CN108172868B - 一种燃料电池系统水管理组件 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统水管理组件，包括燃料混合罐、旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器；所述旋流分离器和所述重力分离器分别置于所述燃料混合罐上方；所述螺旋管换热器置于所述重力分离器上方；所述燃料混合罐具有阳极物料入口和二氧化碳混合汽出口；所述旋流分离器包括阴极物料入口、阴极分离气体出口和阴极分离液体出口；所述重力分离器包括二氧化碳混合汽入口、二氧化碳气体出口和凝析液体出口；所述螺旋管换热器包括密封外部壳体和置于其内部的至上而下的螺旋管。本发明结构简单，不需要复杂的模具，阴极物料气液分离效果好，高浓度燃料与燃料混合罐内的水损失少。同时螺旋管换热器可以预热进入系统的空气，降低气泵的噪声。

Description

一种燃料电池系统水管理组件

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统的水管理组件，尤其适用于以液体燃料进料的燃料电池系统的液体和气体的分离。

背景技术

燃料电池系统是将储存于燃料中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置，其中以液体燃料进料的燃料电池是将储存于燃料(甲醇、乙醇等)中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。与气体燃料相比，小分子液体燃料易于储备和运输，具有较高的能量转换效率，氧化反应产物主要为水和二氧化碳，是环境友好的绿色能源。

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，其具有结构简单、燃料不需要重整等优点，被认为是十分理想的小型化可移动电源之一，在便携式电源领域有广阔的应用前景。

在DMFC工作过程中，燃料在阳极电催化剂的作用下发生氧化反应，生成二氧化碳、质子、电子，质子通过电解质膜传递到阴极，电子通过外电路到达阴极，与到达阴极的氧气在阴极电催化剂的作用下发生还原反应，生成水。为满足便携式电源体积小、重量轻等方面的要求，DMFC系统通常采用纯甲醇进料，回收未反应的甲醇溶液以及阴极生成的水，对系统内的燃料浓度进行管理。这就需要一方面对阳极排出的混有二氧化碳的甲醇溶液进行分离，去除二氧化碳，循环利用未反应的燃料；另一方面对阴极产物进行分离，同时将分离出来的水返回到进入阳极的燃料中。传统的容器式气液分离器仅仅依靠气液相密度差实现重力分离，需要较长的停留时间，在气速较高的情况下分离效果较差，而且温度较高的二氧化碳会夹带一些水和甲醇排到系统外面，造成燃料利用效率的降低，同时也会危害使用者的安全。

[中国专利200710080128.3]介绍了一种气液分离器及其燃料电池系统，气液分离器主要由表面具有一个或多个开口的燃料导管、设置于燃料管开口部分的气液分离膜组成。这种气液分离器通过气液分离膜来去除未反应燃料中的二氧化碳，但不适合用于阴极产物的分离。如果燃料电池系统的功率较大，产生的二氧化碳较多，需要气液分离膜的面积足够大才能及时的分离出二氧化碳气体。

[欧洲专利EP2226883B1]介绍了一种燃料电池系统，包括第一气液分离器、第一换热器、第二气液分离器、混合器、第二换热器等部件，第一气液分离器同时收集电堆阳极出口物料和阴极出口物料，将两种物料混合在一起，通过离心泵、电渗泵或者分离膜将混合物中的气体与液体分离，然后分离出来的液体进入混合器，从第一分离器出来的气体进入第一换热器进行冷却。从第一换热器出来的混合物再进入第二分离器进行分离。离心泵、电渗泵都需要额外的电能，电渗泵、分离膜的分离效果容易受到蒸汽的影响。将电堆阴极出口物料与阳极出口物料混合在一起，容易造成一些阳极生成的二氧化碳气体溶解在阴极生成的水中，不利于二氧化碳气体的分离。

[中国专利201210563139.8]介绍了一种气液分离器及其应用，这种分离器有一个密闭的外壳体，内部设有固定气体分离膜的内框架，内框架由两层带孔的塑料板热压合而成，气体分离膜夹在两层塑料板中间，依靠气体分离膜来分离二氧化碳。内框架内部为储液腔，存储甲醇溶液。液体排出管在内框架里面的端口处于内框架的几何中心或者靠近几何中心的区域。气体分离膜的强度有限，如果储液腔内压力较高，或者受到冲击等异常情况，容易损坏气体分离膜，进而造成分离功能失效或者液体泄漏。这种气液分离器也不适合用于阴极产物的分离。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，提供一种燃料电池系统水管理组件，尤其适用于以液体燃料进料的燃料电池系统的阳极及阴极液体和气体的分离。

一种燃料电池系统水管理组件，包括燃料混合罐、旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器。

所述旋流分离器和所述重力分离器分别置于所述燃料混合罐上方；所述螺旋管换热器置于所述重力分离器上方；所述燃料混合罐具有与燃料电池阳极出口相连的阳极物料入口和二氧化碳混合汽出口；

所述旋流分离器包括经过冷凝器与燃料电池阴极出口相连的中部或上部的阴极物料入口、上部的阴极分离气体出口和底端的阴极分离液体出口；所述阴极分离液体出口通过一液体收集管通入至燃料混合罐液面以下；

所述重力分离器包括中部或上部的二氧化碳混合汽入口、上部的二氧化碳气体出口和底端的凝析液体出口；所述凝析液体出口通过一凝析液收集管通入至燃料混合罐液面以下；用于初步分离燃料电池系统电堆阳极产物中的二氧化碳及未反应或未反应完全的液体燃料混合物。其中阳极反应产物中的二氧化碳夹杂部分为液体燃料混合物经二氧化碳混合汽出口流出，液体燃料混合物在重力的作用下汇流至燃料混合罐中。

所述螺旋管换热器包括密封外部壳体和置于其内部的至上而下盘绕设置的螺旋管；所述外部壳体上具有空气进口和空气出口；所述螺旋管的一端通过一二氧化碳混合汽输送管与所述燃料混合罐上的二氧化碳混合汽出口相连通；所述螺旋管的另一端通过重力分离器的二氧化碳混合汽入口深入至重力分离器底部。

通常情况下，经燃料电池电堆阴极出口的气液混合物中的气量较大，加之阳极产生的大量二氧化碳气体，使得燃料混合罐内的气压增加，对于燃料混合罐而言，气压过大不仅容易造成分离出来的液体无法正常落下，而且还会导致二氧化碳气体夹带着部分燃料直接从分离器顶部的气体出口排出，不利于水管理和燃料的高效使用，甚至还会危及燃料电池系统以及使用者的安全，而所述二氧化碳混合汽出口、二氧化碳混合汽输送管的设置以及采用液体收集管、凝析液收集管浸入燃料混合罐液面以下的措施，有利于燃料混合罐和分离器间的气压平衡，进一步有利于水管理。所述螺旋管的下端通过重力分离器的二氧化碳混合汽入口深入至重力分离器底部；所述螺旋管换热器外部壳体上的空气出口与燃料电池系统内的气泵入口相连通。所述螺旋管换热器用于实现对自所述燃料混合罐上的二氧化碳混合汽出口排出，并经一二氧化碳混合汽输送管输送而来的二氧化碳混合汽实施冷凝，以便于二氧化碳混合汽于重力分离器中的进一步分离；同时实现对即将进入燃料电池系统电堆阴极的空气进行预热，便于反应效率的提高。

所述水管理组件包括一尾气收集器，所述尾气收集器置于所述旋流分离器和螺旋管换热器的上方；所述尾气收集器的底部具有两个分别与旋流分离器的阴极分离气体出口和重力分离器的二氧化碳气体出口相连通的第一尾气进口和第二尾气进口；所述尾气收集器的顶部具有一出口；所述出口与大气相通。

所述水管理组件包括一固定于燃料混合罐上的支架，同时支撑旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器。

所述旋流分离器为管柱式旋流分离器，具有典型的-27度的入口管。用于分离燃料电池系统电堆阴极产物中的水和未反应的气体；

所述旋流分离器与所述重力分离器底端均呈倒圆台状结构。一方面，便于离心分离的液体沿圆台状结构的侧壁汇流至阴极分离液体出口，所述阴极分离液体出口通过一液体收集管通入至燃料混合罐液面以下，避免燃料混合罐内气体压力过大不利于液体的流出；另一方面，便于凝析的液体回流至凝析液出口，所述凝析液体出口通过一凝析液收集管通入至燃料混合罐液面以下，避免燃料混合罐内气体压力过大不利于液体的流出。

所述重力分离器的二氧化碳气体出口通过一穿过螺旋管换热器螺旋管轴中心的直管与尾气收集器中的第二尾气进口相连通。

所述螺旋管换热器外部壳体上的空气出口与燃料电池系统内的气泵入口相连通。

所述燃料混合罐上设置有高浓度燃料入口和阳极物料出口。用于将高浓度燃料与经过旋流分离器和重力分离器分离的液体混合，为燃料电池电堆阳极提高反应所需浓度的燃料。

所述旋流分离器的阴极物料入口经预处理管与燃料电池阴极出口相连，所述预处理管靠近旋流分离器入口处为一呈锐角向下弯曲的管路。所述预处理管的作用为将气液混合物中的小液滴先汇聚成较大的液滴，利于提高分离效果。

因旋流分离器，尤其是管柱式旋流分离器具有结构简单，分离效率高等优点；结合燃料电池系统运行时工况情况，进一步对旋流分离器的直径、高度及入口管位置进行优化设计，有利于节省水管理组件于燃料电池系统中的空间，提高燃料电池阴极产物中的气液分离效率，进而提高燃料电池系统的能量密度和反应效率。

本发明结构简单，不需要复杂的模具，阴极物料气液分离效果好，高浓度燃料与燃料混合罐内的水损失少。同时螺旋管换热器可以预热进入系统的空气，降低气泵的噪声。

附图说明

图1为本发明涉及的一种以液体燃料进料的燃料电池系统流程示意图；

图2为本发明实施例1的水管理组件结构示意图；

图3为本发明实施例1的水管理组件的旋流分离器结构示意图；

图4为本发明实施例1的水管理组件的螺旋管换热器结构示意图；

图5为本发明实施例1的水管理组件的重力分离器结构示意图；

图6为应用本发明的水管理组件的100W DMFC系统甲醇平均消耗速率随运行时间变化情况示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种燃料电池系统的水管理组件，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于以下实施例。

图1为本发明涉及的一种以液体燃料进料的燃料电池系统流程示意图。

其中101是燃料电池电堆，将储存于燃料中的化学能直接转化为电能。102是气泵，给电堆阴极输送空气。103是风扇，它的启动和停止可以用来调节冷凝器的冷凝功率。104是冷凝器，用来冷凝阴极出口的水蒸气。105是水管理组件，将阳极物料中的二氧化碳气体分离出来，将阴极物料中的水分离出来，同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。106是燃料循环泵，用来给电堆输送液体燃料。107是甲醇浓度传感器，实时检测输送给电堆的甲醇溶液的浓度。108是燃料补充泵，根据控制器的输出信号，向水管理组件中补充高浓度燃料或者纯燃料。

图2为本发明实施例1的水管理组件结构示意图。

其中201是燃料混合罐，存储一定量的甲醇溶液，燃料混合罐也是一个重力分离器，用于初步分离燃料电池系统电堆阳极产物中的二氧化碳及未反应或未反应完全的液体燃料混合物，其中阳极反应产物中的二氧化碳夹杂部分为液体燃料混合物经二氧化碳混合汽出口流出，液体燃料混合物在重力的作用下汇流至燃料混合罐中。高浓度燃料在燃料混合罐中与被旋流分离器和重力分离器分离出来的的液体混合，为燃料电池电堆提供反应所需浓度的燃料。202是旋流分离器，采用管柱式旋流气液分离器，具有典型的-27度的入口管，依据离心分离的原理来分离阴极物料中的水。203是螺旋管换热器，其中的二氧化碳冷却螺旋管由不锈钢管制成，中间的二氧化碳排出管也不锈钢管制成。204是重力分离器，依靠重力将螺旋管中的凝析液分离出来。205是尾气收集器，将从旋流分离器顶部排出的尾气以及二氧化碳排出管出来的二氧化碳气体收集在一起，由一个排气口排放到大气中。206是二氧化碳输送管，可选用硅橡胶管，二氧化碳在燃料混合罐内分离出来后由二氧化碳混合汽出口经过二氧化碳输送管输送到螺旋管换热器中进行冷却。207是支架，辅助固定旋流分离器、螺旋管换热器以及重力分离器。208是阳极物料入口，从电堆的阳极出来的物料经过阳极物料入口进入燃料混合罐。209是阳极物料出口，混合后的燃料通过阳极物料出口流出燃料混合罐，由燃料循环泵输送到电堆的阳极。210是高浓度燃料入口，高浓度燃料或者纯燃料由燃料补充泵经过高浓度燃料入口补充到燃料混合罐中。211是二氧化碳混合汽出口，二氧化碳在燃料混合罐分离处理后夹带着微量的水和甲醇经过二氧化碳混合汽出口进入到二氧化碳输送管中。212是液体收集管，旋流分离器分离出来的水经过液体收集管落入到燃料混合罐中。213是凝析液收集管，重力分离器分离出来的凝析液体经过凝析液收集管落入到燃料混合罐中。液体收集管和凝析液收集管的下端浸入到燃料混合罐液面以下。通常情况下，经燃料电池电堆阴极出口的气液混合物中的气量较大，加之阳极产生的大量二氧化碳气体，使得燃料混合罐内的气压增加，对于燃料混合罐而言，气压过大不仅容易造成分离出来的液体无法正常落下，而且还会导致二氧化碳气体夹带着部分燃料直接从分离器顶部的气体出口排出，不利于水管理和燃料的高效使用，甚至还会危及燃料电池系统以及使用者的安全，而二氧化碳混合汽出口、二氧化碳混合汽输送管的设置以及采用液体收集管、凝析液收集管浸入燃料混合罐液面以下的措施，有利于燃料混合罐和分离器间的气压平衡，进一步有利于水管理。

图3为本发明实施例1的水管理组件的旋流分离器结构示意图。

其中301是阴极物料入口，入口管向下倾斜27度，切向进入分离器筒体。302是预处理管，预处理管一端连接阴极物料入口，另一端垂直向下，与系统中的冷凝器出口连接，可以选用硅橡胶管，也可以由聚四氟乙烯管制成。预处理管的作用为将气液混合物中的小液滴先汇聚成较大的液滴，利于提高分离效果。303是阴极分离气体出口。304是阴极分离液体出口。305是旋流分离器筒体，筒体为管柱状，在靠近阴极分离液体出口的一端倒圆台状，便于分离出来的液体汇聚至阴极分离液体出口。从冷凝器出来的气液混合物经过预分离管时内部的小液滴先汇聚成较大的液滴，再经过旋流分离器阴极物料入口切向进入到分离器筒体，进入筒体后形成的旋流产生了比重力高出许多倍的离心力，由于气液相密度不同，所受离心力差别很大，重力、离心力和浮力联合作用将气体和液体分离。液体沿径向被推向外侧，并向下由阴极分离液体出口排出；而气体则运动到中心，并向上经过阴极分离气体出口排出。

图4为本发明实施例1的水管理组件的螺旋管换热器结构示意图。

其中401是二氧化碳冷却螺旋管入口，位于螺旋管换热器的顶部，连接二氧化碳输送管。402是二氧化碳冷却螺旋管出口，位于螺旋管换热器的下方，二氧化碳冷却螺旋管由不锈钢管制成。403是二氧化碳排出管入口，位于螺旋管换热器的下方。404是二氧化碳排出管出口，位于螺旋管换热器的上方。二氧化碳排出管由不锈钢管制成。405是空气入口，406是空气出口，407是螺旋管换热器壳体，空气泵把空气从空气入口吸入到螺旋管换热器壳体中，由空气出口流出，气流在螺旋管换热器壳体内流动的过程中为二氧化碳冷却螺旋管以及二氧化碳排出管散热，使得二氧化碳携带出来的水或者甲醇冷凝析出。螺旋管换热器用于实现对从燃料混合罐上的二氧化碳混合汽出口排出，并经一二氧化碳混合汽输送管输送而来的二氧化碳混合汽实施冷凝，以便于二氧化碳混合汽于重力分离器中的进一步分离；同时实现对即将进入燃料电池系统电堆阴极的空气进行预热，便于反应效率的提高。

图5为本发明实施例1的水管理组件的重力分离器结构示意图。

a图是侧视示意图，b图是俯视示意图，其中501是重力分离器筒体，底部呈倒圆台状，便于凝析液体的下落。502是凝析液体出口，二氧化碳冷却螺旋管中的凝析液体通过凝析液体出口流经凝析液收集管进入到燃料混合罐中。503是二氧化碳气体出口，冷却后的二氧化碳经过此口进入到二氧化碳排出管中。504是二氧化碳混合汽入口，二氧化碳冷却螺旋管出口通过二氧化碳混合汽入口插入到重力分离器中，二氧化碳冷却螺旋管出口与重力分离器的二氧化碳气体出口离开一定的距离。

图6为应用本发明的水管理组件的100W DMFC系统甲醇平均消耗速率随运行时间变化情况示意图。

测试应用本发明的水管理组件的100W DMFC系统，以100W恒功率放电，从第1个小时到第4个小时内甲醇的平均消耗速率依次为：1.195g/min、1.200g/min、1.203g/min、1.212g/min，系统运行稳定。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统水管理组件，其特征在于：

包括燃料混合罐、旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器；

所述旋流分离器和所述重力分离器分别置于所述燃料混合罐上方；所述螺旋管换热器置于所述重力分离器上方；

所述燃料混合罐具有与燃料电池阳极出口相连的阳极物料入口和二氧化碳混合汽出口；

所述旋流分离器包括与燃料电池阴极出口相连的中部或上部的阴极物料入口、上部的阴极分离气体出口和底端的阴极分离液体出口；所述阴极分离液体出口通过一液体收集管通入至燃料混合罐液面以下；

所述重力分离器包括中部或上部的二氧化碳混合汽入口、上部的二氧化碳气体出口和底端的凝析液体出口；所述凝析液体出口通过一凝析液收集管通入至燃料混合罐液面以下；

所述螺旋管换热器包括密封外部壳体和置于其内部的至上而下盘绕设置的螺旋管；所述外部壳体上具有空气进口和空气出口；所述螺旋管的一端通过一二氧化碳混合汽输送管与所述燃料混合罐上的二氧化碳混合汽出口相连通；所述螺旋管的另一端通过重力分离器的二氧化碳混合汽入口深入至重力分离器底部。

2.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：

所述水管理组件包括一尾气收集器，所述尾气收集器置于所述旋流分离器和螺旋管换热器的上方；所述尾气收集器的底部具有两个分别与旋流分离器的阴极分离气体出口和重力分离器的二氧化碳气体出口相连通的第一尾气进口和第二尾气进口；所述尾气收集器的顶部具有一出口；所述出口与大气相通。

3.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：

所述水管理组件包括一固定于燃料混合罐上的支架，同时支撑旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器。

4.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述旋流分离器为管柱式旋流分离器。

5.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述旋流分离器与所述重力分离器底端均呈倒圆台状结构。

6.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述重力分离器的二氧化碳气体出口通过一穿过螺旋管换热器螺旋管轴中心的直管与尾气收集器中的第二尾气进口相连通。

7.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述螺旋管换热器外部壳体上的空气出口与燃料电池系统内的气泵入口相连通。

8.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述燃料混合罐上设置有高浓度燃料入口和阳极物料出口。

9.如权利要求1所述燃料电池系统水管理组件，其特征在于：所述旋流分离器的阴极物料入口经预处理管与燃料电池阴极出口相连，所述预处理管靠近旋流分离器入口处为一呈锐角向下弯曲的管路。

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