CN110943242B - 一种用于燃料电池的多孔介质分水器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池水管理领域，具体涉及一种用于燃料电池的多孔介质分水器。本发明所述的分水器包括壳体、翅片、分流器、滤芯、多孔介质板、排水管以及密封紧固件等。气液混合物由进气口，经过分流器、翅片、滤芯等达到气液分离的目的，气体由出气口排出，液体则通过多孔板到水腔之中。与现有的技术相比，其优势在于：可以实现无电结构的自动排水，避免了电磁结构在长时间操作后出现故障的可能性，提高了系统的自动化；其结构简单，体积小，安装方便，便于维修。

Description

一种用于燃料电池的多孔介质分水器
技术领域：
本发明属于燃料电池水管理领域，具体涉及一种用于燃料电池的多孔介质分水器。
技术背景：
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有能量密度高、能量效率高、污染小和兼容可再生能源等优势，在移动电源、固定电站、交通运输等领域具有良好的发展前景。燃料电池的水管理对燃料电池的性能、稳定性与可靠性都具有重要的作用，受到学术界与工业界的多方关注。
在质子交换膜燃料电池工作时，由于质子交换膜需要维持一定的水含量提高其离子传导率，反应气体通常需要增湿，同时，在阴极也有液态水的生成。因此，质子交换膜燃料电池的气体出口通常是气液混合物。如果直接排放下一级燃料电池，会对其造成不利影响。过多的液态水会导致聚集在电极内部，阻碍反应气体向活性位点的扩散，即水淹现象。
为了将气体中多余的液态水分离，目前车用燃料电池系统上均会安装有分水器，通常采用容积式、隔板式、旋风式和过滤式等工业用分水器。但这些分水器存在以下几点不足，首先容积式分水器通常需要占用较大体积，并且重量较重；其次旋风式分水器工艺较复杂，分水效率较低；另外过滤式分水器的阻力较大，需要定期维护。为提高分水效率，专利201521100348.4中提出了一种质子交换膜燃料电池用高效分水器，降低了液态水进入电池堆的机率，改善了系统水平衡。然而这一分水器使用了液位传感器，并在出水口设有电磁阀，液位计和出水口电磁阀通过控制线与控制器相连，实现自动操作，其不足之处在于长时间操作中会出现电磁阀故障的情况，降低了系统的可靠性。专利200720015292.1中提出了一种管道式空气分水器，其不需要使用电磁阀控制排水，将排水阀门一次调节好以后，不用再调节。然而这种管道式空气分水器由金属制作而成，会存在腐蚀问题。
发明内容
针对以上PEMFC用分水器的常见问题，本发明开发了一种燃料电池用的多孔介质分水器，它结构简单、体积较小、安装方便，易于维修，具有较高的分水效率与稳定的自动排水能力，可以使用非金属以避免腐蚀。
为了实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：一种用于燃料电池的多孔介质分水器，包括容器状的本体，所述本体设有反应气体的进气口，反应气体的出气口以及排水口；其特征在于：本体内水平方向设有一块多孔介质板，多孔介质板将本体分为位于多孔介质板上方的气腔与位于多孔介质板下方的水腔；所述反应气体进气口、反应气体出气口分别位于气腔的上部；所述排水口位于水腔的下方，排水口处设有蛇形排水管，蛇形排水管最高处高于多孔介质板的安装高度。
安装时，蛇形排水管的最高处要高于多孔介质板的安装高度以维持多孔介质板与水腔中始终充满液态水。保证多孔介质板始终浸润在水中，起到液封的作用，防止漏气的发生。
所述多孔介质板与本体内壁可拆卸连接。
所述气腔内沿着反应气体的流向依次设有翅片、分流器、滤芯。
分水器可以连接于燃料电池气体出口，即所述反应气体进气口与燃料电池的气体出口相连，防止液态水对下一级燃料电池或尾排装置造成不利影响；反应气体出气口与下一级燃料电池的气体入口相连，或与尾排装置相连，所述排水管与液态水收集装置相连。
反应气体(气液混合物)由进气口进入分水器，在分流器的作用下经过翅片与滤芯进行气液分离操作，再通过出气口排出；其中滤芯的材质为吸水性好、性质稳定且吸水不变形的多孔物质，滤芯的材质优选为海绵、脱脂棉。
反应气体中的液态水经由所述多孔介质板在压力差与毛细作用力的驱动下自动排出到水腔，并通过排水管排出分水器。
所述多孔介质板的材料为石墨、金属、陶瓷或其他无机多孔材料，孔隙率优选为1％～40％，孔径为0.01μm～100μm。
操作时，气体腔室的压力通常大于大气压(气体腔室的压力范围为0.005MPa～0.3MPa)，但是小于多孔介质板的泡点压力P，其中P2γcosθ/r，γ为水的表面张力，θ为多孔介质板的接触角，r为多孔介质板的最大孔径。
本发明的有益之处在于：
1.由于液态水经由多孔介质板在压力差与毛细作用力的驱动下自动排出到水腔，并通过排水管排出分水器，本装置可以有效的进行水汽分离操作，结构简单、体积较小、安装方便，易于维修。
2.可以实现无电结构的自动排水功能。由于本发明的分水器采用无电结构就可以实现自动排水功能，避免了处于长时间操作中可能会出现的电路故障问题，从而提高了系统可靠性。
附图说明：
图1是多孔介质分水器的结构示意图；
图2是多孔介质分水器安装于两级燃料电池电堆中的结构示意图；
图中：1是进气口，2是容器，3是出气口，4是翅片，5分流器，6是滤芯，7是多孔介质板，8是水腔，9是排水管，10是第一级燃料电池，11是多孔介质分水器，12是第二级燃料电池。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例是燃料电池空气出口的分水器。包括容器2，于容器2上设有进气口1、出气口3以及排水管9；于容器2内设有一块多孔介质板7(多孔介质板7使用的是多孔石墨板，其孔径为12μm，接触角为63°)，多孔介质板7与容器2外壳内壁间相固接，将容器2分为位于多孔介质板7上方的气腔与位于多孔介质板7下方的水腔；在气腔之中设有翅片4、分流器5、滤芯6(滤芯使用的是海绵)。
使用时，分水器的进气口1与燃料电池空气出气口3相连，分水器的出气口3与尾气排出管路相连，其排水管9与液态水收集装置相连。空气和水的混合物由进气口进入分水器，在分流器5的作用下经过翅片4与滤芯6进行气液分离操作，气体通过出气口3排出，液体通过多孔介质板7和排水管9排出。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的多孔介质分水器，包括容器状的本体，所述本体设有反应气体的进气口，反应气体的出气口以及排水口；其特征在于：本体内水平方向设有一块多孔介质板，多孔介质板将本体分为位于多孔介质板上方的气腔与位于多孔介质板下方的水腔；所述反应气体进气口、反应气体出气口分别位于气腔的上部；所述排水口位于水腔的下方，排水口处设有蛇形排水管，蛇形排水管最高处高于多孔介质板的安装高度；所述多孔介质板孔径为0.01μm～100μm；
操作时，气体腔室的压力大于大气压，但是小于多孔介质板的泡点压力P，其中P＝2γcosθ/r，γ为水的表面张力，θ为多孔介质板的接触角，r为多孔介质板的最大孔径。
2.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：所述多孔介质板与本体内壁可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：所述气腔内沿着反应气体的流向依次设有翅片、分流器、滤芯。
4.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：所述反应气体进气口与燃料电池的气体出口相连；反应气体出气口与下一级燃料电池的气体入口相连，或与尾排装置相连，所述排水管与液态水收集装置相连。
5.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：反应气体由进气口进入分水器，在分流器的作用下经过翅片与滤芯进行气液分离操作，再通过出气口排出；滤芯的材质为海绵、脱脂棉。
6.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：反应气体中的液态水经由所述多孔介质板在压力差与毛细作用力的驱动下自动排出到水腔，并通过排水管排出分水器。
7.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于：所述多孔介质板的材料为石墨、金属、陶瓷，孔隙率为1％～40％。
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