[发明专利]用于直接甲醇燃料电池的分离器

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求对于2007年2月6日提交的欧洲专利申请No.07101794.1和于2008年1月29提交的韩国专利申请No.10-2008-0009021的权益，这两个申请的全部公开内容通过引用被并入本文。

技术领域

本发明涉及用于直接甲醇燃料电池的分离器，更具体地，涉及一种用于分离直接甲醇燃料电池的气体/液体混合物的分离器。

背景技术

燃料电池是将连续供给的燃料与氧化剂的化学反应能转化为电能的原电池。通常，燃料电池包括由膜或由电介质分离的两个电极。阳极被例如氢、甲烷或甲醇的燃料流包围，并且，燃料在其中被氧化。阴极被例如氧气、过氧化氢或硫氰酸钾的氧化剂流包围，氧化剂在阴极被还原。根据燃料电池的类型，用于实现单一组分的材料可进行不同的选择。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种在低至大约60-120℃的温度范围中可工作的低温燃料电池。这种类型的电池使用聚合体膜作为电介质。甲醇(CH₃OH)，不经过预先重整而与水一起被直接提供至阳极并在此处氧化。二氧化碳(CO₂)在阳极形成为废气。作为氧化剂提供至阴极的大气氧与H⁺离子和电子反应而形成水。DMFC的有利之处在于，使用液态、易存储、且很便宜的能源源，该能源源例如可分布在塑料盒中。此外，用于甲醇的大量相关基础设施已经存在于诸多领域中，例如，作为抗冻添加剂用于机动车辆的挡风玻璃衬垫流体中。根据设计，这种类型的燃料电池可提供的能量范围为从几mW至几百kW。特别地，DMFC作为电子设备中传统蓄电池的替代物和补充物适合于便携式使用。典型使用领域为通讯中的应用和笔记本电脑的电源。

在阳极催化剂上的甲醇的氧化逐步进行，并且将论述具有不同中间产物的不同反应途径。为了保持燃料电池的高效，需要从电极周围区域快速去除反应产物。由于所遇到的温度和构成基本要素的化学状态，形成了CO₂、水、水蒸气和未反应甲醇的液体/气体混合物。水和甲醇应从该液体/气体混合物中重新获取，从而尽可能长时间地保持系统的自足。进一步地，CO₂必须从平衡中去除，这通过CO₂分离器实现。在调节甲醇浓度后，为了向阳极重新供给液体燃料混合物，CO₂必须从该液体/气体混合物中去除。气体的分离通过CO₂分离器实现。

类似地，在阴极形成液体/气体混合物，包括未消耗的空气、水和水蒸气。为了实现系统的长时间自足，尽可能多的水必须与空气分离并重新供给到阳极循环中。为此目的，热交换器被设置在燃料电池的阴极出口的下游，以冷却所述混合物而实现水蒸气的冷凝。

设置在热交换器的下游的是空气分离器，用于将空气流与液态水分离，从而将水重新供到阳极循环中。

因此，分离器主要用于水处理和从平衡中去除CO₂。通常，分离器实现为分立单元的形式，其通过通常用于这种液体/气体混合物的供给管路而与实际的燃料电池相连。空间距离也导致温度梯度，并且水从逐渐冷却的液体/气体混合物中冷凝。传统的分离器分离液态与气态或汽态组分的相混合物，将气态或汽态组分释放到环境中。本发明也致力于这个问题。

以一种众所周知的方式，用于分离液体/气体混合物的分离器包括多孔膜。多孔膜的内侧朝向液体/气体混合物，且其外侧接触环境。进一步地，这种膜通常涂覆有疏水材料或由疏水材料形成。扩散通道从膜的内侧延伸至膜的外侧，扩散通道的尺寸使得位于内侧的(液态)水不能渗透，而气体能扩散到外侧。

现有技术中的分离器用于将液体/气体混合物传送到邻近于可透气膜的腔中。腔的容积和膜的相对位置取决于操作过程中分离器的定向和预期液体/气体混合物的体积。腔的容积如此设置，使得进入腔内的液体/气体混合物在整体上可在整个腔的容积中分离成气相和液相。膜被设置为邻近腔的顶部，并在受控操作过程中接触气相。液相在底部被排放。这种分离器的充足功能只有当遵守分离器的空间朝向时才被维持。分离器从其竖直位置的倾斜最大不应大于几度，以使得气相连续接触膜。不过，这种正好适于燃料电池的移动使用的情况表现出局限性。