CN111048805B - 一种燃料电池发动机氢水分离装置总成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，属于分离装置领域。本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成包括：氢水分离器分离本体、离子吸附层、电加热器、温度感应探头、控制器、复合保温层以及流道板。燃料电池发动机在运行过程中，所产生的水和汽会通过阴极渗透到阳极侧，所产生的热量传递到阳极侧，此时的热量需要反复利用，保证氢气与水汽有一定适宜的温度，能够更好的参与电堆内部的化学反应。与此同时，反应中的生成的水和汽具有一定的酸性和导电离子，需要离子吸附剂进行一定的酸性中和与去离子化，保证系统平稳的运行。本发明从氢水分离、温度、去离子化、去酸性化的角度达到了燃料电池发动机的可靠性和动力性的目的。

Description

一种燃料电池发动机氢水分离装置总成
技术领域
本发明涉及一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，属于分离装置领域。
背景技术
燃料电池汽车基本不产生二氧化碳，作为新一代新能源汽车，发动机的优化及关键零部件的设计与开发能够让燃料电池发动机可靠性、耐久性更优。尾排过量氢气量可能危害人的生命健康。
然而现有技术中的氢水分离装置对氢气、液态水和水汽经过分离、保温、去离子化、去酸性化的效果一般，效率普遍低下。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种回收分离燃料电池阳极产生的氢气、液态水和水汽的燃料电池发动机氢水分离装置总成。
本发明提供了一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，具有这样的特征，包括：氢水分离器分离本体、复合保温层、离子吸附剂、电加热器、温度感应探头及控制单元；氢水分离器分离本体是由流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格而设计的；复合保温层是由EV材料和相变材料复合而设计的；离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而设计的；控制单元是根据采集的温度感应探头的信号，调节不同电加热器的数量与功率而设计的；燃料电池发动机在运行过程中，过量的氢气在阴极侧与氧气发生电化学反应，其中所产生的水和汽会通过阴极渗透到阳极侧，所产生的热量会通过对流与辐射传递到阳极侧，过量的氢气需要被重新利用，阳极侧的水与汽利用流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格被分离，此时的热量通过EV材料和相变材料需要反复利用，保证氢气与水汽有一定适宜的温度，能够更好的参与电堆内部的化学反应，与此同时，反应中的生成的水和汽具有一定的酸性和导电离子，需要离子吸附剂进行一定的酸性中和与去离子化，保证系统平稳的运行。
在本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成中，还可以具有这样的特征：其中，氢水分离器分离本体是由流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格而设计的，流道板的设计以提高氢气、液态水和水汽分离为目的，同时为了减小分离时的阻力，根据氢气、液态水和水汽分子的大小和运动的特点，设计了不同目数的金属网格增加分离效果。
在本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成中，还可以具有这样的特征：其中，复合保温层是由EV材料和相变材料复合而设计的，EV材料根据密度的不同可以设计不同降温速率的保温材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热，发动机低温启动时尤为明显，可以极大地提高启动速率；相变材料根据发动机的运行温度特性，是包括三氧化二铝、二氧化硅、纳米材料在内的材料在一定温度与压力下经过挤压成型的复合材料，两者材料的紧密结合，极大地提高了系统的发动机的保温性能。
在本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成中，还可以具有这样的特征：其中，离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而设计的，离子吸附剂根据发动机的特点在一定催化剂的情况下，使阴离子与阳离子按照1-1.35:1的配比进行去酸性与去离子化。
在本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成中，还可以具有这样的特征：其中，控制单元是根据采集的温度感应探头的信号，调节不同电加热器的数量与功率而设计的，氢气、液态水和水汽经过分离、保温、去离子化、去酸性化，控制单元通过采集温度感应探头的信号，经过一定的信号处理，通过FCU控制指令，使其控制电加热器的开启数量与功率。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的燃料电池发动机氢水分离装置总成，因为包括：氢水分离器分离本体、离子吸附层、电加热器、温度感应探头、控制器、复合保温层以及流道板，所以，本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成能够回收燃料电池电堆中产生的一定温度的水汽与氢气；离子吸附层中的离子吸附剂能够对回收的水汽与氢气去离子化和去酸性化；复合保温层能够保证回收的水汽和氢气具有适宜的温度，从而更好地优化反应进程，减少氢气排入大气的量，保证燃料电池系统的可靠性和动力性。
附图说明
图1是本发明的实施例中燃料电池发动机氢水分离装置总成的结构示意图；
图2(a)是本发明的实施例中第一网格的结构示意图；以及
图2(b)是本发明的实施例中第二网格的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中燃料电池发动机氢水分离装置总成的结构示意图。
如图1所示，燃料电池发动机氢水分离装置总成包括：氢水分离器分离本体1、复合保温层2、离子吸附层3、控制器4、电加热器5、温度感应探头6以及流道板7。
氢水分离器分离本体1具有腔体、总成入口管道a、氢气出口管道b、液态水出口管道c以及总成出口管道d。
总成入口管道a设置在氢水分离器分离本体1上方，与燃料电池阳极连通。阳极中的过量的氢气、水蒸气以及热量通过总成入口管道a进入氢水分离器分离本体1的腔体内。
氢气出口管道b设置在氢水分离器分离本体1侧方，用于排出经过分离得到的杂质气体。氢气出口管道b出口处可以设置有阀门，通过该阀门控制氢气出口管道b与外界连通或关闭。
液态水出口管道c设置在氢水分离器分离本体1下方，用于排出经过分离得到的液态水。液态水出口管道c出口处可以设置有阀门，通过该阀门控制液态水出口管道c与外界连通或关闭。
总成出口管道d设置在氢水分离器分离本体1上方，用于排出混合气体，混合气体为具有一定温度的水蒸气和氢气，该混合气体会被重新回收再次通入到燃料电池电堆中以重新利用从而优化燃料电池的反应进程。
复合保温层2包裹在氢水分离器分离本体1、电加热器5以及离子吸附层3外部。复合保温层2由保温材料和相变材料组成。其中保温材料为EV材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热；相变材料是由三氧化二铝、二氧化硅、纳米材料等在一定温度与压力下经过挤压成型的复合材料。两者材料的紧密结合，极大地提高了装置的保温性能。
EV材料根据密度的不同可以设计不同降温速率的保温材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热，发动机低温启动时尤为明显，可以极大地提高启动速率。
离子吸附层3包裹在总成出口管道d外部，与总成出口管道d内部通过第一网格板8连通。第一网格板8上具有第一网格，具体地，第一网格的形状如附图2(a)所示。离子吸附层3由离子吸附剂组成。具体地，离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而设计得到的。离子吸附剂根据燃料电池的特点在一定催化剂的情况下，使阴离子与阳离子按照(1-1.35):1的配比进行去酸性与去离子化。
电加热器5用于对氢水分离器分离本体1进行加热。在本实施例中，电加热器5数量为三个，分布设置在氢水分离器分离本体1上方、侧方和下方。
温度感应探头6设置在总成出口管道d内，用于感应总成出口管道d内的温度。
控制器4与电加热器5以及温度感应探头6连接，通过采集温度感应探头6的信号，经过一定的信号处理，通过FCU控制指令，来控制电加热器5的开启数量与使用功率。具体地，在本实施例中控制器4为FCU控制器。
流道板7包括：第一流道板、第二流道板以及第三流道板。
第一流道板呈弧形，凸面朝向总成入口管道a。
第二流道板呈弧形，凸面朝向液态水出口管道c。
第三流道板呈弧形，凸面朝向氢气出口管道b以及总出口管道d。
流道板的设计以提高氢气、液态水和水汽分离为目的，同时为了减小分离时的阻力，根据氢气、液态水和水汽分子的大小和运动的特点，设计了不同目数的金属网格增加分离效果。
如图1所示，第二流道板和第三流道板上具有第二网格。具体地，第二网格的形状如图2(b)所示。
本发明提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成的使用原理如下：
燃料电池发动机在运行过程中，过量的氢气在阴极侧与氧气发生电化学反应，其中所产生的水和汽会通过阴极渗透到阳极侧，所产生的热量会通过对流与辐射传递到阳极侧，过量的氢气需要被重新利用，阳极侧的水与汽利用流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格被分离，此时的热量通过EV材料和相变材料需要反复利用，保证氢气与水汽有一定适宜的温度，能够更好的参与电堆内部的化学反应，与此同时，反应中的生成的水和汽具有一定的酸性和导电离子，需要离子吸附剂进行一定的酸性中和与去离子化，保证系统平稳的运行。
具体地，燃料电池发动机的电堆是由一层MEA和双极板经过多层压接而成，氧气在MEA的阳极一侧，氢气在MEA的阴极一侧。本发明提供的氢水分离装置总成连接在电堆的阳极侧。氢气与氧气在MEA中膜电极的催化作用下，产生电能、热量、液态水和水汽，其中过量的氢气、热量、液态水和水汽通过氢水分离装置总成入口a，流经氢水分离装置本体1，在流体力学优化的流道板7中进行第一步的汽水分离，承压分离的水汽和液态水在氢水分离装置本体1中的第二网格中再次进行分离，为了保证分离中温度降低导致的水汽的液化，复合保温层2利用其相变材料的储热特性进行保温，使其氢水分离器分离本体1的温度与电堆内部流出的液-汽温度相同，为了进一步的增强保温，采用一定厚度的EV材料。反应中生成的液态水和水汽具有一定的酸性与导电性，分离后的水汽与氢气通过去离子剂3的吸附原因，使其降酸性与去离子化，流经氢水分离装置总成出口d，参与到进一步的反应中，一定温度的水汽与氢气能够更好的优化反应进程。
氢水分离器分离本体1中分离的液态水，通过一定的控制策略，流经氢水分离装置总成液态水出口c，排到大气中。氢气中存有一定的杂质气体或反应中有一定杂质气体的产生，通过一定的控制策略，流经氢水分离装置总成氢气出口b，排到大气中。
本实施例提供的优化的氢水分离装置总成与一定控制策略的结合，减少氢气排入大气，保证了燃料电池系统的可靠性和动力性。
实施例的作用与效果
根据实施例所涉及的燃料电池发动机氢水分离装置总成，因为包括：氢水分离器分离本体、离子吸附层、电加热器、温度感应探头、控制器、复合保温层以及流道板，所以，实施例提供的燃料电池发动机氢水分离装置总成能够回收燃料电池电堆中产生的具有一定温度的水汽与氢气；离子吸附层中的离子吸附剂能够对回收的水汽与氢气去离子化和去酸性化；复合保温层能够保证回收的水汽和氢气具有适宜的温度，从而更好地优化反应进程，减少氢气排入大气的量，保证燃料电池系统的可靠性和动力性。
进一步地，根据实施例所涉及的燃料电池发动机氢水分离装置总成，因为流道板上具有第二网格，所以本实施例可以提高氢气、液态水和水汽分离的效率，降低分离时的阻力。
进一步地，根据实施例所涉及的燃料电池发动机氢水分离装置总成，因为复合保温层由EV材料和相变材料复合而成，所以本实施例极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热，发动机低温启动时尤为明显，极大地提高了系统的发动机的保温性能，从而极大地提高启动速率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，其特征在于，包括：氢水分离器分离本体、复合保温层、离子吸附剂、电加热器、温度感应探头及控制单元；
所述氢水分离器分离本体是由流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格而设计的，具有腔体、总成入口管道、氢气出口管道、液态水出口管道以及总成出口管道；
所述复合保温层是由保温材料和相变材料复合而设计的，包裹在所述氢水分离器分离本体、所述离子吸附剂、所述电加热器的外部；
所述离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而设计的，包裹在所述总成出口管道的外部；
所述电加热器用于对所述氢水分离器分离本体进行加热；
所述温度感应探头设置在所述总成出口管道内，用于感应所述总成出口管道内的温度；
所述控制单元与所述电加热器和所述温度感应探头连接，是根据采集的温度感应探头的信号，调节不同电加热器的数量与功率而设计的；
燃料电池发动机在运行过程中，过量的氢气在阴极侧与氧气发生电化学反应，其中所产生的水和汽会通过阴极渗透到阳极侧，所产生的热量会通过对流与辐射传递到阳极侧，过量的氢气需要被重新利用，阳极侧的水与汽利用流体力学优化的流道板和不同目数的金属网格被分离，此时的热量通过EV材料和相变材料需要反复利用，保证氢气与水汽有一定适宜的温度，能够更好地参与电堆内部的化学反应，与此同时，反应中的生成的水和汽具有一定的酸性和导电离子，需要离子吸附剂进行一定的酸性中和与去离子化，保证系统平稳的运行。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，其特征在于：
其中，所述复合保温层是由EV材料和相变材料复合而设计的，EV材料根据密度的不同可以设计不同降温速率的保温材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热，发动机低温启动时尤为明显，可以极大地提高启动速率；相变材料根据发动机的运行温度特性，是包括三氧化二铝、二氧化硅在内的纳米材料在一定温度与压力下经过挤压成型的复合材料，两者材料的紧密结合，极大地提高了系统的发动机的保温性能。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，其特征在于：
其中，所述离子吸附剂根据发动机的特点在一定催化剂的情况下，使阴离子与阳离子按照1-1.35:1的配比进行去酸性与去离子化。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机氢水分离装置总成，其特征在于：
其中，氢气、液态水和水汽经过分离、保温、去离子化、去酸性化，控制单元通过采集温度感应探头的信号，经过一定的信号处理，通过FCU控制指令，使其控制电加热器的开启数量与功率。
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