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测试表征技术–燃料电池水平衡设计和表征
电化学反应过程中，质子交换膜内的质子传递需要湿润的水环境。水量不足时，电解质膜的干燥引起电池内阻增大，导致电池输出电压下降；水含量过剩时，燃料气体（氧气和氢气）的扩散受到阻碍，电池输出电压亦会变低，所以为了提高燃料电池的运转效率，燃料电池内部水量的管理尤为重要。
本文分享燃料电池水平衡设计的经典案例和测试表征方法。
电池结构
基于水平衡理念设计电池结构的典型案例为丰田汽车公司贯穿、二代Mirai的自增湿电池结构。通过超薄质子膜、氢循环、氢空逆流、空水顺流实现了产物水的内部平衡，取消了外部增湿结构。本质上，通过主动调控产物水跨膜反扩散速率、阳水循环效率和空气入口降温湿润方案，保证了水分在发电平面的气体进出方向和法向流通的水平闭环。
图1 丰田第二代Mirai气体流动示意
为实现产物水/排出水平衡，提升排水(尤见怠速、低温工况)效果，阴流场形状延申出了三维、变径、多孔等结构。通过在气体流动方向设置收缩部产生面内较大压差，排水和传质性能提升。与传统直流道流场相比，丰田第二代Mirai变径直流场中GDL氧气浓度提升了130%，达到代Mirai三维流场的相同水平。
图2 有无缩颈对脊下水含量影响
运行条件
车用燃料电池质子膜内的水传递方向需严格控制。净水迁移系数通常被用来作为水平衡的表征参数，代表质子膜内每传递一个质子的净水迁移通量(电渗水和反扩散水的综合效果)，通过对阳进出堆水量、阴进出堆水量和产水量建立数学关系算得。在实际车用燃料电池系统中，阳通常采用氢气回流方案将阳出口气体循环至电堆入口，并与供氢汇流后进入电堆。为在实际车用无外增湿的燃料电池系统中实现电堆水平衡和自增湿，净水迁移系数必须为负值。
图3 自增湿燃料电池系统进气结构
优化操作条件是燃料电池水管理的重要环节。与燃料电池水平衡状态强相关的运行条件通常是电池温度、气体压力、计量比、氢循环特性和阴加湿特性等。通过对各个运行条件建立不同电流密度下的净水迁移系数关系，找到各操作条件对净水迁移系数的敏感性，为电堆水平衡提供优化方向。下图展示了80℃、100℃、120℃三种电池温度下，不同电流密度对应的净水迁移系数。可以看出当前设计和运行状态下，随着电流密度升高，净水迁移系数在增加，水平衡状态变差。此外，80℃工作温度下，水平衡状态优。
图4 净水迁移系数和电流密度关系
测试表征方法
在燃料电池水量监测的研究中，水份输送举动的分析一直是一个难题。原因在于现有的燃料电池测试设备可以较为准确地计测出阴阳电池入口的水份输入量，但是由于电池内部状态观察和电池出口水量收集上的技术瓶颈，普通的测试架台无法准确地得到电池内部积水和排水的实时信息，这给燃料电池部件的选材和结构优化设计带来了一定的阻碍。为此，日本东扬精测联合丰田汽车，通过在阴阳的电池入口和出口加装高精度露点仪，实时在线记录电池入水和出水量，尤其在出水量的检测上，采用瞬时气化，气化压力变动抑制等专利技术，精确捕捉每个时刻的液态＋气态水的排出量。同时，结合从发电数据中计算得到的反应生成水量后，可以对整个电池的输入水，生成水，排出水的平衡度（本文中定义为水平衡）进行实时在线的精准评估，对电池的水量分析研究提供了大的帮助。
※ 注：当前其他的测试技术无法通过露点仪测试液态水量。
图5 水平衡测试系统原理
下图为东扬精测研发的水平衡测试界面，水平衡测试系统可以自动记录并显示阴阳的进水量，发电产水量，和阴阳出水量，并且自动计算总供水量（进水＋生成水）与总排水量之间的比例差，通过比例差的大小变化来判断电池内部是在积水，还是在排水（将囤积的水排除），从而为水份输送举动的优化提供材料删选和结构改良所需的测试数据。
图6 水平衡测试系统界面
与当前传统的电池排水口液态水收集方法相比，东扬精测的水平衡系统具有实时在线，微量敏感捕捉，高精度，自动化的特点。如下图,在电池出口过饱和（结露）设定状态下的排出水量对比测试中，水平衡测试法的精度接近于真实理论值。
图7 水平衡测试系统精度
东扬精测水平衡测试的核心技术（日本专利号：5442984）的实用性，可靠性在日本各大汽车厂，材料厂得到了广泛验证。该测试技术的开发合作伙伴，燃料电池汽车先驱者-日本丰田汽车将水平衡测试结果运用到电池排水性改善开发中，通过排水性的提升大幅提高了电池的输出性能。
图8 水平衡系统的应用
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