CN111326769A - 一种直接液体燃料电池系统的气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接液体燃料电池系统的气液分离器，其特点是从电堆阴极侧排出的气液混合物，沿内壁为圆柱面的分离腔的圆周切线方向进入，混合物中的液体由于比重大，在分离腔内受离心力和重力作用，沿分离腔内壁旋转向下螺旋流动；同时，混合物中的气体由于比重小，在分离腔内向上运动与液体分离。在分离腔内壁面与排气管之间设置隔离环，阻隔分流液体进入排气管。从电堆阳极侧排出的气液混合物，在储液腔内通过重力作用实现气液分离。储液腔设有数个电加热元件，通过外接电源加热腔内的液体，进而通过液泵将加热后的液体输送到电堆阳极，液体换热后回流至储液腔。

Description

一种直接液体燃料电池系统的气液分离器

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，适用于气泵流量大于6L/min及以上的直接液体燃料电池系统，高效率地将电堆排出物中的气、液体分离，并在低温(低于0℃)条件下启动运行提供热源。

背景技术

直接液体燃料电池(DLFC)是目前以液体燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚等)进料的燃料电池，直接甲醇燃料电池(DMFC)为其中研究最为广泛的一种。DMFC具有结构紧凑、体积小、重量轻、比能量高的特点，十分适合作为移动电源。

DMFC工作时，液体燃料在电堆阳极侧催化剂作用下发生氧化反应，生成二氧化碳，电离出来的质子在电堆阴极侧发生还原反应生成水。由于反应过程中，阳极侧有大量的水通过中间的质子交换膜渗透到阴极，造成电堆阳极侧不断失水无法实现连续运行。为解决这一问题，需要将阴极侧的水汽通过冷凝器冷凝后再经过气液分离器与废气分离后重新输送回阳极侧。DMFC本身由于存在液体燃料渗透过质子交换膜在阴极放热的特点，可用于0℃以上启动后在低温运行的能力，但是如何在低温环境下直接启动却是一个国际难题。

因此，如何设计一种集成度高，占用空间少，气液分离效率高并可低温环境启动的气液分离器是直接液体燃料电池系统领域技术人员亟需解决的问题。

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燃料电池系统的气液分离方法和分离器，将系统水回收与低温加热启动一体设计，结构简单、集成度高、分离效率高，适用于较大气体流量的直接液体燃料电池系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直接液体燃料电池系统的气液分离器，包括分离腔和储液腔；

分离腔和储液腔均分别为一密闭腔室，分离腔内部设有排气管，排气管一端穿过分离腔顶部与外界相连；于分离腔底部设有排液口，排液口经液体回流管与储液腔内部相连通，液体回流管下端伸入至储液腔内部，用于将分离腔冷却的液体收集到储液腔；

于分离腔侧壁面上设有阳极废气回口，储液腔上部设有阳极废气出口，阳极废气回口与阳极废气出口通过管道连通；

分离腔上部侧壁面上设有混合物入口，混合物入口与直接液体燃料电池系统中一冷凝器出口通过管道连通；分离腔的内壁面为一圆柱面，混合物入口与内壁面相切，形成一切向进料口；

于分离腔内部排气管外部套设有上下二端开口筒状隔离环，隔离环将混合物入口与排气管分隔开；

储液腔下部设有用于燃料进入气液分离器的燃料接口，储液腔底部用于阳极溶液抽出到电堆阳极入口的阳极出口；储液腔上部设有回液口。

储液腔由上部的下端开口上端密闭筒体和作为底腔的下端密闭上端开口筒体开口端密闭连接构成；底腔上设有用于燃料进入气液分离器的燃料接口，和用于阳极溶液抽出到电堆阳极入口的阳极出口；上部筒体上设有回液口和阳极废气出口。

阳极废气回口与阳极废气出口通过管道连通。

回液口与直接液体燃料电池电堆的阳极出口相连；燃料接口通过燃料泵与燃料储罐相连；阳极出口通过液体循环泵与电堆阳极入口相连。

于所述储液腔内设有用于液体加热的电加热元件；

所述电加热元件为电热线，电热板，电热带，电热缆，电热盘，电热偶，电加热圈，电热棒，电伴热带，电加热芯，云母发热片，陶瓷发热片，电加热硅碳棒，电加热钨条，电热丝，电加热网带中的一种或二种以上；

于电加热元件下部储液腔内设有用于支撑电加热元件的支撑结构；

于所述电加热元件外部设有增加换热面积的散热翅片，所述散热翅片为螺旋状、片状或环状。

所述混合物入口内孔的中轴线与入口处内壁面与水平面垂直的圆周切面平行；混合物入口内孔的中轴线与所述圆周切面的距离优选为混合物入口内孔的半径。

所述液体回流管最底端端口位于储液腔的液面之下；排气管穿过分离腔顶部一端设有横向废气口，废气口与外界相连。

于阳极废气回口与阳极废气出口之间设有阳极废气冷凝器。

阳极废气冷凝器内的阳极废气冷凝液可依靠重力流入阳极废气回口中。

本发明其特点是从电堆阴极侧排出的气液混合物，沿内壁为圆柱面的分离腔的圆周切线方向进入，混合物中的液体由于比重大，在分离腔内受离心力和重力作用，沿分离腔内壁旋转向下螺旋流动；同时，混合物中的气体由于比重小，在分离腔内向上运动与液体分离。在分离腔内壁面与排气管之间设置隔离环，阻隔分流液体进入排气管。从电堆阳极侧排出的气液混合物，在储液腔内通过重力作用实现气液分离。

储液腔设有数个电加热元件，通过外接电源加热腔内的液体，进而通过液泵将加热后的液体输送到电堆阳极，液体换热后回流至储液腔。

本发明通过采用离心与重力复合气液分离方法，提高阴极侧水的回收率，降低分离结构尺寸。将阳极分离腔集成低温加热结构，具有结构简单、集成度高的优点。离心分离对于进入分离腔的混合物速度有一定要求，适于气泵流量大于6L/min及以上的直接液体供料燃料电池系统。

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是本发明视角一之立体结构示意图。

图2是本发明视角二之立体结构示意图。

图3是本发明气液分离器结构全剖示意图。

图4是本发明气液离心分离结构剖面示意图。

图5是本发明电加热元件安装结构示意图。

图中：分离腔[1]、阳极废气回口[2]、混合物入口[3]、阳极废气出口[4]、电加热元件孔[5]、储液腔[6]、底腔[7]、废气口[8]、回液口[9]、燃料接口[10]、阳极出口[11]、隔离环[12]、排气管[13]、液体回流管[14]、内壁面[15]、电加热元件[16]、支撑结构[17]；

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。

气液分离器由分离腔[1]、储液腔[6]和底腔[7]组成。分离腔[1]上设有阳极废气回口[2]，阳极废气回口[2]与阳极废气冷凝器出口通过软管连通。分离腔[1]上的混合物入口[3]与冷凝器出口通过软管连通。分离腔[1]的内壁[15]为一圆柱面，混合物入口[3]内孔的中轴线与内壁[15]的圆周切线方向平行，且混合物入口[3]内孔的最外侧切面与内壁[15]的最外侧切面重合。进入分离腔[1]的混合物中的液体由于比重大，在分离腔[1]内受离心力和重力作用，沿分离腔[1]内壁旋转向下螺旋流动；同时，混合物中的气体由于比重小，在分离腔[1]内向上运动与液体分离。受多种因素干扰，进入分离腔[1]的气液混合物并不能完全呈切向进入，部分液体会沿着内壁[15]被气流带走，造成液体容量下降。因此，在分离腔[1]中的内壁[15]与排气管[13]之间设置隔离环[12]，阻隔分流液体进入排气管[13]进而通过废气口[8]排出系统。为了起到较好的隔离效果，隔离环[12]高度不低于10mm，且隔离环[12]内环面与排气管[13]外柱面相对距离大于3mm。

储液腔[6]上设有回液口[9]，用于接收从电堆阳极侧反应出来的混合物。该气液混合物在储液腔[6]内通过重力作用实现气液分离。为了留有阳极侧的气液分离空间，储液腔[6]内的液位与其顶部间的距离要不小于10mm。储液腔[6]上设有阳极废气出口[4]，与阳极废气冷凝器入口通过软管连通。储液腔[6]设有数根电加热棒孔[5]用于固定电加热元件[16]，通过外接电源加热腔内的液体，进而通过液泵将加热后的液体输送到电堆阳极，液体换热后回流至储液腔[6]。通过在储液腔[6]内部设置加热元件，可以最大限度的增加电加热元件[16]与被加热液体的接触面积，减少热阻，提高加热效率。为了进一步提高加热能力，可以在电加热元件[16]上设计有增加换热面积的散热翅片，如：螺旋状、片状、环状等。储液腔[6]中部设有一液体回流管[14]，用于将分离腔[1]冷却的液体收集到储液加热腔[6]。为了保证液体燃料的利用效率，需要将储液腔[6]内的气体再次冷却后进入分离腔[1]通过废气口[8]排出系统。因此，液体回流管最底端要没于储液腔[6]液体之下。为了保证不会因为阳极废气管路阻力过大造成储液腔[6]内的液体进入分离腔[1]而排出气液分离器，阳极废气冷凝器的最低点高度要高于阳极废气回口[2]。另外，为了进一步的减小阻力，阳极废气冷凝器内的流体路径所处的高度是不断减小的。

储液腔[6]底部开放，连接有底腔[7]。底腔[7]上设有用于燃料进入气液分离器的燃料接口[10]，和用于阳极溶液抽出到电堆阳极入口的阳极出口[11]。燃料经过燃料泵、燃料接口[10]后进入到底腔[7]，与内部的溶液混合后经过阳极出口[11]被液体循环泵输送带电堆阳极侧。底腔[7]内部设有用于电加热元件[16]轴向支撑的支撑结构[17]。

低温加热采用4只表面温度为160℃的PTC电加热棒，棒体部分为陶瓷材质，尺寸为Φ16×100mm。为了耐受加热温度和甲醇腐蚀，气液分离器整体由PEI材料机加工制成。混合物入口外径Φ5mm～Φ10mm，内径Φ3mm～Φ8mm。分离腔内径Φ30～Φ50mm，高度60mm；隔离环外径Φ20～Φ25mm，壁厚2mm，高度20mm；排气管内径Φ5mm～Φ10mm，壁厚2mm，高度30mm；废气口内径Φ5mm～Φ30mm，壁厚2mm。

储液加热腔外形尺寸为85×85×110mm，壁厚2mm。储液加热腔中部的液体回流管尺寸为内径Φ6mm～Φ20mm，壁厚2mm，长度60～100mm。储液加热腔内装有90mm高度的液体。

底腔尺寸为85×85×30mm；燃料接口可用于接内径Φ1mm～Φ3mm的软管；阳极出口内径Φ2mm～Φ5mm，壁厚1mm，可用于接Φ3mm～Φ6mm的软管。

将阳极出口通过Φ4×1mm硅胶软管与Thomas 5002FZ液体循环泵入口连接，Thomas 5002FZ液体循环泵出口通过Φ4×1mm硅胶软管与一采用80片50cm²MEA的电堆阳极入口连接，电堆阳极出口通过Φ4×1mm硅胶软管与气液分离器的回液口连接。燃料接口通过Φ2×1mm的硅胶管与Thomas FLM3甲醇泵出口连接，甲醇泵入口与一1L的液体燃料桶出口连接。电堆阴极入口与Thomas 6025Se(150109)气泵出口通过Φ6×2mm硅胶管连接。电堆阴极出口与风冷冷凝器入口通过Φ6×2mm硅胶管连接，冷凝器出口通过Φ6×2mm硅胶管与混合物入口连接。阳极废气出口与阳极废气回口之间连接有一小型风冷冷凝器。

Claims (10)

1.一种直接液体燃料电池系统的气液分离器，其特征在于：包括分离腔[1]和储液腔[6]；

分离腔[1]和储液腔[6]均分别为一密闭腔室，分离腔[1]内部设有排气管[13]，排气管[13]一端穿过分离腔[1]顶部与外界相连；于分离腔[1]底部设有排液口，排液口经液体回流管[14]与储液腔[6]内部相连通，液体回流管[14]下端伸入至储液腔[6]内部，用于将分离腔[1]冷却的液体收集到储液腔[6]；

于分离腔[1]侧壁面上设有阳极废气回口[2]，储液腔[6]上部设有阳极废气出口[4]，阳极废气回口[2]与阳极废气出口[4]通过管道连通；

分离腔[1]上部侧壁面上设有混合物入口[3]，混合物入口[3]与直接液体燃料电池系统中一冷凝器出口通过管道连通；分离腔[1]的内壁面[15]为一圆柱面，混合物入口[3]与内壁面[15]相切，形成一切向进料口；

于分离腔[1]内部排气管[13]外部套设有上下二端开口筒状隔离环[12]，隔离环[12]将混合物入口[3]与排气管[13]分隔开；

储液腔[6]下部设有用于燃料进入气液分离器的燃料接口[10]，储液腔[6]底部用于阳极溶液抽出到电堆阳极入口的阳极出口[11]；储液腔[6]上部设有回液口[9]。

2.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

储液腔[6]由上部的下端开口上端密闭筒体和作为底腔[7]的下端密闭上端开口筒体开口端密闭连接构成；底腔[7]上设有用于燃料进入气液分离器的燃料接口[10]，和用于阳极溶液抽出到电堆阳极入口的阳极出口[11]；上部筒体上设有回液口[9]和阳极废气出口[4]。

3.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

回液口[9]与直接液体燃料电池电堆的阳极出口相连；燃料接口[10]通过燃料泵与燃料储罐相连；阳极出口[11]通过液体循环泵与电堆阳极入口相连。

4.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

于所述储液腔[6]内设有用于液体加热的电加热元件[16]。

5.如权利要求4所述气液分离器，其特征在于：

所述电加热元件为电热线，电热板，电热带，电热缆，电热盘，电热偶，电加热圈，电热棒，电伴热带，电加热芯，云母发热片，陶瓷发热片，电加热硅碳棒，电加热钨条，电热丝，电加热网带中的一种或二种以上；

于电加热元件下部储液腔内设有用于支撑电加热元件的支撑结构。

6.如权利要求4所述气液分离器，其特征在于：

于所述电加热元件[16]外部设有增加换热面积的散热翅片，所述散热翅片为螺旋状、片状或环状。

7.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

所述混合物入口[3]内孔的中轴线与入口处内壁面与水平面垂直的圆周切面平行；混合物入口[3]内孔的中轴线与所述圆周切面的距离优选为混合物入口[3]内孔的半径。

8.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

所述液体回流管[14]最底端端口位于储液腔[6]的液面之下；排气管[13]穿过分离腔[1]顶部一端设有横向废气口[8]，废气口[8]与外界相连。

9.如权利要求1所述气液分离器，其特征在于：

于阳极废气回口[2]与阳极废气出口[4]之间设有阳极废气冷凝器。

10.如权利要求9所述气液分离器，其特征在于：

阳极废气冷凝器内的阳极废气冷凝液可依靠重力流入阳极废气回口[2]中。

Images