CN108390082A - 一种用于直接液体进料燃料电池的分离器 - Google Patents

一种用于直接液体进料燃料电池的分离器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，特点是包括外壳体、内壳体；外壳体、内壳体由壁构成，外壳体和内壳体间设空腔；外壳体包括饱和蒸汽收集腔和气液分离腔；内壳体设于气液分离腔内部，内壳体壁面上设气体排出口/孔；内壳体壁面上设与气液分离腔上开口孔对齐的开口孔，包括气液混合物进口、燃料混合液出口、燃料进口；饱和蒸汽收集腔侧壁上开口孔与气液分离腔侧壁回收孔管路连接。本发明优点是将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气/液态水分离与阳极侧CO2气体/燃料混合液的分离一体化，还将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到分离器中，系统集成度高，缩小系统体积。

Description

一种用于直接液体进料燃料电池的分离器
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种气液分离器，用于将电堆阴、阳极排出物中的气体和液体集于同一分离腔内，并使上述液体和气体分离，液态混合物与高浓度燃料适当混合后可用作电堆阳极的反应燃料。
背景技术
直接液体燃料电池是将液体燃料(如甲醇、乙醇、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，其工作原理如图1所示。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(不包含消耗掉氧气)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。
通常，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，与加入的纯燃料或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。
中国专利申请，一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，申请号为200910013296.X，申请公布号CN 101997127 A，申请公布日2011.03.30，将直接液体供料燃料电池系统中与电堆阴极冷凝器出口和电堆阳极出口分别相连的两个气液分离器集成为一体，并在空气/水分离腔设置有螺旋分离棒，试图通过旋转流动提高气液分离效率。该发明虽然具有一定效果。但是该设计使气液混合物经过旋转分离棒周围空间相对开放，难以使全部气液混合物通过旋转分离，气液分离效果增强有限。
中国专利申请，一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，申请号为201510960706.7，申请公布号CN 106898801 A，申请公布日2017.06.27，将空气/水分离、CO2、阴极水回收、阳极燃料混合液回收和纯燃料(高浓度燃料) 补给等多项功能于一体，不仅可以将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气 (不包含消耗掉氧气)/液态水的分离和阳极侧CO2/燃料混合液的分离一体化，同时还可以将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到上述气液分离器当中，增强了系统的集成度，缩小系统的体积，简化了系统的结构。
上述两件现有技术将阴极和阳极排出物分开处理，其集成度和气液分离效率还有待进一步研究完善。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，该分离器将阳极侧未反应的燃料混合液、反应生成的CO2，以及阴极侧未反应的空气、反应生成的水回收到同一分离腔内，并使上述液体和气体分离；并且将回收的水与纯燃料或高浓度燃料混合并最终得到一定浓度的燃料混合液，使之适合于直接液体进料燃料电池系统的稳定运行，同时该分离器的正常运行并不依赖于放置方向。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，该分离器接收来自直接液体进料燃料电池系统产生的未反应空气/液态水和CO2/燃料混合液，并将所述液体和气体分离，其特点是包括外壳体、内壳体；所述外壳体、内壳体由气体或液体不能通过的壁构成，所述外壳体和内壳体间设置有空腔；所述外壳体包括饱和蒸汽收集腔和气液分离腔；所述饱和蒸汽收集腔内设有电容式液位传感器，内壁上设有亲水海绵体，水蒸气可以在海绵体内凝结，用于收集外壳体和内壳体间空腔中的液体；所述气液分离腔用于电堆阳极和电堆阴极回收的气液混合物中液体和气体的分离；所述内壳体设于外壳体的气液分离腔内部，所述内壳体壁面上设置有由憎水性膜/憎水性多孔材料覆盖/封堵的气体排出口/孔；
所述气液分离腔的侧壁上设有与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口和排放气体的开口；
所述内壳体壁面上设置有与气液分离腔上开口孔对齐的开口孔，包括与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，该燃料混合液出口上连接一软管，该软管另一端上设置一重锤、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口。
所述饱和蒸汽收集腔在远离气液分离腔的侧壁上设有收集水并回收的开口孔；所述气液分离腔的侧壁上设有通入内壳体内部的水蒸气回收孔；所述收集水并回收的开口孔与水蒸气回收孔通过管路密封连接；
进一步地，所述外壳体与内壳体壁之间的间隙为1mm以上。
进一步地，所述饱和蒸汽收集腔与气液分离腔的体积比是1∶10～1∶5。
进一步地，所述收集水并回收的开口孔与水蒸气回收孔连接的管路上设有微型液体泵，所述微型液体泵与饱和蒸汽收集腔上的电容式液位传感器电性连接，根据饱和蒸汽收集腔上的电容式液位传感器收集到的液位信息进行动作，将饱和蒸汽收集腔内的水注入到内壳体中。
进一步地，所述由憎水性膜/憎水性多孔材料覆盖/封堵的气体排出口/孔设于内壳体至少三个面上，用于气液分离的与空气接触部分的憎水性膜/憎水性多孔材料的面积不小于2平方厘米，保证分离器360°任意方向放置均可使用。
进一步地，所述气液分离腔的侧壁和内壳体侧壁上还设有通入内壳体内部的低浓度燃料的注入口与抽出口。
进一步地，所述外壳体上还设有与气泵连接的气泵吹扫孔，其运行周期为 5-300min，气泵运行气体吹扫进入空腔，吹扫的气体从气体排放口排出，提高分离器的效率和可靠性。
进一步地，所述憎水性膜/憎水性多孔材料为憎水PTFE多孔薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、超憎水PTFE中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜/憎水性多孔材料的孔径采用梯次分布，靠近外壳体壁为大孔，远离外壳体壁为小孔。
进一步地，所述憎水性膜/憎水性多孔材料为憎水PTFE多孔薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、超憎水PTFE中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜/憎水性多孔材料的孔径为0.1μm-50μm。
进一步地，所述憎水性膜/憎水性多孔材料的远离外壳体壁的孔径为0.1μ m-5μm，靠近外壳体壁的孔径为20μm-50μm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明通过外壳体和内壳体结合形成多层腔体结构，设有气体/液体混合物进出口，实现了分离器在一定时间内或者是长时间内在任意方向上的正常运行；具体地：该分离器集燃料电池系统中空气/水分离、CO2/燃料混合液分离、阴极水回收、阳极燃料混合液回收及纯燃料或高浓度燃料补给等多项功能于一体，不仅可以将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气/液态水分离与阳极侧 CO2气体/燃料混合液的分离一体化，同时还可以将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到气液分离器当中，简化了系统的结构，缩小系统的体积，增强了系统的集成度，本发明应用在直接液体供料燃料电池系统中时具有显著的优点和积极效果；
2.本发明对憎水性膜/憎水性多孔材料的孔径进行了梯次优化，小孔有利于减少液体的排出，大孔则有利于液滴的聚集，在气液分离器运行一段周期后，水滴容易在憎水性膜/憎水性多孔材料外表面聚集，利用气泵间歇吹扫的方式可以将其除去，这种运行方式可大幅提升系统在低温下运行的可靠性；低温下液滴特别容易在膜表面聚集，影响分离效果与可靠性，采用本方案可以提高系统在低温环境下运行的稳定性；避免覆盖在憎水材料表面，影响分离效率以及可靠性。
附图说明
下面结合具体实施附图对本发明做进一步说明。
图1是直接甲醇燃料电池(DMFC)工作原理图；
图2是本发明所涉及的直接液体进料燃料电池系统的流程示意图；
图3是本发明气液分离器外壳体主视示意图；
图4是本发明气液分离器外壳体俯视示意图；
图5是本发明气液分离器内壳体主视示意图；
图6是本发明气液分离器内壳体与外壳体结合剖面结构示意图。
图中：1-阳极扩散层 2-阳极催化层 3-质子交换膜 4-阴极催化层 5-阴极扩散层6-燃料电池电堆阴极空气入口 7-电堆阳极 8- 电堆阴极 9-分离器 10-电堆阴极冷凝器11-风扇 12-外壳体 13-内壳体 14-饱和蒸汽收集腔 15-气液分离腔 16-憎水性膜/憎水性多孔材料 17-气体排出口/孔 18-与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口19-与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口 20-与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口 21-纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口 22-气体排放口 23-收集水并回收的开口孔 24-通入内壳体内部的水蒸气回收孔 25-注入口 26-抽出口 27-气泵吹扫孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示，直接液体进料燃料电池系统包括如燃料电池堆之类的直接液体进料燃料电池、分离器，分离器接收阳极经稀释的未反应液体燃料和由电化学反应产生的CO2，以及阴极产生的水和未反应的空气之后，将气体排到大气中、将未经稀释的高浓度燃料从燃料罐输送到分离器的燃料泵、以及向燃料电池堆提供空气的气泵，阴极上产生的水循环到分离器。
如图3、图4、图5、图6所示，一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，该分离器9接收来自直接液体进料燃料电池系统产生的未反应空气/液态水和 CO2/燃料混合液，并将所述液体和气体分离，其特点是包括外壳体12、内壳体 13；外壳体12、内壳体13由气体或液体不能通过的壁构成，外壳体12和内壳体13间设置有空腔；所述外壳体包括饱和蒸汽收集腔14和气液分离腔15；饱和蒸汽收集腔14内设有电容式液位传感器(图中未标注)，内壁上设有亲水海绵体(图中未标注)，水蒸气可以在海绵体内凝结，用于收集外壳体12和内壳体13间空腔中的液体；气液分离腔15用于电堆阳极7和电堆阴极8回收的气液混合物中液体和气体的分离；内壳体13设于外壳体12的气液分离腔15内部，内壳体13壁面上设置有至少一个有憎水性膜/憎水性多孔材料16(图中未标注) 覆盖/封堵的气体排出口/孔17；
气液分离腔15的侧壁上设有与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口18、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口19、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口20、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口 21和排放气体与调节气液平衡的气体排放口22；
内壳体13壁面上设置有与气液分离腔15上开口孔对齐的开口孔，包括与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口18、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口19、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口20，该燃料混合液出口上连接一软管(图中未标注)，该软管另一端上设置一重锤(图中未标注)、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口21。
饱和蒸汽收集腔14在远离气液分离腔15的侧壁上设有收集水并回收的开口孔23；气液分离腔15的侧壁上设有通入内壳体内部的水蒸气回收孔24；收集水并回收的开口孔与水蒸气回收孔通过管路(图中未标注)密封连接；
外壳体12与内壳体13壁之间的间隙为1mm以上。
饱和蒸汽收集腔14与气液分离腔15的体积比是1∶10～1∶5。
收集水并回收的开口孔23与水蒸气回收孔24连接的管路上设有微型液体泵(图中未标注)，微型液体泵与饱和蒸汽收集腔14上的电容式液位传感器(图中未标注)电性连接，根据饱和蒸汽收集腔14上的电容式液位传感器收集到的液位信息进行动作，将饱和蒸汽收集腔14内的水注入到内壳体13中。
气体排出口/孔17设于内壳体13至少三个面上，用于气液分离的与空气接触部分的憎水性膜/憎水性多孔材料16的面积不小于2平方厘米，保证分离器 360°任意方向放置均可使用。
气液分离腔15的侧壁和内壳体13侧壁上还设有通入内壳体内部的低浓度燃料的注入口25与抽出口26。
外壳体12上还设有与气泵(图中未标注)连接的气泵吹扫孔27，其运行周期为5-300min，气泵运行气体吹扫进入空腔，吹扫的气体从气体排放口/气体排放孔17排出，提高分离器9的效率和可靠性。
憎水性膜/憎水性多孔材料16为憎水PTFE多孔薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、超憎水PTFE中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜/憎水性多孔材料16的孔径采用梯次分布，靠近外壳体壁为大孔，远离外壳体壁为小孔。
憎水性膜/憎水性多孔材料16为憎水PTFE多孔薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、超憎水PTFE中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜/憎水性多孔材料16的孔径为0.1μm-50μm。
憎水性膜/憎水性多孔材料16的远离外壳体壁的孔径为0.1μm-5μm，靠近外壳体壁的孔径为20μm-50μm。
如上所述，将本发明的分离器应用于便携式直接液体进料燃料电池时，该分离器能够在对分离器的方位基本没有限制的情况下对气体和液体进行分离。此外，内壳体的设计增强了系统的集成度，缩小系统的体积，简化了系统的结构。并且根据具体使用条件，通过内壳体形式和细节的变换，使本发明的气液分离器可方便地适应不同环境条件下直接液体进料燃料电池的使用。因此，具有这种分离器的直接液体供给燃料电池可以在不考虑分离器的方位的情况下实现气液分离的功能。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护分为之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：包括外壳体(12)、内壳体(13)；所述外壳体(12)、内壳体(13)由气体或液体不能通过的壁构成，所述外壳体(12)和内壳体(13)间设置有空腔；所述外壳体(12)包括饱和蒸汽收集腔(14)和气液分离腔(15)；所述内壳体(13)设于外壳体(12)的气液分离腔(15)内部，所述内壳体(12)壁面上设置有由憎水性膜/憎水性多孔材料(16)覆盖/封堵的开口，或设置气体排出口/孔(17)，气体排出孔上覆盖憎水性膜(16)；
所述气液分离腔(15)的侧壁上设有与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口(18)、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口(19)、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口(20)、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口(21)和气体排放口(22)；
所述内壳体(13)壁面上设置有与气液分离腔(15)上开口孔对齐的开口孔，包括与电堆阴极冷凝器出口管路相连的气液混合物进口(18)、与电堆阳极出口管路相连的气液混合物进口(19)、与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口(20)，该燃料混合液出口上连接一软管，软管另一端上设置一重锤、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口(21)；
所述饱和蒸汽收集腔(14)在远离气液分离腔(15)的侧壁上设有收集水并回收的开口孔(23)；所述气液分离腔的侧壁上设有通入内壳体内部的水蒸气回收孔(24)；所述收集水并回收的开口孔(23)与水蒸气回收孔(24)通过管路密封连接。
2.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述外壳体(12)与内壳体(13)壁之间的间隙为1mm以上。
3.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述饱和蒸汽收集腔(14)与气液分离腔(15)的体积比是1∶10～1∶5。
4.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述收集水并回收的开口孔(23)与水蒸气回收孔(24)连接的管路上设有微型液体泵，所述微型液体泵与饱和蒸汽收集腔(14)上的电容式液位传感器电性连接。
5.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述气液分离腔(15)的侧壁和内壳体(13)侧壁上还设有通入内壳体内部的低浓度燃料的注入口(25)与抽出口(26)。
6.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述外壳体(12)上还设有与气泵连接的气泵吹扫孔(27)，孔道中通入气体吹扫。
7.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述憎水性膜/憎水性多孔材料(16)为憎水PTFE多孔薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、超憎水PTFE中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜/憎水性多孔材料(16)的孔径采用梯次分布，靠近外壳体(12)壁为大孔，远离外壳体(12)壁为小孔。
8.根据权利要求1所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述憎水性膜/憎水性多孔材料(16)的孔径为0.1μm-50μm。
9.根据权利要求1或7所述一种用于直接液体进料燃料电池的分离器，其特征在于：所述憎水性膜/憎水性多孔材料(16)的远离外壳体(12)壁的孔径为0.1μm-5μm，靠近外壳体(12)壁的孔径为20μm-50μm。
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