CN111048808A - 燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统用的分水器，其包括壳体，壳体的顶部设有出气口，壳体的底部设有排水口以及安装在排水口处的排水阀，壳体的周向侧壁上设有进气口以及液位传感器，壳体内设有与壳体顶部内壁相固定的分水件，排水阀、液位传感器均与控制器相连；液位传感器所处的轴向截面和进气口所处的轴向截面将壳体的内腔沿轴向分成三段，液位传感器所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段，第一腔段的容积不小于V1，V1＝q1*f/n，其中，q1为燃料电池系统最大功率时的阳极产水率，n为排水阀的全生命开关次数，f为燃料电池系统所设计的寿命。本发明提高了分水器的使用安全性。

Description

燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统。
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。
燃料电池阳极系统在运行过程中会有产生高湿气体在阳极管路中循环流动，并由于高湿气体饱和析出与冷凝作用而产生液态水，所以燃料电池系统会在阳极管路中设计分水器。其中分水器的作用，是将从燃料电池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，并重新进入燃料电池堆。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，在燃料电池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、分水器使用时，难以确保排水阀寿命满足燃料电池系统全生命周期，整车大坡度运行时正常排水功能的保障等。
因此，需要提供一种液态水分离效果高、安全保障高的分水器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统，用于解决现有技术中分水器在燃料电池系统全生命周期中安全保障低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种燃料电池系统用的分水器，其包括壳体，壳体的顶部设有出气口，壳体的底部设有排水口以及安装在排水口处的排水阀，所述壳体的周向侧壁上设有进气口以及液位传感器，所述壳体内设有与所述壳体顶部内壁相固定的分水件，所述排水阀、液位传感器均与控制器相连；
所述液位传感器所处的轴向截面和所述进气口所处的轴向截面将所述壳体的内腔沿轴向分成三段，所述液位传感器所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段，所述第一腔段的容积不小于V1，所述V1＝q1*f/n，其中，q1为燃料电池系统最大功率时的阳极产水率，n为排水阀的全生命开关次数，f为燃料电池系统所设计的寿命。
优选的，所述进气口所处的轴向截面所处位置高于一预设高度，所述预设高度为：所述壳体内置满一定容量的液态水，所述液态水的体积为所述V1，将所述壳体轴向倾斜预设角度后所获得的最高液面处，预设角度小于等于30°。
优选的，所述预设角度为30°。
优选的，所述分水件下方与所述进气口所处的轴向截面间形成壳体内的第三腔段，所述第三腔段的容积不小于V3，所述V3＝q2*t，其中，q2为燃料电池系统关机过程中的最大阳极产水率，t为关机所需最长时长。
优选的，所述分水件包括支撑轴以及绕所述支撑轴设置的螺旋叶片，螺旋叶片间构成螺旋状的气流通道，所述支撑轴与所述壳体顶部内壁相固定。
优选的，所述螺旋叶片的外周与所述壳体内壁间具有空隙。
优选的，所述螺旋叶片的半径由壳体的底部向壳体的顶部方向逐渐增大。
优选的，所述螺旋叶片间的间距为1cm-3cm。
优选的，所述螺旋叶片间的间距为2cm。
优选的，所述分水件包括支撑轴以及绕所述支撑轴高低错位设置的多个弧状板，所述支撑轴与所述壳体顶部内壁相固定。
本发明还提供一种燃料电池阳极系统，所述燃料电池阳极系统包括燃料电池堆以及如上所述的燃料电池阳极分水器。
如上所述，本发明的燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统，具有以下有益效果：将排水阀设于壳体的底部，进气口、液位传感器设于壳体的周向侧壁上，出气口设于壳体的顶部，且通过对液位传感器所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段的容积进行设置，使其在排水阀寿命期间内确保满足燃料电池系统全生命周期，另外，进气口处于液位传感器的上方，在整车大坡度运行时可满足通过排水阀正常排水，不会使分水器中的水从进气口处泄露等，提高了分水器的使用安全性。
附图说明
图1显示为本发明的燃料电池阳极系统示意图。
图2显示为本发明的燃料电池系统用的分水器示意图。
图3显示为本发明的分水器的内腔分段示意图。
图4显示为本发明的分水器的一实施例倾斜状态示意图。
图5显示为本发明的分水器的另一实施例倾斜状态示意图。
图6显示为本发明的分水件的一实施例图。
图7显示为本发明的分水件的另一实施例图。
元件标号说明
1 高压瓶
2 调压阀
3 压力传感器
4 燃料电池堆
5 分水器
6 循环泵
7 出气口
8 排气阀
9 压力传感器
10 排水阀
11 内腔
12 液位传感器
13 进气口
14 分水件
15 支撑轴
16 圆形叶片
17 弧状件
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种燃料电池阳极系统，所述燃料电池阳极系统主要包括燃料电池堆4，其工作过程为：高压瓶1中的氢气通过调压阀2基于压力传感器3调压后、与循环泵6循环气体汇流混合后进入燃料电池堆4，经过燃料电池堆4反应后残余气体通过分水器5分水后进入循环泵6压缩增压回到氢气汇流点。本实施例在燃料电池堆4的出口与循环泵6的入口间串设分水器5。
本发明主要涉及上述分水器5，即主要提供一种燃料电池系统用的分水器，见图2至图7所示，其包括带有内腔11的壳体，壳体的顶部设有出气口7，壳体的底部设有排水口以及安装在排水口处的排水阀10，所述壳体的周向侧壁上设有进气口13以及液位传感器12，所述壳体内设有与所述壳体顶部内壁相固定的分水件14，所述排水阀10、液位传感器12均与控制器相连；
所述液位传感器12所处的轴向截面和所述进气口13所处的轴向截面将所述壳体的内腔11沿轴向分成三段，所述液位传感器12所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段，所述第一腔段的容积不小于V1，所述V1＝q1*f/n，其中，q1为燃料电池系统最大功率时的阳极产水率，n为排水阀的全生命开关次数，f为燃料电池系统所设计的寿命。
本发明将排水阀10设于壳体的底部，进气口13、液位传感器12设于壳体的周向侧壁上，出气口7设于壳体的顶部，且通过对液位传感器12所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段的容积V1进行设置，使其在排水阀10寿命期间内确保满足燃料电池系统全生命周期，另外，进气口13处于液位传感器12的上方，在整车大坡度运行时可满足通过排水阀正常排水，不会使分水器5中的水从进气口处泄露等，提高了分水器5的使用安全性。
本实施例中将上述分水器5的内腔11分成四段，见图3所示，分别为：
液位传感器12所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段，其容积不小于上述V1，若分水器5的底面积设计为A，则分水器的第一段高度不小于h1，h1的计算方法如下：h1＝V1/A(其中A为分水器底面面积)。
液位传感器12所处的轴向截面和进气口13所处的轴向截面之间为第二腔段，其容积记为V2，进气口所处的轴向截面所处位置高于一预设高度h，本实施例的预设高度指进气口所处的轴向截面至壳体的底部间的竖直高度；所述预设高度h为：所述壳体内置满一定容量的液态水，所述液态水的体积为所述V1，见图4及图5所示，将所述壳体轴向倾斜预设角度后所获得的最高液面处，预设角度小于等于30°，其中图4所示为预设角度为30°，其最高液面处为B处；图5所示为预设角度为15°，其最高液面处为C处。
为便于计算，本实施例中假设分水器5为底面积A的圆形，分水器第二段高度h2>＝sqrt(A/π)*tan(a)；或用液位倾斜法获取第二段高度，即将分水器内置满V1容量的液态水，并倾斜30°或15°后所获得的最高液面刻度，利用最高液面刻度减去第一段高度h1即可；分水器5的底面不仅限于圆形，其他形状的计算方法雷同。
本实施例中分水件下方与所述进气口14所处的轴向截面间形成壳体内的第三腔段，所述第三腔段的容积不小于V3，所述V3＝q2*t，其中，q2为燃料电池系统关机过程中的最大阳极产水率，t为关机所需最长时长。第三腔段的高度h3可根据容积V3和底面积A获得。
分水件14所处的一段记为第四腔段，第四段容积V4与第四段高度h4主要由分水结构14的尺寸大小决定。
本实施例对分水器5的内腔11进行分段设计，即确保进气口13、液位传感器12的位置，取保液位传感器12处有水立即开启排水阀10排水，且即使水面处于液位传感器12处，整车在爬坡过程中即分水器5倾斜状态下，水也不会从进气口处流出，且第一腔段的容积也确保了排水阀10的有限次寿命可满足燃料电池系统的生命周期，提高整个系统的安全性。
本实施例的分水器其不仅可用于燃料电池的阳极系统，其也可以用于燃料电池的阴极系统，满足气液分离。为进一步提高安全，在壳体的顶部还设有排气阀8和压力传感器9。
为提高分水效率，作为分水件14的一实施例，见图6所示，本实施例中上述分水件14包括支撑轴15以及绕所述支撑轴15设置的螺旋叶片16，螺旋叶片16间构成螺旋状的气流通道，所述支撑轴15与所述壳体顶部内壁相固定。本实施例通过螺旋状的气流通道，增加气体通过分水器时所碰撞的路径，使气体中的水分可与螺旋叶片16接触形成水滴下落，提高水分分离效率。
更进一步的，上述螺旋叶片16的外周与所述壳体内壁间具有空隙，使高湿气体在通过螺旋状的气流通道向出气口处流通时，不仅与螺旋叶片碰撞，还与所述壳体内壁碰撞，打散气体流向，增加碰撞路径，以此再度提高水分分离效率。一般的，所述螺旋叶片16间的间距为1cm-3cm。优选的，所述螺旋叶片16间的间距为2cm。
见图6所示，所述螺旋叶片16的半径r由壳体的底部向壳体的顶部方向逐渐增大。半径逐渐增大的设计其可便于气流从进气口13进入内腔11后上升，降低气体流动所受到的阻力，又螺旋设置提高水分分离效果。所有圆形叶片16的半径r其也可相同，也可具有其他变径方式。
作为分水件14的另一实施例，见图7所示，本实施例中分水件14包括支撑轴15以及绕所述支撑轴高低错位设置的多个弧状板17(本实施例中弧状板17为半圆状)，所述支撑轴15与所述壳体顶部内壁相固定。
本实施例中的分水件14其结构不限于此，其也可为通过隔板等组成其他结构形式。
分水器的壳体形状可以为圆柱形，其也可以设计为非圆柱形结构，如方形底部结构或多边形甚至异型底部结构，但分水器中各段容积的设计思路是可共用的。
综上所述，本发明的燃料电池系统用的分水器及燃料电池阳极系统，将排水阀设于壳体的底部，进气口、液位传感器设于壳体的周向侧壁上，出气口设于壳体的顶部，且通过对液位传感器所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段的容积进行设置，使其在排水阀寿命期间内确保满足燃料电池系统全生命周期，另外，进气口处于液位传感器的上方，在整车大坡度运行时可满足通过排水阀正常排水，不会使分水器中的水从进气口处泄露等，提高了分水器的使用安全性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统用的分水器，其特征在于，包括壳体，壳体的顶部设有出气口，壳体的底部设有排水口以及安装在排水口处的排水阀，所述壳体的周向侧壁上设有进气口以及液位传感器，所述壳体内设有与所述壳体顶部内壁相固定的分水件，所述排水阀、液位传感器均与控制器相连；
所述液位传感器所处的轴向截面和所述进气口所处的轴向截面将所述壳体的内腔沿轴向分成三段，所述液位传感器所处的轴向截面与壳体的底部间形成壳体内的第一腔段，所述第一腔段的容积不小于V1，所述V1＝q1*f/n，其中，q1为燃料电池系统最大功率时的阳极产水率，n为排水阀的全生命开关次数，f为燃料电池系统所设计的寿命。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述进气口所处的轴向截面所处位置高于一预设高度，所述预设高度为：所述壳体内置满一定容量的液态水，所述液态水的体积为所述V1，将所述壳体轴向倾斜预设角度后所获得的最高液面处，预设角度小于等于30°。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述预设角度为30°。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述分水件下方与所述进气口所处的轴向截面间形成壳体内的第三腔段，所述第三腔段的容积不小于V3，所述V3＝q2*t，其中，q2为燃料电池系统关机过程中的最大阳极产水率，t为关机所需最长时长。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述分水件包括支撑轴以及绕所述支撑轴设置的螺旋叶片，螺旋叶片间构成螺旋状的气流通道，所述支撑轴与所述壳体顶部内壁相固定。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述螺旋叶片的外周与所述壳体内壁间具有空隙。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述螺旋叶片的半径由壳体的底部向壳体的顶部方向逐渐增大。
8.根据权利要求5所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述螺旋叶片间的间距为1cm-3cm。
9.根据权利要求9所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述螺旋叶片间的间距为2cm。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统用的分水器，其特征在于：所述分水件包括支撑轴以及绕所述支撑轴高低错位设置的多个弧状板，所述支撑轴与所述壳体顶部内壁相固定。
11.一种燃料电池阳极系统，其特征在于，所述燃料电池阳极系统包括燃料电池堆以及如权利要求1至权利要求10任一项所述的燃料电池阳极分水器。
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