CN106887618B - 一种用于质子交换膜燃料电池的膜分离结构分水器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于开发一种用于质子交换膜燃料电池的新型膜分离结构分水器，可用于阴极或阳极分水。此分水器将膜分离结构与离心结构相结合，在使用中利用气流高速运动产生的离心力将气水分离，可减小原有膜分离结构分水器中的气体阻力降，使燃料电池能够满足大功率输出时气体流动速率以及水管理要求，有利于提高电池的性能和稳定性。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池的膜分离结构分水器
技术领域
本发明涉及燃料电池模块化技术，具体地说是涉及一种质子交换膜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)具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，已被认为是电动汽车、固定电站的首选电源之一。
PEMFC通常是以氢气为阳极燃料、以空气或氧气为阴极氧化剂，在低温(60～90℃)下进行电化学反应，反应生成物为水，且大部分水是以液态形式存在。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。
专利201310691187.X中提出了一种具有膜分离结构分水器，用于具有气路并串联结构的多级电池组。集成此膜分离结构分水器的电池组运行时可有效地排出各级电池组的生成水，有利于简化系统结构、提高系统集成度。
然而，在实际使用中，上述膜分离结构分水器存在气体阻力较大的问题。当燃料电池需要输出高功率时，工作电流密度提高，电池内部气体消耗量增加、流速加快，因分水器气体流动阻力较大，有可能导致后面一级或多级燃料电池组气体供气量不足，制约了燃料电池功率的增加；当燃料电池供气不足时，各单电池内电流密度分布不均匀、气体流速变慢，由此带来电池均一性、水管理变差、性能衰减等问题，导致燃料电池的性能和稳定性降低。
发明内容
本发明的目的在于开发一种用于PEMFC的新型膜分离结构分水器。此分水器将膜分离结构与离心结构相结合，在使用中利用气流高速运动产生的离心力将气水分离，可减小原有膜分离结构分水器中的气体阻力降，使燃料电池能够满足大功率输出时气体流动速率以及水管理要求。
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、离心式膜分离结构分水器，可用于PEMFC中阴极或阳极分水，主要部件包括分水板、分水膜、集水板。分水板、分水膜、集水板依次叠合在一起，并且三者间通过使用粘接胶粘接或弹性密封件密封组合而成为分水器整体。此分水器可安装于电池中，与电池组合成为一体；也可单独放置在电池外部，但需要相应的端板为其提供气体、水的进/出通道。
分水板上刻有流体进出通道，中部设有分水流场，分水流场的底部设有作为透水孔的通孔。分水流场与流体进出通道相连，包括两种基本结构：一种为平滑的蛇形流道，每一流道均包含至少一个弧形转弯；另一种为只有入口、但无出口的储水槽，分布在蛇形流道的两侧，且与蛇形流道连通。当气水混合物流体在蛇形流道内高速运行时，利用弧形转弯处气水离心力的差别实现气水分离，分离的液态水进入储水槽，气流则继续沿蛇形流道运行。分水流场蛇形流道的横截面形状是矩形、圆形、半圆形、梯形、或者其它形状。
为保证气水分离彻底并避免重力影响，设计弧形转弯半径R时，可使液滴所受离心力≥重力，即R≤V2/g(V为流道内流体速度，g为重力加速度)，优选R≤V2/3g；另外还可设置多个弧形转弯，有利于气水的彻底分离。
分水流场蛇形流道和储水槽底部均可设置有透水孔，液态水可透过透水孔进入分水膜、进而进入集水板。需要说明的是，尽管蛇形流道底部也可设置有透水孔，但由于气水为混合状态且速度较快，仅有少部分液态水可从此位置透水孔排出；分水板内大部分液态水是经气水分离后、再通过储水槽底部透水孔排入集水板。
分水膜在分水板和集水板之间，为透水阻气类材料，如石棉、聚醚砜、膜、陶瓷膜、纤维膜等，作用是将分水板分水流场内液态水吸收、并排入集水板。
集水板表面刻有水腔流场和排水通道，水腔流场和排水通道相连，透过分水膜的液态水在水腔流场汇集后经排水通道排出分水器；或者水腔流场经排水通道与电堆冷却水通道连通，液态水排入电堆冷却水通道。
分水流场位于远离分水膜的分水板一侧表面，水腔流场位于靠近分水膜的集水板一侧表面。
分水器与其前后电池部件间设有密封胶线或密封胶垫，可采用线密封或面密封方式实现密封，防止分水器气体泄漏、以及分水流场各流道间的窜气。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
新型分水器同时具有膜分离结构与离心结构，在使用中可利用气流高速运动产生的离心力将气水分离，与原膜分离结构分水器相比，气流在分水器中流动速度快，气体阻力降小，同时气水分离效果更好，能够满足燃料电池大功率输出时气体流动速率以及水管理要求，有利于提高燃料电池的性能和稳定性。
附图说明
图1分水器分水板结构示意图；
图2分水器中的分水板单流道结构示意图；
图3分水器中的集水板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为根据本发明所制作、用于PEMFC阴极侧的离心结构膜分离结构分水器分水板结构示意图。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。
此分水器主要部件包括分水板、分水膜、集水板，三者间通过粘接胶粘接而成为一个整体(注：此分水器放置在电池外部，与分水板相邻的两块端板上设置有气、水进出通道，本实施例未画出端板)。分水板、集水板的详细结构如图1～3所示。
本实施例中所用分水板、集水板均为聚四氟乙烯板雕刻而成，分水膜为石棉膜，外形为矩形，置于分水板、集水板之间。
图1中2、3分别表示分水板上冷却水和O2通道，分别与电池冷却水、O2公共管道相连通，其中a表示入口通道，b表示出口通道。分水板1表面雕刻有分水流场、密封胶线槽和定位孔。分水流场包括两条流道4和5，用于燃料电池反应气(本实施例为氧气)的流通、并将反应气中的液态水分离。胶线槽6中放置硅橡胶密封线，用于分水器与其前后电池部件间的匹配与密封，防止分水器气体泄漏。定位孔7用于分水板在燃料电池组中的定位。
为更清晰说明分水流场流道结构，以流道4为例进行详细说明。
图2为分水流场流道4结构示意图。流道4包括三部分：分配区8(a为入口、b为出口)、蛇形流道区9、储水槽10。分配区8与分水板1氧进出口通道3相连通，主要对气水流体起导向作用。蛇形流道区9为流体高速运行区域，横截面为矩形，设置4个弧形弯道A1、A2、B1、B2。当流体在9内运行时，在弧形转弯处产生离心力，由于流体中气体、液态水质量不同所产生离心力存在差别，于是气流中液态水被分离进入储水槽10。储水槽10中设置有透水孔，可将蛇形流道区10内分离的液态水收集、并导入分水膜。
图3为集水板11结构示意图。集水板11中2、3、7分别与分水板上冷却水通道、O2通道、以及定位孔相对应。集水板11中间雕刻有水腔流场11(本实施例中水腔流场为平行流场)和排水通道12。自分水膜渗透的液态水在水腔流场11中汇集、然后通过排水通道12进入冷却水通道，便于充分回收利用。
与图1中分水板1的胶线槽6类似，集水板11背面同样雕刻有密封胶线槽(图3中未画出)，放置硅橡胶密封线，用于分水器与其前后电堆部件的密封，防止气体泄漏。
本实施例中燃料电池组为10kW，本分水器分水流场中单条流道横截面为矩形，尺寸4mm×6mm，两条流道总横截面积为48mm2。经实际测量，当燃料电池输出额定功率10kW时，应用本发明的分水器分水彻底，阻力降约为1～2kPa；而相同条件下原无离心结构的膜分水器阻力降约为5kPa。可见应用本发明的分水器，可大大提高对下一级电池组的气体供给能力，有利于提高燃料电池组整体的稳定性和寿命。
另外，本实施例中气流在单条流道中运行速度V约为3m/s，而弧形转弯A1、A2半径RA为8mm，B1、B2半径RB为32mm，存在以下关系：
因此流道设计较为合理，气液分离彻底，实验也证实了此结果。

Claims (10)

1.一种用于质子交换膜燃料电池的膜分离结构分水器，包括依次叠合的分水板、分水膜、集水板，其特征在于：
分水板上刻有流体进出通道，中部设有分水流场，分水流场的两端分别与流体进出通道相连；分水流场(流道)的底部设有通孔；
分水膜位于分水板和集水板之间，作用是将分水板所分离液态水吸收、并排入集水板；
集水板表面刻有水腔流场和排水通道，水腔流场和排水通道相连，透过分水膜的液态水先在水腔流场内汇集后，再经排水通道排出分水器；
分水流场位于远离分水膜的分水板一侧表面，水腔流场位于靠近分水膜的集水板一侧表面。
2.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：分水板分水流场包括两种基本结构，一种结构为蛇形流道，每一流道均包含至少一个弧形转弯；
另一种结构为只有入口、但无出口的储水槽，储水槽与蛇形流道连通，储水槽底部设置有作为透水孔的通孔，液态水可透过透水孔进入分水膜、进而进入集水板。
3.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：分水板、分水膜、集水板，三者间通过使用粘接胶粘接或弹性密封件密封组合而成为一个整体。
4.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：集水板的水腔流场设置有排水通道，透过分水膜的液态水在水腔流场汇集后经排水通道直接排出分水器；或者水腔流场经排水通道与电堆冷却水通道连通，所收集液态水排入电堆冷却水通道。
5.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：分水膜为透水阻气材料制成，是石棉膜、聚醚砜膜、膜、陶瓷膜或纤维膜中的一种。
6.根据权利要求2所述的分水器，其特征在于：分水器流场蛇形流道的横截面形状是矩形、圆形、半圆形、梯形。
7.根据权利要求1或2所述的分水器，其特征在于：设计弧形转弯半径时，可使R≤V2/g；R为弧形转弯半径，V为流道内流体速度，g为重力加速度。
8.根据权利要求7所述的分水器，其特征在于：设计弧形转弯半径时，R≤V2/3g。
9.根据权利要求2所述的分水器，其特征在于：分水板分水流场蛇形流道底部也可设置透水孔，蛇形流道内液态水通过透水孔进入分水膜、进而进入集水板。
10.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：分水器与其前后质子交换膜燃料电池部件间设有密封胶线或密封胶垫，可采用线密封或面密封方式实现密封，防止分水器气体泄漏、以及分水流场各流道间的窜气。
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