CN101241995B - 用于直接甲醇燃料电池的分离器 - Google Patents

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Abstract

提供一种分离器，用于直接甲醇燃料电池(DMFC)分离气体/液体混合物。分离器具有闭合通道，闭合通道具有至少一个通道部分，通道部分的壁完全或部分地由疏水、可透气的膜构成，其中，通道的横截面面积从入口至出口连续或逐级地减少，并且，通道的不由膜构成的壁部分通过一体式加工体预先确定。

Description

用于直接甲醇燃料电池的分离器
相关专利申请的交叉引用
本申请要求对于2007年2月6日提交的欧洲专利申请No.07101794.1和于2008年1月29提交的韩国专利申请No.10-2008-0009021的权益，这两个申请的全部公开内容通过引用被并入本文。
技术领域
本发明涉及用于直接甲醇燃料电池的分离器，更具体地，涉及一种用于分离直接甲醇燃料电池的气体/液体混合物的分离器。
背景技术
燃料电池是将连续供给的燃料与氧化剂的化学反应能转化为电能的原电池。通常，燃料电池包括由膜或由电介质分离的两个电极。阳极被例如氢、甲烷或甲醇的燃料流包围，并且，燃料在其中被氧化。阴极被例如氧气、过氧化氢或硫氰酸钾的氧化剂流包围，氧化剂在阴极被还原。根据燃料电池的类型，用于实现单一组分的材料可进行不同的选择。
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种在低至大约60-120℃的温度范围中可工作的低温燃料电池。这种类型的电池使用聚合体膜作为电介质。甲醇(CH3OH)，不经过预先重整而与水一起被直接提供至阳极并在此处氧化。二氧化碳(CO2)在阳极形成为废气。作为氧化剂提供至阴极的大气氧与H+离子和电子反应而形成水。DMFC的有利之处在于，使用液态、易存储、且很便宜的能源源，该能源源例如可分布在塑料盒中。此外，用于甲醇的大量相关基础设施已经存在于诸多领域中，例如，作为抗冻添加剂用于机动车辆的挡风玻璃衬垫流体中。根据设计，这种类型的燃料电池可提供的能量范围为从几mW至几百kW。特别地，DMFC作为电子设备中传统蓄电池的替代物和补充物适合于便携式使用。典型使用领域为通讯中的应用和笔记本电脑的电源。
在阳极催化剂上的甲醇的氧化逐步进行，并且将论述具有不同中间产物的不同反应途径。为了保持燃料电池的高效，需要从电极周围区域快速去除反应产物。由于所遇到的温度和构成基本要素的化学状态，形成了CO2、水、水蒸气和未反应甲醇的液体/气体混合物。水和甲醇应从该液体/气体混合物中重新获取，从而尽可能长时间地保持系统的自足。进一步地，CO2必须从平衡中去除，这通过CO2分离器实现。在调节甲醇浓度后，为了向阳极重新供给液体燃料混合物，CO2必须从该液体/气体混合物中去除。气体的分离通过CO2分离器实现。
类似地，在阴极形成液体/气体混合物，包括未消耗的空气、水和水蒸气。为了实现系统的长时间自足，尽可能多的水必须与空气分离并重新供给到阳极循环中。为此目的，热交换器被设置在燃料电池的阴极出口的下游，以冷却所述混合物而实现水蒸气的冷凝。
设置在热交换器的下游的是空气分离器，用于将空气流与液态水分离，从而将水重新供到阳极循环中。
因此，分离器主要用于水处理和从平衡中去除CO2。通常，分离器实现为分立单元的形式，其通过通常用于这种液体/气体混合物的供给管路而与实际的燃料电池相连。空间距离也导致温度梯度，并且水从逐渐冷却的液体/气体混合物中冷凝。传统的分离器分离液态与气态或汽态组分的相混合物，将气态或汽态组分释放到环境中。本发明也致力于这个问题。
以一种众所周知的方式，用于分离液体/气体混合物的分离器包括多孔膜。多孔膜的内侧朝向液体/气体混合物，且其外侧接触环境。进一步地，这种膜通常涂覆有疏水材料或由疏水材料形成。扩散通道从膜的内侧延伸至膜的外侧，扩散通道的尺寸使得位于内侧的(液态)水不能渗透，而气体能扩散到外侧。
现有技术中的分离器用于将液体/气体混合物传送到邻近于可透气膜的腔中。腔的容积和膜的相对位置取决于操作过程中分离器的定向和预期液体/气体混合物的体积。腔的容积如此设置，使得进入腔内的液体/气体混合物在整体上可在整个腔的容积中分离成气相和液相。膜被设置为邻近腔的顶部，并在受控操作过程中接触气相。液相在底部被排放。这种分离器的充足功能只有当遵守分离器的空间朝向时才被维持。分离器从其竖直位置的倾斜最大不应大于几度，以使得气相连续接触膜。不过，这种正好适于燃料电池的移动使用的情况表现出局限性。
US 2002/0192525A1公开了一种用于DFMC的CO2分离器，其独立于分离器的空间定向而运行。DMFC的阳极废气通过分离器的入口进入通道，并且，分离器的出口被设计为使得压力由于废气的进入而累积。通道具有可使CO2渗透的多孔且疏水的壁。所述的CO2分离器可不依赖其空间位置而运行。
发明内容
本发明提供一种用于分离直接甲醇燃料电池(DMFC)的气体/液体混合物的分离器，该分离器不依赖其空间位置而运行，并将空气分离于阴极的水或将CO2分离于阳极循环。
本发明还提供了一种用于分离直接甲醇燃料电池(DMFC)的气体/液体混合物的分离器，其具有坚固且紧凑的结构。
本发明还提供了一种用于分离气体/液体混合物的分离器，其中，分离器包括：一体式加工体，其中，加工体的表面上包括长形槽；延伸并设置在长形槽上的疏水而且能透气的膜；闭合通道，闭合通道包括第一端、第二端以及由长形槽和疏水而且能透气的膜限定的至少一个通道部分；与通道的第一端流体连通的入口；及与通道的第二端流体连通的出口；其中通道的横截面面积从通道的第一端至第二端连续地或逐级地递减；其中疏水而且能透气的膜被设置在加工体的表面与安装体之间；其中安装体具有长形间隙，长形间隙的位置和形状被选择为使得被固定的长形间隙面向加工体的长形槽。根据本发明的分离器允许以分离器的任何空间方向而分离液体/气体混合物。特别地，分离器具有明显坚固且紧凑的结构，并由于所选结构而可在工业规模上制造。
特别地，本发明基于下述发现，即，通过逐渐变细的通道的气体/液体混合物的通路允许分离器以任何取向分离气相和液相，其中通道的壁的至少一部分完全地或部分地由膜预先确定。气体/液体混合物通过入口进入通道。由于通道朝向出口变窄，因而积累了有助于相分离的压力。气体/液体混合物在其从入口至出口的途中经过通道部分(此通道部分的壁由所述膜构成)，并且，正是在这些通道部分中，混合物的气态组分扩散通过膜而至外部并被带走。进一步地，气体/液体混合物在其从入口至出口的途中经历进一步的冷却，使得由此的冷凝过程进一步减少水和甲醇在气相中的比例。随着路径长度渐增，气体/液体混合物的液体比例在通道中连续增加，最终在出口处形成纯净或大致纯净的液态组分。通道的横截面面积从入口至出口可以减少2至40倍。
通道壁的不由膜构成的部分通过一体式、特别为实体设计的加工体而被预先确定。通过这种方式，分离器被设置为在传统操作尤其是在运动使用中具有机械稳定性，并且，通过所述加工体，可易于在工业规模上实现通道的供应和生产。通常，加工体可为实体设计并可由塑料制成。加工体可由导热材料制成，例如由金属或碳类材料制成，从而允许使用这种导热材料的良好导热性来支持分离器的冷却。加工体的尺寸和几何形状必须适于可用于分离器结构的通道和空间。
进一步地，上述加工体在其表面上可具有长形(oblong)槽，并且，膜在槽上伸展而形成通道。换句话说，优选为平坦式的加工体的顶部形成一定外形，并且，根据本发明所需的通道状结构通过将所述膜固定在所述表面上而形成。
本发明还提供了一种用于分离气体/液体混合物的分离器，分离器包括：一体式加工体，其中，加工体的表面上包括具有蜿蜒的外形的槽；延伸并设置在槽上的疏水而且能透气的膜；闭合通道，闭合通道包括第一端、第二端以及由槽和疏水而且能透气的膜限定的至少一个通道部分；与通道的第一端流体连通的入口；及与通道的第二端流体连通的出口；其中通道的横截面面积从通道的第一端至第二端连续地或逐级地递减，其中疏水而且能透气的膜被设置在加工体的表面与安装体之间，其中安装体具有蜿蜒的外形的间隙，间隙的位置和形状被选择为使得被固定的间隙面向加工体的槽。上述槽优选具有蜿蜒的外形。然而，槽还可具有诸如直线或螺旋的其他设计。如果槽具有蜿蜒的外形并具有通过桥互相分开的平行通道，并且如果膜在槽和桥上伸展，则置于槽(通道)上的膜的第一部分面积大于置于桥上的膜的第二部分面积。通过这种方式，可实现进行气体分离的可用膜面积与总膜面积的满意的比率。
以类似优选的方式，膜通过平坦安装体固定至加工体的表面。换句话说，安装体紧密接触在其中具有槽的加工体的表面，最后形成所设置的通道。膜紧密固定在安装体与加工体之间。应理解的是，安装体的设计应选择为使得将从气体/液体混合物被分离的气态组分将仍然能够通过膜进行扩散并沿着通过其中的通路被去除。
上述安装体优选具有长形间隙，所述间隙的位置和形状被选择为使得在固定条件下的间隙面向加工体的长形槽。换句话说，间隙在此变化中遵从于在下面的通道的外形。
安装体可具有范围为0.1至3mm的厚度。在上述限制下，通过安装体对膜的机械支撑通常不足以传统操作，而且，随着工作时间渐增而必须考虑到失效。除了上述限制之外，存在的危险是，在间隙的壁上的冷凝湿度，这使得在膜外的空气流通随着工作时间的渐增而受阻。在一个特别易于实现的实施例中，加工体和安装体均具有平坦的方形外形，并且，膜位于加工体的形成特定外形的平坦表面与置于其上的安装体的平坦表面之间。
通道尺寸取决于多种因素。一方面，必须确定的是，进入的气体/液体混合物沿着其中设置有膜的通道部分的整个长度不会完全被分离至上区域和下区域。换句话说，通道的尺寸应使得气相和液相沿着纵向交替，至少在包括膜的通道部分中是这样。因此，例如，气体/液体混合物的气态组分以气泡的形式出现在通道中，气泡朝着出口传送并延伸过其所处的通道部分的整个横截面。
另一方面，这种尺寸取决于将被安装的燃料电池的工作参数，也就是说，取决于预计的气体/液体混合物的体积量。应理解的是，根据本发明，也可通过在大量分离器中分配流量而处理大的体积。
通道在入口处的横截面面积优选地最小为1mm2，以限制通道内的压力损失。在优选实施例中，在通道高度最大值为10mm时，横截面面积的最大值可为100mm2。通过这种方式可实现的是，气泡和液相区域相继移动通过通道，使得气泡以任何朝向接触膜。
膜需要由可透气的疏水材料形成。特别地，膜可包括氟化聚合物，从而可持久抵御燃料电池的侵蚀性介质。例如，膜由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
分离器优选设计为便携式计算机(便携式电脑)的直接甲醇燃料电池(DMFC)的空气分离器。可用于渗透的膜部分的总面积优选为8至60cm2。独立于前述优选实施例的空气分离器或作为其补充，通道在入口区域的深度优选为2至6mm。独立于前述优选实施例的空气分离器或作为其补充，在入口处的通道横截面面积为4至40mm2。独立于前述优选实施例的空气分离器或作为其补充，在出口处的通道横截面面积为0.01至10mm2，更优选为0.05至1mm2，从而产生足够的动压力而迫使空气穿过膜，但避免系统中的空气压缩机过载。最后，独立于前述优选实施例的空气分离器或作为其补充，入口处横截面面积与出口处横截面面积的比率的范围可为2∶1至20∶1。以同样方式但使用不同的尺寸，在此详细说明的空气分离器的原理也可应用在便携式计算机(便携式电脑)的DMFC的CO2分离器。
附图说明
本发明的更全面理解及其更多另外的有利之处，将参照结合附图的下述详细描述而更显而易见，同时变得更易于理解，其中，相同的附图标记指示相同或相似的部件，其中：
图1显示了直接甲醇燃料电池(DMFC)的示意图；
图2显示了传统DMFC分离器的示意性截面图；
图3显示了根据本发明的DMFC分离器的俯视图；
图4显示了与图3中的分离器相关的加工体的俯视图；
图5显示了图3中的分离器沿线B-B的截面图；
图6显示了图3中的分离器沿线A-A的截面图；
图7显示了例示分离器通道的可代替设计的示意性截面图；
图8显示了例示分离器通道的另一可代替设计的示意性截面图；和
图9显示了例示分离器通道的又一可代替设计的示意性截面图。
具体实施方式
本发明现在将参见附图进行更充分的描述，其中显示了本发明的示例性实施例。
图1例示了直接甲醇燃料电池(DMFC)的结构。电化学过程(这并非本发明的目的，因而不必进行更详细的说明)在燃料电池堆10中进行。在阳极侧的反应产物为包含CO2和水的液体/气体混合物。
利用泵12将空气通过在阴极侧的入口11提供至燃料电池堆10。提供的空气可从燃料电池堆10的阴极侧出口13排出，并通过扇55和热交换器50而冷却。冷却的空气和冷凝的液体由此通过出口52离开热交换器50，将被提供至空气分离器60。空气分离器60通过相应的管路与出口阀61相连，并通过连接到泵70的管路62与混合器22相连。在阳极侧，混合器22中的混合物利用泵23通过入口15被提供至燃料电池堆10。进一步地，燃料(即甲醇)通过燃料箱30和相应的阀31被提供至混合器22。最后，燃料电池堆10在阳极侧具有出口16，出口16通过管路通向CO2分离器20。分离器20具有用于分离液体/气体混合物的膜。
图2例示了传统DMFC分离器的示意性截面图。图2显示了传统DMFC分离器的功能，并且，图2的分离器可为空气分离器或CO2分离器。示意性截面图显示了用于燃料电池的气体/液体混合物的入口1010。在进入腔1011后，提供的气体/液体混合物分离为气态和液态组分。气态组分可通过顶部的出口1040而被抽出，出口1040通常装备有可透气的膜，而液态组分通过设置在底侧的出口1060被提供至混合器1050。用于供给甲醇的燃料管路1020相连至混合器，并且所得到的混合物通过管路1030被提供至燃料电池。腔1011中的液态组分的填充水平可通过合适的传感器1070进行检测。因此，在此仅示意性概述的现有技术的分离器根据容易实施的重力原理运行，但其结果是，这种分离器具有的缺点在于，其功能依赖于分离器的空间定向。
图3显示了根据本发明的DMFC分离器10的俯视图，分离器10用作空气分离器或CO2分离器。示意图仅显示了在本发明的一个实施例中本发明的主要组件。在图3中以正视图显示的分离器10具有平坦的(flat)外形，所选的透视图允许观察分离器10功能修改侧，其中，将被分离的气体/液体混合物的气态组分离开分离器10并被抽出。
分离器10包括两个组件，其中一个组件为置于一体式实体加工体上的安装体14。安装体14在其顶部上具有多个间隙16，多个间隙16具有大致相等的相互距离，并且其宽度从左至右减小。间隙16的相对位置及其功能将在下文中进行更详细的说明。
膜18位于加工体12与安装体14之间，并仅在通过间隙16显露的区域中可见。因此，间隙16延伸贯穿安装体14的深度。加工体12与安装体14之间的周界侧以适于分离气体/液体混合物的方式密封。被圆圈标出的区域用于例示通道24(未示出)的入口20和出口22的位置，这将进行更详细的说明。
图4例示了图3中的分离器10的加工体12的俯视图。例如，加工体12可由不锈钢制成，并且在其后部上安装有冷却单元，从而允许对于将被分离的气体/液体混合物进行热调节。可代替地，加工体12可由同样导热的碳材料或塑料材料制成，从而使其容易成型和加工。加工体12在其顶部上具有蜿蜒的槽，该槽在膜18的伸展之后形成通道24。如在此实例中可见，通道24的尺寸基本上基于槽的几何形状，由于该原因，外形本身将被简单地称为通道24。
参见图4，通道24以蜿蜒形状延伸越过加工体12的表面而朝向出口22。通道24呈现为逐步渐缩，就是说，形成为多个梯级，即，通道部分26、28、30和32。从第一通道部分26开始，经由第二通道部分28、第三通道部分30并朝向第四通道部分32，通道24的横截面面积连续减小。通道24的总长度大约为300mm。
图5显示了图3的分离器沿线B-B的截面图。如图所示，膜18设置在加工体12与安装体14之间。通过这种方式，通道24及其通道部分26、28、30和32，通过膜18而与安装体14的间隙16在空间上分开。通道24中的气体/液体混合物的气态组分可通过膜18进入间隙16，被释放到外部并由此进入环境中。密封部(或粘合缝)28防止气态组分或气体/液体混合物从分离器10的侧渗漏。
在此所例示的分离器10中，安装体14的厚度大约为1毫米，使得间隙16的深度最大值为1毫米。
第一通道部分26具有大约15mm2的横截面面积。横截面面积朝向第四通道部分32减少至大约5mm2。换句话说，通道的横截面面积从与第一通道部分26的横截面面积相同的入口20至与第四通道部分32的横截面面积相同的出口22减少了2倍。
由膜18预先确定的第一通道部分26中的壁部分的总面积与通道24在所述第一通道部分26中的剩余的壁部分(即，由加工体12限定的壁部分)的总面积的比率，为1∶3。在第四通道部分32中，该比例为1∶4。
图6显示了图3中的分离器沿线A-A的截面图。如图6所示，通道24的第四通道部分32通向嵌在加工体12后部的阀30。因此，阀30在出口22的横截面面积表示了通道24的端部位置，大约为0.5mm2(附图仅用于例示，并未按照真实比例)。
图7和8显示了采用两种可替代设计的方式的通道24。图7中所示的通道24具有线形几何形状并连续渐缩。图8中所示的通道24显示为螺旋形状并连续渐缩。
图9例示根据本发明的分离器的又一可代替装置。在这种情况下，通道24的通道部分26、28、30、32、34、36、38从入口20朝向出口22而逐级递减。采用这种实施例，为了最优化动压力条件，如果需要的话，通道横截面的缩减可以更剧烈。
根据本发明的以上实施例，由于分离器中通道的横截面面积连续或逐级地减小，因此，相对于周围标准大气压的超压在操作过程中在通道内积累。压力梯度有助于使气态组分扩散通过所述膜。进一步地，气体/液体混合物从通道的入口至出口连续地传送，并进一步在此过程中冷却。其结果是，水从气相中冷凝。同时，气态组分通过膜扩散，使得液相的比例随着路径长度增加而增加，最终在出口处形成大致纯净或完全纯净的液态组分。由于通道的设计和尺寸，通道内的气体以气泡的形式移动，在分离器的任何几何位置连续接触膜，使得分离器的所有取向自由度在操作过程中均可用。相混合物的分离因此不依赖于分离器的空间位置。
尽管本发明参照其示例性实施例进行了具体的显示和描述，不过本领域技术人员应理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式上和细节上进行各种变化。

Claims (15)

1.一种分离器，用于分离气体/液体混合物，所述分离器包括：
一体式加工体，其中，所述加工体的表面上包括长形槽；
延伸并设置在所述长形槽上的疏水而且能透气的膜；
闭合通道，所述闭合通道包括第一端、第二端以及由所述长形槽和所述疏水而且能透气的膜限定的至少一个通道部分；
与所述通道的所述第一端流体连通的入口；及
与所述通道的所述第二端流体连通的出口；
其中所述通道的横截面面积从所述通道的所述第一端至所述第二端连续地或逐级地递减，
其中所述疏水而且能透气的膜被设置在所述加工体的所述表面与安装体之间，
其中所述安装体具有长形间隙，所述长形间隙的位置和形状被选择为使得被固定的所述长形间隙面向所述加工体的所述长形槽。
2.根据权利要求1的分离器，其中，所述加工体由导热材料制成。
3.根据权利要求1的分离器，其中，所述安装体的厚度范围从0.1mm至3mm。
4.根据权利要求1的分离器，其中，所述通道的横截面面积从所述入口至所述出口减小2至40倍。
5.根据权利要求1的分离器，其中，所述通道在所述入口处的横截面面积至少为1mm2。
6.根据权利要求1的分离器，其中，所述通道在所述入口处的横截面面积在所述通道的最大高度为10mm时的最大值为100mm2。
7.根据权利要求1的分离器，其中，所述膜由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
8.根据权利要求1的分离器，其中，所述分离器被设计为用于便携式 电脑的直接甲醇燃料电池(DMFC)的空气分离器。
9.根据权利要求8的分离器，其中，所述膜的可用于渗透的部分的总面积的范围为8cm2至60cm2。
10.根据权利要求8的分离器，其中，所述通道在所述入口的区域中的深度的范围为2至6mm。
11.根据权利要求8的分离器，其中，所述通道在所述入口处的横截面面积为4至40mm2。
12.根据权利要求8的分离器，其中，所述通道在所述出口处的横截面面积为0.01至10mm2。
13.根据权利要求12的分离器，其中，所述通道在所述出口处的横截面面积为0.05至1mm2。
14.根据权利要求8的分离器，其中，在所述入口处的横截面面积与在所述出口处的横截面面积的比率的范围为2∶1至20∶1。
15.一种分离器，用于分离气体/液体混合物，所述分离器包括：
一体式加工体，其中，所述加工体的表面上包括具有蜿蜒的外形的槽；
延伸并设置在所述槽上的疏水而且能透气的膜；
闭合通道，所述闭合通道包括第一端、第二端以及由所述槽和所述疏水而且能透气的膜限定的至少一个通道部分；
与所述通道的所述第一端流体连通的入口；及
与所述通道的所述第二端流体连通的出口；
其中所述通道的横截面面积从所述通道的所述第一端至所述第二端连续地或逐级地递减，
其中所述疏水而且能透气的膜被设置在所述加工体的所述表面与安装体之间，
其中所述安装体具有蜿蜒的外形的间隙，所述间隙的位置和形状被选择 为使得被固定的所述间隙面向所述加工体的所述槽。 
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