CN112516689A - 一种水气分离装置及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水气分离装置及燃料电池系统，其属于燃料电池技术领域，水气分离装置包括分离器及管路组件，分离器上设有混合流体入口、气体出口、液体出口及排气口，混合流体入口位于分离器的侧壁，气体出口位于分离器的顶端，液体出口位于分离器的底部，排气口位于分离器的顶端，分离器的侧壁还设有第一集流道，第一集流道沿分离器的长度方向延伸；管路组件包括连通的第一管路和第二管路，第二管路与第一管路呈夹角设置，且第二管路连通于混合流体入口；第一集流道位于混合流体入口的下游，且与混合流体入口紧邻设置。本发明提供的水气分离装置及燃料电池系统能够占据较小的空间，便于使用在空间要求高的设备中，且能够减小混合流体的压降。

Description

一种水气分离装置及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种水气分离装置及燃料电池系统。

背景技术

目前，针对于氢气为燃料的燃料电池电堆中，为了保证质子交换膜的电化学反应正常进行，需要向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气。并且，电堆在工作过程中，会存在反应不完全的情况，使得部分氢气不参加反应，而是通过氢气循环系统进行循环再利用。

未反应的氢气通常混合在液态水、水蒸气及部分从空气侧(阴极)渗透过来的氮气中，形成混合流体，为了保证氢燃料电池的反应效率和阳极其他零件正常工作，需要在混合流体重新导入电堆进氢口前将其携带的大量液态水分离出来。现有技术中，采用水气分离器对混合流体中的水气进行分离。水气分离器通常包括壳体及设置在壳体内的多个旋流片，壳体上设有混合流体入口、气出口及水出口，混合流体由混合流体入口进入壳体内，在旋流片的作用下形成离心气流，以利用离心力将水气分离。但是，由于需要在壳体内设置多个旋流片，导致壳体需要占据较大的体积，进而导致水气分离器的体积较大，不便于安装在车辆等空间有限的系统中，且通过旋流片分离水气的方式还导致混合流体整体的压降较大，不利于分离后的气体的再利用。

因此，急需一种水气分离装置以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水气分离装置及燃料电池系统，能够占据较小的空间，便于使用在对空间要求较高的设备中，且水气分离装置中没有设置复杂的阻挡物，进而能够减小混合流体的压降，利于分离后得到的混合气体的再利用。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种水气分离装置，包括：

分离器，所述分离器上设有混合流体入口、气体出口、液体出口及排气口，所述混合流体入口位于所述分离器的侧壁，所述气体出口位于所述分离器的顶端并用于向燃料电池电堆的反应入口输送分离后得到的气体，所述液体出口位于所述分离器的底部并用于排出分离后得到的液体，所述排气口位于所述分离器的顶端，所述分离器的侧壁还设有第一集流道，所述第一集流道沿所述分离器的长度方向延伸，且所述第一集流道由所述分离器的内壁向外冲压形成；

管路组件，包括连通的第一管路和第二管路，所述第一管路用于与所述燃料电池电堆的反应出口连通，所述第二管路与所述第一管路呈夹角设置，且所述第二管路连通于所述混合流体入口；

所述第一集流道位于所述混合流体入口的下游，且与所述混合流体入口紧邻设置，以使所述第二管路内壁上的液体能由所述混合流体入口流入所述第一集流道。

可选地，所述分离器的侧壁还设有沿所述分离器的长度方向延伸的第二集流道，所述第二集流道位于所述第一集流道的下游，且所述第二集流道由所述分离器的内壁向外冲压形成，所述第二集流道用于收集分离器侧壁上的液体。

可选地，所述第二管路轴线的延长线与第一侧壁在顺时针方向上的夹角为锐角，以使由所述第二管路流出的混合流体能撞击在所述第一侧壁上，所述第一侧壁位于所述第一集流道的下游，且位于第二集流道的上游，所述第二集流道用于收集所述第一侧壁上的液体。

可选地，所述分离器的第二侧壁的底部设有第一接口，所述水气分离装置还包括安装于所述第一接口的液位传感器，所述第二侧壁为所述分离器的侧壁中除所述第一侧壁外的部分。

可选地，所述分离器的侧壁上还设有第二接口，所述水气分离装置还包括安装于所述第二接口的压力传感器，所述压力传感器用于检测所述分离器中气体的压力。

可选地，还包括设置于所述液体出口上的阀体组件，所述阀体组件包括排水阀及集成在所述排水阀上的电加热器。

可选地，还包括控制器，所述控制器与所述液位传感器、所述排水阀及所述电加热器均连接，所述控制器用于根据所述液位传感器检测到的液位数据确定排水阀的开度，以及用于控制电加热器的启闭。

可选地，所述管路组件设有两组，所述混合流体入口设有两个，一组所述管路组件中的所述第一管路用于与一个所述燃料电池电堆的反应出口连通，一组所述管路组件中的所述第二管路与一个所述混合流体入口连通，另一组所述管路组件中的所述第一管路用于与另一个所述燃料电池电堆的反应出口连通，另一组所述管路组件中的所述第二管路与另一个所述混合流体入口连通。

可选地，所述第一管路的长径比大于等于25。

一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆及上述的水气分离装置，所述燃料电池电堆具有反应入口及反应出口，所述第一管路连通于所述反应出口，所述气体出口连通于所述反应入口。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的水气分离装置中，混合流体由燃料电池电堆的反应出口流出后，先在第一管路中流动，在流动过程中，混合流体中的部分液体会附着在第一管路的管壁上，实现挂壁分离，随后混合流体由第一管路进入第二管路，由于第二管路与第一管路呈夹角设置，使得混合流体中的部分液体会撞击并附着在第二管路的管壁，实现撞壁分离，随后，混合流体经混合流体入口进入分离器中，并在分离器中发生旋流，使得混合流体中的部分液体附着在分离器的内壁上，实现旋流捕捉分离，通过在混合流体流动的过程中对混合流体中的气体和液体进行分离，并通过挂壁分离、撞壁分离及旋流捕捉分离的组合提高气体与液体分离的效果，相较于现有技术，无需设置旋流片，使得水气分离装置能够占据较小的空间，便于使用在对空间要求较高的设备中，且水气分离装置中没有设置复杂的阻挡物，进而能够减小混合流体的压降，利于分离后得到的混合气体的再利用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的水气分离装置的主视图；

图2是本发明实施例提供的水气分离装置的左视图；

图3是本发明实施例提供的水气分离装置的截面示意图；

图4是本发明实施例提供的部分水气分离装置的俯视图。

图中：

1、分离器；11、混合流体入口；12、气体出口；13、液体出口；14、排气口；15、第一集流道；16、第二集流道；17、第一侧壁；18、第二侧壁；2、管路组件；21、第一管路；22、第二管路；31、第一接口；32、第二接口；4、阀体组件；10、燃料电池电堆。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种水气分离装置，应用于燃料电池系统中，用于对由燃料电池电堆10的反应出口流出的混合流体进行气体与液体的分离，无需设置旋流片，因此能够占据较小的空间，且处理混合流体时，混合流体中气体的压降较小。

如图1至图4所示，水气分离装置包括分离器1及管路组件2。分离器1呈长桶状，分离器1上设有混合流体入口11、气体出口12、液体出口13及排气口14，其中，混合流体入口11位于分离器1的侧壁，用于接收燃料电池电堆10的反应出口流出的混合流体。气体出口12位于分离器1的顶端并用于向燃料电池电堆10的反应入口输送分离后得到的气体，该气体通常为氢气、氮气及水蒸气组成的混合气体。液体出口13位于分离器1的底部并用于排出分离后得到的液体，该液体通常为水。

上述排气口14位于分离器1的顶端，由于经水气分离装置分离后得到的混合气体中包括氢气和氮气，该混合气体被重新送入燃料电池电堆10的阳极，混合气体中的氢气能够被再次利用，并参与反应，而该混合气体中的氮气则再次由反应出口排出，并且，还会新增加由阴极渗透的氮气，使得经过分离器1多次分离后，混合流体中的气体中氮气的含量较高，因此，需要设置排气口14对分离器1中的混合气体按照预设策略进行排放，以降低混合流体中氮气的含量。该预设策略可以为当混合气体中氮气的含量大于预设含量时，对混合气体进行排放。可以理解的是，排气口14上设有排气阀，以用于控制混合气体的排放。

本实施例中，排气口14与气体出口12之间的距离大于预设距离，也即是，排气口14离气体出口12的距离较大，以防止排气口14干扰气体出口12处混合气体的流动。

本实施例中，请参考图2，分离器1的侧壁还设有第一集流道15，第一集流道15沿分离器1的长度方向延伸，且第一集流道15由分离器1的内壁向外冲压形成。管路组件2包括连通的第一管路21和第二管路22，第一管路21用于与燃料电池电堆10的反应出口连通，第二管路22与第一管路21呈夹角设置，也即是，第二管路22相对于第一管路21倾斜设置，并且，如图1所示，第二管路22连通于混合流体入口11。通过设置第一管路22和第一管路21，能够使得混合流体由第一管路21进入第二管路22时，能够撞击在第二管路22的管壁上，进而使得混合流体中的大水珠撞击并附着在第二管路22的管壁上，实现撞壁分离。可选地，本实施例中，第一管路21与第二管路22之间的夹角大于90度，以减小对混合流体的阻力，防止混合流体的压降过大。

如图3和图4所示，第二管路22与分离器1的侧壁之间存在倾斜角度，也即是第二管路22中混合流体的流动方向与分离器1的侧壁之间存在夹角，且夹角小于90度，使得混合流体不是以垂直于侧壁的方向进入分离器1，而是以一定的倾斜角度进入分离器1中，便于混合流体在分离器1中形成旋流。

请参考图3，第一集流道15位于混合流体入口11的下游，也即是，混合流体依次流经第二管路22、混合流体入口11及第一集流道15。并且，第一集流道15与混合流体入口11紧邻设置，以使第二管路22管壁上的液体能由混合流体入口11流入第一集流道15，由第一集流道15收集后在重力的作用下流至分离器1的底端。

本实施例提供的水气分离装置中，混合流体由燃料电池电堆10的反应出口流出后，先在第一管路21中流动，在流动过程中，混合流体中的部分液体会附着在第一管路21的管壁上，实现挂壁分离，随后混合流体由第一管路21进入第二管路22，由于第二管路22与第一管路21呈夹角设置，使得混合流体中的部分液体会撞击并附着在第二管路22的管壁，实现撞壁分离，随后，混合流体经混合流体入口11进入分离器1中，并在分离器1中发生旋流，使得混合流体中的部分液体附着在分离器1的内壁上，实现旋流捕捉分离，通过在混合流体流动的过程中对混合流体中的气体和液体进行分离，并通过挂壁分离、撞壁分离及旋流捕捉分离的组合提高气体与液体分离的效果，相较于现有技术，无需设置旋流片，使得水气分离装置能够占据较小的空间，便于使用在对空间要求较高的设备中，且水气分离装置中没有设置复杂的阻挡物，进而能够减小混合流体的压降，利于分离后得到的混合气体的再利用。

进一步地，如图3或图4所示，分离器1的侧壁还设有沿分离器1的长度方向延伸的第二集流道16。第二集流道16位于第一集流道15的下游，也即是，混合流体流动时，依次经过混合流体入口11、第一集流道15和第二集流道16。并且，第二集流道16由分离器1的内壁向外冲压形成，第二集流道16用于收集分离器1侧壁上的液体。

进一步地，如图3所示，第二管路22轴线的延长线与第一侧壁17在顺时针方向上的夹角a为锐角，以使由第二管路22流出的混合流体能撞击在第一侧壁17上，其中，第一侧壁17位于第一集流道15的下游，且位于第二集流道16的上游，第二集流道16用于收集第一侧壁17上的液体，具体的，第二集流道16用于捕捉撞击第一侧壁17后分离逃逸的液滴，以进一步提高了水气分离装置的分离效率。本实施例中，第二集流道16还用于对撞击第一侧壁17后的混合流体的流动方向进行引导，以使混合流体能够形成局部旋流，以使混合流体中较多的液体能够附着在分离器1的内壁上。

本实施例中，如图2所示，分离器1的第二侧壁18的底部设有第一接口31，水气分离装置还包括安装于第一接口31的液位传感器，液位传感器用于检测分离器中液体的液位，其中，第二侧壁18为分离器1的侧壁中除第一侧壁17外的部分，也即是，第二侧壁18位于第二集流道16的下游，混合流体在初次进入分离器1中时，依次经过混合流体入口11、第一集流道15、第一侧壁17、第二集流道16和第二侧壁18。由于液位传感器设置在第二侧壁18上，使得第二集流道16能够对液位传感器形成保护，以避免液位传感器被撞击第一侧壁17分离的液体持续淹没形成误报的情况。

可选地，请继续参考图2，分离器1的侧壁上还设有第二接口32，水气分离装置还包括安装于第二接口32的压力传感器，压力传感器用于检测分离器1中气体的压力。

本实施例中，如图4所示，水气分离装置还包括设置于液体出口13上的阀体组件4，并且，阀体组件4包括排水阀及集成在排水阀上的电加热器，排水阀用于排放分离器1中的液体，电加热器用于对排水阀进行加热，以防止在冬季燃料电池系统冷启动时发生排水路残余水结冰堵塞液体出口13或使得排水阀卡滞的情况。示例地，本实施例中，电加热器可以为电阻丝，电阻丝绕设在液体出口13中，和/或电阻丝绕设在排水阀外，以实现对液体出口13或排水阀的加热。

可选地，水气分离装置还包括控制器，控制器与液位传感器、排水阀及电加热器均连接，控制器用于根据液位传感器检测到的液位数据确定排水阀的开度，以及用于控制电加热器的启闭。本实施例中，控制器还与压力传感器有线或无线连接，使得控制器能够获取压力传感器的检测数据，并根据该检测数据确定分离器1内的压力是否正常，以保证水气分离装置运行的安全性。

本实施例中，如图1所示，管路组件2设有两组，混合流体入口11设有两个，一组管路组件2中的第一管路21用于与一个燃料电池电堆10的反应出口连通，一组管路组件2中的第二管路22与一个混合流体入口11连通，另一组管路组件2中的第一管路21用于与另一个燃料电池电堆10的反应出口连通，另一组管路组件2中的第二管路22与另一个混合流体入口11连通，以使得本实施例中的水气分离装置能够适用于包括两个燃料电池电堆10的燃料电池系统。

本实施例中，分离器1的高度影响其内腔容积，内腔容积最小需要满足预设存水容量的要求，同时满足预设安装使用倾斜角度(即第二管路22与分离器1侧壁之间的角度)的要求。较大的内腔容积可以达成更小的混合气体压力降，同时有利于提高水气分离效率。

需要说明的是，第一管路21的长径比需要大于等于25，以使混合流体在第一管路21内流动时充分挂壁集聚。当第一管路21的截面为矩形或其它形状时，可以换算为等面积圆形。

本实施例的分离原理为挂壁分离、撞壁分离和旋流捕捉分离的流场组合。分离器1的横截面主体是一个长圆形，该长圆形的中心距需要根据流场的实际流动情况确定，需要保证第一集流道15和第二集流道16之间的第一侧壁17(即撞壁分离区域)覆盖混合流体到达撞击壁面时的伞形喷射区域，长圆形截面的宽度需要保证混合流体中的液滴撞壁分离后，不发生大量的液滴反射飞溅，从而影响流场的稳定性。第一集流道15和第二集流道16的横截面形状均为圆角梯形，有效保证第一集流道15和第二集流道16内的液体不会越出而影响其他区域壁面。

并且，第二管路22具有一定空间角度，斜向下通入分离器1，并且在第二管路22末端即混合流体入口11处具有弯折特征，该处斜向下角度的弯折用于初步挂壁分离混合流体中的大液滴，同时对混合流体形成一定节流，增加混合流体撞壁分离时的流速。

本实施例还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池电堆10及上述的水气分离装置，燃料电池电堆10具有反应入口及反应出口，第一管路21连通于反应出口，气体出口12连通于反应入口。

本实施例提供的水气分离装置及燃料电池系统中，通过集成燃料电池阳极系统执行器和传感器的各种接口实现紧凑设计，并能够实现排气和排水的闭环控制。通过集成排水阀和电加热器接口，避免了冬季燃料电池冷启动时发生排水路残余水结冰堵塞液体出口13或使得排水阀卡滞情况的发生。通过第一管路21和第二管路22的设计，实现了多个电堆共用一个水气分离装置的设计方案，提高了水气分离装置的利用率。通过创新优化流场设计，采用挂壁分离、撞壁分离和旋流捕捉分离的流场组合简化水气分离装置的结构设计实现高可靠性，达到优异的水分离效果。通过将水气分离装置直接布置在燃料电池电堆10的一端，使燃料电池电堆10反应出口与水气分离装置间的管路长度最小化，充分利用混合流体的残余动能，同时最大化保证分离器内腔和通道的平顺性，使得混合流体能够具有较小压力损失。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种水气分离装置，其特征在于，包括：

分离器(1)，所述分离器(1)上设有混合流体入口(11)、气体出口(12)、液体出口(13)及排气口(14)，所述混合流体入口(11)位于所述分离器(1)的侧壁，所述气体出口(12)位于所述分离器(1)的顶端并用于向燃料电池电堆的反应入口输送分离后得到的气体，所述液体出口(13)位于所述分离器(1)的底部并用于排出分离后得到的液体，所述排气口(14)位于所述分离器(1)的顶端，所述分离器(1)的侧壁设有第一集流道(15)，所述第一集流道(15)沿所述分离器(1)的长度方向延伸，且所述第一集流道(15)由所述分离器(1)的内壁向外冲压形成；

管路组件(2)，包括连通的第一管路(21)和第二管路(22)，所述第一管路(21)用于与所述燃料电池电堆的反应出口连通，所述第二管路(22)与所述第一管路(21)呈夹角设置，且所述第二管路(22)连通于所述混合流体入口(11)；

所述第一集流道(15)位于所述混合流体入口(11)的下游，且与所述混合流体入口(11)紧邻设置，以使所述第二管路(22)内壁上的液体能由所述混合流体入口(11)流入所述第一集流道(15)。

2.根据权利要求1所述的水气分离装置，其特征在于，所述分离器(1)的侧壁还设有沿所述分离器(1)的长度方向延伸的第二集流道(16)，所述第二集流道(16)位于所述第一集流道(15)的下游，且所述第二集流道(16)由所述分离器(1)的内壁向外冲压形成，所述第二集流道(16)用于收集分离器(1)侧壁上的液体。

3.根据权利要求2所述的水气分离装置，其特征在于，所述第二管路(22)轴线的延长线与第一侧壁(17)在顺时针方向上的夹角为锐角，以使由所述第二管路(22)流出的混合流体能撞击在所述第一侧壁(17)上，所述第一侧壁(17)位于所述第一集流道(15)的下游，且位于第二集流道(16)的上游，所述第二集流道(16)用于收集所述第一侧壁(17)上的液体。

4.根据权利要求3所述的水气分离装置，其特征在于，所述分离器(1)的第二侧壁(18)的底部设有第一接口(31)，所述水气分离装置还包括安装于所述第一接口(31)的液位传感器，所述第二侧壁(18)为所述分离器(1)的侧壁中除所述第一侧壁(17)外的部分。

5.根据权利要求4所述的水气分离装置，其特征在于，所述分离器(1)的侧壁上还设有第二接口(32)，所述水气分离装置还包括安装于所述第二接口(32)的压力传感器，所述压力传感器用于检测所述分离器(1)中气体的压力。

6.根据权利要求4所述的水气分离装置，其特征在于，还包括设置于所述液体出口(13)上的阀体组件(4)，所述阀体组件(4)包括排水阀及集成在所述排水阀上的电加热器。

7.根据权利要求6所述的水气分离装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述液位传感器、所述排水阀及所述电加热器均连接，所述控制器用于根据所述液位传感器检测到的液位数据确定所述排水阀的开度，以及用于控制所述电加热器的启闭。

8.根据权利要求1所述的水气分离装置，其特征在于，所述管路组件(2)设有两组，所述混合流体入口(11)设有两个，一组所述管路组件(2)中的所述第一管路(21)用于与一个所述燃料电池电堆的反应出口连通，一组所述管路组件(2)中的所述第二管路(22)与一个所述混合流体入口(11)连通，另一组所述管路组件(2)中的所述第一管路(21)用于与另一个所述燃料电池电堆的反应出口连通，另一组所述管路组件(2)中的所述第二管路(22)与另一个所述混合流体入口(11)连通。

9.根据权利要求1所述的水气分离装置，其特征在于，所述第一管路(21)的长径比大于等于25。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池电堆及权利要求1-9任一项所述的水气分离装置，所述燃料电池电堆具有反应入口及反应出口，所述第一管路(21)连通于所述反应出口，所述气体出口(12)连通于所述反应入口。

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