一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的膜分離結(jié)構(gòu)分水器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的目的在于開發(fā)一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的新型膜分離結(jié)構(gòu)分水器，可用于陰極或陽極分水。此分水器將膜分離結(jié)構(gòu)與離心結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在使用中利用氣流高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將氣水分離，可減小原有膜分離結(jié)構(gòu)分水器中的氣體阻力降，使燃料電池能夠滿足大功率輸出時(shí)氣體流動(dòng)速率以及水管理要求，有利于提高電池的性能和穩(wěn)定性。

Membrane separation structure water separator for proton exchange membrane fuel cell

The object of the invention is to develop a new membrane separator for proton exchange membrane fuel cells, which can be used for cathode or anode water separation. The water separator membrane structure and centrifugal structure combined by centrifugal force of high-speed airflow movement in the use of gas water separation, gas separation membrane resistance decreases the original structure in manifolds, the fuel cell can meet the high power output when the gas flow rate and water management requirements, is conducive to the improvement of battery the performance and stability.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的膜分離結(jié)構(gòu)分水器
本專利技術(shù)涉及燃料電池模塊化技術(shù)，具體地說是涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池模塊中的水管理技術(shù)。
技術(shù)介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已被認(rèn)為是電動(dòng)汽車、固定電站的首選電源之一。PEMFC通常是以氫氣為陽極燃料、以空氣或氧氣為陰極氧化劑，在低溫(60～90℃)下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成物為水，且大部分水是以液態(tài)形式存在。在電池工作過程中，為避免電池中發(fā)生水淹，需要及時(shí)將生成水排除。專利201310691187.X中提出了一種具有膜分離結(jié)構(gòu)分水器，用于具有氣路并串聯(lián)結(jié)構(gòu)的多級(jí)電池組。集成此膜分離結(jié)構(gòu)分水器的電池組運(yùn)行時(shí)可有效地排出各級(jí)電池組的生成水，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)集成度。然而，在實(shí)際使用中，上述膜分離結(jié)構(gòu)分水器存在氣體阻力較大的問題。當(dāng)燃料電池需要輸出高功率時(shí)，工作電流密度提高，電池內(nèi)部氣體消耗量增加、流速加快，因分水器氣體流動(dòng)阻力較大，有可能導(dǎo)致后面一級(jí)或多級(jí)燃料電池組氣體供氣量不足，制約了燃料電池功率的增加；當(dāng)燃料電池供氣不足時(shí)，各單電池內(nèi)電流密度分布不均勻、氣體流速變慢，由此帶來電池均一性、水管理變差、性能衰減等問題，導(dǎo)致燃料電池的性能和穩(wěn)定性降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于開發(fā)一種用于PEMFC的新型膜分離結(jié)構(gòu)分水器。此分水器將膜分離結(jié)構(gòu)與離心結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在使用中利用氣流高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將氣水分離，可減小原有膜分離結(jié)構(gòu)分水器中的氣體阻力降，使燃料電池能夠滿足大功率輸出時(shí)氣體流動(dòng)速率以及水管理要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種具有分水功能的、離心式膜分離結(jié)構(gòu)分水器，可用于PEMFC中陰極或陽極分水，主要部件包括分水板、分水膜、集水板。分水板、分水膜、集水板依次疊合在一起，并且三者間通過使用粘接膠粘接或彈性密封件密封組合而成為分水器整體。此分水器可安裝于電池中，與電池組合成為一體；也可單獨(dú)放置在電池外部，但需要相應(yīng)的端板為其提供氣體、水的進(jìn)/出通道。分水板上刻有流體進(jìn)出通道，中部設(shè)有分水流場(chǎng)，分水流場(chǎng)的底部設(shè)有作為透水孔的通孔。分水流場(chǎng)與流體進(jìn)出通道相連，包括兩種基本結(jié)構(gòu)：一種為平滑的蛇形流道，每一流道均包含至少一個(gè)弧形轉(zhuǎn)彎；另一種為只有入口、但無出口的儲(chǔ)水槽，分布在蛇形流道的兩側(cè)，且與蛇形流道連通。當(dāng)氣水混合物流體在蛇形流道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，利用弧形轉(zhuǎn)彎處氣水離心力的差別實(shí)現(xiàn)氣水分離，分離的液態(tài)水進(jìn)入儲(chǔ)水槽，氣流則繼續(xù)沿蛇形流道運(yùn)行。分水流場(chǎng)蛇形流道的橫截面形狀是矩形、圓形、半圓形、梯形、或者其它形狀。為保證氣水分離徹底并避免重力影響，設(shè)計(jì)弧形轉(zhuǎn)彎半徑R時(shí)，可使液滴所受離心力≥重力，即R≤V2/g(V為流道內(nèi)流體速度，g為重力加速度)，優(yōu)選R≤V2/3g；另外還可設(shè)置多個(gè)弧形轉(zhuǎn)彎，有利于氣水的徹底分離。分水流場(chǎng)蛇形流道和儲(chǔ)水槽底部均可設(shè)置有透水孔，液態(tài)水可透過透水孔進(jìn)入分水膜、進(jìn)而進(jìn)入集水板。需要說明的是，盡管蛇形流道底部也可設(shè)置有透水孔，但由于氣水為混合狀態(tài)且速度較快，僅有少部分液態(tài)水可從此位置透水孔排出；分水板內(nèi)大部分液態(tài)水是經(jīng)氣水分離后、再通過儲(chǔ)水槽底部透水孔排入集水板。分水膜在分水板和集水板之間，為透水阻氣類材料，如石棉、聚醚砜、膜、陶瓷膜、纖維膜等，作用是將分水板分水流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水吸收、并排入集水板。集水板表面刻有水腔流場(chǎng)和排水通道，水腔流場(chǎng)和排水通道相連，透過分水膜的液態(tài)水在水腔流場(chǎng)匯集后經(jīng)排水通道排出分水器；或者水腔流場(chǎng)經(jīng)排水通道與電堆冷卻水通道連通，液態(tài)水排入電堆冷卻水通道。分水流場(chǎng)位于遠(yuǎn)離分水膜的分水板一側(cè)表面，水腔流場(chǎng)位于靠近分水膜的集水板一側(cè)表面。分水器與其前后電池部件間設(shè)有密封膠線或密封膠墊，可采用線密封或面密封方式實(shí)現(xiàn)密封，防止分水器氣體泄漏、以及分水流場(chǎng)各流道間的竄氣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：新型分水器同時(shí)具有膜分離結(jié)構(gòu)與離心結(jié)構(gòu)，在使用中可利用氣流高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將氣水分離，與原膜分離結(jié)構(gòu)分水器相比，氣流在分水器中流動(dòng)速度快，氣體阻力降小，同時(shí)氣水分離效果更好，能夠滿足燃料電池大功率輸出時(shí)氣體流動(dòng)速率以及水管理要求，有利于提高燃料電池的性能和穩(wěn)定性。附圖說明圖1分水器分水板結(jié)構(gòu)示意圖；圖2分水器中的分水板單流道結(jié)構(gòu)示意圖；圖3分水器中的集水板結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為根據(jù)本專利技術(shù)所制作、用于PEMFC陰極側(cè)的離心結(jié)構(gòu)膜分離結(jié)構(gòu)分水器分水板結(jié)構(gòu)示意圖。此分水器主要用于將前一級(jí)電池組陰極反應(yīng)之后氣水混合物中的液態(tài)水分離出來，分離后的氣體則進(jìn)入下一級(jí)電池組繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。此分水器主要部件包括分水板、分水膜、集水板，三者間通過粘接膠粘接而成為一個(gè)整體(注：此分水器放置在電池外部，與分水板相鄰的兩塊端板上設(shè)置有氣、水進(jìn)出通道，本實(shí)施例未畫出端板)。分水板、集水板的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。本實(shí)施例中所用分水板、集水板均為聚四氟乙烯板雕刻而成，分水膜為石棉膜，外形為矩形，置于分水板、集水板之間。圖1中2、3分別表示分水板上冷卻水和O2通道，分別與電池冷卻水、O2公共管道相連通，其中a表示入口通道，b表示出口通道。分水板1表面雕刻有分水流場(chǎng)、密封膠線槽和定位孔。分水流場(chǎng)包括兩條流道4和5，用于燃料電池反應(yīng)氣(本實(shí)施例為氧氣)的流通、并將反應(yīng)氣中的液態(tài)水分離。膠線槽6中放置硅橡膠密封線，用于分水器與其前后電池部件間的匹配與密封，防止分水器氣體泄漏。定位孔7用于分水板在燃料電池組中的定位。為更清晰說明分水流場(chǎng)流道結(jié)構(gòu)，以流道4為例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2為分水流場(chǎng)流道4結(jié)構(gòu)示意圖。流道4包括三部分：分配區(qū)8(a為入口、b為出口)、蛇形流道區(qū)9、儲(chǔ)水槽10。分配區(qū)8與分水板1氧進(jìn)出口通道3相連通，主要對(duì)氣水流體起導(dǎo)向作用。蛇形流道區(qū)9為流體高速運(yùn)行區(qū)域，橫截面為矩形，設(shè)置4個(gè)弧形彎道A1、A2、B1、B2。當(dāng)流體在9內(nèi)運(yùn)行時(shí)，在弧形轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生離心力，由于流體中氣體、液態(tài)水質(zhì)量不同所產(chǎn)生離心力存在差別，于是氣流中液態(tài)水被分離進(jìn)入儲(chǔ)水槽10。儲(chǔ)水槽10中設(shè)置有透水孔，可將蛇形流道區(qū)10內(nèi)分離的液態(tài)水收集、并導(dǎo)入分水膜。圖3為集水板11結(jié)構(gòu)示意圖。集水板11中2、3、7分別與分水板上冷卻水通道、O2通道、以及定位孔相對(duì)應(yīng)。集水板11中間雕刻有水腔流場(chǎng)11(本實(shí)施例中水腔流場(chǎng)為平行流場(chǎng))和排水通道12。自分水膜滲透的液態(tài)水在水腔流場(chǎng)11中匯集、然后通過排水通道12進(jìn)入冷卻水通道，便于充分回收利用。與圖1中分水板1的膠線槽6類似，集水板11背面同樣雕刻有密封膠線槽(圖3中未畫出)，放置硅橡膠密封線，用于分水器與其前后電堆部件的密封，防止氣體泄漏。本實(shí)施例中燃料電池組為10kW，本分水器分水流場(chǎng)中單條流道橫截面為矩形，尺寸4mm×6mm，兩條流道總橫截面積為48mm2。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)燃料電池輸出額定功率10kW時(shí)，應(yīng)用本專利技術(shù)的分水器分水徹底，阻力降約為1～2kPa；而相同條件下原無離心結(jié)構(gòu)的膜分水器阻力降約為5kPa。可見應(yīng)用本專利技術(shù)的分水器，可大大提高對(duì)下一級(jí)電池組的氣體供給能力，有利于提高燃料電池組整體的穩(wěn)定性和壽命。另外，本實(shí)施例中氣流在單條流道中運(yùn)行速度V約為3m/s，而弧形轉(zhuǎn)彎A1、A本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的膜分離結(jié)構(gòu)分水器，包括依次疊合的分水板、分水膜、集水板，其特征在于：分水板上刻有流體進(jìn)出通道，中部設(shè)有分水流場(chǎng)，分水流場(chǎng)的兩端分別與流體進(jìn)出通道相連；分水流場(chǎng)(流道)的底部設(shè)有通孔；分水膜位于分水板和集水板之間，作用是將分水板所分離液態(tài)水吸收、并排入集水板；集水板表面刻有水腔流場(chǎng)和排水通道，水腔流場(chǎng)和排水通道相連，透過分水膜的液態(tài)水先在水腔流場(chǎng)內(nèi)匯集后，再經(jīng)排水通道排出分水器；分水流場(chǎng)位于遠(yuǎn)離分水膜的分水板一側(cè)表面，水腔流場(chǎng)位于靠近分水膜的集水板一側(cè)表面。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的膜分離結(jié)構(gòu)分水器，包括依次疊合的分水板、分水膜、集水板，其特征在于：分水板上刻有流體進(jìn)出通道，中部設(shè)有分水流場(chǎng)，分水流場(chǎng)的兩端分別與流體進(jìn)出通道相連；分水流場(chǎng)(流道)的底部設(shè)有通孔；分水膜位于分水板和集水板之間，作用是將分水板所分離液態(tài)水吸收、并排入集水板；集水板表面刻有水腔流場(chǎng)和排水通道，水腔流場(chǎng)和排水通道相連，透過分水膜的液態(tài)水先在水腔流場(chǎng)內(nèi)匯集后，再經(jīng)排水通道排出分水器；分水流場(chǎng)位于遠(yuǎn)離分水膜的分水板一側(cè)表面，水腔流場(chǎng)位于靠近分水膜的集水板一側(cè)表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分水器，其特征在于：分水板分水流場(chǎng)包括兩種基本結(jié)構(gòu)，一種結(jié)構(gòu)為蛇形流道，每一流道均包含至少一個(gè)弧形轉(zhuǎn)彎；另一種結(jié)構(gòu)為只有入口、但無出口的儲(chǔ)水槽，儲(chǔ)水槽與蛇形流道連通，儲(chǔ)水槽底部設(shè)置有作為透水孔的通孔，液態(tài)水可透過透水孔進(jìn)入分水膜、進(jìn)而進(jìn)入集水板。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分水器，其特征在于：分水板、分水膜、集水板，三者間通過使用粘接膠粘接或彈性密封件密封組合而成為一個(gè)整體。4.根據(jù)權(quán)利要求1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：耿江濤，洪有陸，陳中巖，邵志剛，侯明，衣寶廉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧,21