專利名稱：用于直接液體供應(yīng)燃料電池的液體－氣體分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體-氣體分離器，其用于將從直接液體供應(yīng)燃料電池(direct liquid feed fuel cell)的陽極排出的二氧化碳和未反應(yīng)的液體燃料分離開來。
背景技術(shù)：
直接液體供應(yīng)燃料電池是一種通過如甲醇或乙醇之類的有機(jī)燃料和如氧之類的氧化劑之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的設(shè)備。由直接液體供應(yīng)燃料電池產(chǎn)生的電具有高的比能量密度和功率密度。另外，由于如甲醇之類的液體燃料被直接供給電池，直接供給燃料電池不需要如燃料重整器之類的外圍裝置，并便于存儲和供給液體燃料。
如圖1所示，直接供給燃料電池具有將電解質(zhì)膜1設(shè)置在陽極2和陰極3之間的結(jié)構(gòu)。陽極2包括用于供給和擴(kuò)散燃料的擴(kuò)散層22、進(jìn)行燃料氧化反應(yīng)的催化劑層21、以及電極支撐層23。陰極3也包括用于供給和擴(kuò)散燃料的擴(kuò)散層32、進(jìn)行還原反應(yīng)的催化劑層31、以及電極支撐層33。產(chǎn)生電極反應(yīng)的催化劑由在低溫下具有優(yōu)異催化性能、如鉑之類的貴金屬構(gòu)成?；蛘撸瑸楸苊獯呋瘎┍浑姌O反應(yīng)的副產(chǎn)物CO毒化，可以使用含有釕、銠、鋨或鎳的過渡金屬合金催化劑。電極支撐層23和33可以由防水碳紙或防水碳纖維制得，以便于供給燃料并釋放反應(yīng)產(chǎn)物。電解質(zhì)膜1是具有離子導(dǎo)電性并含有水分的氫離子交換膜，并且電解質(zhì)膜由厚度為50-200μm的聚合物膜構(gòu)成。
作為直接液體供應(yīng)燃料電池中的一類的直接甲醇燃料電池(DMFC)的電極反應(yīng)包括如下所述的氧化燃料的陽極反應(yīng)和還原氫和氧的陰極反應(yīng)。
(陽極反應(yīng))[反應(yīng)2](陰極反應(yīng)) (總反應(yīng))在氧化燃料(反應(yīng)1)的陽極2上產(chǎn)生二氧化碳、氫離子和電子。所產(chǎn)生的氫離子穿過氫離子交換膜1遷移到陰極3。在陰極3上通過氫離子、從外電路傳輸來的電子和氧之間的還原反應(yīng)(反應(yīng)2)產(chǎn)生水。因此，作為甲醇和氧之間的總的電化學(xué)反應(yīng)(反應(yīng)3)的結(jié)果產(chǎn)生水和二氧化碳。這時，當(dāng)1摩爾甲醇與氧反應(yīng)時產(chǎn)生2摩爾水。
用在燃料電池中的液體燃料不必是純甲醇，而可以是混合有系統(tǒng)中產(chǎn)生的水或已經(jīng)存儲在燃料電池系統(tǒng)中的水的甲醇。當(dāng)使用高濃度的燃料時，由于通過電解質(zhì)膜(氫離子交換膜)的燃料交迭(crossover)，燃料電池的性能大大降低。因此，通常使用稀釋到如0.5到2M(2到8體積百分比)的低濃度甲醇。
圖2A和2B是用于燃料電池的液體-氣體分離器的橫截面圖。用于移動式燃料電池的液體-氣體分離器10的位置不是固定在一個位置。在正常位置(圖2A)，未反應(yīng)的燃料和二氧化碳通過入口11進(jìn)入液體-氣體分離器10。二氧化碳通過形成在液體-氣體分離器主體頂部的孔12被排到空氣中，而未反應(yīng)的燃料通過形成在液體-氣體分離器主體下部的出口13被回收到燃料電池中。
但是，在液體-氣體分離器10的反轉(zhuǎn)位置(圖2B)中，未反應(yīng)的燃料和二氧化碳的出口12和13是反向的。據(jù)此，二氧化碳可能進(jìn)入陽極，而將未反應(yīng)的燃料排到外側(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不必考慮液體-氣體分離器的位置而可將液體燃料和氣體分離開來的液體-氣體分離器，本發(fā)明還提供具有這種液體-氣體分離器的直接液體供應(yīng)燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一方面提供一種液體-氣體分離器，其接收來自直接液體供應(yīng)燃料電池的液體和氣體并且將所述液體和氣體分離開來，該液體-氣體分離器包括空的球形主體；氣體提取膜(gas extraction membrane)，其與形成在主體上的每一開口相連，并可有選擇地從所述主體抽取氣體；形成于主體上并引導(dǎo)所述液體和氣體進(jìn)入主體的入口；形成在主體上并將液體引導(dǎo)到主體外側(cè)的出口；以及具有中空結(jié)構(gòu)的撓性管，該管的一端連接到出口而另一端被浸入在液體燃料中。
可將所述氣體提取膜形成在至少一個對應(yīng)于正多面體頂點(diǎn)的位置上，該正多面體的頂點(diǎn)與主體的外表面接觸。
正多面體可以是正四面體。
所述氣體提取膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)形成。
所述液體-氣體分離器還可以包括安裝在撓性管的所述另一端的配重。
所述配重的比重可以大于1。
撓性管的長度基本上與主體的直徑相同。


通過結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)說明本發(fā)明的所述和其它特點(diǎn)及優(yōu)越性將更加清楚。附圖中圖1是直接液體供應(yīng)燃料電池的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2A和2B是用于燃料電池的液體-氣體分離器的剖視圖；圖3是具有本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器的直接液體供應(yīng)燃料電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(conceptual configuration)示意圖；圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器的剖視圖；圖5是用于解釋本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器工作情況的剖視圖；圖6是用于檢測本發(fā)明中的氣體提取膜的作用的裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將結(jié)合附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式。
圖3是具有本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器的直接液體供應(yīng)燃料電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
參考圖3，直接液體供應(yīng)燃料電池系統(tǒng)包括如燃料電池電池堆190之類的直接液體供應(yīng)燃料電池；液體-氣體分離器100，其在接收到稀釋的未反應(yīng)的液體燃料和作為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的二氧化碳之后，將二氧化碳排向大氣并利用水泵將液體燃料輸送到陽極；將稀釋的液體燃料(甲醇)從燃料箱195輸送到燃料電池電池堆190的水泵192；以及將空氣供給燃料電池電池堆190的風(fēng)機(jī)193。在陰極處產(chǎn)生的水被排到或可循環(huán)到液體-氣體分離器100或燃料箱195。
圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器100的剖視圖。
參考圖4，空的球形主體110包括入口130和面對入口130的出口140。入口130將從直接液體供應(yīng)燃料電池的陽極排放出來的未反應(yīng)的液體燃料以及作為反應(yīng)產(chǎn)物的二氧化碳引進(jìn)主體110。出口140引導(dǎo)液體燃料使之在燃料電池中循環(huán)。在主體110上形成有多個開口112，在每一開口112上安裝有選擇性地抽取氣體的氣體提取膜120。具有中空結(jié)構(gòu)的撓性管150被安裝在主體110中。撓性管150具有連接到出口140的一端以及與主體110中的液體燃料接觸的另一端。附圖標(biāo)記170是支撐主體110的支撐件，并且可以用來將主體固定于燃料電池系統(tǒng)上。
開口112可以形成在至少一個對應(yīng)于如與主體110外表面接觸的正四面體之類的正多面體的頂點(diǎn)的位置處。在這種結(jié)構(gòu)中，即使液體-氣體分離器被轉(zhuǎn)動，至少一個對應(yīng)于所述頂點(diǎn)的開口112在任何時候都不會被主體110中的液體燃料所覆蓋。因此，通過與液體燃料分開的氣體提取膜120可抽取主體110中的氣體。
氣體提取膜120可以由如聚四氟乙烯(PTFE，商用名稱為特富龍)之類的疏水多孔材料形成。氣體提取膜120可以通過擠壓具有如多孔布之類的孔強(qiáng)化部件(未示出)的PTFE而成形。氣體提取膜120可防止主體110中的液體燃料排出并可將二氧化碳?xì)怏w排空(exhaustion)。
撓性管150可由橡膠制成，并且可以具有大約等于主體110直徑的長度。具有比重大于1的配重160安裝在撓性管150的所述另一端。進(jìn)入主體110的液體主要是水，而甲醇的比重是0.79。因此，進(jìn)入主體110的液體的比重小于1。據(jù)此，撓性管150的所述另一端借助于配重160而被浸入液體燃料中。
圖5是用于解釋本發(fā)明一實(shí)施方式的液體-氣體分離器工作情況的剖視圖。
參考圖5，當(dāng)液體-氣體分離器100傾斜并且部分主體110被充以從燃料電池流進(jìn)的液體時，至少一個開口112未被液體覆蓋。因此，通過在主體110中的氣壓增加時不與液體接觸的氣體提取膜120將來自燃料電池的二氧化碳和水蒸氣朝外側(cè)排空。同時，撓性管150的端部因配重160沉入到主體110的最低位置，液體燃料流過撓性管150并借助于水泵191的運(yùn)轉(zhuǎn)被輸送到連接于出口140的陽極(參考圖3)。
圖6是用于檢測本發(fā)明中的氣體提取膜120的工作情況的裝置的剖視圖。參考圖6，具有尺寸為3mm×3mm的矩形開口212形成在容器210的下部，由疏水性PTFE(特富龍)制成的氣體提取膜220連接于開口部分212之下。容器210充滿濃度為1M的甲醇，并且利用加熱器(未示出)使甲醇維持在80℃。作為檢測結(jié)果，甲醇沒有被形成在開口212下面的氣體提取膜220抽取。
正如上面所述，本發(fā)明的液體-氣體分離器不必考慮具有液體-氣體分離器的移動式直接液體供應(yīng)燃料電池位置的改變而可將液體和氣體分開。因此，具有這種液體-氣體分離器的直接液體供應(yīng)燃料電池能很好地工作而不必考慮液體-氣體分離器的位置。
上面雖已參照一些示例性實(shí)施方式具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可認(rèn)識到，在不超出權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的構(gòu)思和保護(hù)范圍的前提下，可對本發(fā)明作出各種形式和細(xì)節(jié)上的變換。
權(quán)利要求
1.一種接收來自直接液體供應(yīng)燃料電池的液體和氣體并將所述液體和氣體分離開的液體-氣體分離器，其包括空的球形主體；多個氣體提取膜，它們與形成于所述主體上的開口相連，并且有選擇地從所述主體抽取氣體；形成于所述主體上并引導(dǎo)所述液體和氣體進(jìn)入所述主體的入口；形成于所述主體上并將液體引導(dǎo)到所述主體外側(cè)的出口；及具有中空結(jié)構(gòu)的撓性管，其一端連接到所述出口，而另一端與所述主體中的液體燃料接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的液體-氣體分離器，其中，所述氣體提取膜形成在至少一個對應(yīng)于與所述主體外表面接觸的正多面體的頂點(diǎn)的位置上。
3.如權(quán)利要求2所述的液體-氣體分離器，其中，所述正多面體是正四面體。
4.如權(quán)利要求1所述的液體-氣體分離器，其中，所述氣體提取膜由聚四氟乙烯(PTFE)形成。
5.如權(quán)利要求4所述的液體-氣體分離器，其中，所述氣體提取膜通過擠壓具有孔強(qiáng)化部件的PTFE形成。
6.如權(quán)利要求1所述的液體-氣體分離器，其中，還包括安裝在所述撓性管的所述另一端的配重。
7.如權(quán)利要求1所述的液體-氣體分離器，其中，所述配重的比重大于1。
8.如權(quán)利要求6所述的液體-氣體分離器，其中，所述撓性管的長度基本上與所述主體的直徑相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接液體供應(yīng)燃料電池的液體－氣體分離器，其包括空的球形主體；氣體提取膜，其與形成在主體處的每一開口相連，并可有選擇地從所述主體抽取氣體；形成于主體上并引導(dǎo)所述液體和氣體進(jìn)入主體的入口；形成在主體上并將液體引導(dǎo)到主體外側(cè)的出口；以及具有中空結(jié)構(gòu)的撓性管，該管的一端連接到出口而另一端被浸入液體燃料中。本發(fā)明的液體－氣體分離器不必考慮具有液體－氣體分離器的移動式直接液體供應(yīng)燃料電池位置的改變而可將液體和氣體分開。
文檔編號H01M8/00GK1893159SQ20061007719
公開日2007年1月10日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者羅小兵, 姜尚均, 承度泳 申請人:三星Sdi株式會社