CN1885606A - 用于直接供液燃料电池的气液分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直接供液燃料电池的气液分离器。该气液分离器包括：管道，在其侧壁上具有开口部分；液体提取部件，其选择性地传送该管道中的液体并且设置在该管道的两端上；气体提取薄膜，其选择性地传送该气体并且覆盖该开口部分；入口，其将该液体和气体导入该管道中；腔体，其围绕该液体提取部件的外侧；和出口，其通过连接至该腔体而将该腔体中的液体导向外侧。

Description

用于直接供液燃料电池的气液分离器
技术领域
本发明涉及气液分离器，用于分离从直接供液燃料电池(direct liquid feedfuel cell)的阳极电极排放的二氧化碳和未反应的液体燃料。
技术背景
直接供液燃料电池是一种利用有机燃料(如甲醇或乙醇)和氧化剂(如氧气)间的电化学反应来产生电能的装置。直接供液燃料电池所产生的电能具有高比能量密度(specific energy density)和高功率密度。此外，由于液体燃料(如甲醇)直接供给电池，故直接供液燃料电池不需要外围装置，如燃料转化器，并且易于储存和供应液体燃料。
如图1所示，直接供液燃料电池的结构包括：阳极电极2、阴极电极3和位于两电极2、3之间的电解质膜1。该阳极电极2包括用于供应和扩散燃料的扩散层22、其中发生燃料的氧化反应的催化剂层21和电极支撑层23。该阴极电极3也包括用于供应和扩散燃料的扩散层23、其中发生还原反应的催化剂层31和电极支撑层33。用于产生电极反应的催化剂由在低温下具有优异催化特性的贵金属形成，如铂。或者，为了避免由电极反应的副产物一氧化碳导致的催化剂中毒，可以采用由包括钌、铑、锇或镍的过渡金属合金催化剂。该电极支撑层23和33可以由防水的碳纸或碳纤维制成，以便易于供应燃料和排放反应产物。该电解质膜1是具有离子导电性并含湿气的氢离子交换膜，而且由厚度为50-200μm的聚合物薄膜形成。
作为直接供液燃料电池的一种，直接甲醇燃料电池(DMFC)的电极反应包括燃料被氧化的阳极反应和氢、氧还原的阴极反应，如下所述：
[反应1]
     (阳极反应)
[反应2]
      (阴极反应)
[反应3]
     (总反应)
在其中燃料被氧化(反应1)的阳极电极2处产生二氧化碳、氢离子和电子。氢离子通过氢离子交换膜1移向阴极电极3。氢离子、从外部电路传输的电子和氧在阴极电极3处发生还原反应(反应2)而产生水。因此，作为甲醇和氧之间总电化学反应(反应3)的结果，产生水和二氧化碳。当一摩尔甲醇和氧气反应时产生两摩尔水。
燃料电池中使用的液体燃料可以不是纯甲醇，而可以是与系统中产生的或已经储存于燃料电池系统中的水混合的混合物。当使用高浓度燃料时，由于燃料通过电解质膜(氢离子交换膜)的渗透(crossover)，使得该燃料电池的性能严重下降。因此，通常将甲醇稀释到低浓度，如0.5到2M(2到8体积百分比)。
图2A和2B是用于燃料电池的气液分离器的截面图。用于移动燃料电池的气液分离器10的定向并不固定在一个定向上。在正常定向上(如图2a所示)，未反应的燃料和二氧化碳通过入口11进入气液分离器10中。二氧化碳通过形成在气液分离器体顶部的孔12排放到空气中，而未反应的燃料通过形成在气液分离器体下部的出口13回收至燃料电池。
然而，在气液分离器10处于倒置定向(如图2B所示)时，未反应的燃料和二氧化碳的出口12和13相交换。因此，二氧化碳可以进入阳极电极，而未反应的燃料可以排放到外部。
发明内容
本发明提供一种气液分离器，其执行气体和液体分离，而无需考虑其定向，并且提供一种具有该气液分离器的直接供液燃料电池。
根据本发明的一方面，提供了一种直接供液燃料电池的气液分离器，其容纳来自直接供液燃料电池的液体和气体并分离该液体和气体，该气液分离器包括：管道，在其侧壁上具有开口部分；液体提取部件，其选择性地传送该管道中的液体并且设置在该管道的两端；气体提取薄膜，其选择性地传送该气体并且覆盖该开口部分；入口，其将该液体和该气体导入该管道中；腔体，其围绕液体提取部件的外侧；和出口，其通过连接至该腔体而将该腔体中的液体导向外侧。
该液体提取部件可以是具有100μm或更小的孔的第一部件。
该液体提取部件还可以包括第二部件，该第二部件具有直径大于第一部件孔的孔，该第二部件相对于该第一部件与管道中的液体相对地位于该第一部件上。
该第二部件可以填充该腔体。
该气体提取薄膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)形成。
该气体提取薄膜可以通过由多孔强化部件压制PTFE而形成。
该分离器还可以包括该管道内的液体吸收部件。
该液体吸收部件可以是具有预定直径的珠子。
该液体吸收部件的比重可以为0.95或更小。
附图说明
通过参照附图对示例性实施例进行详细描述，本发明的上述的和其他特征和优点将变得更加显明，其中：
图1是直接供液燃料电池的基本结构的截面图；
图2A和2B是用于燃料电池的气液分离器的截面图；
图3是具有根据本发明实施例的气液分离器的直接供液燃料电池的概念性结构的示意图；
图4是根据本发明实施例的气液分离器的截面图；
图5是在液体提取单元处于上下位置时图4的气液分离器的截面图；
图6是示出根据本发明实施例的气液分离器的圆柱管道内部压力变化的图线；和
图7是根据本发明另一实施例的气液分离器的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明进行更全面地描述，附图中示出了本发明的示例性实施例。
图3是具有根据本发明实施例的气液分离器的直接供液燃料电池的概念性结构示意图。
参照图3，直接供液燃料电池系统包括：直接供液燃料电池，如燃料电池组190；气液分离器100，其在收集到稀释的未反应液体燃料和电化学反应产生的二氧化碳后，将二氧化碳排放到大气中，并利用水泵191将液体燃料传输到阳极电极；水泵192，其将稀释的液体燃料(甲醇)从燃料箱195传送到燃料电池组190；以及鼓风机193，其向燃料电池组190供应空气。阴极电极产生的水被排放或可以流向气液分离器100或燃料箱195。
图4是根据本发明实施例的气液分离器100的截面图。
参照图4，间隔预定距离并且彼此面对的液体提取部件120形成于具有预定直径的圆柱管道的端部。开口部分111形成在圆柱管道110的侧壁上，气体提取薄膜115形成为覆盖该开口部分111。腔体130形成在液体提取部件120上。各个腔体130包括出口132，腔体130中的未反应燃料通过该出口132被传送到燃料电池组190的阳极电极(此时，可以使用水泵P)。引导液体燃料和二氧化碳从燃料电池组190的阳极电极进入该圆柱管道110的入口140形成在该圆柱管道110的外圆周上。
液体提取部件120包括接触圆柱管道110中的材料的第一部件121和面对腔体130的第二部件122。该第一部件121可以是具有100μm或更小的孔的泡沫部件，而第二部件122可以是具有100μm至1mm的孔的泡沫部件。第一部件121选择性地将液体燃料从圆柱管道110排放腔体130，而该第二部件122促进第一部件121的排放动作。该第二部件122可以安装成填充腔体130。
气体提取薄膜115可以由多孔的并具有疏水性的聚四氟乙烯(PTFE)形成。该气体提取薄膜115可以通过由诸如多孔布的多孔强化部件(未示出)压制PTFE而成形。该气体提取薄膜115阻止液体燃料从圆柱管道110流出，而允许排出气体，即二氧化碳。
液体提取部件120的第一部件121包括面向在圆柱管道110中的液体燃料的第一表面121a和接触第二部件122的第二表面121b。当管道110中的液体燃料接触液体提取部件120的一部分时，在燃料电池正常工作条件下，该液体提取部件120由于其亲水性而全部浸湿。因此，朝向第一表面121a的管道110中的气体必须克服该第一部件121的第一表面121a的第一毛细管作用力以通过该第一表面121a渗透到第一部件121中，而且必须克服第二表面121b的第二毛细管作用力以渗透到第二部件122中。当通过入口140进入的气体的气压P1大于第二毛细管作用力时，由于第一表面121a接触液体燃料的区域没有产生第一毛细管作用力，所以液体燃料通过第一部件121渗透到第二部件122。第二部件122易于将从第一薄膜121收集的液体燃料排放到腔体130中。圆柱管道110中的气体由圆柱管道110的内部压力通过气体提取薄膜115排放到大气中。
该腔体130可以由金属、塑料或软聚氯乙烯(flexible vinyl)形成。
当气液分离器100绕连接两液体提取部件120的轴旋转时，该气液分离器100能够可靠地分离气体和液体燃料。
图5是在液体提取部件处于上下位置时图4的气液分离器的截面图。液体燃料通过第一部件121和第二部件122流入下腔体130中，而气体通过气体提取部件115排放到大气中。
如上所述，根据本发明的气液分离器100执行分离操作，而无需考虑气液分离器100的位置。
图6是示出根据本发明实施例的气液分离器的圆柱管道内部压力变化的图线。
为了测量圆柱管道110的内部压力，连接该圆柱管道110的入口140到水泵P的出口上，并连接水泵的入口到该圆柱管道的出口132上。当气体以150ml/min的流速注入到该圆柱管道110中时(阶段1)，水以40ml/min的流速流动(阶段2)。即，来自水泵P的液体燃料和气体注入到该圆柱管道110中，而从腔体130的出口132出来的液体又流回水泵P。接下来，按图5所示放置气液分离器100(阶段3)。参照图6，该圆柱管道中的压力保持为不变，因此可以观察到稳定的气液分离。
图7是根据本发明另一实施例的气液分离器200的截面图。图7和图4中相同的附图标记表示相同的元件，因此省略对其的描述。
参照图7，间隔预定距离并彼此面对的液体提取部件120形成于具有预定直径的圆柱管道端部。开口部分111形成在该圆柱管道110的侧壁，而气体提取部件115形成为覆盖该开口部分111。腔体130形成在液体提取部件120上。各个腔体130包括出口132，腔体中的未反应燃料通过该开口132被传送至图3中的燃料电池组190的阳极电极。引导液体燃料和二氧化碳从燃料电池组的阳极电极进入圆柱管道110的入口140，形成在圆柱管道110的外圆周上。
该圆柱管道110中填入吸收过饱和液体的液体吸收部件，如大量珠子210。珠子210通过在其表面上吸收流经气体提取部件115的蒸汽状态的水或液体燃料，来减少圆柱管道110的液体排放。该珠子210优选地由塑料形成而漂浮于该圆柱管道110中，以接触气体，该塑料的比重低于进入到该圆柱管道110中的液体的比重。进入该圆柱管道110中的大部分液体是水，而甲醇的比重为0.79，因此该液体的比重接近于1。因为大部分塑料的比重小于水，故可以使用大部分塑料来形成该珠子210。该珠子210优选由比重为0.95或更小的塑料形成。
具有蜂窝结构(未示出)的塑料可以用作该液体吸收部件。
除了珠子210减少流经气体提取部件115的蒸汽状态的水或液体燃料的数量之外，根据本发明另一实施例的气液分离器200的操作与图4的气液分离器100基本相同。
如上所述，当气液分离器应用到移动式直接供液燃料电池上时，其中气液分离器的位置可以随时变化，根据本发明的气液分离器分离液体和气体，而无需考虑气液分离器的位置。
虽然已经参照本发明的示例性实施例对本发明进行了具体示出和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不脱离由随后权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下可以在形式和细节上对本发明进行各种变化。

Claims (9)

1、一种气液分离器，其容纳来自直接供液燃料电池的液体和气体并分离该液体和气体以进行排放，包括：
管道，在其侧壁上具有开口部分；
液体提取部件，其选择性地传送该管道中的液体并且设置在该管道的两端；
气体提取薄膜，其选择性地传送该气体并且覆盖该开口部分；
入口，其将该液体和该气体导入该管道中；
腔体，其围绕液体提取部件的外侧；和
出口，其通过连接至该腔体而将该腔体中的液体导向外侧。
2、如权利要求1所述的气液分离器，其中该液体提取部件是具有100μm或更小的孔的第一部件。
3、如权利要求2所述的气液分离器，其中该液体提取部件还包括第二部件，该第二部件具有直径大于第一部件孔的孔，该第二部件相对于该第一部件与管道中的液体相对地位于该第一部件上。
4、如权利要求3所述的气液分离器，其中该第二部件填充该腔体。
5、如权利要求1所述的气液分离器，其中该气体提取薄膜由聚四氟乙烯形成。
6、如权利要求5所述的气液分离器，其中该气体提取薄膜通过由多孔强化部件压制聚四氟乙烯而形成。
7、如权利要求1所述的气液分离器，其中该分离器还包括该管道内的液体吸收部件。
8、如权利要求7所述的气液分离器，其中该液体吸收部件是具有预定直径的珠子。
9、如权利要求8所述的气液分离器，其中该液体吸收部件的比重为0.95或更小。
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