CN101017908A - 气液分离器及其燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在燃料电池中使用的气液分离器，该气液分离器包括：燃料导管，具有在其表面上的一或多个开口部分；气液分离膜，其被设置于所述燃料导管的开口部分上，并且只传送气体。相应地，根据本发明各方面的气液分离器通过使用气液分离膜来去除包含在未反应燃料中的气体，而不需要任何分离的电源，并且该气液分离器将所述未反应燃料供给燃料电池，从而能够获得更紧凑并且高效率的燃料电池系统。

Description

气液分离器及其燃料电池系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年2月10日递交韩国知识产权局的韩国专利申请Nos.2006-13145的优先权，该申请的公开内容通过引用并入于此。
技术领域
本申请的各方面涉及一种在燃料电池中使用的气液分离器，并且更具体地，涉及一种使用气液分离膜来分离和排出包含在回收燃料中的气体的气液分离器。
背景技术
燃料电池可以分类为：运行于100℃或更低的常温下的聚合物电解质燃料电池和直接甲醇燃料电池、运行于大约150℃到200℃ 下的磷酸燃料电池、运行于600℃ 到700℃的高温下的熔融碳酸盐燃料电池、以及运行于1000℃或更高的高温下的固体氧化物燃料电池等等。这些燃料电池各自在产生电的运行原理方面基本类似，但是在所使用的燃料、催化剂和电解质等方面不同。
与其它燃料电池相比，直接甲醇燃料电池(DMFC)可以具有更为紧凑的构造，因为DMFC使用甲醇作为直接燃料，而不使用重整器重整原料以生成氢气。另外，DMFC可以在低温下运行，从而使DMFC可以用作便携式电子设备等的电源。
图1是示出常规DMFC的电极-电解质聚合的复合物的示意图。参照图1，常规DMFC的电极-电解质聚合的复合物被配置为使电解质膜30介于阳极电极10和阴极电极20之间。向阳极电极10供给的甲醇(CH3OH)和水(H2O；下文中，甲醇和水的混合物被称为燃料)通过催化剂被分解而生成二氧化碳(CO2)、氢离子(H+)和电子(e-)。氢离子经电解质膜30运动到阴极电极20，而电子经外部电线运动到阴极电极20。通常包含于空气中的氧气(O2)被供给到阴极电极20，并且从阳极电极10运动来的电子、氢离子和氧气通过催化剂反应而生成水。在阳极电极10和阴极电极20之间发生的电化学反应的反应方程式描述如下：
[反应方程式1]
阳极电极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极电极：3/2O2+6H++6e-→3H2O
总方程式：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
然而，在燃料电池的实际运行过程期间，流入阳极电极10的各部分燃料不完全被反应，并与阳极电极10中生成的二氧化碳一起被排出。另外，当甲醇作为燃料而向阳极电极10供给时，该甲醇直接穿过电解质膜30，从而使所述部分燃料被引入到阴极电极20，并因此与在阴极电极20中生成的水一起通过将甲醇传输到阴极电极20的跨越现象而被排出。如上文所述，在燃料电池的运行过程期间，二氧化碳、水以及未反应燃料可以被混合，从而从电极-电解质聚合的复合物的阳极电极10和阴极电极20排出。
图2是示出回收直接甲醇燃料电池系统中未反应燃料(未在阳极电极10中发生反应的燃料)的过程的方框图。电发生单元60包括一或多个电极-电解质聚合的复合物，并且所具有的结构能够使电极-电解质聚合的复合物的至少一个被堆叠。在电发生单元60中，在电极-电解质聚合的复合物中电化学反应之后生成的二氧化碳和水、以及未反应燃料一起排出，并流入气液分离器70。二氧化碳被气液分离器70去除，从而只有水和未反应燃料流入燃料混合器50。存储于燃料容器40中的高浓度燃料也流入燃料混合器50，生成运行电发生单元60所需要浓度的燃料。该燃料被再次供给电发生单元60。
此时，如果二氧化碳不能有效地被气液分离器70去除，二氧化碳就会流入燃料混合器50，因此可能导致运行中的错误。另外，如果二氧化碳流入电发生单元60的电极-电解质聚合的复合物，那么燃料接触阳极电极10的区域会由于二氧化碳而降低，从而使燃料电池的效率降低。同时，当为了从未反应燃料中去除二氧化碳而添加诸如气液分离器70等需要电源的装置时，由于消耗了不必要的电能而降低了燃料电池的效率。
发明内容
本发明的各方面提供一种气液分离器，其能够通过使用气液分离膜来分离和排出未反应燃料中的二氧化碳，而不需要使用任何分离的电源。
根据本发明的一方面，提供一种在使用燃料的燃料电池中使用的气液分离器，该气液分离器包括：燃料导管，具有在其表面上的一或多个开口部分；气液分离膜，其被设置于所述燃料导管的开口部分上，并且只传送所述气体。
所述气液分离器可以进一步包括：壳体，其将所述燃料导管和所述气液分离膜与所述燃料电池的各组件分开；气体出口，其将经所述气液分离膜传送的气体排出到燃料电池的外面。
其中流有燃料的燃料导管一侧的直径可大于其另一侧的直径，并且其中流有燃料的燃料导管的每个开口部分一侧上的区域可宽于其另一侧上的区域。
所述燃料导管的开口部分可以均匀地围绕所述燃料导管的表面布置，并且流出燃料的燃料导管的末端部分可以被填充以多孔材料。
根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池系统，包括：存储液体燃料的燃料容器；燃料混合器，其通过混合所述燃料和水来产生混合燃料；电发生单元，其通过使用所述混合燃料和氧气经电化学反应来产生电；气液分离器，其将在从电发生单元排出的混合燃料的未反应燃料中包含的气体分离出来，其中所述气液分离器包括燃料导管和气液分离膜，其中所述燃料导管具有在其表面上的一或多个开口部分，所述气液分离膜被设置于所述燃料导管的开口部分上，并且只传送所述气体。
其中流有燃料的燃料导管一侧的直径可大于其另一侧上的直径，并且其中流有燃料的燃料导管的每个开口部分一侧上的区域可宽于其另一侧上的区域。
所述燃料导管的开口部分可以均匀地围绕所述燃料导管的表面布置，并且流出燃料的燃料导管的底端可以被填充以多孔材料。
所述燃料电池系统可以是直接甲醇燃料电池系统。
本发明的其余方面和/或优点将在下文的描述中部分地得到阐述，并且将从该描述中变得明显，或者可以通过实践本发明而得到认知。
附图说明
通过下文对各实施例的描述并结合如下附图，本发明的这些和/或其它方面和优点会变得清晰并且更易于理解，其中附图如下：
图1是示出常规直接甲醇燃料电池的电极-电解质聚合的复合物的示意图；
图2是显示回收直接甲醇燃料电池系统中未反应燃料的过程的方框图；
图3是显示根据本发明实施例的气液分离器的透视图；
图4是根据本发明实施例的燃料导管和气液分离膜的分解透视图；
图5是示出根据本发明另一实施例的气液分离器的透视图；
图6是示出根据本发明又一实施例的气液分离器的透视图；
图7A和图7B是示出根据本发明的另一实施例的气液分离器的透视图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的各实施例，所述各实施例的示例将在附图中得到描述，其中在全文中相似的附图标记代表相似的元件。下文中对各实施例的描述是为了通过参照附图对本发明进行阐释。
图3是显示根据本发明实施例的气液分离器的透视图，图4是根据本发明实施例的燃料导管120以及气液分离膜130的分解透视图。
参照图3和图4，气液分离器包括壳体110、燃料流入管140、燃料导管120、气液分离膜130、气体出口160和燃料流出管150。
燃料流入管140的第一端连接到燃料电池的电发生单元(未示出)，从而使从燃料电池排出的未反应燃料和二氧化碳可以流入。燃料流入管140的第二端连接到设置于壳体110内的燃料导管120的一端，从而使流体可以流过。
根据本发明的一方面，燃料导管120由对燃料抗腐蚀和不渗漏的材料制成。燃料导管120设置于壳体110内并且为中空管，虽然并非必要，但是该中空管可以具有逐渐缩小的直径。燃料导管120的第二端，其直径相对小于燃料导管120的第一端，该第二端连接到燃料流出管150，从而使流体能够流入和流出。在燃料导管120的表面上形成至少两个开口部分。虽然并非必要，不过所述开口部分可以围绕燃料导管120均匀分布。也就是说，每个邻近的开口部分之间的距离相等。进一步，虽然并非必要，不过所述开口部分可以设置以非对称的形状。举例而言，与燃料流入管140相连接的一侧的宽度可以宽于与燃料流出管150相连接的一侧的宽度。气液分离膜130设置于每个开口部分上。气液分离膜130选择性地只传送气体而不传送液体。
如上所述，燃料流出管150连接到燃料导管120的第二端，从而使所述流体可以流入和流出。另外，燃料流出管150的直径可以小于燃料流入管140的直径。
相应地，从燃料电池排出的二氧化碳和未反应燃料经过燃料流入管140流进燃料导管120。流入燃料导管120的二氧化碳接触在燃料导管120的表面上设置的气液分离膜130。因为气液分离膜130均匀地围绕燃料导管120安装，因此即使在气液分离器转动时，二氧化碳也可以接触任何一个气液分离膜130。因为气液分离膜130在燃料流入管140一侧上的宽度宽于气液分离膜130在燃料流出管150一侧上的宽度，二氧化碳在流入燃料导管120的早期阶段接触气液分离膜130的较宽区域。二氧化碳通过气液分离膜130而被排出到燃料导管120的外面，并且通过安装于壳体110一侧上的气体出口160而被排出到壳体110的外面。去除了二氧化碳的未反应燃料可以通过燃料流出管150供给到燃料混合器(未示出)。
如果通过气液分离器130排出的二氧化碳接触到燃料电池系统的各组件，可能发生腐蚀。不过，如果燃料电池系统的所有组件由抗腐蚀材料制成以防止腐蚀，那么会增加生产费用。因此，壳体110可以由具有水密性和/或气密性结构的抗腐蚀材料制成，从而防止泄漏的气体和液体泄漏出去。
可以理解的是，可以在壳体110的一侧或多侧上设置多个气体出口，以促进气体的流动。
图5是示出根据本发明另一实施例的气液分离器的透视图。参照图5，所述气液分离器在图3所示的气液分离器上，还进一步包括燃料吸收层251。也就是说，本实施例的气液分离器包括燃料吸收层251、壳体210、气液分离膜230、燃料导管220、气体出口260和燃料流出管250。
燃料吸收层251介于燃料导管220和燃料流出管250之间，并包括多孔材料。因为燃料吸收层251只吸收液体(即，未反应燃料)，因此可以防止在经过燃料导管220时仍待排出的任何二氧化碳流到燃料流出管250。可以理解的是，如果所述气液分离器包括燃料吸收层251，那么燃料导管220不必包括开口部分以及气液分离膜230。也就是说，燃料吸收层251可以只让燃料滤过而防止气体再次进入燃料电池，并且燃料流出管250上的任何开口可因此排出气体。
图6是示出根据本发明又一实施例的气液分离器的透视图。参照图6，所述气液分离器包括燃料吸收层451、壳体410、气液分离膜430、燃料导管420、气体出口460和燃料流出管450。如图6所示，燃料导管420的形状呈六面体。所示出的结构具有的优点在于，气液分离膜430可以容易地附到燃料导管420。不过，可以理解的是，燃料导管420可以呈任意形状。
图7A和图7B是示出根据本发明另一实施例的气液分离器的透视图。
参照图7A和图7B，所示出的气液分离器包括燃料吸收层351、壳体310、气液分离膜330、燃料导管320、气体出口360和燃料流出管350。如图7A和图7B所示，燃料导管320的形状为设置成之字形的长导管。不过，可以理解的是，燃料导管320可以为任意形状。
如图7A所示的气液分离膜330通过切开燃料导管320的一些部分而附着，或者，如图7B所示，燃料导管320’的一些部分为网状物并且气液分离膜330’覆盖该网状物。可以理解的是，具有任意形状的燃料导管320可以或者全部地或者部分地包括网状表面。
图8是示出了根据本发明实施例对从燃料电池释放的未反应液体燃料和气体进行分离的方法的流程图。参照图8，燃料导管的第一侧接收未反应燃料(操作步骤801)。然后，只有气体通过燃料导管一个或多个开口部分上设置的分离膜而被释放(操作步骤802)。然后，未反应燃料通过燃料导管与第一侧相对的第二侧而被释放到燃料电池(操作步骤803)。
根据本发明各方面的气液分离器通过使用气液分离膜去除了包括在未反应燃料中的气体，而不需要使用任何分离的电源，并且该气液分离器向燃料电池供给未反应燃料，从而能够获得更紧凑且高效率的燃料电池系统。
虽然已经示出和描述了本发明的若干实施例，但是本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明的原理和精神的前提下可以对这些实施例进行改动，本发明的范围在权利要求书及其等同替换中限定。

Claims (20)

1、一种在释放未反应液体燃料和气体的燃料电池中使用的气液分离器，该气液分离器包括：
燃料导管，其接收所述未反应液体燃料和气体，并且具有在其表面上的一或多个开口部分；和
气液分离膜，其被设置于所述燃料导管的每个开口部分上，并只将所述气体传送到所述燃料导管的外面。
2、根据权利要求1所述的气液分离器，进一步包括：
壳体，其将所述燃料导管和气液分离膜与所述燃料电池的各组件分开。
3、根据权利要求2所述的气液分离器，进一步包括：
气体出口，其被设置于所述壳体上，以将经所述气液分离膜传送的气体排出到燃料电池的外面。
4、根据权利要求2所述的气液分离器，进一步包括：
气体出口，其将经所述气液分离膜传送的气体排出到燃料电池的外面。
5、根据权利要求1所述的气液分离器，其中所述燃料导管包括：
第一侧，其接收所述未反应燃料和气体，并具有第一直径；和
第二侧，其与所述第一侧相对，并具有第二直径，
其中，所述第一直径大于所述第二直径。
6、根据权利要求5所述的气液分离器，其中所述一或多个开口部分均包括：
开口部分第一侧，其最靠近所述燃料导管的第一侧；和
开口部分第二侧，其最靠近所述燃料导管的第二侧，
其中，所述开口部分第一侧宽于所述开口部分第二侧。
7、根据权利要求1所述的气液分离器，其中所述燃料导管的一或多个开口部分均匀地围绕该燃料导管的表面布置。
8、根据权利要求1所述的气液分离器，进一步包括：
燃料流出管，其连接到所述燃料导管，以释放来自该处的未反应燃料。
9、根据权利要求9所述的气液分离器，其中，所述燃料导管包括一燃料吸收层，其连接到所述燃料流出管，并由多孔材料制成，以只吸收所述未反应燃料并防止所述气体被释放到所述燃料流出管。
10、根据权利要求1所述的气液分离器，其中所述燃料导管为以之字形设置的导管。
11、根据权利要求1所述的气液分离器，其中所述一或多个开口部分被设置成所述燃料导管的网状表面。
12、一种燃料电池系统，包括：
存储液体燃料的燃料容器；
燃料混合器，其通过混合所述燃料和水来产生混合燃料；
电发生单元，其通过使用所述混合燃料和氧气经电化学反应来产生电；和
气液分离器，其分离气体和未反应燃料，所述未反应燃料是未在电化学反应中反应并从所述电发生单元排出的混合燃料，该气液分离器包括：
燃料导管，其接收所述未反应燃料和气体，并具有在其表面上的一或多个开口部分，和
气液分离膜，其被设置于所述燃料导管的每个开口部分上，并只将所述气体传送到燃料电池系统的外面。
13、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述气液分离器进一步包括：
壳体，其将所述燃料导管和气液分离膜与所述燃料容器、燃料混合器和电发生单元分开。
14、根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述气液分离器进一步包括：
气体出口，其被设置于所述壳体上，以将经所述气液分离膜传送的气体排出到燃料电池的外面。
15、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述气液分离器进一步包括：
气体出口，其将经所述气液分离膜传送的气体排出到燃料电池的外面。
16、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述燃料导管包括：
第一侧，其接收所述未反应燃料和气体，并具有第一直径；和
第二侧，其与所述第一侧相对，并具有第二直径，
其中，所述第一直径大于所述第二直径。
17、根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中所述一或多个开口部均包括：
开口部分第一侧，其最靠近所述燃料导管的第一侧；和
开口部分第二侧，其最靠近所述燃料导管的第二侧，
其中，所述开口部分第一侧宽于所述开口部分第二侧。
18、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述燃料导管的一或多个开口部分均匀地围绕该燃料导管的表面布置。
19、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述气液分离器进一步包括：
燃料流出管，其连接到所述燃料导管，以释放来自该处的未反应燃料。
20、根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中，所述燃料导管包括燃料吸收层，其连接到所述燃料流出管，并由多孔材料制成，以只吸收所述未反应燃料并防止所述气体被释放到所述燃料流出管。
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