PEMFC可視化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

王睿迪，趙 鑫，郝 冬

(1.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的誕生為利用氫氣轉(zhuǎn)化能量提供了廣闊前景，提高燃料電池耐久性、延長(zhǎng)燃料電池使用壽命始終是學(xué)者們的研究重點(diǎn)。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(yīng)等問(wèn)題都會(huì)在極大程度上影響燃料電池的壽命和性能。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，水管理不當(dāng)既可能導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部出現(xiàn)膜干，引起質(zhì)子交換膜損壞；也可能發(fā)生水淹，導(dǎo)致電極、催化劑層、氣體擴(kuò)散介質(zhì)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(duì)于PEMFC 的高效、穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要[2]。研究流場(chǎng)中水的分布和排水過(guò)程對(duì)于理解電池排水、改進(jìn)流場(chǎng)以及優(yōu)化電池操作模式具有指導(dǎo)意義，對(duì)PEMFC 技術(shù)的發(fā)展具有促進(jìn)作用[3]。

本文介紹了發(fā)展燃料電池可視化技術(shù)的意義，概括了近年來(lái)燃料電池可視化方法的研究進(jìn)展，對(duì)燃料電池可視化方法的優(yōu)勢(shì)和試驗(yàn)中遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，為燃料電池可視化技術(shù)的深入研究提供參考意見(jiàn)。

1 研究意義

常規(guī)的單電池組成結(jié)構(gòu)依次為絕緣環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂端板，由四角及邊緣中心點(diǎn)上的8 枚螺絲固定，單電池兩側(cè)配備有陰陽(yáng)極的進(jìn)氣和出氣通道接口共4 個(gè)。MEA 的面積無(wú)固定值，常見(jiàn)的為1 cm×1 cm 或5 cm×5 cm 等。這種不透明的結(jié)構(gòu)很難直接觀(guān)察到燃料電池內(nèi)部的傳質(zhì)現(xiàn)象，難以直觀(guān)了解水的生成和走向，研究者報(bào)道過(guò)多種可觀(guān)測(cè)單電池內(nèi)部水的方法，基本可以分為五大類(lèi)：中子成像技術(shù)、CT、核磁共振成像(MRI)、氣相色譜(GC)和可視化單電池設(shè)計(jì)。

中子成像技術(shù)[4-6]需要將中子射線(xiàn)穿過(guò)檢測(cè)樣品與其原子核發(fā)生散射、核反應(yīng)等相互作用，利用不同材料對(duì)中子束的不同衰減特性，通過(guò)特定影像技術(shù)將透射電子束中樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(元素組成、密度、空穴等)信息顯示出來(lái)，可用來(lái)提供電池內(nèi)部水分分布信息。中子成像技術(shù)雖然可以保證試驗(yàn)電池器件的完整性，可以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)水的生成和流向，但是受金屬端板對(duì)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(duì)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(shè)備龐大且成本昂貴而限制了其廣泛應(yīng)用[8]。

CT 利用X 射線(xiàn)掃描物體進(jìn)行射線(xiàn)成像，無(wú)損燃料電池內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息，可對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行三維可視化研究。目前已實(shí)現(xiàn)二維可視化、三維重建可視化技術(shù)算法優(yōu)化以及基于四維可視化系統(tǒng)，但依舊存在三維成像顏色不夠分明、提取的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息精度不夠等問(wèn)題[7]。

核磁共振成像技術(shù)通過(guò)向原子核發(fā)射射頻磁場(chǎng)，觀(guān)察原子核弛豫時(shí)發(fā)射的射電信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)軟件處理所得信號(hào)獲取圖像。核磁共振氫譜(1H NMR)方法對(duì)于獲取PEMFC 催化層和質(zhì)子交換膜內(nèi)存在的水傳遞信息有極大優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于容易水淹的擴(kuò)散層和流道的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)很難實(shí)現(xiàn)[3]。另外，鑒于核磁共振方法涉及強(qiáng)磁性環(huán)境，要求構(gòu)成燃料電池的組成結(jié)構(gòu)中不能出現(xiàn)鐵磁性元素，為了降低NMR 信號(hào)的噪音，也需要盡可能少使用導(dǎo)電性高的材料，燃料電池的整體結(jié)構(gòu)通常面臨較大的變動(dòng)[9]。

氣相色譜技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)氣體組分的變化，對(duì)整個(gè)PEMFC 系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)不同位置的水分布信息都可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在的H2、O2、N2等氣體組分信息都可一次性獲取，且設(shè)備相對(duì)中子成像技術(shù)、CT、核磁共振成像技術(shù)儀器更簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，但無(wú)法通過(guò)該方法得到系統(tǒng)中液態(tài)水的出現(xiàn)和位置信息。

常見(jiàn)的可視化單電池組成結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)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(biāo)、材料影響并無(wú)定規(guī)，透明端板的材質(zhì)、透明結(jié)構(gòu)的組成部件等均可有不同設(shè)計(jì)。根據(jù)選擇陰/陽(yáng)極單側(cè)可視化或陰陽(yáng)極雙側(cè)可視化，將常規(guī)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(guān)測(cè)方法，可視化單電池的設(shè)計(jì)則使得觀(guān)測(cè)PEMFC 運(yùn)行過(guò)程中水的生成和在流道中的流向變得更為直觀(guān)，極大地降低了對(duì)大型測(cè)試儀器的需求和儀器運(yùn)行導(dǎo)致的高昂成本，可視化單電池本身的價(jià)格并不高昂，兼顧了經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性。但是，可視化單電池系統(tǒng)中透明結(jié)構(gòu)的引入通常伴隨整個(gè)系統(tǒng)性能的大幅下降，因此對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)化和進(jìn)一步研究至關(guān)重要。

從目前的各類(lèi)研究手段來(lái)看，沒(méi)有任何一種方式能夠兼顧燃料電池性能不變、實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)、方法簡(jiǎn)單、容易觀(guān)測(cè)、測(cè)試成本低廉等需求。上述五大類(lèi)手段中除可視化單電池設(shè)計(jì)外，均涉及到其他輔助觀(guān)測(cè)儀器的使用，并且相對(duì)復(fù)雜。以往受各種因素影響，少有研究者系統(tǒng)地研究如何設(shè)計(jì)可視化單電池、盡可能減少可視化結(jié)構(gòu)對(duì)單電池性能降低的影響，使電池在較高性能下對(duì)水進(jìn)行可視化觀(guān)測(cè)。

2 研究現(xiàn)狀

自2003 年研究人員首次運(yùn)用可視化方法觀(guān)測(cè)PEMFC 陰極側(cè)流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的生成和流動(dòng)[10]，觀(guān)察到生成液滴直徑的變化規(guī)律以來(lái)，研究者們針對(duì)不同試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)出了各種材質(zhì)的單電池，常見(jiàn)的流場(chǎng)板材質(zhì)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(qū)分電池性能的影響因素，使用不銹鋼材質(zhì)作為陽(yáng)極板，有機(jī)玻璃作為可視窗，將不銹鋼流場(chǎng)板固定在蓋板插槽中，與銅線(xiàn)相連實(shí)現(xiàn)負(fù)載所需的電流流動(dòng)，通過(guò)可視窗觀(guān)察陰極流道中液態(tài)水的傳輸。極板采用雙空氣通道設(shè)計(jì)，流道寬1.5 mm，深1 mm，全長(zhǎng)共50 mm，從左側(cè)流向右側(cè)。質(zhì)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(yàn)的可重復(fù)性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，30 ℃下膜的水合效果更好，親水性氣體擴(kuò)散層(GDL)對(duì)電流密度的提升有促進(jìn)作用。由于不銹鋼材質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均較好，因此不銹鋼鏤空板可以同時(shí)充當(dāng)流場(chǎng)板和集電板。

2004 年，Yang 等[12]將聚合物電解質(zhì)燃料電池不銹鋼板進(jìn)行機(jī)械加工，得到1 mm 寬、100 mm 長(zhǎng)、1 mm 厚、相隔1 mm 的7 條流道，然后對(duì)鋼板進(jìn)行鍍金，將其設(shè)置為陰陽(yáng)極的流場(chǎng)板。使用聚碳酸酯板作為可視化裝置，最外側(cè)用鋼板固定。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置擁有良好的電化學(xué)性能，可以觀(guān)察到液態(tài)水在GDL 表面的產(chǎn)生過(guò)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(dòng)力學(xué)。單電池可視化窗口的起霧現(xiàn)象對(duì)氣液兩相流的觀(guān)察會(huì)帶來(lái)不利影響，該設(shè)計(jì)可以避免起霧現(xiàn)象，極大地推動(dòng)了單電池可視化技術(shù)的發(fā)展。

2006 年，馬海鵬等[14]設(shè)計(jì)了大面積(有效反應(yīng)面積120 cm2)陰極可視化單電池，在白鋼板上利用線(xiàn)切割加工技術(shù)得到直條流道，在陽(yáng)極水腔通入循環(huán)水進(jìn)行控溫，對(duì)陰極流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的生成和傳遞進(jìn)行研究，獲取了流道內(nèi)的實(shí)際水分布，為流場(chǎng)的改進(jìn)和電池性能的提升提供了試驗(yàn)依據(jù)。白鋼的工藝性能良好，可以用來(lái)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(guān)領(lǐng)域研究中并不多見(jiàn)。

2017 年，黃浩暉等[15]設(shè)計(jì)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(jī)玻璃作為燃料電池可視窗。不銹鋼金屬板易加工且導(dǎo)電性能良好，使用線(xiàn)切割技術(shù)獲得平行流場(chǎng)，將其固定在透明亞克力板和MEA 之間。通過(guò)試驗(yàn)獲得了60 ℃工況下電池的排水性能。

在燃料電池可視化設(shè)計(jì)過(guò)程中，鏤空流場(chǎng)板材質(zhì)的選擇多以石墨和不銹鋼材質(zhì)為主，相對(duì)于石墨流場(chǎng)板，使用不銹鋼作為流場(chǎng)板具有更好的熱傳導(dǎo)，整體極板溫度較均勻，對(duì)控溫位置的要求更低，同時(shí)，作為集流板，電子傳導(dǎo)效率更高。然而，不銹鋼材質(zhì)對(duì)加工工藝的要求也更高，可能會(huì)出現(xiàn)流道加工實(shí)現(xiàn)困難或流道寬度均勻性較差的現(xiàn)象，耐久性略差，長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水蒸氣/水環(huán)境中，也易生銹，為提高不銹鋼鏤空板的耐腐蝕性，可為流場(chǎng)板鍍金。

2.2 石墨

聚合物電解質(zhì)燃料電池研究中很早便出現(xiàn)了石墨材質(zhì)流場(chǎng)板的應(yīng)用。2004 年，Hakenjos 等[16]對(duì)聚合物電解質(zhì)燃料電池的陰極進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，采用石墨板作為陰極流場(chǎng)板，對(duì)其加工寬1 mm 的蛇形單流道，流道兩側(cè)有1 mm 寬的肋，使用塑料材質(zhì)作為端板。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有效區(qū)域上的夾緊壓力對(duì)電池的接觸電阻有較大影響，而電池接觸電阻的大小則對(duì)電池的性能有較明顯影響。早期試驗(yàn)中，研究者對(duì)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(duì)影響接觸電阻大小的其他因素進(jìn)行研究。對(duì)于不同材質(zhì)組成的單電池，緊固螺絲的扭矩設(shè)置往往有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

2005 年，Sugiura 等[17]使用碳作為陽(yáng)極隔板，聚碳酸酯作為陰極隔板，將能導(dǎo)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(guān)察窗的加熱片加裝在陰極隔板外。通過(guò)大量試驗(yàn)證明了引入吸水層對(duì)緩解水淹現(xiàn)象有促進(jìn)作用。

2006 年，馬海鵬等[18]采用石墨板作為陰陽(yáng)極流場(chǎng)板(同時(shí)作為集流板)，加裝可視化窗口對(duì)直條單流道質(zhì)子交換膜燃料電池陰極的排水過(guò)程進(jìn)行了研究。同年，馬海鵬等[19]使用石墨作為流場(chǎng)板，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了直條單流道帶可視化觀(guān)察窗口的單電池，得到增濕溫度與氣體流速對(duì)電池陰極流道液態(tài)水分布和排水過(guò)程的影響。

2009 年，郭航等[20]分別設(shè)計(jì)了蛇形流道的陰陽(yáng)極石墨流場(chǎng)板，陰陽(yáng)極的進(jìn)氣和出氣口均設(shè)計(jì)為上進(jìn)下出。通過(guò)對(duì)常重力和微重力條件下PEMFC 陰極流場(chǎng)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)微重力條件下流道底部積存的液態(tài)水更易排出，對(duì)減小氣體傳質(zhì)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(duì)可視化單電池的陽(yáng)極、陰極、陰陽(yáng)兩極進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)。通過(guò)與常規(guī)單電池進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用石墨鏤空板和聚碳酸酯端板設(shè)計(jì)透明電池時(shí)，可視化單電池性能下降。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能來(lái)自于石墨鏤空板裝配時(shí)發(fā)生形變引發(fā)的氣體擴(kuò)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(chǎng)板和集流板，針對(duì)使用實(shí)心聚碳酸酯端板作為透明端板時(shí)，聚碳酸酯材料導(dǎo)熱性能不佳造成燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的水霧在端板上聚集的現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)了使用中空聚碳酸酯端板替代實(shí)心聚碳酸酯端板，并在溶液腔內(nèi)通入加熱的丙三醇溶液外加熱循環(huán)通入溶液腔內(nèi)的方法，可避免可視化結(jié)構(gòu)起霧造成的觀(guān)測(cè)困難。這種方法進(jìn)一步降低了可視化窗口起霧對(duì)氣液兩相流觀(guān)察的影響，但操作過(guò)程較為復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上尚有優(yōu)化空間。

不銹鋼和石墨材質(zhì)流場(chǎng)板在可視化PEMFC 的設(shè)計(jì)中是最常見(jiàn)的兩類(lèi)材料。一些研究者傾向于選擇石墨鏤空板作為流場(chǎng)板和集流板，石墨材質(zhì)可導(dǎo)電且容易加工，造價(jià)相對(duì)較低，耐腐蝕性好，不生銹，擁有良好的耐久性。但同時(shí)，石墨質(zhì)地較脆，在緊固螺栓時(shí)扭矩過(guò)大或受力不均時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)裂紋或損壞，受石墨強(qiáng)度所限，也不能用來(lái)設(shè)計(jì)深度較小的流道。另一方面，石墨的導(dǎo)熱性能略差，使用石墨板作為陰極流場(chǎng)板時(shí)，黏貼加熱片進(jìn)行加熱效率很低，且整片石墨板受熱不均，對(duì)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(guò)在延伸的黃銅板上加裝加熱器或空氣散熱完成對(duì)電池的溫度控制，使用丙烯酸材質(zhì)作為透明端板，設(shè)計(jì)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(guān)察了不同工況下陰極流道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)情況，揭示了不同化學(xué)計(jì)量比時(shí)的氣體流速和加濕情況對(duì)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(chǎng)板和集電板，塑料材質(zhì)作為可視化端板。通過(guò)試驗(yàn)研究了不同工況下流道內(nèi)水的傳輸現(xiàn)象，對(duì)電池內(nèi)部氣體通道轉(zhuǎn)彎處的液態(tài)水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了觀(guān)察，測(cè)量了不同工況下燃料電池的性能和內(nèi)阻。

銅的導(dǎo)電性能好，但耐腐蝕性能較差，不適合長(zhǎng)期置于潮濕水蒸氣中，可能生銹。

2.4 鋁

鋁材質(zhì)作為可視化PEMFC 流場(chǎng)板的應(yīng)用較為少見(jiàn)。2011 年，王世學(xué)等[25]設(shè)計(jì)了采用石墨板作為陽(yáng)極流道板、表面鍍金的鏤空鋁板和有機(jī)玻璃板構(gòu)成陰極流道板的可視化直流道單電池，兩側(cè)極板與端板之間設(shè)有冷卻水通道。在不同試驗(yàn)工況下對(duì)陰極流道和GDL 的凝結(jié)水生成過(guò)程進(jìn)行觀(guān)測(cè)，對(duì)嚴(yán)重影響單電池內(nèi)陰極流場(chǎng)中液體水的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水淹現(xiàn)象不僅僅與氣體濕度相關(guān)，還與電極距離和氣體入口位置有關(guān)。

2.5 鈦

2018 年，Rao 等[26]將MEA 夾持在兩片高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性的鈦制極板間，并充當(dāng)集流板，板上刻蝕有寬2 mm 深1 mm、間距2 mm 的流道。在流場(chǎng)板的延伸區(qū)域，加裝加熱線(xiàn)圈對(duì)單電池陰陽(yáng)極進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到加熱溫度上限值時(shí)，通過(guò)空氣自由或強(qiáng)制對(duì)流降溫，在延伸區(qū)域固定銅塊，達(dá)到燃料電池控溫的目的。MEA 兩側(cè)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(kāi)有觀(guān)測(cè)窗口的厚不銹鋼端板覆蓋，避免對(duì)鈦制極板產(chǎn)生彎曲作用，最后用四個(gè)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(duì)單電池性能的影響。

目前鈦制流場(chǎng)板在可視化PEMFC 中應(yīng)用較少，鈦材質(zhì)強(qiáng)度大、密度小、硬度大，抗腐蝕性能良好，高純度時(shí)具有良好的可塑性，在滿(mǎn)足單電池試驗(yàn)的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步減輕質(zhì)量，加工難易程度與不銹鋼類(lèi)似，應(yīng)用場(chǎng)景較為廣闊。

綜上所述，研究者們?yōu)檫_(dá)到不同的試驗(yàn)?zāi)康膶?duì)可視化端板的材料、流道設(shè)計(jì)、可視化單電池活性面積、可視化窗口面積、單側(cè)/雙側(cè)可視化、可視化單電池外觀(guān)、控溫方式等進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研究和優(yōu)化。在早期研究中，可視化單電池開(kāi)發(fā)的目的是為了更直觀(guān)地為燃料電池水管理技術(shù)研究提供試驗(yàn)依據(jù)，因此研究者們更關(guān)心燃料電池運(yùn)行過(guò)程下，改變工況時(shí)液態(tài)水的產(chǎn)生和流道中液態(tài)水流動(dòng)等問(wèn)題，并未集中關(guān)注可視化單電池引入可視化透明結(jié)構(gòu)后運(yùn)行狀態(tài)中出現(xiàn)的性能下降問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)象，前期研究者主要采用固定扭矩限制螺栓擰緊程度來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸電阻一致，維持電池性能穩(wěn)定性和試驗(yàn)可重復(fù)性；后期研究者則對(duì)性能下降的可能因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。盡管多樣化的設(shè)計(jì)方法提供了更多的設(shè)計(jì)思路，但是研究者們?cè)O(shè)計(jì)的可視化電池外觀(guān)往往差異較大，使得后續(xù)研究很難通過(guò)對(duì)比前人試驗(yàn)結(jié)果得到單電池設(shè)計(jì)的最優(yōu)方法。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

可視化單電池透明結(jié)構(gòu)的引入為直觀(guān)即時(shí)了解燃料電池內(nèi)部液態(tài)水的出現(xiàn)過(guò)程提供了便利，研究者可以在設(shè)計(jì)不同流道、更換不同GDL 材料、調(diào)整進(jìn)出氣管道位置等方面對(duì)不同工況下單電池運(yùn)行過(guò)程中水的產(chǎn)生位置和水流的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)察，為進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池水管理策略提供思路。在合理設(shè)計(jì)中，可視化單電池透明端板可以實(shí)現(xiàn)無(wú)霧氣凝聚，結(jié)合高分辨率照相/攝像技術(shù)，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單快捷。研究者的重點(diǎn)回歸到可視化單電池的設(shè)計(jì)本身，避免了不熟悉大型儀器操作、數(shù)據(jù)處理困難帶來(lái)的不便，降低了試驗(yàn)成本。

然而，在可視化單電池的設(shè)計(jì)和實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，也面臨著一些問(wèn)題。首先，作為流場(chǎng)，石墨板加工工藝簡(jiǎn)單，但是質(zhì)地較脆，單電池緊固螺栓時(shí)需要更加小心，損壞風(fēng)險(xiǎn)較高，且導(dǎo)熱性能略差，當(dāng)采用加長(zhǎng)石墨板粘附加熱片進(jìn)行加溫時(shí)，可能存在一定的溫差影響試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，與金屬鏤空板相比，石墨鏤空板的導(dǎo)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(chǎng)板和集電板時(shí)導(dǎo)電性能更好，也可耐腐蝕，能夠滿(mǎn)足較高溫度和濕度下的測(cè)試需求，但耐久性相對(duì)略差，對(duì)加工水平要求更高；最后，引入透明結(jié)構(gòu)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(jìn)行固定時(shí)發(fā)生的形變。

此外，絕大多數(shù)文獻(xiàn)并未對(duì)單電池控溫位置進(jìn)行說(shuō)明，在實(shí)際應(yīng)用中，普通單電池材質(zhì)更均勻、導(dǎo)熱性能更好，控溫位置相對(duì)一致?？梢暬疨EMFC 透明結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差，并不都適合在結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)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(cè)試，有待進(jìn)一步優(yōu)化。在替換為透明結(jié)構(gòu)之后，加熱裝置的位置也可能會(huì)因?yàn)椴馁|(zhì)的改變需要進(jìn)行變動(dòng)，單獨(dú)使用加熱片的加熱速率要遠(yuǎn)低于使用加熱棒或同時(shí)使用加熱片和加熱棒，而且可能存在受熱不均現(xiàn)象，這也需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能滿(mǎn)足電池設(shè)置的工作溫度，降低了試驗(yàn)效率。

在可視化單電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，研究主要集中于透明結(jié)構(gòu)的清晰度上?？梢暬姵丶夹g(shù)出現(xiàn)以來(lái)，始終缺乏對(duì)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的整理；也沒(méi)有研究者對(duì)不同結(jié)構(gòu)、材料的可視化電池在同一工況下進(jìn)行性能對(duì)比和分析；可視化電池的有效活性面積大小不一，導(dǎo)致研究者很難通過(guò)橫向?qū)Ρ攘私饪梢暬姵乇旧硎欠襁_(dá)到良好性能。而引入透明結(jié)構(gòu)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(yàn)依據(jù)，對(duì)可視化單電池的研究還應(yīng)在電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化、構(gòu)成電池的材料篩選、加熱方式、集電板和設(shè)計(jì)流道的方式等方面多做關(guān)注。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)PEMFC 可視化方法的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與總結(jié)，提出了實(shí)際操作過(guò)程中研究者通常會(huì)面臨的問(wèn)題。總體而言，設(shè)計(jì)可視化單電池的初衷是為了更好地觀(guān)察實(shí)際工況下流場(chǎng)內(nèi)的水管理情況，目前可視化PEMFC 的透明結(jié)構(gòu)多樣，普遍面臨性能降低的困難。在未來(lái)研究中，對(duì)可視化單電池的優(yōu)化可在流場(chǎng)板(集電板)材質(zhì)、透明端板與其他結(jié)構(gòu)緊固方式、加熱位置等方面做進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)。