燃料電池單堆功率的持續(xù)突破促使發(fā)電活性面積不斷增加，會(huì)導(dǎo)致活性區(qū)內(nèi)電流分布一致性變差，豐田、本田、寶馬等車企都把分區(qū)診斷技術(shù)作為燃料電池設(shè)計(jì)開發(fā)階段的重要手段。
車用燃料電池堆通常由數(shù)百個(gè)燃料電池發(fā)電單元組成，單個(gè)電池的活性面積在250~350?c㎡區(qū)間內(nèi)。保證每個(gè)發(fā)電單元平面各局部區(qū)域物理參數(shù)的均勻性和一致性是燃料電池設(shè)計(jì)和開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。在燃料電池發(fā)電平面內(nèi)，反應(yīng)氣在氣體流動(dòng)的方向上逐漸消耗，生成水逐漸積累，冷卻液流動(dòng)方向上溫度逐漸變化，多項(xiàng)物理參數(shù)包括濕度、溫度、濃度、氣壓等在內(nèi)，在平面上存在分布差異，顯示出電流密度分布不均勻。
△燃料電池發(fā)電平面電流密度差異現(xiàn)象
如果電流密度分布差異過大，則活性面積各區(qū)域物理操作參數(shù)差異較大。短期內(nèi)，局部電壓差形成面內(nèi)電流并導(dǎo)致電壓損失，性能下降，反應(yīng)氣利用率低，從而導(dǎo)致低效率和高成本。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，局部區(qū)域氣體不足和高溫會(huì)對(duì)電堆的耐久性造成威脅。因此，在極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)理診斷、電極梯度設(shè)計(jì)、操作工況設(shè)計(jì)等階段，要密切關(guān)注發(fā)電平面內(nèi)物理參數(shù)的分布一致性，尤其是電流密度分布。
△溫度分布測(cè)量案例
△水含量分布測(cè)量案例
電流密度實(shí)質(zhì)上代表每單位活性面積每單位時(shí)間內(nèi)氫氣和氧氣的反應(yīng)量(或水的生成量)。在傳統(tǒng)的燃料電池流場(chǎng)(如直流場(chǎng))中，大量燃料在反應(yīng)活性區(qū)入口處參與電化學(xué)反應(yīng)，一般呈現(xiàn)高電流密度區(qū)；由于氣體沿流路擴(kuò)散并參與反應(yīng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)活性區(qū)出口時(shí)，大部分的氫氣和氧氣已被消耗，反應(yīng)物濃度較低，表現(xiàn)為低電流密度區(qū)。因此，在整個(gè)發(fā)電平面中，電流密度分布存在很大差異。
△極板電流密度分布對(duì)比(路普能源)
加拿大路普能源發(fā)現(xiàn)，通過分區(qū)電流，傳統(tǒng)的極板流場(chǎng)(固定截面)的電流密度分布誤差達(dá)到43%。其eFlowTM技術(shù)的梯形雙極板設(shè)計(jì)，由于氣體流道變窄而增加了氣體流速，使電流密度分布誤差降低到5%，保證了全板電流密度分布的一致性。電流密度分布的高一致性最終使電堆的峰值體積功率密度提高了90%，由于計(jì)量比的降低，燃料消耗降低了16%。
整體或局部欠氣一直是難題，尤其是陽(yáng)極部分缺氣。在反向電流機(jī)制下，陽(yáng)極部分欠氣可形成陰極的高電位，然后碳載體發(fā)生腐蝕。在常見的氫-空逆流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下，陽(yáng)極水管理備受關(guān)注。隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從陽(yáng)極活性區(qū)入口到活性區(qū)出口的氫氣分壓逐漸降低，水蒸氣分壓升高，出口區(qū)域“水淹”風(fēng)險(xiǎn)高，隨時(shí)可能出現(xiàn)局部欠氣。
寶馬在電堆(活性面積287.9?c㎡)在不同時(shí)間經(jīng)歷整車工況的耐久性測(cè)試時(shí)，通過S++分區(qū)電流法發(fā)現(xiàn)，在耐久性測(cè)試過程中，陽(yáng)極入口區(qū)域的電流密度逐漸增大，而出口區(qū)域的電流密度逐漸減小。經(jīng)過300h的耐久性試驗(yàn)后，甚至出現(xiàn)負(fù)電流(上圖白點(diǎn)處)。寶馬分析，這一現(xiàn)象主要是由于陽(yáng)極出口水淹造成局部欠氣所為，導(dǎo)致陰極碳腐蝕，這一點(diǎn)通過SEM表征和氫氣計(jì)量比敏感性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過SEM表征發(fā)現(xiàn)，與陽(yáng)極進(jìn)口區(qū)域的陰極多孔介質(zhì)相比，陽(yáng)極出口對(duì)應(yīng)的陰極多孔介質(zhì)發(fā)生具有腐蝕性和塌陷性。通過氫氣計(jì)量比的敏感性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣計(jì)量比從1.4增加至1.8，陽(yáng)極出口處電流密度分布得到很大改善。
燃料電池的輸出性能受多種操作條件的影響，如氣體壓力、氣體流量、氣體濕度、氫空壓差和電堆溫度等。合理的操作工況，可以有效避免“水淹”和“膜干”狀態(tài)，提高燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高氫利用率，降低輔助功耗。發(fā)電區(qū)的含水量分布間接反映了氣體濃度的分布，對(duì)燃料電池的可靠運(yùn)行和壽命有很大的影響。局部含水量過高，可能引發(fā)欠氣導(dǎo)致催化層衰減；局部含水量過低，可能導(dǎo)致歐姆阻抗增加和質(zhì)子膜衰減。含水量分布深受操作條件的影響，通過操作條件優(yōu)化含水量分布也是開發(fā)階段的一項(xiàng)重要工作。
△水含量分區(qū)表征設(shè)備和結(jié)果示意(本田)
本田通過分區(qū)分布實(shí)驗(yàn)和仿真方法，優(yōu)化了6種對(duì)含水量影響較大的操作條件(陰陽(yáng)極氣體壓力、陰陽(yáng)極氣體流量、冷卻液入口溫度和冷卻液流量)結(jié)果表明，膜電極發(fā)電平面內(nèi)水含量最小值可通過冷卻液入口溫度和陰極氣體入口壓力來控制，最大值可通過冷卻液入口溫度、陰極氣體入口壓力和陰極氣體流量控制。
△水含量分布優(yōu)化
為了充分發(fā)揮膜電極的性能，梯度化設(shè)計(jì)理念被引入到膜電極結(jié)構(gòu)中，并已應(yīng)用于商用化的燃料電池產(chǎn)品中。與傳統(tǒng)膜電極中物質(zhì)的無序分布狀態(tài)相比，梯度化設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)在空間上將離聚物與孔隙等有序分布。目前，膜電極的梯度化主要包括催化層中離聚物與催化劑的梯度化、氣體擴(kuò)散層中疏水性和孔隙率的梯度化。
由于低EW樹脂儲(chǔ)水含量更高，通常在低濕度下具備較好的性能，但在高濕度下由于溶脹傳質(zhì)損失更高。此外，寶馬通過S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)電流、溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，盡管車規(guī)級(jí)燃料電池陰極入口溫度較低，但“膜干”現(xiàn)象依然出現(xiàn)。因此，寶馬制備了在發(fā)電平面方向上離聚物EW呈現(xiàn)梯度化分布的膜電極，即空氣入口區(qū)域?yàn)榈虴W聚合物，空氣出口區(qū)域?yàn)楦逧W聚合物。結(jié)果表明，該離聚物EW呈梯度化分布的膜電極在2.9 A/cm2下性能提升約13%。
S++ Simulation Services（以下簡(jiǎn)稱S++）是一家德國(guó)公司，多年來一直專注于燃料電池的電流密度分布測(cè)量裝置的研發(fā)和制造，為客戶提供相關(guān)的產(chǎn)品以及解決方案。
S++ Simulation Services可以按照客戶的要求完成設(shè)備的定制，未來將持續(xù)研發(fā)用于電流密度分布測(cè)量，空間分辨阻抗譜和單電池電壓測(cè)量的設(shè)備，以滿足用戶更高的需求。S++ Simulation Services的使命是通過數(shù)學(xué)建模、仿真以及測(cè)量技術(shù)來支持燃料電池的開發(fā)。
△S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)
在燃料電池局部條件不同的情況下，會(huì)導(dǎo)致不均勻的質(zhì)量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致不均勻的電流生產(chǎn)。深入了解PEM燃料電池、DMFC 等電化學(xué)電池的關(guān)鍵之一是測(cè)量電流密度分布。在大型燃料電池中，這對(duì)于節(jié)省和可靠的操作以及高壽命是很重要的。
S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量單元是由小型變壓器組成的。磁性材料的磁導(dǎo)率取決于磁化強(qiáng)度和溫度。被測(cè)量的電流Im流過線圈L1，并引起磁性材料的磁化(虛線)。交流電i(t)，提供給 L2，誘導(dǎo)電壓 u(t)進(jìn)入線圈L3。這個(gè)電壓取決于磁性材料的磁導(dǎo)率(虛線)。所以Im的大小具有決定權(quán)。
單個(gè)測(cè)量單元按行和列串聯(lián)進(jìn)行，交流電i1(t)到in(t)將被連續(xù)輸入矩陣以激活行1到n。u1(t)到un(t)的電壓將被采集為測(cè)量信號(hào)。測(cè)量單元不被交流電激活，不會(huì)向測(cè)量信號(hào)傳遞任何信息。一般來說，用2n對(duì)導(dǎo)線可以達(dá)到n2個(gè)測(cè)量點(diǎn)。因此， 連接電線、控制和評(píng)估電子的復(fù)雜性是線性的！這樣，可以很容易地為任意大型燃料電池建立測(cè)量裝置。
△以3×3測(cè)量單元為例
下圖顯示了一個(gè)定制的傳感器板，其活動(dòng)面積為 800cm2，46x36個(gè)測(cè)量單元。幾乎任何設(shè)計(jì)都是可能的，測(cè)量單元的最小尺寸為7x7mm，最大尺寸受到他們必須測(cè)量的電流的限制。
△定制的傳感器板
S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)在燃料電池中可提供詳細(xì)的流場(chǎng)分析、材料詳細(xì)分析、燃料電池優(yōu)化、燃料電池故障診斷、分辨率約7×7毫米、最高可測(cè)電流3A/cm2、最高可測(cè)溫度180°C、有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)也可客制化。
△S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)軟件界面
S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)也適用于大型燃料電池。它通過USB連接到任何電腦，使用便捷！
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：車用燃料電池的分區(qū)設(shè)計(jì)和診斷—S++燃料電池密度與溫度測(cè)試系統(tǒng)
