一种微型燃料电池系统用气液分离器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气液分离器，尤其是一种用于微型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】
[0002]以液体为燃料的微型燃料电池系统通常是将液体燃料(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。由于该电化学反应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。
[0003]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。
[0004]目前，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。同时，由于微型燃料电池系统再便携式电源领域的应用前景，其对燃料电池系统的重量、体积要求严格，因此，在狭小的体积空间内解决气液分离的问题是目前气液分离器研发及应用的一个难点。
[0005]另一方面，传统的直接液体供料燃料电池系统用气液分离器都对方向具有一定的敏感性，即只能在某一固定的方向上正常运行。当其放置的方向发生改变时，该分离器不仅对气液分离不起作用，同时也会造成液体从气体排出通道泄露及气体进入燃料混合罐的现象，从而影响燃料电池系统的正常工作。因此，气液分离器方向敏感性的问题是目前影响直接液体供料燃料电池系统应用的一个重要问题。
[0006]本发明主要致力于在微型燃料电池系统的狭小空间内解决气液分离器在实际应用中可能出现的倾倒等情况下仍可以正常工作的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种微型燃料电池系统用气液分离器，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，同时该气液分离器在狭小空间内，倾倒等情况下仍可以正常工作的问题。
[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0009]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/水分离腔和CO2/燃料混合液分离腔，空气/水分离腔和CO2/燃料混合液分离腔通过管路连接在一起;
[0010]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，在腔体内部靠近气液混合物进口处设置有螺旋型分离棒，在空气/水分离腔腔体的上部壁面上设置有气体排出口，气体排出口上覆盖或封堵憎水性膜或憎水性多孔材料；
[0011 ] 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 ；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；
[0012]CO2/燃料混合液分离腔的腔体为几何中心对称的多面体或球体，腔体内部设置有液位传感器，液位传感器的探头位于腔体的几何中心；co2/燃料混合液分离腔的底部设置有与电堆阳极进口管路相连接的燃料混合液出口，于燃料混合液出口处设有一刚性导管，刚性导管外部穿套有轴承，轴承的外轴套固定于腔体底部壁面上，刚性导管一端与燃料混合液出口连通，另一端接有一刚性分支导管，刚性分支导管一端与刚性导管相连，刚性分支导管的另一端管口端处设置有配重；刚性分支导管和刚性导管的连接处位于腔体的几何中心所在水平面的下方。
[0013]所述刚性分支导管和刚性导管的轴线间的夹角为15-90度。
[0014]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结构。
[0015]所述燃料混合液出口经液泵通过管路与电池或电堆的阳极入口连接。
[0016]在所述液泵入口管路上可设置有纯甲醇或高浓度甲醇进料接口。
[0017]所述刚性分支导管和刚性导管采用耐腐蚀的材料制成；所述轴承和配重由耐腐蚀材料制成。
[0018]与现有技术相比，本发明所述气液分离器应用在微型燃料电池系统，特别是体积受限的便携式燃料电池系统中时具有显著的优点和积极的效果。该系统中通过设置于混合液出口的外部穿套有轴承的刚性导管、及与一端其相连的管口设置有配重的刚性分支管，实现了狭小空间内，在除倒置以外的所有角度范围内，气液分离器的正常工作。采用刚性管代替软管避免了小空间范围内任意角度功能不易实现的问题。同时，本发明所述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。上述两个方面的有点同时为便携式燃料电池的应用提供了帮助。
【附图说明】
[0019]图1直接甲醇燃料电池(DMFC)工作原理图；
[0020]图2本发明所涉及的燃料电池系统的流程示意图；
[0021]图3本发明一实施方式的气液分离器的内部结构不意图；
[0022]图4本发明一实施方式的气液分离器的立体结构的内部示意图。
[0023]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