CN103887541B - 一种气液分离器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种气液分离器及其应用，包括密闭的外壳体，外壳体内部设有气体分离膜固定内框架，内框架固定于外壳体的底座上，内框架内部作为储液空腔，于内框架与外壳体间形成一储气空腔；于储气空腔处的外壳体上设有气体排出口；于内框架上设有气液混合流入口；于外壳体上设有液体排出孔，液体排出孔与一液体排出管的一端相连，液体排出管的另一端穿过外壳体和内框架的壁面沿伸至内框架的中部；于内框架垂直于底座的一侧表面上设有三个液位传感器；三个液位传感器的探头于它们安装表面上及底座上的投影成三角形分布，内框架的几何中心于安装液位传感器表面的投影处于三个探头投影所形成的三角形区域内。本发明避免了传统重力分离对方向的高度敏感性。

Description

一种气液分离器及其应用
技术领域
本发明涉及一种气液分离器，具体的说涉及一种用于便携式燃料电池系统的气液分离器。
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。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。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，重点在于发明了一种不依赖于方向性的气液混合流的分离装置，它可以实现任意空间角度的气液分离，避免了传统重力分离对方向的高度敏感性，并且具有可以在狭小的空间体积下实现的特性。本发明采用下述具体方案来实现：
气液分离器，包括密闭的外壳体，外壳体内部设有气体分离膜固定内框架，内框架固定于外壳体的底座上，
内框架的部份或全部是由两层开设有孔的塑料板热压合而成，两层塑料板之间夹有气体分离膜，内框架内部作为储液空腔，于内框架与外壳体间形成一储气空腔；于储气空腔处的外壳体上设有气体排出口；于内框架上设有气液混合流入口；
于外壳体上设有液体排出孔，液体排出孔与一液体排出管的一端相连，液体排出管的另一端穿过外壳体和内框架的壁面沿伸至内框架的中部；
于内框架垂直于底座的一侧表面上设有三个液位传感器；
三个液位传感器的探头于它们安装表面上的投影成三角形分布，内框架的几何中心于安装液位传感器表面的投影处于三个探头投影所形成的三角形区域内；
三个液位传感器上的探头于底座上的投影成三角形分布，内框架的几何中心于底座上的投影处于三个探头于底座上投影所形成的三角形区域内。
液体排出管处于内框架中部的端口位于内框架的几何中心或靠近几何中心的区域。
气液混合流入口通过穿过外壳体侧壁面的管路与外部的气液混合流源相连。
所述气液分离器的应用，用于液体燃料电池，
气液分离器的液体排出孔与液体循环泵的入口相连，液体循环泵的出口与液体燃料电池的阳极入口相连，液体燃料电池的阳极出口通过管路与气液分离器的气液混合流入口相连；
气液分离器的气体排出口与气泵入口相连，气泵出口与液体燃料电池的阴极入口相连，空气或氧气气源与气泵的入口相连；液体燃料电池的阴极出口与液体循环泵的入口相连。
本发明具有如下优点：
1.本发明可实现任意空间角度的气液分离和内部溶液的吸出，避免了传统重力分离对方向的高度敏感性；
2.本发明具有可以在狭小的空间下实现的特性；
3.本发明分离效果明显优于传统型气液分离器。
附图说明
图1为气液分离器结构示意图；
图2为气液分离器剖视图；
图3为气液分离器在液体燃料电池系统流程中的配置；
图4为气液分离器在不同角度的液位及气体排出状况示意图，（a）侧置；（b）倒置。
图中，1为液位传感器，2为气体分离膜固定内框架，3为气体分离膜，4为底座，5为外壳体，6为液体排出管，7为液体排出孔，8为气液混合流入口，9为气体排出口，10为液体燃料电池阳极入口，11为液体燃料电池，12为为液体燃料电池阳极出口，13为气液分离器，14为液体循环泵，15为燃料补充泵，16为燃料罐，17为冷凝器，18为气泵，19为液体燃料电池阴极入口，20为液体燃料电池阴极出口。
具体实施方式
本发明所述一种气液分离器，包括长方体密闭的外壳体5，外壳体5内部设有气体分离膜固定内框架2，内框架2固定于外壳体5的底座4上，
内框架2的部份是由两层开设有孔的塑料板热压合而成，两层塑料板之间夹有PTFE气体分离膜3，内框架2内部作为储液空腔，于内框架2与外壳体5间形成一储气空腔；于储气空腔处的外壳体5上设有气体排出口9；于内框架2上设有气液混合流入口8；
于外壳体5上设有液体排出孔7，液体排出孔7与一液体排出管6的一端相连，液体排出管的另一端穿过外壳体5和内框架2的壁面沿伸至内框架2的中部；
于内框架2垂直于底座4的一侧表面上设有三个液位传感器1；
三个液位传感器1的探头于它们安装表面上的投影成正三角形分布，内框架2的几何中心于安装液位传感器表面的投影处于三个探头投影所形成的三角形区域的中心；
三个液位传感器1上的探头于底座4上的投影成正三角形分布，内框架2的几何中心于底座4上的投影处于三个探头于底座上投影所形成的三角形区域的中心。
液体排出管6处于内框架2中部的端口位于内框架2的几何中心。
气液混合流入口8通过穿过外壳体5侧壁面的管路与外部的气液混合流源相连。
上述气液分离器的于燃料电池系统中的应用如下：
气液分离器的液体排出孔7与液体循环泵14的入口相连，液体循环泵14的出口与液体燃料电池11的阳极入口10相连，液体燃料电池11的阳极出口12通过管路与气液分离器的气液混合流入口8相连；
气液分离器13的气体排出口9与气泵18入口相连，气泵18出口与液体燃料电池11的阴极入口19相连，空气或氧气气源与气泵18的入口相连；液体燃料电池11的阴极出口20与液体循环泵14的入口相连。
图1为气液分离器结构示意图，其分为内外两层，内层主要是气体分离膜固定框架2，作用是固定气体分离膜3，分离两相流中的气体；外层壳体5与内层结构形成内部溶液储罐、已分离气体的缓冲容器及排出通道，同时外层壳体5也作为液位传感器1的固定支架。构造气液分离器的材料是PC；气体分离膜的材质是PTFE，其孔径为0.5微米。
外壳体5和气体分离膜3固定内框架2固定于底座4上，形成内外两层空间。气体分离膜固定内框架2是由两层开有很多孔的塑料板热压合而成，两层之间夹有气体分离膜3，气体分离膜固定内框架2与外壳体5及底座4构成内部封闭空间，用于存储分离后的溶液。在底座4上安装有液体排出管6，底座4上设有与之相连的液体排出孔7。外壳体5的一个侧面上设置有气液混合流入口8及三个成品字型分布的液位传感器1，底部的2个液位传感器探杆处于气液分离器13高度的1/3处，上面的1个液位传感器探杆处于气液分离器13高度的2/3处。图2为气液分离器剖视图，可以看出三个液位传感器探杆的长度是不同的，底部的2个探杆长度为气液分离器13沿探杆方向宽度的1/3，顶部的1个探杆长度为气液分离器13沿探杆方向宽度的2/3。液位传感探杆是由不锈钢或钛合金等耐腐蚀金属制作，其外部套有绝缘护套，只有端部很小部分暴露在外。
气液分离器在液体燃料电池系统流程中的配置如图3所示，液体循环泵14从分离器底部抽出分离后的液体燃料输送进电池阳极，同时阳极反应产物及剩余燃料通过气液混合流入口8进入气液分离器。由于反应产物中有气相物质，所以从电池阳极出口12排出的物料是气液两相流，其进入气液分离器13内腔，通过气液分离膜实现气相分离。气液分离器13外壳上5的气体排出口9与电池阴极的气泵18输入口并联，从气液分离器13排出的气体与电池阴极所需空气一起泵入电池阴极。由于从分离膜分离出的气相物质有少量是水蒸气和燃料蒸气，采用上述与电池阴极入口并联的结构，可以很快将分离出的气相物质排出分离器，以防止水蒸气和燃料蒸气在分离膜表面的凝结。3个液位传感器主要是通过检测两个液位传感器探杆间的电导阶跃来检测燃料的相对液位，当两个探杆都浸入溶液中时，两者间的电导与它们之间有气体隔绝时的电导相比，会小好几个数量级，即发生了阶跃。当长探杆与两个短探杆间电导都很小时，则表明分离器内部溶液约为其容积的2/3左右，当长探杆与任意一个短探杆间电导很大时，则表明分离器内部溶液小于其容积的2/3，为保证系统物料循环的安全，防止阳极泵抽空，阳极循环通路需要从外面补充水。在燃料电池系统中，这部分补充水是通过冷凝电池阴极的反应产物实现。电池阴极出口冷凝出的水通过补充泵15并联入阳极循环泵14入口，当检测到液位信号发生阶跃，则控制补充泵15的开停，从而达到控制分离器液位的目的。
正常情况下，分离器的液位最终将稳定在其容积的2/3处，这样无论气液分离器处于空间何种角度，都有一部分离膜是不接触溶液，并且液体排出管6端口都处于溶液中，确保了溶液的可靠抽出和气体分离。
图4展示了分离器处于不同状态时液位情况和气体排出情况，（a）为侧置时的气液分离器工作情况，（b）为倒置时气液分离器工作情况。从图中可以看出，气液分离器均可正常工作。

Claims (4)

1.一种气液分离器，包括密闭的外壳体(5)，外壳体(5)内部设有气体分离膜固定内框架(2)，内框架(2)固定于外壳体(5)的底座(4)上，其特征在于：
内框架(2)的部分或全部是由两层开设有孔的塑料板热压合而成，两层塑料板之间夹有气体分离膜(3)，内框架(2)内部作为储液空腔，于内框架(2)与外壳体(5)间形成一储气空腔；于储气空腔处的外壳体(5)上设有气体排出口(9)；于内框架(2)上设有气液混合流入口(8)；
于外壳体(5)上设有液体排出孔(7)，液体排出孔(7)与一液体排出管(6)的一端相连，液体排出管的另一端穿过外壳体(5)和内框架(2)的壁面沿伸至内框架(2)的中部；
于内框架(2)垂直于底座(4)的一侧表面上设有三个液位传感器(1)；
三个液位传感器(1)上的探头于底座(4)上的投影成三角形分布，内框架(2)的几何中心于底座(4)上的投影处于三个探头于底座上投影所形成的三角形区域内。
2.按照权利要求1所述的气液分离器，其特征在于：液体排出管(6)处于内框架(2)中部的端口位于内框架(2)的几何中心或靠近几何中心的区域。
3.按照权利要求1所述的气液分离器，其特征在于：
气液混合流入口(8)通过穿过外壳体(5)侧壁面的管路与外部的气液混合流源相连。
4.一种权利要求1-3任一所述气液分离器的应用，其特征在于：
包括权利要求1-3任一所述气液分离器(13)、液体燃料电池(11)，
气液分离器的液体排出孔(7)与液体循环泵(14)的入口相连，液体循环泵(14)的出口与液体燃料电池的阳极入口(10)相连，液体燃料电池(11)的阳极出口(12)通过管路与气液分离器的气液混合流入口(8)相连；
气液分离器(13)的气体排出口(9)与气泵(18)入口相连，气泵(18)出口与液体燃料电池(11)的阴极入口(19)相连，空气或氧气气源与气泵(18)的入口相连；液体燃料电池(11)的阴极出口(20)与液体循环泵(14)的入口相连。
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