CN108172869B - 一种气液分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于便携式燃料电池系统的气液分离器，该气液分离器由气液分离器腔体、吸液软管、配重物、燃料入口、燃料出口、气液混合物入口、气体出口、气体出口管、散热器、液位传感器、挡板等部件组成、具有对称结构。吸液管由能弯曲且具有一定强度的柔性硅橡胶管制成，在配重物的作用下自然下垂。燃料入口、燃料出口、混合物料入口，气体出口管均设置在气液分离器腔体的中心线上。燃料电池的气液混合产物进入气液分离器腔体后在由挡板构成的气路中通过，产物中的水被分离出来。和现有的技术相比，本发明结构简单，回收水的过程不需要额外的电能，而且可以在±90°倾角范围内正常使用。

Description

一种气液分离器
技术领域
本发明涉及一种用于便携式燃料电池系统的气液分离器，尤其适用于分离与回收便携式燃料电池系统阴极生成的水的气液分离器。
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。DMFC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。便携式电源在使用或运输过程中会发生放置状态的改变，比如倾斜一个角度，或者由立式状态变成卧式状态，这就要求分离器不能有很强的方向敏感性，否则就会影响系统的正常运行。二氧化碳的分离可以通过气液分离膜等多孔材料进行分离，以消除或降低方向敏感性。虽然采用离心分离、重力分离等技术可以实现水的分离，但是在较大倾角范围内而且不消耗额外的电能的前提下实现水的分离与回收具有一定的难度。
[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，虽然没有方向敏感性，不适合用于阴极产物的分离。
[中国专利200910013296.X]介绍了一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器。这种分离器主要由水分离腔、中间腔和二氧化碳分离腔组成，水分离腔内设有螺旋型分离棒；二氧化碳分离腔为双层结构，内腔由正方体削去顶角并覆盖憎水性膜或憎水性多孔材料组成；中间腔与水分离腔相连的部位设有憎水性膜或憎水性多孔材料，中间腔通过单向阀或微型泵与二氧化碳分离腔的外腔连通。这种分离器依靠分布在二氧化碳分离腔内腔顶角处的憎水性膜或憎水性多孔材料来分离二氧化碳，在水蒸汽的影响下憎水性膜或憎水性多孔材料的憎水性会随着系统运行时间的延长而降低，加上多孔材料的面积有限，分离效果也会随之变差。如果这种分离器水平放置，水分离腔的水要依靠微型泵才能输送到二氧化碳分离腔的内腔中，而且这种分离器结构比较复杂，不容易加工。
[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，提供一种用于便携式燃料电池系统的气液分离器，尤其适用于分离与回收便携式燃料电池系统阴极生成的水的气液分离器。
一种气液分离器，包括上端具有气体出口的密闭腔体；气液分离器腔体的中上部设置有第一气液混合物入口，第一气液混合物入口通过混合物料注入管连通至密闭腔体内部；所述混合物料注入管于密闭腔体内部的开口位于密闭腔体的中上部；气液分离器腔体的前或后侧壁面上至上而下依次设置有液体出口和第二气液混合物入口，二者分别通过吸液软管和排液弯管连通至密闭腔体内部；所述排液弯管于密闭腔体内部的一端开口位于密闭腔体的中下部；所述吸液软管于密闭腔体内部的一端设有配重物，且位于密闭腔体的下部；
腔体具有左右镜像对称的结构；所述密闭腔体内部、混合物料注入管的左右二侧分别设置有中部挡板，所述中部挡板与密闭腔体上端板间留有空隙形成与气体出口相连通的第一气体通道；所述中部挡板的下端端面位于所述液体出口之下、且与密闭腔体底部间具有空隙；所述中部挡板与所述密闭腔体前后侧壁面密闭连接或通过连接物间接密闭连接。
所述气液分离器，所述中部挡板远离排液弯管的外侧、气液分离器腔体镜像对称的中心面两侧对称分别设置有高液位传感器和低液位传感器；所述高液位传感器位于低液位传感器的上方；且所述高液位传感器相对于中部挡板位于靠近中部挡板(210-1、210-2)的低液位传感器的内侧。
所述气液分离器，当所述气液分离器垂直放置时，以高液位传感器为水平面以下的密闭腔体容积为A；当所述气液分离器的中心对称面倾倒90°放置呈水平时，以处于低位的高液位传感器为水平面以下的密闭腔体容积为B；A≤B。
所述气液分离器，气体出口设置于所述气液分离器腔体上端板的左右两侧，左右两侧的气体出口分别经第二气体通道管与气体出口管相连通，气体出口管的轴线位于气液分离器腔体的左右中心对称面上；
第二气体通道管位于第二气体通道管与气体出口管的连接口处的下方；于所述第二气体通道外壁面上设置有冷凝器；冷凝器为冷却液体流通管或散热翅片。
所述气液分离器，于所述气液分离器腔体的内部、气体出口下方设置有气体挡板。
所述气液分离器，所述气液分离器腔体内部、中部挡板远离排液弯管的外侧设置有与密闭腔体底面垂直的N级挡板，N为2-10之间的自然数；所述N级挡板中与中部挡板相邻接的挡板的上端面与上端板及前后侧壁面密闭连接；所述N级挡板中相邻接的两级挡板一个与上端板及前后侧壁面密闭连接、另一个与上端板间留有空隙且与前后侧壁面密闭连接，与上端板连接的一个挡板下端面低于另一个与其相邻且不与上端板连接的挡板下端面，相邻接的两级挡板下端面成上下交错设置，使N级挡板与密闭腔体的上端板之间形成依次连通的折形气体通道；所述折形气体通道与气体出口相连通。
所述气液分离器，所述N级挡板于密闭腔体内部相对于左右中心对称面镜像对称设置。
所述N级挡板的高度与所述挡板于垂直高度的比为1:2-1:5。
所述气液分离器，所述中部挡板下端与另一下部挡板相连接，下部挡板向远离排液弯管的左右二侧倾斜，所述中部挡板与下部挡板之间的角度为90-150度；所述下部挡板底端与密闭腔体底部间具有空隙。
所述气液分离器，所述气液分离器为直接液体燃料电池系统气液分离器，所述气液分离器第一气液混合物入口与燃料电池电堆阳极和/或阴极反应产物出口相连通，用于分离阴极和/或阳极反应产物中的液体和未反应气体。
所述气液分离器，所述气液分离器腔体左右中心对称面的侧壁面上设置有第二气液混合物或第二液体入口；所述气液分离器为直接液体燃料电池系统气液分离器，所述第二气液混合物入口与燃料电池电堆阳极反应产物出口相连通；或第二液体入口与燃料电池电堆高浓度液体燃料补充入口相连通。所述密闭腔体201或为长方体结构，或为圆柱体结构，或为椭圆柱结构。
与现有技术相比，本发明结构简单，易于制造，其用于液体燃料电池中不仅可同时实现阳极和阴极的气体和液体的分离，切在此过程中不需要额外的电能，进一步的，对于便携式燃料电池而言，该气液分离器的应用可以在±90°倾角范围内正常使用，在降低能耗的同时解决了困扰便携式燃料电池技术领域方向敏感性问题，提升了电池应用的可行性和适用范围。
附图说明
图1为本发明涉及的一种便携式燃料电池系统流程示意图。
图2为本发明实施例1的气液分离器内部结构示意图。
图3为本发明实施例1的气液分离器与其他部件的接口示意图。
图4为本发明实施例1的气液分离器腔体关键尺寸示意图。
图5为本发明实施例1的气液分离器直立、倾斜45°角、水平放置时内部液面状态示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于便携式燃料电池系统的气液分离器，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便携式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效率。104是冷凝器，用来冷凝阴极出口的水蒸气。105是水分离器，分离和收集冷凝下来的水，同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。106是二氧化碳分离器，用来分离阳极出口的二氧化碳气体。107是燃料循环泵，用来给电堆输送液体燃料。108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。109是燃料补充泵，根据控制器的输出信号，向水分离器中补充高浓度燃料或者纯燃料。
图2为本发明实施例1的气液分离器内部结构示意图。
其中201是气液分离器腔体，存储一定量的甲醇溶液。202是吸液软管，采用能弯曲且具有一定强度的硅橡胶管制成，燃料循环泵通过吸液管吸取气液分离器中的燃料。203是配重物，由不锈钢制成，固定在吸液管的一端。204是第二气液混合物入口，从电堆阳极返回来的燃料从第二气液混合物入口进入到气液分离器中。205是液体出口，在气液分离器腔体内与吸液软管相连接。206是第一气液混合物入口，在气液分离器腔体内的一端呈喇叭口形状，气液混合物料经过此口进入气液分离器腔体中。207是气体出口管，气体出口管外壁面上设置有冷凝器，冷凝器为冷却液体流通管或散热翅片，尾气经过此管排到大气中。208-1与208-2为高液位传感器。209-1与209-2为低液位传感器。液位传感器沿气液分离器腔体中心对称面左右对称分布。212-1与212-2为气体出口，对称分布。213-1与213-2、214-1与214-2、215-1与215-2、210-1与210-2、216-1与216-2分别为第一挡板、第二挡板、第三挡板、中部挡板、下部挡板，沿气液分离器腔体中心对称面左右对称分布，中部挡板与下部挡板之间的角度为90-150度，在气液分离器倾斜或者水平放置时托住吸液软管。各挡板与气液分离器腔体的前端板与后端板紧密连接，强迫气流从挡板间形成的气路中经过。
图3为本发明实施例1的气液分离器与其他部件的接口示意图。
其中201是气液分离器腔体，202是吸液软管，203是配重物，204是第二气液混合物入口。205是液体出口。301是高浓度液体燃料补充口，燃料补充泵把高浓度燃料或者纯燃料经过此口添加到第二气液混合物入口中，与从阳极返回来未反应的燃料混合后进入气液分离器腔体中。206是第一气液混合物入口，303是混合物料注入管。
图4为本发明实施例1的气液分离器腔体关键尺寸示意图。
其中H1为高液位传感器到气液分离器腔体下端板的距离，L1为气液分离器腔体下端板的长度，L2为高液位传感器到相邻的气液分离器腔体侧面端板的距离，H2为气液分离器腔体的高度。这几个尺寸要满足关系式L1×H1≤L2×H2。
图5为本发明实施例1的气液分离器直立、倾斜45°角、水平放置时内部液面状态示意图。
其中a图中气液分离器直立放置，b图中气液分离器倾斜45°角，c图中气液分离器水平放置。由于吸液软管具有一定的柔性，在配重物的作用下自然下垂，使得吸液软管浸入液面下，保证燃料的循环。在气液分离器腔体尺寸的约束下，水平放置时，液面不会到达气体出口管，液体不会溢出气液分离器。水平放置时虽然有一部分的挡板进入液面中，但是另一部分的挡板在液面之上，尾气可以通过挡板间的气路排到大气中，散热器冷却下来的水在重力的作用下，返回到气液分离器腔体中。

Claims (8)

1.一种气液分离器，其特征在于：包括上端具有气体出口的密闭腔体(201)；气液分离器腔体(201)的中上部设置有第一气液混合物入口（206），第一气液混合物入口（206）通过混合物料注入管（303）连通至密闭腔体(201)内部；所述混合物料注入管（303）于密闭腔体（201)内部的开口位于密闭腔体(201)的中上部；气液分离器腔体(201)的前或后侧壁面上至上而下依次设置有液体出口(205)和第二气液混合物入口(204)，二者分别通过吸液软管(202)和排液弯管(302)连通至密闭腔体(201)内部；所述排液弯管(302)于密闭腔体（201)内部的一端开口位于密闭腔体(201)的中下部；所述吸液软管(202)于密闭腔体(201)内部的一端设有配重物，且位于密闭腔体(201)的下部；
腔体(201)具有左右镜像对称的结构；所述密闭腔体(201)内部、混合物料注入管（303）的左右二侧分别设置有中部挡板(210-1、210-2)，所述中部挡板(210-1、210-2)与密闭腔体(201)上端板间留有空隙形成与气体出口相连通的第一气体通道；所述中部挡板(210-1、210-2)的下端端面位于所述液体出口(205)之下、且与密闭腔体(201)底部间具有空隙；所述中部挡板(210-1、210-2)与所述密闭腔体前后侧壁面密闭连接或通过连接物间接密闭连接；
所述中部挡板(210-1、210-2)远离排液弯管(302)的外侧、气液分离器腔体（201）镜像对称的中心面两侧对称分别设置有高液位传感器(208-1、208-2)和低液位传感器(209-1、209-2)；所述高液位传感器(208-1、208-2)位于低液位传感器(209-1、209-2)的上方；且所述高液位传感器(208-1、208-2）相对于中部挡板（210-1、210-2）位于靠近中部挡板 (210-1、210-2)的低液位传感器（209-1、209-2）的内侧；
当所述气液分离器垂直放置时，以高液位传感器（208-1、208-2）为水平面以下的密闭腔体容积为A；当所述气液分离器的中心对称面倾倒90°放置呈水平时，以处于低位的高液位传感器为水平面以下的密闭腔体容积为B；A≤B。
2.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：气体出口设置于所述气液分离器腔体（201）上端板的左右两侧，左右两侧的气体出口分别经第二气体通道管与气体出口管（207）相连通，气体出口管（207）的轴线位于气液分离器腔体（201）的左右中心对称面上；
第二气体通道管位于第二气体通道管与气体出口管（207）的连接口处的下方；于所述第二气体通道外壁面上设置有冷凝器；冷凝器为冷却液体流通管或散热翅片。
3.如权利要求2所述气液分离器，其特征在于：于所述气液分离器腔体（201）的内部、气体出口下方设置有气体挡板（213-1、213-2）。
4.如权利要求2所述气液分离器，其特征在于：所述气液分离器腔体（201）内部、中部挡板（210-1、210-2）远离排液弯管(302)的外侧设置有与密闭腔体底面垂直的N级挡板，N为2-10之间的自然数；所述N级挡板中与中部挡板（210-1、210-2）相邻接的挡板的上端面与上端板及前后侧壁面密闭连接；所述N级挡板中相邻接的两级挡板一个与上端板及前后侧壁面密闭连接、另一个与上端板间留有空隙且与前后侧壁面密闭连接，与上端板连接的一个挡板下端面低于另一个与其相邻且不与上端板连接的挡板下端面，相邻接的两级挡板下端面成上下交错设置，使N级挡板与密闭腔体（201）的上端板之间形成依次连通的折形气体通道；所述折形气体通道与气体出口相连通。
5.如权利要求4所述气液分离器，其特征在于：所述N级挡板于密闭腔体（201）内部相对于左右中心对称面镜像对称设置。
6.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：所述中部挡板（210-1、210-2）下端与另一下部挡板（216-1、216-2）相连接，下部挡板（216-1、216-2）向远离排液弯管(302)的左右二侧倾斜，所述中部挡板（210-1、210-2）与下部挡板（216-1、216-2）之间的角度为90-150度；所述下部挡板（216-1、216-2）底端与密闭腔体底部间具有空隙。
7.如权利要求1-6任一所述气液分离器，其特征在于：所述气液分离器为直接液体燃料电池系统气液分离器，所述气液分离器第一气液混合物入口（206）与燃料电池电堆阳极和/或阴极反应产物出口相连通，用于分离阴极和/或阳极反应产物中的液体和未反应气体。
8.如权利要求7所述气液分离器，其特征在于：所述气液分离器腔体（201）左右中心对称面的侧壁面上设置有第二气液混合物（204）；所述气液分离器为直接液体燃料电池系统气液分离器，所述第二气液混合物入口与燃料电池电堆阳极反应产物出口相连通。
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