赵 鑫，陈 光，张妍懿

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

前言

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有能量密度高、零排放、工作温度低等优点，现已成为解决我国汽车产业排放与能源问题的发展方向之一。过去30年，尽管PEMFC的研究取得了一定进展，但其大规模商业化生产仍存在材料成本高、输出性能低和耐久性差等问题。众所周知，水是电化学反应的重要产物之一。一方面，膜干会阻止质子进入催化剂表面，同时也可能导致膜的不可逆降解；另一方面，流道或电极孔隙中的液态水必须通过蒸发、水蒸气扩散或毛细传输等方式排出，否则膜电极在过量液态水下长期运行可能会发生机械降解从而导致局部缺气，使得燃料电池性能严重下降。因此，水含量的研究对于提高燃料电池的性能和耐久性而言至关重要。

目前，燃料电池内部传质现象的观测方法可分为4大类：中子成像技术、计算机断层扫描（computed tomography，CT）、核 磁 共 振 成 像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）以及电池可视化技术。相比于中子成像、CT、NMRI这些间接观测方法，电池可视化技术使得在运行过程中观测PEMFC中水的生成和流动过程变得更为直观，通过流道的设计、气体扩散层材料的改变或入口和出口管道位置的调整，可以实时观察运行过程中水的流动现象。同时，可视化单电池本身价格并不高，极大地降低了试验对大型测试仪器的需求和仪器运行所导致的高昂成本，兼顾了经济性和简便性。2003年，Tuber等首次运用可视化方法观测PEMFC阴极侧流道内液态水的生成和流动过程，观察到了生成液滴直径的变化规律。2007年，Spernjak等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，用以研究各种气体扩散层材料的两相流动力学。2015年，Wang等分别对单电池的阳极、阴极、阴阳两极进行了可视化设计。2017年，Huang等设计了一种使用不锈钢金属板作为电池极板、透明亚克力有机玻璃作为可视窗的可视化燃料电池，通过试验获得了60℃工况下电池的排水性能。2018年，Rao等将膜电极夹在两片高导电性、高化学稳定性的钛制极板间，使用5 mm厚的透明丙烯酸板作为可视化窗口，研究了施加在螺栓上的转矩对单电池性能的影响。

本文中通过燃料电池单电池可视化测试平台和水平衡模型来研究质子交换膜燃料电池的性能与水含量的关系及影响因素。首先，介绍燃料电池水平衡模型；其次，搭建燃料电池单电池可视化测试平台；最后，对不同运行工况下的燃料电池的电化学交流阻抗光谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、电压和水含量进行测试研究，分析其影响因素。

1 水平衡模型

2 试验方法

2.1 试验设备

2.1.1 阴极可视化单电池

如图1所示，阴极可视化单电池的阴极侧流场板由实心聚碳酸酯端板和金属镂空板组成，从外到内的结构依次为：透明端板（带硅橡胶密封圈）-金属镂空板-聚四氟乙烯密封垫-膜电极。膜电极的有效面积为5×5 cm，膜电极的铂载量为0.5 mg·cm，催化剂组成为60%Pt/C。

图1 阴极可视化单电池结构

2.1.2 燃料电池单体可视化测试平台

为了观察燃料电池内部液态水的形成、聚集和排出过程，测试燃料电池的排水量。本节搭建了燃料电池单体可视化测试平台，如图2所示。该测试平台主要包括氢燃料电池反应测试台（Toyo公司的AutoPEM 300W）、氢气供应单元、空气供应单元、尾气水回收系统、录像装置。氢燃料电池反应测试台使用电化学工作站作为燃料电池的电子负载，并可在需要时进行电化学阻抗测试。氢气供应单元包括储氢装置、减压阀和氢气流量计（Alicat KM3100），空气供应单元包括空气过滤器和空气流量计（Alicat KM3100），氢气和空气流量的控制精度为±1%FS。

图2 燃料电池单体可视化测试平台

2.2 测试方法

试验时，首先根据氢气和空气的体积流量目标值，在控制装置设定需要的氢气和空气体积流量值。然后打开小型氢气瓶、减压阀、开关阀3和开关阀8，控制装置根据测试需求及时调整氢气流量计或空气流量计，使得进入氢燃料电池反应测试台的气体达到设定值。随后反应气体在氢燃料电池反应测试台进行反应。将尾气中的氢气和空气分别通入氢气水回收装置及空气水回收装置，过滤后的氢气通过氢气排出装置排出，过滤后的空气直接排入大气，利用空气水回收装置及氢气水回收装置收集尾气中所携带的水，测量水的质量，得到排水量。最后，利用燃料电池水平衡模型，计算得到燃料电池的水含量。

2.3 测试工况

本节介绍燃料电池性能与水含量测试的试验工况，如表1所示，试验电流密度为0.8 A·cm。

表1 燃料电池性能与水含量测试试验工况

3 结果分析

3.1 水平衡试验

如图3所示，利用燃料电池水平衡模型计算不同工况下燃料电池每30 min的水量变化量δm。试验结果表明，在稳定运行阶段，燃料电池每30 min的水量变化量相对稳定，说明燃料电池内部的液态水几乎达到平衡状态，与理论分析相吻合。如图4所示，通过燃料电池单体可视化测试平台可以直观观测到燃料电池内部的水形成过程、水分布情况及排出过程，用以辅助燃料电池内部水平衡及水传输过程的研究。

图3 不同工况下燃料电池每30 min的水量变化量

图4 燃料电池内部的液态水分布情况

3.2 EIS

3.2.1 电化学交流阻抗进气温度

图5 ～图8分别给出了进气温度、进气湿度、氢气化学计量比和空气化学计量比对EIS、电压和水含量的影响。图中横坐标为实轴，纵坐标为虚轴，曲线引线所指的数值中上面为电压值，下面为水含量。由图5可见，进气温度对燃料电池性能、电池水含量的影响具有波动性。进气温度65℃时，燃料电池性能最佳，电池水含量最少。进气温度升高，气体中的饱和水蒸气分压上升，一方面增加了进入流道的气体含量，提高了气体流速，利于对液态水的吹扫，另一方面因气体反应而得到的液态水量更多，两者存在制约作用。表2给出了不同进气温度下的欧姆阻值（R）、活化阻值（R）、传质阻值（R）。进气温度85℃时，燃料电池的欧姆阻值最小，活化阻值最小。

图5 进气温度对EIS和水含量的影响（进气湿度100%，氢气化学计量比1.5，空气化学计量比2.5）

表2 不同进气温度下的欧姆阻值、活化阻值、传质阻值

3.2.2 进气湿度

由图6可见，进气湿度越高，燃料电池性能越好，电池水含量越少。进气湿度80%时，燃料电池性能最佳，电池水含量最少。进气湿度升高，气体带入的水量增加，电池内膜电极的润湿性较好，燃料电池性能较好。进气湿度升高，气体中的水蒸气分压增加，排出气体中的水蒸气含量增加，电池水含量减少。表3给出了不同进气湿度下的欧姆阻值（R）、活化阻值（R）、传质阻值（R）。进气湿度80%时，欧姆阻值最小，活化阻值最小，传质阻值最小。

图6 进气湿度对EIS和水含量的影响（进气温度75℃，氢气化学计量比1.5，空气化学计量比2.5）

表3 不同进气湿度下的欧姆阻值、活化阻值、传质阻值

3.2.3 氢气化学计量比

由图7可见，氢气化学计量比越大，燃料电池性能越好，对电池水含量的影响具有波动性。氢气化学计量比2.0时，燃料电池性能最佳，电池水含量最多。较大的氢气化学计量比使氢气反应速率升高，流道中存在大量未反应的剩余氢气，对液态水的吹扫效果好，能维持电压值不因水含量增大而快速下降，燃料电池性能较好。氢气化学计量比大，一方面流道中存在大量未反应的氢气，对液态水的吹扫效果好，另一方面氢气反应速率高，反应生成水的速率快，两者存在制约作用。表4给出了不同氢气化学计量比下的欧姆阻值（R）、活化阻值（R）、传质阻值（R）。氢气化学计量比1.05时，欧姆阻值最小，活化阻值最大，传质阻值最大。

表4 不同氢气化学计量比下的欧姆阻值、活化阻值、传质阻值

图7 氢气化学计量比对EIS和水含量的影响（进气温度75℃，进气湿度100%，空气化学计量比2.5）

3.2.4 空气化学计量比

由图8可见，空气化学计量比越大，燃料电池性能越好，对电池水量的影响具有波动性。空气化学计量比3.5时，燃料电池性能最佳。空气化学计量比3.0时，燃料电池水含量最大。较大的空气化学计量比使得空气反应速率较高，流道中存在大量未反应的空气，对液态水的吹扫效果好，燃料电池性能较好。空气化学计量比大，一方面流道中存在大量未反应的剩余空气，对液态水的吹扫效果好，另一方面反应生成水速率快，两者相互制约。表5给出了不同空气化学计量比下的欧姆阻值R、活化阻值R、传质阻值R。空气化学计量比2.0时，欧姆电阻最小，活化阻值最大，传质阻值最大。

图8 空气化学计量比对EIS和水含量的影响（进气温度75℃，进气湿度100%，氢气化学计量比1.5）

表5 不同空气化学计量比下的欧姆阻值、活化阻值、传质阻值

4 结论

质子交换膜燃料电池的大规模商业化需要通过研究水含量和水平衡来提高其耐久性和性能。为了防止燃料电池性能下降，避免膜干和水淹等的出现，本文中利用燃料电池单体可视化测试平台和水平衡模型对PEMFC的性能和水含量进行了研究。首先，建立了PEMFC的水平衡模型，搭建了燃料电池单体可视化测试平台，通过燃料电池每30 min的水量变化量的结果分析，验证了水平衡模型的可行性。然后，通过试验测试了PEMFC在不同运行工况下的EIS和水含量，分析了进气温度、进气湿度、反应气体化学计量比等因素对燃料电池的性能和水含量的影响。进气温度对燃料电池性能的影响呈波动性，燃料电池的性能随着进气湿度、氢气化学计量比和空气化学计量比的增加而提高；燃料电池水含量受进气温度、氢气化学计量比和空气化学计量比的影响有明显波动，燃料电池水含量随进气湿度增大而减少。