電化學反應過程中，質子交換膜內的質子傳遞需要濕潤的水環(huán)境。水量不足時，電解質膜的干燥引起電池內阻增大，導致電池輸出電壓下降；水含量過剩時，燃料氣體（氧氣和氫氣）的擴散受到阻礙，電池輸出電壓亦會變低，所以為了提高燃料電池的運轉效率，燃料電池內部水量的管理尤為重要。

本文分享燃料電池水平衡設計的經典案例和測試表征方法。

電池結構

基于水平衡理念設計電池結構的典型案例為豐田汽車公司貫穿、二代Mirai的自增濕電池結構。通過超薄質子膜、氫循環(huán)、氫空逆流、空水順流實現(xiàn)了產物水的內部平衡，取消了外部增濕結構。本質上，通過主動調控產物水跨膜反擴散速率、陽水循環(huán)效率和空氣入口降溫濕潤方案，保證了水分在發(fā)電平面的氣體進出方向和法向流通的水平閉環(huán)。

為實現(xiàn)產物水/排出水平衡，提升排水(尤見怠速、低溫工況)效果，陰流場形狀延申出了三維、變徑、多孔等結構。通過在氣體流動方向設置收縮部產生面內較大壓差，排水和傳質性能提升。與傳統(tǒng)直流道流場相比，豐田第二代Mirai變徑直流場中GDL氧氣濃度提升了130%，達到代Mirai三維流場的相同水平。

運行條件

車用燃料電池質子膜內的水傳遞方向需嚴格控制。凈水遷移系數(shù)通常被用來作為水平衡的表征參數(shù)，代表質子膜內每傳遞一個質子的凈水遷移通量(電滲水和反擴散水的綜合效果)，通過對陽進出堆水量、陰進出堆水量和產水量建立數(shù)學關系算得。在實際車用燃料電池系統(tǒng)中，陽通常采用氫氣回流方案將陽出口氣體循環(huán)至電堆入口，并與供氫匯流后進入電堆。為在實際車用無外增濕的燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)電堆水平衡和自增濕，凈水遷移系數(shù)必須為負值。

優(yōu)化操作條件是燃料電池水管理的重要環(huán)節(jié)。與燃料電池水平衡狀態(tài)強相關的運行條件通常是電池溫度、氣體壓力、計量比、氫循環(huán)特性和陰加濕特性等。通過對各個運行條件建立不同電流密度下的凈水遷移系數(shù)關系，找到各操作條件對凈水遷移系數(shù)的敏感性，為電堆水平衡提供優(yōu)化方向。下圖展示了80℃、100℃、120℃三種電池溫度下，不同電流密度對應的凈水遷移系數(shù)。可以看出當前設計和運行狀態(tài)下，隨著電流密度升高，凈水遷移系數(shù)在增加，水平衡狀態(tài)變差。此外，80℃工作溫度下，水平衡狀態(tài)優(yōu)。

測試表征方法

在燃料電池水量監(jiān)測的研究中，水份輸送舉動的分析一直是一個難題。原因在于現(xiàn)有的燃料電池測試設備可以較為準確地計測出陰陽電池入口的水份輸入量，但是由于電池內部狀態(tài)觀察和電池出口水量收集上的技術瓶頸，普通的測試架臺無法準確地得到電池內部積水和排水的實時信息，這給燃料電池部件的選材和結構優(yōu)化設計帶來了一定的阻礙。為此，日本東揚精測聯(lián)合豐田汽車，通過在陰陽的電池入口和出口加裝高精度露點儀，實時在線記錄電池入水和出水量，尤其在出水量的檢測上，采用瞬時氣化，氣化壓力變動抑制等專利技術，精確捕捉每個時刻的液態(tài)＋氣態(tài)水的排出量。同時，結合從發(fā)電數(shù)據(jù)中計算得到的反應生成水量后，可以對整個電池的輸入水，生成水，排出水的平衡度（本文中定義為水平衡）進行實時在線的精準評估，對電池的水量分析研究提供了大的幫助。
※ 注：當前其他的測試技術無法通過露點儀測試液態(tài)水量。

下圖為東揚精測研發(fā)的水平衡測試界面，水平衡測試系統(tǒng)可以自動記錄并顯示陰陽的進水量，發(fā)電產水量，和陰陽出水量，并且自動計算總供水量（進水＋生成水）與總排水量之間的比例差，通過比例差的大小變化來判斷電池內部是在積水，還是在排水（將囤積的水排除），從而為水份輸送舉動的優(yōu)化提供材料刪選和結構改良所需的測試數(shù)據(jù)。

與當前傳統(tǒng)的電池排水口液態(tài)水收集方法相比，東揚精測的水平衡系統(tǒng)具有實時在線，微量敏感捕捉，高精度，自動化的特點。如下圖,在電池出口過飽和（結露）設定狀態(tài)下的排出水量對比測試中，水平衡測試法的精度接近于真實理論值。

東揚精測水平衡測試的核心技術（日本專利號：5442984）的實用性，可靠性在日本各大汽車廠，材料廠得到了廣泛驗證。該測試技術的開發(fā)合作伙伴，燃料電池汽車先驅者-日本豐田汽車將水平衡測試結果運用到電池排水性改善開發(fā)中，通過排水性的提升大幅提高了電池的輸出性能。

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