除了對燃料電池堆提出緊湊性、低質量和高效高功率輸出的要求外，燃料電池堆由于頻繁經受車用復雜工況，還必須提高其耐久性和可靠性。為了提高燃料電池耐久性，有必要保證(maintain)催化劑有效活性面積(功率輸出)和質子交換膜厚度(隔開氧氣和氫氣并電隔離陽極和陰極)。保證催化劑有效活性面積和質子交換膜厚度對電池CCM平面方向的水含量分布有著重要影響。通常，當水含量較高，催化劑顆粒由于降解、團聚、再沉積會發(fā)生凝結，催化劑有效活性面積減少。同樣，據相關報道，當水含量較低，雜質(impurities)和過氧化氫(hydrogenperoxide)在質子交換膜內聚集，加速質子交換膜化學衰減和厚度減少。

本田Onecoolinglayerpertwocells結構

1.水含量測量必要性

本田2016款燃料電池汽車Clarity嘗試通過開發(fā)多分區(qū)阻抗傳感器(multi-segmentimpedancesensors)測量CCM平面水含量分布方法和模擬(simulations)計算水含量分布的最優(yōu)值方法來提高電堆耐久性。本文將討論采用本田工程師開發(fā)的阻抗分布測量系統(tǒng)IDMS(impedancedistributionmeasurementsystem)來實時在線測量車用燃料電池系統(tǒng)中電池CCM平面水含量分布，并且考察其是否在合理區(qū)間內，相關結果已經在實際車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)控制策略中反映出來。

由于工況因素即時變化，如反應氣流量、壓力、電池溫度和電流密度，燃料電池CCM平面方向水含量變化較大。為了提高燃料電池耐久性，有必要保證CCM平面方向水含量在合理范圍內(最大值和最小值之間)。本田公司的CCM平面方向水含量的最大值和最小值通過微型燃料電池的CCM耐久性實驗獲取，如下圖所示。

確保膜厚和Pt有效活性面積水含量極限值

電堆和水含量關系

在本田公司實際車用燃料電池系統(tǒng)中，基于平面方向水含量和電堆阻抗之間的關系，CCM平面方向的水含量分布是通過測量電堆阻抗來將其控制在合理區(qū)間。盡管在本田2016款燃料電池汽車Clarity上，眾多因素會影響CCM平面水含量分布，但通過控制陰極側空氣相對濕度可以實現水含量精確控制。本田公司通過和加濕器并聯(lián)的旁通閥調節(jié)進加濕器空氣流量來控制CCM平面水含量分布，如下圖所示。(調節(jié)旁通閥的開度是精髓)

進堆空氣濕度控制

電堆阻抗的控制范圍即目標阻抗(Targetimpedance)受CCM平面水含量分布不一致性(uneven)和測量誤差影響。通過恒定電流模擬優(yōu)化CCM平面水含量分布不一致性問題有助于擴大電堆阻抗控制區(qū)間。盡管本田公司考慮了通過控制電堆阻抗值來優(yōu)化CCM平面水含量不一致性問題，但也只是模擬恒電流工況。因此，有必要考慮車用燃料電池系統(tǒng)中電流加載工況下CCM平面水含量分布是否在合理區(qū)間變化的問題。

2.傳統(tǒng)測量方法的問題

傳統(tǒng)上，干重法或核磁共振法(nuclearmagneticresonance)經常被用來策略CCM平面水含量分布。干重法對比有水狀態(tài)下和無水狀態(tài)下電池，將前后兩次的質量差作為含水量，如下圖所示。在干重法測含水量時，電池需要運行一段時間；拆解電池，將CCM切成數塊，裝進袋中(裝袋不讓水分蒸發(fā))，測量質量；然后將其干燥，重新測量重量。考慮到在拆解電池和CCM切塊過程中可能存在水分蒸發(fā)，有必要在高濕度環(huán)境中進行上述操作。此外，由于CCM的平面含水量分布應當在固定條件下測量，因此需要針對每一種工況進行數次實驗，并且也不可能測量瞬態(tài)工況下的含水量分布。

干重法測量CCM水含量分布步驟

在核磁共振法中，一個試驗樣本被放置在磁場中，并用高頻磁場轟擊，以激發(fā)核旋共振(nuclearspinresonance)效應。試驗樣本產生的核磁共振信號被接受并且測量原子狀態(tài)，從而可以實時在線測量CCM中水含量分布。由于該方法需要將電堆和真實的燃料電池系統(tǒng)置于磁場中，導致測量設備體積較大且系統(tǒng)運行故障率增加。

3.解決方法

有阻抗分布測量系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)(benchuse)

4.臺架測試結果

4.1恒電流工況

首先，我們來看下恒電流工況下CCM平面水含量分布變化情況。下圖為不同電流工況下CCM平面水含量分布情況。在低電流工況下(下圖a)，由于陰極側電化學反應產生的水向陰極出口(CaOUT)移動，越靠近出口，CCM平面水含量增加。因此，陰極側入口處(CaIN)CCM平面水含量可能會降低到極限最小值以下。

恒電流工況下水含量分布

陰極出口(CaOUT)處CCM中平面水含量的降低是由于水分通過CCM流向另一側的陽極，如下圖所示。相反，在高電流工況下，CCM平面水含量的最大值從陰極出口處(CaOUT)向陰極入口(CaIN)處移動。上述現象的原因是隨著電流增加，電化學反應區(qū)域向氧氣濃度較高的陰極入口(CaIN)處移動(withtheincreaseincurrent,theareaofgenerationshiftstothecathodeinletside,whichhasahighconcentrationofoxygen)。注意，電化學反應產生大量的水，電池中間位置處CCM平面水含量值會增加超過極限最大值。

為不同電流工況下CCM平面水含量測試結果，結果表明電堆阻抗值在極限最大值和極限最小值之間，工作正常。此外，低電流工況下陰極入口處的水含量最小值也處于極限最小值上方，高電流工況下電池中間處的水含量最大值也處于極限最大值下方。

不同電流工況下水含量情況

4.2加速和減速工況

表示電堆在不同狀態(tài)下車速、電流和電堆阻抗的變化情況。使用上述描述的水含量分布測量系統(tǒng)可以在各種運行模式下實時測量CCM水含量分布情況。可以發(fā)現，在運行過程中CCM平面水含量發(fā)生較大變化，具體為加速工況下水含量升高，減速和怠速工況下水含量降低。因此，本文聚焦在電池各個區(qū)域CCM平面水含量是否在合理區(qū)間(極限最小值和極限最大值之間)變化。

為加速和減速工況下CCM平面水含量最大值和最小值隨時間變化情況。下圖(a)為電池長度方向CCM平面水含量分布測量結果，圖中的藍色和紅色圓圈表示寬度方向CCM平面水含量分布最大值和最小值。(再強調，本文針對電堆實際水分量分布取名最大值和最小值，針對系統(tǒng)設定或者要求滿足的值為極限最大值和極限最小值)。在高恒定電流運行模式下，加速工況中CCM平面水含量在氣體流動方向上達位于電池中間區(qū)域到最大值，但是低于極限最大值。

加速和減速模式下水含量分布結果

對應減速工況下CCM平面水含量分布情況。在加速過程向減速過程轉變的過程中，陰極入口處CCM平面水含量值減小，接近極限最小值。在高電流工況，CCM平面水含量值較高，因為電化學反應產生的水量較大。但在減速過程中，電流減少，電化學反應生成的水量也隨之降低。此外，減速工況下，由于空氣供應系統(tǒng)效應延遲效應空氣量變的富余。注意，上述現象在陰極入口側減弱。毫無疑問的是，減速工況下CCM平面水含量分布也保持在極限最大值和極限最小值區(qū)間。

4.3怠速工況

怠速工況下平面方向水含量測試結果。陰極入口處CCM平面水含量隨時間逐漸減少，直到降低到極限最小值以下。盡管怠速工況下電堆阻抗控制在合理范圍內，由于電化學反應生成的水量較少，進堆空氣較為干燥，結果表現為近陰極入口側CCM平面水含量值降低，并且降低幅度大于預期。

怠速工況下水含量隨時間變化關系

作為怠速工況下的響應，由于電化學反應生成水較少，陰極入口側CCM水含量較高，除了調節(jié)進堆空氣量，還需增加進加濕器的空氣量。

怠速工況下水含量分布結果

表示怠速工況下采取上述控制策略后陰極入口側CCM水含量值不再低于極限最小值的情況。CCM平面水含量分布在線實時測量使得電堆在各種運行模式下水含量值在合理區(qū)間變成可能。