的起雾现象对气液两相流的观察会带来不利影响，该设计可以避免起雾现象，极大地推动了单电池可视化技术的发展。

2006 年，马海鹏等[14]设计了大面积(有效反应面积120 cm2)阴极可视化单电池，在白钢板上利用线切割加工技术得到直条流道，在阳极水腔通入循环水进行控温，对阴极流场内液态水的生成和传递进行研究，获取了流道内的实际水分布，为流场的改进和电池性能的提升提供了试验依据。白钢的工艺性能良好，可以用来制作薄刃等耐冲击力的金属切削工具，和不锈钢相比，耐腐蚀性较差，因此在相关领域研究中并不多见。

2017 年，黄浩晖等[15]设计了一种使用不锈钢金属板作为电池极板的可视化燃料电池，使用透明亚克力有机玻璃作为燃料电池可视窗。不锈钢金属板易加工且导电性能良好，使用线切割技术获得平行流场，将其固定在透明亚克力板和MEA 之间。通过试验获得了60 ℃工况下电池的排水性能。

在燃料电池可视化设计过程中，镂空流场板材质的选择多以石墨和不锈钢材质为主，相对于石墨流场板，使用不锈钢作为流场板具有更好的热传导，整体极板温度较均匀，对控温位置的要求更低，同时，作为集流板，电子传导效率更高。然而，不锈钢材质对加工工艺的要求也更高，可能会出现流道加工实现困难或流道宽度均匀性较差的现象，耐久性略差，长时间浸泡在水蒸气/水环境中，也易生锈，为提高不锈钢镂空板的耐腐蚀性，可为流场板镀金。

2.2 石墨

聚合物电解质燃料电池研究中很早便出现了石墨材质流场板的应用。2004 年，Hakenjos 等[16]对聚合物电解质燃料电池的阴极进行可视化设计，采用石墨板作为阴极流场板，对其加工宽1 mm 的蛇形单流道，流道两侧有1 mm 宽的肋，使用塑料材质作为端板。试验发现有效区域上的夹紧压力对电池的接触电阻有较大影响，而电池接触电阻的大小则对电池的性能有较明显影响。早期试验中，研究者对可视化单电池接触电阻的控制主要集中于保证紧固扭矩不变，未对影响接触电阻大小的其他因素进行研究。对于不同材质组成的单电池，紧固螺丝的扭矩设置往往有经验数值。

2005 年，Sugiura 等[17]使用碳作为阳极隔板，聚碳酸酯作为阴极隔板，将能导电的集流板加工出直流型/蛇形气体通道覆盖在聚碳酸酯板下，将留有观察窗的加热片加装在阴极隔板外。通过大量试验证明了引入吸水层对缓解水淹现象有促进作用。

2006 年，马海鹏等[18]采用石墨板作为阴阳极流场板(同时作为集流板)，加装可视化窗口对直条单流道质子交换膜燃料电池阴极的排水过程进行了研究。同年，马海鹏等[19]使用石墨作为流场板，进一步设计了直条单流道带可视化观察窗口的单电池，得到增湿温度与气体流速对电池阴极流道液态水分布和排水过程的影响。

2009 年，郭航等[20]分别设计了蛇形流道的阴阳极石墨流场板，阴阳极的进气和出气口均设计为上进下出。通过对常重力和微重力条件下PEMFC 阴极流场内气液两相流动过程进行可视化观测，发现微重力条件下流道底部积存的液态水更易排出，对减小气体传质阻力、提升大电流条件下燃料电池的性能更有利。

2015 年，王晨等[21]分别对可视化单电池的阳极、阴极、阴阳两极进行了可视化设计。通过与常规单电池进行比较，发现使用石墨镂空板和聚碳酸酯端板设计透明电池时，可视化单电池性能下降。导致该现象的原因可能来自于石墨镂空板装配时发生形变引发的气体扩散层和石墨镂空板的接触电阻增加。

2016 年，阮慎锐等[22]使用石墨作为流场板和集流板，针对使用实心聚碳酸酯端板作为透明端板时，聚碳酸酯材料导热性能不佳造成燃料电池内部产生的水雾在端板上聚集的现象，开发了使用中空聚碳酸酯端板替代实心聚碳酸酯端板，并在溶液腔内通入加热的丙三醇溶液外加热循环通入溶液腔内的方法，可避免可视化结构起雾造成的观测困难。这种方法进一步降低了可视化窗口起雾对气液两相流观察的影响，但操作过程较为复杂，在系统设计上尚有优化空间。

不锈钢和石墨材质流场板在可视化PEMFC 的设计中是最常见的两类材料。一些研究者倾向于选择石墨镂空板作为流场板和集流板，石墨材质可导电且容易加工，造价相对较低，耐腐蚀性好，不生锈，拥有良好的耐久性。但同时，石墨质地较脆，在紧固螺栓时扭矩过大或受力不均时可能会出现裂纹或损坏，受石墨强度所限，也不能用来设计深度较小的流道。另一方面，石墨的导热性能略差，使用石墨板作为阴极流场板时，黏贴加热片进行加热效率很低，且整片石墨板受热不均，对控温造成困难。

2.3 铜/黄铜

2006 年，Weng 等[23]使用黄铜作为极板，通过在延伸的黄铜板上加装加热器或空气散热完成对电池的温度控制，使用丙烯酸材质作为透明端板，设计了双极板有效面积为100 mm×100 mm 的可视化单电池。利用该装置观察了不同工况下阴极流道内气液两相流的流动情况，揭示了不同化学计量比时的气体流速和加湿情况对PEMFC 性能的影响。

2011 年，Zhan 等[24]使用铜制镂空板作为可视化单电池的流场板和集电板，塑料材质作为可视化端板。通过试验研究了不同工况下流道内水的传输现象，对电池内部气体通道转弯处的液态水流动状态进行了观察，测量了不同工况下燃料电池的性能和内阻。

铜的导电性能好，但耐腐蚀性能较差，不适合长期置于潮湿水蒸气中，可能生锈。

2.4 铝

铝材质作为可视化PEMFC 流场板的应用较为少见。2011 年，王世学等[25]设计了采用石墨板作为阳极流道板、表面镀金的镂空铝板和有机玻璃板构成阴极流道板的可视化直流道单电池，两侧极板与端板之间设有冷却水通道。在不同试验工况下对阴极流道和GDL 的凝结水生成过程进行观测，对严重影响单电池内阴极流场中液体水的影响因素进行研究，发现水淹现象不仅仅与气体湿度相关，还与电极距离和气体入口位置有关。

2.5 钛

2018 年，Rao 等[26]将MEA 夹持在两片高导电性、高化学稳定性的钛制极板间，并充当集流板，板上刻蚀有宽2 mm 深1 mm、间距2 mm 的流道。在流场板的延伸区域，加装加热线圈对单电池阴阳极进行加热，当达到加热温度上限值时，通过空气自由或强制对流降温，在延伸区域固定铜块，达到燃料电池控温的目的。MEA 两侧分别垫有0.3 mm 厚的硅胶橡板，用于防止气体泄漏并提供正确的压缩力、保证电绝缘。可视化窗口使用5 mm 厚的透明丙烯酸板，用开有观测窗口的厚不锈钢端板覆盖，避免对钛制极板产生弯曲作用，最后用四个螺纹接头固定拧紧，利用该装置研究施加在螺栓上的扭矩对单电池性能的影响。

目前钛制流场板在可视化PEMFC 中应用较少，钛材质强度大、密度小、硬度大，抗腐蚀性能良好，高纯度时具有良好的可塑性，在满足单电池试验的基础上还可以进一步减轻质量，加工难易程度与不锈钢类似，应用场景较为广阔。

综上所述，研究者们为达到不同的试验目的对可视化端板的材料、流道设计、可视化单电池活性面积、可视化窗口面积、单侧/双侧可视化、可视化单电池外观、控温方式等进行了设计、研究和优化。在早期研究中，可视化单电池开发的目的是为了更直观地为燃料电池水管理技术研究提供试验依据，因此研究者们更关心燃料电池运行过程下，改变工况时液态水的产生和流道中液态水流动等问题，并未集中关注可视化单电池引入可视化透明结构后运行状态中出现的性能下降问题。针对这一现象，前期研究者主要采用固定扭矩限制螺栓拧紧程度来实现接触电阻一致，维持电池性能稳定性和试验可重复性；后期研究者则对性能下降的可能因素进行了系统分析。尽管多样化的设计方法提供了更多的设计思路，但是研究者们设计的可视化电池外观往往差异较大，使得后续研究很难通过对比前人试验结果得到单电池设计的最优方法。

3 优缺点分析

可视化单电池透明结构的引入为直观即时了解燃料电池内部液态水的出现过程提供了便利，研究者可以在设计不同流道、更换不同GDL 材料、调整进出气管道位置等方面对不同工况下单电池运行过程中水的产生位置和水流的流动现象进行观察，为进一步优化燃料电池水管理策略提供思路。在合理设计中，可视化单电池透明端板可以实现无雾气凝聚，结合高分辨率照相/摄像技术，测试过程简单快捷。研究者的重点回归到可视化单电池的设计本身，避免了不熟悉大型仪器操作、数据处理困难带来的不便，降低了试验成本。

然而，在可视化单电池的设计和实际试验过程中，也面临着一些问题。首先，作为流场，石墨板加工工艺简单，但是质地较脆，单电池紧固螺栓时需要更加小心，损坏风险较高，且导热性能略差，当采用加长石墨板粘附加热片进行加温时，可能存在一定的温差影响试验结果，同时，与金属镂空板相比，石墨镂空板的导电性能较差，与普通单电池相比性能有所下降；其次，虽然使用金属板作为流场板和集电板时导电性能更好，也可耐腐蚀，能够满足较高温度和湿度下的测试需求，但耐久性相对略差，对加工水平要求更高；最后，引入透明结构后，可视化单电池与普通单电池性能相比有所下降，影响其性能的因素可能为使用石墨镂空板和透明端板进行固定时发生的形变。

此外，绝大多数文献并未对单电池控温位置进行说明，在实际应用中，普通单电池材质更均匀、导热性能更好，控温位置相对一致。可视化PEMFC 透明结构的导热性能相对较差，并不都适合在结构内预留热电偶插孔，也可能存在受热不均的情况影响热电偶的测试，有待进一步优化。在替换为透明结构之后，加热装置的位置也可能会因为材质的改变需要进行变动，单独使用加热片的加热速率要远低于使用加热棒或同时使用加热片和加热棒，而且可能存在受热不均现象，这也需要更长的时间才能满足电池设置的工作温度，降低了试验效率。

在可视化单电池的优化设计领域，研究主要集中于透明结构的清晰度上。可视化电池技术出现以来，始终缺乏对可视化技术实现方法的整理；也没有研究者对不同结构、材料的可视化电池在同一工况下进行性能对比和分析；可视化电池的有效活性面积大小不一，导致研究者很难通过横向对比了解可视化电池本身是否达到良好性能。而引入透明结构的情况下使PEMFC 尽可能维持更高性能是十分必要的。为了更好地为燃料电池水管理提供试验依据，对可视化单电池的研究还应在电池结构优化、构成电池的材料筛选、加热方式、集电板和设计流道的方式等方面多做关注。

4 结论与展望

本文对PEMFC 可视化方法的研究现状及优缺点进行了分析与总结，提出了实际操作过程中研究者通常会面临的问题。总体而言，设计可视化单电池的初衷是为了更好地观察实际工况下流场内的水管理情况，目前可视化PEMFC 的透明结构多样，普遍面临性能降低的困难。在未来研究中，对可视化单电池的优化可在流场板(集电板)材质、透明端板与其他结构紧固方式、加热位置等方面做进一步优化和设计。