一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器的制作方法

本发明涉及一种气液分离器，尤其是一种用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器，其用于同时分离电堆阴、阳极排出物中的气体和液体，并将分离出的液态混合物收集于同一分离腔内，液态混合物与纯燃料(高浓度燃料)适当混合后可用作电堆阳极的反应燃料。

背景技术：

直接液体燃料电池是将液体燃料(如甲醇、乙醇、甲醇、二甲醚等)中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。由于直接液体燃料电池系统避免了燃料重整及净化等复杂的结构，且燃料存储和携带方便，系统结构相对简单，在便携式移动电源领域具有广阔的应用前景。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是目前以液体燃料进料的燃料电池中研究最为广泛的一种，其工作原理如图1所示。在DMFC工作过程中，燃料(甲醇水溶液)沿阳极极板的流场通道，经扩散层进入催化层，在阳极电催化剂的作用下发生电化学氧化反应，生成CO₂、质子和电子，质子通过电解质膜传递至阴极区，电子通过外电路做功进入阴极区，与到达阴极催化层的氧气在电催化剂的作用下发生电化学还原反应生成水。作为便携式移动电源的一种，DMFC系统应同时具有效率高、体积小、重量轻、集成度高、可操作性强等特点。为满足系统体积小、重量轻的特点，DMFC系统通常采用纯甲醇进料，但甲醇进料浓度过高会造成甲醇渗透严重，从而导致电池性能下降，不利于系统的稳定运行和系统效率的提高。为解决这一问题，一方面可以对DMFC阴极反应生成的水进行回收并用于稀释阳极的纯甲醇溶液，这就需要将DMFC阴极排出物中的液态水和空气(除去已反应氧气)进行分离，同时将液态水引入甲醇进料罐中，另一方面要同时对阳极排出物中的液态混合物进行回收，使未参加反应的甲醇溶液能够循环利用，以满足系统在仅携带一定量纯甲醇的条件下尽可能长时间的稳定运行，这就需要将DMFC阳极排出物中的CO₂气体从液态混合物中分离出去。

通常，应用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器通常由与电堆阴极侧冷凝器相连接的水/空气分离器和与电堆阳极出口相连的CO₂分离器两部分组成。其分离出来的液态混合物和水经连接管通入到燃料进料罐中，与加入的纯燃料(高浓度燃料)混合均匀后作为燃料电池反应所需的燃料供给电堆阳极。这种结构的气液分离器在系统中占用的空间较大，集成度不高，需另外的容器作为燃料进料罐，不利于系统总效率的提高。

中国专利200910013296.X，将直接液体供料燃料电池系统中与电堆阴极冷凝器出口和电堆阳极出口分别相连的两个气液分离器集成为一体，并 在空气/水分离腔设置有螺旋分离棒，试图通过旋转流动提高气液分离效率。该发明虽然具有一定效果，但是该设计使气液混合物经过旋转分离棒周围空间相对开放，难以使全部气液混合物通过旋转分离，气液分离效果增强有限。

本发明在此基础上，致力于增强旋转分离作用，提高气液分离效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直接液体供料燃料电池用气液分离器，该气液分离器集空气/水分离与CO₂分离为一体，将阳极侧未反应的燃料混合液与阴极侧反应生成的水回收到同一个分离腔内，用于与纯燃料(高浓度燃料)混合并最终得到适合于直接液体供料燃料电池系统稳定运行的一定浓度的燃料混合液。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，从上到下依次包括空气/水分离腔、多孔隔板和CO₂/燃料混合液分离腔，多孔隔板将空气/水分离腔和CO₂/燃料混合液分离腔分隔开来，并通过其上设置的孔道将两腔联通；

空气/水分离腔的侧壁上设置有气液混合物进口，其与电堆阴极冷凝器出口相连，用于分离液态水和空气(不包括反应消耗掉的氧气)，在腔体内部设置有螺旋分离器气液混合物进口相连，螺旋分离器内部设置有气体排出通道直通空气/水分离腔上壁并与环境相通，气体排出口上可覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料；

CO₂/燃料混合液分离腔的底部或侧壁上设置有气液混合物入口、与纯燃料或高浓度燃料进料泵相连接的燃料进口以及与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，气液混合物入口与电堆阳极出口管路相连，用于分离未反应的燃料混合液和CO₂气体；于内腔中设置有液位传感器，液位传感器的探头位于CO₂/燃料混合液分离腔1/2高度所在平面以下；

隔板上开设置有孔道作为气体或液体传输的通道，所开设的孔上覆盖或封堵有憎水性膜或憎水性多孔材料；

上述气液分离器，所述空气/水分离腔中的螺旋分离器旋转轴向与气液混合物进口的流体流动方向相垂直。

上所述气液分离器，所述CO₂/燃料混合液分离腔外腔和空气/水分离腔均为长方体或圆柱体结构。

上述气液分离器，所述憎水性膜或憎水性多孔材料为憎水PTFE薄膜、超憎水聚丙烯中空纤维膜、憎水处理的碳纸或憎水处理的碳布，其中憎水性膜或憎水性多孔材料的孔径为0.1um～1um。

本发明气液分离器应用在直接液体供料燃料电池系统中时具有显著的优点和积极的效果。该气液分离器集燃料电池系统中空气/水分离、CO₂分离、阴极水回收、阳极燃料混合液回收及纯燃料(高浓度燃料)补给等多 项功能于一体，不仅可以将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气(不包含消耗掉的氧气)/液态水的分离与阳极侧CO₂气体/未反应燃料溶液的分离一体化，同时还可以将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到上述气液分离器当中，增强了系统的集成度，缩小系统的体积，简化了系统的结构。

附图说明

图1直接甲醇燃料电池(DMFC)工作原理图；

图2本发明所涉及的燃料电池系统的流程示意图；

图3本发明一实施方式的气液分离器的内部结构示意图；

图中：1为阳极扩散层；2为阳极催化层；3为质子交换膜；4为阴极催化层；5为阴极扩散层；6为燃料电池电堆阴极空气入口；7为燃料电池电堆阳极；8为燃料电池电堆阴极；9为燃料电池系统气液分离器；10为燃料电池系统换热器；11为风扇；12为燃料电池系统气液分离器的纯甲醇入口；13为气体排出口；14为甲醇溶液排出口；15为气液混合物入口；16为螺旋分离器；17为与电堆阳极相连的燃料混合液出口；18为多孔隔板；19为孔道；20为液位传感器；21为空气/水分离腔；22为CO₂/燃料混合液分离腔。

具体实施方式

本发明所述一种直接液体供料燃料电池用气分离器包括空气/水分离腔和CO₂/燃料混合液分离腔两个腔体。

空气/水分离腔与电堆阴极冷凝器出口相连，用于分离液态水和空气，其腔体为圆柱体结构，侧壁上有与电堆阴极冷凝器出口相连接的气液混合物进口，腔体内设置有螺旋型分离器，螺旋型分离器中央设置有气体排出通道，上部设置有气体排出口；

CO₂/燃料混合液分离腔与电堆阳极出口相连，用于分离未反应的燃料混合液和CO₂气体，其腔体为圆柱体结构，侧壁上具有与电堆阳极出口管路相连接的气液混合物进口、与纯燃料(高浓度燃料)进料泵相连接的纯燃料进口以及与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，腔内设置有液位传感器，液位传感器的探头位于CO₂/燃料混合液分离腔1/2高度所在平面以下；

隔板将空气/水分离腔和CO₂/燃料混合液分离腔分隔开来，隔板中央连接液体流通的圆管，隔板与圆管接口处的四周设置有圆孔用作气体传输通道。

上述空气/水分离腔中的螺旋分离器的轴向与气液混合物进口方向垂直，当由气液混合物进入螺旋分离器后进行旋转流动，从而使气液混合物在重力和离心力的作用下进行分离，有利于气液分离效率的提高。

分离的液体主要通过上述隔板中央的圆管流向CO₂/燃料混合液分离腔，CO₂/燃料混合液分离腔内的气体通过圆管四周的圆孔进入空气/水分离 腔进而排出气液分离器。

上述CO₂/燃料混合液分离腔设置有纯燃料(高浓度燃料)入口，可以在外部控制电路的控制下实现纯燃料(高浓度燃料)的补充。

上述空气/水分离腔上部、隔板的开口处设置的憎水性膜或憎水性多孔材料，可以是憎水PTFE薄膜、憎水处理的碳纸或碳布、超憎水聚丙烯中空纤维膜等，其中憎水性膜或憎水性多孔材料的孔径为0.1um～1um。

上述气液分离器，其正常运行时的气液分离过程为：

经系统中冷凝器出口流入到空气/水分离腔中的气液混合物，在螺旋分离器的作用下，完成气液分离，分离出的气态物质经气体排通道、气体排出口排出到系统外，液态水在重力的作用下经隔板中央圆管流入CO₂/燃料混合液分离腔中；

经系统中电堆阳极出口流入到CO₂/燃料混合液分离腔内腔中的气液混合物，其中的CO₂气体经隔板上圆孔排出到空气/水分离腔中，进入空气/水分离腔的CO₂气体与经空气/水分离腔分离出的气体一起经空气/水分离腔中的气体排出口排出到系统外；其中的燃料混合液与流入到CO₂/燃料混合液分离腔中的液态水及经纯燃料(高浓度燃料)进口通入的纯燃料(高浓度燃料)均匀混合后，经出口管通过微型泵循环供给电堆阳极。

分别将本发明和中国专利200910013296.X的气液分离器用于DMFC系统中，测试结果表明，室温条件下，在CO₂/燃料混合液分离腔内低液位和高液位对应溶液体积相同时，采用原结构气液分离器，系统内溶液达到高液位所用的时间约为5小时，采用本发明结构气液分离器，系统内溶液量达到高液位所用的时间为3小时。

本发明与现有技术相比，集成度高、结构紧凑，适用于直接液体供料燃料电池系统。