王睿迪,趙 鑫,郝 冬
(1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300;2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的誕生為利用氫氣轉(zhuǎn)化能量提供了廣闊前景,提高燃料電池耐久性、延長(zhǎng)燃料電池使用壽命始終是學(xué)者們的研究重點(diǎn)。然而,不良的水管理、燃料和氧化劑的缺乏、電池組件的腐蝕以及可能存在的反應(yīng)等問(wèn)題都會(huì)在極大程度上影響燃料電池的壽命和性能。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,水管理不當(dāng)既可能導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部出現(xiàn)膜干,引起質(zhì)子交換膜損壞;也可能發(fā)生水淹,導(dǎo)致電極、催化劑層、氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜的腐蝕,這些都是電池性能顯著下降的原因[1]。良好的水管理對(duì)于PEMFC 的高效、穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要[2]。研究流場(chǎng)中水的分布和排水過(guò)程對(duì)于理解電池排水、改進(jìn)流場(chǎng)以及優(yōu)化電池操作模式具有指導(dǎo)意義,對(duì)PEMFC 技術(shù)的發(fā)展具有促進(jìn)作用[3]。
本文介紹了發(fā)展燃料電池可視化技術(shù)的意義,概括了近年來(lái)燃料電池可視化方法的研究進(jìn)展,對(duì)燃料電池可視化方法的優(yōu)勢(shì)和試驗(yàn)中遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析,為燃料電池可視化技術(shù)的深入研究提供參考意見(jiàn)。
常規(guī)的單電池組成結(jié)構(gòu)依次為絕緣環(huán)氧樹(shù)脂端板-集電銅板(鍍金)-厚石墨單極板(表面加工有蛇形流道)-聚四氟乙烯密封墊片-膜電極(MEA)-聚四氟乙烯密封墊片-厚石墨單極板(表面加工有蛇形流道)-集電銅板(鍍金)-絕緣環(huán)氧樹(shù)脂端板,由四角及邊緣中心點(diǎn)上的8 枚螺絲固定,單電池兩側(cè)配備有陰陽(yáng)極的進(jìn)氣和出氣通道接口共4 個(gè)。MEA 的面積無(wú)固定值,常見(jiàn)的為1 cm×1 cm 或5 cm×5 cm 等。這種不透明的結(jié)構(gòu)很難直接觀察到燃料電池內(nèi)部的傳質(zhì)現(xiàn)象,難以直觀了解水的生成和走向,研究者報(bào)道過(guò)多種可觀測(cè)單電池內(nèi)部水的方法,基本可以分為五大類:中子成像技術(shù)、CT、核磁共振成像(MRI)、氣相色譜(GC)和可視化單電池設(shè)計(jì)。
中子成像技術(shù)[4-6]需要將中子射線穿過(guò)檢測(cè)樣品與其原子核發(fā)生散射、核反應(yīng)等相互作用,利用不同材料對(duì)中子束的不同衰減特性,通過(guò)特定影像技術(shù)將透射電子束中樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(元素組成、密度、空穴等)信息顯示出來(lái),可用來(lái)提供電池內(nèi)部水分分布信息。中子成像技術(shù)雖然可以保證試驗(yàn)電池器件的完整性,可以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)觀測(cè)水的生成和流向,但是受金屬端板對(duì)中子有一定的吸收限制影響,需要將金屬端板替換為一些對(duì)中子吸收能力較小的材料[7]。此外,高通量的中子源也因其設(shè)備龐大且成本昂貴而限制了其廣泛應(yīng)用[8]。
CT 利用X 射線掃描物體進(jìn)行射線成像,無(wú)損燃料電池內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息,可對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行三維可視化研究。目前已實(shí)現(xiàn)二維可視化、三維重建可視化技術(shù)算法優(yōu)化以及基于四維可視化系統(tǒng),但依舊存在三維成像顏色不夠分明、提取的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息精度不夠等問(wèn)題[7]。
核磁共振成像技術(shù)通過(guò)向原子核發(fā)射射頻磁場(chǎng),觀察原子核弛豫時(shí)發(fā)射的射電信號(hào),利用計(jì)算機(jī)軟件處理所得信號(hào)獲取圖像。核磁共振氫譜(1H NMR)方法對(duì)于獲取PEMFC 催化層和質(zhì)子交換膜內(nèi)存在的水傳遞信息有極大優(yōu)勢(shì),但對(duì)于容易水淹的擴(kuò)散層和流道的在線觀測(cè)很難實(shí)現(xiàn)[3]。另外,鑒于核磁共振方法涉及強(qiáng)磁性環(huán)境,要求構(gòu)成燃料電池的組成結(jié)構(gòu)中不能出現(xiàn)鐵磁性元素,為了降低NMR 信號(hào)的噪音,也需要盡可能少使用導(dǎo)電性高的材料,燃料電池的整體結(jié)構(gòu)通常面臨較大的變動(dòng)[9]。
氣相色譜技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)氣體組分的變化,對(duì)整個(gè)PEMFC 系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)不同位置的水分布信息都可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且對(duì)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在的H2、O2、N2等氣體組分信息都可一次性獲取,且設(shè)備相對(duì)中子成像技術(shù)、CT、核磁共振成像技術(shù)儀器更簡(jiǎn)單、造價(jià)較低,但無(wú)法通過(guò)該方法得到系統(tǒng)中液態(tài)水的出現(xiàn)和位置信息。
常見(jiàn)的可視化單電池組成結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)為:透明端板(帶硅橡膠密封圈)-石墨/金屬鏤空板-厚石墨單極板-聚四氟乙烯密封墊片-膜電極,受研究目標(biāo)、材料影響并無(wú)定規(guī),透明端板的材質(zhì)、透明結(jié)構(gòu)的組成部件等均可有不同設(shè)計(jì)。根據(jù)選擇陰/陽(yáng)極單側(cè)可視化或陰陽(yáng)極雙側(cè)可視化,將常規(guī)端板等用透明裝置替換。相比于中子成像、CT、核磁共振這些間接觀測(cè)方法,可視化單電池的設(shè)計(jì)則使得觀測(cè)PEMFC 運(yùn)行過(guò)程中水的生成和在流道中的流向變得更為直觀,極大地降低了對(duì)大型測(cè)試儀器的需求和儀器運(yùn)行導(dǎo)致的高昂成本,可視化單電池本身的價(jià)格并不高昂,兼顧了經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性。但是,可視化單電池系統(tǒng)中透明結(jié)構(gòu)的引入通常伴隨整個(gè)系統(tǒng)性能的大幅下降,因此對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)化和進(jìn)一步研究至關(guān)重要。
從目前的各類研究手段來(lái)看,沒(méi)有任何一種方式能夠兼顧燃料電池性能不變、實(shí)時(shí)觀測(cè)、方法簡(jiǎn)單、容易觀測(cè)、測(cè)試成本低廉等需求。上述五大類手段中除可視化單電池設(shè)計(jì)外,均涉及到其他輔助觀測(cè)儀器的使用,并且相對(duì)復(fù)雜。以往受各種因素影響,少有研究者系統(tǒng)地研究如何設(shè)計(jì)可視化單電池、盡可能減少可視化結(jié)構(gòu)對(duì)單電池性能降低的影響,使電池在較高性能下對(duì)水進(jìn)行可視化觀測(cè)。
自2003 年研究人員首次運(yùn)用可視化方法觀測(cè)PEMFC 陰極側(cè)流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的生成和流動(dòng)[10],觀察到生成液滴直徑的變化規(guī)律以來(lái),研究者們針對(duì)不同試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)出了各種材質(zhì)的單電池,常見(jiàn)的流場(chǎng)板材質(zhì)有不銹鋼/白鋼、石墨、銅/黃銅、鈦、鋁等。
2003 年,Tüber 等[11]為了明確區(qū)分電池性能的影響因素,使用不銹鋼材質(zhì)作為陽(yáng)極板,有機(jī)玻璃作為可視窗,將不銹鋼流場(chǎng)板固定在蓋板插槽中,與銅線相連實(shí)現(xiàn)負(fù)載所需的電流流動(dòng),通過(guò)可視窗觀察陰極流道中液態(tài)水的傳輸。極板采用雙空氣通道設(shè)計(jì),流道寬1.5 mm,深1 mm,全長(zhǎng)共50 mm,從左側(cè)流向右側(cè)。質(zhì)子交換膜的有效面積為62 mm× 6.5 mm,固定螺絲共8 枚,使用1 N·m 的扭矩緊固,保證接觸電阻一致,提高了試驗(yàn)的可重復(fù)性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),30 ℃下膜的水合效果更好,親水性氣體擴(kuò)散層(GDL)對(duì)電流密度的提升有促進(jìn)作用。由于不銹鋼材質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均較好,因此不銹鋼鏤空板可以同時(shí)充當(dāng)流場(chǎng)板和集電板。
2004 年,Yang 等[12]將聚合物電解質(zhì)燃料電池不銹鋼板進(jìn)行機(jī)械加工,得到1 mm 寬、100 mm 長(zhǎng)、1 mm 厚、相隔1 mm 的7 條流道,然后對(duì)鋼板進(jìn)行鍍金,將其設(shè)置為陰陽(yáng)極的流場(chǎng)板。使用聚碳酸酯板作為可視化裝置,最外側(cè)用鋼板固定。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置擁有良好的電化學(xué)性能,可以觀察到液態(tài)水在GDL 表面的產(chǎn)生過(guò)程。
2007 年,Spernjak 等[13]使用加工有單蛇形流道的不銹鋼板作為集電器,聚碳酸酯端板作為可視窗口,并在可視窗口下安裝加熱裝置使其避免起霧,用以研究各種GDL 材料的兩相流動(dòng)力學(xué)。單電池可視化窗口的起霧現(xiàn)象對(duì)氣液兩相流的觀察會(huì)帶來(lái)不利影響,該設(shè)計(jì)可以避免起霧現(xiàn)象,極大地推動(dòng)了單電池可視化技術(shù)的發(fā)展。
2006 年,馬海鵬等[14]設(shè)計(jì)了大面積(有效反應(yīng)面積120 cm2)陰極可視化單電池,在白鋼板上利用線切割加工技術(shù)得到直條流道,在陽(yáng)極水腔通入循環(huán)水進(jìn)行控溫,對(duì)陰極流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的生成和傳遞進(jìn)行研究,獲取了流道內(nèi)的實(shí)際水分布,為流場(chǎng)的改進(jìn)和電池性能的提升提供了試驗(yàn)依據(jù)。白鋼的工藝性能良好,可以用來(lái)制作薄刃等耐沖擊力的金屬切削工具,和不銹鋼相比,耐腐蝕性較差,因此在相關(guān)領(lǐng)域研究中并不多見(jiàn)。
2017 年,黃浩暉等[15]設(shè)計(jì)了一種使用不銹鋼金屬板作為電池極板的可視化燃料電池,使用透明亞克力有機(jī)玻璃作為燃料電池可視窗。不銹鋼金屬板易加工且導(dǎo)電性能良好,使用線切割技術(shù)獲得平行流場(chǎng),將其固定在透明亞克力板和MEA 之間。通過(guò)試驗(yàn)獲得了60 ℃工況下電池的排水性能。
在燃料電池可視化設(shè)計(jì)過(guò)程中,鏤空流場(chǎng)板材質(zhì)的選擇多以石墨和不銹鋼材質(zhì)為主,相對(duì)于石墨流場(chǎng)板,使用不銹鋼作為流場(chǎng)板具有更好的熱傳導(dǎo),整體極板溫度較均勻,對(duì)控溫位置的要求更低,同時(shí),作為集流板,電子傳導(dǎo)效率更高。然而,不銹鋼材質(zhì)對(duì)加工工藝的要求也更高,可能會(huì)出現(xiàn)流道加工實(shí)現(xiàn)困難或流道寬度均勻性較差的現(xiàn)象,耐久性略差,長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水蒸氣/水環(huán)境中,也易生銹,為提高不銹鋼鏤空板的耐腐蝕性,可為流場(chǎng)板鍍金。
聚合物電解質(zhì)燃料電池研究中很早便出現(xiàn)了石墨材質(zhì)流場(chǎng)板的應(yīng)用。2004 年,Hakenjos 等[16]對(duì)聚合物電解質(zhì)燃料電池的陰極進(jìn)行可視化設(shè)計(jì),采用石墨板作為陰極流場(chǎng)板,對(duì)其加工寬1 mm 的蛇形單流道,流道兩側(cè)有1 mm 寬的肋,使用塑料材質(zhì)作為端板。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有效區(qū)域上的夾緊壓力對(duì)電池的接觸電阻有較大影響,而電池接觸電阻的大小則對(duì)電池的性能有較明顯影響。早期試驗(yàn)中,研究者對(duì)可視化單電池接觸電阻的控制主要集中于保證緊固扭矩不變,未對(duì)影響接觸電阻大小的其他因素進(jìn)行研究。對(duì)于不同材質(zhì)組成的單電池,緊固螺絲的扭矩設(shè)置往往有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。
2005 年,Sugiura 等[17]使用碳作為陽(yáng)極隔板,聚碳酸酯作為陰極隔板,將能導(dǎo)電的集流板加工出直流型/蛇形氣體通道覆蓋在聚碳酸酯板下,將留有觀察窗的加熱片加裝在陰極隔板外。通過(guò)大量試驗(yàn)證明了引入吸水層對(duì)緩解水淹現(xiàn)象有促進(jìn)作用。
2006 年,馬海鵬等[18]采用石墨板作為陰陽(yáng)極流場(chǎng)板(同時(shí)作為集流板),加裝可視化窗口對(duì)直條單流道質(zhì)子交換膜燃料電池陰極的排水過(guò)程進(jìn)行了研究。同年,馬海鵬等[19]使用石墨作為流場(chǎng)板,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了直條單流道帶可視化觀察窗口的單電池,得到增濕溫度與氣體流速對(duì)電池陰極流道液態(tài)水分布和排水過(guò)程的影響。
2009 年,郭航等[20]分別設(shè)計(jì)了蛇形流道的陰陽(yáng)極石墨流場(chǎng)板,陰陽(yáng)極的進(jìn)氣和出氣口均設(shè)計(jì)為上進(jìn)下出。通過(guò)對(duì)常重力和微重力條件下PEMFC 陰極流場(chǎng)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化觀測(cè),發(fā)現(xiàn)微重力條件下流道底部積存的液態(tài)水更易排出,對(duì)減小氣體傳質(zhì)阻力、提升大電流條件下燃料電池的性能更有利。
2015 年,王晨等[21]分別對(duì)可視化單電池的陽(yáng)極、陰極、陰陽(yáng)兩極進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)。通過(guò)與常規(guī)單電池進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)使用石墨鏤空板和聚碳酸酯端板設(shè)計(jì)透明電池時(shí),可視化單電池性能下降。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能來(lái)自于石墨鏤空板裝配時(shí)發(fā)生形變引發(fā)的氣體擴(kuò)散層和石墨鏤空板的接觸電阻增加。
2016 年,阮慎銳等[22]使用石墨作為流場(chǎng)板和集流板,針對(duì)使用實(shí)心聚碳酸酯端板作為透明端板時(shí),聚碳酸酯材料導(dǎo)熱性能不佳造成燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的水霧在端板上聚集的現(xiàn)象,開(kāi)發(fā)了使用中空聚碳酸酯端板替代實(shí)心聚碳酸酯端板,并在溶液腔內(nèi)通入加熱的丙三醇溶液外加熱循環(huán)通入溶液腔內(nèi)的方法,可避免可視化結(jié)構(gòu)起霧造成的觀測(cè)困難。這種方法進(jìn)一步降低了可視化窗口起霧對(duì)氣液兩相流觀察的影響,但操作過(guò)程較為復(fù)雜,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上尚有優(yōu)化空間。
不銹鋼和石墨材質(zhì)流場(chǎng)板在可視化PEMFC 的設(shè)計(jì)中是最常見(jiàn)的兩類材料。一些研究者傾向于選擇石墨鏤空板作為流場(chǎng)板和集流板,石墨材質(zhì)可導(dǎo)電且容易加工,造價(jià)相對(duì)較低,耐腐蝕性好,不生銹,擁有良好的耐久性。但同時(shí),石墨質(zhì)地較脆,在緊固螺栓時(shí)扭矩過(guò)大或受力不均時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)裂紋或損壞,受石墨強(qiáng)度所限,也不能用來(lái)設(shè)計(jì)深度較小的流道。另一方面,石墨的導(dǎo)熱性能略差,使用石墨板作為陰極流場(chǎng)板時(shí),黏貼加熱片進(jìn)行加熱效率很低,且整片石墨板受熱不均,對(duì)控溫造成困難。
2006 年,Weng 等[23]使用黃銅作為極板,通過(guò)在延伸的黃銅板上加裝加熱器或空氣散熱完成對(duì)電池的溫度控制,使用丙烯酸材質(zhì)作為透明端板,設(shè)計(jì)了雙極板有效面積為100 mm×100 mm 的可視化單電池。利用該裝置觀察了不同工況下陰極流道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)情況,揭示了不同化學(xué)計(jì)量比時(shí)的氣體流速和加濕情況對(duì)PEMFC 性能的影響。
2011 年,Zhan 等[24]使用銅制鏤空板作為可視化單電池的流場(chǎng)板和集電板,塑料材質(zhì)作為可視化端板。通過(guò)試驗(yàn)研究了不同工況下流道內(nèi)水的傳輸現(xiàn)象,對(duì)電池內(nèi)部氣體通道轉(zhuǎn)彎處的液態(tài)水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了觀察,測(cè)量了不同工況下燃料電池的性能和內(nèi)阻。
銅的導(dǎo)電性能好,但耐腐蝕性能較差,不適合長(zhǎng)期置于潮濕水蒸氣中,可能生銹。
鋁材質(zhì)作為可視化PEMFC 流場(chǎng)板的應(yīng)用較為少見(jiàn)。2011 年,王世學(xué)等[25]設(shè)計(jì)了采用石墨板作為陽(yáng)極流道板、表面鍍金的鏤空鋁板和有機(jī)玻璃板構(gòu)成陰極流道板的可視化直流道單電池,兩側(cè)極板與端板之間設(shè)有冷卻水通道。在不同試驗(yàn)工況下對(duì)陰極流道和GDL 的凝結(jié)水生成過(guò)程進(jìn)行觀測(cè),對(duì)嚴(yán)重影響單電池內(nèi)陰極流場(chǎng)中液體水的影響因素進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)水淹現(xiàn)象不僅僅與氣體濕度相關(guān),還與電極距離和氣體入口位置有關(guān)。
2018 年,Rao 等[26]將MEA 夾持在兩片高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性的鈦制極板間,并充當(dāng)集流板,板上刻蝕有寬2 mm 深1 mm、間距2 mm 的流道。在流場(chǎng)板的延伸區(qū)域,加裝加熱線圈對(duì)單電池陰陽(yáng)極進(jìn)行加熱,當(dāng)達(dá)到加熱溫度上限值時(shí),通過(guò)空氣自由或強(qiáng)制對(duì)流降溫,在延伸區(qū)域固定銅塊,達(dá)到燃料電池控溫的目的。MEA 兩側(cè)分別墊有0.3 mm 厚的硅膠橡板,用于防止氣體泄漏并提供正確的壓縮力、保證電絕緣??梢暬翱谑褂? mm 厚的透明丙烯酸板,用開(kāi)有觀測(cè)窗口的厚不銹鋼端板覆蓋,避免對(duì)鈦制極板產(chǎn)生彎曲作用,最后用四個(gè)螺紋接頭固定擰緊,利用該裝置研究施加在螺栓上的扭矩對(duì)單電池性能的影響。
目前鈦制流場(chǎng)板在可視化PEMFC 中應(yīng)用較少,鈦材質(zhì)強(qiáng)度大、密度小、硬度大,抗腐蝕性能良好,高純度時(shí)具有良好的可塑性,在滿足單電池試驗(yàn)的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步減輕質(zhì)量,加工難易程度與不銹鋼類似,應(yīng)用場(chǎng)景較為廣闊。
綜上所述,研究者們?yōu)檫_(dá)到不同的試驗(yàn)?zāi)康膶?duì)可視化端板的材料、流道設(shè)計(jì)、可視化單電池活性面積、可視化窗口面積、單側(cè)/雙側(cè)可視化、可視化單電池外觀、控溫方式等進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研究和優(yōu)化。在早期研究中,可視化單電池開(kāi)發(fā)的目的是為了更直觀地為燃料電池水管理技術(shù)研究提供試驗(yàn)依據(jù),因此研究者們更關(guān)心燃料電池運(yùn)行過(guò)程下,改變工況時(shí)液態(tài)水的產(chǎn)生和流道中液態(tài)水流動(dòng)等問(wèn)題,并未集中關(guān)注可視化單電池引入可視化透明結(jié)構(gòu)后運(yùn)行狀態(tài)中出現(xiàn)的性能下降問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)象,前期研究者主要采用固定扭矩限制螺栓擰緊程度來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸電阻一致,維持電池性能穩(wěn)定性和試驗(yàn)可重復(fù)性;后期研究者則對(duì)性能下降的可能因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。盡管多樣化的設(shè)計(jì)方法提供了更多的設(shè)計(jì)思路,但是研究者們?cè)O(shè)計(jì)的可視化電池外觀往往差異較大,使得后續(xù)研究很難通過(guò)對(duì)比前人試驗(yàn)結(jié)果得到單電池設(shè)計(jì)的最優(yōu)方法。
可視化單電池透明結(jié)構(gòu)的引入為直觀即時(shí)了解燃料電池內(nèi)部液態(tài)水的出現(xiàn)過(guò)程提供了便利,研究者可以在設(shè)計(jì)不同流道、更換不同GDL 材料、調(diào)整進(jìn)出氣管道位置等方面對(duì)不同工況下單電池運(yùn)行過(guò)程中水的產(chǎn)生位置和水流的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀察,為進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池水管理策略提供思路。在合理設(shè)計(jì)中,可視化單電池透明端板可以實(shí)現(xiàn)無(wú)霧氣凝聚,結(jié)合高分辨率照相/攝像技術(shù),測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單快捷。研究者的重點(diǎn)回歸到可視化單電池的設(shè)計(jì)本身,避免了不熟悉大型儀器操作、數(shù)據(jù)處理困難帶來(lái)的不便,降低了試驗(yàn)成本。
然而,在可視化單電池的設(shè)計(jì)和實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,也面臨著一些問(wèn)題。首先,作為流場(chǎng),石墨板加工工藝簡(jiǎn)單,但是質(zhì)地較脆,單電池緊固螺栓時(shí)需要更加小心,損壞風(fēng)險(xiǎn)較高,且導(dǎo)熱性能略差,當(dāng)采用加長(zhǎng)石墨板粘附加熱片進(jìn)行加溫時(shí),可能存在一定的溫差影響試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí),與金屬鏤空板相比,石墨鏤空板的導(dǎo)電性能較差,與普通單電池相比性能有所下降;其次,雖然使用金屬板作為流場(chǎng)板和集電板時(shí)導(dǎo)電性能更好,也可耐腐蝕,能夠滿足較高溫度和濕度下的測(cè)試需求,但耐久性相對(duì)略差,對(duì)加工水平要求更高;最后,引入透明結(jié)構(gòu)后,可視化單電池與普通單電池性能相比有所下降,影響其性能的因素可能為使用石墨鏤空板和透明端板進(jìn)行固定時(shí)發(fā)生的形變。
此外,絕大多數(shù)文獻(xiàn)并未對(duì)單電池控溫位置進(jìn)行說(shuō)明,在實(shí)際應(yīng)用中,普通單電池材質(zhì)更均勻、導(dǎo)熱性能更好,控溫位置相對(duì)一致??梢暬疨EMFC 透明結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差,并不都適合在結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)留熱電偶插孔,也可能存在受熱不均的情況影響熱電偶的測(cè)試,有待進(jìn)一步優(yōu)化。在替換為透明結(jié)構(gòu)之后,加熱裝置的位置也可能會(huì)因?yàn)椴馁|(zhì)的改變需要進(jìn)行變動(dòng),單獨(dú)使用加熱片的加熱速率要遠(yuǎn)低于使用加熱棒或同時(shí)使用加熱片和加熱棒,而且可能存在受熱不均現(xiàn)象,這也需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能滿足電池設(shè)置的工作溫度,降低了試驗(yàn)效率。
在可視化單電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域,研究主要集中于透明結(jié)構(gòu)的清晰度上。可視化電池技術(shù)出現(xiàn)以來(lái),始終缺乏對(duì)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的整理;也沒(méi)有研究者對(duì)不同結(jié)構(gòu)、材料的可視化電池在同一工況下進(jìn)行性能對(duì)比和分析;可視化電池的有效活性面積大小不一,導(dǎo)致研究者很難通過(guò)橫向?qū)Ρ攘私饪梢暬姵乇旧硎欠襁_(dá)到良好性能。而引入透明結(jié)構(gòu)的情況下使PEMFC 盡可能維持更高性能是十分必要的。為了更好地為燃料電池水管理提供試驗(yàn)依據(jù),對(duì)可視化單電池的研究還應(yīng)在電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化、構(gòu)成電池的材料篩選、加熱方式、集電板和設(shè)計(jì)流道的方式等方面多做關(guān)注。
本文對(duì)PEMFC 可視化方法的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與總結(jié),提出了實(shí)際操作過(guò)程中研究者通常會(huì)面臨的問(wèn)題??傮w而言,設(shè)計(jì)可視化單電池的初衷是為了更好地觀察實(shí)際工況下流場(chǎng)內(nèi)的水管理情況,目前可視化PEMFC 的透明結(jié)構(gòu)多樣,普遍面臨性能降低的困難。在未來(lái)研究中,對(duì)可視化單電池的優(yōu)化可在流場(chǎng)板(集電板)材質(zhì)、透明端板與其他結(jié)構(gòu)緊固方式、加熱位置等方面做進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)。