CN104716359B - 一种用于质子交换膜燃料电池、带有水拦截装置的膜分离结构分水器 - Google Patents

一种用于质子交换膜燃料电池、带有水拦截装置的膜分离结构分水器 Download PDF

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Abstract

本发明开发了一种具有分水功能的膜分离结构分水器，可与多级质子交换膜燃料电池组集成在一起。通过对分水器添加水拦截装置，可将部分未分离的液态水进行拦截，避免其进入下一级电池组，有利于避免电池发生水淹。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池、带有水拦截装置的膜分离结 构分水器
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池模块化技术，具体地说是涉及一种燃料电池模块中的水管理技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种能够将燃料中化学能直接转化为电能的发电装置，它具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，已被公认为电动汽车、固定电站、潜艇的首选电源。
PEMFC通常是以氢气为燃料、以空气或氧气为氧化剂，其生成物为水。由于PEMFC是在低温（60～90℃）下进行电化学反应，故其反应生成水大部分是以液态形式存在。在电池工作过程中，为避免电池中发生水淹，需要及时将生成水排除。
李晓锦等（专利申请号：201010048477.9）提出了一种具有分水功能的PEMFC模块，此模块采用气路并串联相结合的多级电池组结构，并在各级电池组间串联膜分离结构分水器，可有效地排出各级电池组的生成水，简化了系统结构，提高了系统集成度。
然而在此具有分水功能PEMFC模块的实际使用过程中，发现膜分离结构分水器中气/水分离不彻底，少量未分离的液态水进入下一级电池组，导致此电池组中的部分电池发生水淹，降低了PEMFC模块运行的稳定性和寿命。
发明内容
本发明的目的在于开发一种用于PEMFC、具有拦水功能的膜分离结构分水器，此膜分离结构分水器通过对分水器添加水拦截装置，将部分未分离的液态水进行拦截，避免其进入下一级电池组，可有效地降低电池水淹的可能性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有分水功能的膜分离结构分水器，主要部件包括分水板和水拦截装置。
所述的分水板，主要部件包括分水母板、分水子板、分水膜、密封件，其中分水母板上刻有水腔流场、排水通道及流体进出通道，分水子板上刻有气水混合流场，分水膜位于分水母板与分水子板之间。分水膜是由透水阻气的微孔材料制成，如石棉膜、膜、陶瓷膜、纤维膜等。分水子板与分水膜可嵌于分水母板中。
所述分水母板上的密封件位于分水母板与分水膜间，可采用面密封、线密封等方式实现密封，避免分水器内流体向环境泄露。另外，在分水子板上也可以雕刻密封槽，里面放置密封胶线，可防止流体不经过气水混合流场，而直接从气水混合流场表面穿过。所述密封件材料可以是硅橡胶、丁基橡胶、丁二烯/苯乙烯橡胶、氟橡胶等弹性材料。
所述水拦截装置位于分水板的流体出口处，作用是拦截经过气水混合流场后的流体中尚未彻底分离的少量液态水。水拦截装置可以是亲水憎气性材料制成的网状结构物质，也可以是具有圆弧形外表面的拦水板。此拦水板可改变气液混合流体流动路径，从而避免气液混合物中的液态水直接流出分水器、进入下一级电池组。
所述拦水板可以作为独立部件在分水器加工完成后固定在分水器的流体出口处，也可以作为分水器的一部分，在加工分水器时与分水器整体成型。
通过水拦截装置拦截下来的液态水可返回分水子板的气水混合流场中，也可以通过石棉、棉线等引水材料利用毛细作用返回到下一级电池组的氧化剂出口腔或分水母板的水腔流场中。
所述分水母板、分水子板可采用金属材质（如银、铜、钛等），以保证分水器的导电性；也可以采用非金属材质（如聚四氟乙烯、聚甲醛、绝缘材料纸基板等），但在将分水器安装于PEMFC模块中时，应在分水器的两侧设置金属材质极板，并且这两块极板间用铜条等金属材质连接，起到集流与导电功能。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1.通过对分水器添加液态水拦截装置，将部分未分离的液态水进行拦截，避免其进入下一级电池组，有效地降低电池水淹的可能性。
2.本发明的膜分离结构分水器具有结构紧凑、体积小巧等特点，易于实现。
附图说明：
图1实施例1的分水器：1a为组装后的整体图，1b为分解图
图2实施例1分水器中带水拦截装置的分水母板结构示意图
图3实施例1分水器中的分水子板结构示意图
图4实施例2的分水器：4a为组装后的整体图，4b为分解图
图5实施例2分水器中带水拦截装置的分水母板结构示意图
图6实施例2分水器中的导电板结构示意图
具体实施方式：
为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，由下述具体实施例，并配合所附图式，对本发明详加说明，说明如后。
实施例1：
图1为根据本发明所制作、用于PEMFC阴极侧、带有水拦截装置的膜分离结构分水器，图1a为组装后的分水器视图，图1b为分水器的分解图。此分水器主要用于将前一级电池组阴极反应之后气水混合物中的液态水分离出来，分离后的气体则进入下一级电池组继续进行反应。
此分水器主要部件为分水板和水拦截装置。分水板由分水母板1、分水子板2、分水膜3、密封件4构成，其中分水母板1、分水子板2均为红铜材质，分水膜4为石棉膜。在分水母板1与分水膜3之间还存在密封胶线4，其作用是防止分水器中气体不经分水膜进入分水母板的水腔流场。本实施例中的水拦截装置设置在分水板上，并且在加工时与分水母板整体成型。带有水拦截装置的分水母板、分水子板的详细结构分别如图2、图3所示。
图2中5、6、7分别表示分水母板上O2、H2、以及冷却水通道，其中a表示入口通道，b表示出口通道。分水母板上雕刻有水流场8和排水孔9，水流场8将透过分水膜的液态水汇集并通过排水孔9排出分水器。水拦截装置由挡水板10和11组成。其中，10面向气流的一侧为弧形曲面，可改变气流的路径，从而对其中所含的液态水起到拦截作用。挡水板11在5b中面向气流的一侧亦为弧形曲面。本实例中，分水器正常运行时为竖立放置（图2中5a、6a、7a在下，5b、6b、7b在上），故此状态下的挡水板11的上沿略高于O2通道5b的下表面。因此即使气流经过挡水板10后尚有少量液态水，也可被11拦截下来，避免其进入下一级电池组。图2中12、13为密封槽（分水母板背面也存在与13相对应的密封槽，图2中未画出），图1b中的硅橡胶线4可放置于12中以便实施密封，13以及分水母板背面的密封槽用于分水器与外部电池组密封。为便于与电池模块组装在一起，分水母板上还设置有定位孔14。
图3中15为分水子板的导流槽（a表示入口、b表示出口），16为气水混合流场。
在将图1的密封胶线4、分水膜3、分水子板2依次置入分水母板1凹槽后，分水子板上表面应略高于分水母板上表面，这样便于通过外部压力实施密封。独立封装后的分水器中，分水子板完全嵌入分水母板中，其上表面与分水母板的上表面平齐。
PEMFC模块运行时，自前一级电池组反应后的阴极气液混合流体（主要含O2和水蒸气）首先进入分水板的5a；由于5a是半封闭的，阴极流体将通过分水子板导流槽15a进入气水混合流场16，其中的液态水透过分水膜4进入水腔流场9，经汇流后通过排水孔9排出分水器，而不能透过分水膜的气体（夹杂有少量液态水）则通过15b进入水拦截装置10、11，然后再经5b进入下一级电池组继续进行反应。
实施例2：
图4为根据本发明所制作、用于PEMFC阴极侧、带有水拦截装置的另一种膜分离结构分水器，图4a为组装后的分水器视图，图4b为分水器的分解图。
与实施例1不同的是此分水器分水板中的分水母板17及分水子板18均为绝缘聚甲醛材质。为保证分水器前后电池组间的导电性，增添了一对红铜材质的导电板19。此外，为防止分水器中未彻底分离的少量液态水进入下一级电池组，本实施例中在分水母板上增设了网状水拦截装置，如图5中的22。此液态水拦截装置为与PTFE所形成的亲水憎气网，其中为亲水物质，PTFE为憎水物质。当气水混合物通过此拦截装置时，气体可顺利通过，但液态水却被拦截下来，避免进入下一级电池组，从而提高了PEMFC模块运行的稳定性。
图6为导电板19a结构示意图，其中24、25、26表示导电板上的O2、H2、以及冷却水通道（a表示入口、b表示出口），27为定位孔。导电板凸出来的部分28上设有孔29。导电板19b与19a互为镜像对称部件。组装电池模块时使用铜质螺栓通过孔29将19a、19b连接在一起，使分水器前后电池组能够导电。
为保证电池模块整体的密封性，分水母板17与导电板相接触的一面分别雕刻有密封槽，即图5中的23（背面密封槽未画出）、，可放置硅橡胶线（图4b中的20、21）实施密封。

Claims (11)

1.一种用于具有分水功能的膜分离结构分水器，主要部件包括分水板、水拦截装置，其特征在于：所述分水板主要部件包括分水母板(1)、分水子板(2)、分水膜(3)、密封件(4)，分水母板(1)上刻有水腔流场(8)、排水通道(9)、以及流体进入和排出通道，分水子板(2)上刻有气水混合物流场(16)，分水膜(3)位于分水母板(1)与分水子板(2)之间；所述水拦截装置位于分水母板(1)上的流体排出通道中；带有水拦截装置的膜分离结构分水器与多级质子交换膜燃料电池构成多级组合集成式结构。
2.根据权利要求1所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述分水膜(3)为透水阻气材料制成。
3.根据权利要求1所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述密封件(4)位于分水母板(1)与分水膜(3)间，采用面密封或线密封方式实现密封。
4.根据权利要求1所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述密封件(4)材料是弹性材料。
5.根据权利要求1所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述水拦截装置为具有圆弧形外表面的拦水板(11)，或为亲水憎气性材料制成的网状结构(22)。
6.根据权利要求5所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述水拦截装置拦截下来的液态水能够返回至分水子板(2)的气水混合流场(16)中，或通过引水材料利用毛细作用返回至下一级电池组的氧化剂出口腔或返回至分水母板(1)的水腔流场(8)中。
7.根据权利要求1所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述分水母板(1)、分水子板(2)采用金属材质或非金属材质。
8.根据权利要求7所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述金属材质为银、铜、钛中一种或两种以上组合，以保证分水器的导电性。
9.根据权利要求7所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述非金属材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、绝缘材料纸基板中一种或两种以上组合，但在将分水器安装于燃料电池组模块中时，应在分水器的两侧设置金属材质极板，并且这两块极板间用导电金属材质连接，起到集流与导电功能。
10.根据权利要求2所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述透水阻气材料为石棉膜、膜、陶瓷膜、纤维膜中的一种或两种以上组合而成。
11.根据权利要求4所述的具有分水功能的膜分离结构分水器，其特征在于：所述弹性材料为硅橡胶、丁基橡胶、丁二烯/苯乙烯橡胶、氟橡胶中一种或两种以上组合。
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