CN111864235A - 分水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分水器，该分水器中通过两个挡板构成曲线流路，即可对由气液分离进气口进入气液分离腔内的混合流体进行气液分离。该曲线流路能够对混合流体实现局部阻流、局部回旋等扰流效果，从而有利于加长混合流体在气液分离腔内的流动路径，提高气液分离效果。而且，该分水器相对现有技术中设置有导流叶片或挡板结构或螺旋形流道或滤芯或波纹板等结构的分水装置来说，体积较小，便于制造加工和安装。

Description

分水器

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种分水器。

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。

现有燃料电池用分水器从基本原理上可分为两类：

(1)利用离心力分离液滴，在分水器中设置导流叶片、或挡板结构、或采用螺旋形流道，诱导气液混合物进行高速旋转，液滴在离心力作用下被甩至分水器内壁并顺流而下，达到与气体分离的目的；

(2)利用液滴粘附作用，采用滤芯或波纹板等结构，增大液滴与周边壁面的接触面积，使液滴粘附在壁面上，达到与气体分离的目的。

针对第一类型的分水器装置，考虑到分水效率，气液混合物需形成足够大的漩涡和离心力，故分水器尺寸相对固定且体积较大，不利于提升分水装置的布置集成适用性及系统体积功率密度。针对第二类型的装置，流阻过大，导致对循环装置的性能要求提高；在长时间气体冲刷作用下，内部材料可能脱落，堵塞流道，严重影响燃料电池性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分水效率较高且结构简单、体积较小的分水器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分水器，所述分水器内设置有气液分离腔，其中：

所述气液分离腔的一端外侧设置有与其连通的气液分离进气口和气液分离出气口，所述气液分离腔的另一端外侧设置有与其连通的排水口；

所述气液分离腔内设置有第一挡板、第二挡板和过滤用填料，所述填料通过填料仓结构固定在所述气液分离进气口的内侧，所述气液分离腔内通过所述第一挡板和所述第二挡板构成曲线流路。

在上述分水器中，所述气液分离腔的截面外轮廓为矩形轮廓，所述矩形轮廓包括依次收尾相接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，其中：

所述气液分离进气口和所述气液分离出气口设置在所述第一侧边上；

所述第一挡板的两端分别为第一连接端和第一自由端，所述第一连接端与所述填料仓结构相接，所述第一自由端向所述第三侧边和第四侧边相接的夹角处延伸；

所述第二挡板的两端分别为第二连接端和第二自由端，所述第二连接端与所述第四侧边相接，所述第二自由端向所述第二侧边和第三侧边相接的夹角处延伸，并且，所述第二自由端和所述第一自由端之间的间隙构成所述曲线流路中的流通口。

在上述分水器中，所述流通口的朝向偏离所述气液分离出气口所在的位置。

在上述分水器中，所述第二自由端相对所述第一自由端更加靠近所述第一侧边。

在上述分水器中，所述填料仓结构设置在所述第一侧边和第二侧边相接的夹角内；

和/或，所述排水口设置在所述第三侧边上。

在上述分水器中，所述分水器包括气液分离部和保温部，所述气液分离部和所述保温部彼此相邻且固连或一体成型，其中：

所述气液分离部内设置有所述气液分离腔：

所述保温部内设置有用于容纳导热介质的保温腔，所述导热介质用于对所述气液分离部进行加热保温。

在上述分水器中，所述分水器上设置有加热源进口和加热源出口，其中：

所述加热源进口与外部热源连接，用于向所述保温腔内输送所述导热介质；

所述加热源出口用于将所述导热介质输出所述保温腔外。

在上述分水器中，所述加热源进口设置在所述保温部的第一侧壁的下部，所述加热源出口设置在所述保温部的第二侧壁的上部，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别位于所述保温部的两侧。

在上述分水器中，所述保温腔内并排设置有多个导热隔板，以将所述保温腔分割构成多条并列布置的导热通道。

在上述分水器中，所述外部热源为空压机废气排放口。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的分水器中，通过两个挡板构成的曲线流路，即可对由气液分离进气口进入气液分离腔内的混合流体进行气液分离。该曲线流路能够对混合流体实现局部阻流、局部回旋等扰流效果，从而有利于加长混合流体在气液分离腔内的流动路径，提高气液分离效果。而且，该分水器相对现有技术中设置有导流叶片或挡板结构或螺旋形流道或滤芯或波纹板等结构的分水装置来说，体积较小，便于制造加工和安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一具体实施例提供的分水器的整体结构示意图；

图2为本发明第一具体实施例提供的分水器的主视图；

图3为图2中的B-B截面剖视图；

图4为图2中的A-A截面剖视图；

图5为本发明第一具体实施例提供的分水器中的气液分离腔内的混合流体流动方向示意图；

图6为本发明第一具体实施例提供的分水器中的保温腔内的导热介质流动方向示意图；

图7为本发明第二具体实施例提供的燃料电池系统的连接结构示意图。

其中：

1-分水器，2-电堆，3-空压机，4-电磁阀，5-尾排系统，

11-气液分离进气口，12-气液分离出气口，13-排水口，

14-加热源进口，15-加热源出口，16-导热隔板，

17-第二挡板，18-第一挡板，19-填料，

170-第二自由端，180-第一自由端，

101-第一侧板，102-第二侧板；

图5中的粗虚线箭头表示混合流体在气液分离腔内的大致流动方向；

图6中的粗线箭头表示导热介质在保温腔内的大致流动方向。

具体实施方式

本发明公开了一种分水效率较高且结构简单、体积较小的分水器。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一具体实施例

本发明第一具体实施例提供了一种分水器，可适用于车、船用质子交换膜燃料电池。

请参阅图1至图6，图1为本发明第一具体实施例提供的分水器的整体结构示意图；图2为本发明第一具体实施例提供的分水器的主视图；图3为图2中的B-B截面剖视图；图4为图2中的A-A截面剖视图；图5为本发明第一具体实施例提供的分水器中的气液分离腔内的混合流体流动方向示意图；图6为本发明第一具体实施例提供的分水器中的保温腔内的导热介质流动方向示意图。

本发明第一具体实施例提供的分水器内设置有气液分离腔，其中：

气液分离腔的一端外侧设置有与其连通的气液分离进气口11和气液分离出气口12，气液分离腔的另一端外侧设置有与其连通的排水口13；

气液分离腔内设置有第一挡板18、第二挡板17和过滤用填料19，填料19通过填料仓结构固定在气液分离进气口11的内侧，气液分离腔内通过第一挡板18和第二挡板17构成曲线流路。

可见，该分水器中，通过两个挡板构成的曲线流路，即可对由气液分离进气口11进入气液分离腔内的混合流体进行气液分离。该曲线流路能够对混合流体实现局部阻流、局部回旋等扰流效果，从而有利于加长混合流体在气液分离腔内的流动路径，提高气液分离效果。而且，该分水器相对现有技术中设置有导流叶片或挡板结构或螺旋形流道或滤芯或波纹板等结构的分水装置来说，体积较小，便于制造加工和安装。

在此需要说明的是，燃料电池工作时，需要向电堆内输入新鲜空气和氢气，新鲜空气、氢气以及回收的尾气在进入电堆前均为气液混合状态，本文中称其为“混合流体”。

具体地，请参见图4，在上述分水器中，气液分离腔的截面外轮廓为矩形轮廓，矩形轮廓包括依次收尾相接的第一侧边a1、第二侧边a2、第三侧边a3和第四侧边a4，其中：

气液分离进气口11和气液分离出气口12设置在第一侧边a1上；

第一挡板18的两端分别为第一连接端和第一自由端180，第一连接端与填料仓结构相接，第一自由端180向第三侧边a3和第四侧边a4相接的夹角处延伸；

第二挡板17的两端分别为第二连接端和第二自由端170，第二连接端与第四侧边相接，第二自由端170向第二侧边a2和第三侧边a3相接的夹角处延伸，并且，第二自由端170和第一自由端180之间的间隙构成曲线流路中的流通口，该流通口的朝向偏离气液分离出气口12所在的位置，而且，第二自由端170相对第一自由端180更加靠近第一侧边a1；

填料仓结构设置在第一侧边a1和第二侧边a2相接的夹角内；

排水口13设置在第三侧边a3上。

该结构的气液分离腔，能够令混合流体在气液分离腔内尽量多地产生局部阻流、局部回旋等扰流效果，从而有利于加长混合流体在气液分离腔内的流动路径，提高气液分离效果。而且，该分水器体积较小，便于制造加工和安装。具体可参见图5，图5中的粗虚线箭头表示混合流体在气液分离腔内的大致流动方向。

进一步地，上述分水器为带保温功能的分水器。该分水器包括气液分离部和保温部，气液分离部和保温部彼此相邻且固连(或一体成型)。其中：

气液分离部用于在混合流体进入电堆前对其进行气液分离；

保温部紧邻气液分离部设置，用于对气液分离部进行加热保温，以减小甚至避免气液分离前后的混合流体的温度差值△t，从而避免大量液态水进入电堆，保证电堆内的水平衡。

具体地，可参见图1、图2和图4，保温部内设置有用于容纳导热介质的保温腔，以利用热交换原理对气液分离部进行加热保温。加热源进口14与保温腔连通，且设置在保温部的第一侧板101的下部；加热源出口15与保温腔连通，且设置在保温部的第二侧板102的上部，第一侧板101和第二侧板102分别位于保温部的两侧。(本文中所说的“上部”、“下部”等方位词均以图4中的方位为基准。)

优选地，保温腔内并排设置有多个导热隔板16，多个导热隔板16平行布置且两端对齐，以将保温腔分割构成多条并列布置的导热通道。具体可参见图3，多条导热通道的一端通过第一分配通道L1与加热源进口14连通，另一端通过第二分配通道L2与加热源出口15连通。

工作时：加热源进口14与外部热源连接，用于向保温腔内输送导热介质；加热源出口15用于将导热介质输出保温腔外。持续向保温腔内输送温度恒定的导热介质，从而有利于保持气液分离部内的混合流体温度恒定。具体可参见图6，图6中的粗线箭头表示导热介质在保温腔内的大致流动方向。

具体地，为了使保温腔内的介质分布均匀：导热隔板16的端部和第一侧板101之间的距离(即第一分配通道L1的宽度)为第一通道宽度，第一通道宽度为加热源进口14的直径的二倍；导热隔板16的端部和第二侧板102之间的距离(即第二分配通道L2的宽度)为第二通道宽度，第二通道宽度为加热源进口14的直径的二倍；相邻的导热隔板16之间的距离为第三通道宽度，第三通道宽度为加热源进口14的直径的二分之一。也就是说，如图4中所示，加热源进口14的直径为d，则导热隔板16的端部和第一侧板101之间的距离设置为2d，导热隔板16的端部和第二侧板102之间的距离设置为2d，相邻的导热隔板16之间的距离设置为d/2。

具体地，在上述分水器中，与保温部连接的外部热源为空压机废气排放口，即空压机VENT路出口，该出口时空压机为空气轴承冷却的气体出口。可见，本发明将空压机VENT路出口排出的高热量废气进行二次利用，来为分水器保温加热，不仅能够减小甚至避免分水器内的混合流体在气液分离前后的温度差值△t，降低液态水析出量，保证电堆的正常水平衡，而且节约能源，提高电池系统的热使用效率。

具体地，在上述分水器中，其内部通过中间分割板分割构成彼此独立的气液分离腔和保温腔，气液分离腔所在的位置为气液分离部，保温腔所在的位置为保温部。

该分水器工作时:

混合流体由气液分离进气口11进入气液分离腔内进行气液分离，分离后得到的湿度较低的混合流体由气液分离出气口12输出后进入电堆，分离产生的液态水由排水口13排出；

将热源(即空压机VENT路出口排出的高热量废气)连接分水器的加热源进口14，以对分水器内的混合流体进行加热保温，减小甚至避免分水器内的混合流体在气液分离前后的温度差值△t，降低液态水析出量，提高分水效率，保证电堆的正常水平衡。

综上可见，本发明第一具体实施例提供的分水器，不仅体积较小，而且带加热保温功能，能够减小甚至避免分水器内的混合流体在气液分离前后的温度差值△t，降低液态水析出量，提高分水效率，改善系统水平衡，使整个系统运作更平稳，延长整个燃料电池的寿命。而且，该分水器结构简单，便于安装和维修，维护成本低，有利于提高生产效率，低能耗，寿命长，适用范围广，尤其是用于车、船用质子交换膜燃料电池系统。

第二具体实施例

本发明第二具体实施例提供了一种燃料电池系统，具体车、船用质子交换膜燃料电池系统。

请参见图7，图7为本发明第二具体实施例提供的燃料电池系统的连接结构示意图。

该燃料电池系统包括电堆2和分水器1，该分水器1为本发明第一具体实施例中提供的分水器。

其中：

分水器1中的气液分离部的外侧设置有气液分离进气口11、气液分离出气口12和排水口13，气液分离进气口11和气液分离出气口12分别与电堆2相接，排水口13与尾排系统前的排氢电磁阀4相接；

分水器1中与保温腔相连的加热源进口14，与空压机废气排放口相接，即与系统废热相接；

分水器中与保温腔相连的加热源出口15，与尾排系统5相接。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种分水器，其特征在于，所述分水器内设置有气液分离腔，其中：

所述气液分离腔的一端外侧设置有与其连通的气液分离进气口(11)和气液分离出气口(12)，所述气液分离腔的另一端外侧设置有与其连通的排水口(13)；

所述气液分离腔内设置有第一挡板(18)、第二挡板(17)和过滤用填料(19)，所述填料(19)通过填料仓结构固定在所述气液分离进气口(11)的内侧，所述气液分离腔内通过所述第一挡板(18)和所述第二挡板(17)构成曲线流路。

2.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于，所述气液分离腔的截面外轮廓为矩形轮廓，所述矩形轮廓包括依次收尾相接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，其中：

所述气液分离进气口(11)和所述气液分离出气口(12)设置在所述第一侧边上；

所述第一挡板(18)的两端分别为第一连接端和第一自由端(180)，所述第一连接端与所述填料仓结构相接，所述第一自由端(180)向所述第三侧边和第四侧边相接的夹角处延伸；

所述第二挡板(17)的两端分别为第二连接端和第二自由端(170)，所述第二连接端与所述第四侧边相接，所述第二自由端(170)向所述第二侧边和第三侧边相接的夹角处延伸，并且，所述第二自由端(170)和所述第一自由端(180)之间的间隙构成所述曲线流路中的流通口。

3.根据权利要求2所述的分水器，其特征在于，所述流通口的朝向偏离所述气液分离出气口(12)所在的位置。

4.根据权利要求3所述的分水器，其特征在于，所述第二自由端(170)相对所述第一自由端(180)更加靠近所述第一侧边。

5.根据权利要求2所述的分水器，其特征在于，所述填料仓结构设置在所述第一侧边和第二侧边相接的夹角内；

和/或，所述排水口(13)设置在所述第三侧边上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的分水器，其特征在于，所述分水器包括气液分离部和保温部，所述气液分离部和所述保温部彼此相邻且固连或一体成型，其中：

所述气液分离部内设置有所述气液分离腔：

所述保温部内设置有用于容纳导热介质的保温腔，所述导热介质用于对所述气液分离部进行加热保温。

7.根据权利要求6所述的分水器，其特征在于，所述分水器上设置有加热源进口(14)和加热源出口(15)，其中：

所述加热源进口(14)与外部热源连接，用于向所述保温腔内输送所述导热介质；

所述加热源出口(15)用于将所述导热介质输出所述保温腔外。

8.根据权利要求7所述的分水器，其特征在于，所述加热源进口(14)设置在所述保温部的第一侧壁(101)的下部，所述加热源出口(15)设置在所述保温部的第二侧壁(102)的上部，所述第一侧壁(101)和所述第二侧壁(102)分别位于所述保温部的两侧。

9.根据权利要求8所述的分水器，其特征在于，所述保温腔内并排设置有多个导热隔板(16)，以将所述保温腔分割构成多条并列布置的导热通道。

10.根据权利要求7至9任一项所述的分水器，其特征在于，所述外部热源为空压机废气排放口。

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