CN108183247A - 一种液态流体混合器及其于直接液体燃料电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液态流体混合器及其于直接液体燃料电池中的应用,所述液态流体混合器，按流体流动方向，流体流道依次包括流体预混区、强制混流区和混合流体收敛区；所述流体预混区左侧设置有第一液态流体进口和第二液态流体进口；所述流体预混区设置利于第一液态流体和第二液态流体混合的阻流部件；所述强制混流区的流道截面积小于流体预混区流道截面积，所述强制混流区设置利于混合后的第一液态流体和第二液态流体充分混合的流体扰动部件；所述混合流体收敛区流道截面积大于强制混流区的流道截面积，于远离强制混流区的所述混合流体收敛区右侧设置有一混合流体出口。

Description

一种液态流体混合器及其于直接液体燃料电池中的应用
技术领域
本发明属于流体技术领域，具体的说涉及一种应用于直接液体燃料电池的液态流体混流部件。
背景技术
目前，质子交换膜燃料电池以其能量转换效率高、无污染、低噪音等诸多优点成为新型能源研究热点。其中低功率质子交换膜燃料电池因其可对笔记本、手机等移动电器充电的便携式电源更是市场前景相当可观。
缩小体积始终是便携式质子交换膜燃料电池系统优化的目标，除有效利用空间外，系统内部部件的小型化是便携式燃料电池“瘦身”的根本解决途径。目前，便携式质子交换膜燃料电池缓冲燃料的混合在一个相对系统体积较大的腔室内进行，在该腔室中补充纯甲醇燃料，甲醇溶液浓度提升慢，暴露出燃料供给响应速度慢和系统运行不稳定的问题；如果缩小缓冲溶液腔室的空间，易导致甲醇浓度不均匀，从而限制了缓冲溶液腔室以及便携式燃料电池系统进一步压缩体积的可能性。本发明不仅体积小，同时取代了缓冲溶液腔室的混合功能，进一步缩小缓冲溶液腔室和便携式燃料电池系统的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液态流体混合器，该混合器体积小，混合效率高。用于直接液体燃料电池，尤其是微型或便携式直接甲醇燃料电池中取代了缓冲溶液腔室的混合功能，进一步缩小缓冲溶液腔室和便携式燃料电池的体积，混合效果较好，有效提高燃料供给响应速度使系统运行更稳定。
一种液态流体混合器，按流体流动方向，流体流道依次包括流体预混区、强制混流区和混合流体收敛区；
所述流体预混区左侧设置有第一液态流体进口和第二液态流体进口；所述流体预混区设置利于第一液态流体和第二液态流体混合的阻流部件；使中心流域受到较大阻力，第一液态流体和第二液态流体沿缝隙呈放射状均匀分配至整个流通截面。
所述强制混流区的流道截面积小于流体预混区流道截面积，所述强制混流区设置利于混合后的第一液态流体和第二液态流体充分混合的流体扰动部件；所述截面积是指垂直于流体流动方向的流道截面积。
所述混合流体收敛区流道截面积大于强制混流区的流道截面积，所述混合流体收敛区设置有一混合流体出口。
沿流体流动方向，从流体入口至流体预混区流道截面积逐渐增大；所述混合流体收敛区沿流道方向呈梭型变窄。
所述经第一液态流体进口与第二液态流体进口的第一液态流体和第二液态流体呈错流或对流进入流体流道内；所述流体出口方向与所述流体混合器的主流道方向一致。
所述流体预混区流道截面积为所述强制混流区的流道截面积的1.2-5倍；所述混合流体收敛区流道截面积为所述强制混流区的流道截面积的的1.2-5倍。
所述强制混流区的流道长度为沿流体流动方向所述流体预混区流道长度的1.2-10倍；所述强制混流区的流道长度为所述混合流体收敛区流道长度的1.2-10倍。
所述设置于流体预混区的阻流部件为沿流体流动方向排布的2排以上柱体；每排具有2个以上的柱体，所述相邻2排中的柱体沿流道方向相互交错排列，于流体预混区与强制混流区交接处的中部设有隔挡。。
所述强制混流区靠近流体预混区的第一区的导流片和靠近混合流体收敛区的第二区的2组以上回旋镖；所述导流片为于垂直流体流动方向同一横截面上平行等间距排列的2个以上导流平板；所述每组回旋镖为于垂直流体流动方向同一横截面上平行等间距排列的2个以上折流板，折流板由二块成100-170夹角的平板固接而成，流体依次流经二个平板表面，二块平板以固接端成轴对称，每组回旋镖中的折流板固接端位于垂直流体流动方向同一平面内，相邻2组回旋镖的折流板方向相反交错放置，沿垂直流体流动方向，下一组回旋镖中靠近上一组的折流板延长面位于上一组回旋镖中相邻2个折流板之间，靠近导流片的回旋镖中的折流板延长面位于2个导流片之间。
在强制混流区的第一区流体扰动部件为导流片引导混合流体预设的角度冲击设置于第二区的回旋镖顶端进行分流，并因多层回旋镖的存在，流体与第二区中多次改变方向并进一步回旋和掺混，经过后端后冲击下一层回旋镖顶端。在交错分层回旋镖通道，两股流体形成波浪形流体形态，在惯性力和冲击反作用力下的反复掺混。
流体流道为厚度0.1-5cm扁平型流道
所述液态流体混合器于直接液体燃料电池中的应用，所述经第一液态流体进口的流体为纯燃料或大于1mol/L的燃料水溶液；所述经第二液态流体进口的流体为小于0.5mol/L的燃料水溶液或水溶液；所述经混合流体出口的流出溶液即为直接液体燃料电池阳极进料溶液；所述液态流体混合器同时作为直接液体燃料电池的燃料缓冲罐。
至直接甲醇燃料电池中应用所述液态流体混合器时，混合器以聚酰亚胺等耐腐材料为原料，应用雕刻和粘接工艺实现。在上游的流体预混区，较大流量甲醇溶液和垂直方向间歇式供给的纯甲醇进行对流掺混，设置分层柱状结构一方面加强平面混合效果，另一方面为进入下游强制混流区之前更均匀分配混合流体。分层柱状结构，需要在较大流量燃料水溶液中心流域制造较大阻力，从而使混合流体以放射状均匀分配整个流通平面；在强制混流区，首先设置导流片，改变混合流体方向，以预设的角度冲击下游的回旋镖顶端，进行分流；同时，从流体预混区到强制混流区在垂直平面上设置收敛通道，有益于混合流体垂直方向上的掺混；在强制混流区的第二区设置交错分层回旋镖通道，分合流体，强制混合流体的对流和掺混过程。
在微型或便携式直接液体燃料电池中，所述流体预混区中圆柱状或椭圆柱状阻流部件形成的通道的水力半径可设置为0.2mm～5mm；回旋镖通道水力直径可设置0.2mm～5mm。流体预混区和强制混流区的阻流部件和流体扰动部件的数量及层数可以根据缓冲溶液的流通量以及与燃料水溶液的流通量比例进行设置，通常可于流体预混区设置2～5层柱状结构，于强制混流区设置3-20层回旋镖。
与现有技术相比，本发明在上游的流体预混区，经过分层柱状结构，中心流域受到较大阻力，沿缝隙也放射状均匀分配整个流通平面。在强制混流区的第一区流体扰动部件为导流片引导混合流体预设的角度冲击设置于第二区的回旋镖顶端进行分流，并因多层回旋镖的存在，流体与第二区中多次改变方向并进一步回旋和掺混，经过后端后冲击下一层回旋镖顶端。在交错分层回旋镖通道，两股流体形成波浪形流体形态，在惯性力和冲击反作用力下的反复掺混。本发明应用于直接液体燃料电池系统，尤其是微型或便携式直接甲醇燃料电池中时，取代了缓冲溶液腔室的混合功能，具有进一步缩小缓冲溶液腔室和便携式燃料电池的体积，混合效果较好，有效提高燃料供给响应速度使系统运行更稳定等优点。
附图说明
图1.混合器横截面示意图；
图2.混合器垂直截面示意图；
图3.实施例1中混合器横截面甲醇浓度分布图；
图4.实施例1中应用混合器前后电压性能输出曲线对比。
具体实施方式
实施例1
本发明用于甲醇燃料电池系统内混合纯甲醇和甲醇水溶液，混合器主通道用于连通液泵输送的甲醇溶液，垂直方向上的副通道用于连通甲醇泵输送的纯甲醇，两股流体对流，分别在流体预混区和强制混流区混合，混合后的流体进出口进入电堆阳极。
混合器以聚酰亚胺等耐腐材料为原料；采用雕刻和粘接工艺实现。
混合器的流场结构分两部分，分为流体预混区和强制混流区。在上游流体预混区，较大流量甲醇水溶液以4mm水力直径进入和垂直方向间以4mm水力直径水力直径间歇式供给的纯甲醇进行对流掺混，设置分层柱状结构，较大流量甲醇溶液中心流域设置长截面柱状结构制造较大阻力，分化混合流体以放射状均匀分配整个流通平面，圆柱直径2mm，最长截面长4mm，设置3层柱状结构；在流体预混区到强制混流区过渡区，设置导流片，与甲醇水溶液进口方向夹角45度，以预设的角度冲击下游强混区的回旋镖顶端，进行分流；同时，从流体预混区到强制混流区在垂直平面上设置收敛通道，收敛角度20度，有益于混合流体垂直方向上的掺混；在下游的强制混流区，设置交错分层回旋镖通道，强制混合流体的对流和掺混过程，设置7层回旋镖分流结构。
在上游的预混区，主通道甲醇溶液携带纯甲醇，经过分层柱状结构，中心流域受到较大阻力，以放射状均匀分配整个流通平面。
在预混区到强混区过渡区，导流片，改变流体方向，引导混合流体预设的角度冲击下游强混区的回旋镖顶端，进行分流；并且在该区域垂直平面上混合流体沿收敛通道，汇聚掺混。
在下游的强混区，混合流体冲击回旋镖顶端，分流，在回旋镖中段再次改变方向进一步回旋和掺混，经过后端后冲击下一层回旋镖顶端。在交错分层回旋镖通道，形成波浪形流体形态和强制分合流体过程，加强混合流体的对流和掺混过程。
混合器设置在缓冲溶液腔室后端，由液泵将甲醇溶液泵送至混合器主通道，由于取代了缓冲溶液腔室的混合功能，燃料电池系统可以进一步压缩缓冲溶液腔室体积，甚至可以取消缓冲溶液腔室。

Claims (9)

1.一种液态流体混合器，其特征在于：按流体流动方向，流体流道依次包括流体预混区、强制混流区和混合流体收敛区；
所述流体预混区左侧设置有第一液态流体进口和第二液态流体进口；所述流体预混区设置利于第一液态流体和第二液态流体混合的阻流部件；
所述强制混流区的流道截面积小于流体预混区流道截面积，所述强制混流区设置利于混合后的第一液态流体和第二液态流体充分混合的流体扰动部件；所述截面积是指垂直于流体流动方向的流道截面积；
所述混合流体收敛区流道截面积大于强制混流区的流道截面积，于远离强制混流区的所述混合流体收敛区右侧设置有一混合流体出口。
2.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：沿流体流动方向，从流体入口至流体预混区流道截面积逐渐增大；
沿流体流动方向，从混合流体收敛区至混合流体出口流道截面积逐渐缩小。
3.如权利要求1或2所述液态流体混合器，其特征在于：所述经第一液态流体进口与第二液态流体进口的第一液态流体和第二液态流体呈错流或对流进入流体流道内；所述流体出口方向与所述流体混合器的主流道方向一致。
4.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：所述流体预混区流道截面积为所述强制混流区的流道截面积的1.2-5倍；所述混合流体收敛区流道截面积为所述强制混流区的流道截面积的的1.2-5倍。
5.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：沿流体流动方向，所述强制混流区的流道长度为所述流体预混区流道长度的1.2-5倍；所述强制混流区的流道长度为所述混合流体收敛区流道长度的1.2-5倍。
6.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：所述设置于流体预混区的阻流部件为沿流体流动方向排布的2排以上柱体；每排具有2个以上的柱体，所述相邻2排中的柱体沿流道方向相互交错排列，于流体预混区与强制混流区交接处的中部设有隔挡。
7.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：所述设置于强制混流区的流体扰动部件包括设置于靠近流体预混区的第一区的导流片和靠近混合流体收敛区的第二区的2组以上回旋镖；所述导流片为于垂直流体流动方向同一横截面上平行等间距排列的2个以上导流平板；所述每组回旋镖为于垂直流体流动方向同一横截面上平行等间距排列的2个以上折流板，折流板由二块呈100-170夹角的平板固接而成，流体依次流经二个平板表面，二块平板以固接端成轴对称，每组回旋镖中的折流板固接端位于垂直流体流动方向同一平面内，相邻2组回旋镖的折流板方向相反交错放置，沿垂直流体流动方向，下一组回旋镖中靠近上一组的折流板延长面位于上一组回旋镖中相邻2个折流板之间，靠近导流片的回旋镖中的折流板延长面位于2个导流片之间。
8.如权利要求1所述液态流体混合器，其特征在于：流体流道为厚度0.1-5cm扁平型流道。。
9.一种权利要求1-8任一所述液态流体混合器于直接液体燃料电池中的应用，其特征在于：所述经第一液态流体进口的流体为纯燃料或大于1mol/L的燃料水溶液；所述经第二液态流体进口的流体为小于0.5mol/L的燃料水溶液或水溶液；所述经混合流体出口的流出溶液即为直接液体燃料电池阳极进料溶液；所述液态流体混合器同时作为直接液体燃料电池的燃料缓冲罐。
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