以靜態(tài)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(guī)意義上的氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)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(tài)排水和被動排熱為核心的全新氫氧燃料電池，借助靜態(tài)排水、導熱板等組件，在減少系統(tǒng)零部件，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tài)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(xù)發(fā)展理念的不斷深化，使得傳統(tǒng)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(yè)，電池技術得到了飛速發(fā)展。在各種染料電池中，質(zhì)子交換膜染料電池的優(yōu)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(tǒng)和溫控系統(tǒng)，因此體積和質(zhì)量較大。從推動染料電池技術長遠穩(wěn)定發(fā)展的角度，應該對電池系統(tǒng)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(guī)的電池在概念上存在一定區(qū)別，屬于一種能夠?qū)⑷剂暇邆涞幕瘜W能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，因此也可以成為電化學發(fā)電器，是熱能發(fā)電、水力發(fā)電、原子能發(fā)電之后的又一種全新發(fā)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(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化效率高，以氧氣和燃料作為發(fā)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(jié)能環(huán)保的角度分析，燃料電池可以說是最具發(fā)展前途的發(fā)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(tǒng)相比，燃料電池的結(jié)構(gòu)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(tǒng)進行簡化，借助相應的增濕系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮小電池體積?，F(xiàn)階段，燃料電池采用的冷卻方式包括了冷卻循環(huán)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(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復雜，成本也偏高。對此，可以從靜態(tài)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，借助靜態(tài)排水，去除系統(tǒng)內(nèi)的增濕子系統(tǒng)，電堆中的廢熱也能夠通過內(nèi)置導熱板集中排出，實現(xiàn)靜態(tài)排水和被動排熱的一體化。

2? 以靜態(tài)排水和被動排熱為核心的氫氧燃料電池技術

以傳統(tǒng)氫氧燃料電池為基礎，引入了靜態(tài)排水和被動排熱功能，對電池進行了優(yōu)化設計，使得電池系統(tǒng)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(guī)避水淹問題，提升電池運行的穩(wěn)定性。電堆籌工作時產(chǎn)生的廢熱可以通過導熱板轉(zhuǎn)移，借助外部換熱裝置，實現(xiàn)熱量的快速排除。

2.1 靜態(tài)排水

靜態(tài)排水功能的實現(xiàn)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(tǒng)產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)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(cè)的親水斜面，電池電極表面產(chǎn)生的液態(tài)水珠會沿流道斜邊，在排水側(cè)與氧氣側(cè)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(xiàn)氣水分離，再借助排水板將水排除到電池系統(tǒng)外。

2.2 被動排熱

被動排熱功能的實現(xiàn)，是在現(xiàn)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(tài)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(tǒng)實現(xiàn)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(yōu)秀的定向?qū)嵝阅?，密度小、成本低且易于實現(xiàn)，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。可以按照Fourier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(wǎng)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)優(yōu)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(jié)構(gòu)分析

對比常規(guī)燃料電池系統(tǒng)，基于靜態(tài)排水和被動排熱的全被動電池系統(tǒng)中，氫氣和作為助燃劑的氧氣會經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)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(chǎn)生的水分則會通過排水板和排水組件排出，廢熱由內(nèi)置排熱板導出，再借助外部冷卻裝置，實現(xiàn)快速散熱。在這種情況下，電池系統(tǒng)中不需要進行氣體循環(huán)和氣液分離等操作，相應的組件也就可以去掉，新電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡潔，系統(tǒng)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(jié)合燃料電池內(nèi)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(tǒng)內(nèi)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(nèi)部的溫度變化進行研究。當電流密度不同時，電堆內(nèi)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(xù)運行1h后，溫度會上升到60℃左右，短時間內(nèi)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(nèi)部的溫度能夠被控制在72-75℃之間，避免為了溫度過高引發(fā)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?qū)崿F(xiàn)長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，穩(wěn)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(nèi)，不容易出現(xiàn)問題。這樣的結(jié)果表明，燃料電池運行中產(chǎn)生的廢熱和水都能夠被有效排出，從而在電池內(nèi)部營造出良好的工作環(huán)境，保持電池的穩(wěn)定運行。

3? 結(jié)語

總而言之，本文對常規(guī)氫氧燃料電池進行了改進，增加了靜態(tài)排水和被動排熱功能，對電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了簡化。內(nèi)部溫度測試結(jié)果顯示，借助被動排熱，電池電堆內(nèi)部的溫度波動能夠被控制在5℃以內(nèi)，而恒流測試結(jié)果表明，電池的性能與常規(guī)燃料電池基本一致，在長期連續(xù)運行中，依然能夠保持自身性能的穩(wěn)定。

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