CN109361003A - 一种燃料电池用控湿分水器 - Google Patents

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王习鹏
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Abstract

本发明公开一种燃料电池用控湿分水器，包括中空的气液分离罐，位于该气液分离罐上的电堆尾气进口和电堆尾气出口，以及伸入所述气液分离罐内腔中的中空加压冷却机构；所述电堆尾气进口和电堆尾气出口与所述气液分离罐的内腔连通，冷却液进出口与中空加压冷却机构内部相通，且电堆尾气进口和电堆尾气出口开口处的口径小于所述气液分离罐的内径。本发明的分水器中由于变径促使气压的变化，加压冷却机构降低电堆尾气的露点，使气体中的水蒸气过饱和而出现液化，液化后的水分由于重力的作用，滴落至气液分离罐的底部，实现尾气中的水分分离，加压机构通过转动给汽水分离过的尾气进行加压，加压的压差可以通过加压机构转速进行控制。

Description

一种燃料电池用控湿分水器
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及燃料电池尾气排出口用的分水器的设计。
背景技术
燃料电池是将氢气的化学能转化为电能的装置，其优点是产物是水，零排放无污染，噪音低，转化效率高。工作温度可在低温环境下运行，是移动电源和基站电源和固定电源的首选。
燃料电池是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成。由于聚合物膜燃料电池单片电压低，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。目前的燃料车用燃料电池系统基本上都是由燃料电池电堆、增湿器、气体缓冲罐、启动电源、气体回收利用装置、气体压力与流量控制模块、系统控制模块、分水器、冷却系统控制模块以及电力转换模块等BOP配件和模块组成。
其中分水器的作用，是将从电堆内部出来的尾气中的水蒸气分离出来，使未反应的气体进入到气体回收利用装置(回流泵或循环喷射器)中，并重新进入电堆。在目前的技术条件下，气体回收利用装置对进入该设备的气体湿度非常敏感，只要有水分进入这类设备，就会对该设备的使用寿命造成影响。这一问题也是目前燃料电池市场化进展较慢的原因之一。为了解决这一问题，在电堆的尾气出口和气体回收利用装置之间布置一分水器是比较普遍被采用的方案，但传统的分水器的存在以下缺点：1、分水效果差，不能有效地把尾气中的水分分离出来，仍然会造成气体回收利用装置等寿命衰减严重；2、分水器的阻力大，易造成电堆出口不畅，导致电堆内部堵水，影响电堆性能；3、不能根据电堆的运行要求进行调节分水效果与湿度。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种带有气体加压和冷却功能，并能根据需求自动调节分水量、控制气体湿度的燃料电池用分水器，在不影响电堆排气排水的前提下，减少水分对气体回收利用装置的寿命损害。
技术方案：本发明所述燃料电池用控湿分水器，包括气液分离罐，位于该气液分离罐上的电堆尾气进口和电堆尾气出口，以及伸入所述气液分离罐内腔中的加压冷却机构；
所述电堆尾气进口和电堆尾气出口与所述气液分离罐的内腔连通，且电堆尾气进口和电堆尾气出口开口处的口径小于所述气液分离罐的内径；
所述加压冷却机构包括电机、加压杆和若干加压叶片，所述加压杆沿所述气液分离罐的轴向布置，加压杆在所述电机的驱动下转动，所述加压叶片安装在所述加压杆上，并与所述加压杆同步转动，增加所述气液分离罐内腔气压；
所述加压杆和加压叶片为中空结构，加压杆的两端分别设置有冷却液进口和冷却液出口，加压杆内腔与冷却液进口和冷却液出口连通，在所述加压冷却机构中形成冷却液流场对电堆尾气进行冷却。
本发明进一步优选地技术方案为，所述电堆尾气进口与冷却液出口位于气液分离罐的其中一端，所述电堆尾气出口与冷却液进口位于气液分离罐的另一端。
作为优选地，所述加压杆和气液分离罐同轴安装。
优选地，所述气液分离罐的下方还设置有储水罐，储水罐的底部设置有排水口，所述储水罐的内腔与所述气液分离罐的内腔连通，气液分离罐内的冷凝水排入所述储水罐，并由所述排水口排出。
优选地，所述气液分离罐与所述储水罐之间还设置有水流通槽，所述水流通槽连通所述气液分离罐与储水罐的内腔。
优选地，所述储水罐上还设置有液位传感器。
优选地，所述排水口为重力排水口或电磁感应排水口。
有益效果：（1）本发明的分水器中，未反应的电堆尾气从电堆尾气进口进入气液分离罐中，气液分离罐的体积和内径大于电堆尾气进口的体积和口径，由于变径造成气压的变化，使气体中的水蒸气过饱和而出现液化，液化后的水分由于重力的作用，滴落至气液分离罐的底部，实现尾气中的水分分离；本发明中在气液分离罐内设置加压冷却机构，对气液分离罐的内腔进行加压，使电堆尾气能够顺利从气液分离罐上的电堆尾气出口排出；本发明可以通过加压冷却机构的转速来控制分水器的气体压力和气体速度，以及冷凝水的析出量，从而实现根据电堆的运行需求，实时改变分水器的分水量，进而满足电堆的运行需求；
（2）本发明的气液分离罐中由加压杆内腔与冷却液进口和冷却液出口形成了冷凝机构，气体中的水分在分水器冷凝机构上迅速液化变成液态水，附着在冷凝器的表面，随着冷凝水量的增多，由于重力的作用，冷凝水滴落至气液分离罐的底部，同样的本发明可以通过改变冷却液的流速和温度调节电堆尾气的露点，改变凝水的析出量，进而调节分水器的分水量；
（3）本发明中在气液分离罐的下方设置了储水罐，储水罐不仅可以用来储存分离出的水分，同时，在排水时，还可以形成水封，在排水的过程不会有气体排出，提高了气体的利用率；
（4）本发明中设置水流通槽和液位传感器的作用均是为了控制储水罐内液位，防止气液分离罐的运行造成的储水罐的液位扰动，避免储水罐中水杯裹夹到电堆尾气出口排出。
附图说明
图1为本发明所述分水器的结构示意图；
图2为本发明所述分水器的内部结构示意图；
图3为本发明所述分水器的内部结构侧面图；
图中，1-电堆尾气进口；2-冷却液出口；3-电堆尾气出口；4-电机；5-冷却液进口；6-水流通槽；7-储水罐；8-液位传感器；9-重力排水口；10-加压杆；11-加压叶片；12-气液分离罐。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种燃料电池用控湿分水器，包括中空的气液分离罐12、水流通槽6和储水罐7。流通槽连通气液分离罐12与储水罐7的内腔。储水罐7上还设置有液位传感器8，底部设置有重力排水口9。
气液分离罐12上具有电堆尾气进口1、电堆尾气出口3、冷却液进口5和冷却液出口2。电堆尾气进口1和电堆尾气出口3开口处的口径小于气液分离罐12的内径。气液分离罐12上还设置了加压冷却机构。加压冷却机构包括电机4、加压杆10和若干加压叶片11，加压杆10为中空结构，加压杆10的内腔与冷却液进口5和冷却液出口2连通，形成冷却液流道，加压杆的管壁作为气液分离罐12内腔中管程和壳程的分隔，冷却液进口5和冷却液出口2与管程连通，电堆尾气进口1和电堆尾气出口3与壳程连通。电堆尾气进口1与冷却液出口2位于气液分离罐12的其中一端，电堆尾气出口3与冷却液进口5位于气液分离罐12的另一端。
加压杆10在电机4的驱动下转动，加压叶片11安装在加压杆10上，并与加压杆10同步转动，增加气液分离罐12内腔气压。气液分离罐12内的冷凝水排入储水罐7，并由重力排水口9排出。
具体工作原理是：未反应的电堆尾气从分水器的电堆尾气进口1进入分水器，分水器的气液分离罐12的体积远大于电堆尾气进口1的体积，由于变径造成气压的变化，使气体中的水蒸气由于过饱和而出现液化，另外，气液分离罐12内部设计有由加压杆、加压叶片，冷却液进口5和冷却液出口2形成的冷凝机构，气体中的水分在冷凝管上迅速液化变成液态水，附着在冷凝管的表面，随着冷凝水量的增多，由于重力的作用，水逐渐滴入到储水罐7中。随着储水罐7中水的增多，达到一定的位置，可以使用电磁阀进行排水，或者根据使用集液槽中的重力开关排水。可以根据电堆运行湿度的需求向冷凝管充入相应温度的冷却液，来调整电堆尾气中水分的析出量。气液分离罐12内尾气压低于电堆尾气出口3气压，再加上分水器内部结构和部件阻力，会造成气压继续降低，通过分水器中的加压冷却机构进行加压，可使尾气顺利排出。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种燃料电池用控湿分水器，其特征在于，包括中空的气液分离罐，位于该气液分离罐上的电堆尾气进口和电堆尾气出口，以及伸入所述气液分离罐内腔中的加压冷却机构；
所述电堆尾气进口和电堆尾气出口与所述气液分离罐的内腔连通，且电堆尾气进口和电堆尾气出口开口处的口径小于所述气液分离罐的内径；
所述加压冷却机构包括电机、加压杆和若干加压叶片，所述加压杆沿所述气液分离罐的轴向布置，加压杆在所述电机的驱动下转动，所述加压叶片安装在所述加压杆上，并与所述加压杆同步转动，增加所述气液分离罐内腔气压；
所述加压杆为中空结构，加压杆的两端分别设置有冷却液进口和冷却液出口，加压杆内腔与冷却液进口和冷却液出口连通，在所述加压冷却机构中形成冷却液流场对电堆尾气进行冷却。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述电堆尾气进口与冷却液出口位于气液分离罐的其中一端，所述电堆尾气出口与冷却液进口位于气液分离罐的另一端。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述加压杆和气液分离罐同轴安装。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述气液分离罐的下方还设置有储水罐，储水罐的底部设置有排水口，所述储水罐的内腔与所述气液分离罐的内腔连通，气液分离罐内的冷凝水排入所述储水罐，并由所述排水口排出。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述气液分离罐与所述储水罐之间还设置有水流通槽，所述水流通槽连通所述气液分离罐与储水罐的内腔。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述储水罐上还设置有液位传感器。
7.根据权利要求5所述的燃料电池用控湿分水器，其特征在于，所述排水口为重力排水口或电磁感应排水口。
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