CN101997127B - 一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高能量电源技术。本发明涉及一种用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器。该气液分离器包括：与电堆阴极冷凝器出口相连的空气/水分离腔，内设螺旋型分离棒，上方有气体排出口；与电堆阳极出口相连的CO2分离腔，腔体为双层结构，内腔由正方体削去顶角后并覆盖上憎水性膜或憎水性多孔材料形成，内设有纯燃料(高浓度燃料)进口，混合燃料出口及液位传感器；将上述腔体连接起来的中间腔，中间腔与空气/水分离腔的连接部位设有憎水性膜或憎水性多孔材料，中间腔与CO2分离腔外腔相连通，腔内设置有液体单向流动阀或微型泵。本发明与现有技术相比，集成度高、结构紧凑，可以在任意方向正常运行，适用于直接液体供料燃料电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种气液分离器，尤其是一种用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器，其用于同时分离电堆阴、阳极排出物中的气体和液体，并将分离出的液态混合物收集于同一分离腔内，液态混合物与纯燃料(高浓度燃料)适当混合后可用作电堆阳极的反应燃料。
背景技术
直接液体供料燃料电池是将液体燃料(如甲醇、乙醇、甲醇、二甲醚等)中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。由于直接液体供料燃料电池系统避免了燃料重整及净化等复杂的结构，且燃料存储和携带方便，系统结构相对简单，在便携式移动电源领域具有广阔的应用前景。
直接甲醇燃料电池(DMFC)是目前以液体燃料进料的燃料电池中研究最为广泛的一种，其工作原理如图1所示。在DMFC工作过程中，燃料(甲醇水溶液)沿阳极极板的流场通道，经扩散层进入催化层，在阳极电催化剂的作用下发生电化学氧化反应，生成CO2、质子和电子，质子通过电解质膜传递至阴极区，电子通过外电路做功进入阴极区，与到达阴极催化层的氧气在电催化剂的作用下发生电化学还原反应生成水。作为便携式移动电源的一种，DMFC系统应同时具有效率高、体积小、重量轻、集成度高、可操作性强等特点。为满足系统体积小、重量轻的特点，DMFC系统通常采用纯甲醇进料，但甲醇进料浓度过高会造成甲醇渗透严重，从而导致电池性能下降，不利于系统的稳定运行和系统效率的提高。为解决这一问题，一方面可以对DMFC阴极反应生成的水进行回收并用于稀释阳极的纯甲醇溶液，这就需要将DMFC阴极排出物中的液态水和空气(除去已反应氧气)进行分离，同时将液态水引入甲醇进料罐中，另一方面要同时对阳极排出物中的液态混合物进行回收，使未参加反应的甲醇溶液能够循环利用，以满足系统在仅携带一定量纯甲醇的条件下尽可能长时间的稳定运行，这就需要将DMFC阳极排出物中的CO2气体从液态混合物中分离出去。
目前，应用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器通常由与电堆阴极侧冷凝器相连接的水/空气分离器和与电堆阳极出口相连的CO2分离器两部分组成。其分离出来的液态混合物和水经连接管通入到燃料进料罐中，与加入的纯燃料(高浓度燃料)混合均匀后作为燃料电池反应所需的燃料供给电堆阳极。这种结构的气液分离器在系统中占用的空间较大，集成度不高，需另外的容器作为燃料进料罐，不利于系统总效率的提高。
另一方面，传统的直接液体供料燃料电池系统用气液分离器都对方向具有一定的敏感性，即只能在某一固定的方向上正常运行。当其放置的方向发生改变时，该分离器不仅对气液分离不起作用，同时也会造成液体从气体排出通道泄露及气体进入燃料混合罐的现象，从而影响燃料电池系统的正常工作。因此，气液分离器方向敏感性的问题是目前影响直接液体供料燃料电池系统应用的一个重要问题。
本发明一方面致力于将直接液体供料燃料电池系统中与电堆阴极冷凝器出口和电堆阳极出口分别相连的两个气液分离器集成为一体；另一方面致力于实现气液分离器在任意方向上的正常工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接液体供料燃料电池用气液分离器，该气液分离器集空气/水分离与CO2分离为一体，将阳极侧未反应的燃料混合液与阴极侧反应生成的水回收到同一个分离腔内，用于与纯燃料(高浓度燃料)混合并最终得到适合于直接液体供料燃料电池系统稳定运行的一定浓度的燃料混合液，同时该气液分离器的正常运行并不依赖于其放置方向。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，从上到下依次包括空气/水分离腔、中间腔和CO2/燃料混合液分离腔，中间腔将空气/水分离腔和CO2/燃料混合液分离腔从上至下连接在一起；
空气/水分离腔的侧壁上设置有气液混合物进口，其与电堆阴极冷凝器出口相连，用于分离液态水和空气(不包括反应消耗掉的氧气)，在腔体内部靠近气液混合物进口处设置有螺旋型分离棒，在空气/水分离腔腔体的上部壁面上设置有气体排出口，气体排出口上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料；
CO2/燃料混合液分离腔的底部或侧壁上设置有气液混合物入口、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口以及与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，气液混合物入口与电堆阳极出口管路相连，用于分离未反应的燃料混合液和CO2气体；CO2/燃料混合液分离腔的腔体中部设置有一独立的密闭的腔体，形成具有内腔和外腔的内外双层的腔体结构，内腔为几何中心对称的多面体或球体，在内腔的腔体壁面上设置有4个或4个以上的由憎水性膜或憎水性多孔材料覆盖或封堵的孔，这些孔于腔体壁面上相对于内腔的几何中心均匀对称地排布；于内腔中设置有液位传感器，液位传感器的探头位于内腔的几何中心；燃料混合液出口经一连接软管与内腔的几何中心相连通，即连接软管的一端与燃料混合液出口相连，另一端设置于内腔的几何中心处，且管口端与内腔的几何中心活动连接，在管口端设置有配重；
中间腔与空气/水分离腔间通过隔板连接，隔板上开设置有孔，所开设的孔上覆盖或封堵有憎水性膜或憎水性多孔材料，在中间腔腔体内设置有控制水流从空气/水分离腔至CO2/燃料混合液分离腔内腔的液体单向流动阀或微型泵；
中间腔与CO2/燃料混合液分离腔的外腔相连通，即两腔体间不设隔板或设置带孔的隔板。
上述气液分离器，所述连接软管采用耐腐蚀的柔性材料制成，长度略长于燃料混合液出口至内腔几何中心的直线长度；所述配重由耐腐蚀材料制成。
上述气液分离器，所述空气/水分离腔中的螺旋形分离棒设置于气液混合物进口正前方，螺旋形分离棒与气液混合物进口的流体流动方向相垂直。
上所述气液分离器，所述中间腔中的液体单向流动阀设置于空气/水分离腔底面的中心位置。
上所述气液分离器，所述CO2/燃料混合液分离腔外腔和空气/水分离腔均为长方体结构。
上述气液分离器，所述CO2/燃料混合液分离腔内腔为长方体结构，长方体的八个顶角开设有以长方体的几何中心为对称中心的孔，孔上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料。
上述气液分离器，所述憎水性膜或憎水性多孔材料为憎水PTFE薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜或憎水性多孔材料的孔径为0.1um～1um。
本发明气液分离器应用在直接液体供料燃料电池系统中时具有显著的优点和积极的效果。该气液分离器集燃料电池系统中空气/水分离、CO2分离、阴极水回收、阳极燃料混合液回收及纯燃料(高浓度燃料)补给等多项功能于一体，不仅可以将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气(不包含消耗掉的氧气)/液态水的分离与阳极侧CO2气体/未反应燃料溶液的分离一体化，同时还可以将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到上述气液分离器当中，增强了系统的集成度，缩小系统的体积，简化了系统的结构。另一方面，该气液分离器CO2/燃料混合液分离腔结构的设计、液位传感器探头位置的设计、燃料混合液出口管的设计以及中间腔中液体单向流动阀或者是微型泵的设计等共同为实现气液分离器在一定时间内或者是长时间内在任意方向上的正常运行提供了保证。上述两个方面的有点同时为便携式燃料电池的应用提供了帮助。
附图说明
图1直接甲醇燃料电池(DMFC)工作原理图；
图2本发明所涉及的燃料电池系统的流程示意图；
图3本发明一实施方式的气液分离器的内部结构示意图；
图中：1为阳极扩散层；2为阳极催化层；3为质子交换膜；4为阴极催化层；5为阴极扩散层；6为燃料电池电堆阴极空气入口；7为燃料电池电堆阳极；8为燃料电池电堆阴极；9为燃料电池系统气液分离器；10为燃料电池系统换热器；11为风扇；12为燃料电池系统气液分离器的纯甲醇入口；13为空气/水分离腔；14为与电堆阴极冷凝器出口相连接的气液混合物进口；15为气体排出口；16为螺旋型分离棒；17为中间腔；18为憎水多孔板；19为液体单向流动阀或微型泵；20为CO2/燃料混合液分离腔；21与电堆阳极出口管路相连的气液混合物入口；22与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口；23与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口；24为憎水多孔薄膜；25为液位传感器；26为位于几何中心位置的液位传感器探头。
具体实施方式
本发明所述一种直接液体供料燃料电池用气分离器包括空气/水分离腔、中间腔和CO2/燃料混合液分离腔三个腔体。
空气/水分离腔与电堆阴极冷凝器出口相连，用于分离液态水和空气(不包括反应消耗的氧气)，其腔体为长方体结构，侧壁上有与电堆阴极冷凝器出口相连接的气液混合物进口，腔体内设置有螺旋型分离棒，上部设置有气体排出口；
CO2/燃料混合液分离腔与电堆阳极出口相连，用于分离未反应的燃料混合液和CO2气体，其腔体为双层结构，外腔为长方体结构，内腔由长方体削去八个顶角并将空缺面覆盖上憎水性膜或憎水性多孔材料后形成，内腔侧壁上具有与电堆阳极出口管路相连接的气液混合物进口、与纯燃料(高浓度燃料)进料泵相连接的纯燃料进口以及与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，腔内设置有液位传感器，液位传感器的探头位于内腔的几何中心；
中间腔将空气/水分离腔和CO2/燃料混合液分离腔从上至下连接在一起，中间腔与空气/水分离腔之间通过其上开孔的隔板相连，开孔处设置有憎水性膜或憎水性多孔材料，中间腔与CO2/燃料混合液分离腔外腔相连通，两腔体间没有任何隔板，中间腔腔体内设置有液体单向流动阀或者是微型泵。
上述空气/水分离腔中的螺旋形分离棒，其水平高度与气液混合物进口高度一致。当由气液混合物进口进来的气体撞击到螺旋形分离棒上时，产生旋流可以使气体中夹带的液态水被充分的分离出来，有利于气液分离效率的提高。
上述CO2/燃料混合液分离腔内腔，其具有中心对称结构；内腔为长方体结构，长方体的八个顶角开设有以长方体的几何中心为对称中心的孔，孔上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料。其具体的制备过程为：以长方体的几何中心为对称中心将长方体的八个顶角对称性的削去，八个顶角被削去后所形成的空缺面上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料。这种设计结构可以满足CO2/燃料混合液分离腔在任意方向上正常运行的要求，即只要内腔没有被液体充满，CO2气体就可以在任意方向上与憎水性膜或憎水性多孔材料接触，同时也可以防止液体泄露，从而有利于CO2气体从燃料混合溶液中充分分离出来。
上述CO2/燃料混合液分离腔中的液位传感器，其探头位于内腔的对称中心。这种结构设计可以保证CO2/燃料混合液分离腔在任意方向上操作时，液位传感器的探头都可以感知到液位和内腔对称中心的相对关系，即对于相同体积的燃料混合液，这种结构设计可以实现在任意方向上将内腔中燃料混合液的液位控制一直控制在略高于探头的位置上。
上述CO2/燃料混合液分离腔中与电堆阳极进口相连接的出口管，其采用耐腐蚀的柔性材料，长度略长于出口点至内腔对称中心的直线长度，其端部采用耐腐蚀金属材料配重。结合液位传感器探头位置的设计，燃料混合液出口管结构的设计可以保证CO2/燃料混合液分离腔在任意方向上运行时燃料混合液出口管都能吸到液体。
上述CO2/燃料混合液分离腔，其内腔设置有纯燃料(高浓度燃料)入口，可以在外部控制电路的控制下实现纯燃料(高浓度燃料)的补充。
上述中间腔中的液体单向流动阀，其最优设置位置为空气/水分离腔底面的中心位置，此时该分离腔可在最大角度范围内长时间正常运行，而在短时间范围内该分离腔可在任意角度范围内运行。
上述空气/水分离腔上部、CO2/燃料混合液分离腔内腔角部以及空气/水分离腔与中间腔连接隔板的开口处设置的憎水性膜或憎水性多孔材料，可以是憎水PTFE薄膜、憎水处理的碳纸或碳布、超憎水聚丙烯中空纤维膜等，其中憎水性膜或憎水性多孔材料的孔径为0.1um～1um。
上述气液分离器，其正常运行时的气液分离过程为：
经系统中冷凝器出口流入到空气/水分离腔中的气液混合物，在螺旋型分离棒的作用下，完成气液分离，分离出的气态物质经气体排出口排出到系统外，液态水在重力的作用下经中间腔中的液体单向流动阀或者是微型泵流入CO2/燃料混合液分离腔中；
经系统中电堆阳极出口流入到CO2/燃料混合液分离腔内腔中的气液混合物，其中的CO2气体经憎水性膜或憎水性多孔材料排出到CO2/燃料混合液分离腔外腔中，外腔中累积的CO2气体再依次经中间腔腔体、中间腔与空气/水分离腔之间隔板上的憎水性膜或憎水性多孔材料排出到空气/水分离腔中，进入空气/水分离腔的CO2气体与经空气/水分离腔分离出的气体一起经空气/水分离腔中的气体排出口排出到系统外；其中的燃料混合液与经液体单向流动阀或者是微型泵流入到CO2/燃料混合液分离腔内腔中的液态水及经纯燃料(高浓度燃料)进口通入的纯燃料(高浓度燃料)均匀混合后，经出口管通过微型泵循环供给电堆阳极。
本发明与现有技术相比，集成度高、结构紧凑，可以在任意方向正常运行，适用于直接液体供料燃料电池系统。
Claims (7)
1.一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，其特征在于：从上到下依次包括空气/水分离腔、中间腔和CO2/燃料混合液分离腔，中间腔将空气/水分离腔和CO2/燃料混合液分离腔从上至下连接在一起；
空气/水分离腔的侧壁上设置有气液混合物进口，其与电堆阴极冷凝器出口相连，用于分离液态水和空气，在腔体内部靠近气液混合物进口处设置有螺旋型分离棒，在空气/水分离腔腔体的上部壁面上设置有气体排出口，气体排出口上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料；
CO2/燃料混合液分离腔的底部或侧壁上设置有气液混合物入口、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口以及与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，气液混合物入口与电堆阳极出口管路相连，用于分离未反应的燃料混合液和CO2气体；CO2/燃料混合液分离腔的腔体中部设置有一独立的密闭的腔体，形成具有内腔和外腔的内外双层的腔体结构，内腔为几何中心对称的多面体或球体，在内腔的腔体壁面上设置有4个或4个以上的由憎水性膜或憎水性多孔材料覆盖或封堵的孔，这些孔于腔体壁面上相对于内腔的几何中心均匀对称地排布；于内腔中设置有液位传感器，液位传感器的探头位于内腔的几何中心；燃料混合液出口经一连接软管与内腔的几何中心相连通，即连接软管的一端与燃料混合液出口相连，另一端设置于内腔的几何中心处，且管口端与内腔的几何中心活动连接，在管口端设置有配重；
中间腔与空气/水分离腔间通过隔板连接，隔板上开设置有孔，所开设的孔上覆盖或封堵有憎水性膜或憎水性多孔材料，在中间腔腔体内设置有控制水流从空气/水分离腔至CO2/燃料混合液分离腔内腔的液体单向流动阀或微型泵；
中间腔与CO2/燃料混合液分离腔的外腔相连通，即两腔体间不设隔板或设置带孔的隔板。
2.按照权利要求1所述气液分离器，其特征在于：所述连接软管采用耐腐蚀的柔性材料制成，长度略长于燃料混合液出口至内腔几何中心的直线长度；所述配重由耐腐蚀材料制成。
3.按照权利要求1所述气液分离器，其特征在于：所述空气/水分离腔中的螺旋形分离棒设置于气液混合物进口正前方，螺旋形分离棒与气液混合物进口的流体流动方向相垂直。
4.按照权利要求1所述气液分离器，其特征在于：设置于中间腔中的液体单向流动阀其位置为相对于空气/水分离腔底面的中心位置。
5.按照权利要求1所述气液分离器，其特征在于：所述CO2/燃料混 合液分离腔外腔和空气/水分离腔均为长方体结构。
6.按照权利要求1或5所述气液分离器，其特征在于：所述CO2/燃料混合液分离腔内腔为长方体结构，长方体的八个顶角开设有以长方体的几何中心为对称中心的孔，孔上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料。
7.按照权利要求1所述气液分离器，其特征在于：所述憎水性膜或憎水性多孔材料为憎水PTFE薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜或憎水性多孔材料的孔径为0.1μm～1μm。
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