以静态排水和被动排热为核心的氢氧燃料电池技术

闫迎亮

摘   要：氢氧燃料电池在很多领域都有着广泛的应用，但是常规意义上的氢氧燃料电池结构相对复杂，在使用过程中容易受到各种因素的影响，使用的便利性较差。对此，本文提出了一种以静态排水和被动排热为核心的全新氢氧燃料电池，借助静态排水、导热板等组件，在减少系统零部件，优化系统结构的同时，对电池的性能进行了强化，促进其氢氧燃料电池可靠性的提高。

关键词：静态排水  被动排热  氢氧燃料电池

中图分类号：TM911.4                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0065-02

可持续发展理念的不断深化，使得传统的化石能源开始逐渐被一些清洁可再生能源取代，尤其是在交通部运输行业，电池技术得到了飞速发展。在各种染料电池中，质子交换膜染料电池的优势最为明显，无论是在电动汽车还是水上舰船中都有着极其广泛的应用前景，不过其在工作中对于需要设置相应的加热系统和温控系统，因此体积和质量较大。从推动染料电池技术长远稳定发展的角度，应该对电池系统进行简化，在保证其性能的同时，降低成本，提高可靠性。

1  燃料电池技术的研究进展

燃料电池与常规的电池在概念上存在一定区别，属于一种能够将燃料具备的化学能转变为电能的装置，因此也可以成为电化学发电器，是热能发电、水力发电、原子能发电之后的又一种全新发电技术。燃料电池本身可以借助相应的电化学反应，将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转化为电能，转化效率高，以氧气和燃料作为发电原料，没有设置相应的机械传动部分，因此不存在噪声污染问题，排放的有害气体基本可以忽略。从节能环保的角度分析，燃料电池可以说是最具发展前途的发电技术之一。

在不断的研究过程中，燃料电池取得了较为显著的成果，不过与其他电源系统相比，燃料电池的结构更加复杂，成本更高，可靠性偏低，这些在一定程度上对其应用形成了制约。对此，需要研究人员对燃料电池系统进行简化，借助相应的增湿系统以及热管理系统，简化系统结构，缩小电池体积。现阶段，燃料电池采用的冷却方式包括了冷却循环排热、强制风冷等，但是无论哪一种方式，都需要设置风机、泵以及加热器等附件，系统结构过于复杂，成本也偏高。对此，可以从静态排水和被动排热的角度，对燃料电池中的加湿和散热电堆结构进行优化，借助静态排水，去除系统内的增湿子系统，电堆中的废热也能够通过内置导热板集中排出，实现静态排水和被动排热的一体化。

2  以静态排水和被动排热为核心的氢氧燃料电池技术

以传统氢氧燃料电池为基础，引入了静态排水和被动排热功能，对电池进行了优化设计，使得电池系统在运行过程中，能够借助多孔氧板和排水组件将多余水分排除，规避水淹问题，提升电池运行的稳定性。电堆筹工作时产生的废热可以通过导热板转移，借助外部换热装置，实现热量的快速排除。

2.1 静态排水

静态排水功能的实现主要是在燃料电池的双极板上增加相应的排水组件，如排水板、排水组阻气膜等，为了确保燃料电池系统产生的水可以顺利进入到排水组件中，还需要在氧气流场板的底部均匀设置与流道宽度一致的圆孔（直径1mm）。流道脊应该能够实现膜电极的直接接触，底部圆孔则必须与亲水多孔气水分离组件接触，凭借流道表面所具备的亲水特性，配合梯形截面流道脊以两侧的亲水斜面，电池电极表面产生的液态水珠会沿流道斜边，在排水侧与氧气侧压差的作用下进入气水分离组件，从而避免电极表面水分的聚集。在这个过程中，若水的表面张力超过气体压力，则气体无法通过亲水多孔水气分离膜，通过这样的方式来实现气水分离，再借助排水板将水排除到电池系统外。

2.2 被动排热

被动排热功能的实现，是在现有燃料电池双极板中，增加相应得的导热板，导热板处于氢板和静态排水组件之间，同时原本电池双极板中的冷却水流场。导热板是电池系统实现被动排热功能的关键，其常见导热材料包含了金属、石墨、石墨烯等，对于几种导热材料，热解石墨具备非常优秀的定向导热性能，密度小、成本低且易于实现，因此被广泛应用在电子元器件中，这里同样选择热解石墨作为导热板材料。被动排热包含了三个基本流程，一是接触导热。可以按照Fourier导热定律进行计算，而考虑到热解石墨板和电池极板紧密连接，且两者均为石墨材料，两者的温度基本相同;二是导热板传热。可以先将导热板表面和厚度方向，划分为若干网格，然后针对所有长条温差进行求和，得到导热板上下温差，依照相关公式，计算出导热板单位面积发热量。当氢氧燃料电池处于自身典型工作电流密度（50mA.cm-2）时，电压0.73V则单位面积发热量为0.35W/cm。如果将热解石墨的厚度控制在0.35mm，将温差控制在20℃，则导热板延伸出电池发热点的距离最大不能超过77mm，这也是导热的极限距离;三是对流传热。为了保证系统优化方案的合理性和可行性，外部散热采用了风冷散热的方式。散热板面积依照电池峰值工作电流密度进行设计，留出20%的设计冗余，以此来保证散热的效果。

2.3 性能研究

2.3.1 结构分析

对比常规燃料电池系统，基于静态排水和被动排热的全被动电池系统中，氢气和作为助燃剂的氧气会经过压力调节阀直接进入到电池中，不需要设置相应的外部加湿装置。电池开展化学反应过程中产生的水分则会通过排水板和排水组件排出，废热由内置排热板导出，再借助外部冷却装置，实现快速散热。在这种情况下，电池系统中不需要进行气体循环和气液分离等操作，相应的组件也就可以去掉，新电池系统的结构更加简洁，系统中的关键零部件从原本的14个缩减到5个。

2.3.2 温度变化

结合燃料电池内部温度随工作条件和运行时间的变化情况，可以在电池系统内部设置相应的测温板，配合嵌入到三个不同位置的测温热电阻来对电池内部的温度变化进行研究。当电流密度不同时，电堆内部温度会随着运行时间的变化而变化，低电流密度下，电堆在连续运行1h后，温度会上升到60℃左右，短时间内并不需要进行冷却。而当电流密度较高时，电堆温度上升迅速，不过因为排热板和外部冷却装置的存在，电堆内部的温度能够被控制在72-75℃之间，避免为了温度过高引发的各种问题。

2.3.3 恒流性能

为了对电池整体性能进行考察，需要测试其恒流性能。典型工况下，燃料电池能够实现长期连续运转，稳定性和安全性较好，即便电流密度升高，电池电压的波动也可以保持在5mV以内，不容易出现问题。这样的结果表明，燃料电池运行中产生的废热和水都能够被有效排出，从而在电池内部营造出良好的工作环境，保持电池的稳定运行。

3  结语

总而言之，本文对常规氢氧燃料电池进行了改进，增加了静态排水和被动排热功能，对电池系统的结构进行了简化。内部温度测试结果显示，借助被动排热，电池电堆内部的温度波动能够被控制在5℃以内，而恒流测试结果表明，电池的性能与常规燃料电池基本一致，在长期连续运行中，依然能够保持自身性能的稳定。

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