電化學(xué)反應(yīng)過程中，質(zhì)子交換膜內(nèi)的質(zhì)子傳遞需要濕潤的水環(huán)境。水量不足時，電解質(zhì)膜的干燥引起電池內(nèi)阻增大，導(dǎo)致電池輸出電壓下降；水含量過剩時，燃料氣體（氧氣和氫氣）的擴(kuò)散受到阻礙，電池輸出電壓亦會變低，所以為了提高燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，燃料電池內(nèi)部水量的管理尤為重要。

本文分享燃料電池水平衡設(shè)計(jì)的經(jīng)典案例和測試表征方法。

電池結(jié)構(gòu)

基于水平衡理念設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)的典型案例為豐田汽車公司貫穿、二代Mirai的自增濕電池結(jié)構(gòu)。通過超薄質(zhì)子膜、氫循環(huán)、氫空逆流、空水順流實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物水的內(nèi)部平衡，取消了外部增濕結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，通過主動調(diào)控產(chǎn)物水跨膜反擴(kuò)散速率、陽水循環(huán)效率和空氣入口降溫濕潤方案，保證了水分在發(fā)電平面的氣體進(jìn)出方向和法向流通的水平閉環(huán)。

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物水/排出水平衡，提升排水(尤見怠速、低溫工況)效果，陰流場形狀延申出了三維、變徑、多孔等結(jié)構(gòu)。通過在氣體流動方向設(shè)置收縮部產(chǎn)生面內(nèi)較大壓差，排水和傳質(zhì)性能提升。與傳統(tǒng)直流道流場相比，豐田第二代Mirai變徑直流場中GDL氧氣濃度提升了130%，達(dá)到代Mirai三維流場的相同水平。

運(yùn)行條件

車用燃料電池質(zhì)子膜內(nèi)的水傳遞方向需嚴(yán)格控制。凈水遷移系數(shù)通常被用來作為水平衡的表征參數(shù)，代表質(zhì)子膜內(nèi)每傳遞一個質(zhì)子的凈水遷移通量(電滲水和反擴(kuò)散水的綜合效果)，通過對陽進(jìn)出堆水量、陰進(jìn)出堆水量和產(chǎn)水量建立數(shù)學(xué)關(guān)系算得。在實(shí)際車用燃料電池系統(tǒng)中，陽通常采用氫氣回流方案將陽出口氣體循環(huán)至電堆入口，并與供氫匯流后進(jìn)入電堆。為在實(shí)際車用無外增濕的燃料電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電堆水平衡和自增濕，凈水遷移系數(shù)必須為負(fù)值。

優(yōu)化操作條件是燃料電池水管理的重要環(huán)節(jié)。與燃料電池水平衡狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)的運(yùn)行條件通常是電池溫度、氣體壓力、計(jì)量比、氫循環(huán)特性和陰加濕特性等。通過對各個運(yùn)行條件建立不同電流密度下的凈水遷移系數(shù)關(guān)系，找到各操作條件對凈水遷移系數(shù)的敏感性，為電堆水平衡提供優(yōu)化方向。下圖展示了80℃、100℃、120℃三種電池溫度下，不同電流密度對應(yīng)的凈水遷移系數(shù)。可以看出當(dāng)前設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀態(tài)下，隨著電流密度升高，凈水遷移系數(shù)在增加，水平衡狀態(tài)變差。此外，80℃工作溫度下，水平衡狀態(tài)優(yōu)。

測試表征方法

在燃料電池水量監(jiān)測的研究中，水份輸送舉動的分析一直是一個難題。原因在于現(xiàn)有的燃料電池測試設(shè)備可以較為準(zhǔn)確地計(jì)測出陰陽電池入口的水份輸入量，但是由于電池內(nèi)部狀態(tài)觀察和電池出口水量收集上的技術(shù)瓶頸，普通的測試架臺無法準(zhǔn)確地得到電池內(nèi)部積水和排水的實(shí)時信息，這給燃料電池部件的選材和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了一定的阻礙。為此，日本東揚(yáng)精測聯(lián)合豐田汽車，通過在陰陽的電池入口和出口加裝高精度露點(diǎn)儀，實(shí)時在線記錄電池入水和出水量，尤其在出水量的檢測上，采用瞬時氣化，氣化壓力變動抑制等專利技術(shù)，精確捕捉每個時刻的液態(tài)＋氣態(tài)水的排出量。同時，結(jié)合從發(fā)電數(shù)據(jù)中計(jì)算得到的反應(yīng)生成水量后，可以對整個電池的輸入水，生成水，排出水的平衡度（本文中定義為水平衡）進(jìn)行實(shí)時在線的精準(zhǔn)評估，對電池的水量分析研究提供了大的幫助。
※ 注：當(dāng)前其他的測試技術(shù)無法通過露點(diǎn)儀測試液態(tài)水量。

下圖為東揚(yáng)精測研發(fā)的水平衡測試界面，水平衡測試系統(tǒng)可以自動記錄并顯示陰陽的進(jìn)水量，發(fā)電產(chǎn)水量，和陰陽出水量，并且自動計(jì)算總供水量（進(jìn)水＋生成水）與總排水量之間的比例差，通過比例差的大小變化來判斷電池內(nèi)部是在積水，還是在排水（將囤積的水排除），從而為水份輸送舉動的優(yōu)化提供材料刪選和結(jié)構(gòu)改良所需的測試數(shù)據(jù)。

與當(dāng)前傳統(tǒng)的電池排水口液態(tài)水收集方法相比，東揚(yáng)精測的水平衡系統(tǒng)具有實(shí)時在線，微量敏感捕捉，高精度，自動化的特點(diǎn)。如下圖,在電池出口過飽和（結(jié)露）設(shè)定狀態(tài)下的排出水量對比測試中，水平衡測試法的精度接近于真實(shí)理論值。

東揚(yáng)精測水平衡測試的核心技術(shù)（日本專利號：5442984）的實(shí)用性，可靠性在日本各大汽車廠，材料廠得到了廣泛驗(yàn)證。該測試技術(shù)的開發(fā)合作伙伴，燃料電池汽車先驅(qū)者-日本豐田汽車將水平衡測試結(jié)果運(yùn)用到電池排水性改善開發(fā)中，通過排水性的提升大幅提高了電池的輸出性能。

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