专利名称：质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池的辅助节能装置，具体地指一种质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，缩写为PEMFC)是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有室温下启动快、发电效率高、功率密度大、使用寿命长等突出优点，在交通、发电、军事、航天航空等领域有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池主要由多个基本电池单元构成。质子交换膜燃料电池的基本电池单元包括两块气体导流板和膜电极组件，大功率电池堆的基本单元还包括一块冷却液体或气体的导流板，其中膜电极组件由质子交换膜、气体扩散层(包括碳纸和碳布)、催化层组成。质子交换膜燃料电池采用固体聚合物质子交换膜作为电解质，其性能受质子交换膜电导率的影响非常显著。而现在采用的质子交换膜的电导率与其自身的含水量密切相关，即含水量越高，膜的电导率越大。如果含水率低于某一值则质子交换膜就会失去传导质子的能力，电池的性能也会受到很大的影响，因此必须对燃料气体进行增湿。
增湿包括对燃料和氧化剂的增湿，当空气作为氧化剂时，由于氧气只占空气体积的20％，而大电池所需空气的流量很大，致使膜失水的情况较为严重，因此必须对空气进行增湿，尽管不一定需要增湿到相对湿度为100％，但增湿所需的水量也是十分巨大的。为了节约成本并保证燃料电池系统的持续运行，就必须对电池废气中的水分进行回收利用，而目前尚未检索到能够回收质子交换膜燃料电池尾气中水份的装置。
发明内容
本实用新型的目的旨在提供一种质子交换膜燃料电池尾气中液态水的收集装置，该装置能够有效回收燃料电池增湿用水、从而大幅降低燃料电池运行成本。
为实现上述目的，本实用新型所设计的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，包括有一个壳体，壳体的内腔上部设置有一块横向挡板，横向挡板的下面设置有一个由多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层，横向挡板和纵向隔离层将壳体的内腔分隔成三个相对独立的空间，其中位于纵向隔离层两边的空间分别构成气体导入室和液态水收集室，位于横向挡板上方的空间构成气体导出室。气体导入室和气体导出室之间通过横向挡板的缺口相连。气体导入室上设置有气体导入口，质子交换膜燃料电池所产生的废气通过气体导入口进入气体导入室。气体导出室上设置有气体导出口，气体导出口与大气连通，直接将废气排出。液态水收集室的底部设置有液态水导出口，液态水导出口与质子交换膜燃料电池系统提供增湿水的水箱连接，将回收的液态水重新送回水箱。
本实用新型的优点在于所设计由多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层可减小穿过气体的流速，使更多的水蒸气凝结聚集成水珠，从而能有效收集燃料电池尾气中的水份，除去水份的尾气从气体导出口排入大气，凝结水则通过液态水收集室回流到燃料电池的增湿水箱中重新利用，这样可以节约大量的增湿用水，进而大幅降低燃料电池的运行成本。同时，本收集装置结构简单、体积小巧、便于安装，具有高流量低压降、工作稳定可靠、液态水回收率高等特点。
附图为一种质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述图中所示的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，具有一个壳体5，壳体5的形状可以为圆柱型或长方体型，这样外形结构简单、加工及安装方便、成本低廉。在壳体5的内腔上部安装有一块强度足够高的横向挡板9，在横向挡板9的下面安装有一个由多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层3。横向挡板9和纵向隔离层3呈T型布置，将壳体5的内腔分隔成三个相对独立的空间，其中位于纵向隔离层3两边的空间分别构成气体导入室2和液态水收集室4，位于横向挡板9上方的空间构成气体导出室8。气体导入室2和气体导出室8之间的横向挡板9并未完全封闭，因而两者是相连通的。气体导入室2上开设有气体导入口1，气体导入口1的端部设计有气体节流孔7，尾气通过气体节流孔7后再迅速膨胀扩张，可进一步提高尾气的冷却速率，促使气质的水份凝结。气体导出室8上设置有气体导出口10，液态水收集室4的底部设置有液态水导出口6。
本实用新型的壳体5、横向挡板9可以采用不锈钢、工程塑料及陶瓷无机材料中的一种或几种制成，纵向隔离层3的多孔介质或网状介质可以采用高分子材料或金属材料制成。根据燃料电池尾气流量、流速和压力的要求可确定气体导入室2、气体导出室8、液态水收集室4的容积，并进一步确定气体导入口1、气体导出口10、以及气体节流孔7的口径，尤其重要的是可通过这些参数确定纵向隔离层3的多孔介质或网状介质的目数、厚度等参数。本实施例中，液态水收集装置的壳体5及横向隔板9采用1mm厚的不锈钢板，其外形为圆柱体，直径为150mm，高度为300mm，其中气体导入室2的高度为250mm，气体导出室8的高度为50mm，气体导入口1的直径为45mm，气体导出口10和液态水导出口6的直径均为20mm，气体节流孔7的口径为20mm。横向挡板9采用2mm厚的不锈钢板。纵向隔离层3为尼龙丝网，安装在圆柱体壳体5的正中间，其厚度为1～3mm，网孔目数为60～120目。
从燃料电池堆流出的废尾气中含有大量的水份，包括液态水和气态水，由于燃料电池的运行温度一般比较高，约在70～80℃的范围内，当废尾气由气体导入口1通过气体节流孔7进入比较大的气体导入室2时，由于节流作用，会使进入的尾气快速降温、冷却，从而有利于其中的水蒸气冷凝，形成水珠；由于水珠的质量大、惯性大，它们只有很少一部分随气流经过气体导出室8从气体导出口10排出，大部分水珠穿过尼龙丝网构成的纵向隔离层3，进入液态水收集室4，并不断下落聚集，最后通过液态水导出口6流入燃料电池系统的增湿水箱中，进行重新利用。
试验表明将本实施例应用到质子交换膜燃料电堆中，在以氢气和空气分别为燃料和氧化剂的条件下，25千瓦质子交换膜燃料电堆中液态水的截留率可达90％以上。
权利要求1.一种质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，包括有一个壳体(5)，其特征在于壳体(5)的内腔上部设置有一块横向挡板(9)，横向挡板(9)的下面设置有一个由多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层(3)，横向挡板(9)和纵向隔离层(3)将壳体(5)的内腔分隔成三个相对独立的空间，其中位于纵向隔离层(3)两边的空间分别构成气体导入室(2)和液态水收集室(4)，位于横向挡板(9)上方的空间构成气体导出室(8)；气体导入室(2)和气体导出室(8)之间通过横向挡板(9)的缺口相连，气体导入室(2)上设置有气体导入口(1)，气体导出室(8)上设置有气体导出口(10)，液态水收集室(4)的底部设置有液态水导出口(6)。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，其特征在于所说的气体导入口(1)的端部设置有气体节流孔(7)。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，其特征在于所说的纵向隔离层(3)为尼龙丝网，其厚度为1～3mm，网孔目数为60～120目。
4.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，其特征在于所说的壳体(5)的形状为圆柱型或长方体型。
5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，其特征在于所说的壳体(5)的形状为圆柱型或长方体型。
专利摘要一种质子交换膜燃料电池尾气中的液态水收集装置，包括有一壳体，壳体的内腔上部设置有一横向挡板，横向挡板的下面设置有一由多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层，横向挡板和纵向隔离层将壳体的内腔分隔成三个相对独立的空间，其中位于纵向隔离层两边的空间分别构成气体导入室和液态水收集室，位于横向挡板上方的空间构成气体导出室，气体导入室和气体导出室之间通过横向挡板的缺口相连。本装置结构简单、体积小、重量轻、可靠性好、便于安装，质子交换膜燃料电池所产生的废气进入气体导入室后，其中的水气可有效地凝结在多孔介质或网状介质构成的纵向隔离层上，并通过液态水收集室重新回收利用，从而能够大幅降低燃料电池的运行成本。
文档编号H01M8/04GK2914347SQ20062009670
公开日2007年6月20日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者罗志平, 覃群, 潘牧, 袁润章 申请人:武汉理工大学