DE102007032807A1 - Mixer for direct methanol gas cell system in mobile electronic device, has measuring points formed symmetrically in proximity of center of gas separating device away from center, and are provided on same symmetry plane of device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Mischer und Gas-/Flüssigkeitstrennvorrichtung für die Trennung eines Gas-/Flüssigkeitsgemisches einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) und ein entsprechendes Füllstandsmesssystem.The This invention relates to a combined mixer and gas / liquid separator for the separation of a gas / liquid mixture a direct methanol fuel cell (DMFC) and a corresponding Level measurement system.
Technischer Hintergrund und Stand der TechnikTechnical background and State of the art
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, Methan oder Methanol, umspült und der Brennstoff wird dort oxidiert. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel umspült, zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Kaliumthiocyanat, das an der Elektrode reduziert wird. Die zur Realisation der einzelnen Komponenten verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich zu wählen.A Fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical reaction energy a continuously supplied fuel and a Oxidizing agent converts into electrical energy. A fuel cell usually consists of two electrodes passing through a membrane or an electrolyte are separated from each other. The anode will with the fuel, for example hydrogen, methane or methanol, lapped and the fuel is oxidized there. The cathode is lapped with the oxidizing agent, for example oxygen, Hydrogen peroxide or potassium thiocyanate, which reduces at the electrode becomes. The ones used to realize the individual components Materials vary depending on the fuel cell type choose.
Kompakte Direktmethanol-Brennstoffzellensysteme (DMFC) sind momentan im Fokus der Entwicklung in vielen Elektronikunternehmen. Es wird erwartet, dass sie die Leistungsversorgung von mobilen Elektronikvorrichtungen ersetzen oder verändern, da sie längere Bedienzeiten und ein schnelleres Aufladen ermöglichen. Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC; direct methanol fuell cell) sind Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen, die schon bei Temperaturen im Bereich von ca. 60–120°C arbeiten. Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Polymermembran. Methanol (CH3OH) wird ohne vorherige Reformierung zusammen mit Wasser direkt der Anode zugeführt und dort oxidiert. An der Anode entsteht als Abgas Kohlendioxid (CO2). Der der Kathode als Oxidationsmittel zugeführte Luftsauerstoff reagiert mit H+-Ionen und Elektroden zu Wasser. Der Vorteil der DMFC liegt in der Verwendung eines flüssigen, sehr leicht speicherbaren und überaus billigen Energieträgers, der zum Beispiel in Kunststoffpatronen verbreitet werden kann. Zudem existiert eine weit verzweigte Infrastruktur für Methanol bereits in vielen Bereichen, zum Beispiel durch die Verwendung als Frostschutzzusatz im Scheibenwischerwasser für Kraftfahrzeuge. Dieser Brennstoffzellentyp kann – je nach Auslegung – Leistungen im Bereich von einigen mW bis einigen 100 KW erbringen. DMFCs eignen sich insbesondere für den portablen Einsatz in elektronischen Geräten als Ersatz und Ergänzung zu herkömmlichen Akkumulatoren. Typische Einsatzgebiete liegen in der Telekommunikation und der Energieversorgung von Notebooks.compact Direct methanol fuel cell systems (DMFC) are currently in focus the development in many electronics companies. It is expected, that they power the power of mobile electronic devices replace or change because they have longer service times and allow faster charging. Direct methanol fuel cells (DMFC) are low-temperature fuel cells, even at temperatures in the range of approx. 60-120 ° C work. As the electrolyte, this cell type uses a polymer membrane. Methanol (CH3OH) is combined with water without prior reforming supplied directly to the anode and oxidized there. At the anode arises as exhaust gas carbon dioxide (CO2). The cathode as the oxidant supplied oxygen reacts with H + ions and electrodes to water. The advantage of DMFC lies in the use of a liquid, very easily storable and extremely cheap energy source, which can be disseminated for example in plastic cartridges. moreover There is a widely branched infrastructure for methanol already in many areas, for example by using as Antifreeze additive in windshield wiper water for motor vehicles. This fuel cell type can - depending on the design - services ranging from a few mW to a few 100 KW. DMFCs are suitable especially for portable use in electronic Equipment as a replacement and supplement to conventional Accumulators. Typical applications are in telecommunications and the power supply of notebooks.
Die Oxidation des Methanols am Katalysator der Anode erfolgt stufenweise, wobei mehrere Reaktionswege mit unterschiedlichen Zwischenprodukten in der Diskussion stehen. Um die Effizienz der Brennstoffzelle hochzuhalten, ist es erforderlich, die Reaktionsprodukte rasch aus der Umgebung der Elektrode zu entfernen. Aufgrund der herrschenden Temperaturen und des zugrunde liegenden Chemismus entsteht ein Flüssig/Gas-Gemisch aus CO2, Wasser, Wasserdampf und nicht umgesetztem Methanol. Aus diesem Flüssig/Gas-Gemisch muss das CO2 abgetrennt werden, um nach Einjustierung der Methanolkonzentration die flüssige Brennstoffmischung erneut der Anode zuzuführen. Die Abtrennung der Gase geschieht mit Hilfe eines CO2-Separators.The Oxidation of the methanol at the catalyst of the anode takes place stepwise, being multiple reaction pathways with different intermediates in the discussion. To uphold the efficiency of the fuel cell, It is necessary to rapidly remove the reaction products from the environment remove the electrode. Due to the prevailing temperatures and the underlying chemistry creates a liquid / gas mixture from CO2, water, water vapor and unreacted methanol. Out this liquid / gas mixture, the CO2 must be separated, after adjustment of the methanol concentration, the liquid Re-fuel mixture to the anode. The separation The gases are produced with the help of a CO2 separator.
An der Kathode bildet sich aus nicht verbrauchter Luft, Wasser und Wasserdampf ebenfalls ein Flüssig/Gas-Gemisch. Um eine lange Autarkie des Systems zu erreichen, muss ein möglichst großer Teil des Wassers von der Luft abgetrennt und in den Anodenkreislauf zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck ist ein Wärmetauscher hinter dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle angeordnet, um das Gemisch zu kühlen und so eine Kondensation des Wasserdampfes zu erreichen.At the cathode is formed from unused air, water and water Water vapor also a liquid / gas mixture. To one To achieve long autarky of the system, one must as possible much of the water is separated from the air and in be returned to the anode circuit. To this The purpose is a heat exchanger behind the cathode outlet the fuel cell arranged to cool the mixture and to achieve a condensation of the water vapor.
Dem Wärmetauscher nachgelagert ist ein Luftseparator angeordnet, der den Luftstrom vom flüssigen Wasser abtrennt, um das Wasser wieder in den Anodenkreislauf zurückzuführen. Die Separatoren dienen demnach vornämlich dem Wassermanagement und der Entfernung von CO2 aus dem Gleichgewicht. Herkömmliche Separatoren trennen das Phasengemisch aus flüssigen und gas- beziehungsweise dampfförmigen Komponenten, wobei die gas- beziehungsweise dampfförmigen Komponenten an die Umgebung abgegeben werden.the Downstream heat exchanger is arranged an air separator, which separates the air flow from the liquid water to the Return water back to the anode circuit. Accordingly, the separators are primarily used for water management and the removal of CO2 from the equilibrium. conventional Separators separate the phase mixture from liquid and gas or vapor components, wherein the Gas or vaporous components to the environment be delivered.
Die Separatoren oder Abscheider dienen demnach vornämlich dem Wassermanagement und der Entfernung von CO2 aus dem Gleichgewicht. Sie werden zumeist als separate Einrichtungen verwirklicht, die mit der eigentlichen Brennstoffzelle jeweils über eine für das Flüssig/Gas-Gemisch gängige Zuleitung verbunden ist. Dieser räumliche Abstand bedingt auch einen Temperaturgradienten und aus dem sich langsam abkühlenden Flüssig/Gas-Gemisch kondensiert Wasser aus. Herkömmliche Separatoren trennen das Phasengemisch aus flüssigen und gas- beziehungsweise dampfförmigen Komponenten, wobei die gas- beziehungsweise dampfförmigen Komponenten an die Umgebung abgegeben werden. Auch die vorliegende Erfindung setzt hier an.The separators or separators are thus primarily the water management and the removal of CO2 out of balance. They are usually realized as separate facilities, which is connected to the actual fuel cell in each case via a common for the liquid / gas mixture supply line. This spatial distance also causes a temperature gradient and from the slowly cooling liquid / gas mixture condenses water. Conventional separators separate the phase mixture from liquid and gas or vapor components, wherein the gaseous or vaporous components are released to the environment. The present invention also starts here.
Bekannt ist, einen Separator zur Trennung des Flüssig/Gas-Gemisches mit einer porösen Membran auszustatten. Die poröse Membran ist mit ihrer Innenseite dem Flüssig/Gas-Gemisch zugewandt und ihre Außenseite steht mit der Umgebung in Kontakt. Weiterhin sind derartige Membranen in der Regel mit hydrophoben Materialien beschichtet oder bestehen aus diesen. Von der Innenseite der Membran erstrecken sich Diffusionskanäle zur Außenseite, die so dimensioniert sind, dass an der Innenseite befindliches (flüssiges) Wasser nicht eindringen, jedoch Gas nach Außen diffundieren kann.Known is a separator for separating the liquid / gas mixture equipped with a porous membrane. The porous one Membrane is with its inside the liquid / gas mixture facing and its outside communicates with the environment in Contact. Furthermore, such membranes are usually hydrophobic Materials coated or consist of these. From the inside the membrane extend diffusion channels to the outside, which are dimensioned so that on the inside (liquid) Water does not penetrate, but diffuse gas to the outside can.
Bei den Separatoren oder Abscheidern des Standes der Technik wird das Flüssig/Gas-Gemisch in einen Hohlraum verbracht, der an die gaspermeable Membran grenzt. Ein Volumen des Hohlraums und eine relative Lage der Membran richten sich nach der Orientierung des Separators im Betrieb und den zu erwartenden Volumina an Flüssig/Gas-Gemisch. Das Volumen des Hohlraums wird so vorgegeben, dass sich das Flüssig/Gas-Gemisch nach Eintritt in den Hohlraum in eine Gas- und Flüssigphase separieren kann und diese dann über das gesamte Volumen des Hohlraums voneinander getrennt vorliegen. Die Membran wird so angeordnet, dass sie an eine Oberseite des Hohlraums grenzt, die im geregelten Betrieb mit der Gasphase in Kontakt steht. An der Unterseite wird die Flüssigphase abgeführt. Eine hinreichende Funktionalität derartiger Separatoren ist jedoch nur dann gewahrt, wenn die Ausrichtung des Separators im Raum beachtet wird. Der Separator darf allenfalls um wenige Grade aus seiner aufrechten Position verschwenkt werden, damit die Gasphase weiterhin an der Membran anliegt. Gerade für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen ist dieser Umstand jedoch limitierend.at the separators or separators of the prior art is the Liquid / gas mixture spent in a cavity at the the gas-permeable membrane is adjacent. One volume of the cavity and one relative position of the membrane depend on the orientation of the Separators in operation and the expected volumes of liquid / gas mixture. The volume of the cavity is set so that the liquid / gas mixture after entering the cavity into a gas and liquid phase can separate and then over the entire volume of the cavity are separated from each other. The membrane will be like this arranged to abut an upper side of the cavity, the is in regular operation with the gas phase in contact. At the Bottom, the liquid phase is discharged. A however, sufficient functionality of such separators is only if the orientation of the separator in the room is taken into account becomes. At most, the separator may be out of its upright position by a few degrees Be pivoted position, so that the gas phase continues at the Membrane rests. Especially for the mobile use of fuel cells However, this circumstance is limiting.
Ein
mögliches Ausführungsbeispiel einer kombinierten
CO2- und Wasser-Trennvorrichtung is in
Der Nachteil dieser Lösung ist, dass sie nicht orientierungsunabhängig ist, da Flüssigkeit durch den Gasauslass des Separationsraumes verloren gehen würde, wenn er auf den Kopf gestellt werden würde. Ferner ist der Aufbau sehr kompliziert, da eine Brennstoff/Wasser-Zurückgewinnungsvorrichtung stromabwärts benötigt wird, um einen hohen Wasserstand und Brennstoffverlust im System zu vermeiden.Of the The disadvantage of this solution is that it is not orientation-independent is because liquid through the gas outlet of the separation space would be lost if turned upside down would. Furthermore, the structure is very complicated, as a Fuel / water recovery device needed downstream is going to be a high water level and fuel loss in the system to avoid.
Ein
anderes Ausführungsbeispiel einer kombinierten CO2- und Wasser-Separationsvorrichtung is in
Ferner sind für den Betrieb von mobilen elektronischen Vorrichtungen kompakte DMFC-Systeme notwendig, die zusätzlich in unterschiedlichen Orientierungen arbeiten müssen.Further are for the operation of mobile electronic devices compact DMFC systems necessary in addition to different Orientations must work.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Gas-/Flüssigkeits-Separator eines DMFC-Systems anzugeben, welches die Funktion des Systems in einem größeren Bereich von Orientierungen des Systems erlaubt.It is therefore an object of the invention, a gas / liquid separator of a DMFC system indicating the function of the system in a wider range of orientations of the Systems allowed.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.
Demzufolge
ist wird ein Mischer mit integrierter Gasabscheidevorrichtung (
einen Tank, einen Gas-/Flüssigkeits-Einlass
zum Empfang eines Gas-/Flüssigkeits-Stromes, einen Flüssigkeitsauslass,
der an einer ersten Seite der Vorrichtung angeordnet ist, einen
Gasauslass, ausgebildet durch eine gasselektive Membran, die eine
zweite Seite der Vorrichtung bedeckt, eine innere Wand, angeordnet über dem
Flüssigkeitsauslass zwischen dem Gas-/Flüssigkeits-Einlass
und dem Flüssigkeitsauslass, derart, dass Gasbläschen
davon abgehalten werden, den Flüssigkeitsauslass direkt
zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstandsmesssystem
im Tank angeordnet ist, welches wenigstens ein Paar von Messpunkten zur
Bestimmung eine Flüssigkeitsstandes umfasst, so dass sichergestellt
wird, dass mehr als die Hälfte des Innenvolumens des Tanks
mit Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Messpunkte
in der Nähe des Zentrums der Vorrichtung symmetrisch vom
besagten Zentrum entfernt angeordnet sind, und auf der selben Symmetrieebene der
Vorrichtung bereitgestellt sind.Accordingly, there is a mixer with integrated gas separation device (
a tank, a gas / liquid inlet for receiving a gas / liquid stream, a liquid outlet disposed on a first side of the apparatus, a gas outlet formed by a gas-selective membrane covering a second side of the apparatus, an inner wall disposed over the liquid outlet between the gas / liquid inlet and the liquid outlet such that gas bubbles are prevented from reaching the liquid outlet directly, characterized in that a level measuring system is arranged in the tank comprising at least one pair of Measuring points for determining a liquid level comprises, so as to ensure that more than half of the internal volume of the tank is filled with liquid, the measuring points are arranged in the vicinity of the center of the device symmetrically away from said center, and on the same plane of symmetry Device are provided.
Vorteilhafterweise stellt die Platzierung des Füllstandsmesssystems symmetrisch entfernt vom Zentrum der Vorrichtung die Arbeit des Systems in einem größeren Bereich von Orientierungen sicher, d. h. bis zu 90° von der vertikal aufrechten Orientierung.advantageously, makes the placement of the level measurement system symmetrical away from the center of the device the work of the system in one wider range of orientations, d. H. up to 90 ° from the vertical upright orientation.
Der Flüssigkeitsauslass kann auf der gegenüberliegenden Seite der Seite angeordnet sein, die den Gasauslass umfasst. Der Flüssigkeitsauslass kann ferner am Boden der Vorrichtung angeordnet sein, der Gasauslass an der Oberseite der Vorrichtung, und der Gas-/Flüssigkeits-Einlass kann in einem oberen Teilbereich einer Seitenfläche der Vorrichtung angebracht sein. Der Flüssigkeitsauslass kann im Zentrum des Bodens der Vorrichtung angeordnet sein.Of the Fluid outlet can be on the opposite Side of the page, which includes the gas outlet. Of the Fluid outlet may also be at the bottom of the device be arranged, the gas outlet at the top of the device, and the gas / liquid inlet may be in an upper Part of a side surface of the device attached be. The liquid outlet can be in the center of the soil be arranged of the device.
Bevorzugt besteht besagte Membran aus PTFE und kann eine Dicke von 100 bis 300 μm aufweisen.Prefers said membrane is made of PTFE and can have a thickness of 100 to 300 microns have.
Eine innere Wand kann zwischen dem Einlass und dem Füllstandsmesssystem angeordnet sein, wobei der Einlassstrom gegen die besagte innere Wand geführt wird, um eine stabile Füllstandsmessung zu gewährleisten.A inner wall can between the inlet and the level measuring system be arranged, wherein the inlet stream against the said inner Wall is guided to a stable level measurement to ensure.
Das Füllstandsmesssystem kann als eine leitendende Füllstandsmessvorrichtung ausgebildet sein, welche ein Messsignal nur dann bereitstellt, wenn beide Messpunkte des mindestens einen Paares von Messpunkten in Flüssigkeit eingetaucht sind. Das Füllstandsmesssystem kann zwei leitende Röhren umfassen, die entsprechend je einen Kontaktpunkt aufweisen, wobei sich die Röhren parallel zu und entfernt von einer ersten Symmetrieebene des Tanks erstrecken und die Kontaktpunkte symmetrisch entfernt von einer zweiten Symmetrieebene des Tanks und symmetrisch entfernt von einer dritten Symmetrieebene des Tanks angeordnet sind. Die Konktaktpunkte können an den Enden der jeweiligen Röhren angeordnet sein.The Level measuring system can be used as a conductive level measuring device be formed, which provides a measurement signal only if both measuring points of the at least one pair of measuring points in Liquid are immersed. The level measuring system may comprise two conductive tubes, each correspondingly have a contact point, wherein the tubes are parallel extend to and away from a first plane of symmetry of the tank and the contact points symmetrically away from a second plane of symmetry of the tank and symmetrically away from a third plane of symmetry of the tank are arranged. The contact points can be be arranged at the ends of the respective tubes.
Die erste Symmetrieebene kann die horizontale Symmetrieebene in der xy-Ebene sein, die zweite Symmetrieebene die vertikale Symmetrieebene in der yz-Ebene, und die dritte Symmetrieebene die Ebene der xz-Ebene.The first plane of symmetry may be the horizontal plane of symmetry in the xy plane, the second plane of symmetry the vertical plane of symmetry in the yz plane, and the third plane of symmetry is the plane of the xz plane.
Die symmetrische Entfernung der Kontaktpunkte von der dritten Symmetrieebene kann dadurch erreicht werden, dass die Röhren mit einer unterschiedlichen Länge ausgebildet sind.The symmetrical removal of the contact points from the third plane of symmetry can be achieved by connecting the tubes with a different length are formed.
Der Gas-/Flüssigkeitsstrom kann von einer DMFC-Anode zugeführt werden.Of the Gas / liquid flow may be supplied from a DMFC anode become.
Zusätzlich ist gemäß der Erfindung ein leitendes Füllstandsmesssystem zur Bestimmung eines Füllstandes in einem prismatischen Behälter angegeben. Das System umfasst wenigstens ein paar von Messpunkten zur Bestimmung eines Füllstandes, wobei die Messpunkte in der Umgebung des Zentrums der Vorrichtung angeordnet sind, symmetrisch entfernt von besagtem Zentrum, und auf der selben Symmetrieebene der Vorrichtung.additionally is according to the invention, a conductive level measuring system for determining a filling level in a prismatic Container specified. The system includes at least a few of measuring points for determining a level, wherein the measuring points are arranged in the vicinity of the center of the device are symmetrically away from said center, and on the same Symmetry plane of the device.
Das Füllstandsmesssystem kann zwei leitende Röhren umfassen, die entsprechend je einen Kontaktpunkt aufweisen, wobei sich die Röhren parallel zu und entfernt von einer ersten Symmetrieebene des Tanks erstrecken und die Kontaktpunkte symmetrisch entfernt von einer zweiten Symmetrieebene des Tanks und symmetrisch entfernt von einer dritten Symmetrieebene des Tanks angeordnet sind.The Level gauge can have two conductive tubes comprise, each corresponding to a contact point, wherein the tubes are parallel to and away from a first Symmetrieebene of the tank extend and the contact points symmetrical away from a second symmetry plane of the tank and symmetrically are arranged away from a third plane of symmetry of the tank.
Die Konktaktpunkte können an den Enden der jeweiligen Röhren angeordnet sein.The Konktaktpunkte can at the ends of the respective tubes be arranged.
Die erste Symmetrieebene kann die horizontale Symmetrieebene in der xy-Ebene sein, die zweite Symmetrieebene die vertikale Symmetrieebene in der yz-Ebene, und die dritte Symmetrieebene die Ebene der xz-Ebene.The first plane of symmetry may be the horizontal plane of symmetry in the xy plane, the second plane of symmetry the vertical plane of symmetry in the yz plane, and the third plane of symmetry the plane of symmetry x-z plane.
Die symmetrische Entfernung der Kontaktpunkte von der dritten Symmetrieebene kann dadurch erreicht werden, dass die Röhren mit einer unterschiedlichen Länge ausgebildet sind.The symmetrical removal of the contact points from the third plane of symmetry can be achieved by connecting the tubes with a different length are formed.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf Ausführungsbeispiele der Erfindung und die entsprechenden Zeichnungen näher beschrieben werden.The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments the invention and the corresponding drawings in more detail to be discribed.
Ein
DMFC-System ist, wie in
Der
Fluss oder Strom gelangt in die kombinierte Mischer- und Gas-Abscheidevorrichtung
im oberen Teil der Vorrichtung. Die innere Wand
Diese
Membran
Der
Flüssigkeitsinhalt des Tanks wird durch eine Füllstandsmessvorrichtung
Da
der Flüssigkeitsstand so ausgebildet ist, dass er größer
als die Hälfte des im Mischer beinhalteten Volumens ist,
ist der Flüssigkeitsauslass
Das
Füllstandsmesssystem
Die
Orientierungsunabhängigkeit ist in
In
Die
zwei leitenden Röhren
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - US 6110613 [0010] US 6110613 [0010]
- - EP 1383191 A1 [0012] - EP 1383191 A1 [0012]
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