分離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明在一個(gè)方面涉及用于分離泡沫的氣相和液相的分離器，并在另一方面涉及減泡設(shè)備。所述分離器包括第一側(cè)和第二側(cè)并在其中設(shè)置有用于允許泡沫或泡沫相從第一側(cè)傳送至第二側(cè)的通流裝置，所述分離器還包括至少一個(gè)具有低表面能的泡沫接觸表面和用于從泡沫回收至少一種被分離的泡沫相的裝置。所述減泡設(shè)備包括低表面能材料和用于在所述泡沫輸入所述減泡設(shè)備時(shí)沿著所述低表面能材料的表面接觸所述泡沫的裝置。所述分離器和所述減泡設(shè)備可以獨(dú)立使用或組合使用，以良好實(shí)現(xiàn)更高效地破裂泡沫，提供分離的氣相和液相。
【專利說明】分離器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總地涉及分離器裝置以及分離氣體和液體的方法，特別是，涉及分離器和用于分離泡沫的氣相和液相的方法。本發(fā)明尤其用在燃料電池中，但也可以用于必需或期望分離泡沫的氣相和液相的其它用途。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫的液相和氣相的分離是一種深入研究和報(bào)道的研究領(lǐng)域。當(dāng)氣體在處理液體中溶解時(shí)，在工業(yè)過程中出現(xiàn)泡沫。通常，溶解的氣體將表現(xiàn)為處理液體的一部分，但是，氣體能夠以小氣泡形式從溶液逸出，例如，在存在壓力釋放時(shí)。這些氣泡升至液體的表面并以泡沫形式被收集。
[0003]在處理液體中存在泡沫會(huì)導(dǎo)致在工業(yè)過程和其它應(yīng)用中的大量效率和性能問題。例如，泡沫導(dǎo)致降低諸如泵的設(shè)備的效率、減小泵和存儲(chǔ)罐的容積、降低流體的效力以及排放問題(僅略舉幾例)。
[0004]經(jīng)常需要從工業(yè)過程中去除泡沫以避免上述問題。這通常涉及到將泡沫的氣相與液相分離，理想地，這需要快速、高效且最低功耗地完成。
[0005]一種方法是使用機(jī)械分離裝置，例如水回旋分離器(hydro-cyclones)和離心分離器。這些技術(shù)消耗大量的功率，在某些工業(yè)或應(yīng)用中，例如便攜或機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，會(huì)成為問題。另一種可能性是使用螺旋分離器技術(shù)，如在本 申請(qǐng)人:共同待審的專利申請(qǐng)GB1201246.4中描述的，該技術(shù)利用增強(qiáng)的重力來以低功率實(shí)現(xiàn)機(jī)械分離。但是，目前仍存在著在減小的功率下并在更小的物理容積內(nèi)提高分離效率的需求。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，不可能僅僅依賴于機(jī)械分離。
[0006]機(jī)械分離的節(jié)能替代方法是使用消泡劑。消泡劑在液體膜和氣泡的破裂中的作用是公知的，并且可以得到利用。消泡劑在泡沫界面(即，氣相和液相之間的界面)的破裂中的機(jī)制根據(jù)消泡劑的配方和形式而變化。但是，其大致可以由低表面能或疏水表面與液體膜的相互作用來描述。
[0007]通常，消泡劑采取具有低表面能或疏水表面的顆粒形式。這種低表面能表面能夠通過由低表面能或疏水材料形成顆粒或者形成涂覆有該低表面能或疏水材料的顆粒來產(chǎn)生。形成或涂覆該顆粒的此類材料的實(shí)例包括聚四氟乙烯(PTFE)、鹵代有機(jī)聚合物、硅酮聚合物以及烴聚合物，如聚乙烯和聚丙烯。雖然也可以使用其它合適的疏水材料，但是表面能為約20mJ/m2的PTFE是非常有效的疏水材料。
[0008]在含水泡沫膜的界面處的低表面能或疏水顆粒將靜止，使得接觸角滿足楊氏方程，如圖1所示并可以表示為:
[0009]Y SL+ Y lgCOS ( Θ c) = y SG 方程(I)
[0010]其中，Ya、。和Yse分別是固體和液體之間、液體和氣體之間以及固體和氣體之間的界面張力，且Θ。是接觸角。
[0011]泡沫由大量氣泡構(gòu)成。每個(gè)氣泡具有液體膜，該液體膜具有兩個(gè)表面，每個(gè)表面是氣體-液體界面，如圖2A所示。圖2B示出位于液體薄中的消泡劑顆粒。疏水性消泡劑與液體膜形成大于90度的接觸角，如圖2C所示。在膜的兩個(gè)表面處與液體形成大于90度的接觸角，如圖2D所示。由于膜的疏水性，顆粒使膜去濕(de-wet)，并且形成孔，使薄膜破裂，并導(dǎo)致氣泡爆裂。消泡劑顆粒然后在重力作用下下落到下一個(gè)界面處并且過程本身重復(fù)。這是消泡劑如何發(fā)揮作用的大體原理。
[0012]在泡沫是特定過程的期望或必需產(chǎn)品的工業(yè)過程中，例如，在充氣或氧化過程中，通常不能使用上述消泡劑。在這樣的過程中，泡沫是有用的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生與氣體接觸的液體的大表面積，這輔助氣體在液體中的吸收或溶解。消泡劑在此類過程中的存在會(huì)由于它將防止泡沫形成而是不期望的。但是，一旦完成涉及泡沫的特定過程，仍可期望在下一處理步驟之前去除泡沫。因此，需要去除的替代方法。
[0013]用于利用疏水分離表面從氣體流中分離液滴或氣溶膠形式的液體的裝置是已知的。DE10323155A1公開了一種用于從氣體流中去除液滴或氣溶膠形式的液體的分離器，其包括位于分離區(qū)域的分離元件。所述元件由具有疏水和納米結(jié)構(gòu)特性的材料組成。但是，用于利用疏水表面分離泡沫的氣相和液相的裝置是未知的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014]因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于分離泡沫的氣相和液相的分離器，所述分離器包括第一側(cè)和第二側(cè)，并在其中設(shè)置有用于允許泡沫或泡沫相從所述第一側(cè)傳送至所述第二側(cè)的通流裝置，所述分離器還包括至少一個(gè)具有低表面能的泡沫接觸表面，以及用于從所述泡沫中回收至少一種被分離的泡沫相的裝置。
[0015]應(yīng)容易理解到，術(shù)語“泡沫”涵括泡(froth)并能夠是精細(xì)的(具有小氣泡)或粗糙的(具有較大氣泡)或者是具有不同尺寸氣泡的泡沫的組合。
[0016]優(yōu)選地，所述分離器包括用于從泡沫中回收至少一種液體相的裝置，更優(yōu)選地，包括從泡沫中回收至少一種液相和氣相的裝置。
[0017]通常，本發(fā)明的分離器設(shè)置成產(chǎn)生包含至少一種可利用且可再利用組分的泡沫的工業(yè)單元的一部分或者與所述工業(yè)單元成協(xié)同關(guān)系，設(shè)置有用于將泡沫從工業(yè)單元供給至所述分離器的裝置，以及用于回收所述至少一種可利用且可再利用組分并將其供給至所述工業(yè)單元或可供選擇的工業(yè)單元的裝置。
[0018]在本文中,在材料或表面方面,對(duì)低表面能的提及應(yīng)表不疏水的，反之亦然。低表面能優(yōu)選表示小于約40mJ/m2、更優(yōu)選小于約30mJ/m2且甚至更優(yōu)選小于約25mJ/m2的能量。
[0019]所述至少一個(gè)泡沫接觸表面優(yōu)選由一種或多種疏水聚合物材料形成。這種材料例如可以選自聚烯烴、聚苯乙烯、聚乙烯化合物(polyvinyls)、聚鹵代乙烯、聚偏二鹵代乙烯、多鹵代烯烴、聚(甲基)丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氧化烯烴、聚酯和PEEK。
[0020]更優(yōu)選地，所述一種或多種疏水聚合物材料可以選自:直鏈或支鏈聚乙烯-直鏈全同立構(gòu)聚丙烯、聚異丁烯、聚苯乙烯、聚甲基苯乙烯、聚乙烯基甲苯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸異丁酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚環(huán)氧乙烷、聚四亞甲基氧化物、聚四氫呋喃、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺-6，6、聚酰胺-12、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯和聚醚醚酮。特別地，所述一種或多種疏水聚合物材料可以選自表1，表I還列出疏水聚合物材料各自的表面能。
[0021]表I
[0022]
聚合物I表面能[mj/m2]~
聚氨酯391
聚氟乙烯(PVF)38Γ6
尼龍123K2
聚乙酸乙烯酯(PVA)3?1
聚丙烯酸乙酯(ΡΕΑ)
聚甲基丙烯酸乙酯(ΡΕΜΑ)~ 35Γ9
聚乙烯(PE)34?2
聚丙酸乙烯酯34Γ0
聚異丁烯33.6
聚四氫呋喃(PTHF)ΗΓ9
聚四亞甲基氧化物ΗΓ9
聚丁酸乙烯酯
聚十六烷酸乙烯酯309
聚丙烯酸-2-乙基己酯3θ?
聚丙烯(PP)30Γ?
聚甲基丙烯酸己酯300
聚十二烷酸乙烯酯29Π
聚癸酸乙烯酯28:9
[0023]
聚己酸乙烯酯[2879
聚辛酸乙烯酯28^7
聚三氟乙烯[27Γ5
聚丙烯腈(PAN)IT!
聚乙烯醇縮丁醒2Γ6
聚甲基丙烯腈2^7
聚四氟乙烯(PTFE)22?2
聚醚酰亞胺(PEI)ΤθΓδ
聚異戊二烯(PIP)τη
[0024]不使用諸如疏水顆粒的消泡劑，本發(fā)明的分離器單元包括低表面能或疏水泡沫接觸表面，該泡沫接觸表面利用上述泡沫破裂的相同機(jī)制，當(dāng)泡沫從分離器的第一側(cè)傳送至第二側(cè)時(shí)使泡沫的液體/氣體界面破裂。泡沫接觸表面可以由低表面能材料(例如PTFE)或用其涂覆，但如上所述，也可以使用任何低表面能或疏水材料。泡沫接觸表面可以是基底或者板，泡沫或包含泡沫的液體在其上流動(dòng)或者從其經(jīng)過?？梢蕴峁┒嘤谝粋€(gè)的泡沫接觸表面以增加與泡沫接觸的表面積，由此增強(qiáng)泡沫破裂。泡沫接觸表面或多個(gè)泡沫接觸表面可以與泡沫或包含泡沫的液體的流動(dòng)以平行或成角度的方式定向。泡沫接觸表面或多個(gè)泡沫接觸表面可以位于通流裝置的區(qū)域內(nèi)。
[0025]在本發(fā)明的分離器單元的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，泡沫接觸表面和通流裝置是同一個(gè)裝置。在這樣的實(shí)施方式中，泡沫接觸表面具有從其穿過的孔，所述孔允許泡沫或其的相從分離器的第一側(cè)傳送至第二側(cè)。所述孔增加了破裂界面的比表面積。如上所述，泡沫接觸表面可以由低表面能或疏水材料形成或由其涂覆，并且可以提供多于一個(gè)的泡沫接觸表面。
[0026]具有從其穿過的孔的優(yōu)選泡沫接觸表面可以是篩網(wǎng)或穿孔板。這種篩網(wǎng)或板可以由低表面能或疏水基底或介質(zhì)形成或由其涂覆。優(yōu)選地，這種篩網(wǎng)將由低表面能或疏水聚合物細(xì)絲形成，或者該篩網(wǎng)可以由其它材料的細(xì)絲形成并涂覆有低表面能或疏水材料。篩網(wǎng)或穿孔板的孔尺寸可以在直徑0.1mm至1mm內(nèi)變化，且聚合物細(xì)絲在存在時(shí)厚度為50μπι至1mm。當(dāng)表面材料具有低表面能以及在泡沫液體膜厚度的長度尺度上的微絲或粗糙光潔度時(shí)，破裂界面現(xiàn)象得以增強(qiáng)。
[0027]篩網(wǎng)或穿孔板根據(jù)需要可以布置成各種構(gòu)型并且與泡沫的流動(dòng)成多種定向?？梢砸源怪庇谒隽鲃?dòng)、平行于所述流動(dòng)或者與所述流動(dòng)成角度的形式提供一個(gè)或多個(gè)層?？商娲兀梢蕴峁╇S機(jī)裝填(packed)構(gòu)型。另外，可以以平行于所述流動(dòng)或者與所述流動(dòng)成角度的形式提供皺褶盤形折疊布置。此外，可以提供環(huán)狀扇形折疊構(gòu)型，并且組合流在環(huán)形空間內(nèi)部或外部流動(dòng)。
[0028]當(dāng)泡沫在低表面能表面上傳送或者傳送通過低表面能篩網(wǎng)時(shí)，泡沫的氣體-液體界面破裂并且氣體和液體分離成致密的液相和氣相。這個(gè)現(xiàn)象也能夠提高機(jī)械分離裝置中的分離，如上提及的水回旋分離器、離心分離器或者 申請(qǐng)人:的螺旋分離器技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這種情況，與此類裝置中的泡沫相接觸的表面由具有低表面能和/或泡沫液體膜厚度的長度尺度上的微絲或粗糙光潔度的材料形成。另外，在機(jī)械分離裝置的上游或下游包括低表面能篩網(wǎng)增強(qiáng)了氣相和液相的分離。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了用于分離泡沫的氣相和液相的方法，該方法包括:提供本發(fā)明的分離器單元；將泡沫供給至分離器的第一側(cè)；使泡沫通過通流裝置傳送向分離器的第二側(cè)；以及在分離器的第二側(cè)處或分離器的第二側(cè)的下游，回收泡沫的被分離的液相和泡沫的被分離的氣相中的至少一種。
[0030]泡沫可以由工業(yè)單元產(chǎn)生并且泡沫的至少一個(gè)被分離的相可以被回收并供給至所述工業(yè)單元或可供選擇的工業(yè)單元。
[0031]所述工業(yè)單元可以是燃料電池或電解電池。
[0032]可替代地，工業(yè)單元可以是生物化學(xué)發(fā)酵單元或泡沫浮選單元。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了減泡設(shè)備，該設(shè)備包括低表面能材料和用于當(dāng)所述泡沫被輸入所述減泡設(shè)備時(shí)沿著所述低表面能材料的表面接觸泡沫的裝置。
[0034]所述低表面能材料的表面的至少一部分可以是凸形的或尖銳的，從而其突出以遠(yuǎn)尚該表面的其它部分。
[0035]所述低表面能材料的該表面的此類部分可以由表面上的多個(gè)凸形區(qū)域形成。
[0036]所述部分由篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細(xì)長的線形成。
[0037]所述表面或多個(gè)表面可以定向?yàn)橹辽俨糠制叫杏诮?jīng)過所述表面的流體的流動(dòng)方向。
[0038]所述表面或每個(gè)表面可以包括柔性材料，并且可以保持在其上游端處或上游端附近，從而阻止其上游端的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)允許遠(yuǎn)離其上游端的一部分表面橫向運(yùn)動(dòng)。
[0039]所述表面可以包括多個(gè)表面，所述多個(gè)表面保持在彼此鄰近的位置，使它們至少部分彼此平行并且至少部分平行于在它們各自上游端處的流體流的主方向。
[0040]所述多個(gè)表面可以保持在適當(dāng)位置以使它們?cè)谂c所述流體流的主方向成橫向的方向上彼此隔開。
[0041]所述多個(gè)表面可以沿著至少部分平行于所述流體流的主方向的軸線彼此連接，并且保持在適當(dāng)位置以使它們從所述軸線徑向向外延伸。
[0042]可以提供氣體-液體分尚設(shè)備，該氣體-液體分尚設(shè)備包括本發(fā)明第一方面的分離器以及本發(fā)明其它方面的減泡設(shè)備。
[0043]包括本文所述的分離器和/或減泡設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)可以用于熱電聯(lián)產(chǎn)、向車輛提供動(dòng)力、或在電子設(shè)備中產(chǎn)生功率，或者可以提供兩種或更多種此類用途的任意組合。
[0044]雖然此前描述的用于分離泡沫的氣相和液相的分離器具有多種應(yīng)用，但是特別有效的應(yīng)用例如是分離器在陰極電解質(zhì)再生系統(tǒng)中用于氧化還原燃料電池的用途。
[0045]在間接或氧化還原燃料電池中，氧化劑(和/或在一些情況下為燃料)并不直接在電極處反應(yīng)，而是與氧化還原偶對(duì)的還原形式(對(duì)于燃料為氧化形式)反應(yīng)以將其氧化，并且這種經(jīng)氧化的物質(zhì)被供給至陰極。
[0046]在氧化該氧化還原偶對(duì)的這個(gè)步驟上存在很多限制。氧化還原偶對(duì)的氧化應(yīng)盡可能快地發(fā)生，因?yàn)橥ㄟ^陰極的陰極電解質(zhì)的流量的減少將減小能量產(chǎn)生的速率。如果氧化還原偶的氧化對(duì)沒有盡可能地完成，即，如果相當(dāng)大比例的氧化還原偶對(duì)保持未氧化，則能量產(chǎn)生的速率也會(huì)減小。提供快速且完全氧化陰極電解液溶液中存在的氧化還原偶對(duì)的設(shè)備由于要確保進(jìn)行氧化步驟時(shí)所消耗的能量相對(duì)低(否則燃料電池的總體發(fā)電性能將降低)而受到挑戰(zhàn)。另外，用于氧化所述氧化還原偶對(duì)的設(shè)備應(yīng)盡可能緊湊，尤其當(dāng)在燃料電池意欲用于便攜或機(jī)動(dòng)車應(yīng)用時(shí)。
[0047]平衡這些相矛盾的需求的需要導(dǎo)致電池性能的低效率，尤其是在機(jī)動(dòng)車和電子應(yīng)用中以及在熱電聯(lián)產(chǎn)中。
[0048]在氧化還原燃料電池的操作中，可以提供通過電池的陰極區(qū)域與陰極流體連通地流動(dòng)的陰極電解質(zhì)。氧化還原介體偶對(duì)在電池的操作中于陰極處被至少部分還原，并且通過在陰極處的此類還原之后與氧化劑反應(yīng)而至少部分再生(再氧化)。氧化還原介體偶對(duì)的至少部分再生在再生區(qū)中實(shí)現(xiàn)。
[0049]再生過程典型地需要液體陰極電解質(zhì)與大量空氣接觸，基于體積為大于4:1 (標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下)并且高達(dá)20:1以上。用于將氧氣從空氣質(zhì)量傳遞入陰極電解質(zhì)所產(chǎn)生的界面區(qū)域?yàn)樾馀莅霃降母邇?nèi)相體積泡沫的形式。陰極電解質(zhì)的再生速率與用于質(zhì)量傳遞的界面區(qū)域成比例。需要高的再生速率。
[0050]一旦已再生陰極電解質(zhì)，殘留的氣體(主要是氮?dú)?需要在陰極電解質(zhì)供給至燃料電池陰極之前從陰極電解質(zhì)中除去。陰極電解質(zhì)必須不包含氣泡或泡沫。脫離“用過的”氣體必須快速、高效且最小功耗地完成。如上所述，可以使用機(jī)械分離，如水回旋分離器和離心分離器，但是，這些均使用了不可接受量的功率，尤其當(dāng)用于便攜或機(jī)動(dòng)車應(yīng)用時(shí)。
[0051]在氧化還原燃料電池系統(tǒng)中，消泡劑通常不能被加入到陰極電解質(zhì)中，因?yàn)榇嬖诋a(chǎn)生氣體-液體界面來促進(jìn)氧化的需要。但是，如上所述，通過使泡沫穿傳送經(jīng)過低表面能或疏水表面(例如PTFE)以破裂泡沫界面，從而可以利用泡沫破裂的機(jī)制。
[0052]因此，根據(jù)另一方面，本發(fā)明還構(gòu)想了燃料電池，該燃料電池包括本發(fā)明的分離器單元，該分離器單元位于電池的適于通過氧化來再生電池陰極區(qū)域中可使用的氧化還原偶對(duì)的區(qū)域內(nèi)。
[0053]這種燃料電池可以包括:至少一個(gè)膜電極組件，該膜電極組件包括由離子選擇性聚合物電解質(zhì)膜分離開的陽極和陰極；鄰近膜電極組件陽極的陽極室；鄰近膜電極組件陰極的陰極室；用于向電池陽極室供給燃料的裝置；用于向電池供給氧化劑的裝置；用于在電池的各陽極和陰極之間提供電路的裝置；包含至少一種非揮發(fā)性陰極電解質(zhì)組分的陰極電解液，所述陰極電解液包含氧化還原催化劑和/或介體偶對(duì)；用于使氧化還原對(duì)催化劑和/或介體偶對(duì)與氧化劑接觸以產(chǎn)生包含經(jīng)氧化的催化劑和/或介體偶對(duì)的泡沫的裝置；以及用于使泡沫供給至本發(fā)明的分離器單元并回收泡沫的至少液相以用于進(jìn)一步使用的
>J-U ρ?α裝直。
[0054]本發(fā)明還構(gòu)想了前述任一分離器在分離泡沫的氣相和液相中的用途。這種用途可以包括將來自泡沫的至少一種可利用的分離相供給至工業(yè)過程，例如，用于氧化還原燃料電池的陰極電解質(zhì)再生系統(tǒng)，或者用于從電解質(zhì)液體分離水解氣體。
[0055]“陰極室”表示由膜電極組件的陰極側(cè)在一側(cè)上限制的電池的部分?？商娲蛘咄瑯拥?，“陰極室”可以被認(rèn)為是電池的下述部分，即在該部分中，在電池操作時(shí)從其間流過至少一部分陰極電解質(zhì)接觸膜電極組件的陰極側(cè)。
[0056]同樣，“陽極室”表示由膜電極組件的陽極側(cè)在一側(cè)上限制的電池的部分。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0057]本發(fā)明的各種實(shí)施方式將借助于僅參照附圖及如附圖所示的實(shí)例來更具體地加以描述，其中:
[0058]圖1是示出在三元界面處的楊氏方程的示意圖；
[0059]圖2A是示出具有兩個(gè)氣體-液體界面的泡沫的液體膜的示意圖；
[0060]圖2B是示出位于圖2A的液體膜中的疏水性消泡劑顆粒的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))；
[0061]圖2C是示出顆粒所具有的與液體薄膜的接觸角的圖2B的疏水性消泡劑顆粒的放大示意圖(現(xiàn)有技術(shù))；
[0062]圖2D是示出與液體膜的其它表面形成的接觸角的圖2B的疏水性消泡劑顆粒的進(jìn)一步放大示意圖(現(xiàn)有技術(shù))；
[0063]圖3是示意圖形式的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0064]圖4是包括本發(fā)明分離器的氧化還原燃料電池的過程流程圖；
[0065]圖5是包含過填充量筒的陰極電解質(zhì)泡沫的量筒的照片；
[0066]圖6是本發(fā)明中所使用的PTFE編織篩網(wǎng)的照片；
[0067]圖7是利用本發(fā)明的一部分包含陰極電解質(zhì)泡沫的量筒的照片；
[0068]圖8、9和10是示出鄰近低能表面的兩個(gè)小氣泡匯合形成一個(gè)大氣泡的視圖；
[0069]圖11示出位于燃料電池系統(tǒng)的氣體-液體接觸器下游的管內(nèi)的初級(jí)聚結(jié)器設(shè)備;
[0070]圖12示出放置在次級(jí)聚結(jié)器設(shè)備上游的初級(jí)聚結(jié)器設(shè)備；
[0071]圖13詳細(xì)示出次級(jí)聚結(jié)器；
[0072]圖14示出與圖12所示不同的另一個(gè)初級(jí)聚結(jié)器設(shè)備；
[0073]圖15示出位于燃料電池系統(tǒng)的氣體-液體接觸器下游的管內(nèi)的初級(jí)聚結(jié)器設(shè)備;
[0074]圖16示出在次級(jí)聚結(jié)器裝置的流體投入口下方存在的流場的操作；以及
[0075]圖17和18示出包括具有低表面能的表面的示例性篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0076]參照?qǐng)D3，示出本發(fā)明的用于分離泡沫的氣相和液相的分離器I。分離器可以是管狀區(qū)段或容器，并且包括三個(gè)區(qū)段，分離區(qū)段2、供給區(qū)段3和收集區(qū)段5。分離區(qū)段具有一個(gè)或多個(gè)用于通過此前描述的機(jī)制分離泡沫的氣相和液相的低表面能表面或篩網(wǎng)10。供給區(qū)段位于分離區(qū)段的上游并與分離區(qū)段流體連通，并且具有至少一個(gè)用于接收泡沫或者包含泡沫的液體的入口 4。供給區(qū)段將泡沫分配到整個(gè)低表面能表面或篩網(wǎng)。在分離區(qū)段的下游并且也與分離區(qū)段流體連通的是收集區(qū)段5，在收集區(qū)段5處，經(jīng)分離的氣體相6和經(jīng)分離的液體相7被收集。收集區(qū)段具有一個(gè)或多個(gè)用于經(jīng)分離的液相的出口 8以及一個(gè)或多個(gè)用于經(jīng)分離的氣相9的出口 9。
[0077]分離區(qū)段2可以包括多個(gè)低表面能表面或者篩網(wǎng)或篩網(wǎng)包(mesh packing) 10，以增加破裂界面的比表面積。
[0078]雖然分離器被描述為包括三個(gè)區(qū)段，此類區(qū)段可以不是明顯獨(dú)立的區(qū)段。所述區(qū)段可以整合成單個(gè)連續(xù)分離器中，其中在一端部處接收泡沫而在其它端部處排出經(jīng)分離的氣相和液相。例如，收集區(qū)段5可以與分離區(qū)段2成一體，這是因?yàn)殡S著氣相和液相在分離區(qū)段中被分離，更致密的液相趨于在重力作用下掉落并在分離區(qū)段的底部收集，在此，其可以通過出口 8被去除，而較輕的氣相將趨于上升到液相之上并在分離區(qū)段的上部收集，在此，其通過出口 9被去除。氣相和液相的這個(gè)特性在圖3中由分離區(qū)段2內(nèi)的箭頭所圖示。
[0079]在操作中，泡沫經(jīng)入口 4被供給到分離器的供給區(qū)段3，如圖3中最左側(cè)箭頭所示。在用于氧化還原燃料電池的陰極電解質(zhì)再生系統(tǒng)中，泡沫將從再生器的氣體-液體接觸器區(qū)段進(jìn)行至分離器，如圖4所示。泡沫可以通過任何適當(dāng)?shù)氖侄?例如在重力作用下或通過泵)供給到分離器中。供給區(qū)段然后將泡沫分配在分離區(qū)段2內(nèi)的低表面能表面或篩網(wǎng)10上。隨著泡沫的液體膜的氣體-液體界面接觸分離區(qū)段的低表面能表面或篩網(wǎng)，它們經(jīng)前面描述的機(jī)制而破裂，并且隨著泡沫經(jīng)過分離區(qū)段，它分離成氣相和液相。如上所述，液相將趨于在收集區(qū)段5內(nèi)的分離器底部處收集，在此，它通過出口 8從分離器被去除并返回到所述過程中。在陰極電解質(zhì)再生系統(tǒng)中，經(jīng)分離的陰極電解質(zhì)液體將返回到燃料電池的陰極區(qū)域。氣體將趨于在在收集區(qū)段內(nèi)的分離器的上部中收集，在此，它通過出口 9被去除。圖3的箭頭示出通過分離器的流動(dòng)方向。
[0080]分離器可以是獨(dú)立的分離器或模塊?？商娲?，它可以整合成另一裝置以提高其性能，例如，如前面所描述的機(jī)械分離裝置。
[0081]實(shí)施例
[0082]通過將1ml 申請(qǐng)人:的FlowCath?陰極電解質(zhì)液體放置在量筒中并且利用K()1U.」_K;燒結(jié)玻璃噴頭(產(chǎn)品號(hào):18143)使空氣流以0.51/min的流量通過該陰極電解質(zhì)以產(chǎn)生泡沫，從而測試本發(fā)明的實(shí)踐實(shí)施方式。如圖5中可見，所形成的泡沫過填充量筒。
[0083]測試被重復(fù)，并且將如圖6所示的PTFE編織的篩網(wǎng)(TextiIe DevelopmentAssociates Inc.，產(chǎn)品號(hào):PTFEKM22001)放置在量筒的喉部，如圖7所示。在相同的條件下，使空氣再次經(jīng)過陰極電解質(zhì)液體。如圖7中可見，其效果是破裂泡沫并且分離氣相和液相。
[0084]現(xiàn)將進(jìn)一步描述與發(fā)明人對(duì)使用LEM輔助泡沫破裂的最近研究和試驗(yàn)相關(guān)的本發(fā)明的方面和實(shí)施方式。
[0085]現(xiàn)在將解釋使用低能材料(LEM)的泡沫破裂(泡或泡沫的破壞或崩潰)的一般原理，典型地包括篩網(wǎng)。雖然已經(jīng)例示了篩網(wǎng)的性能，但除篩網(wǎng)之外的結(jié)構(gòu)應(yīng)得到類似結(jié)果(即，暴露LEM表面的任何其它基質(zhì)——例如，多個(gè)線、纖維塊、實(shí)心泡沫或燒結(jié)塊)。
[0086]當(dāng)用作燃料電池系統(tǒng)的一部分時(shí)，有效的氣體-液體分離用于防止:
[0087]i)氣體挾帶到液體電解質(zhì)(陰極電解質(zhì))泵和燃料電池組中；以及
[0088]ii)液體挾帶到電池組的氣體排放(輸出)中。
[0089]為了使附加載荷(氣體-液體分離反應(yīng)器消耗的功率)以及氣體-液體分離反應(yīng)器尺寸最小，這個(gè)操作必須以最佳能量和體積效率(即，使用消耗較少功率的小氣體-液體分離反應(yīng)器)來實(shí)現(xiàn)。 申請(qǐng)人:的研究已經(jīng)表明PTFE篩網(wǎng)在瓦解V4P0M泡或泡沫中是有效地。PTFE是低表面能材料(LEM)并因此是高度疏水的，由此斥水(在20°C下具有約18mJ/m2的表面能)。
[0090]如果暴露于含水的泡混合物，低表面能材料選擇性地排斥液相。這具有如下效果:減薄在氣泡與LEM表面的接觸點(diǎn)處泡沫的氣泡之間的液體邊界(液體氣泡與氣泡的邊界)，促進(jìn)破裂并由此促進(jìn)氣泡的合并，即，小氣泡匯合或聚集成更少的較大氣泡。在匯合過程中，多個(gè)氣泡匯合或合并以形成一個(gè)單個(gè)氣泡，對(duì)于多個(gè)氣泡組發(fā)生這種情況。圖8到10示出兩個(gè)小氣泡1202匯合以形成一個(gè)較大氣泡1404。連接兩個(gè)較小氣泡1202的膜部分1204縮回以遠(yuǎn)離LEM表面1201，產(chǎn)生單個(gè)膜部分1405或壁部分，其限定了較大氣泡1404的一部分邊界。將低表面能表面設(shè)置為多個(gè)細(xì)線，典型地設(shè)置為篩網(wǎng)，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0091]i)它提供了開放的、任選固定的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)促進(jìn)氣泡與所述表面接觸并促進(jìn)氣泡從所述表面釋放，以及
[0092]ii)其通過利用“接觸幾何形狀”促進(jìn)小氣泡的合并。其它LEM是可用的，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PTFE非常適于該應(yīng)用。
[0093]圖8、9和10由此一起示出基于LEM的或LEM輔助的氣泡合并的這種機(jī)制。如上面建議的，該過程可以通過接觸幾何形狀，即，與氣泡交界的活性表面的幾何形狀來得以增強(qiáng)。將LEM表面彎曲，例如如由篩網(wǎng)線的圓形橫截面所實(shí)現(xiàn)，允許在氣泡的膜和表面之間的較小接觸角度，這用于甚至進(jìn)一步破壞液體氣泡與氣泡的邊界，由此進(jìn)一步弱化氣泡與低能表面的附著。
[0094]現(xiàn)在將更詳細(xì)描述使用LEM輔助氣泡合并和氣相-液相隔離的分離概念。
[0095]涉及LEM材料的氣體-液體分離可以被認(rèn)為是兩階段過程。如上面所解釋的，通過增強(qiáng)或增加氣泡合并或匯合，LEM材料加速或促進(jìn)泡沫瓦解，有效地導(dǎo)致氣泡瓦解。但是，單獨(dú)這個(gè)過程并不將氣體從液體中分離；它僅僅是將精細(xì)的2相流體(包含小氣泡)轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诘?相流體(包含較大氣泡)。也就是說，該過程使得小氣泡成為較大氣泡。
[0096]利用重力或離心力的進(jìn)一步的相“隔離”階段能夠?qū)崿F(xiàn)真正或完全的分離(利用隔離器設(shè)備，如沉降室、回旋分離器、螺旋分離器等)。
[0097]在重力或離心力相分離之前的LEM輔助合并具有有利的技術(shù)效果，S卩，在于總體上更容易地實(shí)現(xiàn)分離并且其允許使用較小且消耗較少能量的分離設(shè)備或“設(shè)施”。由此，發(fā)明人將LEM輔助氣體-液體分離構(gòu)想為兩階段過程，該兩階段過程涉及i)(增強(qiáng)的)合并，以及ii)相隔離。
[0098]而且，如此處更早提及的，用于泡沫破壞/隔離的相隔離設(shè)備，如回旋分離器或螺旋分離器，能夠通過將相隔離設(shè)備的內(nèi)表面內(nèi)襯有膨脹篩網(wǎng)來得以改善，如下面進(jìn)一步解釋的(測試結(jié)果見下一頁的表2)。
[0099]表 2
[0100]I ^ _釋網(wǎng)材料_I體積 ΔΡ,泡沫破壞
初級(jí) I 次級(jí) I mL mbar%
I回旋分^離器無 I 1770 OO
I __ET830°_I 1770 025
I^ET83()0^I ^ I^3H^I^93^I 93初級(jí)-平行褶皺...................................................................................................................................................6395
Ετ83ο° I 無 I 剛 3873
ΓΙ?Ι?Γ PTFr22° I 無 I 伽 689|
ΓΙΤ?ΙΤ—"83
x7 個(gè)篩無 ET8300 4500 O-100
*7個(gè)錄無 4500 8-100
初級(jí)和次級(jí)—
(xl 個(gè)，，) ET8300 5hI()SEt" 4600 53-100
(x2 個(gè)元--) ΕΤ8300 5fJIcJ' 4700 78-100
I +&χ7 個(gè) n II 100ST I
[0101]現(xiàn)在將解釋初級(jí)和次級(jí)氣泡合并的概念。
[0102]發(fā)明人的研究已經(jīng)導(dǎo)致初級(jí)和次級(jí)LEM氣泡合并裝置或聚結(jié)器(見圖12)的改進(jìn)。聚結(jié)器可以被稱為“氣泡捕捉裝置”或“氣泡捕獲裝置”。
[0103]初級(jí)聚結(jié)器設(shè)備
[0104]初級(jí)聚結(jié)器裝置或設(shè)備能夠安裝在燃料電池系統(tǒng)的氣體-液體接觸器下游的管內(nèi)。實(shí)例適于圖11、14和15中并且將在下面進(jìn)一步描述。初級(jí)聚結(jié)器裝置能夠放置在次級(jí)聚結(jié)器裝置或設(shè)備的上游，如圖12所示且如下面進(jìn)一步所描述。
[0105]初級(jí)聚結(jié)器裝置包括多個(gè)(典型是篩網(wǎng))表面，其安裝成至少部分平行于流動(dòng)流。這種布置具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0106]i)由于表面的平行安裝，其使流動(dòng)流的阻礙最小(即，其提供較小的壓力降并且降低能耗)；以及
[0107]ii)其利用了交叉流動(dòng)剪切作用，其中流體以至少部分平行于LEM表面的方向行進(jìn)或被引導(dǎo)以橫越低能表面，以便從LEM的活性表面掃掠或拖曳較大的合并氣泡。
[0108]如上所述，流體流進(jìn)行或引導(dǎo)以橫越所述表面使得進(jìn)入的更精細(xì)的氣泡能夠暴露于LEM的表面或與LEM的表面接觸。
[0109]沒有上述剪切作用(該剪切作用用于撕裂或拖曳氣泡離開所述表面)，用于去除氣泡的唯一機(jī)制是氣泡相對(duì)于液體的浮力，這是因?yàn)橄啾扔谝后w的密度，氣泡的密度較低。
[0110]如果浮力是僅有的機(jī)制，則活性表面被所建立的氣體層與大部分的氣泡隔離開，所述氣體層是很多合并的氣泡形成單一體積的氣體所導(dǎo)致的。因此，氣體-液體分離或隔離過程效率低下。
[0111]另外，交叉流動(dòng)剪切作用也已經(jīng)被觀察到:隨著橫跨表面(典型包括篩網(wǎng)結(jié)構(gòu))向下游掃掠氣泡，通過以“雪球狀”方式使氣泡彼此合并或匯合，從而促進(jìn)氣泡生長。
[0112]表面可以彼此平行地、或徑向地、和/或以褶皺方式橫跨管橫截面來安裝。其它橫截面布置方式可以包括(方形、蜂窩狀、圓形、多邊形等的)格柵或網(wǎng)格、同心圓、螺旋或任何其它形成軸向通道的結(jié)構(gòu)(見圖11，其中示出十字形或格柵布置方式158和同心布置方式 159)。
[0113]圖11示出一些示例性的平行(155)和徑向(157)構(gòu)造。每個(gè)LEM表面1551、1571可以沿著其全部周長或邊緣固定在適當(dāng)位置，或者，該表面可以僅沿著或靠近其上游部分(例如，位于其上游邊緣處)固定，后邊緣是自由的，由此當(dāng)它們由柔性材料制成時(shí)，允許該表面在流場中表現(xiàn)為“條帶狀”(見圖12至圖14)。這賦予該表面一定程度活動(dòng)性。流經(jīng)該表面的流動(dòng)的瑞流由此能夠擾動(dòng)每個(gè)條帶，改善接觸并也改善氣泡脫離。
[0114]初級(jí)聚結(jié)器可以被設(shè)計(jì)和布置成管內(nèi)的一系列分立“元件”。每個(gè)元件將包含和支撐適量的LEM表面。如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)元件不足以合并泡沫給定的流或細(xì)度，那么可以根據(jù)需要安裝多個(gè)元件。圖15示出包含多個(gè)(三個(gè))此類氣泡合并元件191、192和193的流體管的實(shí)例，所述三個(gè)氣泡合并元件沿著流體流動(dòng)的方向194間隔開。為了改善接觸，一個(gè)元件192可以按照與一個(gè)或多個(gè)其它元件191、193不同的軸向旋轉(zhuǎn)角度安裝，使各元件的LEM表面圍繞流體流動(dòng)的方向或者管主軸線194彼此旋轉(zhuǎn)偏移。
[0115]在圖12中，示例性的初級(jí)合并裝置1620包括:泡沫入口管1630之內(nèi)的初級(jí)合并元件1622，所述泡沫入口管1630將泡沫或泡輸入到示例性的次級(jí)合并設(shè)備1600，該次級(jí)合并設(shè)備1600具有在儲(chǔ)池1606之內(nèi)的次級(jí)聚結(jié)器裝置1605，該儲(chǔ)池1606用于包含氣相和液相；泡沫輸入端1640，該泡沫輸入端1640用于將泡沫從管輸入到次級(jí)合并裝置1605 ;氣體出口 1642以及液體出口 1644。容納初級(jí)合并元件的管的取向可以是水平的、豎直的、或者在水平和豎直之間成角度的，且在任何方向上傳送流動(dòng)。
[0116]次級(jí)聚結(jié)器
[0117]示例性的次級(jí)聚結(jié)器裝置1605或“氣泡捕獲器”安裝在儲(chǔ)池1606內(nèi)，并且通過初級(jí)裝置1620接收返回(流體)流。次級(jí)聚結(jié)器裝置1605的主要目的是:
[0118]i)包含和合并離開初級(jí)裝置的任何氣泡；以及
[0119]ii)使進(jìn)入的流動(dòng)流平穩(wěn)，由此包含和破壞任何二次夾帶。
[0120]示例性的次級(jí)聚結(jié)器裝置1605在圖12和13 二者中示出。裝置1605由擱架1605構(gòu)成，該擱架1605包括彼此并排的豎直網(wǎng)篩1602的陣列，每個(gè)篩沿著或接近其周長的至少一部分、例如沿著其側(cè)邊緣和下邊緣(如圖13所示)被保持和密封在擱架底座1702之內(nèi)。該裝置1605在圖12中示為在次級(jí)合并設(shè)備1600的流體儲(chǔ)池1606之內(nèi)。擱架1605在其輸入(如圖所示，上部)端部或頂板處開口，并且擱架1605的外表面1704中的至少一個(gè)平行于網(wǎng)篩1602，其它表面1706對(duì)流體流來是不可滲透的。流體流以向下流動(dòng)的射流1616形式從次級(jí)設(shè)備1600之上并從裝置1605之上進(jìn)入篩陣列。隨著該流橫向通過篩1602排放，儲(chǔ)池1606之內(nèi)的氣體-液體的流體混合物1608內(nèi)的氣體脫離，并且氣體-液體的流體混合物1608內(nèi)的液體最終通過開口的擱架表面1704離開。圖12和13 —起用于說明這種布置方式。圖12和13的示例性聚結(jié)器內(nèi)所示的有用特征在于能夠沿著或靠近每個(gè)篩的上部或前部的周長或邊緣1610來支撐每個(gè)篩，以便抵抗由輸入到次級(jí)聚結(jié)器中的流體的向下射流導(dǎo)致的變形，如箭頭1616所示。
[0121]圖12所示的示例性布置的擱架1605具有篩，所述篩在它們的下邊緣(朝向設(shè)備1600的液體輸出端)處連接到液體-和氣體-不可滲透的封閉表面或板1607，該封閉表面或板1607防止在相鄰篩1602之間的泡沫1614之內(nèi)的液體離開擱架1605而向下朝向設(shè)備1600的液體輸出端(圖中的下端)，并有助于引導(dǎo)已在篩之間經(jīng)過的液體橫向離開擱架1605并且進(jìn)入圍繞擱架1605的流體中，如箭頭1650所示。
[0122]在圖12所示的實(shí)施方式中，除了底部封閉表面1607，垂直于篩的擱架側(cè)表面也對(duì)流動(dòng)是不可滲透的。在這個(gè)實(shí)施方式中，篩邊緣沿著這些表面密封，由此促進(jìn)液體通過篩材料從篩的一側(cè)流動(dòng)到篩的另一側(cè)。圖12所示的擱架1605表示圖13所示的擱架,其為以與篩平面平行的方向所觀察的橫截面。
[0123]對(duì)于這種非常有效的泡沫破壞裝置，存在至少三種機(jī)制。
[0124]首先，根據(jù)第一種機(jī)制，如針對(duì)初級(jí)聚結(jié)器所描述的，泡沫破壞在其最初進(jìn)入篩陣列期間隨著它橫跨入口 1640之下的LEM篩表面移動(dòng)或行進(jìn)而開始(泡沫的流動(dòng)方向向下，如圖12的箭頭1616所示)。
[0125]其次，次級(jí)聚結(jié)器裝置1605的篩1602阻止任何仍存在的泡相對(duì)于主流體流動(dòng)方向(圖12中箭頭1616所示)橫向前進(jìn)。
[0126]經(jīng)脫氣的液體被允許通過篩1602的孔口排出。但是，大于這些孔口的氣泡被阻止經(jīng)過該孔口(典型為篩網(wǎng))并被滯留或保持直到它們瓦解或爆裂。
[0127]小于孔口的氣泡能夠與液體一起經(jīng)過該孔口。但是，通過滯留較大的氣泡，大部分氣泡被阻止到達(dá)篩表面。這能夠被認(rèn)為是有利的，因?yàn)閷?shí)際上，篩或篩網(wǎng)作用如同氣泡過濾器，通過在接觸較小氣泡的區(qū)域和面對(duì)該區(qū)域的篩的表面(未示出)之間的區(qū)域內(nèi)的較大氣泡的“濾餅”的協(xié)助，保持較小的氣泡(在相鄰篩之間的區(qū)域之內(nèi))。
[0128]第三種機(jī)制可以由于次級(jí)聚結(jié)器裝置的流體投入入口之下存在的流場而產(chǎn)生。
[0129]圖16示出這個(gè)機(jī)制。隨著流入的流體泡沫2004被投入篩網(wǎng)陣列2006中，形成再循環(huán)漩渦2002。由于它們的尺寸，小氣泡2007被滯留在這些漩渦2002內(nèi)，并由此反復(fù)被再循環(huán)(如圓箭頭2002所示)并再暴露于篩網(wǎng)陣列2006的表面。由此，小氣泡2007被選擇性保持和再加工利用，直到它們足夠大(如氣泡2008所示)使得它們的浮力允許它們逃脫到表面(如箭頭2015和氣泡2009和2012所示)，在該表面大氣泡2008、2010爆裂或斷裂(瓦解)，如爆裂氣泡2011所示。
[0130]可以構(gòu)想到這三種機(jī)制的組合使得LEM氣泡捕獲裝置非常有效，測試結(jié)果表明了這種有效性。
[0131]在不存在次級(jí)合并裝置或“氣泡捕獲裝置”的情況下，重力分離(通過在液體之內(nèi)且相對(duì)于液體的有浮力的氣泡的向上漂浮運(yùn)動(dòng))將是可用于促進(jìn)(a)殘留泡沫的破壞/抑制以及(b)氣體再夾帶于液體流體中的唯一機(jī)制。如果這種重力分離是唯一的機(jī)制，那么氣體-液體隔離儲(chǔ)池將因此需要比使用次級(jí)合并裝置情況下的大很多。顯然，次級(jí)合并裝置對(duì)于給定的流體流量提供了較小儲(chǔ)池的使用。
[0132]除了上述初級(jí)和次級(jí)聚結(jié)器階段，氣體-液體分離器系統(tǒng)也能夠布置有初級(jí)和次級(jí)氣體-液體隔離階段。
[0133]例如，在初級(jí)聚結(jié)器之后，氣體-液體混合的流體流可以被引導(dǎo)到回旋分離器或螺旋分離器或其它批量分離器(bulk separator)，以促進(jìn)氣相從液相的批量隔離。從批量分離器液體輸出端(例如，回旋分離器底部或者螺旋分離器輸出端)排放的液體(及任何殘留泡沫)然后可被引導(dǎo)到次級(jí)聚結(jié)器氣泡捕獲裝置。在氣體-液體儲(chǔ)池內(nèi)的重力沉降然后促進(jìn)次級(jí)隔離。
[0134]這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)在采用高流量和/或高流速的更高功率系統(tǒng)上變得明顯。分階段合并和隔離的分離將允許流速在流體返回到儲(chǔ)池之前逐漸減小。這將進(jìn)一步促進(jìn)使流動(dòng)平穩(wěn)并將分別避免氣體和液體出口的二次夾帶。
[0135]現(xiàn)在將描述發(fā)明人所進(jìn)行的LEM篩網(wǎng)材料的測試。
[0136]發(fā)明人已經(jīng)研究了廣泛的LEM篩網(wǎng)和表面，以確定它們的有效性。結(jié)果在下面的表3中給出。編織的篩網(wǎng)PTFEKM22001以及膨脹篩網(wǎng)ET-8300和5PTFE7-100ST被選擇用于測試，并且發(fā)現(xiàn)得到良好的性能。
[0137]表3
[0138]
MI供應(yīng)商
PTFE 毛租(PTFENF18005)Textile Development Associates, Inc., USA
PTFE 膨脹篩網(wǎng)(ET-8300)Industrial Netting, USA
PTFE 膨脹篩網(wǎng)(ET-8700)Industrial Netting, USA
PTFE 膨脹篩網(wǎng)(ET-9000)Industrial Netting, USA
PTFE 編織篩網(wǎng)(PTFEKM22003)Textile Development Associates, Inc., USA
PTFE 編織篩網(wǎng)(PTFEKM22005)Textile Development Associates, Inc., USA PTFE 實(shí)心片材theplasticshop.c0.ukI
PTFE 編織篩網(wǎng)(PTFEKM22001)Textile Development Associates, Inc., USA
PTFE 膨脹篩網(wǎng)(5PTFE7-100ST)Dexmet Inc., USA
PTFE 膨脹篩網(wǎng)(5PTFE9-077ST)Dexmet Inc.PTFE 膨脹篩網(wǎng)(5PTFE6-050ST)Dexmet Inc.PTFE 膨脹篩網(wǎng)(I5PTFEl6-O77ST)Dexmet Inc.PTFE 膨脹篩網(wǎng)(1PTFE2O-100DBST)Dexmet Inc.
[0139]編織篩網(wǎng)PTFEKM22001 (最初研發(fā)用于外科應(yīng)用)的圖像在圖17中示出且另一篩網(wǎng)在圖18中示出。在圖中，膨脹篩網(wǎng)2102由已經(jīng)形成(例如機(jī)加工或模制)有規(guī)則菱形孔口 2104的材料的單個(gè)片材2102構(gòu)成。最終結(jié)果是互連的細(xì)線2206的連續(xù)一致的“不起毛”篩網(wǎng)，在切開時(shí)它將不會(huì)散落(從篩網(wǎng)脫落)(不同于會(huì)將切斷的線頭釋放到流動(dòng)流中的編織或機(jī)織篩網(wǎng))。圖18和以下表4 一起表示膨脹篩網(wǎng)的形式和尺寸。
[0140]表4
[0141]
LWD,SWD,厚度，幾寬度，名義孔口，mm
材料
mmmmmmmm長軸短軸
ET8300 1.911.220.460.361.14 0.64
I 5PTFE7-100ST 2.540.990.130.18UO 0.66
[0142]由于LEM輔助的氣泡合并的過程是表面現(xiàn)象(即，它在表面處發(fā)生)，自支撐篩網(wǎng)可以用剛性下層結(jié)構(gòu)(例如，涂覆有PTFE的鋼絲篩網(wǎng))制造。外部支撐結(jié)構(gòu)(例如，擱架、框架、支撐筋板等)占據(jù)體積，干擾流動(dòng)并因此導(dǎo)致沿著流體流動(dòng)方向的壓力降。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)將避免這些有問題的情況。
[0143]如上所述，初級(jí)和次級(jí)聚結(jié)器裝置是由發(fā)明人通過測試和研發(fā)項(xiàng)目而開發(fā)的。在泡沫發(fā)生器的下游測試該裝置。除非另有說明，所施加的流體流是在室溫(約20攝氏度)下30L/min(0.5升/秒)陰極電解質(zhì)以及120L/min(2升/秒)空氣。表4概述每個(gè)原型設(shè)計(jì)和性能。
[0144]薄霧防止
[0145]在測試過程中，發(fā)現(xiàn)上述裝置產(chǎn)生攜帶到氣體排放中的很少陰極電解質(zhì)薄霧(即，較少液滴與排出的或輸出的氣體一起離開)。測試結(jié)果表明:通過使用應(yīng)用本發(fā)明，可以獲得針對(duì)傳統(tǒng)重力和離心泡沫分離裝置(即，沉降室、回旋分離器、螺旋分離器等)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。
[0146]對(duì)LEM薄霧防止的解釋
[0147]以下提供了為何基于LEM的氣體-液體分離器(其實(shí)例在上文描述)比基于重力或離心的技術(shù)向排出流釋放顯著更少的陰極電解質(zhì)薄霧的所提議的解釋。
[0148]基于重力和離心的氣體-液體分離
[0149]沉降室、回旋分離器、螺旋分離器都是利用相密度的差異來實(shí)現(xiàn)氣體-液體分離并由此實(shí)現(xiàn)泡沫瓦解。重力或離心力用于誘導(dǎo)液體通過泡沫的氣泡膜互連網(wǎng)絡(luò)而排放。結(jié)果，在泡沫表面的氣泡變得液體缺乏，導(dǎo)致膜減薄并因此減弱。最終，減弱的膜在表面張力的影響下破裂。液體表面張力然后將瓦解的薄膜牽拉成球形液滴。這些球形液滴被夾帶在分離的氣體流中并以薄霧形式經(jīng)氣體排放出口離開系統(tǒng)。這是不期望的。新的氣泡的表面層隨后展現(xiàn)在泡或泡沫的上表面上，并重復(fù)該過程。
[0150]基于LEM的氣體-液體分離，與基于重力和離心的氣體-液體分離相比較
[0151]由于PTFE或其它低表面能材料的疏水性，每個(gè)液體氣泡膜以“低”接觸角接觸低能表面。S卩，氣泡膜的外表面被疏水表面排斥，因此，當(dāng)氣泡接觸該表面時(shí)，與該表面是由更高表面能材料制成的情況相比，其的膜從氣泡與表面的接觸中心點(diǎn)向外更加遠(yuǎn)離表面傾斜。換言之，在膜與表面接觸的區(qū)域中，氣泡膜的表面與該表面由更高表面能材料制成的情況相比更向外凸出。
[0152]這種“低”接觸角用于在接觸點(diǎn)處破壞和局部減薄該膜，導(dǎo)致減弱的表面附著。固有的膜表面張力然后變得足以撕裂或拖曳液體薄膜遠(yuǎn)離PTFE表面，并由此從該表面去除氣泡。隨著每個(gè)膜收縮，包含在膜內(nèi)的液體流入周圍的一個(gè)或多個(gè)其它泡沫的薄膜中，并且兩個(gè)氣泡合并成一個(gè)。依次參看圖8至10。
[0153]根據(jù)上述借助低表面能材料的氣泡的破壞或合并的過程，廣義上，氣泡膜并不被液體的排出而減弱，隨著膜收縮，膜的完整性得以保持，由此，每個(gè)膜更不可能分解成液滴。也就是說，即使無論以任何方式產(chǎn)生一些液滴，但是保持膜的完整性，但此類液滴的形成將以雙封裝(即，液滴包含在存在的氣泡之內(nèi))形式發(fā)生并將在泡沫的覆蓋層或區(qū)域之下發(fā)生。這提供了液體再次吸收的機(jī)會(huì)，由此防止液滴釋放到氣體輸出或排放中。
【權(quán)利要求】
1.用于分離泡沫的氣相和液相的分離器，所述分離器包括第一側(cè)和第二側(cè)，并且具有在其中設(shè)置的用于允許泡沫或泡沫相從所述第一側(cè)傳送至所述第二側(cè)的通流裝置，所述分離器還包括至少一個(gè)具有低表面能的泡沫接觸表面以及用于從所述泡沫回收至少一種經(jīng)分離的泡沫相的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的分離器，包括用于從所述泡沫至少回收液相的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的分離器，包括用于從所述泡沫分別至少回收液相和氣相的裝置。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的分離器，其設(shè)置為產(chǎn)生包含至少一種可使用且可再利用組分的泡沫的工業(yè)單元的一部分或與所述工業(yè)單元成協(xié)同關(guān)系，設(shè)置有用于將泡沫從所述工業(yè)單元供給至所述分離器的裝置，以及用于回收所述至少一種可使用且可再利用組分并將其供給至所述工業(yè)單元或可供選擇的工業(yè)單元的裝置。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的分離器單元，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面的表面能為: a.小于40mJnT2;或 b.小于30mJnT2 ;或 c.小于25mjm2。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的分離器單元，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面由一種或多種疏水材料形成。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的分離器單元，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面由一種或多種疏水聚合物材料形成。
8.如權(quán)利要求7所述的分離器，其中所述一種或多種疏水聚合物材料選自:聚烯烴、聚苯乙烯、聚乙烯化合物、聚齒代乙烯、聚偏二齒代乙烯、多齒代烯烴、聚(甲基)丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氧化烯烴、聚酯和PEEK。
9.如權(quán)利要求8所述的分離器，其中所述一種或多種疏水聚合物材料選自:直鏈或支鏈聚乙烯-直鏈全同立構(gòu)聚丙烯、聚異丁烯、聚苯乙烯、聚甲基苯乙烯、聚乙烯基甲苯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸異丁酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚環(huán)氧乙烷、聚四亞甲基氧化物、聚四氫呋喃、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺_6，6、聚酰胺-12、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯和聚醚醚酮。
10.如權(quán)利要求7所述的分離器，其中所述一種或多種疏水聚合物材料選自:聚氨酯、聚氟乙烯(PVF)、尼龍12、聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚丙烯酸乙酯(PEA)、聚甲基丙烯酸乙酯(ΡΕΜΑ)、聚乙烯(PE)、聚丙酸乙烯酯、聚異丁烯、聚四氫呋喃(PTHF)、聚四亞甲基氧化物、聚丁酸乙烯酯、聚十六烷酸乙烯酯、聚丙烯酸-2-乙基己酯、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸己酯、聚十二烷酸乙烯酯、聚癸酸乙烯酯、聚己酸乙烯酯、聚辛酸乙烯酯、聚三氟乙烯、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇縮丁醛、聚甲基丙烯腈、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚異戊二烯(PIP)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的分離器單元，其中，在其中設(shè)置的用于允許泡沫從所述第一側(cè)傳送至所述第二側(cè)的所述通流裝置包括一個(gè)或多個(gè)通過所述分離器從其第一側(cè)到其第二側(cè)的通道。
12.如權(quán)利要求11所述的分離器單元，其中所述泡沫接觸表面是篩網(wǎng)或穿孔板形式。
13.如權(quán)利要求12所述的分離器，其中所述篩網(wǎng)孔或板穿孔的直徑為0.1mm至10mm。
14.如權(quán)利要求12至13中任一項(xiàng)所述的分離器，包括一層或多層的篩網(wǎng)或穿孔板，并且其中所述一層或多層中的至少一層相對(duì)于泡沫流動(dòng)而布置成下述定向中的一個(gè)或多個(gè): a.垂直于所述流動(dòng)； b.平行于所述流動(dòng)； c.與所述流動(dòng)成角度； d.隨機(jī)裝填。
15.如權(quán)利要求12至13中任一項(xiàng)所述的分離器，其中所述篩網(wǎng)或穿孔板采取如下構(gòu)型中的一種或多種: a.平行于泡沫流或與所述泡沫流成角度的皺褶的扇形折疊布置； b.環(huán)狀扇形折疊布置，并且泡沫流在環(huán)形部分的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的分離器，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面包括細(xì)絲狀材料。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的分離器，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面位于所述通流裝置的區(qū)域內(nèi)。
18.如權(quán)利要求17所述的分離器，其中所述至少一個(gè)泡沫接觸表面延伸到所述通流裝置中或延伸通過所述通流裝置。
19.用于分離泡沫的氣相和液相的方法，包括: a.提供權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的分離器單元； b.將泡沫供給至所述分離器的第一側(cè)； c.使泡沫經(jīng)過所述通流裝置朝向所述分離器的第二側(cè)；以及 d.在所述分離器的第二側(cè)處或下游，回收所述泡沫的經(jīng)分離的液相和所述泡沫的經(jīng)分離的氣相中的至少一種。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述泡沫是由工業(yè)單元產(chǎn)生的，并且所述泡沫的至少一種經(jīng)分離的相被回收且供給至所述工業(yè)單元或可供選擇的工業(yè)單元。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述工業(yè)單元是燃料電池或電解電池。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述工業(yè)單元是生物化學(xué)發(fā)酵單元或泡沫浮選單J Li ο
23.燃料電池或水解電池，包括權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的分離器單元。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述分離器單元位于電池的適于通過氧化來再生電池陰極區(qū)域中可用的氧化還原偶對(duì)的區(qū)域內(nèi)。
25.如權(quán)利要求24所述的燃料電池，包括: a.至少一個(gè)膜電極組件，所述膜電極組件包括由離子選擇性聚合物電解質(zhì)膜分離的陽極和陰極； b.鄰近所述膜電極組件陽極的陽極室； c.鄰近所述膜電極組件陰極的陰極室； d.向所述電池陽極室供給燃料的裝置； e.用于向所述電池供給氧化劑的裝置； f.用于在所述電池的各陽極和陰極之間提供電路的裝置； g.包含至少一種不可揮發(fā)性陰極電解質(zhì)組分的陰極電解液，所述陰極電解液包括氧化還原催化劑和/或介體偶對(duì)； h.用于將所述氧化還原催化劑和/或介體偶對(duì)與所述氧化劑接觸以產(chǎn)生包含經(jīng)氧化的催化劑和/或介體偶對(duì)的泡沫的裝置；以及i.用于向權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的分離器單元供給所述泡沫并且回收所述泡沫的至少液相以用于進(jìn)一步使用的裝置。
26.生物化學(xué)發(fā)酵單元或泡沫浮選單元，包括權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的分離器單元。
27.權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的分離器在分離泡沫的氣相和液相中的用途。
28.如權(quán)利要求27所述的用途，包括向工業(yè)過程供給來自泡沫的至少一種可使用的經(jīng)分離的相。
29.權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的裝置在氧化還原燃料電池的陰極電解質(zhì)再生系統(tǒng)中的用途。
30.權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的裝置在從電解質(zhì)液體分離水解氣體中的用途。
31.權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的裝置用以破壞生物化學(xué)發(fā)酵單元內(nèi)的氣泡的用途。
32.權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的裝置用以回收泡沫浮選單元內(nèi)的顆粒材料的用途。
33.減泡設(shè)備，包括低表面能材料和用于當(dāng)所述泡沫輸入所述減泡設(shè)備時(shí)沿著所述低表面能材料的表面接觸泡沫的裝置。
34.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述低表面能材料的表面的至少一部分是凸形或尖銳的，從而其突出以遠(yuǎn)離所述表面的其它部分。
35.如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述部分是由所述表面上的多個(gè)凸形區(qū)域形成的。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中所述部分是由篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細(xì)長的線形成的。
37.如權(quán)利要求30至36中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述表面以至少部分平行于經(jīng)過所述表面的流體的流動(dòng)方向的形式定向。
38.如權(quán)利要求33至37中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述表面具有柔性材料并且保持在其上游端處或上游端附近，以抑制其上游端的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)允許遠(yuǎn)離所述上游端的一部分表面橫向運(yùn)動(dòng)。
39.如權(quán)利要求33至38中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述表面包括多個(gè)保持在彼此鄰近位置的表面，使它們至少部分彼此平行并且平行于在它們各自上游端處的流體流的主方向。
40.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)表面保持在適當(dāng)位置以使它們?cè)谂c所述流體流的主方向成橫向的方向上彼此隔開。
41.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)表面沿著至少部分平行于所述流體流主方向的軸線彼此連接，并保持在適當(dāng)位置以使它們各自從所述軸線徑向向外延伸，或者使它們?cè)谂c所述軸線成橫向的兩個(gè)方向的每一個(gè)方向上間隔開，或者使它們圍繞所述軸線同心地彼此間隔開。
42.氣體-液體分離設(shè)備，包括權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的分離器，以及權(quán)利要求33至41中任一項(xiàng)所述的減泡設(shè)備。
43.燃料電池系統(tǒng)，包括權(quán)利要求33至42中任一項(xiàng)所述的設(shè)備。
44.權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)的用途。
45.權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)用以向車輛提供動(dòng)力的用途。
46.權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)用以在電子設(shè)備中產(chǎn)生功率的用途。
【文檔編號(hào)】B01D19/02GK104203362SQ201380006781
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月25日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·沃德, 羅伯特·朗曼 申請(qǐng)人:Acal能源公司