一種微型燃料電池系統(tǒng)用氣液分離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣液分離器，尤其是一種用于微型燃料電池系統(tǒng)的氣液分離器，其用于同時(shí)分離電堆陰、陽(yáng)極排出物中的氣體和液體，并將分離出的液態(tài)混合物收集于同一分離腔內(nèi)，液態(tài)混合物與純?nèi)剂?高濃度燃料)適當(dāng)混合后可用作電堆陽(yáng)極的反應(yīng)燃料。
【背景技術(shù)】
[0002]以液體為燃料的微型燃料電池系統(tǒng)通常是將液體燃料(如甲醇、乙醇、甲醇、二甲醚等)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)反應(yīng)裝置。由于該電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)避免了燃料重整及凈化等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且燃料存儲(chǔ)和攜帶方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在便攜式移動(dòng)電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]直接甲醇燃料電池(DMFC)是目前以液體燃料進(jìn)料的燃料電池中研究最為廣泛的一種，其工作原理如圖1所示。在DMFC工作過程中，燃料(甲醇水溶液)沿陽(yáng)極極板的流場(chǎng)通道，經(jīng)擴(kuò)散層進(jìn)入催化層，在陽(yáng)極電催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，生成CO2、質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)膜傳遞至陰極區(qū)，電子通過外電路做功進(jìn)入陰極區(qū)，與到達(dá)陰極催化層的氧氣在電催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成水。作為便攜式移動(dòng)電源的一種，DMFC系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具有效率高、體積小、重量輕、集成度高、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。為滿足系統(tǒng)體積小、重量輕的特點(diǎn)，DMFC系統(tǒng)通常采用純甲醇進(jìn)料，但甲醇進(jìn)料濃度過高會(huì)造成甲醇滲透嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電池性能下降，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)效率的提高。為解決這一問題，一方面可以對(duì)DMFC陰極反應(yīng)生成的水進(jìn)行回收并用于稀釋陽(yáng)極的純甲醇溶液，這就需要將DMFC陰極排出物中的液態(tài)水和空氣(除去已反應(yīng)氧氣)進(jìn)行分離，同時(shí)將液態(tài)水引入甲醇進(jìn)料罐中，另一方面要同時(shí)對(duì)陽(yáng)極排出物中的液態(tài)混合物進(jìn)行回收，使未參加反應(yīng)的甲醇溶液能夠循環(huán)利用，以滿足系統(tǒng)在僅攜帶一定量純甲醇的條件下盡可能長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要將DMFC陽(yáng)極排出物中的CO2氣體從液態(tài)混合物中分離出去。
[0004]目前，應(yīng)用于直接液體供料燃料電池系統(tǒng)的氣液分離器通常由與電堆陰極側(cè)冷凝器相連接的水/空氣分離器和與電堆陽(yáng)極出口相連的CO2分離器兩部分組成。其分離出來的液態(tài)混合物和水經(jīng)連接管通入到燃料進(jìn)料罐中，與加入的純?nèi)剂?高濃度燃料)混合均勻后作為燃料電池反應(yīng)所需的燃料供給電堆陽(yáng)極。這種結(jié)構(gòu)的氣液分離器在系統(tǒng)中占用的空間較大，集成度不高，需另外的容器作為燃料進(jìn)料罐，不利于系統(tǒng)總效率的提高。同時(shí)，由于微型燃料電池系統(tǒng)再便攜式電源領(lǐng)域的應(yīng)用前景，其對(duì)燃料電池系統(tǒng)的重量、體積要求嚴(yán)格，因此，在狹小的體積空間內(nèi)解決氣液分離的問題是目前氣液分離器研發(fā)及應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)。
[0005]另一方面，傳統(tǒng)的直接液體供料燃料電池系統(tǒng)用氣液分離器都對(duì)方向具有一定的敏感性，即只能在某一固定的方向上正常運(yùn)行。當(dāng)其放置的方向發(fā)生改變時(shí)，該分離器不僅對(duì)氣液分離不起作用，同時(shí)也會(huì)造成液體從氣體排出通道泄露及氣體進(jìn)入燃料混合罐的現(xiàn)象，從而影響燃料電池系統(tǒng)的正常工作。因此，氣液分離器方向敏感性的問題是目前影響直接液體供料燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要問題。
[0006]本發(fā)明主要致力于在微型燃料電池系統(tǒng)的狹小空間內(nèi)解決氣液分離器在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的傾倒等情況下仍可以正常工作的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種微型燃料電池系統(tǒng)用氣液分離器，該氣液分離器集空氣/水分離與CO2分離為一體，將陽(yáng)極側(cè)未反應(yīng)的燃料混合液與陰極側(cè)反應(yīng)生成的水回收到同一個(gè)分離腔內(nèi)，用于與純?nèi)剂?高濃度燃料)混合并最終得到適合于直接液體供料燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一定濃度的燃料混合液，同時(shí)該氣液分離器在狹小空間內(nèi)，傾倒等情況下仍可以正常工作的問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種用于直接液體進(jìn)料燃料電池系統(tǒng)的氣液分離器，從上到下依次包括空氣/水分離腔和CO2/燃料混合液分離腔，空氣/水分離腔和CO2/燃料混合液分離腔通過管路連接在一起;
[0010]空氣/水分離腔的側(cè)壁上設(shè)置有氣液混合物進(jìn)口，其與電堆陰極冷凝器出口相連，用于分離液態(tài)水和空氣，在腔體內(nèi)部靠近氣液混合物進(jìn)口處設(shè)置有螺旋型分離棒，在空氣/水分離腔腔體的上部壁面上設(shè)置有氣體排出口，氣體排出口上覆蓋或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料；
[0011 ] CO2/燃料混合液分離腔的底部或側(cè)壁上設(shè)置有氣液混合物入口、與純?nèi)剂匣蚋邼舛热剂线M(jìn)料泵相連接的燃料進(jìn)口 ；氣液混合物入口與電堆陽(yáng)極出口管路相連，用于分離未反應(yīng)的燃料混合液和CO2氣體；
[0012]CO2/燃料混合液分離腔的腔體為幾何中心對(duì)稱的多面體或球體，腔體內(nèi)部設(shè)置有液位傳感器，液位傳感器的探頭位于腔體的幾何中心；co2/燃料混合液分離腔的底部設(shè)置有與電堆陽(yáng)極進(jìn)口管路相連接的燃料混合液出口，于燃料混合液出口處設(shè)有一剛性導(dǎo)管，剛性導(dǎo)管外部穿套有軸承，軸承的外軸套固定于腔體底部壁面上，剛性導(dǎo)管一端與燃料混合液出口連通，另一端接有一剛性分支導(dǎo)管，剛性分支導(dǎo)管一端與剛性導(dǎo)管相連，剛性分支導(dǎo)管的另一端管口端處設(shè)置有配重；剛性分支導(dǎo)管和剛性導(dǎo)管的連接處位于腔體的幾何中心所在水平面的下方。
[0013]所述剛性分支導(dǎo)管和剛性導(dǎo)管的軸線間的夾角為15-90度。
[0014]所述CO2/燃料混合液分離腔外腔和空氣/水分離腔均為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。
[0015]所述燃料混合液出口經(jīng)液泵通過管路與電池或電堆的陽(yáng)極入口連接。
[0016]在所述液泵入口管路上可設(shè)置有純甲醇或高濃度甲醇進(jìn)料接口。
[0017]所述剛性分支導(dǎo)管和剛性導(dǎo)管采用耐腐蝕的材料制成；所述軸承和配重由耐腐蝕材料制成。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述氣液分離器應(yīng)用在微型燃料電池系統(tǒng)，特別是體積受限的便攜式燃料電池系統(tǒng)中時(shí)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和積極的效果。該系統(tǒng)中通過設(shè)置于混合液出口的外部穿套有軸承的剛性導(dǎo)管、及與一端其相連的管口設(shè)置有配重的剛性分支管，實(shí)現(xiàn)了狹小空間內(nèi)，在除倒置以外的所有角度范圍內(nèi)，氣液分離器的正常工作。采用剛性管代替軟管避免了小空間范圍內(nèi)任意角度功能不易實(shí)現(xiàn)的問題。同時(shí)，本發(fā)明所述氣液分離器集燃料電池系統(tǒng)中空氣/水分離、CO2分離、陰極水回收、陽(yáng)極燃料混合液回收及純?nèi)剂?高濃度燃料)補(bǔ)給等多項(xiàng)功能于一體，不僅可以將直接液體供料燃料電池系統(tǒng)中陰極側(cè)空氣(不包含消耗掉的氧氣)/液態(tài)水的分離與陽(yáng)極側(cè)CO2氣體/未反應(yīng)燃料溶液的分離一體化，同時(shí)還可以將陰極水的回收利用與陽(yáng)極燃料進(jìn)料溶液的混合集成到上述氣液分離器當(dāng)中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成度，縮小系統(tǒng)的體積，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。上述兩個(gè)方面的有點(diǎn)同時(shí)為便攜式燃料電池的應(yīng)用提供了幫助。
【附圖說明】
[0019]圖1直接甲醇燃料電池(DMFC)工作原理圖；
[0020]圖2本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)的流程示意圖；
[0021]圖3本發(fā)明一實(shí)施方式的氣液分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不意圖；
[0022]圖4本發(fā)明一實(shí)施方式的氣液分離器的立體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部示意圖。
[0023]圖中:1為陽(yáng)極擴(kuò)散層；2為陽(yáng)極催化層；3為質(zhì)子交換膜；4為陰極催化層；5為陰極擴(kuò)散層；6為燃料電池電堆陰極空氣入口 ；7為燃料電池電堆