CN109935853B - 一种直接液体燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种直接液体燃料电池系统，包括一阴极尾气分离/散热器，所述阴极尾气分离/散热器由一密闭腔体和置于其中的中空纤维管束构成，所述密闭腔体的左右二端分别设有第一隔板和第二隔板，将密闭腔体分离成左、中、右三个互不连通的密闭腔室，于左侧腔室的外壁面上设有热物料入口，于右侧腔室的上部外壁面上设有气相热物料出口、于右侧腔室的下部外壁面上设有液相热物料出口，于中部腔室的外壁面上设有冷物料入口和出口，中空纤维管束置于中部腔室内，中空纤维管束中的中空纤维管一端穿过第一隔板与左侧腔室相连通，另一端穿过第二隔板与右侧腔室相连,聚合物材料耐酸碱腐蚀、密度轻、材料成本低，加工、制造工艺简单。

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，具体的说涉及一种直接液体燃料电池系统。
背景技术
散热器是燃料电池系统中的重要组成部分，对于燃料电池系统的水热管理至关重要。传统的散热器，普遍采用金属材料，利用金属良好的导热性，通过增加散热面积的方式提高散热通量。例如：铝制、铜制的板翅式、管翅式、螺旋翅片管散热器等等。这种散热器的缺点包括：工艺复杂造成的制造成本高、金属材料造成的材料成本高。不仅如此，目前通过增加散热器的散热表面积的扩展方式已经近乎极致，难以再更大跨度的提高散热器的散热能力。近些年，由于通过增加翅片或者其他复杂结构增加外表面积的方式已经严重增加了散热器的制作成本，且散热能力达到瓶颈，因此，出现了通过细微化的热流体通道直径，通过微管散热，从而增加散热器的散热能力的趋势。微管散热在依靠增加散热面积增强散热能力的工艺受限的情况下，我们引入Nusselt数的概念(Nu＝h.L/k)，它表示对流换热的强烈程度，而电池系统采用的风冷换热，其换热的速控步骤就是散热器外壁面与空气界面的对流换热。因此增加Nusselt数，增加对流换热的强烈程度对于提高换热效果有极大的作用。由Nusselt数的定义式可知，减小流体的特征尺寸L一个数量级(由毫米减至微米)，有望将换热系数h提高一个数量级。
然而，将微管散热器应用到燃料电池系统中仍然存在着诸如加工、成本等的困难。金属模具、金属微管加工成本高，或者金属离子溶出污染燃料电池膜电极等问题。
发明内容
一种直接液体燃料电池系统，包括燃料电池电堆、高浓度燃料罐、燃料进料罐、阴极气泵；所述高浓度燃料罐、燃料进料罐及燃料电池电堆阳极入口依次通过管路串联；所述燃料电池电堆阳极出口经一气液分离器与燃料进料罐管路相连；所述阴极气泵与燃料电池电堆阴极入口管路相连，还包括一阴极尾气分离/散热器，所述阴极尾气分离/散热器由一密闭腔体和置于其中的中空纤维管束构成，所述密闭腔体的左右二端分别设有第一隔板和第二隔板，将密闭腔体分离成左、中、右三个互不连通的密闭腔室，于左侧腔室的外壁面上设有热物料入口，于右侧腔室的上部外壁面上设有气相热物料出口、于右侧腔室的下部外壁面上设有液相热物料出口，于中部腔室的外壁面上设有冷物料入口和出口，中空纤维管束置于中部腔室内，中空纤维管束中的中空纤维管一端穿过第一隔板与左侧腔室相连通，另一端穿过第二隔板与右侧腔室相连通，且中空纤维管束中的中空纤维管两端分别与第一隔板和第二隔板密闭连接；
所述燃料电池电堆阴极出口与所述热物料入口相连通，气相热物料出口与大气相连，液相热物料出口与燃料进料罐管路相连。
所述中空纤维管束中的中空纤维管的直径0.1-2mm。
所述中空纤维管束由50根以上的中空纤维管构成。
所述冷物料为冷却水、冷空气、冷却油、相变吸热材料中的一种。
所述液体燃料为甲醇、乙醇、二甲醚、甲酸中的一种或两种以上。
所述中空纤维管束的材料为憎水性材料PTFE、PVDF、PP、PE、PFA、PBI中的一种。
本发明技术优势：相对于金属材料的微管散热器，中空纤维散热器的优势：聚合物材料耐酸碱腐蚀、密度轻、材料成本低，加工、制造工艺简单。筛选合适的中空纤维微孔膜材料，可以起到散热的同时分离空气和液态水的作用。
附图说明
图1传统铝板翘式散热器与中空纤维散热器换热效果比较示意图；从图中可以明确得知，中空纤维散热器的换热效果远优于传统铝板翘式散热器的换热效果。
图2阴极尾气分离/散热器中的中孔纤维管束示意图；
图3阴极尾气分离/散热器结构示意图,其中的1为热物料入口，电池热流体来自于燃料电池阴极过饱和的尾气，包含阴极的反应后的剩余空气、燃料电池反应生成的水和氧气渗透至阴极的水；2为热物料入口，热物料入口的吹扫空气为室温空气，3为密闭腔体，密闭腔体内的中空纤维束为致密薄层聚合物材料构成，阻水、阻气；
4为气相热物料出口，气相热物料出口的混合状态的液态水和过饱和低温空气，进入重力分离器进行气液分离；
5为冷物料出口，冷物料出口的室温吹扫气经换热加温之后的热空气，可作为电池物料或部件的预热热源；6为中空纤维管的封头，7为液相热物料出口。
具体实施方式
目前有商品的微管散热器，有膜分离组件主要用于水净化，尚没有用于燃料电池的水汽分离同时散热的功能组件。
本发明所述一种直接液体燃料电池系统，包括燃料电池电堆、高浓度燃料罐、燃料进料罐、阴极气泵；所述高浓度燃料罐、燃料进料罐及燃料电池电堆阳极入口依次通过管路串联；所述燃料电池电堆阳极出口经一气液分离器与燃料进料罐管路相连；所述阴极气泵与燃料电池电堆阴极入口管路相连，还包括一阴极尾气分离/散热器，所述阴极尾气分离/散热器由一密闭腔体和置于其中的中空纤维管束构成，中空纤维束为致密薄层聚合物材料构成，阻水、阻气，所述密闭腔体的左右二端分别设有第一隔板和第二隔板，将密闭腔体分离成左、中、右三个互不连通的密闭腔室，于左侧腔室的外壁面上设有热物料入口，于右侧腔室的上部外壁面上设有气相热物料出口、于右侧腔室的下部外壁面上设有液相热物料出口，于中部腔室的外壁面上设有冷物料入口和出口，中空纤维管束置于中部腔室内，中空纤维管束中的中空纤维管一端穿过第一隔板与左侧腔室相连通，另一端穿过第二隔板与右侧腔室相连通，且中空纤维管束中的中空纤维管两端分别与第一隔板和第二隔板密闭连接；
所述燃料电池电堆阴极出口与所述热物料入口相连通，气相热物料出口与大气相连，液相热物料出口与燃料进料罐管路相连。
所述中空纤维管束中的中空纤维管的直径0.2mm。
所述中空纤维管束由1000根中空纤维管构成。
所述冷物料为冷却水。
所述液体燃料为甲醇、乙醇、二甲醚、甲酸中的一种或两种以上(此方案为乙醇和二甲醚)。
所述中空纤维管束的材料为PTFE。
其中的散热器形式可以是如图的管壳式，也可以是帘式的中空纤维布局，配备风扇散热，代替传统的金属板翅式散热器。
既可以作为散热器，降低燃料电池中热流体的温度，也可以作为换热器，起到给电池加热的作用。更进一步的功能拓展，换热的同时增加物质分离的作用。
一种同时实现散热与水/气分离功能的燃料电池部件。上文中的中空纤维管散热器，筛选合适的中空纤维微孔膜材料，可以起到散热的同时分离空气和液态水的作用。中空纤维微孔膜束有阻水透气的特性，起到分离水和空气的作用；空气透过中空纤维膜与吹扫气混合，作为尾气排出；管中的水蒸汽及甲醇蒸汽冷却后液化直接进入甲醇缓冲溶液罐。电池热流体来自于燃料电池阴极过饱和的尾气，包含阴极的反应后的剩余空气、燃料电池反应生成的水和氧气渗透至阴极的水。

Claims (5)

1.一种直接液体燃料电池系统，包括燃料电池电堆、高浓度燃料罐、燃料进料罐、阴极气泵；所述高浓度燃料罐、燃料进料罐及燃料电池电堆阳极入口依次通过管路串联；所述燃料电池电堆阳极出口经一气液分离器与燃料进料罐管路相连；所述阴极气泵与燃料电池电堆阴极入口管路相连，其特征在于：
还包括一阴极尾气分离/散热器，所述阴极尾气分离/散热器由一密闭腔体和置于其中的中空纤维管束构成，所述密闭腔体的左右二端分别设有第一隔板和第二隔板，将密闭腔体分离成左、中、右三个互不连通的密闭腔室，于左侧腔室的外壁面上设有热物料入口，于右侧腔室的上部外壁面上设有气相热物料出口、于右侧腔室的下部外壁面上设有液相热物料出口，于中部腔室的外壁面上设有冷物料入口和出口，中空纤维管束置于中部腔室内，中空纤维管束中的中空纤维管一端穿过第一隔板与左侧腔室相连通，另一端穿过第二隔板与右侧腔室相连通，且中空纤维管束中的中空纤维管两端分别与第一隔板和第二隔板密闭连接；
所述中空纤维管束的材料为憎水性材料PTFE、PVDF、PP、PE、PFA、PBI中的一种；
所述燃料电池电堆阴极出口与所述热物料入口相连通，气相热物料出口与大气相连，液相热物料出口与燃料进料罐管路相连。
2.根据权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：中空纤维管束中的中空纤维管的直径0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：中空纤维管束由50根以上的中空纤维管构成。
4.根据权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：所述冷物料为冷却水、冷空气、冷却油、相变吸热材料中的一种。
5.根据权利要求1所述直接液体燃料电池系统，其特征在于：所述液体燃料为甲醇、乙醇、二甲醚、甲酸中的一种或两种以上。
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