[发明专利]一种燃料电池系统水管理组件

说明书

一种燃料电池系统水管理组件，包括燃料混合罐、旋流分离器、螺旋管换热器和重力分离器；所述旋流分离器和所述重力分离器分别置于所述燃料混合罐上方；所述螺旋管换热器置于所述重力分离器上方；所述燃料混合罐具有阳极物料入口和二氧化碳混合汽出口；所述旋流分离器包括阴极物料入口、阴极分离气体出口和阴极分离液体出口；所述重力分离器包括二氧化碳混合汽入口、二氧化碳气体出口和凝析液体出口；所述螺旋管换热器包括密封外部壳体和置于其内部的至上而下的螺旋管。本发明结构简单，不需要复杂的模具，阴极物料气液分离效果好，高浓度燃料与燃料混合罐内的水损失少。同时螺旋管换热器可以预热进入系统的空气，降低气泵的噪声。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统的水管理组件，尤其适用于以液体燃料进料的燃料电池系统的液体和气体的分离。

背景技术

燃料电池系统是将储存于燃料中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置，其中以液体燃料进料的燃料电池是将储存于燃料(甲醇、乙醇等)中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。与气体燃料相比，小分子液体燃料易于储备和运输，具有较高的能量转换效率，氧化反应产物主要为水和二氧化碳，是环境友好的绿色能源。

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，其具有结构简单、燃料不需要重整等优点，被认为是十分理想的小型化可移动电源之一，在便携式电源领域有广阔的应用前景。

在DMFC工作过程中，燃料在阳极电催化剂的作用下发生氧化反应，生成二氧化碳、质子、电子，质子通过电解质膜传递到阴极，电子通过外电路到达阴极，与到达阴极的氧气在阴极电催化剂的作用下发生还原反应，生成水。为满足便携式电源体积小、重量轻等方面的要求，DMFC系统通常采用纯甲醇进料，回收未反应的甲醇溶液以及阴极生成的水，对系统内的燃料浓度进行管理。这就需要一方面对阳极排出的混有二氧化碳的甲醇溶液进行分离，去除二氧化碳，循环利用未反应的燃料；另一方面对阴极产物进行分离，同时将分离出来的水返回到进入阳极的燃料中。传统的容器式气液分离器仅仅依靠气液相密度差实现重力分离，需要较长的停留时间，在气速较高的情况下分离效果较差，而且温度较高的二氧化碳会夹带一些水和甲醇排到系统外面，造成燃料利用效率的降低，同时也会危害使用者的安全。

[中国专利200710080128.3]介绍了一种气液分离器及其燃料电池系统，气液分离器主要由表面具有一个或多个开口的燃料导管、设置于燃料管开口部分的气液分离膜组成。这种气液分离器通过气液分离膜来去除未反应燃料中的二氧化碳，但不适合用于阴极产物的分离。如果燃料电池系统的功率较大，产生的二氧化碳较多，需要气液分离膜的面积足够大才能及时的分离出二氧化碳气体。

[欧洲专利EP2226883B1]介绍了一种燃料电池系统，包括第一气液分离器、第一换热器、第二气液分离器、混合器、第二换热器等部件，第一气液分离器同时收集电堆阳极出口物料和阴极出口物料，将两种物料混合在一起，通过离心泵、电渗泵或者分离膜将混合物中的气体与液体分离，然后分离出来的液体进入混合器，从第一分离器出来的气体进入第一换热器进行冷却。从第一换热器出来的混合物再进入第二分离器进行分离。离心泵、电渗泵都需要额外的电能，电渗泵、分离膜的分离效果容易受到蒸汽的影响。将电堆阴极出口物料与阳极出口物料混合在一起，容易造成一些阳极生成的二氧化碳气体溶解在阴极生成的水中，不利于二氧化碳气体的分离。

[中国专利201210563139.8]介绍了一种气液分离器及其应用，这种分离器有一个密闭的外壳体，内部设有固定气体分离膜的内框架，内框架由两层带孔的塑料板热压合而成，气体分离膜夹在两层塑料板中间，依靠气体分离膜来分离二氧化碳。内框架内部为储液腔，存储甲醇溶液。液体排出管在内框架里面的端口处于内框架的几何中心或者靠近几何中心的区域。气体分离膜的强度有限，如果储液腔内压力较高，或者受到冲击等异常情况，容易损坏气体分离膜，进而造成分离功能失效或者液体泄漏。这种气液分离器也不适合用于阴极产物的分离。

发明内容