專利名稱：用于直接供液燃料電池的氣液分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣液分離器，用于分離從直接供液燃料電池(direct liquid feedfuel cell)的陽(yáng)極電極排放的二氧化碳和未反應(yīng)的液體燃料。
背景技術(shù)：
直接供液燃料電池是一種利用有機(jī)燃料(如甲醇或乙醇)和氧化劑(如氧氣)間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能的裝置。直接供液燃料電池所產(chǎn)生的電能具有高比能量密度(specific energy density)和高功率密度。此外，由于液體燃料(如甲醇)直接供給電池，故直接供液燃料電池不需要外圍裝置，如燃料轉(zhuǎn)化器，并且易于儲(chǔ)存和供應(yīng)液體燃料。
如圖1所示，直接供液燃料電池的結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極電極2、陰極電極3和位于兩電極2、3之間的電解質(zhì)膜1。該陽(yáng)極電極2包括用于供應(yīng)和擴(kuò)散燃料的擴(kuò)散層22、其中發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)的催化劑層21和電極支撐層23。該陰極電極3也包括用于供應(yīng)和擴(kuò)散燃料的擴(kuò)散層23、其中發(fā)生還原反應(yīng)的催化劑層31和電極支撐層33。用于產(chǎn)生電極反應(yīng)的催化劑由在低溫下具有優(yōu)異催化特性的貴金屬形成，如鉑。或者，為了避免由電極反應(yīng)的副產(chǎn)物一氧化碳導(dǎo)致的催化劑中毒，可以采用由包括釕、銠、鋨或鎳的過(guò)渡金屬合金催化劑。該電極支撐層23和33可以由防水的碳紙或碳纖維制成，以便易于供應(yīng)燃料和排放反應(yīng)產(chǎn)物。該電解質(zhì)膜1是具有離子導(dǎo)電性并含濕氣的氫離子交換膜，而且由厚度為50-200μm的聚合物薄膜形成。
作為直接供液燃料電池的一種，直接甲醇燃料電池(DMFC)的電極反應(yīng)包括燃料被氧化的陽(yáng)極反應(yīng)和氫、氧還原的陰極反應(yīng)，如下所述[反應(yīng)1](陽(yáng)極反應(yīng))[反應(yīng)2](陰極反應(yīng))[反應(yīng)3]
(總反應(yīng))在其中燃料被氧化(反應(yīng)1)的陽(yáng)極電極2處產(chǎn)生二氧化碳、氫離子和電子。氫離子通過(guò)氫離子交換膜1移向陰極電極3。氫離子、從外部電路傳輸?shù)碾娮雍脱踉陉帢O電極3處發(fā)生還原反應(yīng)(反應(yīng)2)而產(chǎn)生水。因此，作為甲醇和氧之間總電化學(xué)反應(yīng)(反應(yīng)3)的結(jié)果，產(chǎn)生水和二氧化碳。當(dāng)一摩爾甲醇和氧氣反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生兩摩爾水。
燃料電池中使用的液體燃料可以不是純甲醇，而可以是與系統(tǒng)中產(chǎn)生的或已經(jīng)儲(chǔ)存于燃料電池系統(tǒng)中的水混合的混合物。當(dāng)使用高濃度燃料時(shí)，由于燃料通過(guò)電解質(zhì)膜(氫離子交換膜)的滲透(crossover)，使得該燃料電池的性能嚴(yán)重下降。因此，通常將甲醇稀釋到低濃度，如0.5到2M(2到8體積百分比)。
圖2A和2B是用于燃料電池的氣液分離器的截面圖。用于移動(dòng)燃料電池的氣液分離器10的定向并不固定在一個(gè)定向上。在正常定向上(如圖2a所示)，未反應(yīng)的燃料和二氧化碳通過(guò)入口11進(jìn)入氣液分離器10中。二氧化碳通過(guò)形成在氣液分離器體頂部的孔12排放到空氣中，而未反應(yīng)的燃料通過(guò)形成在氣液分離器體下部的出口13回收至燃料電池。
然而，在氣液分離器10處于倒置定向(如圖2B所示)時(shí)，未反應(yīng)的燃料和二氧化碳的出口12和13相交換。因此，二氧化碳可以進(jìn)入陽(yáng)極電極，而未反應(yīng)的燃料可以排放到外部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氣液分離器，其執(zhí)行氣體和液體分離，而無(wú)需考慮其定向，并且提供一種具有該氣液分離器的直接供液燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種直接供液燃料電池的氣液分離器，其容納來(lái)自直接供液燃料電池的液體和氣體并分離該液體和氣體，該氣液分離器包括管道，在其側(cè)壁上具有開(kāi)口部分；液體提取部件，其選擇性地傳送該管道中的液體并且設(shè)置在該管道的兩端；氣體提取薄膜，其選擇性地傳送該氣體并且覆蓋該開(kāi)口部分；入口，其將該液體和該氣體導(dǎo)入該管道中；腔體，其圍繞液體提取部件的外側(cè)；和出口，其通過(guò)連接至該腔體而將該腔體中的液體導(dǎo)向外側(cè)。
該液體提取部件可以是具有100μm或更小的孔的第一部件。
該液體提取部件還可以包括第二部件，該第二部件具有直徑大于第一部件孔的孔，該第二部件相對(duì)于該第一部件與管道中的液體相對(duì)地位于該第一部件上。
該第二部件可以填充該腔體。
該氣體提取薄膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)形成。
該氣體提取薄膜可以通過(guò)由多孔強(qiáng)化部件壓制PTFE而形成。
該分離器還可以包括該管道內(nèi)的液體吸收部件。
該液體吸收部件可以是具有預(yù)定直徑的珠子。
該液體吸收部件的比重可以為0.95或更小。


通過(guò)參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述的和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯明，其中圖1是直接供液燃料電池的基本結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2A和2B是用于燃料電池的氣液分離器的截面圖；圖3是具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器的直接供液燃料電池的概念性結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器的截面圖；圖5是在液體提取單元處于上下位置時(shí)圖4的氣液分離器的截面圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器的圓柱管道內(nèi)部壓力變化的圖線；和圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的氣液分離器的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面地描述，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
圖3是具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器的直接供液燃料電池的概念性結(jié)構(gòu)示意圖。
參照?qǐng)D3，直接供液燃料電池系統(tǒng)包括直接供液燃料電池，如燃料電池組190；氣液分離器100，其在收集到稀釋的未反應(yīng)液體燃料和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳后，將二氧化碳排放到大氣中，并利用水泵191將液體燃料傳輸?shù)疥?yáng)極電極；水泵192，其將稀釋的液體燃料(甲醇)從燃料箱195傳送到燃料電池組190；以及鼓風(fēng)機(jī)193，其向燃料電池組190供應(yīng)空氣。陰極電極產(chǎn)生的水被排放或可以流向氣液分離器100或燃料箱195。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器100的截面圖。
參照?qǐng)D4，間隔預(yù)定距離并且彼此面對(duì)的液體提取部件120形成于具有預(yù)定直徑的圓柱管道的端部。開(kāi)口部分111形成在圓柱管道110的側(cè)壁上，氣體提取薄膜115形成為覆蓋該開(kāi)口部分111。腔體130形成在液體提取部件120上。各個(gè)腔體130包括出口132，腔體130中的未反應(yīng)燃料通過(guò)該出口132被傳送到燃料電池組190的陽(yáng)極電極(此時(shí)，可以使用水泵P)。引導(dǎo)液體燃料和二氧化碳從燃料電池組190的陽(yáng)極電極進(jìn)入該圓柱管道110的入口140形成在該圓柱管道110的外圓周上。
液體提取部件120包括接觸圓柱管道110中的材料的第一部件121和面對(duì)腔體130的第二部件122。該第一部件121可以是具有100μm或更小的孔的泡沫部件，而第二部件122可以是具有100μm至1mm的孔的泡沫部件。第一部件121選擇性地將液體燃料從圓柱管道110排放腔體130，而該第二部件122促進(jìn)第一部件121的排放動(dòng)作。該第二部件122可以安裝成填充腔體130。
氣體提取薄膜115可以由多孔的并具有疏水性的聚四氟乙烯(PTFE)形成。該氣體提取薄膜115可以通過(guò)由諸如多孔布的多孔強(qiáng)化部件(未示出)壓制PTFE而成形。該氣體提取薄膜115阻止液體燃料從圓柱管道110流出，而允許排出氣體，即二氧化碳。
液體提取部件120的第一部件121包括面向在圓柱管道110中的液體燃料的第一表面121a和接觸第二部件122的第二表面121b。當(dāng)管道110中的液體燃料接觸液體提取部件120的一部分時(shí)，在燃料電池正常工作條件下，該液體提取部件120由于其親水性而全部浸濕。因此，朝向第一表面121a的管道110中的氣體必須克服該第一部件121的第一表面121a的第一毛細(xì)管作用力以通過(guò)該第一表面121a滲透到第一部件121中，而且必須克服第二表面121b的第二毛細(xì)管作用力以滲透到第二部件122中。當(dāng)通過(guò)入口140進(jìn)入的氣體的氣壓P1大于第二毛細(xì)管作用力時(shí)，由于第一表面121a接觸液體燃料的區(qū)域沒(méi)有產(chǎn)生第一毛細(xì)管作用力，所以液體燃料通過(guò)第一部件121滲透到第二部件122。第二部件122易于將從第一薄膜121收集的液體燃料排放到腔體130中。圓柱管道110中的氣體由圓柱管道110的內(nèi)部壓力通過(guò)氣體提取薄膜115排放到大氣中。
該腔體130可以由金屬、塑料或軟聚氯乙烯(flexible vinyl)形成。
當(dāng)氣液分離器100繞連接兩液體提取部件120的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，該氣液分離器100能夠可靠地分離氣體和液體燃料。
圖5是在液體提取部件處于上下位置時(shí)圖4的氣液分離器的截面圖。液體燃料通過(guò)第一部件121和第二部件122流入下腔體130中，而氣體通過(guò)氣體提取部件115排放到大氣中。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的氣液分離器100執(zhí)行分離操作，而無(wú)需考慮氣液分離器100的位置。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣液分離器的圓柱管道內(nèi)部壓力變化的圖線。
為了測(cè)量圓柱管道110的內(nèi)部壓力，連接該圓柱管道110的入口140到水泵P的出口上，并連接水泵的入口到該圓柱管道的出口132上。當(dāng)氣體以150ml/min的流速注入到該圓柱管道110中時(shí)(階段1)，水以40ml/min的流速流動(dòng)(階段2)。即，來(lái)自水泵P的液體燃料和氣體注入到該圓柱管道110中，而從腔體130的出口132出來(lái)的液體又流回水泵P。接下來(lái)，按圖5所示放置氣液分離器100(階段3)。參照?qǐng)D6，該圓柱管道中的壓力保持為不變，因此可以觀察到穩(wěn)定的氣液分離。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的氣液分離器200的截面圖。圖7和圖4中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，因此省略對(duì)其的描述。
參照?qǐng)D7，間隔預(yù)定距離并彼此面對(duì)的液體提取部件120形成于具有預(yù)定直徑的圓柱管道端部。開(kāi)口部分111形成在該圓柱管道110的側(cè)壁，而氣體提取部件115形成為覆蓋該開(kāi)口部分111。腔體130形成在液體提取部件120上。各個(gè)腔體130包括出口132，腔體中的未反應(yīng)燃料通過(guò)該開(kāi)口132被傳送至圖3中的燃料電池組190的陽(yáng)極電極。引導(dǎo)液體燃料和二氧化碳從燃料電池組的陽(yáng)極電極進(jìn)入圓柱管道110的入口140，形成在圓柱管道110的外圓周上。
該圓柱管道110中填入吸收過(guò)飽和液體的液體吸收部件，如大量珠子210。珠子210通過(guò)在其表面上吸收流經(jīng)氣體提取部件115的蒸汽狀態(tài)的水或液體燃料，來(lái)減少圓柱管道110的液體排放。該珠子210優(yōu)選地由塑料形成而漂浮于該圓柱管道110中，以接觸氣體，該塑料的比重低于進(jìn)入到該圓柱管道110中的液體的比重。進(jìn)入該圓柱管道110中的大部分液體是水，而甲醇的比重為0.79，因此該液體的比重接近于1。因?yàn)榇蟛糠炙芰系谋戎匦∮谒?，故可以使用大部分塑料?lái)形成該珠子210。該珠子210優(yōu)選由比重為0.95或更小的塑料形成。
具有蜂窩結(jié)構(gòu)(未示出)的塑料可以用作該液體吸收部件。
除了珠子210減少流經(jīng)氣體提取部件115的蒸汽狀態(tài)的水或液體燃料的數(shù)量之外，根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的氣液分離器200的操作與圖4的氣液分離器100基本相同。
如上所述，當(dāng)氣液分離器應(yīng)用到移動(dòng)式直接供液燃料電池上時(shí)，其中氣液分離器的位置可以隨時(shí)變化，根據(jù)本發(fā)明的氣液分離器分離液體和氣體，而無(wú)需考慮氣液分離器的位置。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體示出和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不脫離由隨后權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種氣液分離器，其容納來(lái)自直接供液燃料電池的液體和氣體并分離該液體和氣體以進(jìn)行排放，包括管道，在其側(cè)壁上具有開(kāi)口部分；液體提取部件，其選擇性地傳送該管道中的液體并且設(shè)置在該管道的兩端；氣體提取薄膜，其選擇性地傳送該氣體并且覆蓋該開(kāi)口部分；入口，其將該液體和該氣體導(dǎo)入該管道中；腔體，其圍繞液體提取部件的外側(cè)；和出口，其通過(guò)連接至該腔體而將該腔體中的液體導(dǎo)向外側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣液分離器，其中該液體提取部件是具有100μm或更小的孔的第一部件。
3.如權(quán)利要求2所述的氣液分離器，其中該液體提取部件還包括第二部件，該第二部件具有直徑大于第一部件孔的孔，該第二部件相對(duì)于該第一部件與管道中的液體相對(duì)地位于該第一部件上。
4.如權(quán)利要求3所述的氣液分離器，其中該第二部件填充該腔體。
5.如權(quán)利要求1所述的氣液分離器，其中該氣體提取薄膜由聚四氟乙烯形成。
6.如權(quán)利要求5所述的氣液分離器，其中該氣體提取薄膜通過(guò)由多孔強(qiáng)化部件壓制聚四氟乙烯而形成。
7.如權(quán)利要求1所述的氣液分離器，其中該分離器還包括該管道內(nèi)的液體吸收部件。
8.如權(quán)利要求7所述的氣液分離器，其中該液體吸收部件是具有預(yù)定直徑的珠子。
9.如權(quán)利要求8所述的氣液分離器，其中該液體吸收部件的比重為0.95或更小。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于直接供液燃料電池的氣液分離器。該氣液分離器包括管道，在其側(cè)壁上具有開(kāi)口部分；液體提取部件，其選擇性地傳送該管道中的液體并且設(shè)置在該管道的兩端上；氣體提取薄膜，其選擇性地傳送該氣體并且覆蓋該開(kāi)口部分；入口，其將該液體和氣體導(dǎo)入該管道中；腔體，其圍繞該液體提取部件的外側(cè)；和出口，其通過(guò)連接至該腔體而將該腔體中的液體導(dǎo)向外側(cè)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1885606SQ20061007719
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者姜尚均, 羅小兵, 孫東岐, 金惠慶 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社