该垫片由厚度为 0.2 mm的 PCB绝缘薄片作为基片，在基片上加工出与流场板中流道相一致的若干条漏缝。然后在基片对应流场脊的位置镀铜，在铜层上再镀金以减小接触电阻并防止腐蚀，镀铜层和镀金层的厚度分别为30 j.m和3 tim。金属镀层延伸至绝缘基片边缘的外接线端子以便与外接测量仪器相连。使用时，将电流分布测量垫片安装在阳极石墨流场板和扩散层之间，使基片的绝缘面和流场板接触，而有金属镀层的面则和扩散层相接触。通过准确的设计和安装保证测量垫片上的漏缝和镀金条与石墨流场板中的流道和脊完全对齐。基片上的各镀金条之间相互独立，这样原来由石墨流场板整体来收集的电流，现在则通过基片上的各镀金条分别传递到燃料电池外部。 

这种能测电流分布的测量垫片该层增加了活性表面积并传导电流，并且为水从反应位点移动到流动通道提供了路径。

GDL的结构、热、电和化学特性在PEMFC的运行中起着重要作用。诸如电导率、热导率、孔隙率、孔隙分布比等特性对于PEMFC中的电子传输、质量燃料传输、水和热管理非常重要。

图1.4东丽060碳纸（左）和E-Tek碳布（右）的SEM图像[5]。

d、 双极板

双极板是PEMFC的另一个重要部件。双极板负责将氢气和氧气输送到催化剂层，并去除催化剂层产生的热量和水。它还传输电子并为整个燃料电池组件提供结构支撑（重量的80%）。双极板由流道组成，流道的流场设计对性能起着至关重要的作用。有各种类型的流场设计，如直线、蛇形、交叉等，它们提供不同的流动模式，如共流、逆流或交叉流。

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2 PEMFC的工作原理

质子交换膜燃料电池是最有前途的燃料电池技术之一。在PEMFC中，加压氢气被供应到阳极侧。该气体在阳极催化剂层中进一步扩散，在那里它遇到铂（催化剂）。与铂反应时，氢分子分裂成H+离子和电子。H+离子进一步通过质子交换膜到达阴极侧，而电子通过外部电路产生电流。同时，在阴极侧，氧气被供应并通过阴极催化剂层扩散。供应的氧气与氢离子反应，从外部电路产生耗水电子。图2.1显示了PEMFC的工作原理。

图2.1 PEMFC的工作原理[6]。

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2.1 PEMFC的性能

通过分析极化曲线（电压与电流密度），可以对燃料电池的性能进行特性研究，如图2.2所示。根据影响燃料电池性能的因素，极化曲线可以分为五个区域。

1.激活极化区

2.欧姆极化区

3.浓度极化区

4.氢气交叉区

5.热力区域

图2.2 PEMFC样品极化曲线

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1.激活极化区

在低电流密度区域中，当汲取电流时，从平衡值观察到电压损失。这种电压损失是由于在两个电极上启动氧化还原反应所需的活化能。这种损失也称为活化过电位。

该活化过电位可使用如下Butler-Volmer方程计算。𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙=𝑖0[扩展(𝛼𝑎𝐹𝑅𝑇𝜂)−出口(−𝛼𝑐𝐹𝑅𝑇𝜂)]

哪里𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙 是电池产生的电流密度（A/cm2），𝑖0是交换电流密度（A/cm2），𝛼𝑎 和𝛼𝑐 分别为阳极和阴极电荷转移系数，R为通用气体常数（J/mol），T为电池温度（K），F为法拉第常数（C/mol），以及𝜂 是活化过电位。

2.欧姆极化区

欧姆极化区域中的电压损失是由于对带电物质传输的阻力，例如电子传输阻力或离子传输阻力。这种电压损失被称为欧姆过电位。为了表示每个部件的电阻，使用面积比电阻“r”（Ω.cm2）。

欧姆过电势可以使用欧姆定律计算如下。𝜂=𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙∗ Σ𝑟

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哪里𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙 是电池产生的电流密度（A/cm2），∑𝑟 是具有电子或离子传输电阻的所有部件的面积比电阻的总和（Ωcm2），以及𝜂 是欧姆过电位。

3.浓度极化区

在高电流密度区域，由于进出反应位点的质量传输不足而导致的电压损失被称为浓度过电势。这是由于反应速率高但向催化剂的传质速率慢。由于反应速度慢，反应物无法到达，生成的产物无法离开催化剂。当电池经受高电流密度时，反应物被消耗，产物积聚在电极表面，这对反应物流越来越造成阻碍。

4.氢气交叉区

燃料电池组件的主要和最重要的部件是电解质膜。该膜负责将离子从一个电极输送到另一个电极，并物理隔离燃料和氧化剂以避免直接反应。然而，这些膜并不完善然而，由于压力以及两个电极之间的浓度梯度，这些膜不是完全有效的，因为一些气体渗透通过膜。这种现象被称为气体交叉。

该区域的电压损失是由于氢通过膜的分子扩散造成的。这种氢与氧直接反应，从而降低电化学电势。该损失可按如下方式计算。𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠= −𝑖0出口(𝛼𝑐𝐹𝑅𝑇𝜂)

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哪里𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠 是由于气体交叉而产生的等效电流密度𝜂 是交叉过电位。

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3 PEMFC的细分

反应物和水分布是影响PEMFC性能的主要参数。为了研究细胞的一个组成部分内以及两个组成部分的连接界面之间的这些机制，必须进行局部或单独的评估。分段PEMFC是用于评估局部电流密度、欧姆电阻、电化学活性面积等的局部诊断方法之一。这些局部测量可用于评估影响局部电压损失的因素。电池的设计影响燃料的消耗率，从而导致局部水的产生，产生不均匀的局部电流密度和欧姆电阻，这与电池的整体读数不同。

图3.1分段式集电器

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分段流场允许分析局部传输机制以及局部水生成对整体电池性能的影响。图3.1显示了一种分段流动集电器设计，用于测量沿电池陆上通道几何结构的局部电流密度和欧姆电阻分布。设置在收集器上的9个段允许氢气流过连续两个段之间的8个通道。由于反应物的局部电化学相互作用，在局部区域产生的电流允许我们研究传输机制和对电池性能的总体影响。

有各种测量局部电流密度分布的技术。Cleghorn等人[7-10]开发了一种印刷电路板（PCB）方法来测量局部电流分布。该技术与分段电极一起使用，并被证明适用于各种反应物流和加湿策略。在这种测量单个段中的局部电流分布的方法中，每个段与PCB上的其他段解耦，所选段的电流和电压感测连接到外部负载箱，这允许他们测量每个段的电流分布，并研究其对电池整体性能的影响。Geiger等人[11]提出了一种新的技术，包括带有闭环霍尔效应传感器的磁环阵列，以监测电流分布。在该方法中，使用电流传感器测量单个段中的电流。该霍尔效应传感器产生相对于初级电流的磁场，并输出与初级电流成比例的霍尔发生器的电压。在升压电路的帮助下

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产生以驱动核心至零通量。这种相反的磁场产生次级电流，可以借助于精确的电阻器来测量次级电流。Stumper等人[12]使用子电池部分电极膜组件来测量电流分布。

分段燃料电池技术用于各种研究，以评估局部参数对燃料电池性能的影响。Hakenjos等人[13]采用分段阳极法来评估局部水流分布及其对不同空气流速下电流密度的影响。类似地，Sun等人[14]使用分段燃料电池方法来评估操作温度、燃料流速和相对湿度对电池局部电流分布的影响。Dong等人[15]设计了分段阴极流场，以评估局部欧姆电阻和电流密度分布，以研究阴极加湿对电池中水分分布的影响。

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4陆槽几何的重要性：文献综述

PEMFC的流场几何结构由如图4.1所示的平台和通道组成。平台的目的是传输电子并从系统和通道中移除热量，确保反应物和产品进出反应现场。以下文献综述旨在了解陆上通道几何形状对燃料电池性能参数的影响。

图4.1 PEMFC流场中陆上通道几何形状示意图[16]

由于制造这种小规模组件的复杂性和在非常小的可用面积内进行电气连接的困难，研究人员使用了一个非常复杂的模型、成像技术和原位实验来研究燃料电池在陆上通道方向上的传输现象。

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4.1对配水的影响

在高相对湿度的环境中，陆上水道的几何形状是导致GDL中水分布不均匀的原因。这种不均匀分布可能是导致电流产生方向不明的主要原因，因此有必要研究陆上水道方向的物种分布。Wang等人[17]开发了一个数值模型来分析陆上河道方向的水分布，并得出结论，在较高的水流密度区域，陆上区域的水累积量是河道区域的四到五倍。图4.2显示了他们对100%相对湿度的调查结果。

图4.2.在80℃和2.5 A/cm2电流密度下，GDL中的水分布与陆上水道几何结构有关。

此外，Deevanhaxy等人[18]和Eller等人[19]分别使用X射线照相术和X射线断层摄影技术对陆上水道的水饱和度进行成像

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方向两者的结果都会导致陆上通道存在较高的水饱和度，并会导致传质阻力降低电池的整体效率。类似地，Natarajan等人[20]还发现了低电流密度区域陆上通道下的重水积聚，并得出结论，不均匀的水分布对反应物低电阻以及电子传输电阻有较大影响。考虑到上述所有结果，有必要研究局部电流密度分布，以了解水积聚对燃料电池总电流密度的影响。

4.2对电流分布的影响

陆上通道几何形状导致不均匀的传输路径、GDL中以及膜中的不均匀水积聚、不同的电和传输电阻导致不均匀反应物流，从而产生PEMFC平面内方向的不均匀局部电流密度。对这些局部电流产生的不均匀模式的研究有助于理解燃料电池中的传输现象。

研究人员尝试了各种数值和实验方法来分析这种模式，并了解流场几何形状对电池性能的总体影响。对于叉指式流场，He等人[21]发现，更靠近入口的通道区域的局部电流密度具有更高的电流密度，并且随着我们在出口区域方向上向前移动，电流密度进一步降低。图4.3显示了他的局部电流密度分布结果。

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图4.3.交叉流型的电流密度分布

此外，Meng等人[22]研究了高湿度设置下GDL中与水含量相关的电流密度分布。他比较了洪水严重的GDL和非常干燥的GDL，以分析相同设置的分布。在模拟的结论中，他发现，与洪水GDL设置的情况相比，陆地和河道的发电量差异相对较小。他认为，在洪水泛滥的GDL情况下，更高的运输阻力导致了这些结果。图4.4显示了他的实验结果。

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图4.4.干旱和洪水的局部电流密度分布

GDL设置在80ͦC。

Freynberger等人[23]应用了一种实验方法，使用分段单元方法研究局部电流密度分布。他使用镀金探针放置在两个界面的交界处，以测量两个组件之间的电位差。根据他的发现，在更高的全球电流密度区域，沟道区域下的电流密度高于陆地区域下的电压密度。对于较低的全球电流密度区域，他发现了与之相反的结果，即陆上通道下的电流密度高于通道区域。膜的水化不足导致了这些结果。

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5实验设置

5.1分段阳极流道的设计[16]

考虑了一种制造分段电池的新方法，其中阳极集电板是分段的，阴极集电板具有单个陆上通道几何形状。该设计可根据交叉流、逆流等流动设计使用。

图5.1分段阳极侧集电器

在该设计中，创建了用于氢气运输的多个流道。如图5.1所示，该阳极集电器由9个焊盘和8个通道组成。焊盘宽度为200μm，由镀金铜制成，以避免腐蚀。两个陆段之间的150μm间距用作氢气的流动通道

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流催化剂层的尺寸保持为3mm x 3mm活性面积流催化剂层的尺寸保持为3 mm x 3 mm的活性面积，导致大约350μm的空间分辨率。

在阳极催化剂上使用高量的铂负载以加快氢氧化速率，并且去除阳极侧的GDL以避免面内电流产生。消除阳极GDL导致高的面内电阻，可用于精确的局部电流密度测量。在阴极侧，使用1mm配置的单个陆面通道几何形状，没有任何分割。

5.2电流分布测量系统的设计[16]

在该实验方法中，使用了高频电阻（HFR）方法。在该方法中，向分段电池提供交流电流，并测量电池两端的电压降。此外，使用欧姆定律，可以计算电池的高频电阻。

为了测量局部电流密度，选择了PCB设计方法，如图5.2所示。以并联方式连接了9个200 mΩ的分流电阻器，代表PEMFC平面内方向上电池的电子和质子电阻。使用高分辨率万用表（Keithley Instruments DMMA 2700），我们可以计算每个分流电阻器上的电压降，并且可以使用欧姆定律计算每个分段的本地电流，如下所示。𝐼𝐴𝐶𝑛=𝑉𝐴𝐶𝑛𝑅𝑠

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其中，Rs是分流电阻，n是所选的段号。

图5.2.测量局部电流密度的实验装置

5.3膜电极组件（MEA）的制备

由加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的设施提供0.4 mg/cm2铂负载的催化剂涂层膜，该膜由铂催化剂（40%的Pt/Vulcan C）和离聚物/碳重量比为0.8的Nafion离聚物溶液（D2020）组成。为了制备膜电极组件，使用Silhouette Cameo精密切割机从两个单独的Kapton子垫圈上切割出3mm x 3mm和4mm x 4mm的小窗口。此外，将Nafion膜（NRE 212）压在两个子垫圈之间。从各自的阳极和阴极冲出催化剂层

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如图5.3所示，将催化剂油墨片放置在Kapton子垫圈的每个开孔中。

图5.3.MEA制备的示意图a）夹在阳极和阴极组件之间的催化剂涂层膜b）MEA的横截面

然后将该组件放置在两个纸板之间，以实现均匀的压力分布，并将其放置在热压机上。如图5.4所示，通过在150℃和2.75MPa压力下热压组件3分钟，将催化剂转移到Nafion膜（NRE 212）上。

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图5.4.热压机中的催化剂涂层膜。

5.4分段电池的组装

为了组装电池，在阳极和阴极都使用了石墨双极板。使用碳纸（TGP-H-90）作为阴极侧的GDL，尺寸为5mm x 5mm。使用250μm PTFE密封组件中的GDL以实现20%的压缩。电池组件的示意图如图5.5所示。

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图5.5分段电池组件，代表a）阳极端板b）分段阳极集电器c）催化剂涂层膜d）阴极GDL e）阴极双极板f）阴极集电器g）阴极端板[24]

此外，将涂覆有催化剂的膜以2MPa的压缩压力熔合在阴极侧组件和分段阳极侧组件之间，以确保适当的密封并避免任何泄漏和对任何部件的损坏。图5.6显示了阳极和阴极组件，图5.7显示了分段电池组件的横截面。

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图5.6分段电池组件组件

图5.7分段电池组件的横截面图[16]

分段电池组装完成后，根据日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）建议的参数进行预处理，如表2所示。为了控制相对湿度、压力、电池温度和反应物的质量流率，使用了燃料电池技术公司的试验台。为了控制提供的电压和电流

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使用了Ivium技术。为了测量本地电流产生，使用了Keithley数字万用表。一旦进行了燃料电池的预处理，就按照表3中所述进行测试。

表2.PEMFC的NEDO预处理参数

参数

价值

细胞面积

9平方毫米

H2流量

70标准立方厘米

空气流量

100标准立方厘米

电池温度

80摄氏度

阳极相对湿度

88%

阴极相对湿度

42%

期间

6小时

表3陆上航道方向局部电流密度测量的试验条件。

控件类型

压力（psi）

电池温度（ͦC）