CN212648290U - 一种用于直接液体燃料电池的气液分离器 - Google Patents

一种用于直接液体燃料电池的气液分离器 Download PDF

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陈善平
汪晔
魏伟
孙公权
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Abstract

本实用新型公开了一种用于直接液体燃料电池的气液分离器，包括上分离腔和下分离腔两个腔体，腔体之间由一隔板结构隔开，隔板结构上设有一下水管，连通上分离腔和下分离腔；上分离腔上端设有排气口和与电堆阴极冷凝器出口管路连接的阴极气液混合物进口，上分离腔和下分离腔内均设有若干折流板；隔板结构侧面上设有气体入口和与电堆阳极出口管路连接的阳极气液混合物进口；隔板结构上还设有用于将下分离腔分离出的气体排出的气体出口，气体出口与气体入口通过管路相连接，气体入口经隔板结构内部的通道与上分离腔连通。本实用新型通过折流板的设计，提高了分离效率，降低了设备高度。

Description

一种用于直接液体燃料电池的气液分离器
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种用于直接液体燃料电池的气液分离器。
背景技术
直接甲醇燃料电池DMFC的工作原理如图1。其阳极和阴极催化剂分别为Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其电极反应为
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：1.5O2+6e-+6H+→3H2O
电池的总反应为CH3OH+1.5O2→2H2O+CO2。
直接甲醇燃料电池DMFC在反应过程中，参与阳极循环的低浓度甲醇溶液；消耗1mol甲醇需要消耗1mol水，同时生成1molCO2及6mol质子和6mol电子；当阳极消耗1mol甲醇的同时，相对应阴极会消耗3/2mol氧气，生成3mol H2O。质子穿过交换膜H3O+的形式穿过，之所以在阴极会有比较多的水产生。从原理图中可以看出，阳极需要将CO2从甲醇水溶液中进行分离，为了满足水平衡，阴极需要对部分水回收，将剩余的N2及O2进行分离。直接甲醇燃料电池DMFC需要气液分离器对气体和液体进行分离，将气体以废气形式排出，对冷凝水回收继续参与系统循环。现有分液分离器大多基于重力分离法，重力分离法分离效率差，需要气流速度慢，致分离器尺寸效高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于用于解决上述技术问题，提供一种用于直接液体燃料电池的气液分离器，本实用新型通过折流板的设计，提高了分离效率，降低了设备高度。
本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于直接液体燃料电池的气液分离器，包括上分离腔和下分离腔两个腔体，腔体之间由一隔板结构隔开，隔板结构上设有一下水管，连通上分离腔和下分离腔；上分离腔上端设有排气口和与电堆阴极冷凝器出口管路连接的阴极气液混合物进口，上分离腔和下分离腔内均设有若干折流板；
隔板结构侧面上设有气体入口和与电堆阳极出口管路连接的阳极气液混合物进口；隔板结构上还设有用于将下分离腔分离出的气体排出的气体出口，气体出口与气体入口通过管路相连接，气体入口经隔板结构内部的通道与上分离腔连通；
下分离腔侧面上设置有与燃料罐相连接的燃料进料口和与电堆阳极入口管路连接的溶液出口。在DMFC系统中，质子是以H3O+的形式穿过交换膜，并且阴极会生成水，故电堆阴极出口主要包含有液态水、水蒸汽、氧气、氮气。通过冷凝器后，大部分水蒸汽冷凝成水。根据当前DMFC系统需求，需要将水蒸汽进行分离回收才能满足水平衡的要求。在本方案的气液分离中，采用了重力分离和折流挡板相结合的方式。重力分离利用气液重力差，分离腔使气流速度降低，气流中细微的液滴下沉与气体分离。折流板使气流在折流板处速度发生突变，液滴与折流板撞击后聚集在折流板上，以此方式来分离。
作为优选，设在上分离腔内的折流板包括垂直于上分离腔上表面设置的一垂直折流板、在排气口下端并平行于上分离腔上表面设置有若干层平行交错排布的折流板。
作为优选，隔板结构下表面还设有一垂直隔板结构表面的折流板。
作为优选，在下分离腔上部且平行于隔板结构的方向设置有若干层平行交错排布的折流板。
作为优选，下分离腔内部下表面上设置一高于下水管下表面的凸台，凸台包括下管凸台和上管凸台，下管凸台和上管凸台与下水管配合形成溶液密封。
作为优选，下水管上表面高于隔板结构上表面1cm-2cm。
作为优选，下水管下表面距下分离腔下表面1cm-2cm。
作为优选，所述隔板结构由耐腐蚀金属材料制成，隔板结构外侧设有散热片。
作为优选，连接气体出口与气体入口的管路为橡胶软管，橡胶软管最高点高于下水管上表面。
本实用新型具有的有益效果是：
1、CO2分离：电堆阳极溶液从出来后回到下分离腔，从下分离腔顶部排出，在下分离腔设有折流板，以此来增加CO2气体的行程，这样能够充分利用下分离腔的空间，使CO2分离理干净彻底；
2、气液分离设计：在本方案的气液分离中，采用了重力分离和折流挡板相结合的方式。重力分离利用气液重力差，分离腔使气流速度降低，气流中细微的液滴下沉与气体分离。折流板使气流在折流板处速度发生突变，液滴与折流板撞击后聚集在折流板上，以此方式来分离。
附图说明
图1是直接甲醇燃料电池DMFC的工作原理图；
图2是本实用新型的正视图；
图3是本实用新型的剖视图；
图4是本实用新型另一角度的剖视图；
图中：1、上分离腔，2、下分离腔，3、隔板结构，4、排气口，5、阴极气液混合物进口，6、折流板，61、第一折流板，62、第二折流板，63、第三折流板，64、第四折流板，65、第五折流板，7、气体入口，8、阳极气液混合物进口，9、气体出口，10、燃料进料口，11、溶液出口，12、下水管，13、凸台，131、下管凸台，132、上管凸台，14、橡胶软管
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的说明。
如图2-4所示，本实用新型一种用于直接液体燃料电池的气液分离器，包括上分离腔1和下分离腔2两个腔体，腔体之间由一隔板结构3隔开，隔板结构3上设有一下水管12，连通上分离腔1和下分离腔2；上分离腔1上端设有排气口4和与电堆阴极冷凝器出口管路连接的阴极气液混合物进口5，上分离腔1和下分离腔2内均设有若干折流板6；
隔板结构3侧面上设有气体入口7和与电堆阳极出口管路连接的阳极气液混合物进口8；隔板结构3上还设有用于将下分离腔2分离出的气体排出的气体出口9，气体出口9与气体入口7通过管路相连接，气体入口7经隔板结构3内部的通道与上分离腔1连通；
下分离腔2侧面上设置有与燃料罐相连接的燃料进料口10和与电堆阳极入口管路连接的溶液出口11。
设在上分离腔1内的折流板6包括垂直于上分离腔1上表面设置的一垂直折流板6、在排气口4下端并平行于上分离腔1上表面设置有若干层平行交错排布的折流板6。
隔板结构3下表面还设有一垂直隔板结构3表面的折流板6。
在下分离腔2上部且平行于隔板结构3的方向设置有若干层平行交错排布的折流板6。
下分离腔2内部下表面上设置一高于下水管12下表面的凸台13，凸台13包括下管凸台131和上管凸台132，下管凸台131和上管凸台132与下水管12配合形成溶液密封。
下水管12上表面高于隔板结构3上表面1cm-2cm。
下水管12下表面距下分离腔2下表面1cm-2cm。
所述隔板结构3由耐腐蚀金属材料制成，隔板结构3外侧设有散热片(图中未示出)。
本实施例中，折流板6包括第一折流板61、第二折流板62、第三折流板63、第四折流板64、第五折流板65，在排气口4下端并平行于上分离腔1上表面设置有若干层平行交错排布的折流板6包括第一折流板61和第二折流板62，垂直于上分离腔1上表面设置的一垂直折流板6为第三折流板63，在下分离腔2上部且平行于隔板结构3的方向设置有若干层平行交错排布的折流板6为第四折流板64，隔板结构3下表面还设有一垂直隔板结构3表面的折流板6为第五折流板65。
下分离腔2中有第四折流板64、下水管12、下管凸台131。下分离腔2主要有两个作用，一是储存溶液，二是对来自电堆阳极溶液中CO2进行分离，CO2在储液腔液面以上以重力分离方式分离，分离后CO2途径橡胶软管进入上分离腔1；第四折流板64增加了CO2的行程，有利于CO2的分离；下水管12与下管凸台131配合形成溶液密封，能够有效阻止水蒸气上升，减少热量流向上分离腔1，有利于冷凝水回收。
在上分离腔中对所有气体进行分离，上分离腔中有第一折流板61、第二折流板62、第三折流板63及上管凸台132，正常工作时上分离腔1中会形成与上管凸台132齐平的液面。来自电堆阴极的气液混合物从上分离腔顶部流入，气流下行绕过第三折流板63，再途径第二折流板62和第一折流板61排出，在流动的过程中，气液混合物依次与液面、第二折流板62、第一折流板61碰撞，液滴碰撞后大部分会聚集在碰撞面上，以此促进气液分离。CO2进入冷凝水中，冷凝水吸收CO2气体中携带的甲醇，CO2经第二折流板62和第一折流板61从排气孔排出。
连接隔板结构3表面上的气体出口9与隔板结构3侧面的气体入口7的管路为橡胶软管14，橡胶软管14的最高点高于下水管12上表面。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：包括上分离腔(1)和下分离腔(2)两个腔体，腔体之间由一隔板结构(3)隔开，隔板结构(3)上设有一下水管(12)，连通上分离腔(1)和下分离腔(2)；上分离腔(1)上端设有排气口(4)和与电堆阴极冷凝器出口管路连接的阴极气液混合物进口(5)，上分离腔(1)和下分离腔(2)内均设有若干折流板(6)；
隔板结构(3)侧面上设有气体入口(7)和与电堆阳极出口管路连接的阳极气液混合物进口(8)；隔板结构(3)表面上还设有用于将下分离腔(2)分离出的气体排出的气体出口(9)，气体出口(9)与气体入口(7)通过管路相连接，气体入口(7)经隔板结构(3)与上分离腔(1)连通；
下分离腔(2)侧面上设置有与燃料罐相连接的燃料进料口(10)和与电堆阳极入口管路连接的溶液出口(11)。
2.根据权利要求1所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：设在上分离腔(1)内的折流板(6)包括垂直于上分离腔(1)上表面设置的一垂直折流板(6)、在排气口(4)下端并平行于上分离腔(1)上表面设置有若干层平行交错排布的折流板(6)。
3.根据权利要求1或2所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：隔板结构(3)下表面还设有一垂直隔板结构(3)表面的折流板(6)。
4.根据权利要求3所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：在下分离腔(2)上部且平行于隔板结构(3)的方向设置有若干层平行交错排布的折流板(6)。
5.根据权利要求1或2或4所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：下分离腔(2)内部下表面上设置一高于下水管(12)下表面的凸台(13)，凸台(13)包括下管凸台(131)和上管凸台(132)，下管凸台(131)和上管凸台(132)与下水管(12)配合形成溶液密封。
6.根据权利要求5所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：下水管(12)上表面高于隔板结构(3)上表面1cm-2cm。
7.根据权利要求5所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：下水管(12)下表面距下分离腔(2)下表面1cm-2cm。
8.根据权利要求1或2或4或6或7所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：所述隔板结构(3)由耐腐蚀金属材料制成。
9.根据权利要求8所述的用于直接液体燃料电池的气液分离器，其特征在于：连接隔板结构(3)表面上的气体出口(9)与隔板结构(3)侧面的气体入口(7)的管路为橡胶软管(14)，橡胶软管(14)的最高点高于下水管(12)上表面。
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