CN112993328B - 气液分离装置和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气液分离装置和燃料电池系统，该气液分离装置包括壳体和至少一个分隔件，所述壳体内设有分离腔；所述至少一个分隔件设置在所述分离腔内，将所述分离腔分隔为蜿蜒的流道，所述流道设有贯穿所述壳体的流体入口和排气口。所述燃料电池系统包括上述气液分离装置，本发明提供的气液分离装置的分离效率高。

Description

气液分离装置和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气液分离装置和燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，燃料可以为氢气。
燃料电池系统包括燃料电池电堆以及空气供给系统、氢气供给系统、水热控制系统等。燃料电池电堆具有阴极和阳极，空气供给系统与阴极侧连接以提供氧气；氢气供给系统与阳极侧连接以提供氢气。氢气在阳极侧分解成氢离子和电子，氢离子移动到阴极侧，电子沿外电路移到阴极侧形成电流为负载供电；氧气在阴极侧与外电路来的电子结合形成氧离子，然后与来自阳极侧的氢离子反应生成水。
在阳极侧出口排出的流体中仍具有未反应完全的氢气，此部分氢气可以导入氢气供给系统重复利用。由于出口处排出的氢气会混合有水，氢气导入氢气供给系统前需要使用气液分离器分离氢气和水。气液分离器包括壳体，壳体具有入口和出口，利用气体和液体密度不同，液体在与气体流动过程中，液体会受到重力作用下沉，而气体会沿原有方向流动，实现气液分离。
然而，上述利用重力沉降方式的气液分离器的分离效率低。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种气液分离装置和燃料电池系统，气液分离装置的分离效率高。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例的第一方面提供一种气液分离装置，其包括壳体和至少一个分隔件，所述壳体内设有分离腔；所述至少一个分隔件设置在所述分离腔内，将所述分离腔分隔为蜿蜒的流道，所述流道设有贯穿所述壳体的流体入口和排气口。
如上所述的气液分离装置，其中，所述分隔件包括第一分隔筒；所述第一分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面固定相连，所述第一分隔筒的第二端设有多个供流体穿过的第一分离孔，所述第一分离孔沿所述第一分隔筒的周向间隔设置；所述流体入口和所述排气口分别位于所述第一分隔筒第一端的内外两侧。
如上所述的气液分离装置，其中，所述第一分隔筒的第二端与所述分离腔第二端的端面之间设有容置液体的容置间距。
如上所述的气液分离装置，其中，所述第一分隔筒第二端的端口处设有封隔板，所述封隔板上设有供液体穿过的导流孔。
如上所述的气液分离装置，其中，所述分隔件还包括第二分隔筒和第三分隔筒；所述第二分隔筒穿设在所述第一分隔筒内，所述第二分隔筒的第二端与所述封隔板固定相连，所述第二分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面之间设有第一流通间隙；所述第三分隔筒穿设在所述第二分隔筒内，所述第三分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面固定相连，所述排气口位于所述第三分隔筒第一端的端口内，所述第三分隔筒的第二端与所述封隔板之间设有第二流通间隙。
如上所述的气液分离装置，其中，所述第三分隔筒第二端的端口处设有分离网，所述分离网上设有供流体穿过的第二分离孔。
如上所述的气液分离装置，其中，所述流体入口位于所述分离腔的侧壁面，所述流体入口沿所述第一分隔筒的切向设置。
如上所述的气液分离装置，其中，所述分离腔第二端的端面上设有排液口；所述排液孔处设有开关阀。
如上所述的气液分离装置，其中，所述气液分离装置还包括液位传感器，所述液位传感器设置在所述壳体上，且所述液位传感器与所述开关阀电连接。
与现有技术相比，本发明实施例提供的气液分离装置具有如下优点：气液分离装置包括壳体，壳体内设有至少一个分离件将壳体分隔为蜿蜒的流道，为增加流道的路径长度，流道的流体入口和排气口可以位于壳体的同一端。由于气体与液体的密度不同，液体的惯性大，流体在转向折流时，流体与分离件碰撞，使得液体与气体分离，分离效率高。
本发明实施例的第二方面提供一种燃料电池系统，其包括燃料电池电堆以及氢气供给系统；所述氢气供给系统包括储氢罐、循环泵、引射器以及上述第一方面所述的气液分离装置，所述储氢罐与所述燃料电池电堆阳极侧的入口连接，所述引射器位于所述储氢罐与所述燃料电池电堆的连接管路上，所述气液分离装置的流体入口与所述燃料电池电堆阳极侧的出口连接，且所述气液分离装置的排气口通过所述循环泵与所述引射器连通。
除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的气液分离装置和燃料电池系统所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例一提供的气液分离装置的结构示意图；
图2为图1中A-A向的剖视图；
图3为图1中B-B向的剖视图；
图4为本发明实施例二提供的燃料电池系统的结构示意图。
附图标记：
1：气液分离装置；
10：壳体；
11：分离桶；
12：封盖；
13：流体入口；
14：排气口；
15：排液口；
21：第一分隔筒；
211：第一分离孔；
212：封隔板；
2121：导流孔；
22：第二分隔筒；
23：第三分隔筒；
231：分离网；
30：开关阀；
40：液位传感器；
51：储氢罐；
52：循环泵；
53：燃料电池电堆；
54：喷气阀；
55：压力传感器；
56：温度传感器；
57：引射器；
58：气液排空管路；
L1：容置间距；
L2：第一流通间隙；
L3：第二流通间隙。
具体实施方式
为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的气液分离装置的结构示意图，图2为图1中A-A向的剖视图，图3为图1中B-B向的剖视图。
实施例一
请参阅图1至图3，本实施例提供一种气液分离装置1，其包括壳体10和至少一个分隔件，壳体10内设有分离腔，至少一个分隔件设置在分离腔内，将分离腔分隔为蜿蜒的流道，流道设有贯穿壳体10的流体入口13和排气口14。
具体地，气液分离装置1位于燃料电池电堆阳极侧，用于分离燃料电池电堆阳极侧排出的流体，并将分离出的氢气重新导入氢气供给系统，提高氢气利用率。
气液分离装置1包括壳体10，壳体10上开设有流体入口13和排气口14，流体入口13可以与燃料电池电堆连接，以接收燃料电池电堆排出的流体，排气口14可以与储氢罐和燃料电池电堆之间的连接管路连接，以将分离出的氢气与储氢罐导出的氢气混合后重新导入燃料电池电堆。
壳体10可以是中空的容器，壳体10内部为供流体流动的分离腔。分隔件设置在分离腔内。中空的壳体10可以是整体式，壳体10相邻的两个侧壁之间焊接固定。壳体10还可以是分体式，示例性的，壳体10可以包括分离桶11以及封盖12，封盖12封闭分离桶11的开口。分离桶11和封盖12可以通过若干个螺栓可拆卸连接，便于拆卸封盖12以检修分离桶11，分离桶11与封盖12之间还可以设置密封圈，提高分离腔的密封性。
分隔件的个数至少为一个，设置在分离腔其中一个壁面或者依次交替与壳体10两个相对的壁面连接，提高流体的流动路径，且流体在折流转向的过程中冲击分隔件、分离腔侧壁，分离效率高。
分隔件可以呈平板状，示例性地，气液分离装置1可以包括一个分隔板，分隔板第一端可与壳体10任一侧壁连接，分隔板第二端与壳体10相对的另一侧壁具有间距，流体入口13和排气口14分别设置在分隔板第一端的两侧，流体通过流体入口13进入分离腔，沿分隔板长度方向绕过分隔板第二端后从排气口14流出。流体转向时，流体可以冲击壳体10侧壁，流体中的水附着在壳体10侧壁上，流体中的氢气随流体继续流动，实现气液分离，分离效率高。
其中，分隔板还可以与壳体10侧壁倾斜设置，即分隔板与流体入口13方向呈夹角设置，流体在流动过程中就能冲击分隔板，提高分离效率。
可以理解地，分隔板的个数可以是两个，此时，流体入口13和排气口14分别设置在壳体10两个相对的侧壁上。
燃料电池电堆在生成电流过程中，氢气与氧气发生反应，燃料电池电堆阳极侧排出的流体温度高，相应地，壳体10与分隔件的材质可以为金属，强度高，散热快。
气液分离装置1可以包括中空的壳体10，壳体10内部设有分隔件，分隔件将分离腔分隔为蜿蜒的流道，流体冲击分隔件并折流转向。由于水的密度较氢气的密度大，相应的，水的惯性大于氢气的惯性，流体在冲击分隔件时，水会冲击前方壁面，并在重力作用下沿壁面向下流动，而氢气则会绕过折流板端部继续流动，实现氢气与水的分离，分离效果高。
分离桶11的截面形状可以是方形、圆形等，本实施例以圆形为例进行说明，相应的分隔件也可以呈筒状，具体地，请参阅图2，至少一个分隔件包括第一分隔筒21；第一分隔筒21的第一端与分离腔第一端的端面固定相连，第一分隔筒21的第二端设有多个供流体穿过的第一分离孔211，第一分离孔211沿第一分隔筒21的周向间隔设置；流体入口13和排气口14分别位于第一分隔筒第一端的内外两侧。
其中，第一分隔筒21的第一端与封盖12固定相连，其可以通过焊接方式进行固定。
第一分隔筒21呈薄壁筒状，流体在第一分隔筒21的内外两侧流动，流体与第一分隔筒21的接触面积大，流体中的水更容易附着在第一分隔筒21的壁面上，分离效率高。
第一分隔筒21第二端可以与分离腔第二端的端面之间可以具有第三流通间隙，使得流体绕过第一分隔筒21第二端后折流流动。考虑到第一分隔筒21第一次改变流体流向，且流体从燃料电池电堆中排出，流体中水的含量较大，第一分隔筒21第二端可以设置若干个第一分离孔211，若干个分离孔沿第一分隔筒21的轴向间隔设置，流体经过第一分离孔211时，流体中的液滴会附着在第一分离孔211处并在重力作用下沿第一分隔筒21的壁面下滑，提高分离效率。
第一分离孔211的形状可以是圆形、方形、椭圆形等的一种或多种，本实施例不进行限制。进一步地，为了能增加流体流通路径，第一分离孔211沿第一分隔筒21轴线方向的分布长度可以小于第一分隔筒21长度的一半。
第一分隔筒21第二端可以与分离腔第二端固定相连，此时，第一分隔筒21分离出的水留存在分离腔第二端，当分离出的水的留存量大，第一分离孔211浸泡于水中时，会影响流体的流通量。相应地，本实施例中第一分隔筒21的第二端与分离腔第二端的端面之间可以设有容置液体的容置间距L1，容置间距L1的大小可以根据实际需要进行设置，本实施例不进行限制。
可以理解地，分隔筒的个数可以为多个，增加流体流通路径，提高分离效率。可以理解地，当分离效率达到上限，示例性的，分离效率达到98％，增加分隔筒也不会显著提高分离效果，只会增加气液分离装置1的结构复杂程度。可选地，本实施例中至少一个分隔件还可以包括第二分隔筒22和第三分隔筒23，第一分隔筒21、第二分隔筒22和第三分隔筒23依次交替的连接在分离腔的第一端端面和第二端端面上。为了预留容置间距L1，可以在第一分隔筒21第二端设置支撑件，即第一分隔筒21第二端的端口处设有封隔板212，封隔板212上设有供液体穿过的导流孔2121。
且第二分隔筒22穿设在第一分隔筒21内，第二分隔筒22的第二端与封隔板212固定相连，第二分隔筒22的第一端与分离腔第一端的端面之间设有第一流通间隙L2；第三分隔筒23穿设在第二分隔筒22内，第三分隔筒23的第一端与分离腔第一端的端面固定相连，排气口14位于第三分隔筒23第一端的端口内，第三分隔筒23的第二端与封隔板212之间设有第二流通间隙L3。
可以理解地，第二分隔筒22第一端以及第三分隔筒23第二端也可以类似第一分隔筒21设置分离孔，为防止气液分离器流体入口13与排气口14之间的压损过大，本实施例中，第二分隔筒22第一端与分离腔第一端端面之间具有第一流通间隙L2，第三分隔筒23第二端与封隔板212之间设有第二流通间隙L3。
可选地，第三分隔筒23第二端的端口处还可以设有分离网231，分离网231上设有供流体穿过的第二分离孔，第二分离孔的形状可以是圆形、方形、椭圆形等的一种或多种，本实施例不进行限制。第二分离孔的孔径可以小于或等于第一分离孔211的孔径，分离效率高，且本实施例提供的气液分离装置1压损可以小于2KPa，避免压损过大，排气口14处的氢气压力小，在重新导入氢气供给系统时要重新加压。
在上述实施例的基础上，请参阅图1和图3，流体入口13位于分离腔的侧壁面，流体入口13沿第一分隔筒21的切向设置。
流体沿第一分隔筒21的切向进入分离腔，使得能绕第一分隔筒21的周向旋转，并具有离心力；由于液体密度大于气体密度，液体的离心力大于气体的离心力，流体在转动时，液体会附着在第一分隔筒21的壁面上，而气体跟随流体继续流动，实现气液分离。附着在第一分隔筒21上的液体不断汇集并在重力作用下沿第一分隔筒21的壁面向下流动。本实施例提供的气液分离装置1通过折流分离与离心分离结合的方式实现气液分离，分离效率高。
请参阅图2，其中，分离腔第二端的端面上还还可以设有排液口15，排液口15处设有开关阀30，开关阀30关闭，可以封闭排液口15，气液分离装置1可以正常运行，当分离出的液体过多，可以关停气液分离装置1，打开开关阀30，排出壳体10内留存的液体，防止壳体10内分离出的水积累量浸没第一分离孔211。
请参阅图1，可选地，气液分离装置1还包括液位传感器40，液位传感器40设置在壳体10上，且液位传感器40与开关阀30电连接，液位传感器40用于监测壳体10内容置间距L1处的留存的液体的液位，避免液体浸没第一分离孔211或者导流孔2121。
气液分离装置1还可以包括控制器，控制器可以可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)、微处理单元(Micro Controller Unit，MCU)等，液位传感器40可以与控制器电连接，使控制器可以获得液位传感器40测得的液位数值。
控制器内可以预存液位上限值和液位下限值，当液位传感器40测得的液位达到预存的液位上限值时，控制器可以控制开关阀30打开，排出壳体10内留存的液体，当液位传感器40测得的液位达到预存的液位下限值时，控制器可以控制开关阀30关闭，使用方便。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的燃料电池系统的结构示意图，请参阅图4，本实施例提供一种燃料电池系统，其包括燃料电池电堆53以及氢气供给系统；氢气供给系统包括储氢罐51、循环泵52、引射器57以及前述实施例一所述的气液分离装置1，储氢罐51与燃料电池电堆53阳极侧的入口连接，引射器57位于储氢罐51与燃料电池电堆53的连接管路上，气液分离装置1的流体入口13与燃料电池电堆53阳极侧的出口连接，且气液分离装置1的排气口14通过循环泵52与引射器57连通。其中，气液分离器的结构、工作原理以及技术效果等均在实施例一种详细说明，此处不再赘述。
储氢罐51的出口处还可以设置喷气阀54，用于控制储氢罐51出口的开闭；喷气阀54与燃料电池电堆53之间的连接管路上可以设置引射器57，用于增加氢气的压力；可选地，循环泵52的出口可以位于引射器57处，用于混合气液分离器分离出的氢气与储氢罐51导出的氢气，同时防止气液分离装置1分离的氢气压力不符合使用要求；引射器57与燃料电池电堆53之间的连接管路上还可以设置压力传感器55、温度传感器56等监测件，以监测进入燃料电池电堆53内的氢气的压力与温度参数；气液分离装置1的排液口可以水热控制系统连接，以回收排出的液体。示例性的，水热控制系统可以设置气液排空管路58，开关阀30可以定期开启，将气液分离装置1内留存的液体，开关阀30开启时，气液分离装置1内少量的氢气可以随液体一起通过气液排空管路58导出。本实施例不对储氢罐51、循环泵52、喷气阀以及水热控制系统的结构进行限制。
燃料电池电堆可以包括若干个依次堆叠的单体电池，每个单体电池均可以包括一个膜电极组件和设置在膜电阻组件两侧的两个极板，极板靠近膜电极组件的一侧设有流道，每个流道均设有入口和出口，位于阳极侧的极板上设有供氢气流动的流道，位于阴极侧的极板上设有供空气或氧气流动的流道。其中，位于阳极则极板的流道入口与储氢罐连接，该流道出口与上述实施例一所述的气液分离装置1连接。
其中，膜电极组件可以包括：质子交换膜以及催化层、扩散层；催化层的个数为两个，并分别贴合在质子交换膜的两侧面上；扩散层的个数为两个，并分别贴合在两个催化层22的外侧面上。
其中，质子交换膜(Proton Exchange Membrane，简称PEM)是燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)的核心部件，对燃料电池性能起着关键作用，用于传导正极板一侧生成的质子。
扩散层包括基底层和微孔层，基底层通常为多孔的碳纸、碳布等，厚度可以为100μm-400μm，起到支撑微孔层和催化层的作用。微孔层可以为碳粉层，厚度可以是10μm-100μm，能够改善基底层的空隙结构，降低催化层和基底层之间的接触电阻。
其中，催化层的材质、结构、工作原理等可以是本领域技术人员熟知的结构，本实施例不进行限制。
本说明书中各实施例或实施方式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相互参见即可。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种气液分离装置，其特征在于，包括壳体和至少一个分隔件，所述壳体内设有分离腔；所述至少一个分隔件设置在所述分离腔内，将所述分离腔分隔为蜿蜒的流道，所述流道设有贯穿所述壳体的流体入口和排气口；
所述分隔件包括第一分隔筒；
所述第一分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面固定相连；
所述第一分隔筒第二端的端口处设有封隔板；
所述分隔件还包括第二分隔筒和第三分隔筒；
所述第二分隔筒穿设在所述第一分隔筒内，所述第二分隔筒的第二端与所述封隔板固定相连，所述第二分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面之间设有第一流通间隙；
所述第三分隔筒穿设在所述第二分隔筒内，所述第三分隔筒的第一端与所述分离腔第一端的端面固定相连，所述排气口位于所述第三分隔筒第一端的端口内，所述第三分隔筒的第二端与所述封隔板之间设有第二流通间隙。
2.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，
所述第一分隔筒的第二端设有多个供流体穿过的第一分离孔，所述第一分离孔沿所述第一分隔筒的周向间隔设置；所述流体入口和所述排气口分别位于所述第一分隔筒第一端的内外两侧。
3.根据权利要求2所述的气液分离装置，其特征在于，所述第一分隔筒的第二端与所述分离腔第二端的端面之间设有容置液体的容置间距。
4.根据权利要求3所述的气液分离装置，其特征在于，所述封隔板上设有供液体穿过的导流孔。
5.根据权利要求4所述的气液分离装置，其特征在于，所述第三分隔筒第二端的端口处设有分离网，所述分离网上设有供流体穿过的第二分离孔。
6.根据权利要求2-5任一项所述的气液分离装置，其特征在于，所述流体入口位于所述分离腔的侧壁面，所述流体入口沿所述第一分隔筒的切向设置。
7.根据权利要求2-5任一项所述的气液分离装置，其特征在于，所述分离腔第二端的端面上设有排液口；所述排液口处设有开关阀。
8.根据权利要求7所述的气液分离装置，其特征在于，所述气液分离装置还包括液位传感器，所述液位传感器设置在所述壳体上，且所述液位传感器与所述开关阀电连接。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池电堆以及氢气供给系统；
所述氢气供给系统包括储氢罐、循环泵、引射器以及权利要求1-8任一项所述的气液分离装置，所述储氢罐与所述燃料电池电堆阳极侧的入口连接，所述引射器位于所述储氢罐与所述燃料电池电堆的连接管路上，所述气液分离装置的流体入口与所述燃料电池电堆阳极侧的出口连接，且所述气液分离装置的排气口通过所述循环泵与所述引射器连通。
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