質子交換膜燃料電池可視化方法的綜述

朱萬超 周常偉

【摘 ?要】目前對質子交換膜燃料電池水氣傳輸的可視化研究方法有很多。本文主要介紹了幾種研究燃料電池的傳輸傳遞現象的可視化手段：可視化透明燃料電池觀測、中子成像技術、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最直接有效，而且可視化透明燃料電池曾廣泛的運用于兩相流實驗研究中。

【關鍵詞】質子交換膜燃料電池;水氣傳輸;可視化

1可視化透明燃料電池觀測

該方法需要設計一種透明結構的單電池，使之可以清晰的觀測到流道內的水氣傳輸以及真實地展現液滴或氣泡在流道內的生成以及發展過程，有利于了解其進化機制，從而進一步優化水氣管理，提高電池性能。Fang-Bor Weng等人[1]（2006）用透明材料（亞克力）來設計燃料電池的夾具和流場，用高速攝像機等傳統設備來拍攝電池內的氣液兩相流動。

可視化方法是研究電池內部流場內兩相流動非常重要的一種方法。該實驗方法可以真實的展示氣泡或水滴在流道內部的生成過程及運動軌跡，有利于了解其內部機理，便于優化燃料電池的水氣傳輸，提高其性能和穩定性。

2中子成像技術

中子照相是基于射線穿過物體時會發生衰減的基本原理[2]。當中子入射到待照的樣品后，由于中子與樣品中的原子核發生相互作用散射和核反應，使得透射中子的強度和空間分布發生變化。因為不同的材料對中子束有不同的衰減特性，這種作用的強弱與發生作用局部區域中樣品所包含材料的性質密度、組成元素、空穴等有關，所以透射中子束即包含樣品內部成分和結構的信息，再利用特定的技術和相關的影像技術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，無需改變結構即可觀測和測量的先進技術，R.Satija等人（2004）使用中子成像技術，觀測工作狀態下質子交換膜燃料電池內部的水氣傳輸、水的瞬態變化和流動情況。最大的劣勢就是區分不開陰陽兩極流道內的液態水，不能清晰的觀測單一級面中液態水的形態。

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內的傳輸情況，染色的溶液被注射通過 PEMFC氣體擴散層，通過把熒光染料放射的光強和流體表面的形狀關聯起來，可以看出流體在不同時刻的不同表現，因而可以對液滴通過 GDL纖維結構時的傳輸情況進行可視化研究。此項技術可以實時跟蹤觀察氣液兩相流動的界面，對于研究液滴流過小孔時的動力學提供獨特的見解。

實驗裝置由用于熒光顯微鏡的光學顯微鏡，冷卻的CCD照相機，數控注射泵和用于通過GDL泵送熒光素染料的組件組成。實驗裝置的示意圖如下。

4核磁共振顯微鏡方法

Shohji Tsushima等人（2005）使用磁共振成像（MRI）測量在有和沒有液態水供應的燃料電池操作下聚合物電解質膜中的水含量分布。他們通過向膜提供液態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 線體層照相術等可視化手段研究燃料電池中的傳輸傳遞現象[4]。

結論

通過對質子交換膜燃料電池的幾種常見可視化方法的歸納總結可以看出，可視化透明燃料電池觀測研究是研究燃料電池性能最直接有效的方法，而且其曾廣泛運用于兩相流實驗研究中?？梢暬椒ǖ陌l展對改善燃料電池工作效率具有非常重要的意義。

參考文獻：

[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，張瑞，陳金芳.可視化方法在化工傳遞研究過程中的進展[J].武漢工程大學學報，2011，33（06）：1-5.

[4] 張新豐，章桐，ZhangXinfeng，et al.質子交換膜燃料電池水含量實驗測量方法綜述[J].儀器儀表學報，2012，33（9）：2151-2160.

作者簡介：

朱萬超（1992.07-），山東省臨沂市人，民族漢族，在讀研究生，現就讀于山東建筑大學機電工程學院，研究方向：質子交換膜燃料電池流道設計與優化。

（作者單位：山東建筑大學）