質(zhì)子交換膜燃料電池可視化設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

阮慎銳，胡鳴若，歐陽(yáng)楠，曹廣益

(上海交通大學(xué)燃料電池研究所綠色電化學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

質(zhì)子交換膜燃料電池可視化設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

阮慎銳，胡鳴若*，歐陽(yáng)楠，曹廣益

(上海交通大學(xué)燃料電池研究所綠色電化學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

基于常規(guī)PEMFC單電池的結(jié)構(gòu)，采用實(shí)心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結(jié)構(gòu)作為陰極的可視化流場(chǎng)，由于在可視化拍攝過(guò)程中實(shí)心聚碳酸酯端板內(nèi)表面會(huì)發(fā)生霧化現(xiàn)象，影響可視化效果，為此，將實(shí)心聚碳酸酯端板設(shè)計(jì)為中空聚碳酸端板，通過(guò)在中空溶液腔內(nèi)通入加熱的乙二醇水溶液可以消除霧化現(xiàn)象的產(chǎn)生。然而，由于乙二醇水溶液在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內(nèi)，這也影響了可視化的效果，因此，進(jìn)一步采用純丙三醇液體作為循環(huán)液，在此基礎(chǔ)上可視化拍攝效果清晰，電池性能保持不變。

質(zhì)子交換膜燃料電池；透明電池；可視化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行時(shí)的水管理對(duì)電池性能有著重要的影響。理解燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)內(nèi)部水傳遞的機(jī)理是提高電池運(yùn)行穩(wěn)定性、增加電池壽命的關(guān)鍵因素之一[1]。目前對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行時(shí)的水分布和排水過(guò)程的實(shí)驗(yàn)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(shù)等。可視化技術(shù)沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換過(guò)程，可在電池運(yùn)行過(guò)程中全程、在線、直接觀測(cè)液態(tài)水在擴(kuò)散層上的出現(xiàn)、長(zhǎng)大及在流道內(nèi)累積和排出，與其他技術(shù)手段相比，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，非常適用于研究流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水行為[2－6]。

本文首先在常規(guī)單電池的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結(jié)構(gòu)作為陰極流場(chǎng)，通過(guò)攝影系統(tǒng)拍攝陰極流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的狀態(tài)，由于在可視化過(guò)程中實(shí)心聚碳酸酯端板內(nèi)表面會(huì)發(fā)生霧化現(xiàn)象，影響可視化效果，為此，將實(shí)心聚碳酸酯端板設(shè)計(jì)為中空聚碳酸端板，通過(guò)在中空溶液腔內(nèi)通入加熱的乙二醇水溶液可消除霧化現(xiàn)象的產(chǎn)生。然而，由于乙二醇水溶液在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內(nèi)，這也影響了可視化的效果，因此，進(jìn)一步采用純丙三醇液體作為循環(huán)液，在此基礎(chǔ)上可視化拍攝效果清晰，電池性能保持不變。

1 PEMFC可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池可視化研究的目的是為了觀察電池內(nèi)部液態(tài)水的形成、聚集和排出的規(guī)律，因此其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括兩方面，即：測(cè)試系統(tǒng)和具有透明結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池。圖1為質(zhì)子交換膜燃料電池可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，在實(shí)驗(yàn)中采用FC5100測(cè)試臺(tái)為燃料電池供氣。采用電化學(xué)工作站作為燃料電池的電子負(fù)載，并可在需要時(shí)進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試。采用羅技C905高清攝像頭進(jìn)行流場(chǎng)拍攝，自動(dòng)對(duì)焦，實(shí)驗(yàn)中采用視頻錄制模式記錄視頻。

在上述測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有透明陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池。

2 常規(guī)單電池結(jié)構(gòu)

圖1 PEMFC可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 PEMFC單電池各部分組裝圖

如圖2所示，常規(guī)單電池的結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)分別是：兩片絕緣的環(huán)氧樹(shù)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(gè)螺栓預(yù)緊力的作用下，組成單個(gè)測(cè)試電池。其中，膜電極的活性面積為50mm×50mm，質(zhì)子交換膜采用杜邦公司生產(chǎn)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(duì)電池進(jìn)行加熱。

圖3 PEMFC單電池外形圖

3 陰極采用實(shí)心聚碳酸酯端板的單電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)陰極流場(chǎng)內(nèi)部液態(tài)水的發(fā)生、成長(zhǎng)、聚集等流動(dòng)的特性，我們?cè)谏鲜龀Ｒ?guī)單電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將陰極流場(chǎng)設(shè)計(jì)為透明結(jié)構(gòu)，即陰極側(cè)流場(chǎng)板是由實(shí)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(zhǎng)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(guī)單電池極板的材料相同。

圖4 實(shí)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(zhǎng)160mm，寬106mm，厚2mm。石墨鏤空板分為兩個(gè)區(qū)域，即，流場(chǎng)區(qū)和加熱集電區(qū)。流場(chǎng)區(qū)的兩側(cè)同樣排列著六個(gè)螺栓孔和兩個(gè)定位孔，這些孔的位置分別與實(shí)心聚碳酸酯端板上孔的位置一一對(duì)應(yīng)。流場(chǎng)區(qū)內(nèi)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(qū)位于流場(chǎng)區(qū)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(qū)。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(nèi)插入熱電偶。熱電偶通過(guò)和加熱膜片配合使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池陰極的加熱和溫度控制。加熱集電區(qū)的右上角開(kāi)有集電孔，通過(guò)螺絲將導(dǎo)線與石墨鏤空板相連，在電池運(yùn)行時(shí)可以將電流引出。

圖6 陰極側(cè)采用透明結(jié)構(gòu)的單電池

空氣在上述透明陰極流場(chǎng)中的流向如下：空氣先從空氣進(jìn)口流入實(shí)心聚碳酸酯端板，通過(guò)與空氣進(jìn)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(jìn)的同時(shí)擴(kuò)散進(jìn)入電池陰極并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)后的產(chǎn)物和剩余空氣經(jīng)由石墨鏤空板的尾端被匯集進(jìn)入實(shí)心聚碳酸酯端板的另一個(gè)凹陷，最后再經(jīng)由實(shí)心聚碳酸酯端板上的空氣出口排出。

陰極采用透明結(jié)構(gòu)的單電池如圖6所示。為了避免陰極單側(cè)加熱的不均勻性，在電池陽(yáng)極側(cè)的石墨單極板上開(kāi)有加熱棒孔和熱電偶孔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)同時(shí)進(jìn)行加熱和控制。

圖7 采用實(shí)心聚碳酸酯端板的PEMFC運(yùn)行30m in內(nèi)的可視化拍攝圖

圖7 是陰極側(cè)采用實(shí)心聚碳酸酯端板，燃料電池運(yùn)行30 m in內(nèi)的可視化視頻截圖。圖7(a)為起始時(shí)刻，此時(shí)陰極內(nèi)部流場(chǎng)清晰可見(jiàn)；圖7(b)為電池運(yùn)行15m in時(shí)的情況，由圖7可見(jiàn)，在電池下部，實(shí)心聚碳酸酯端板內(nèi)表面(與石墨鏤空板接觸的面)開(kāi)始出現(xiàn)水霧；圖7(c)為運(yùn)行30m in時(shí)的情況，在實(shí)心聚碳酸酯端板的整個(gè)內(nèi)表面都形成了水霧。由于實(shí)心聚碳酸酯端板導(dǎo)熱性差，無(wú)法用加熱棒對(duì)其進(jìn)行加熱，因此，外表面暴露于環(huán)境溫度(通常在30℃以下)的實(shí)心聚碳酸酯端板對(duì)于運(yùn)行溫度為60℃以上的膜電極三和一組件和內(nèi)部反應(yīng)氣體而言是一冷源，陰極流場(chǎng)內(nèi)部的水蒸汽由此被冷凝下來(lái)，從而在實(shí)心聚碳酸酯端板內(nèi)表面發(fā)生霧化現(xiàn)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(jìn)

綜上所述，為了避免霧化現(xiàn)象的發(fā)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(yùn)行溫度，因此必須對(duì)端板進(jìn)行加熱。然而，由于實(shí)心聚碳酸酯材料導(dǎo)熱性能十分差，通過(guò)在該材料厚度上加工加熱棒孔和熱電偶孔后我們發(fā)現(xiàn)即使熱電偶孔的位置距離加熱棒孔只有1mm，熱電偶的測(cè)量溫度也很難達(dá)到設(shè)定值，因此溫度控制器會(huì)始終對(duì)加熱棒輸出電功，加熱棒表面的溫度會(huì)遠(yuǎn)高于100℃，不一會(huì)與加熱棒接觸的聚碳酸酯材料便開(kāi)始變形、融化。由此可見(jiàn)，加熱棒無(wú)法對(duì)25mm厚的實(shí)心聚碳酸酯端板進(jìn)行有效加熱和溫度控制，因此，無(wú)法將熱量傳遞到整個(gè)可視化窗口處。

為了對(duì)整個(gè)可視化窗口進(jìn)行有效加熱，從而避免霧化現(xiàn)象的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了圖8所示的中空聚碳酸酯端板結(jié)構(gòu)。由圖8可見(jiàn)，中空聚碳酸酯端板由中間的中空板和兩側(cè)的薄板組成。中空板采用厚度為25mm聚碳酸酯材料，中間開(kāi)有與電池活性面積一樣大小的方孔，兩側(cè)薄板采用厚度為6mm的聚碳酸酯材料，由此形成了一個(gè)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(kāi)有空氣進(jìn)口、空氣出口及溶液進(jìn)口、溶液出口?？諝膺M(jìn)口和空氣出口的結(jié)構(gòu)與實(shí)心聚碳酸酯端板上的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)相同。溶液進(jìn)口通過(guò)中空腔體與溶液出口相連。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證空氣進(jìn)口、空氣出口與溶液進(jìn)口、溶液出口和中空溶液腔體無(wú)關(guān)聯(lián)，即空氣與溶液不發(fā)生互竄。

圖8 中空聚碳酸酯端板

進(jìn)一步，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖9所示的溶液加熱系統(tǒng)。將裝有乙二醇水溶液的燒杯裝入恒溫水浴中，在蠕動(dòng)泵的推動(dòng)下，乙二醇水溶液進(jìn)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(xiàn)象的發(fā)生。

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

圖9 溶液加熱系統(tǒng)

圖10 采用中空聚碳酸酯端板的PEMFC運(yùn)行30 m in內(nèi)的可視化拍攝圖

經(jīng)過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)氣泡可能來(lái)源于乙二醇水溶液中溶解的空氣，當(dāng)乙二醇水溶液被加熱后，溶液中的空氣逐漸被釋放出來(lái)，并聚集在中空溶液腔內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，我們通過(guò)增加乙二醇水溶液的中乙二醇的濃度，可以緩解氣泡的產(chǎn)生，采用純的乙二醇液體后，氣泡產(chǎn)生的數(shù)量最少。

5 循環(huán)液體及加熱系統(tǒng)的改進(jìn)

綜上所述，即使采用純的乙二醇液體，也會(huì)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(diǎn)更高的純丙三醇液體作為循環(huán)液體。

此外，在上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)恒溫水浴對(duì)燒杯內(nèi)的液體進(jìn)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(nèi)溶液的溫度為80～85℃(此時(shí)膜電極三合一組件的溫度為80℃)，需要將恒溫水浴的設(shè)定溫度提高到接近沸點(diǎn)溫度。然而，如果將膜電極三合一組件的運(yùn)行溫度進(jìn)一步提高，由于恒溫水浴的設(shè)定溫度無(wú)法提高到沸點(diǎn)溫度以上，因此，中空溶液腔中的溶液溫度也無(wú)法相應(yīng)提高，霧化現(xiàn)象仍然會(huì)出現(xiàn)。為此采用恒溫磁力攪拌器作為加熱裝置，對(duì)燒杯中的液體直接加熱，從而避免了上述問(wèn)題的發(fā)生。

圖11是陰極側(cè)采用中空聚碳酸酯端板，內(nèi)部通入純的丙三醇溶液，燃料電池運(yùn)行30min內(nèi)的可視化視頻截圖。圖11 (a)、圖11(b)和圖11(c)分別是起始時(shí)刻，電池運(yùn)行15m in時(shí)，電池運(yùn)行120min時(shí)的電池陰極側(cè)狀態(tài)。由圖11可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，不僅霧化現(xiàn)象完全消失，中空溶液腔內(nèi)也無(wú)氣泡產(chǎn)生。

6 長(zhǎng)期運(yùn)行性能比較

圖12是以上三種情況下(即實(shí)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(dāng)運(yùn)行電流為2.5A時(shí)，PEMFC運(yùn)行120min的電壓隨時(shí)間變化曲線。由圖12可見(jiàn)，在三種情況下，質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行的性能無(wú)明顯差異。

圖11 以純的丙三醇為循環(huán)溶液的PEMFC運(yùn)行30m in內(nèi)的可視化拍攝圖

圖12 三種情況下PEMFC運(yùn)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(huán)液體的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了PEMFC可視化研究的要求。

7 結(jié)論

本文基于常規(guī)PEMFC單電池的結(jié)構(gòu)，采用實(shí)心聚碳酸酯端板和石墨鏤空板的組合結(jié)構(gòu)作為陰極的可視化流場(chǎng)，由于在可視化拍攝過(guò)程中實(shí)心聚碳酸酯端板內(nèi)表面會(huì)發(fā)生霧化現(xiàn)象，影響可視化效果，為此，將實(shí)心聚碳酸酯端板設(shè)計(jì)為中空聚碳酸端板，通過(guò)在中空溶液腔內(nèi)通入加熱的乙二醇水溶液可以消除霧化現(xiàn)象的產(chǎn)生，然而，由于乙二醇水溶液在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)釋放出氣泡，氣泡聚集在中空溶液腔內(nèi)，也影響了可視化的效果，因此，進(jìn)一步采用純丙三醇液體作為循環(huán)液，在此基礎(chǔ)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(shù)、應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]馬海鵬.質(zhì)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(guó)科學(xué)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(xué)基金(16ZR1417000)，國(guó)家自然科學(xué)基金(51006070)

阮慎銳(1988—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向?yàn)镻EMFC內(nèi)部水管理。

胡鳴若，m ingruohu@sjtu.edu.cn