一種直接液體燃料電池系統的製作方法

2023-05-13 23:32:51

本發明屬於燃料電池技術領域，具體涉及一種直接液體燃料電池系統。

背景技術：

燃料電池是一種通過電化學反應將化學能直接轉化為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高，環境友好等特點，被認為是21世紀首選的潔淨、高效的發電技術。

直接甲醇燃料電池是一種典型的直接液體燃料電池系統，它使用的燃料為甲醇，系統工作時膜電極在陽極上消耗水，在陰極上生成水，同時質子穿過質子交換膜時也會攜帶水。為了滿足可攜式設備對供電裝置的質量與體積的要求，追求更高的體積比能量、體積比功率一直是直接甲醇燃料電池系統研發的目標。

直接甲醇燃料電池系統可以分為電堆模塊、電控模塊、氣液分離模塊、供料模塊、散熱模塊這五大模塊。在系統運行過程中，甲醇在電堆的陽極發生氧化，生成二氧化碳，為了使系統穩定工作，二氧化碳必須在水熱分離模塊中被分離排放除去。空氣在陰極氧化生成水，質子穿過質子交換膜時攜帶的水，這些水必須回收利用才能使系統正常工作。由於系統工作溫度較高，為了充分的回收陰極的水，需要使用熱交換器對陰極排放物進行冷卻，從排放物中回收水供系統循環使用，釋放沒有完全反應的空氣。陽極和陰極都進行有效的氣液分離過程，系統才能正常穩定工作。

現有燃料電池系統氣液分離方式一般為陽極排出物利用重力或膜分離的方法分離出二氧化碳，陰極排出物先經過散熱器冷卻後，利用重力、離心分離或膜分離的方式回收水，排放空氣。陰極與陽極的分離過程分開進行，系統較為複雜，集成度不高，系統效率不高。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種直接液體燃料電池系統，該系統的氣液分離模塊使用新型氣液分離過程，採用該氣液分離模塊的系統具有更高的燃料利用率與穩定性。

一種直接液體燃料電池系統，包括燃料電池電堆、水熱管理單元、燃料供應單元和氣體供應單元，所述燃料供應單元經管路與燃料電池電堆陽極入口相連，為燃料電池電堆供應反應燃料，所述氣體供應單元經管路與燃料電池電堆陰極入口相連，為燃料電池電堆供應空氣和/或氧氣，所述水熱管理單元包括第一氣液分離器、第二氣液分離器和散熱裝置；

所述燃料電池電堆陽極氣液混合氣出口及陰極高溫氣體出口同時與所述第一氣液分離器入口相連通；所述第一氣液分離器氣體出口與所述散熱裝置待冷卻介質入口經管路相連；所述散熱裝置的被冷卻介質出口與所述第二氣液分離器入口經管路相連通；第二氣液分離器氣體出口放空；

所述燃料供應單元包括燃料罐、燃料混合罐、高濃度燃料供給泵和稀濃度燃料供給泵；所述燃料罐用於存儲純燃料或高濃度燃料；

所述第一氣液分離器液體出口、所述燃料罐出口及第二氣液分離器液體出口同時連接至高濃度燃料供給泵後與燃料混合罐相連通；所述燃料混合罐出口通過稀燃料供給泵經過管路將燃料混合罐中的稀溶液供給到電堆陽極入口。

所述燃料罐與所述燃料混合罐經帶流量控制部件的管路相連；所述第一氣液分離器液體出口和所述第二氣液分離器液體出口分別與所述燃料混合罐經管路相連通；所述燃 料混合罐用於回收第一氣液分離器和第二氣液分離器所分離的液態物質，同時用於存儲供燃料電池電堆反應所需的稀釋燃料。

所述第一氣液分離器或第二氣液分離器為重力分離器、離心分離器和膜分離器中的一種。

所述第一分離器優選為重力分離器，此時取消上述所述的燃料混合罐，採用第一分離器作為燃料供給單元中的燃料混合罐使用；

所述燃料罐出口及第二氣液分離器液體出口同時經高濃度燃料供給泵與第一氣液分離器底部相連通；所述第一氣液分離器液體出口通過稀燃料供給泵經過管路將燃料混合罐中的稀溶液供給到電堆陽極入口。

所述第二分離器優選為膜分離器。

所述流量控制部件為往復泵或迴轉泵中的一種。所述氣體供應單元為一氣泵或氧氣氣源。

所述散熱裝置為翅片式或管帶式散熱器中的一種。

所述的高濃度燃料供給泵出口安置在燃料混合罐出口附近；所述燃料為甲醇、乙醇、乙二醇、甲酸、二甲醚中的一種。

本發明優化了氣液分離過程，提高了系統效率與可靠性。第一，陰極排出物為水、水蒸氣、空氣的高溫混合物，傳統的氣液分離過程首先對陰極排出物進行冷卻，然後再對其進行氣液分離。水的比熱容較高，因此冷卻過程需要較多的能耗。新型氣液分離過程先將陽極和陰極排出物混合在一起，進行第一次氣液分離器，隨後對分離出的氣體進行冷卻。此種分離方式避免了對液態水的冷卻過程，可以降低系統的能耗。第二，如果氣液分離手段為膜分離時，此種分離方式可以減少膜分離過程中混合物中的水含量，提高膜分離的效率以及膜的耐久性，特別是第一分離器優選為重力分離器，所述第二分離器優選為膜分離器，此特點表現的更為突出；另外，此第一分離器還可以作為燃料供給單元中的燃料混合罐使用，將兩個功能部件集成到一起可以有效的降低系統的體積。第三，高濃度燃料供給泵出口安置在燃料混合罐出口附近時，加入的燃料可以快速的進入到電堆中；高濃度燃料經過與第二次氣液分離後的液體混合後再進入燃料混合器，該過程可以對燃料進行一定的稀釋，避免高濃度燃料直接進入電堆造成系統濃度波動較大；二者相結合可以有效的提高供給到電堆中的稀燃料濃度控制的準確性與快速性。

附圖說明

圖1本發明提出的新型氣液分離過程；

圖2現有技術的傳統的氣液分離過程。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例進一步說明本發明提出的直接甲醇燃料電池系統

實施例1

一種直接液體燃料電池系統，該系統使用甲醇作為燃料，該系統的氣液分離模塊使用新型氣液分離過程，如圖1所示。該氣液分離流程為電堆陽極排出物和陰極排出物首先混合在一起，利用重力分離方式分離出包含二氧化碳、水蒸氣和空氣的高溫混合氣；將該高溫混合氣通入換熱器中進行冷卻，冷卻後的混合物利用膜分離方法進行第二次氣液分離，回收液態水，排放空氣與二氧化碳，經過測試表明該系統的燃料利用率可以達到26.5％。採用如圖2所示的傳統的氣液分離分離過程，其他運行條件不變的情況下，系統的效率為23.5％。