质子交换膜燃料电池可视化方法的综述

朱万超 周常伟

【摘  要】目前对质子交换膜燃料电池水气传输的可视化研究方法有很多。本文主要介绍了几种研究燃料电池的传输传递现象的可视化手段：可视化透明燃料电池观测、中子成像技术、荧光显微镜方法和核磁共振显微镜方法。其中可视化透明燃料电池观测最直接有效，而且可视化透明燃料电池曾广泛的运用于两相流实验研究中。

【关键词】质子交换膜燃料电池;水气传输;可视化

1可视化透明燃料电池观测

该方法需要设计一种透明结构的单电池，使之可以清晰的观测到流道内的水气传输以及真实地展现液滴或气泡在流道内的生成以及发展过程，有利于了解其进化机制，从而进一步优化水气管理，提高电池性能。Fang-Bor Weng等人[1]（2006）用透明材料（亚克力）来设计燃料电池的夹具和流场，用高速摄像机等传统设备来拍摄电池内的气液两相流动。

可视化方法是研究电池内部流场内两相流动非常重要的一种方法。该实验方法可以真实的展示气泡或水滴在流道内部的生成过程及运动轨迹，有利于了解其内部机理，便于优化燃料电池的水气传输，提高其性能和稳定性。

2中子成像技术

中子照相是基于射线穿过物体时会发生衰减的基本原理[2]。当中子入射到待照的样品后，由于中子与样品中的原子核发生相互作用散射和核反应，使得透射中子的强度和空间分布发生变化。因为不同的材料对中子束有不同的衰减特性，这种作用的强弱与发生作用局部区域中样品所包含材料的性质密度、组成元素、空穴等有关，所以透射中子束即包含样品内部成分和结构的信息，再利用特定的技术和相关的影像技术将透射中子注量率的空间分布显示出来，就可获得待照样品内部所含材料的空间分布、密度变化、各种缺陷等综合信息，这就是中子照相的基本原理。

中子照相无需拆卸，无需改变结构即可观测和测量的先进技术，R.Satija等人（2004）使用中子成像技术，观测工作状态下质子交换膜燃料电池内部的水气传输、水的瞬态变化和流动情况。最大的劣势就是区分不开阴阳两极流道内的液态水，不能清晰的观测单一级面中液态水的形态。

3荧光显微镜方法[3]

Bazylak等人（2007）和 Litster等人（2006）利用荧光显微镜方法来可视化研究水在GDL内的传输情况，染色的溶液被注射通过 PEMFC气体扩散层，通过把荧光染料放射的光强和流体表面的形状关联起来，可以看出流体在不同时刻的不同表现，因而可以对液滴通过 GDL纤维结构时的传输情况进行可视化研究。此项技术可以实时跟踪观察气液两相流动的界面，对于研究液滴流过小孔时的动力学提供独特的见解。

实验装置由用于荧光显微镜的光学显微镜，冷却的CCD照相机，数控注射泵和用于通过GDL泵送荧光素染料的组件组成。实验装置的示意图如下。

4核磁共振显微镜方法

Shohji Tsushima等人（2005）使用磁共振成像（MRI）测量在有和没有液态水供应的燃料电池操作下聚合物电解质膜中的水含量分布。他们通过向膜提供液态水来增加膜中的水含量，并因此降低膜的电阻来改善电池性能。该研究还表明，MRI是一种很有前途的方法，用于研究在运行条件下燃料电池膜中水的分布。

此外，还有电子扫描显微镜方法和微型 X 线体层照相术等可视化手段研究燃料电池中的传输传递现象[4]。

结论

通过对质子交换膜燃料电池的几种常见可视化方法的归纳总结可以看出，可视化透明燃料电池观测研究是研究燃料电池性能最直接有效的方法，而且其曾广泛运用于两相流实验研究中。可视化方法的发展对改善燃料电池工作效率具有非常重要的意义。

参考文献：

[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，张瑞，陈金芳.可视化方法在化工传递研究过程中的进展[J].武汉工程大学学报，2011，33（06）：1-5.

[4] 张新丰，章桐，ZhangXinfeng，et al.质子交换膜燃料电池水含量实验测量方法综述[J].仪器仪表学报，2012，33（9）：2151-2160.

作者简介：

朱万超（1992.07-），山东省临沂市人，民族汉族，在读研究生，现就读于山东建筑大学机电工程学院，研究方向：质子交换膜燃料电池流道设计与优化。

（作者单位：山东建筑大学）