質(zhì)子交換膜燃料電池可視化方法的綜述

朱萬超 周常偉

【摘 ?要】目前對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池水氣傳輸?shù)目梢暬芯糠椒ㄓ泻芏?。本文主要介紹了幾種研究燃料電池的傳輸傳遞現(xiàn)象的可視化手段：可視化透明燃料電池觀測(cè)、中子成像技術(shù)、熒光顯微鏡方法和核磁共振顯微鏡方法。其中可視化透明燃料電池觀測(cè)最直接有效，而且可視化透明燃料電池曾廣泛的運(yùn)用于兩相流實(shí)驗(yàn)研究中。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)子交換膜燃料電池;水氣傳輸;可視化

1可視化透明燃料電池觀測(cè)

該方法需要設(shè)計(jì)一種透明結(jié)構(gòu)的單電池，使之可以清晰的觀測(cè)到流道內(nèi)的水氣傳輸以及真實(shí)地展現(xiàn)液滴或氣泡在流道內(nèi)的生成以及發(fā)展過程，有利于了解其進(jìn)化機(jī)制，從而進(jìn)一步優(yōu)化水氣管理，提高電池性能。Fang-Bor Weng等人[1]（2006）用透明材料（亞克力）來設(shè)計(jì)燃料電池的夾具和流場(chǎng)，用高速攝像機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備來拍攝電池內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)。

可視化方法是研究電池內(nèi)部流場(chǎng)內(nèi)兩相流動(dòng)非常重要的一種方法。該實(shí)驗(yàn)方法可以真實(shí)的展示氣泡或水滴在流道內(nèi)部的生成過程及運(yùn)動(dòng)軌跡，有利于了解其內(nèi)部機(jī)理，便于優(yōu)化燃料電池的水氣傳輸，提高其性能和穩(wěn)定性。

2中子成像技術(shù)

中子照相是基于射線穿過物體時(shí)會(huì)發(fā)生衰減的基本原理[2]。當(dāng)中子入射到待照的樣品后，由于中子與樣品中的原子核發(fā)生相互作用散射和核反應(yīng)，使得透射中子的強(qiáng)度和空間分布發(fā)生變化。因?yàn)椴煌牟牧蠈?duì)中子束有不同的衰減特性，這種作用的強(qiáng)弱與發(fā)生作用局部區(qū)域中樣品所包含材料的性質(zhì)密度、組成元素、空穴等有關(guān)，所以透射中子束即包含樣品內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)的信息，再利用特定的技術(shù)和相關(guān)的影像技術(shù)將透射中子注量率的空間分布顯示出來，就可獲得待照樣品內(nèi)部所含材料的空間分布、密度變化、各種缺陷等綜合信息，這就是中子照相的基本原理。

中子照相無需拆卸，無需改變結(jié)構(gòu)即可觀測(cè)和測(cè)量的先進(jìn)技術(shù)，R.Satija等人（2004）使用中子成像技術(shù)，觀測(cè)工作狀態(tài)下質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的水氣傳輸、水的瞬態(tài)變化和流動(dòng)情況。最大的劣勢(shì)就是區(qū)分不開陰陽兩極流道內(nèi)的液態(tài)水，不能清晰的觀測(cè)單一級(jí)面中液態(tài)水的形態(tài)。

3熒光顯微鏡方法[3]

Bazylak等人（2007）和 Litster等人（2006）利用熒光顯微鏡方法來可視化研究水在GDL內(nèi)的傳輸情況，染色的溶液被注射通過 PEMFC氣體擴(kuò)散層，通過把熒光染料放射的光強(qiáng)和流體表面的形狀關(guān)聯(lián)起來，可以看出流體在不同時(shí)刻的不同表現(xiàn)，因而可以對(duì)液滴通過 GDL纖維結(jié)構(gòu)時(shí)的傳輸情況進(jìn)行可視化研究。此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)跟蹤觀察氣液兩相流動(dòng)的界面，對(duì)于研究液滴流過小孔時(shí)的動(dòng)力學(xué)提供獨(dú)特的見解。

實(shí)驗(yàn)裝置由用于熒光顯微鏡的光學(xué)顯微鏡，冷卻的CCD照相機(jī)，數(shù)控注射泵和用于通過GDL泵送熒光素染料的組件組成。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如下。

4核磁共振顯微鏡方法

Shohji Tsushima等人（2005）使用磁共振成像（MRI）測(cè)量在有和沒有液態(tài)水供應(yīng)的燃料電池操作下聚合物電解質(zhì)膜中的水含量分布。他們通過向膜提供液態(tài)水來增加膜中的水含量，并因此降低膜的電阻來改善電池性能。該研究還表明，MRI是一種很有前途的方法，用于研究在運(yùn)行條件下燃料電池膜中水的分布。

此外，還有電子掃描顯微鏡方法和微型 X 線體層照相術(shù)等可視化手段研究燃料電池中的傳輸傳遞現(xiàn)象[4]。

結(jié)論

通過對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的幾種常見可視化方法的歸納總結(jié)可以看出，可視化透明燃料電池觀測(cè)研究是研究燃料電池性能最直接有效的方法，而且其曾廣泛運(yùn)用于兩相流實(shí)驗(yàn)研究中。可視化方法的發(fā)展對(duì)改善燃料電池工作效率具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Fang-Bor Weng，Ay Su，Chun-Ying Hsu，et al.Study of water-flooding behaviour in cathode channel of a transparent proton-exchange membrane fuel cell[J].Journal of Power Sources，2006，157（2）：674-680.

[2] Turhan A，Heller K，Brenizer J S，et al.Quantification of liquid water accumulation and distribution in a polymer electrolyte fuel cell using neutron imaging[J].Journal of Power Sources，2006，160（2）：1195-1203.

[3] 朱道學(xué)，張瑞，陳金芳.可視化方法在化工傳遞研究過程中的進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（06）：1-5.

[4] 張新豐，章桐，ZhangXinfeng，et al.質(zhì)子交換膜燃料電池水含量實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（9）：2151-2160.

作者簡(jiǎn)介：

朱萬超（1992.07-），山東省臨沂市人，民族漢族，在讀研究生，現(xiàn)就讀于山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究方向：質(zhì)子交換膜燃料電池流道設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

（作者單位：山東建筑大學(xué)）