CN112057958B - 一种气水分离组件、燃料电池氢气循环系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本申请属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种气水分离组件、燃料电池氢气循环系统及应用。目前使用单个引射器的燃料电池氢气循环系统，引射器不能在宽功率范围内工作，同时系统中的气水分离器的阻力损失也较大。如果使用多个引射器来联合工作以拓宽引射器适用的功率范围，又会使系统部件增多，控制变得复杂、可靠性降低。本申请提供了一种气水分离组件，包括主体，所述主体一端设置有喷嘴，所述喷嘴与旋流叶片连接，所述主体一端设置有气液混合物入口；所述主体另一端设置有排气管，所述主体另一端设置有排水管。具有部分引射功能，拓宽引射器的工作范围；代替传统的气水分离器，优势是小型、紧凑，压力损失小，有利于提高引射器的性能。

Description

一种气水分离组件、燃料电池氢气循环系统及应用
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种气水分离组件、燃料电池氢气循环系统及应用。
背景技术
氢燃料电池可直接将氢气的化学能转化为电能而无需燃烧，其具有高效率和功率密度，零排放，静音运行的优点，是一种非常具有前景的新能源发电动力装置。氢燃料电池将阳极侧的氢气和阴极侧的氧气发生化学反应，产生电能和水，为保证燃料电池高效率运行，阳极侧的供氢量大于反应掉的氢气量，因此需要建立阳极氢气循环系统来将未消耗的氢气再次循环利用，以提高氢气的利用率。
在氢燃料电池汽车的氢气循环系统中，通常使用氢循环泵或引射器作为氢气循环的装置，相比于机械氢泵，引射器具有结构简单、可靠性高、成本低，并且安装在系统中不会额外耗功等突出优点。但是，在实际的应用中，燃料电池汽车的功率经常改变，这要求氢循环装置能够在较宽的功率范围内可以提供稳定的循环能力，但是由于引射器自身的结构特性，其不能够满足燃料电池宽的功率范围。比如对于一个功率范围是10-100kW的电堆，所设计性能优良的引射器也只能适应40-100kW的功率范围。目前有一些拓宽引射器应用功率范围的方法，比如常用的是使用2个引射器结合的方法，两个引射器分别工作在不同的功率范围区间，因此可以拓宽引射器应用功率范围。
引射器需要克服系统中的压降，主要包括跨越燃料电池堆的压力损失和气水分离器的压力损失。压力损失越小，相对的引射器能够提供的引射率越高，所以引射器能够在更宽的工作范围内工作。在实际的氢燃料电池的阳极氢气系统中，电池堆排出的阳极排出的尾气含有产生的液态水，循环尾气在进入引射器之前需要使用气水分离器将尾气中的液态水分离出来。目前的气水分离器一般是旋风式分离器或过滤式分离器。这些气水分离器会产生较大的额外的阻力损失，会造成引射器的引射率下降，使得引射器适用的功率范围变窄。因此，在进行水分离时应该避免产生较大的阻力损失。通过减小阻力损失，可以进一步的提升引射器的引射能力，拓宽引射器的工作范围。
目前使用单个引射器的燃料电池氢气循环系统，引射器不能在宽功率范围内工作，同时系统中的气水分离器的阻力损失也较大。如果使用多个引射器来联合工作以拓宽引射器适用的功率范围，又会使系统部件增多，控制变得复杂、可靠性降低。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于目前使用单个引射器的燃料电池氢气循环系统，引射器不能在宽功率范围内工作，同时系统中的气水分离器的阻力损失也较大。如果使用多个引射器来联合工作以拓宽引射器适用的功率范围，又会使系统部件增多，控制变得复杂、可靠性降低的问题，本申请提供了一种气水分离组件、燃料电池氢气循环系统及应用。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种气水分离组件，包括主体，所述主体一端设置有喷嘴，所述喷嘴与旋流叶片连接，所述主体一端设置有气液混合物入口；所述主体另一端设置有排气管，所述主体另一端设置有排水管。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述喷嘴设置于所述主体中心轴线上；所述旋流叶片嵌套在所述喷嘴上；所述排气管悬空设置。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述旋流叶片包括叶片，所述叶片一端与叶片内壁连接，所述叶片另一端与叶片外壁连接；所述叶片内壁与所述喷嘴连接。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环系统，将所述的气水分离组件应用于燃料电池氢气循环系统。
本申请涉及的另一种实施方式为：系统包括依次连接的供氢组件、所述气水分离组件和燃料电池堆。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶、截止阀、减压阀和第一喷氢阀。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶、截止阀、减压阀和第一喷氢阀，所述减压阀、第二喷氢阀、引射器和燃料电池堆依次连接，所述气水分离组件与所述引射器连接，所述第一喷氢阀与所述第二喷氢阀连接。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述气水分离组件与排水阀连接。
本申请涉及的另一种实施方式为：所述燃料电池堆包括电池堆入口和电池堆出口，所述电池堆入口与所述引射器连接，所述电池堆出口与所述气水分离组件连接；所述气水分离组件为引射分离器。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环应用，将所述的燃料电池氢气循环系统应用于燃料电池汽车系统。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种燃料电池氢气循环系统及应用的有益效果在于：
本申请提供的气水分离组件，具有部分引射功能，拓宽引射器的工作范围；代替传统的气水分离器，优势是小型、紧凑，压力损失小，有利于提高引射器的性能。
本申请提供的气水分离组件，同时具有引射和分离的功能，且引射功能可以单独使用。当不对喷嘴供气时，仅使用引射分离器的水分离功能；当对喷嘴供气时，同时具备引射和水分离功能。通过将引射器和水分离器集成在一起，减小了系统的管路压力损失，有利于提升引射器的工作能力，同时减少了系统的体积和重量。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，为一种具有引射分离器的氢燃料电池阳极循环系统。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，利用了一种引射分离器和引射器结合，作为燃料电池氢气循环系统的动力部件。同时引射分离器也具备水分离功能，代替常规的气水分离器，在实现水分离的同时减小管路的流动阻力损失，使引射器可以适应较宽的功率范围，解决常规引射器不能适应宽功率范围要求的缺点。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，所使用的引射分离器将水分离功能和引射功能结合了起来，即保证了不同功率下的较强的水分离性能，同时又减小了系统的阻力损失，与引射器联合使用，使得燃料电池堆在较宽的功率变化范围的可以稳定运行。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，相比于使用多个引射器的系统部件少，控制简单，可靠性更好。
附图说明
图1是本申请的气水分离组件结构示意图；
图2是本申请的燃料电池氢气循环系统第一结构示意图；
图3是本申请的燃料电池氢气循环系统第二结构的结构示意图；
图4是本申请的旋流叶片示意图；
图中：1-氢气瓶，2-截止阀，3-减压阀，4-第一喷氢阀，5-第二喷氢阀，6-引射器，7-气水分离组件，8-燃料电池堆，9-排水阀，71-喷嘴，72-主体，73-旋流叶片，74-气液混合物入口，75-排气管，76-排水管，731-叶片，732-叶片内壁，733-叶片外壁，91-电池堆出口，92-电池堆入口。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～4，本申请提供一种气水分离组件7，包括主体72，所述主72体一端设置有喷嘴71，所述喷嘴71与旋流叶片73连接，所述主体72一端设置有气液混合物入口74；所述主体72另一端设置有排气管75，所述主体72另一端设置有排水管76。
进一步地，所述喷嘴71设置于所述主体中心轴线上；所述旋流叶片73嵌套在所述喷嘴71上；所述排气管75悬空设置。
引射分离器是一种结合引射器和水分离器的装置，主要结构包括引射分离器主体72、喷嘴71以及旋流叶片73，引射分离器主体又具体包含气液混合物入口管74，排气管75和排水管76。喷嘴71安装在主体72的中心轴线位置，旋流叶片73安装在主体72的头部，并嵌套在喷嘴71之上。排气管75安装在主体的尾部，与主体内壁面不接触即悬空安装，这样可以避免内壁的液态水滴被携带进入排气管。
排水管76就是在主体壁面上开一个口子导出积水，没有严格的布置方式。
排气管75就是在主体的尾部开个口子导出气，然后中心悬空布置就好。
图1是本方案提出的引射分离器（即气水分离组件7）的结构。高压新鲜氢气F1通过喷嘴71进入，电堆排出的混合物F2从气液混合物入口管进入，高压氢气F1由于文丘里效应和剪切力的作用可以引射气液混合物F2。气液混合物进入后首先经过旋流叶片73，轴向流动转变为旋转运动，混合物中的液滴由于离心力的作用向壁面运动。另外，高压氢气由于高速喷射，引射分离器的主体72内部可以产生低温区，会造成气体中的水蒸气凝结，实现进一步的分离。液体在离心力作用下被分离到壁面，被分离的液滴在引射分离器尾部聚集，并从排水管76排出。排气管75安装在引射器的中心，与主体壁面存在间隙，分离掉水滴的气体从排气管75排出。
引射分离器同时具有引射和分离的功能，且引射功能可以单独使用。当不对喷嘴供气时，仅使用引射分离器的水分离功能；当对喷嘴供气时，同时具备引射和水分离功能。
进一步地，所述旋流叶片73包括叶片731，所述叶片731一端与叶片内壁732连接，所述叶片731另一端与叶片外壁733连接；所述叶片内壁732与所述喷嘴71连接。
图4是一种引射分离器用的旋流叶片，结构包括叶片731，叶片内壁732和叶片外壁733。叶片内壁与喷嘴71连接安装在一起，叶片外壁与主体72内壁连接安装在一起。气液混合物经过旋流叶片731之后，运动由轴向运动转变为旋转运动。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环系统，将所述气水分离组件7应用于燃料电池氢气循环系统。
进一步地，系统包括依次连接的供氢组件、所述气水分离组件7和燃料电池堆8。
进一步地，所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶1、截止阀2、减压阀3和第一喷氢阀4。
如图2所示，对于较小功率电池堆的系统，因为功率范围较窄时使用一个引射器6可以保证有效工作，因此只使用一个引射分离器（气水分离组件7）而不使用引射器6。引射分离器即有水分离效果也有引射作用，可以保证系统的正常工作。同时部件的结构紧凑、安全性更好。
进一步地，所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶1、截止阀2、减压阀3和第一喷氢阀4，所述减压阀3、第二喷氢阀5、引射器6和燃料电池堆8依次连接，所述气水分离组件7与所述引射器6连接，所述第一喷氢阀4与所述第二喷氢阀5连接。
如图3所示，高压氢气瓶1储存有高压氢气作为燃料电池堆8的燃料，经过截止安全阀2和减压阀3后通过第二喷氢阀5（或第一喷氢阀4）供给引射器6（或引射分离器即气水分离组件7）具有一定压力值的氢气。引射器6依据文丘里效应可以将未消耗的氢气引射，最后供给于燃料电池堆8。氢气在电池堆中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，并产生水分，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水从电堆中排出。排出的混合物进入引射分离器中分离出液态水，剩余的气体被引射器6引射进入燃料电池中再次被循环利用。
将整个功率范围分为高低两个功率范围区间，燃料电池堆8在低功率范围区间内工作时，第二喷氢阀5打开，第一喷氢阀4关闭，此时引射分离器只具有水分离功能，循环系统的循环动力由引射器6提供。燃料电池堆8在高功率范围区间内工作时，此时仅通过引射器6不能提供足够的引射能力，因此开启第一喷氢阀4，利用引射分离器的引射功能，减小引射器6的压升，这样可以使引射器6能够在大功率条件下工作。当引射器6和引射分离器同时具有引射功能时，引射器6和引射分离器相当于两级串联引射，即燃料电池堆8的排气首先通过引射分离器进行一级增压，然后通过引射器6进行二级增压。
引射器6的结构尺寸依据低功率范围区间确定，以保证低功率区间内引射器性能足够好。同时这种依据低功率区间设计的这种引射器不适合高功率区间，此时使用引射分离器的引射功能作为补充，以提高高功率区间的引射性能，使得系统在高功率区间内正常使用。
进一步地，所述气水分离组件7与排水阀9连接。
进一步地，所述燃料电池堆8包括电池堆入口92和电池堆出口91，所述电池堆入口92与所述引射器6连接，所述电池堆出口91与所述气水分离组件7连接；所述气水分离组件7为引射分离器。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环应用，将所述燃料电池氢气循环系统应用于燃料电池汽车系统。
实施例
系统部件包括：氢气瓶1，截止阀2，减压阀3，第二喷氢阀5，第一喷氢阀4，引射器6，气水分离组件7，燃料电池堆8，排水阀9。电池堆入口92，电池堆出口91。高压新鲜氢气F1，电堆排出的气液混合物F2，分离掉液滴的气体F3。引射分离器的结构包括喷嘴71，主体72，旋流叶片73，气液混合物入口74，排气管75和排水管76。
图3，是本方案提出的系统。高压氢气瓶1储存有高压氢气作为燃料电池堆8的燃料，经过截止安全阀2和减压阀3后通过第二喷氢阀5（或第一喷氢阀4）供给引射器6（或引射分离器）具有一定压力值的新鲜氢气F1。引射器6通过文丘里效应可以将未消耗的氢气引射，最后供给于燃料电池堆8。氢气在燃料电池堆8中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，并产生水分，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水从电堆出口91中排出。排出的混合物F2进入引射分离器中分离出液态水，剩余的气体F3被引射器6引射进入燃料电池中再次被循环利用。排水阀9周期性的打开以排出产生的液态水。
整个系统的具体工作过程：
将整个功率范围分为高低两个功率范围区间，比如100kW的燃料电池堆，10-50kW是低功率区间，50-100kW是高功率区间。
燃料电池堆在低功率范围区间内工作时，第二喷氢阀5打开，循环系统的循环动力由引射器6提供；第一喷氢阀4关闭，此时引射分离器只具有水分离功能。从氢气瓶1送出的高压新鲜氢气F1经过截止阀2和减压阀3后到达一定压力值，该压力值由燃料电池堆功率确定，新鲜氢气F1通过第二喷氢阀5进入引射器6中，喷氢量由燃料电池堆8功率确定并由第二喷氢阀5控制。引射器6利用新鲜氢气F1的压力能将完成水分离后的电堆排气F3卷吸进入引射器中，两股气流混合之后被送入燃料电池堆入口92。未反应的部分氢气携带产生的液滴作为气液混合物F2从电堆出口91排出，气液混合物F2进入引射分离器中分离掉液态水，剩余的气体F3被引射器6引射。
燃料电池堆在高功率范围区间内工作时，循环系统的流量增大，使得系统的管路损失增大，此时仅通过引射器6不能提供足够的引射能力以克服系统的管路损失。因此开启第一喷氢阀4，利用引射分离器的引射能力，减小引射器6的压升，这样可以使引射器6能够在大功率条件下工作。从氢气瓶1送出的高压新鲜氢气F1经过截止阀2和减压阀3后到达一定压力值，该压力值由燃料电池堆功率确定。一部分新鲜氢气F1通过第二喷氢阀5进入引射器6中，另一部分新鲜氢气F1通过第一喷氢阀4进入引射分离器7中，二者的喷氢量由燃料电池堆功率确定。引射器6利用新鲜氢气F1的压力能将完成水分离后的电堆排气F3卷吸进入引射器中，同时引射分离器利用新鲜氢气F1的压力能卷吸气液混合物，分担引射器6的引射需求。此时引射器6和引射分离器相当于两级串联引射，即燃料电池堆的排气首先通过引射分离器7进行一级增压，然后被引射器6进行二级增压。通过引射器6和引射分离器7的联合使用，可以使循环系统在较宽的功率范围内正常运行。
设计的引射分离器的特点：具有部分引射功能，拓宽引射器的工作范围；代替传统的气水分离器，优势是小型、紧凑，压力损失小，有利于提高引射器的性能。因此所设计的引射分离器特别适合于燃料电池汽车系统。
1. 本申请提出了一种使用引射分离器的燃料电池氢气循环系统，核心部件是引射器6和引射分离器（气水分离组件7）。其中引射分离器代替常规系统中的气水分离器，在系统中实现水分离的作用。引射分离器也具备引射功能，与引射器6联合使用作为循环系统的动力部件，以拓宽燃料电池堆8的可用功率范围。
2. 系统根据电池堆功率的不同分为两条工作路线：小功率时，只对引射器6供应高压氢气使其提供循环动力，此时引射分离器不给供氢，只提供水分离功能。大功率时，开启引射分离器的供氢线路，引射分离器在进行水分离的同时提供引射作用，减轻单纯使用引射器6时的工作压力，提高引射效果。
3.当引射器6和引射分离器同时具有引射功能时，引射器6和引射分离器相当于两级串联引射，即燃料电池堆8的排气首先通过引射分离器进行一级增压，然后被引射器6进行二级增压。
4.引射分离器同时具有引射和分离的功能，且引射功能可以单独使用。当不对喷嘴71供气时，仅使用引射分离器的水分离功能；当对喷嘴71供气时，同时具备引射和水分离功能。
5. 引射分离器的水分离功能通过旋流叶片73实现，混合物的直线流动经过旋流叶片73后转变为旋转运动，在离心力作用下液滴向壁面运动。
6. 引射器6的结构尺寸依据低功率范围区间确定，以保证低功率区间内引射器性能足够好。同时这种依据低功率区间设计的这种引射器不适合高功率区间，此时使用引射分离器的引射功能作为补充，以提高高功率区间的引射性能，使得系统在高功率区间内正常使用。
本申请是一种具有引射分离器的氢燃料电池阳极循环系统。利用了一种引射分离器和引射器6结合，作为燃料电池氢气循环系统的动力部件。同时引射分离器也具备水分离功能，代替常规的气水分离器，在实现水分离的同时减小管路的流动阻力损失，配合引射器6以适应较宽的功率范围，解决常规引射器6不能适应宽功率范围要求的缺点。所使用的引射分离器将水分离功能和引射功能结合了起来，即保证了不同功率下的较强的水分离性能，同时又减小了系统的阻力损失并提供部分引射能力，拓宽了引射器6的引射范围，使得燃料电池堆8在较宽的功率变化范围的可以稳定运行。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (5)

1.一种燃料电池氢气循环系统，其特征在于：包括依次连接的供氢组件、气水分离组件和燃料电池堆；所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶、截止阀、减压阀和第一喷氢阀，所述第一喷氢阀、引射器和燃料电池堆依次连接，所述气水分离组件与所述引射器连接，所述第一喷氢阀与第二喷氢阀连接，所述减压阀、所述第二喷氢阀与所述气水分离组件依次连接；
所述燃料电池堆包括电池堆入口和电池堆出口，所述电池堆入口与所述引射器连接，所述电池堆出口与所述气水分离组件连接；所述气水分离组件为引射分离器；所述引射分离器包括主体，所述主体一端设置有喷嘴，所述喷嘴与旋流叶片连接，所述主体一端设置有气液混合物入口；所述主体另一端设置有排气管，所述主体另一端设置有排水管。
2.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述气水分离组件与排水阀连接。
3.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述喷嘴设置于所述主体中心轴线上；所述旋流叶片嵌套在所述喷嘴上；所述排气管悬空设置。
4.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述旋流叶片包括叶片，所述叶片一端与叶片内壁连接，所述叶片另一端与叶片外壁连接；所述叶片内壁与所述喷嘴连接。
5.一种燃料电池氢气循环应用，其特征在于：将权利要求1～4中任一项所述的燃料电池氢气循环系统应用于燃料电池汽车系统。
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