CN100487967C - 用于直接液体供给燃料电池的液-气分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直接液体供给燃料电池的液-气分离器。该液-气分离器包括：具有开口孔的外壳；覆盖开口孔并只传输气体的气体萃取膜；液体萃取膜，其限定出与气体萃取膜接触的第一腔和不与气体萃取膜接触的第二腔，并且有选择地将第一腔中的液体传输到第二腔中；将液体和气体导入第一腔的入口；以及与第二腔连接并且将第二腔中的液体引到外侧的出口。利用本发明，在对液-气分离器的方位基本没有限制的情况下可对液体和气体进行分离。此外，还可以避免因颗粒导致泵发生故障或者可以减轻从外部源进入的阳离子所引起的燃料电池堆的恶化。

Description

用于直接液体供给燃料电池的液-气分离器
技术领域
本发明涉及一种用于从直接液体供给燃料电池的阳极排出的未反应的液体燃料中分离二氧化碳的液-气分离器。
背景技术
直接液体供给燃料电池是通过如甲醇或乙醇之类的有机燃料和氧化剂、即氧之间的电化学反应发电的设备。直接液体供给燃料电池产生的电能能量密度高且电流密度高。此外，由于如甲醇之类的液体燃料直接供给直接液体供给燃料电池，所以直接液体供给燃料电池不需要如重整器之类的外围装置，并且容易存储和供应液体燃料。
图1为直接液体供给燃料电池的横截面图。参考图1，直接供给燃料电池的结构中电解质膜1被置于阳极2和阴极3之间。阳极2包括用于提供并扩散燃料的扩散层22、使燃料发生氧化反应的催化剂层21和电极支撑层23。阴极3也包括用于提供并扩散燃料的扩散层32、使燃料发生还原反应的催化剂层31和电极支撑层33。电极反应的催化剂由如铂之类的低温下催化性能优异的贵金属形成，为了避免催化剂因电极反应的副产物CO而中毒，可以使用如钌、铑、锇或镍之类的过渡金属的合金形成的催化剂。电极支撑层23和33可以由防水碳纸或防水碳纤维形成，以易于供应燃料和排出反应物。电解质膜1是具有离子传导性并且可以包含水分的氢离子交换膜，也可以是厚度为50-200μm的聚合物膜。
如下所述，属于一种直接液体供给燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)的电极反应包括使燃料氧化的阳极反应和使氢和氧还原的阴极反应。
[反应1]
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-      (阳极反应)
[反应2]
3/2O2+6H++6e-→3H2O       (阴极反应)
[反应3]
CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2      (总反应)
在使燃料氧化的阳极2处产生二氧化碳、氢离子和电子(反应1)。氢离子通过电解质膜1迁移到阴极3上。氢离子、从外部电路转送来的电子和阴极3处的氧之间的还原反应生成水(反应2)。因此，甲醇和氧之间的总电化学反应(反应3)的结果生成水和二氧化碳。一摩尔甲醇和氧反应生成两摩尔水。
燃料电池中使用的液体燃料可以是纯甲醇和系统中产生的水或已经存储在燃料电池中的水的混合物。当使用高浓度的燃料时，因燃料在电解质膜(氢离子交换膜)处发生渗透(crossover)而使燃料电池的性能显著降低。因此，通常使用稀释成如0.5到2M(2到8体积％)的低浓度甲醇。
图2为用于燃料电池的传统液-气分离器10模型的横截面图。因为可采用便携式燃料电池，所以将液-气分离器10用于便携式燃料电池时，没有将其固定于一个位置上。当液-气分离器10处于正常位置(参考图2A)时，未反应的燃料和二氧化碳通过入口11进入液-气分离器10中。二氧化碳从形成在液-气分离器主体的顶板上的孔12中排出，未反应的燃料通过形成在液-气分离器主体下部的出口13被回收到燃料电池中。
然而，当液-气分离器10颠倒时(参考图2B)，二氧化碳可能通过出口13进入阳极，未反应的燃料可能通过孔12排到外侧。
进入液-气分离器10的入口11中的液体燃料可能包括催化剂、金属颗粒和金属离子，例如Fe离子。催化剂和金属颗粒可能导致与液-气分离器10连接的泵(未示出)发生故障，金属离子可能污染燃料堆。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于直接液体供给燃料电池中进行液-气分离和异物过滤的液-气分离器。
根据本发明的一个方面，提供一种直接液体供给燃料电池的液-气分离器，该液-气分离器接收来自直接液体供给燃料电池的液体和气体并使液体和气体分离，其包括：具有开口孔的外壳；覆盖开口孔且只传输气体的气体萃取膜(extracting membrance)；插盒，该插盒包括：液体萃取膜，其限定出与气体萃取膜接触的第一腔和不与气体萃取膜接触的第二腔，该液体萃取膜有选择地将第一腔中的液体传输到第二腔中、和所述第二腔；将液体和气体导入第一腔的入口；以及与第二腔连接并将第二腔中的液体引到外侧的出口，所述外壳具有插入所述插盒的进口。
液体萃取膜可以具有直径为50μm或更小的孔。
液-气分离器还可包括，在第二腔中具有的孔大于液体萃取膜的孔的第一膜。
第二腔可以填满直径为0.1到1mm的离子交换珠(beads)。
气体萃取膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)构成。
气体萃取膜可以通过将多孔加强部件和PTFE一起压制而形成。
可将液体萃取膜设置成基本平行于气体萃取膜。
根据本发明另一方面，提供一种直接液体供给燃料电池的液-气分离器，该液-气隔离器接收来自直接液体供给燃料电池中的液体和气体并对液体和气体进行分离，其包括：在外周边上具有开口部分的外壳；覆盖该开口孔并且只传输气体的气体萃取膜；插盒，该插盒包括：液体萃取膜，其限定出与气体萃取膜连接的第一腔和不与气体萃取膜连接的第二腔，所述液体萃取膜有选择地将第一腔中的液体传输到第二腔中、和所述第二腔；将液体和气体导入第一腔的入口；以及与第二腔连接并且将第二腔中的液体导向外侧的出口，所述外壳具有插入所述插盒的进口。
第二腔可以形成在第一腔的内部。
附图说明
通过参考附图对本发明的一些示例性实施方式进行详细描述，本发明的上述及其它特征和优点将更加明显。附图中：
图1为直接液体供给燃料电池的基本构造的横截面图；
图2为用于燃料电池的传统液-气分离器模型的横截面图；
图3为具有本发明一实施方式的液-气分离器的直接液体供给燃料电池系统的示意图；
图4为本发明一实施方式的液-气分离器的横截面图；
图5为图4所示的液-气分离器处于不同方位上的横截面图；
图6为本发明另一实施方式的液-气分离器的横截面图；
图7为本发明又一实施方式的液-气分离器的横截面图；
图8为本发明再一实施方式的液-气分离器的横截面视图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明一些示例性实施方式的附图对本发明进行更全面的描述。
图3为具有本发明一实施方式的液-气分离器的直接液体供给燃料电池系统的示意图。
参考图3，直接液体供给燃料电池系统包括如燃料电池堆(fuel cellstack)190之类的直接液体供给燃料电池、液-气分离器100，其接收经稀释的未反应液体燃料和由电化学反应产生的二氧化碳之后，将二氧化碳排到大气中并且通过水泵191将液体燃料移送到阳极、将经稀释的未反应的液体燃料(例如甲醇)从燃料罐195输送到燃料电池堆190的燃料泵192、以及向燃料电池堆190提供空气的送风机193。阴极上产生的水被排到外侧或可被循环到液-气分离器100或燃料罐195。
图4为本发明一实施方式的液-气分离器100的横截面图。
参考图4，液-气分离器100包括具有开口孔111的外壳110。外壳110由气体或液体不能通过的壁形成。在开口孔111上形成气体萃取膜115。在外壳110中形成与气体萃取膜115平行的液体萃取膜120。液体萃取膜120将外壳110的内部空间分成第一腔112和第二腔114。外壳110可以由金属、塑料材料或柔软乙烯树脂形成。
第一腔112的外壳110包括将液体燃料和二氧化碳从外部源、例如燃料电池堆190的阳极导入第一腔112的入口130。第二腔114的外壳110包括将第二腔114中未反应的燃料向燃料电池堆190的阳极输送的出口140(参见图3)(对此可以使用图3中的水泵191)。
第二腔114可用亲水部件122填满。
液体萃取膜120可以是具有直径为50μm或更小的孔的亲水泡沫部件。液体萃取膜120将催化剂和金属颗粒从第一腔112中的液体燃料中过滤出来，然后将液体燃料排放到第二腔114中。
亲水部件122可以是所具有的孔比液体萃取膜120的孔大的亲水泡沫部件，例如其具有的孔的孔径为100μm到1mm。亲水部件122利于从液体萃取部件120中传输液体燃料。第二腔114可以填满亲水部件122或者填满离子交换珠(未示出)。离子交换珠的直径可以为100μm到1000μm，并且可以将连同液体燃料一起通过液体萃取膜120的阳离子过滤出来。
气体萃取膜115可以由多孔且亲水的聚四氟乙烯(PTFE)构成。气体萃取膜115可以通过将带有如多孔布之类的多孔加强部件(未示出)与PTFE一起压制成形。气体萃取膜115阻塞来自第一腔112的液体燃料流出物，并可将如二氧化碳之类的气体排出。
图5为图4所示的液-气分离器处于不同方向上的横截面图。
液体萃取膜120包括面向第一腔112中液体燃料的第一表面120a和与亲水部件122接触的第二表面120b。当部分液体萃取膜120与第一腔112中的液体接触时，液体萃取膜120因毛管力而完全变湿。对于第一腔112中的气体来说，为使其经由不与液体燃料接触的第一表面120a透入液体萃取膜120中，第一腔112中的气体压力P1必须克服液体萃取膜120的第一表面120a的第一毛管力，并且为了从液体萃取膜120进入亲水部件122，气体压力P1必须克服第二表面120b的第二毛管力。
由于与液体燃料接触的第一表面120a的区域上没有产生第一毛管力，所以液体燃料可以通过液体萃取膜120转移到亲水部件122中。亲水部件122很容易将液体燃料从液体萃取膜120排放到第二腔114中。
借助于外壳110中的气体压力P1将外壳110中的气体通过气体萃取膜115排放到大气中。
如上所述，除了在第一腔112中的液体燃料完全覆盖气体萃取膜115时或者液体燃料根本没有接触液体萃取膜120时之外，本发明的液-气分离器100可以使气体和液体分离。
图6为本发明另一实施方式的液-气分离器200的横截面图。图4和图6中相同的附图标记用于表示基本相同的元件，因此不再赘述。
参考图6，液-气分离器200的外壳210包括用于插入插盒(cartridge)220的进口210a。插盒220包括由底表面和壁222构成的主体。壁222之一包括与出口140相对应的孔223。从第二腔114中排出的液体燃料通过孔223和出口140供应给阳极。
当液体萃取膜120和亲水部件122被损坏或被污染时，可以用新的插盒替换该插盒220。可以使气体萃取膜115朝下来进行插盒220的更换。
本实施方式的液-气分离器200的工作情况与前一实施方式的液-气分离器100基本相同，因此不再赘述。
图7为本发明又一实施方式的液-气分离器300的横截面图。
参考图7，液-气分离器300包括在表面具有开口孔311的外壳310。外壳310由气体和液体难以渗透的壁形成。在开口孔311上形成气体萃取膜315。在外壳310的中央部分上形成与气体萃取膜315平行的液体萃取膜320。液体萃取膜320将外壳310的内部空间分为是外壳310的外空间的第一腔312和是外壳310的中央空间的第二腔314。第一腔312与气体萃取膜315连接，而第二腔314不与气体萃取膜315连接。第二腔314形成在第一腔312的内侧。外壳310由金属、塑料材料或柔软的乙烯树脂形成。
第一腔321的外壳310包括将液体燃料和二氧化碳从如燃料电池堆的阳极之类的外部源导入第一腔312的入口330。第二腔314的外壳310包括将第二腔314中未反应的燃料向燃料电池堆190的阳极输送的出口140(参见图3)(为此可以使用图3中的水泵191)。
第二腔314可以填满亲水部件322。
液体萃取膜320可以是具有直径为50μm或更小的孔的亲水泡沫部件。液体萃取膜320将催化剂和金属颗粒从进入第一腔312的液体燃料中过滤出来，然后将液体燃料排放到第二腔314中。
亲水部件322可以是所具有的孔比液体萃取膜320的孔大、例如孔径为100μm到1mm的亲水泡沫部件。亲水部件322利于将液体燃料从第一腔312中传输到第二腔314中。第二腔314可以填满亲水部件322或者填满离子交换珠(未示出)。离子交换珠的直径可以为100μm到1000μm，并且可以将连同液体燃料一起通过液体萃取膜320的阳离子过滤出来。
当通过入口330进入的液体燃料与液体萃取膜320接触时，本实施方式的液-气分离器300可以使气体和液体分离。本实施方式的液-气分离器300的工作情况与前一实施方式的液-气分离器100基本相同，因此不再赘述。
图8为本发明再一实施方式的液-气分离器400的横截面图。图7和图8中相同的附图标记用于表示基本相同的元件，因此不再赘述。
参考图8，液-气分离器400的外壳410包括用于插入插盒420的进口410a。插盒420的壁422包括与出口340相对应的孔423。从第二腔314中排出的液体燃料通过孔423和出口340被供应给阳极。
当液体萃取膜320和亲水部件322被损坏或污染时，可以通过进口410a用新的插盒替换该插盒420。
如上所述，将本发明的液-气分离器应用于便携式直接液体供给燃料电池时，该液-气分离器能够在对液-气分离器的方位基本上没有限制的情况下对液体和气体进行分离。此外，因为这种液-气分离器可以将颗粒或阳离子过滤出来，本液-气分离器可以避免因颗粒导致泵发生故障或者可以减轻从外部源进入的阳离子所引起的燃料电池堆的恶化。因此，具有这种液-气分离器的直接液体供给燃料电池可以在不必考虑液-气分离器的方位的情况下实现液气分离的功能。
虽然上面已参考一些示例性实施方式具体示出了本发明并对本发明进行了详细描述，但是本领域技术人员应当明白，在不超出所附权利要求限定的构思和保护范围的前提下可对本发明中的形式和细节进行各种变换。

Claims (14)

1.一种直接液体供给燃料电池的液-气分离器，该液-气分离器接收来自直接液体供给燃料电池的液体和气体并使所述液体和气体分离，其包括：
具有开口孔的外壳；
覆盖所述开口孔并且只传输所述气体的气体萃取膜；
插盒，该插盒包括：
液体萃取膜，其限定出与所述气体萃取膜接触的第一腔和不与所述气体萃取膜接触的第二腔，其中，液体萃取膜有选择地将所述第一腔中的液体传输到所述第二腔中、和
所述第二腔；
将所述液体和气体导入所述第一腔中的入口；及
与所述第二腔连接并将所述第二腔中的液体导出到外侧的出口，
其中，所述外壳包括插入所述插盒的进口。
2.根据权利要求1所述的液-气分离器，其中，所述液体萃取膜具有直径为50μm或更小的孔。
3.根据权利要求2所述的液-气分离器，其中，还包括处于所述第二腔中具有的孔大于所述液体萃取膜的所述孔的亲水部件。
4.根据权利要求2所述的液-气分离器，其中，所述第二腔中填满直径为0.1到1mm的离子交换珠。
5.根据权利要求1所述的液-气分离器，其中，所述气体萃取膜由聚四氟乙烯形成。
6.根据权利要求5所述的液-气分离器，其中，所述气体萃取膜是通过将聚四氟乙烯与多孔加强件压制形成的。
7.根据权利要求1所述的液-气分离器，其中，所述液体萃取膜被设置成平行于所述气体萃取膜。
8.一种直接液体供给燃料电池的液-气分离器，该液-气分离器接收来自直接液体供给燃料电池中液体和气体并使所述液体和气体分离开，其包括：
外周边上具有开口部分的外壳；
覆盖所述开口孔并只传输气体的气体萃取膜；
插盒，该插盒包括：
液体萃取膜，其限定出与所述气体萃取膜连接的第一腔和不与所述气体萃取膜连接的第二腔，其中所述液体萃取膜有选择地将所述第一腔中的液体传输到所述第二腔中、和
所述第二腔；
将所述液体和气体导入所述第一腔中的入口；及
与所述第二腔连接并将所述第二腔中的液体导向外侧的出口，
其中，所述外壳包括插入所述插盒的进口。
9.根据权利要求8所述的液-气分离器，其中，所述液体萃取膜具有直径为50μm或更小的孔。
10.根据权利要求9所述的液-气分离器，其中，还包括处于所述第二腔中具有的孔大于所述液体萃取膜的孔的亲水部件。
11.根据权利要求9所述的液-气分离器，其中，所述第二腔中填满直径为0.1到1mm的离子交换珠。
12.根据权利要求8所述的液-气分离器，其中，所述气体萃取膜由聚四氟乙烯形成。
13.根据权利要求12所述的液-气分离器，其中，所述气体萃取膜是通过将聚四氟乙烯与多孔加强件压制形成的。
14.根据权利要求8所述的液-气分离器，其中，所述第二腔被形成于所述第一腔的内部。
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