以靜態排水和被動排熱為核心的氫氧燃料電池技術

閆迎亮

摘? ?要：氫氧燃料電池在很多領域都有著廣泛的應用，但是常規意義上的氫氧燃料電池結構相對復雜，在使用過程中容易受到各種因素的影響，使用的便利性較差。對此，本文提出了一種以靜態排水和被動排熱為核心的全新氫氧燃料電池，借助靜態排水、導熱板等組件，在減少系統零部件，優化系統結構的同時，對電池的性能進行了強化，促進其氫氧燃料電池可靠性的提高。

關鍵詞：靜態排水? 被動排熱? 氫氧燃料電池

中圖分類號：TM911.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0065-02

可持續發展理念的不斷深化，使得傳統的化石能源開始逐漸被一些清潔可再生能源取代，尤其是在交通部運輸行業，電池技術得到了飛速發展。在各種染料電池中，質子交換膜染料電池的優勢最為明顯，無論是在電動汽車還是水上艦船中都有著極其廣泛的應用前景，不過其在工作中對于需要設置相應的加熱系統和溫控系統，因此體積和質量較大。從推動染料電池技術長遠穩定發展的角度，應該對電池系統進行簡化，在保證其性能的同時，降低成本，提高可靠性。

1? 燃料電池技術的研究進展

燃料電池與常規的電池在概念上存在一定區別，屬于一種能夠將燃料具備的化學能轉變為電能的裝置，因此也可以成為電化學發電器，是熱能發電、水力發電、原子能發電之后的又一種全新發電技術。燃料電池本身可以借助相應的電化學反應，將燃料化學能中的吉布斯自由能部分轉化為電能，轉化效率高，以氧氣和燃料作為發電原料，沒有設置相應的機械傳動部分，因此不存在噪聲污染問題，排放的有害氣體基本可以忽略。從節能環保的角度分析，燃料電池可以說是最具發展前途的發電技術之一。

在不斷的研究過程中，燃料電池取得了較為顯著的成果，不過與其他電源系統相比，燃料電池的結構更加復雜，成本更高，可靠性偏低，這些在一定程度上對其應用形成了制約。對此，需要研究人員對燃料電池系統進行簡化，借助相應的增濕系統以及熱管理系統，簡化系統結構，縮小電池體積?，F階段，燃料電池采用的冷卻方式包括了冷卻循環排熱、強制風冷等，但是無論哪一種方式，都需要設置風機、泵以及加熱器等附件，系統結構過于復雜，成本也偏高。對此，可以從靜態排水和被動排熱的角度，對燃料電池中的加濕和散熱電堆結構進行優化，借助靜態排水，去除系統內的增濕子系統，電堆中的廢熱也能夠通過內置導熱板集中排出，實現靜態排水和被動排熱的一體化。

2? 以靜態排水和被動排熱為核心的氫氧燃料電池技術

以傳統氫氧燃料電池為基礎，引入了靜態排水和被動排熱功能，對電池進行了優化設計，使得電池系統在運行過程中，能夠借助多孔氧板和排水組件將多余水分排除，規避水淹問題，提升電池運行的穩定性。電堆籌工作時產生的廢熱可以通過導熱板轉移，借助外部換熱裝置，實現熱量的快速排除。

2.1 靜態排水

靜態排水功能的實現主要是在燃料電池的雙極板上增加相應的排水組件，如排水板、排水組阻氣膜等，為了確保燃料電池系統產生的水可以順利進入到排水組件中，還需要在氧氣流場板的底部均勻設置與流道寬度一致的圓孔（直徑1mm）。流道脊應該能夠實現膜電極的直接接觸，底部圓孔則必須與親水多孔氣水分離組件接觸，憑借流道表面所具備的親水特性，配合梯形截面流道脊以兩側的親水斜面，電池電極表面產生的液態水珠會沿流道斜邊，在排水側與氧氣側壓差的作用下進入氣水分離組件，從而避免電極表面水分的聚集。在這個過程中，若水的表面張力超過氣體壓力，則氣體無法通過親水多孔水氣分離膜，通過這樣的方式來實現氣水分離，再借助排水板將水排除到電池系統外。

2.2 被動排熱

被動排熱功能的實現，是在現有燃料電池雙極板中，增加相應得的導熱板，導熱板處于氫板和靜態排水組件之間，同時原本電池雙極板中的冷卻水流場。導熱板是電池系統實現被動排熱功能的關鍵，其常見導熱材料包含了金屬、石墨、石墨烯等，對于幾種導熱材料，熱解石墨具備非常優秀的定向導熱性能，密度小、成本低且易于實現，因此被廣泛應用在電子元器件中，這里同樣選擇熱解石墨作為導熱板材料。被動排熱包含了三個基本流程，一是接觸導熱?？梢园凑誇ourier導熱定律進行計算，而考慮到熱解石墨板和電池極板緊密連接，且兩者均為石墨材料，兩者的溫度基本相同;二是導熱板傳熱?？梢韵葘岚灞砻婧秃穸确较?，劃分為若干網格，然后針對所有長條溫差進行求和，得到導熱板上下溫差，依照相關公式，計算出導熱板單位面積發熱量。當氫氧燃料電池處于自身典型工作電流密度（50mA.cm-2）時，電壓0.73V則單位面積發熱量為0.35W/cm。如果將熱解石墨的厚度控制在0.35mm，將溫差控制在20℃，則導熱板延伸出電池發熱點的距離最大不能超過77mm，這也是導熱的極限距離;三是對流傳熱。為了保證系統優化方案的合理性和可行性，外部散熱采用了風冷散熱的方式。散熱板面積依照電池峰值工作電流密度進行設計，留出20%的設計冗余，以此來保證散熱的效果。

2.3 性能研究

2.3.1 結構分析

對比常規燃料電池系統，基于靜態排水和被動排熱的全被動電池系統中，氫氣和作為助燃劑的氧氣會經過壓力調節閥直接進入到電池中，不需要設置相應的外部加濕裝置。電池開展化學反應過程中產生的水分則會通過排水板和排水組件排出，廢熱由內置排熱板導出，再借助外部冷卻裝置，實現快速散熱。在這種情況下，電池系統中不需要進行氣體循環和氣液分離等操作，相應的組件也就可以去掉，新電池系統的結構更加簡潔，系統中的關鍵零部件從原本的14個縮減到5個。

2.3.2 溫度變化

結合燃料電池內部溫度隨工作條件和運行時間的變化情況，可以在電池系統內部設置相應的測溫板，配合嵌入到三個不同位置的測溫熱電阻來對電池內部的溫度變化進行研究。當電流密度不同時，電堆內部溫度會隨著運行時間的變化而變化，低電流密度下，電堆在連續運行1h后，溫度會上升到60℃左右，短時間內并不需要進行冷卻。而當電流密度較高時，電堆溫度上升迅速，不過因為排熱板和外部冷卻裝置的存在，電堆內部的溫度能夠被控制在72-75℃之間，避免為了溫度過高引發的各種問題。

2.3.3 恒流性能

為了對電池整體性能進行考察，需要測試其恒流性能。典型工況下，燃料電池能夠實現長期連續運轉，穩定性和安全性較好，即便電流密度升高，電池電壓的波動也可以保持在5mV以內，不容易出現問題。這樣的結果表明，燃料電池運行中產生的廢熱和水都能夠被有效排出，從而在電池內部營造出良好的工作環境，保持電池的穩定運行。

3? 結語

總而言之，本文對常規氫氧燃料電池進行了改進，增加了靜態排水和被動排熱功能，對電池系統的結構進行了簡化。內部溫度測試結果顯示，借助被動排熱，電池電堆內部的溫度波動能夠被控制在5℃以內，而恒流測試結果表明，電池的性能與常規燃料電池基本一致，在長期連續運行中，依然能夠保持自身性能的穩定。

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