CN111916797B - 一种分水器和一种燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分水器和一种燃料电池系统。该燃料电池系统中设置有该分水器。该分水器中，通过气液分离部进行气液分离，通过保温部进行加热保温，从而能够减小甚至避免混合流体在气液分离前后的温度差值△t，从而避免大量液态水进入电池，有利于保证电堆的正常水平衡。而且，该分水器中的保温部连接的热源优选采用空压机排出的高热废气，从而能够节约能源，有利于提高电池系统的热使用效率。

Description

一种分水器和一种燃料电池系统
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，以及一种设置有该分水器的燃料电池系统。
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。
燃料电池中的水来自反应气体加湿或阴极反应。理想的状态下，这些生成的水应该能够保证电解质正常水化的要求。实际操作过程中，需对燃料电池中的水进行管理，做到使聚合物电解质中含有足够的水分，因为电解质的质子传导能力与含水量成正比，但含水量又不能过高，否则会引起电解质淹没，并导致与其相连的电极或气体扩散中的孔道被堵。因此需要保证一个良好的水平衡关系。
燃料电池的水管理一般通过湿焓转换装置、分水器、氢气尾排和空气尾排来完成。目前车、船使用的质子交换摸燃料电池的阳极或者阴极侧的系统分水器，普遍采用箱体式分水器，并把分水器设在燃料电池堆的入口处。
现有技术中，空气或氢气系统具有以下不足：
(1)新鲜空气增湿后，湿气较大，并且含有部分液态水，容易腐蚀空气或氢气供给装置，并且由于液态水的存在，使空气或氢气供给装置功耗增加。
(2)箱体式分水器工作过程中，分水器的气液分离进气口和气液分离出气口的温度差值△t变大，使大量的液态水直接进入电池，从而破坏电解质的水平衡，引起电极、气体扩散衬底或气体流道的淹没，从而阻止反应物向各个催化点扩散，增大扩散过电压，影响发电效率，降低电池寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带保温功能的分水器，以及一种设置有该分水器的燃料电池系统，该分水器能够克服上述现有技术中的不足，保证电堆正常水平衡。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分水器，其特征在于，包括气液分离部和保温部，所述气液分离部用于对混合流体进行气液分离，所述保温部用于对所述气液分离部进行加热保温。
在上述分水器中，所述保温部内设置有用于容纳导热介质的保温腔。
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板的下部，所述加热源出口设置在所述保温部的第二侧板的上部，所述第一侧板和所述第二侧板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，多个所述导热隔板平行布置且两端对齐。
在上述分水器中，所述导热隔板的端部和所述第一侧板之间的距离为第一通道宽度，所述第一通道宽度为所述加热源进口的直径的二倍；
所述导热隔板的端部和所述第二侧板之间的距离为第二通道宽度，所述第二通道宽度为所述加热源进口的直径的二倍；
相邻的所述导热隔板之间的距离为第三通道宽度，所述第三通道宽度为所述加热源进口的直径的二分之一。
在上述分水器中，所述保温部连接的所述外部热源为空压机废气排放口。
在上述分水器中，所述分水器内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，所述气液分离腔所在的位置为所述气液分离部，所述保温腔所在的位置为所述保温部。
一种燃料电池系统，包括电堆和分水器，所述分水器上文中所述的分水器，其中：
所述分水器中的气液分离部的外侧设置有气液分离进气口、气液分离出气口和排水口，所述气液分离进气口和所述气液分离出气口分别与所述电堆相接，所述排水口通过排氢电磁阀与尾排系统相接；
所述分水器中与保温腔相连的加热源进口与空压机废气排放口相接；
所述分水器中与保温腔相连的加热源出口与所述尾排系统相接。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的分水器为具有加热保温功能的分水器，其不仅通过气液分离部能够在新鲜空气或氢气输入燃料电池前对其进行气液分离，同时，还通过保温部，能够减小甚至避免气液分离前后的流体温度差值△t，从而避免大量液态水进入电堆，有利于保证电堆的正常水平衡。
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A-A截面剖视图；
图4为图2中的B-B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保温腔内的导热介质流动方向示意图；
图6为本发明第一具体实施例提供的分水器中的气液分离腔内的混合流体流动方向示意图；
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中的粗线箭头表示导热介质在保温腔内的大致流动方向；
图6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。
具体实施方式
本发明公开了一种带保温功能的分水器，以及一种设置有该分水器的燃料电池系统，该分水器能够克服上述现有技术中的不足，保证电堆正常水平衡。
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带保温功能的分水器，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A-A截面剖视图；图4为图2中的B-B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保温腔内的导热介质流动方向示意图；图6为本发明第一具体实施例提供的分水器中的气液分离腔内的混合流体流动方向示意图。
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”。
本发明第一具体实施例提供的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池。
具体地，可参见图1至图3，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3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5，图5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3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。
具体地，请参见图4，在上述分水器中：
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，该分水器体积较小，便于制造加工和安装。
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，能够令气流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，提高气液分离效果。具体可参见图6，图6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。
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，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 (6)

1.一种分水器，其特征在于，包括气液分离部和保温部，其中：
所述气液分离部用于对混合流体进行气液分离；
所述保温部内设置有用于容纳导热介质的保温腔，用于对所述气液分离部进行加热保温；
所述分水器上设置有加热源进口(14)和加热源出口(15)，所述加热源进口(14)设置在所述保温部的第一侧板(101)的下部，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)设置在所述保温部的第二侧板(102)的上部，所述第一侧板(101)和所述第二侧板(102)分别位于所述保温部的两侧，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；
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。
2.根据权利要求1所述的分水器，其特征在于，多个所述导热隔板(16)平行布置且两端对齐。
3.根据权利要求2所述的分水器，其特征在于，所述导热隔板(16)的端部和所述第一侧板(101)之间的距离为第一通道宽度，所述第一通道宽度为所述加热源进口(14)的直径的二倍；
所述导热隔板(16)的端部和所述第二侧板(102)之间的距离为第二通道宽度，所述第二通道宽度为所述加热源进口(14)的直径的二倍；
相邻的所述导热隔板(16)之间的距离为第三通道宽度，所述第三通道宽度为所述加热源进口(14)的直径的二分之一。
4.根据权利要求1至3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。
5.根据权利要求1至3任一项所述的分水器，其特征在于，所述分水器内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，所述气液分离腔所在的位置为所述气液分离部，所述保温腔所在的位置为所述保温部。
6.一种燃料电池系统，包括电堆(2)和分水器(1)，其特征在于，所述分水器(1)为如权利要求1至5任一项所述的分水器，其中：
所述分水器(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)，所述气液分离进气口(11)和所述气液分离出气口(12)分别与所述电堆(2)相接，所述排水口(13)通过排氢电磁阀(4)与尾排系统(5)相接；
所述分水器(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；
所述分水器(1)中与保温腔相连的加热源出口(15)与所述尾排系统(5)相接。
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