基于静态排水和被动排热技术的全被动氢氧燃料电池研究

孙 毅，张 伟，刘 向，朱荣杰，蒋永伟，王丽娜，王 涛

（上海空间电源研究所，上海200245）

基于静态排水和被动排热技术的全被动氢氧燃料电池研究

孙 毅，张 伟，刘 向，朱荣杰，蒋永伟，王丽娜，王 涛

（上海空间电源研究所，上海200245）

常规氢氧燃料电池系统较为复杂，为简化燃料电池系统，设计了一种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池。通过增加静态排水和导热板等组件，加强了燃料电池的功能性，减少系统关键零部件。极化性能显示全被动燃料电池与常规燃料电池性能相当，表明全被动燃料电池结构改进并未对燃料电池性能造成不良影响。测试结果表明，全被动燃料电池可长时间恒电流稳定工作，且运行期间电池内部温度仅存在小范围的稳定波动，说明电池运行中产生的废热和多余的水分可以通过导热性能较好的热解石墨和排水组件排出电堆，达到热量和水的平衡。这种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池简化了电池系统结构，提高了可靠性，在航天领域具有广阔的应用前景。

全被动燃料电池；静态排水；被动排热

1　引言

在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作温度较低，且工作中的主要产物是水，对环境无污染，噪声低［1］，作为电动汽车、水下潜艇和水面舰艇等的发动机具有广泛的应用前景。但由于PEMFC工作中对气体介质的湿度以及温度有较高要求，需要较为复杂的加湿系统和温控系统等，增加了系统的体积、质量和能耗［2-3］，因而，燃料电池系统相比于其他电源系统（如锂电、铅酸电池等）更为复杂，可靠性更低，成本更高，制约了PEMFC应用。简化燃料电池系统是降低燃料电池系统成本和推广其应用的关键之一。

目前，简化燃料电池系统主要针对两个子系统，即增湿系统和热管理系统。

PEMFC反应气体的增湿方式可分为外增湿和内增湿。外增湿是指在反应气体进入系统前通过外部装置进行加湿，通常采用升温增湿、喷淋增湿、循环增湿和注射增湿等四种方式，但这些增湿方式均需要外部增湿装置并对其进行加热［4］。为减小系统质量和体积、简化系统，内增湿逐渐应用到燃料电池系统中。内增湿是指采用渗透膜，主要依靠膜的阻气透水功能实现对干反应气体的加湿［5］。其实质是一个假电池，用电池本身生成的热加热水，并使之加湿干气，无需外部单独的加湿装置，减少了系统的外部辅助设备［6］。但无论外加湿还是内加湿都增大了燃料电池的尺寸和质量。除了以上两种常规的加湿方法外，还有一种气体加湿方法——自增湿。所谓的自增湿是无需外界水源，依靠燃料电池反应中生成的水对膜电极进行加湿，满足质子交换膜传导质子的需求。理论计算表明阴极生成的水足够维持电池在一定条件下运行时膜对水的需求量［7］。目前，研究者主要在三个方向对自增湿技术进行研究，即自增湿质子交换膜［8-9］、复合自增湿膜［10］以及自增湿电池结构［11-12］。

PEMFC工作中消耗的能量有40%～50%转化为热能，使燃料电池温度升高，而过高的温度会导致质子交换膜含水量过低，质子传导能力下降等不良后果［13］。由于PEMFC是一种低温燃料电池，典型的工作温度范围是60～85℃［13］，因而过高和过低的温度都会对燃料电池的寿命和性能造成不利影响。目前PEMFC的散热是依赖冷却剂的循环以及热辐射向环境传热。主要的冷却方式有冷却液循环排热［14］、空气冷却和液体蒸发冷却等［15］。常规的冷却方式，如冷却液循环排热、强制风冷等均证明是很有效的，并已得到广泛的应用。但由于需要风机、泵、加热器和其他附件，其系统结构过于庞大、复杂［16］，从而造成系统成本增加，可靠性降低，限制了燃料电池的应用，因而燃料电池系统仍亟需简化。

本工作基于静态排水和被动排热技术，设计了一种可以简化燃料电池加湿和散热的电堆结构，通过静态排水去除系统的增湿子系统的同时，电堆内的废热通过内置的导热板收集并排出电堆，以实现电堆静态排水和被动排热的一体化。

2　全被动燃料电池结构

设计的全被动燃料电池如图1所示，包含静态排水和被动排热两种功能。如图1（a），电池产生的多余水分可经过多孔氧板和排水组件（排水膜、排水板）排出电池，从而避免产生水淹，使燃料电池可以长时间稳定工作；同时，电堆产生的废热经导热板转移至外部，与外部的换热装置相连，将热散出。在本试验中采用外部风冷的方式冷却导热板，通过控制冷却风扇达到电池内部热量平衡。图1（b）为电堆实物图片，红色框标注部分为导热板。

图1　全被动燃料电池图片Fig.1 The photograph of fully passive fuel cell

2.1 静态排水结构

静态排水结构是在常规燃料电池双极板的基础上增加排水组件而成，如图2。排水组件主要包括排水板和高分子复合微孔排水阻气膜，同时，为配合燃料电池产生的水能顺利进入排水组件，氧气流场板的底部均匀分布着直径1 mm的圆孔，与流道宽度一致，处于流道内［17］。如图2（b）所示，流道脊与膜电极组件接触，底部圆孔与亲水多孔气水分离组件紧密接触。利用流道表面的亲水特性，通过对梯形截面流道的脊、流道两侧亲水斜面使电极表面生成的液态水珠在排水侧和氧气侧压差作用下［18］沿着流道斜边向气水分离组件中迁移，避免水在电极表面聚集。其中亲水的多孔水气分离膜被水完全浸润，如果水的表面张力大于气体压力，则气体不会通过膜，因而可实现透水阻气的功能，从而达到气水分离的目的。最后水进入排水板汇集后排出电池。

图2　常规燃料电池双极板和全被动双极板结构示意图Fig.2 Schematic for the structure of the double plates conventional fuel cell and fully passive fuel cell

2.2 被动排热结构

被动排热结构是在常规燃料电池双极板的基础上增加一导热板，如图2（b）所示。导热板处于氢板和静态排水组件之间，相比较常规燃料电池双极板减少了冷却水流场。导热板是被动排热结构的关键组件，材料主要有石墨、金属（金、铜、不锈钢等）、石墨烯和热解石墨等。相比较其它几种导热材料，热解石墨具有优异的定向导热性能（导热系数1500～1700 W·m-1·K-1），在电子元器件中的应用日益广泛，且成本较低，密度较小（密度～2.3 g·cm-3），易于实现［19］。因此在本研究中导热板采用热解石墨对被动式热管理技术进行验证。

被动式热管理的散热过程主要包括接触导热（极板与热解石墨）、热量在热解石墨中的传导以及风冷散热时的对流传热。

1）接触导热

导热过程中传递的热量按照式（1）所示Fourier导热定律计算［20］：

其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位m2；Th与Tc分别是高温与低温面的温度；δ为两个面之间的距离，单位m；λ为材料的导热系数，单位为W/（m·℃）。

由于热解石墨板与电池极板紧密接触，且电池极板与热解石墨均为石墨材料，因而热解石墨与极板接触位置温度与极板温度基本相同。

2）导热板中的传热

式中：Qi为通过第i块长条上的热量，单位W；A为长条的截面积，单位m2；K为导热系数，单位W·m-1·K-1；ΔTi为第i块长条上下温差，单位℃；ΔLi为第i块长条上下间距，单位cm；L为整块极板上下间距，单位cm；N为整块极板的等分数，无量纲；w为极板的宽度，单位m；t为极板的厚度，单位m；q为单位面积的发热量，单位W· cm-2。

通过对所有的长条温差求和，即得到整块导热板上下的温差ΔT如式（3）：

由式（3）可知，在控制导热板上下温差一定的条件下，导热板的长度（上下间距）与导热板的厚度、导热系数的函数关系如式（4）：

其中单位面积的发热量q可根据式（5）计算［20］：

式中：ηE为表示电压效率，无量纲；P为表示电池功率密度，单位W·cm-2；Eo为电池可逆电压，单位V；E为电池工作电压，单位V；J为表示电池工作电流密度，单位A·cm-2。

图3是被动排水燃料电池的极化性能及产热功率曲线。在氢氧燃料电池典型工作电流密度500 mA·cm-2条件下，电压0.73 V，单位面积发热量q为0.35 W·cm-2。由式（4）可知，采用厚度为0.35 mm的热解石墨，控制ΔT在20℃左右时，导热距离L为77 mm，即导热板延伸出电池发热点最长不超过77 mm。

图3　被动排水燃料电池性能及产热功率Fig.3 The performance of the passive-water based fuel and its thermal power production

3）对流传热

对流换热的热量按照式（6）所示牛顿冷却定律计算［20］：

其中A为与热量传递方向垂直的面积，单位m2；th与tc分别为固体壁面与流体的温度；h是对流换热系数，以空气为换热介质时，自然对流换热系数大约8 W/（m2·℃），强制对流换热系数在50 W/（m2·℃）左右。

从系统简化和可实现性出发，试验外部散热采用风冷方式。典型工作电流密度（200～500 mA·cm-2，发热功率分别为2.7 W和7.4 W）条件下，外部空气温度30℃左右，热源温度在50℃左右。在强制对流条件下，换热面积分别为12.8 cm2、35 cm2。散热板外部面积按照峰值工作电流密度设计，同时考虑到发热量20%的设计冗余，散热板外部面积设计值为42 cm2。具体极板和散热板设计参数见表1。

表1　散热板和极板设计参数Table 1 Design parameters of the radiator and the plates

3　试验

3.1 膜电极制备

以异丙醇和少量的水为溶剂，按一定比例加入质量分数为40%的催化剂Pt/C（英国Johnson-Matthey公司［10］）和Nafion溶液（质量分数为5%，美国DuPont公司［10］），超声混合后均匀喷涂在气体扩散层上，然后200℃干燥5 min。阴极和阳极两侧Pt载量共为0.6 mg/cm2。将2张制备的电极与1片Nafion212质子交换膜（美国Dupont公司［10］）在6 MPa和130℃下热压15 min，制成三合一膜电极组件。

3.2 试验电堆装配测试

将质子交换膜电极（MEA）与具有静态排水的膜组件、极板和导热板等组件按照图4所示组装成电堆。全被动式燃料电池与常规燃料电池的膜电极制备工艺一致。根据极板密封圈压缩量，膜电极MEA活性面积和碳纸的压缩率选择合适的装配参数。具体测试、装配和工艺条件见表2。

图4　全被动燃料电池电堆Fig.4 Fully passive fuel cell stack

4　结果与讨论

4.1 全被动与常规PEMFC系统结构对比

图5给出了常规燃料电池系统组成和全被动燃料电池系统组成。从图中可以看到，基于静态排水和被动热管理的全被动燃料电池系统，氢气和氧气经压力调节阀直接进入电池，无需外部加湿装置。同时，电池反应生成的水经排水组件和排水板排出电池，电池产生的废热经电池内置的排热板导出电池，然后与外冷却装置相连散热。因而，系统中无须气体循环、气液分离、加湿器以及压力平衡器等组件，相比于主动式的常规燃料电池系统，全被动式燃料电池系统结构有了明显简化，由常规燃料电池14个关键零部件减少至5个。

表2　燃料电池测试条件、装配和膜电极参数Table 2 Cell testing conditions，assembly and the membrane electrode parameters

图5　常规燃料电池和全被动燃料电池系统图解Fig.5 Illustration of the system of the conventional fuel cell and the fully passive fuel cell

4.2 全被动燃料电池内部温度变化

针对全被动燃料电池内部的温度随运行时间和工作条件的变化情况，在电池内部组装1张测温板，并在3个不同位置嵌入测温热电阻，如图6所示。

图6　测温板中三个测温点Fig.6 Three different points on the temperature board

不同电流密度条件下，电堆内部温度随运行时间的变化如图7。从图中可以看出，低电流密度条件下，电堆工作1 h后温度上升至60℃左右，短时间内无需冷却。在高电流密度条件下，电堆内部温度上升很快，但利用排热板和外部冷却装置可以将电堆内部温度维持在72℃至75℃之间。试验表明，采用该结构和热解石墨可以将电堆内部多余热量散到环境中去，且电堆内部温度变化可维持在5℃以内。

图7　不同电流密度条件下，电堆内部温度变化Fig.7 Temperature changes in the inner of the stack while running at different current densities

4.3 全被动和常规燃料电池极化性能比较

图8是常规燃料电池与全被动燃料电池的极化性能。在氢氧燃料电池典型工作电流密度200 mA·cm-2、300 mA·cm-2、400 mA·cm-2条件下，常规燃料电池和全被动燃料电池电压分别为0.822 V和0.815 V，0.80 V和0.792 V，0.771 V和0.76 V，电池性能相当。

图9是常规燃料电池和全被动燃料电池的交流阻抗图谱。比较全被动燃料电池与常规燃料电池内阻会发现，前者的内阻要比静态排水燃料电池大17 mΩ·cm2左右。一方面是由于排热板采用纵向导电性较差的热解石墨，增加了电池内阻；另一方面，由于排水组件不具有导电性，造成活性区域导电面积减少，进而间接增加电池内阻。

图8　常规燃料电池和全被动燃料电池极化性能Fig.8 Polarization performances of the common fuel cell and the fully passive fuel cell

图9　全被动燃料电池、常规燃料电池交流阻抗谱（200 mA·cm-2电流密度）Fig.9 Impedance spectra of the fully passive fuel cell and the conventional fuel cell at a current density of 200 mA·cm-2

4.4 全被动燃料电池恒流性能

为了考察全被动燃料电池静态排水及导热板是否维持电池内部水和热的平衡，对其进行了恒流性能测试。图10为全被动条件燃料电池在不同电流密度下的恒流性能。从图中可以看出，典型工况200 mA·cm-2、300 mA·cm-2电流密度条件下，电压分别为0.815 V、0.792 V，且电池能长时间稳定工作。当电流密度升高至400 mA·cm-2时，电池仍能长时间稳定工作，电压波动在5 mV以内。这说明，燃料电池运行中产生的水和废热均能有效地排出电堆，电池内部维持较好的工作环境。静态排水和被动排热使全被动燃料电池具有优异的稳定性。

5　结论

通过改进燃料电池结构，同时实现了燃料电池静态排水和被动排热功能。电池内部温度测试结果表明，通过被动排热可以将电堆内部的温度变化控制在5℃以内；同时，电池极化性能和恒流测试结果表明，电池性能与常规燃料电池性能相当，且长时间运行性能稳定，电池内部水和热均能达到较好的平衡。

图10　不同电流密度条件下全被动燃料电池的恒流性能Fig.10 Current constant performances of the fully passive fuel cells running at different current densities

（References）

［1］衣宝廉.燃料电池的原理、技术状态与展望［J］.电池工业，2003，8（1）：16-22.YI Baolian.Fuel cell：Fundamental，technology and prospect［J］.Chinese Battery Industry，2003，8（1）：16-22.（in Chinese）

［2］Fuller T F，Newman J.Experimental determination of the transport number of water in Nafion 117 membrane［J］.Journal of The Electrochemical Society，1992，139（5）：1332-1337.

［3］杨涛，史鹏飞.新型自增湿燃料电池组性能研究［J］.电源技术，2008，32（2）：80-83.YANG Tao，SHI Pengfei.Study on performance of novel selfhumidified fuel cell［J］.Chinese Journal of Power Sources，2008，32（2）：80-83.（in Chinese）

［4］Büchi F N，Srinivasan S.Operating proton exchange membrane fuel cells without external humidification of the reactant gases fundamental aspects［J］.Journal of the Electrochemical Society，1997，144（8）：2767-2772.

［5］Watanabe M，Uchida H，Emori M.Analyses of self-humidification and suppression of gas crossover in Pt-dispersed polymer electrolyte membranes for fuel cells［J］.Journal of the Electrochemical Society，1998，145（4）：1137-1141.

［6］Lee H I，Lee C H，Oh T Y，et al.Development of 1 kW class polymer electrolyte membrane fuel cell power generation system［J］.Journal of Power Sources，2002，107（1）：110-119.

［7］Bernardi D M，Verbrugge M W.A mathematical model of the solid-polymer-electrolyte fuel cell［J］.Journal of the Electrochemical Society，1992，139（9）：2477-2491.

［8］葛善海，衣宝廉，徐洪峰.质子交换膜燃料电池水传递模型［J］.化工学报，1990，50（1）：39-47.Ge S H，Yi B L，Xu H F.Model of water transport for pro-ton-exchange membrane fuel cell（PEMFC）［J］.CIESC Journal，1990，50（1）：39-47.（in Chinese）

［9］Janssen G J M，Overvelde M L J.Water transport in the proton-exchange-membrane fuel cell：measurements of the effective drag coefficient［J］.Journal of Power Sources，2001，101（1）：117-125.

［10］王诚，毛宗强，徐景明，等.新型自增湿膜电极的制备及其燃料电池性能［J］.高等化学学报，2003，24（1）：140-142.Wang C，Mao Z Q，Xu J M，et al.A novel preparation for a self-humidifying membrane electrode assembly and performance of its fuel cell［J］.Chemical Journal of Chinese Universities，2003，24（1）：140-142.（in Chinese）

［11］于景荣，衣宝廉，韩明，等.无外增湿操作质子交换膜燃料电池［J］.电源技术，2001，25（5）：327-329.Yu J R，Yi B L，Han M，et al.Operating proton-exchange membrane fuel cells without external humidification［J］.Chinese Journal of Power Sources，2001，25（5）：327-329.（in Chinese）

［12］Qi Z，Kaufman A.PEM fuel cell stacks operated under dryreactant conditions［J］.Journal of Power Sources，2002，109（2）：469-476.

［13］李忠华，杜传进，侯献军.质子交换膜燃料电池热管理研究［J］.电池工业，2007，12（2）：131-134.Li Z H，Du C J，Hou X J.Study on the thermal management for proton exchange membrane fuel cells［J］.Chinese Battery Industry，2007，12（2）：131-134.（in Chinese）

［14］Lasbet Y，Auvity B，Castelain C，et al.A chaotic heat-exchanger for PEMFC cooling applications［J］.Journal of Power Sources，2006，156（1）：114-118.

［15］李忠华，杜传进，侯献军.质子交换膜燃料电池热管理研究［J］.华东电力，2007，35（2）：19-22.Li Z H，Du C J，Hou X J.Study on the thermal management for proton exchange membrane fuel cells［J］.East China E-lectric Power，2007，35（2）：19-22.（in Chinese）

［16］Khateeb S A，Farid M M，Selman J R，et al.Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter［J］.J.Power Sources，2004，128（2），292-307.

［17］Metz T，Paust N，Müller C，et al.Passive water removal in fuel cells by capillary droplet actuation［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2008，143（1）：49-57.

［18］刘乐柱，张天平.空间气液分离技术及其应用［J］.真空与低温，2010，16（1）：6-11.Liu Lezhu，Zhang Tianping.Space gas-liquid separation technologies and applications［J］.Vacuum and Cryogenics，2010，16（1）：6-11.（in Chinese）

［19］Zweben C.Ultrahigh-thermal-conductivity packaging materials［C］//Semiconductor Thermal Measurement and Management IEEE Twenty First Annual IEEE Symposium，2005.IEEE，2005：168-174.

［20］衣宝廉.燃料电池—原理技术应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.YI Baolian.Fuel cell-principle，technology and application［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2003.（in Chinese）［21］Kenneth A.Burke，Ian Jakupca，Anthony Colozza Development of Passive Fuel Cell Thermal Management Technology NASA/TM—2010-216773

The Performance of Fully Passive Hydrogen-oxygen Fuel Cell Based on Passive Water and Thermal Management Technology

SUN Yi，ZHANG Wei，LIU Xiang，ZHU Rongjie，JIANG Yongwei，WANG Lina，WANG Tao
（Shanghai Institute of Space Power-Sources，Shanghai 200245，China）

The system of the conventional fuel cell is complex.To simplify the fuel cell system，a fully passive fuel cell was designed based on static water removal and passive heat exhaust technology.The adding of passive water removal membrane and thermal conductive plate greatly strengthened the functionality of the fuel cell and reduced the number of key components of the system.The polar measurement showed that the fully passive fuel cells demonstrated the same performance as compared with the conventional ones，suggesting that the structure changing did not damage the cell performance.The results also showed that the fully passive fuel cell could operate stably at constant current for a long time with the inner cell temperature only changing within a small range.The results demonstrated that the generated heat exhaust and extra water during the operation process could be removed by the Pyrolytic graphite and water removal membrane，reaching an equilibrium of water and heat.This novel fully passive fuel cell can greatly simplify the cell structure and enhance the reliability of the cell system，showing promising potential applications in space in the future

fully passive fuel cells；static water removal；passive thermal management

TM911.4

A

1674-5825（2016）05-0624-07

2015-10-26；

2016-08-01

载人航天预先研究项目（060201）

孙毅（1981-），男，硕士，工程师，研究方向为燃料电池和液流电池。E-mail：sunyi082032@163.com