CN106910914A - 一种直接液体燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种直接液体燃料电池系统，该系统的气液分离模块使用新型气液分离过程，该气液分离流程为电堆阳极排出物和阴极排出物首先混合在一起，进行第一次气液分离，分离出包含二氧化碳、水蒸气和空气的高温混合气；将该高温混合气通入换热器中进行冷却，冷却后的混合物进行第二次气液分离，回收液态水，排放空气与二氧化碳。本发明优化了气液分离过程，提高了系统效率与可靠性。

Description

一种直接液体燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种直接液体燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高，环境友好等特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。
直接甲醇燃料电池是一种典型的直接液体燃料电池系统，它使用的燃料为甲醇，系统工作时膜电极在阳极上消耗水，在阴极上生成水，同时质子穿过质子交换膜时也会携带水。为了满足便携式设备对供电装置的质量与体积的要求，追求更高的体积比能量、体积比功率一直是直接甲醇燃料电池系统研发的目标。
直接甲醇燃料电池系统可以分为电堆模块、电控模块、气液分离模块、供料模块、散热模块这五大模块。在系统运行过程中，甲醇在电堆的阳极发生氧化，生成二氧化碳，为了使系统稳定工作，二氧化碳必须在水热分离模块中被分离排放除去。空气在阴极氧化生成水，质子穿过质子交换膜时携带的水，这些水必须回收利用才能使系统正常工作。由于系统工作温度较高，为了充分的回收阴极的水，需要使用热交换器对阴极排放物进行冷却，从排放物中回收水供系统循环使用，释放没有完全反应的空气。阳极和阴极都进行有效的气液分离过程，系统才能正常稳定工作。
现有燃料电池系统气液分离方式一般为阳极排出物利用重力或膜分离的方法分离出二氧化碳，阴极排出物先经过散热器冷却后，利用重力、离心分离或膜分离的方式回收水，排放空气。阴极与阳极的分离过程分开进行，系统较为复杂，集成度不高，系统效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接液体燃料电池系统，该系统的气液分离模块使用新型气液分离过程，采用该气液分离模块的系统具有更高的燃料利用率与稳定性。
一种直接液体燃料电池系统，包括燃料电池电堆、水热管理单元、燃料供应单元和气体供应单元，所述燃料供应单元经管路与燃料电池电堆阳极入口相连，为燃料电池电堆供应反应燃料，所述气体供应单元经管路与燃料电池电堆阴极入口相连，为燃料电池电堆供应空气和/或氧气，所述水热管理单元包括第一气液分离器、第二气液分离器和散热装置；
所述燃料电池电堆阳极气液混合气出口及阴极高温气体出口同时与所述第一气液分离器入口相连通；所述第一气液分离器气体出口与所述散热装置待冷却介质入口经管路相连；所述散热装置的被冷却介质出口与所述第二气液分离器入口经管路相连通；第二气液分离器气体出口放空；
所述燃料供应单元包括燃料罐、燃料混合罐、高浓度燃料供给泵和稀浓度燃料供给泵；所述燃料罐用于存储纯燃料或高浓度燃料；
所述第一气液分离器液体出口、所述燃料罐出口及第二气液分离器液体出口同时连接至高浓度燃料供给泵后与燃料混合罐相连通；所述燃料混合罐出口通过稀燃料供给泵经过管路将燃料混合罐中的稀溶液供给到电堆阳极入口。
所述燃料罐与所述燃料混合罐经带流量控制部件的管路相连；所述第一气液分离器液体出口和所述第二气液分离器液体出口分别与所述燃料混合罐经管路相连通；所述燃料混合罐用于回收第一气液分离器和第二气液分离器所分离的液态物质，同时用于存储供燃料电池电堆反应所需的稀释燃料。
所述第一气液分离器或第二气液分离器为重力分离器、离心分离器和膜分离器中的一种。
所述第一分离器优选为重力分离器，此时取消上述所述的燃料混合罐，采用第一分离器作为燃料供给单元中的燃料混合罐使用；
所述燃料罐出口及第二气液分离器液体出口同时经高浓度燃料供给泵与第一气液分离器底部相连通；所述第一气液分离器液体出口通过稀燃料供给泵经过管路将燃料混合罐中的稀溶液供给到电堆阳极入口。
所述第二分离器优选为膜分离器。
所述流量控制部件为往复泵或回转泵中的一种。所述气体供应单元为一气泵或氧气气源。
所述散热装置为翅片式或管带式散热器中的一种。
所述的高浓度燃料供给泵出口安置在燃料混合罐出口附近；所述燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、甲酸、二甲醚中的一种。
本发明优化了气液分离过程，提高了系统效率与可靠性。第一，阴极排出物为水、水蒸气、空气的高温混合物，传统的气液分离过程首先对阴极排出物进行冷却，然后再对其进行气液分离。水的比热容较高，因此冷却过程需要较多的能耗。新型气液分离过程先将阳极和阴极排出物混合在一起，进行第一次气液分离器，随后对分离出的气体进行冷却。此种分离方式避免了对液态水的冷却过程，可以降低系统的能耗。第二，如果气液分离手段为膜分离时，此种分离方式可以减少膜分离过程中混合物中的水含量，提高膜分离的效率以及膜的耐久性，特别是第一分离器优选为重力分离器，所述第二分离器优选为膜分离器，此特点表现的更为突出；另外，此第一分离器还可以作为燃料供给单元中的燃料混合罐使用，将两个功能部件集成到一起可以有效的降低系统的体积。第三，高浓度燃料供给泵出口安置在燃料混合罐出口附近时，加入的燃料可以快速的进入到电堆中；高浓度燃料经过与第二次气液分离后的液体混合后再进入燃料混合器，该过程可以对燃料进行一定的稀释，避免高浓度燃料直接进入电堆造成系统浓度波动较大；二者相结合可以有效的提高供给到电堆中的稀燃料浓度控制的准确性与快速性。
附图说明
图1本发明提出的新型气液分离过程；
图2现有技术的传统的气液分离过程。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明提出的直接甲醇燃料电池系统
实施例1
一种直接液体燃料电池系统，该系统使用甲醇作为燃料，该系统的气液分离模块使用新型气液分离过程，如图1所示。该气液分离流程为电堆阳极排出物和阴极排出物首先混合在一起，利用重力分离方式分离出包含二氧化碳、水蒸气和空气的高温混合气；将该高温混合气通入换热器中进行冷却，冷却后的混合物利用膜分离方法进行第二次气液分离，回收液态水，排放空气与二氧化碳，经过测试表明该系统的燃料利用率可以达到26.5％。采用如图2所示的传统的气液分离分离过程，其他运行条件不变的情况下，系统的效率为23.5％。

Claims (9)

1.一种直接液体燃料电池系统，包括燃料电池电堆、水热管理单元、燃料供应单元和气体供应单元，所述燃料供应单元经管路与燃料电池电堆阳极入口相连，为燃料电池电堆供应反应燃料，所述气体供应单元经管路与燃料电池电堆阴极入口相连，为燃料电池电堆供应空气和/或氧气，其特征在于:
所述水热管理单元包括第一气液分离器、第二气液分离器和散热装置；
所述燃料电池电堆阳极气液混合气出口及阴极高温气体出口同时与所述第一气液分离器入口相连通；所述第一气液分离器气体出口与所述散热装置待冷却介质入口经管路相连；所述散热装置的被冷却介质出口与所述第二气液分离器入口经管路相连通；第二气液分离器气体出口放空；
所述燃料供应单元包括燃料罐、燃料混合罐、高浓度燃料供给泵和稀浓度燃料供给泵；所述燃料罐用于存储纯燃料或高浓度燃料；
所述第一气液分离器液体出口、所述燃料罐出口及第二气液分离器液体出口同时连接至高浓度燃料供给泵后与燃料混合罐相连通；所述燃料混合罐出口通过稀燃料供给泵经过管路将燃料混合罐中的稀溶液供给到电堆阳极入口。
2.如权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：
所述燃料罐与所述燃料混合罐经带流量控制部件的管路相连；所述第一气液分离器液体出口和所述第二气液分离器液体出口分别与所述燃料混合罐经管路相连通；所述燃料混合罐用于回收第一气液分离器和第二气液分离器所分离的液态物质，同时用于存储供燃料电池电堆反应所需的稀释燃料。
3.如权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：所述第一气液分离器或第二气液分离器为重力分离器、离心分离器和膜分离器中的一种。
4.如权利要求3所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：所述第一分离器优选为重力分离器，此时取消上述所述的燃料混合罐，采用第一分离器作为燃料供给单元中的燃料混合罐使用；
所述燃料罐出口及第二气液分离器液体出口同时经高浓度燃料供给泵与第一气液分离器底部相连通；所述第一气液分离器液体出口通过稀燃料供给泵经过管路将燃料混合罐中的稀溶液供给到电堆阳极入口。
5.如权利要求3或4所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：
所述第二分离器优选为膜分离器。
6.如权利要求2所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：流量控制部件为往复泵或回转泵中的一种。
7.如权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：气体供应单元为一气泵或氧气气源。
8.如权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：散热装置为翅片式或管带式散热器中的一种。
9.如权利要求1所述直接液体燃料电池系统,其特征在于:所述的高浓度燃料供给泵出口安置在燃料混合罐出口附近；所述燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、甲酸、二甲醚中的一种。
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