今天我們一起來學習一下寶馬的另一項針對燃料電池短堆的研究，即關於短堆中燃料電池的電流密度分佈與電阻分佈。那麼接下來，我們一起來看一下這個燃料電池是什麼樣的？他們的研究方法是什麼？用到了哪些特殊的試驗裝置？設計了哪些試驗來研究燃料電池上電流密度分佈與電阻分佈？研究的結果是什麼樣的呢？
研究中的燃料電池雙極板
寶馬在研究中採用的燃料電池雙極板如下圖所示，雙極板的化學反應區（有效反應面積）為250平方釐米，所有反應物及冷卻液的進出口位於雙極板的上下兩側，寶馬認為這樣佈置進出口可以最佳化啟動和關機過程中的排水效果。
氫氣與空氣採用相對錯流的形式，同時空氣與冷卻液採用相對並流的形式。在之前關於雙極板加工的推文中（研學丨燃料電池金屬雙極板是如何製造出來的？），我們提到了兩片金屬半極板是透過焊接結合的，這裡雙極板的焊線長度大約為2m。每片半極板的厚度為0.075mm，材料為316L不鏽鋼。基於此雙極板的電堆堆採用螺桿的組裝方式，螺桿位置位於雙極板的四個角。
具體到流道設計，其陽極、陰極的流道稍有不同。寶馬在研究中的陽極流道如下圖，流道1000μm寬和200μm深，整個流道截面為梯形，流道壁傾角為45°，兩條流道間脊的長度為600μm。整個陽極有63根流道，單根長度250mm。
寶馬在研究中的陰極流道採用了“錐”的形式，即整個陰極流道的橫截面積從反應物進口到出口有一個從大到小的漸變過程。在陰極反應物進口區域的流道截面如下圖所示，流道1300μm寬和400μm深，流道壁傾角為26°。在陰極反應物出口區域的流道截面如下圖所示，流道的截面積小於入口位置，流道650μm寬和400μm深，流道壁傾角不變，仍為26°。
總的來說，寶馬在研究中的雙極板採用了陰、陽兩極不同的流道設計，其中陰極採用了“錐”型設計。
研究手段
寶馬此項研究中建立了計算燃料電池電流密度分佈和電導率分佈的模型，並透過電流掃描分流器（CSS，current scan shunt）獲得測量試驗資料，對模型進行驗證。接下來就對電流掃描分流器CSS和建模分別進行介紹。
- 電流掃描分流器CSS
寶馬採用了一個CSS模組測量燃料電池電流密度及溫度分佈。如下圖，CSS模組主要分為三個部分：1、連線資料採集部分；2、連線感測器和資料採集部分；3、感測器部分。連線資料採集部分透過USB介面與電腦相連，進行資料儲存。連線感測器和資料採集部分起到了傳輸感測器採集到的資料的作用。感測器部分，其外形輪廓與雙極板相同，在有效反應區上分佈了560個電流感測器和140個溫度感測器。
- 建模介紹
寶馬在這項研究中採用了有限體積法（finite volume approach），配合MATLAB S++進行建模，透過求解一系列微觀歐姆定律與電流守恆原理建模得到的微分方程，來計算電流密度。
寶馬的模型可以透過以下兩個步驟而得到電流密度分佈：
1）、利用迭代演算法，獲得GDL/雙極板的電導率。這種方法的原理是不斷對GDL/雙極板元件的電導率進行假設，直到基於這些假設值的電流密度分佈與透過CSS測量到的電流密度分佈一致時，可以認為這個假設的電導率就是實際的電導率。
2）、基於在第一步中得到的GDL/雙極板的電導率，得到在MEA（與CSS相鄰的MEA）上的電流密度分佈。
研究結果
- GDL/雙極板的電導率
寶馬在研究中表示電流密度分佈不均與電導率有一定的關係。寶馬透過前面介紹的迭代演算法得到GDL/雙極板接觸產生的電導率。試驗設定如下圖，整個裝置採用“三明治”疊加形式，分別由壓力板、絕緣板、集流板（陰陽極）、導向板A和C（guidance plate A / C）、氣體擴散層（GDL）、雙極板（BPP）、CCS板構成。導向板A和C的作用是可以按照預期的形式設定不同導電和絕緣的區域。其中壓力板可以均勻的向流道中提供1.8MPa的緊壓力。
寶馬假設上圖導向板A和C上的黑色方塊位置處認為導電，灰色的位置則相對絕緣。對這個裝置上施加20A的總的電流，電流密度分佈情況如下圖所示，可以看到電流密度分佈與試驗裝置中假設的一致。
根據前面對模型迭代演算法的介紹知道，基於此電流密度分佈可以間接得到GDL/雙極板在X/Y/Z三個方向上的電導率，如下表所示。可以看到X\Y\Z三個方向的電阻率相差不大，其中Y/Z兩個方向的電阻率稍高於X方向。寶馬認為這些情況和雙極板的流道設計以及氫氣和空氣的流向有關。
- 短堆中的電流密度分佈情況
寶馬在這項研究中組裝了一個包含4個單電池（cell 1~ cell 4）的短堆，並對短堆的電流密度分佈情況做了研究。短堆結構如下圖所示。可以看到其整體的組裝結構與GDL/雙極板電導率試驗相似。取消了導向板A/C。短電堆的6個進出口（氫氣進出口、空氣進出口、冷卻液進出口）都在電堆的同一側。
整個短堆的試驗裝置的連線如下圖。電堆陰/陽極入口，壓縮空氣和壓縮氫氣分別受兩個流量控制器（MFC）和一個預熱器的控制，以保證進入電堆反應物的流量及溼度。電堆陰/陽極出口，均採用背壓閥來控制陰/陽兩極的出口壓力。電堆採用溫度、壓力、流量均可調的冷卻迴路進行冷卻。處於安全原因的考慮，實驗管路中還連線了壓縮氮氣。
試驗中對短堆的操作引數如下表所示：
寶馬認為本試驗中的短堆中的單體電池的溫度分佈相同，且不隨著電密變化而變化，短堆上單體電池的溫度分佈如下圖。可以看出在氫氣入口和出口附近溫度最低。從氫進到氫出，溫度逐漸升高。這種溫度分佈主要和冷卻液流道的設計有關。
不同電流（150A、300A、450A、600A）下的電流密度分佈情況如下圖。寶馬認為這四個工況均在位於該電堆極化曲線的歐姆極化主導的部分。總的看，電流密度越大，雙極板的電流密度分佈越不均勻。另外，這四個工況下電流密度分佈又都表現出一些共有的特點，在氫氣入口和出口附近的電流密度較低。寶馬認為主要有兩個原因導致這個現象。其中一個是空氣在反應區的中部較多，而在兩邊較少；另外一個是CSS模組比反應面積區稍大一些。在氫空兩反應物入口到底邊右側，處於中等電流密度，因為這個區域相對其它區域較幹，同時膜的電導率因為和水分相關而降低。
從上面四個不同工況下電流密度分佈圖上看，最大的電流密度變化均約20%，寶馬認為區域性電流密度變化較大的原因是區域性GDL和雙極板接觸電阻有所不同。接下來，寶馬以250A電流的工況為例，透過對比CSS直接測量與透過S++建模得到的電流密度分佈（如下圖），可以看到兩者得到的電流密度基本一致，進一步說明建模得到電流密度的方法可行。
因為CSS無法直接測量CCM膜上的電流密度分佈，寶馬展示了透過建模得到的CCM上的電流密度（如下圖），並基於此電流密度分佈，透過建模的迭代演算法，間接得到了在CCM膜中電阻率分佈的情況。可以看到兩者的結果吻合較好，當局部電阻較大的情況下，電流較小，反之亦然。證明了在本研究中的模型可以很好得到CCM膜上的電流密度分佈與電阻率分佈。
來源：燃料電池百科
