CN112755660A - 一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法，属于燃料电池领域。本发明的燃料电池系统的引射器与分水装置的进气端集成设计，分水装置包括均呈管状的壳体、第一分水件和第二分水件，壳体的第一端进气，第二端出气，第一分水件连接在壳体的第一端。第一分水件的A端进气，B端出气，B端伸入壳体内，A端内设有旋流叶片。第二分水件连接在壳体的第二端，第二分水件的进气端伸入A端端口内。本发明旋流叶片旋转时，第一分水件在A端部分形成螺旋形气流通道，液态水滴被旋出到导流内壁上，并在吹动力下向B端流动，分水后的气态混合物则通过气流通道自第二分水件的出气端进入电堆。本实施例的分水效果好，结构可靠性高。

Description

一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法。

背景技术

为提高燃料电池系统性能,提高氢气利用率、改善系统水平衡，燃料电池系统中均采用阳极回流系统,即燃料电池阳极氢气反应气体过量供给电堆，电堆电化学反应消耗部分氢气，剩余氢气连同反应生成物混合排出电堆，出堆混合物经由驱动装置（氢循环泵或引射器）驱动回流,在电堆阳极入口之前与新供给的氢气混合,重新进入电堆。燃料电池电堆由数百单片单元堆叠而成，每个单片单元含若干气流微通道，水的气相、液相间的密度差异巨大，液态水的含量直接影响气体在燃料电池系统通道内流动状态，液态水累积严重的情况会阻塞气体传输通道，影响系统正常运行。

当前的燃料电池系统设计，燃料电池阳极出堆口位置均设有分水结构，用以分离燃料电池阳极出堆混合物中携带的液态水。但即使燃料电池阳极出堆已很好分离出液态水，仍难以避免下游冷凝水进入电堆。主要原因如下：

首先，随燃料电池出堆混合气温度下降，混合气中水饱和蒸汽压力降低，气态水蒸气冷凝为液态水。在燃料电池阳极回流系统中，出堆混合物温度一般为60-90度，阳极出堆混合物在回流路流动过程中会经壁面向环境散热，温度逐步降低。新鲜氢气的供给来自于氢瓶，供气温度接近环境温度。当回流混合物与新鲜供给氢气混合后温度会进一步降低。尤其是在冬季冷态环境运行的条件下，环境温度低、壁面向环境散热量大；氢瓶内新鲜氢气温度低，新鲜氢气与回流氢气混合后，温度降低幅度较大。

其次，燃料电池系统阳极回流系统中，阳极出堆压力最低，受氢循环泵（或引射器）的驱动，阳极混合气压力显著提高，随压力提高，阳极混合物中也会有液态析出。

现有技术中，针对阳极冷凝液态水入堆问题的主要解决方案为堆内分水设置分水结构：为缓解液态水进入电堆后的影响，专利US7163760B2和US2018/0342744A1在电堆内部增设旁通单元，分流液态水的措施。其主要特点是在电堆内侧紧邻端板增设氢气路旁通单元，旁通单元内设有连通氢气入口腔与出口腔的流通通道。氢气侧入堆混合物入堆后首先流经旁通单元，部分入堆的液态水会经旁通通道流至氢气出口腔体排出电堆，由此旁通单元下游的正常反应单元进入液态水的风险降低。

然而，现有技术中，在堆内分水设置分水结构（即增设旁通单元）会增加电堆长度、影响电堆内部密封可靠性、接触压力分布、甚至关系到电堆整体性能，且该方案实施影响变量多、配适调整难度大。

因此，亟需提供一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法，以解决上述冷凝液态水有进入电堆的风险的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分水装置、燃料电池系统及其分水方法，利用气态混合物气流流动中形成的旋流，将其中的液态水滴分离出去，其分水效果显著，大大降低了液态水进入电堆的风险。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种分水装置，用于燃料电池系统，所述分水装置包括：

均呈管状的壳体、第一分水件和第二分水件；

所述第一分水件连接在所述壳体的第一端，所述第一分水件的A端进气，B端出气，所述B端伸入所述壳体内，所述A端内设有旋流叶片，所述旋流叶片被配置为当气态混合物流经所述第一分水件的管状通道时能够产生绕中心的旋流，气态混合物中的液态水滴受旋流作用，沿所述第一分水件的导流内壁向所述B端流动；

所述第二分水件连接在所述壳体的第二端，所述第二分水件的进气端伸入所述A端端口内。

进一步地，所述第二分水件伸入所述A端端口内的部分与所述第一分水件的内壁间隔设置。

进一步地，所述壳体靠近第二端的位置处设置向下的出水流道，旋流出的液态水滴从所述出水流道排出。

进一步地，所述B端呈喇叭状。

进一步地，所述A端内设置有导流件，所述旋流叶片设于所述导流件上。

进一步地，所述分水装置还包括以下至少一种方式：

方式一：所述第一分水件伸入所述壳体内的部分与所述壳体内壁间隔设置；

方式二：所述壳体的内径自第一端至出水流道逐渐变大呈圆锥状；

方式三：所述第二分水件自进气端至出气端依次包括进气段、出气段和扩径段，所述进气段的内径小于所述出气段的内径，所述扩径段的内径渐变。

本发明还提供了一种燃料电池系统，包括上述任一项技术方案所述的分水装置。

进一步地，所述燃料电池系统还包括电堆、气液分离器、引射器和储氢装置，所述电堆包括阳极进口和阳极出口，所述阳极进口与所述第二分水件的出口连接，所述阳极出口与所述气液分离器的进口连接，所述气液分离器的第一出口与所述引射器的第一进口连接，所述引射器的第二进口与所述储氢装置的出口连接，所述引射器的出口与所述第一分水件的A端端口连接。

进一步地，所述燃料电池系统还包括截流单元、储液腔体、排水阀和尾排阀，所述截流单元的进口与所述分水装置连接，出口与所述储液腔体的入口连接，以将分离的液态水滴排出至所述储液腔体，所述储液腔体的出口与所述排水阀连接，所述尾排阀与所述气液分离器的第二出口连接。

本发明还提供了一种燃料电池系统的分水方法，包括上述任一项技术方案所述的分水装置，所述分水方法包括如下步骤：

电堆阳极出来的混合物经过气液分离后，混合气与新鲜氢气一起形成气态混合物进入分水装置，经过旋流叶片旋流后，气态混合物中的液态水滴被旋出，剩余的气态混合物沿第一分水件和第二分水件的气流通道流出分水装置，进入电堆。

与现有技术相比，本发明提供的分水装置、燃料电池系统及其分水方法，第一分水件内设置的旋流叶片，使得当气态混合物流经所述第一分水件的管状通道时能够产生绕中心的旋流，气态混合物中的液态水滴受旋流作用，沿所述第一分水件的导流内壁向所述B端流动，该方案分水效果显著，大大降低了液态水进入电堆的风险。且本发明采用固定的旋流叶片，没有运动件，结构可靠性高。本发明的分水装置与引射器集成设计，结构紧凑，占用空间小，系统集成性好。

附图说明

图1为本实施例中燃料电池系统的结构示意图；

图2为本实施例中分水装置的结构示意图；

图3为本实施例中导流件及旋流叶片的装配示意图一；

图4为本实施例中导流件及旋流叶片的装配示意图二；

图5为本实施例中引射器及分水装置的装配示意图。

附图标记：

1-储氢装置；2-减压阀；3-控制阀；

4-引射器；40-引流入口；41-射流口；42-射出口；43-喷嘴；44-混合室；45-扩压室；

5-分水装置；50-壳体；501-出水流道；51-第一分水件；510-旋流叶片；511-导流件；512-导流内壁；52-第二分水件；520-进气段；521-扩径段；522-出气段；523-支脚；

6-电堆；61-阳极进口；62-阳极出口；63-阴极空气进口；64-阴极空气出口；

7-气液分离器；8-尾排阀；9-截流单元；10-储液腔体；11-排水阀。

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，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，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。

本实施例提供了一种燃料电池系统，如图1所示，该燃料电池系统包括电堆6、液分离器、引射器4、储氢装置1和分水装置5，电堆6包括阳极进口61和阳极出口62，阳极进口61与分水装置5的出口连接，阳极出口62与气液分离器7的进口连接，气液分离器7的第一出口与引射器4的引流入口40连接，引射器4的射流口41与储氢装置1的出口连接，引射器4的射出口42与分水装置5的进口连接。可选地，本实施例的引射器4也可以替换为循环泵，只要能够作为动力源将气态混合物和氢气泵出即可。本发明的分水装置5与引射器4集成设计，结构紧凑，占用空间小，系统集成性好。

具体地，参考图5，引射器4包括喷嘴43、混合室44、扩压室45，喷嘴43用于将氢气和混合气加压喷至混合室44，混合室44用于将氢气和混合气充分混合形成气态混合物，扩压室45用于气态混合物以合适的流量经射出口42送入分水装置5。

其中，燃料电池系统还包括阳极管路（图中未示出），在另一种实施方式中，阳极管路与分水装置5的进口连接，即分水装置5集成在阳极管路上，同样实现了结构紧凑、占用空间小的目的。

进一步地，参考图1，本实施例的燃料电池系统还包括截流单元9、储液腔体10、排水阀11和尾排阀8，截流单元9的进口与分水装置5连接，出口与储液腔体10的入口连接，以将分水装置5分离的液态水滴排出至储液腔体10，储液腔体10的出口与排水阀11连接，以将分离的液态水滴最终通过排水阀11排出。尾排阀8与气液分离器7的第二出口连接，以将气液分离器7分离混合气后剩余的液态水等液体排出。在其他实施例中，截流单元9可以替换成闸阀。

进一步地，如图1所示，本实施例的燃料电池系统还包括阴极空气进口63、阴极空气出口64、减压阀2和控制阀3，空气自阴极空气进口63进入电堆6，电堆6反应后的空气自阴极空气出口64排出电堆6，减压阀2和控制阀3依次连接在储氢装置1的出口至引射器4的射流口41的管路上，起到对泵入的新鲜氢气减压控制的作用。

本实施例提供了一种分水装置5，如图2所示，分水装置5包括均呈管状的壳体50、第一分水件51和第二分水件52，壳体50的第一端进气，第二端出气，第一分水件51连接在壳体50的第一端。第一分水件51的A端进气，B端出气，B端伸入壳体50内，A端内设有旋流叶片510，旋流叶片510被配置为当气态混合物流经第一分水件51的管状通道时能够产生绕中心的旋流，气态混合物中的液态水滴受旋流作用，沿第一分水件51的导流内壁512向B端流动。第二分水件52连接在壳体50的第二端，第二分水件52的进气端伸入A端端口内。该种结构使旋流叶片510旋转时，第一分水件51靠近A端的部分形成螺旋形气流通道，在旋转分流作用下，气态混合物中的液态水滴被旋出到第一分水件51的导流内壁512上，并在吹动力下向第一分水件51的B端流动，分水后的气态混合物则通过气流通道自第二分水件52的出气端进入电堆6。本实施例的分水装置5分水效果好，且采用固定的旋流叶片510，没有运动件，结构可靠性高。

具体地，参考图5，壳体50与第一分水件51为一体成型构件，壳体50第二端端面与第二分水件52的支脚523密封连接在一起。壳体50的第一端端面与引射器4的射出口42端端面密封连接，第一分水件51过盈配合连接在引射器4的射出口42的内侧。

可选地，本实施例中第二分水件52伸入A端端口内的部分与第一分水件51的内壁间隔设置，该种结构能够使得旋流叶片510分离出的液态水滴能够沿第一分水件51的内壁向B端流动，进而从第一分水件51与第二分水件52之间的间隔中流出第一分水件51和第二分水件52，降低液态水进入电堆6的风险。优选地，壳体50靠近第二端的位置处设置向下的出水流道501，从第一分水件51旋流出的液态水滴流出B端后，受重力作用从出水流道501排出。

更为优选地，为了使得分离出的液态水滴顺利从第一分水件51的B端流出，B端设置成喇叭状。进一步地，壳体50的内壁自第一端至出水流道501设计成圆锥形，即壳体50的内径自第一端至出水流道501逐渐变大。

进一步地，如图2-图4所示，为使得自引射器4进入分水装置5的气态混合物均经过螺旋叶片的分离，A端内设置有导流件511，旋流叶片510设于导流件511上，导流件511与旋流叶片510一体成型，以提高旋流可靠性。优选地，本实施例的导流件511为端部呈圆锥的导流柱，导流效果好，导流柱靠近B端的端部与壳体50固定连接，保证了结构的可靠性。

优选地，参考图2及图5，第一分水件51伸入壳体50内的部分与壳体50内壁间隔设置，避免形成气液死角，影响分水件寿命及可靠性。可选地，第二分水件52包括进气段520、出气段522和扩径段521，进气段520的内径小于出气段522的内径，扩径段521的内径渐变，进气段520能够与第一分水件51内壁保留足够大的间隙，确保液态水滴不会进入第二分水件52的气流通道内，扩径段521能够增大气流截面积，减小对第二分水件52内壁的气体压强，出气段522为稳定气流的流速，使得进入电堆6的气流流速平稳。

本实施例提供燃料电池系统的分水方法如下：

电堆6阳极出来的混合物通过阳极出口62进入气液分离，经过气液分离后，混合气被引射器4泵出，自引流入口40进入引射器4，同时引射器4从储氢装置1泵出的新鲜氢气自射流口41进入引射器4，混合气和氢气自喷嘴43喷至混合室44，在混合室44混合均匀后形成气态混合物进入扩压室45，经过扩流后自射出口42进入第一分水件51，经过导流件511的导流，气态混合物被导流到旋流叶片510处，经过旋流叶片510旋流出的螺旋气流通道时会产生绕中心的旋流，气态混合物中的液态水滴被旋离至第一分水件51的导流内壁512，进而沿喇叭状内壁流出至壳体50内壁，在圆锥形的壳体50内壁上因重力作用流至出水流道501，进而通过截流单元9流入储液腔室，再通过排水阀11排出燃料系统。分水后剩余的气态混合物自第一分水件51的气流通道流入第二分水件52的气流通道，进而自第二分水件52的出气端流出分水装置5，再自阳极进口61进入电堆6。而气液分离器7分离出的液态水等液体自尾排阀8排出。空气自阴极空气进口63进入电堆6，电堆6反应后的空气自阴极空气出口64排出电堆6。

该分水方法可实现彻底分离气态混合物中的液态水滴，避免阳极入堆气态混合物中含有液态冷凝水进入电堆6的风险。同时该方案采用固定的旋流叶片510，没有运动件，结构可靠性高，本实施例的旋流式分水装置5，方便与管路连接，且本实施例的分水装置5与引射器4集成设计，结构紧凑，占用空间小。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种分水装置，用于燃料电池系统，其特征在于，所述分水装置（5）包括：

均呈管状的壳体（50）、第一分水件（51）和第二分水件（52）；

所述第一分水件（51）连接在所述壳体（50）的第一端，所述第一分水件（51）的A端进气，B端出气，所述B端伸入所述壳体（50）内，所述A端内设有旋流叶片（510），所述旋流叶片（510）被配置为当气态混合物流经所述第一分水件（51）的管状通道时能够产生绕中心的旋流，气态混合物中的液态水滴受旋流作用，沿所述第一分水件（51）的导流内壁（512）向所述B端流动；

所述第二分水件（52）连接在所述壳体（50）的第二端，所述第二分水件（52）的进气端伸入所述A端端口内。

2.根据权利要求1所述的分水装置，其特征在于，所述第二分水件（52）伸入所述A端端口内的部分与所述第一分水件（51）的内壁间隔设置。

3.根据权利要求2所述的分水装置，其特征在于，所述壳体（50）靠近第二端的位置处设置向下的出水流道（501），旋流出的液态水滴从所述出水流道（501）排出。

4.根据权利要求2所述的分水装置，其特征在于，所述B端呈喇叭状。

5.根据权利要求1所述的分水装置，其特征在于，所述A端内设置有导流件（511），所述旋流叶片（510）设于所述导流件（511）上。

6.根据权利要求1所述的分水装置，其特征在于，所述分水装置（5）还包括以下至少一种方式：

方式一：所述第一分水件（51）伸入所述壳体（50）内的部分与所述壳体（50）内壁间隔设置；

方式二：所述壳体（50）的内径自第一端至出水流道（501）逐渐变大呈圆锥状；

方式三：所述第二分水件（52）自进气端至出气端依次包括进气段（520）、出气段（522）和扩径段（521），所述进气段（520）的内径小于所述出气段（522）的内径，所述扩径段（521）的内径渐变。

7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的分水装置（5）。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括电堆（6）、气液分离器（7）、引射器（4）和储氢装置（1），所述电堆（6）包括阳极进口（61）和阳极出口（62），所述阳极进口（61）与所述第二分水件（52）的出口连接，所述阳极出口（62）与所述气液分离器（7）的进口连接，所述气液分离器（7）的第一出口与所述引射器（4）的引流入口（40）连接，所述引射器（4）的射流口（41）与所述储氢装置（1）的出口连接，所述引射器（4）的射出口（42）与所述第一分水件（51）的A端端口连接。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括截流单元（9）、储液腔体（10）、排水阀（11）和尾排阀（8），所述截流单元（9）的进口与所述分水装置（5）连接，出口与所述储液腔体（10）的入口连接，以将分离的液态水滴排出至所述储液腔体（10），所述储液腔体（10）的出口与所述排水阀（11）连接，所述尾排阀（8）与所述气液分离器（7）的第二出口连接。

10.一种燃料电池系统的分水方法，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的分水装置（5），所述分水方法包括如下步骤：

电堆（6）阳极出来的混合物经过气液分离后，混合气与新鲜氢气一起形成气态混合物进入分水装置（5），经过旋流叶片（510）旋流后，气态混合物中的液态水滴被旋出，剩余的气态混合物沿第一分水件（51）和第二分水件（52）的气流通道流出分水装置（5），进入电堆（6）。

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