燃料電池單堆功率的持續突破促使發電活性面積不斷增加，會導致活性區內電流分布一致性變差，豐田、本田、寶馬等車企都把分區診斷技術作為燃料電池設計開發階段的重要手段。
車用燃料電池堆通常由數百個燃料電池發電單元組成，單個電池的活性面積在250~350?c㎡區間內。保證每個發電單元平面各局部區域物理參數的均勻性和一致性是燃料電池設計和開發的重要環節。在燃料電池發電平面內，反應氣在氣體流動的方向上逐漸消耗，生成水逐漸積累，冷卻液流動方向上溫度逐漸變化，多項物理參數包括濕度、溫度、濃度、氣壓等在內，在平面上存在分布差異，顯示出電流密度分布不均勻。
△燃料電池發電平面電流密度差異現象
如果電流密度分布差異過大，則活性面積各區域物理操作參數差異較大。短期內，局部電壓差形成面內電流并導致電壓損失，性能下降，反應氣利用率低，從而導致低效率和高成本。從長遠來看，局部區域氣體不足和高溫會對電堆的耐久性造成威脅。因此，在極板結構設計、機理診斷、電極梯度設計、操作工況設計等階段，要密切關注發電平面內物理參數的分布一致性，尤其是電流密度分布。
△溫度分布測量案例
△水含量分布測量案例
電流密度實質上代表每單位活性面積每單位時間內氫氣和氧氣的反應量(或水的生成量)。在傳統的燃料電池流場(如直流場)中，大量燃料在反應活性區入口處參與電化學反應，一般呈現高電流密度區；由于氣體沿流路擴散并參與反應，當到達活性區出口時，大部分的氫氣和氧氣已被消耗，反應物濃度較低，表現為低電流密度區。因此，在整個發電平面中，電流密度分布存在很大差異。
△極板電流密度分布對比(路普能源)
加拿大路普能源發現，通過分區電流，傳統的極板流場(固定截面)的電流密度分布誤差達到43%。其eFlowTM技術的梯形雙極板設計，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，尤其是陽極部分缺氣。在反向電流機制下，陽極部分欠氣可形成陰極的高電位，然后碳載體發生腐蝕。在常見的氫-空逆流進氣結構下，陽極水管理備受關注。隨著電化學反應的進行，從陽極活性區入口到活性區出口的氫氣分壓逐漸降低，水蒸氣分壓升高，出口區域“水淹”風險高，隨時可能出現局部欠氣。
寶馬在電堆(活性面積287.9?c㎡)在不同時間經歷整車工況的耐久性測試時，通過S++分區電流法發現，在耐久性測試過程中，陽極入口區域的電流密度逐漸增大，而出口區域的電流密度逐漸減小。經過300h的耐久性試驗后，甚至出現負電流(上圖白點處)。寶馬分析，這一現象主要是由于陽極出口水淹造成局部欠氣所為，導致陰極碳腐蝕，這一點通過SEM表征和氫氣計量比敏感性實驗驗證。通過SEM表征發現，與陽極進口區域的陰極多孔介質相比，陽極出口對應的陰極多孔介質發生具有腐蝕性和塌陷性。通過氫氣計量比的敏感性發現，當氫氣計量比從1.4增加至1.8，陽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，提高燃料電池運行的穩定性，提高氫利用率，降低輔助功耗。發電區的含水量分布間接反映了氣體濃度的分布，對燃料電池的可靠運行和壽命有很大的影響。局部含水量過高，可能引發欠氣導致催化層衰減；局部含水量過低，可能導致歐姆阻抗增加和質子膜衰減。含水量分布深受操作條件的影響，通過操作條件優化含水量分布也是開發階段的一項重要工作。
△水含量分區表征設備和結果示意(本田)
本田通過分區分布實驗和仿真方法，優化了6種對含水量影響較大的操作條件(陰陽極氣體壓力、陰陽極氣體流量、冷卻液入口溫度和冷卻液流量)結果表明，膜電極發電平面內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。
△水含量分布優化
為了充分發揮膜電極的性能，梯度化設計理念被引入到膜電極結構中，并已應用于商用化的燃料電池產品中。與傳統膜電極中物質的無序分布狀態相比，梯度化設計可以根據設計目標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、氣體擴散層中疏水性和孔隙率的梯度化。
由于低EW樹脂儲水含量更高，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損失更高。此外，寶馬通過S++燃料電池密度與溫度測試系統進行分區電流、溫度測試發現，盡管車規級燃料電池陰極入口溫度較低，但“膜干”現象依然出現。因此，寶馬制備了在發電平面方向上離聚物EW呈現梯度化分布的膜電極，即空氣入口區域為低EW聚合物，空氣出口區域為高EW聚合物。結果表明，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（以下簡稱S++）是一家德國公司，多年來一直專注于燃料電池的電流密度分布測量裝置的研發和制造，為客戶提供相關的產品以及解決方案。
S++ Simulation Services可以按照客戶的要求完成設備的定制，未來將持續研發用于電流密度分布測量，空間分辨阻抗譜和單電池電壓測量的設備，以滿足用戶更高的需求。S++ Simulation Services的使命是通過數學建模、仿真以及測量技術來支持燃料電池的開發。
△S++燃料電池密度與溫度測試系統
在燃料電池局部條件不同的情況下，會導致不均勻的質量轉換，導致不均勻的電流生產。深入了解PEM燃料電池、DMFC 等電化學電池的關鍵之一是測量電流密度分布。在大型燃料電池中，這對于節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試系統的測量單元是由小型變壓器組成的。磁性材料的磁導率取決于磁化強度和溫度。被測量的電流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，誘導電壓 u(t)進入線圈L3。這個電壓取決于磁性材料的磁導率(虛線)。所以Im的大小具有決定權。
單個測量單元按行和列串聯進行，交流電i1(t)到in(t)將被連續輸入矩陣以激活行1到n。u1(t)到un(t)的電壓將被采集為測量信號。測量單元不被交流電激活，不會向測量信號傳遞任何信息。一般來說，用2n對導線可以達到n2個測量點。因此， 連接電線、控制和評估電子的復雜性是線性的！這樣，可以很容易地為任意大型燃料電池建立測量裝置。
△以3×3測量單元為例
下圖顯示了一個定制的傳感器板，其活動面積為 800cm2，46x36個測量單元。幾乎任何設計都是可能的，測量單元的最小尺寸為7x7mm，最大尺寸受到他們必須測量的電流的限制。
△定制的傳感器板
S++燃料電池密度與溫度測試系統在燃料電池中可提供詳細的流場分析、材料詳細分析、燃料電池優化、燃料電池故障診斷、分辨率約7×7毫米、最高可測電流3A/cm2、最高可測溫度180°C、有標準型號也可客制化。
△S++燃料電池密度與溫度測試系統軟件界面
S++燃料電池密度與溫度測試系統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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原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：車用燃料電池的分區設計和診斷—S++燃料電池密度與溫度測試系統
