CN113067016A - 一种燃料电池的氢气侧排水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的氢气侧排水系统，涉及燃料电池技术领域。该氢气侧排水系统包括氢气源、引射器和水气分离器。引射器的引射端与氢气源通过开关阀连通，引射器的喷嘴端连通至电堆的进气侧，引射器与电堆之间设有压力调节组件，压力调节组件用于调节由氢气源输送至电堆内的氢气的压力。水气分离器与电堆的出气侧连通，水气分离器具有进气口、出气口和出水口，出气口位于进气口的上方，出水口位于进气口的下方，水气分离器内设有水气分离膜和除雾器，除雾器用于分离水，水气分离膜用于将进入进气口的气体内的水分离至出水口，出气口与引射端连通。该排水系统能够显著降低排水系统的组装成本，减少排水过程对氢气系统的压力波动。

Description

一种燃料电池的氢气侧排水系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的氢气侧排水系统。
背景技术
燃料电池工作时通常要设置排水结构，以实现氢气反应后的水的排出，从而确保燃料电池内部的正常运行。现有技术中通常使用排水阀以及液位传感器等结构实现水的排出，其机械结构和控制策略均较为复杂，运行成本高，且在排水过程中还会对氢气回路造成压力波动，不利于燃料电池的氢气运转。
因此，亟需一种燃料电池的氢气侧排水系统，能够显著降低排水系统的组装成本，减少排水过程对氢气系统的压力波动。
发明内容
本发明的目的在于提出一种燃料电池的氢气侧排水系统，能够显著降低排水系统的组装成本，减少排水过程对氢气系统的压力波动。
为实现上述技术效果，本发明的燃料电池的氢气侧排水系统的技术方案如下：
一种燃料电池的氢气侧排水系统，包括：氢气源；引射器，所述引射器的引射端与所述氢气源通过开关阀连通，所述引射器的喷嘴端连通至电堆的进气侧，所述引射器与所述电堆之间设有压力调节组件，所述压力调节组件用于调节由所述氢气源输送至所述电堆内的氢气的压力；水气分离器，所述水气分离器与所述电堆的出气侧连通，所述水气分离器具有进气口、出气口和出水口，所述出气口位于所述进气口的上方，所述出水口位于所述进气口的下方，所述水气分离器内设有位于所述进气口与所述出水口之间的水气分离膜和位于所述进气口与所述出气口之间的除雾器，所述除雾器用于分离水，所述水气分离膜用于将进入所述进气口的气体内的水分离至所述出水口，所述出气口与所述引射端连通。
进一步地，所述燃料电池的氢气侧排水系统还包括尾排阀，所述出气口还与所述尾排阀连通，所述压力调节组件包括泄压阀，所述泄压阀的进气端与所述喷嘴端连通，所述泄压阀的出气端与所述进气侧和所述尾排阀连通。
进一步地，所述压力调节组件还包括压力检测件，所述压力检测件的两端分别与所述泄压阀和所述进气侧连通，所述压力检测件用于检测所述氢气的压力，所述泄压阀具有第一状态和第二状态，所述泄压阀处于所述第一状态时，所述泄压阀的进气端与所述进气侧和所述尾排阀连通，所述泄压阀处于所述第二状态时，所述泄压阀的进气端与所述进气侧连通，所述泄压阀与所述压力检测件通讯连接，所述泄压阀被配置为当所述压力检测件的检测参数不小于预设值时切换至所述第一状态，当所述压力检测件的检测参数小于预设值时切换至所述第二状态。
进一步地，所述水气分离器包括：底壳，所述出水口设在所述底壳的底部；上壳，所述出气口设在所述上壳的顶部；连通段，所述连通段限定出连通孔，所述进气口设在所述连通段的侧壁上，所述连通段的两端分别与所述底壳和所述上壳密封连接。
进一步地，所述连通段的两端分别设有所述除雾器和所述水气分离膜，所述底壳和所述上壳的内壁均设有台阶，所述连通段与所述底壳和所述上壳连接时，所述除雾器和所述水气分离膜分别抵接一个所述台阶。
进一步地，所述连通段的两端分别与所述底壳和所述上壳螺纹连接。
进一步地，所述水气分离膜包括质子交换膜和/或中空纤维膜。
进一步地，所述水气分离膜为多层，多层所述水气分离膜沿所述出气口和所述出水口的分布方向间隔设置。
进一步地，所述燃料电池的氢气侧排水系统还包括减压阀，所述减压阀设在所述氢气源和所述开关阀之间。
进一步地，所述水气分离器包括旋风式分离器、重力式分离器或过滤式分离器。
本发明的有益效果为：根据本发明的燃料电池的氢气侧排水系统，由于水气分离器内设置除雾器和水气分离膜，无需额外设置排水阀和传感器等复杂结构，能够显著降低排水系统的组装成本，减少排水过程对氢气系统的压力波动。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的燃料电池的氢气侧排水系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的水气分离器的剖面结构示意图。
附图标记
1、氢气源；2、引射器；3、开关阀；4、电堆；5、压力调节组件；51、泄压阀；52、压力检测件；6、水气分离器；61、进气口；62、出气口；63、出水口；64、水气分离膜；65、除雾器；66、上壳；67、底壳；68、连通段；7、减压阀；8、尾排阀。
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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
下面参考图1-图2描述本发明实施例的燃料电池的氢气侧排水系统的具体结构。
如图1-图2所示，图1公开了一种燃料电池的氢气侧排水系统，其包括氢气源1、引射器2和水气分离器6。引射器2的引射端与氢气源1通过开关阀3连通，引射器2的喷嘴端连通至电堆4的进气侧，引射器2与电堆4之间设有压力调节组件5，压力调节组件5用于调节由氢气源1输送至电堆4内的氢气的压力。水气分离器6与电堆4的出气侧连通，水气分离器6具有进气口61、出气口62和出水口63，出气口62位于进气口61的上方，出水口63位于进气口61的下方，水气分离器6内设有位于进气口61与出水口63之间的水气分离膜64和位于进气口61与出气口62之间的除雾器65，除雾器65用于分离水，水气分离膜64用于将进入进气口61的气体内的水分离至出水口63，出气口62与引射端连通。
可以理解的是，为了保证燃料电池电堆4的反应效率，由氢气源1通过引射端向电堆4的进气侧通入的氢气通常是过量的，氢气在电堆4内反应后，未反应的氢气和反应生成的水混合并由电堆4的出气侧排出至水气分离器6的进气口61，进入水气分离器6内的混合气中，部分水在自身重力作用下落至水气分离膜64上并渗透到出水口63，氢气无法经过水气分离膜64并和其他未沉降的水运动至除雾器65处，除雾器65能够过滤混合气中的水，仅使得氢气进入出气口62，由此，通过除雾器65和水气分离膜64能够将由出气侧排出的水氢混合气分离为氢气和水，并将氢气由出气口62排出，将水由出水口63排出，从而无需额外设置排水阀和传感器等结构，即可实现对水氢混合气的分离和排出，同时分离后的氢气能够进入引射端，并在引射器2的作用下重新利用，能够提高氢气的利用率。
根据本实施例的燃料电池的氢气侧排水系统，由于水气分离器6内设置除雾器65和水气分离膜64，无需额外设置排水阀和传感器等复杂结构，能够显著降低排水系统的组装成本，减少排水过程对氢气系统的压力波动。
在一些实施例中，如图1所示，燃料电池的氢气侧排水系统还包括尾排阀8，出气口62还与尾排阀8连通，压力调节组件5包括泄压阀51，泄压阀51的进气端与喷嘴端连通，泄压阀51的出气端与进气侧和尾排阀8连通。
可以理解的是，在部分工作需求中，经过水气分离器6分离后的氢气需要作为其他用途使用，尾排阀8能够有利于将氢气输送至其他机构中进行使用。此外，由于燃料电池电堆4在反应过程中对氢气的压力有着要求，当氢气压力过大时，反应过程将较为危险，因此需要将氢气的压力控制在安全范围内；当泄压阀51开启时，部分氢气将沿泄压阀51与尾排阀8之间的管道流通至尾排阀8处，从而能够降低由泄压阀51的出气端进入进气侧的氢气压力，确保氢气压力能够位于安全范围内，由此，泄压阀51能够对进入进气侧的氢气起到降压作用，从而提高电堆4反应的安全性。
在一些实施例中，如图1所示，压力调节组件5还包括压力检测件52，压力检测件52的两端分别与泄压阀51和进气侧连通，压力检测件52用于检测氢气的压力，泄压阀51具有第一状态和第二状态，泄压阀51处于第一状态时，泄压阀51的进气端与进气侧和尾排阀8连通，泄压阀51处于第二状态时，泄压阀51的进气端与进气侧连通，泄压阀51与压力检测件52通讯连接，泄压阀51被配置为当压力检测件52的检测参数不小于预设值时切换至第一状态，当压力检测件52的检测参数小于预设值时切换至第二状态。
可以理解的是，压力检测件52能够获取由泄压阀51的出气端的氢气的实时压力，当氢气的压力过大时，泄压阀51进入第一状态，从而使得泄压阀51能够将部分氢气输送至尾排阀8，达到降压作用，当氢气的压力较小时，泄压阀51切换至第二状态，使得喷嘴端喷出的氢气能够加大进入泄压阀51的氢气的压力，以使氢气压力能够上升，确保氢气在电堆4内的反应效率。设置压力检测件52后能够确保进入电堆4进气侧的氢气压力保持在安全范围内，进而确保电堆4的稳定安全反应。
可选地，在本实施例中，压力检测件52为气体压力传感器。
在一些实施例中，如图2所示，水气分离器6包括底壳67、上壳66和连通段68。出水口63设在底壳67的底部。出气口62设在上壳66的顶部。连通段68限定出连通孔，进气口61设在连通段68的侧壁上，连通段68的两端分别与底壳67和上壳66密封连接。
可以理解的是，由于氢气的密度低于水气混合气，水的密度高于氢气和水氢混合器的密度，且出气口62输出的气体为氢气，进气口61输入的气体为水氢混合器，出水口63输出的为水，由此，将出气口62、进气口61和出水口63沿竖直方向依次设置，能够同时有利于氢气和水的分离与排出，从而提高水氢分离效果。
在一些实施例中，如图2所示，连通段68的两端分别设有除雾器65和水气分离膜64，底壳67和上壳66的内壁均设有台阶，连通段68与底壳67和上壳66连接时，除雾器65和水气分离膜64分别抵接一个台阶。
可以理解的是，当水气分离器6内通入较多水氢混合气时，混合气对除雾器65和水气分离膜64均会造成压力，由于除雾器65和水气分离膜64均抵接台阶上，且水气分离膜64受到连通段68与底壳67之间的夹紧力，除雾器65受到连通段68与上壳66之间的夹紧力，使得混合气难以使水气分离膜64和除雾器65在水气分离器6内移动，从而使水气分离膜64和除雾器65能够保持在水气分离器6内的固定位置，防止脱离现象，确保水气分离器6的正常使用。
在一些实施例中，如图2所示，连通段68的两端分别与底壳67和上壳66螺纹连接。
可以理解的是，螺纹连接能够起到较好的密封效果，既能防止氢气泄露，还有利于更换除雾器65和水气分离膜64，从而进一步降低水气分离器6的成本，同时还有利于水气分离器6的组装，降低其组装维护成本。当然，在本发明的其他实施例中，连通段68与底壳67和上壳66之间也可以设置为焊接连接或一体成型等其他连接方式。
在一些实施例中，水气分离膜64包括质子交换膜和/或中空纤维膜。
可以理解的是，氢气无法通过质子交换膜和部分中空纤维膜，而水则可以从质子交换膜或部分中空纤维膜中渗出，从而实现了较好的水气分离作用。
在一些实施例中，水气分离膜64为多层，多层水气分离膜64沿出气口62和出水口63的分布方向间隔设置。
可以理解的是，多层水气分离膜64能够有利于确保将水氢混合气内的水和氢气分离，从而提高水和氢气的分离效果。当然，由于水气分离膜64通常具有优秀的水氢分离效果，在本发明的部分实施例中，为了便于水气分离器6的组装，可以仅设置一层水气分离膜64。
在一些实施例中，如图1所示，燃料电池的氢气侧排水系统还包括减压阀7，减压阀7设在氢气源1和开关阀3之间。
可以理解的是，由于氢气源1通常为设有压缩氢气的氢气瓶，由氢气瓶输出的氢气通常具备相对较高的压力，氢气压力过高将容易产生危险，并可能破坏引射器2，因此，在开关阀3和氢气源1之间设置减压阀7，能够对由氢气源1输出的氢气起到减压作用，并确保进入引射器2内的氢气压力保持在安全范围内，从而确保引射器2和燃料电堆4的正常运行。
在一些实施例中，水气分离器6包括旋风式分离器、重力式分离器或过滤式分离器。
可以理解的是，由于具有不同结构的分离器均能够设置水气分离膜64，从而达到节省排水阀和液位传感器的作用，因此，根据实际需求，水气分离器6能够设置为旋风式分离器、重力式分离器或过滤式分离器等多种结构的分离器。
实施例：
下面参考图1-图2描述本发明一个具体实施例的燃料电池的氢气侧排水系统。
本实施例的燃料电池的氢气侧排水系统包括氢气源1、引射器2、水气分离器6、尾排阀8和减压阀7。
引射器2的引射端与氢气源1通过开关阀3连通，引射器2的喷嘴端连通至电堆4的进气侧，引射器2与电堆4之间设有压力调节组件5，压力调节组件5用于调节由氢气源1输送至电堆4内的氢气的压力。
水气分离器6与电堆4的出气侧连通，水气分离器6具有进气口61、出气口62和出水口63，出气口62位于进气口61的上方，出水口63位于进气口61的下方，水气分离器6内设有位于进气口61与出水口63之间的水气分离膜64和位于进气口61与出气口62之间的除雾器65，除雾器65用于分离水，水气分离膜64用于将进入进气口61的气体内的水分离至出水口63，出气口62与引射端连通，出气口62还与尾排阀8连通。水气分离器6包括底壳67、上壳66和连通段68。出水口63设在底壳67的底部。出气口62设在上壳66的顶部。连通段68限定出连通孔，进气口61设在连通段68的侧壁上，连通段68的两端分别与底壳67和上壳66密封连接。连通段68的两端分别设有除雾器65和水气分离膜64，底壳67和上壳66的内壁均设有台阶，连通段68与底壳67和上壳66连接时，除雾器65和水气分离膜64分别抵接一个台阶。连通段68的两端分别与底壳67和上壳66螺纹连接。水气分离膜64包括质子交换膜和/或中空纤维膜。
压力调节组件5包括泄压阀51和压力检测件52，泄压阀51的进气端与喷嘴端连通，泄压阀51的出气端与进气侧和尾排阀8连通。压力检测件52的两端分别与泄压阀51和进气侧连通，压力检测件52用于检测氢气的压力，泄压阀51具有第一状态和第二状态，泄压阀51处于第一状态时，泄压阀51的进气端与进气侧和尾排阀8连通，泄压阀51处于第二状态时，泄压阀51的进气端与进气侧连通，泄压阀51与压力检测件52通讯连接，泄压阀51被配置为当压力检测件52的检测参数不小于预设值时切换至第一状态，当压力检测件52的检测参数小于预设值时切换至第二状态。
减压阀7设在氢气源1和开关阀3之间。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例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例或示例中。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例或示例。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例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，包括：
氢气源(1)；
引射器(2)，所述引射器(2)的引射端与所述氢气源(1)通过开关阀(3)连通，所述引射器(2)的喷嘴端连通至电堆(4)的进气侧，所述引射器(2)与所述电堆(4)之间设有压力调节组件(5)，所述压力调节组件(5)用于调节由所述氢气源(1)输送至所述电堆(4)内的氢气的压力；
水气分离器(6)，所述水气分离器(6)与所述电堆(4)的出气侧连通，所述水气分离器(6)具有进气口(61)、出气口(62)和出水口(63)，所述出气口(62)位于所述进气口(61)的上方，所述出水口(63)位于所述进气口(61)的下方，所述水气分离器(6)内设有位于所述进气口(61)与所述出水口(63)之间的水气分离膜(64)和位于所述进气口(61)与所述出气口(62)之间的除雾器(65)，所述除雾器(65)用于分离水，所述水气分离膜(64)用于将进入所述进气口(61)的气体内的水分离至所述出水口(63)，所述出气口(62)与所述引射端连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述燃料电池的氢气侧排水系统还包括尾排阀(8)，所述出气口(62)还与所述尾排阀(8)连通，所述压力调节组件(5)包括泄压阀(51)，所述泄压阀(51)的进气端与所述喷嘴端连通，所述泄压阀(51)的出气端与所述进气侧和所述尾排阀(8)连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述压力调节组件(5)还包括压力检测件(52)，所述压力检测件(52)的两端分别与所述泄压阀(51)和所述进气侧连通，所述压力检测件(52)用于检测所述氢气的压力，所述泄压阀(51)具有第一状态和第二状态，所述泄压阀(51)处于所述第一状态时，所述泄压阀(51)的进气端与所述进气侧和所述尾排阀(8)连通，所述泄压阀(51)处于所述第二状态时，所述泄压阀(51)的进气端与所述进气侧连通，所述泄压阀(51)与所述压力检测件(52)通讯连接，所述泄压阀(51)被配置为当所述压力检测件(52)的检测参数不小于预设值时切换至所述第一状态，当所述压力检测件(52)的检测参数小于预设值时切换至所述第二状态。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述水气分离器(6)包括：
底壳(67)，所述出水口(63)设在所述底壳(67)的底部；
上壳(66)，所述出气口(62)设在所述上壳(66)的顶部；
连通段(68)，所述连通段(68)限定出连通孔，所述进气口(61)设在所述连通段(68)的侧壁上，所述连通段(68)的两端分别与所述底壳(67)和所述上壳(66)密封连接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述连通段(68)的两端分别设有所述除雾器(65)和所述水气分离膜(64)，所述底壳(67)和所述上壳(66)的内壁均设有台阶，所述连通段(68)与所述底壳(67)和所述上壳(66)连接时，所述除雾器(65)和所述水气分离膜(64)分别抵接一个所述台阶。
6.根据权利要求4所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述连通段(68)的两端分别与所述底壳(67)和所述上壳(66)螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述水气分离膜(64)包括质子交换膜和/或中空纤维膜。
8.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述水气分离膜(64)为多层，多层所述水气分离膜(64)沿所述出气口(62)和所述出水口(63)的分布方向间隔设置。
9.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述燃料电池的氢气侧排水系统还包括减压阀(7)，所述减压阀(7)设在所述氢气源(1)和所述开关阀(3)之间。
10.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气侧排水系统，其特征在于，所述水气分离器(6)包括旋风式分离器、重力式分离器或过滤式分离器。
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