CN113713643B - 一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置及氢燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置，其包括主尾排管道、氢尾排管道、混合装置和消声装置。主尾排管道上设置有安装孔，主尾排管道内流通有空气，氢尾排管道内流通有氢气，氢尾排管道穿过安装孔，以使氢尾排管道的氢气出气口设置在主尾排管道内，混合装置设置在主尾排管道内，且位于氢气出气口的下游，混合装置用于使空气和氢气混合均匀，消声装置设置在主尾排管道内，且位于混合装置的下游，消声装置用于消减主尾排管道内的噪声。该氢燃料电池尾排气混合稀释装置能够保证氢气稀释并混合均匀，从而提高氢燃料电池的安全性。本发明还提出了一种氢燃料电池，其包括上述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置。

Description

一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置及氢燃料电池

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置及氢燃料电池。

背景技术

燃料电池技术是一种通过化学反应直接将燃料的化学能转化成电能的技术。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换为电能的发电装置。氢燃料电池在汽车领域的应用具有诸多优势，首先在反应过程中没有传统机械传动的噪声，有利于提高汽车的NVH(噪声、振动与声振粗糙度，Noise Vibration Harshness)性能。不仅如此，氢燃料电池的反应物仅为液态水，反应效率高，不受卡诺循环的限制，而且在环境保护和能源节约等方面优势都非常突出。

氢燃料电池的燃料经过反应后，未参与反应的气体需要通过尾排系统排出。由于氢气的爆炸极限在4％-75.6％，因此需要将尾排系统中混合后的气体中的氢气浓度降到4％以下，才能避免爆炸风险。而现有技术中的稀释装置虽然能对氢气进行稀释，但稀释后的气体成分不均匀，安全性得不到保障。

因此，亟需一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置及氢燃料电池以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置，能够实现尾排氢气稀释并混合均匀，以提高氢燃料电池的安全性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置，包括：

主尾排管道，所述主尾排管道上设置有安装孔，所述主尾排管道内流通有空气；

氢尾排管道，所述氢尾排管道内流通有氢气，所述氢尾排管道穿过所述安装孔，以使所述氢尾排管道的氢气出气口设置在所述主尾排管道内；

混合装置，所述混合装置设置在所述主尾排管道内，且位于所述氢气出气口的下游，所述混合装置用于使所述空气和所述氢气混合均匀；

消声装置，所述消声装置设置在所述主尾排管道内，且位于所述混合装置的下游，所述消声装置用于消减所述主尾排管道内的噪声。

可选地，所述氢尾排管道被配置为所述氢气出气口朝向所述主尾排管道的空气进气口。

可选地，所述氢尾排管道包括弯折段，所述弯折段的一端为所述氢气出气口，所述弯折段的长度方向与所述主尾排管道的长度方向相同。

可选地，所述弯折段的中心位置低于所述主尾排管道的中心位置。

可选地，所述混合装置包括第一叶轮组和第二叶轮组，所述第一叶轮组和所述第二叶轮组的进风方向相同，旋转方向相反。

可选地，所述第一叶轮组为被动式轴流叶轮；

和/或，第二叶轮组为被动式轴流叶轮。

可选地，所述消声装置包括消声件，所述消声件为中空的锥柱状，所述消声件的入气口的直径小于排气口的直径，且所述消声件的排气口一端与所述主尾排管道的内壁连接。

可选地，所述消声件与所述主尾排管道连接处的底部贯通设置有排水槽。

可选地，所述主尾排管道倾斜设置以使空气出气口低于空气进气口。

本发明的另一个目的在于提供一种氢燃料电池，能够实现尾排氢气稀释并混合均匀，以具有良好的安全性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种氢燃料电池，包括上述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置。

本发明的有益效果：

本发明所提供的氢燃料电池尾排气混合稀释装置，通过将氢尾排管道的氢气出气口设置在主尾排管道中，即可向空气流输入氢气流，并且在氢气出气口的下游位置设置混合装置，即可使空气与氢气混合均匀，然后通过消声装置进一步消减噪声。该氢燃料电池尾排气混合稀释装置能够保证氢气稀释并混合均匀，从而提高氢燃料电池的安全性。本发明所提供的氢燃料电池包括上述氢燃料电池尾排气混合稀释装置，能够实现尾排氢气稀释并混合均匀，以具有良好的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例一所提供的氢燃料电池尾排气混合稀释装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一所提供的混合装置的结构示意图；

图3是图1中A-A的剖视图。

图中：

1、主尾排管道；

2、氢尾排管道；21、弯折段；

3、混合装置；31、第一叶轮组；32、第二叶轮组；

4、消声装置；41、第一消声件；42、第二消声件；411、排水槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式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，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。

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。

实施例一

氢燃料电池具有无污染、反应物制备效率高、有利于提升汽车NVH性能等优势，使用前景优越。但碍于现有的氢气尾排系统并不能保证氢气的充分稀释，因此，本实施例提供了一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置以解决该问题。

如图1所示，该氢燃料电池尾排气混合稀释装置包括主尾排管道1和氢尾排管道2。氢燃料电池系统中的燃料在经过电堆反应后，尾排气体包括氢气和空气。其中，空气由主尾排管道1排出，氢气由氢尾排管道2排出。在电堆反应中，氢气和氧气的比例为2：1，但是为了保证氢气的利用率，在实际供给中采取空气过量供应的方式。因此，空气供给管道和主尾排管道1的内径均远大于氢气供给管道及氢尾排管道2的内径。本实施例利用该特性，直接将氢尾排管道2引入到主尾排管道1内。具体地，主尾排管道1上设置有安装孔，氢尾排管道2穿过安装孔，以使氢尾排管道2的氢气出气口设置在主尾排管道1内。可知的是，氢气即从氢尾排管道2经氢气出气口流出至主尾排管道1内，以使氢气与主尾排管道1内的空气发生混合。

空气和氢气不同的流动方向能够改善二者混合效果，可选地，氢尾排管道2被配置为氢气出气口朝向主尾排管道1的空气进气口。可知的是，氢气从氢气出气口流出前，其整体上的流动速度可分解为平行于主尾排管道1的分速度和垂直于主尾排管道1的分速度。氢气出气口朝向主尾排管道1的空气进气口，即说明氢气平行于主尾排管道1的分速度的流动方向与空气在主尾排管道1内的整体流动方向相反，即可实现氢气与空气的对冲效果，产生紊流。氢气垂直于主尾排管道1的分速度即可使氢气与靠近主尾排管道1空气充分混合。为了加强对冲以进一步提升混合效果，可选地，氢尾排管道2包括弯折段21，弯折段21的一端为氢气出气口，弯折段21的长度方向与主尾排管道1的长度方向相同。可知的是，氢气垂直于主尾排管道1的分速度为0，氢气平行于主尾排管道1的分速度最大，以实现最大程度地对冲。

由于氢气的密度较空气低，氢气更容易流至空气的上方，产生分层，为了避免这种情况，可选地，弯折段21的中心位置低于主尾排管道1的中心位置。即氢气出气口低于主尾排管道1的中心位置，以使氢气在开始混合时就位于空气的中下方，以避免氢气与空气分层，保证混合效果。

为了进一步加强氢气与空气的混合效果，该氢燃料电池尾排气混合稀释装置还包括混合装置3，该混合装置3设置在主尾排管道1的空腔内，且位于氢气出气口的下游，混合装置3用于使空气和氢气混合均匀。如图2所示，可选地，混合装置3包括第一叶轮组31和第二叶轮组32，第一叶轮组31和第二叶轮组32的进风方向相同，旋转方向相反。可选地，第一叶轮组31为被动式轴流叶轮。可选地，第二叶轮组32也为被动式轴流叶轮。在氢气和空气的混合气流压力下，第一叶轮组31逆时针转动，混合气流随之产生紊动。混合气流到达第二叶轮组32后，第二叶轮组32顺时针转动，气流将产生和前面气流反向的紊动。混合气流在两组叶轮的作用下，产生不规则紊流，即可实现对混合气体均匀搅拌，并达到充分混合的目的。

可选地，混合装置3还包括固定轴，固定轴用于支撑第一叶轮组31和第二叶轮组32，以使第一叶轮组31和第二叶轮组32的轴心位置位于主尾排管道1的中心处。可选地，第一叶轮组31和第二叶轮组32均包括多个间隔均匀设置的叶片，在本实施例中，第一叶轮组31和第二叶轮组32均设置有4个叶片。可选地，第一叶轮组31和第二叶轮组32的安装距离为2-3倍的主尾排管道1直径，以保证最好的紊流效果。

该氢燃料电池尾排气混合稀释装置还包括消声装置4，该消声装置4设置在主尾排管道1内，且位于混合装置3的下游。该消声装置4用于消减主尾排管道1内的噪声。可选地，消声装置4包括消声件，消声件为中空的锥柱状，消声件的入气口的直径小于排气口的直径，且消声件的排气口一端与主尾排管道1的内壁连接。即混合气流会从消声件的入气口进入，并从排气口流出，在消声件内流动的过程中，混合气流将随着流动横截面的增大，流速逐渐减慢，并且通过不同方向的混合气流相互作用消耗流动能量，从而实现降噪消音的目的。可选地，消声件沿主尾排管道1的长度方向间隔设置有多个。在本实施例中，综合考虑主尾排管道1的长度和消音效果，设置了两个消声件。

当外界环境温度较低时，主尾排管道1内的空气中的水蒸气容易凝结，在管壁上形成冷凝水，为了便于冷凝水从主尾排管道1排出。如图3所示，可选地，消声件与主尾排管道1连接处的底部贯通设置有排水槽411。可选地，主尾排管道1的空气出气口低于空气进气口。可选地，主尾排管道1为直管道，即主尾排管道1在安装时应设置为倾斜状态，冷凝水在重力作用下，自然能够从排水槽411流至主尾排管道1的空气出气口，避免冷凝水在主尾排管道1内的蓄积。可选地，主尾排管道1与水平面的夹角为α，5°＜α≤90°，即为了保证冷凝水及时排出，α需要大于5°。

该氢燃料电池尾排气混合稀释装置通过将氢尾排管道2的氢气出气口设置在主尾排管道1中，即可向空气流输入氢气流，并且在氢气出气口的下游位置设置混合装置3，即可使空气与氢气混合均匀，然后通过消声装置4进一步消减噪声。该氢燃料电池尾排气混合稀释装置能够保证氢气稀释并混合均匀，从而提高氢燃料电池的安全性。

实施例二

本实施例提供了一种氢燃料电池，包括实施例一中氢燃料电池尾排气混合稀释装置。该氢燃料电池通过设置有实施例一中氢燃料电池尾排气混合稀释装置，能够实现尾排氢气稀释并混合均匀，以具有良好的安全性能。

具体地，氢燃料电池尾排气混合稀释装置在该氢燃料电池内倾斜设置，且需要保证主尾排管道1与水平面的夹角α的取值范围为5°＜α≤90°，即为了保证冷凝水及时排出，α需要大于5°。该氢燃料电池尾排气混合稀释装置中的主尾排管道1和氢尾排管道2的上游连通于电堆反应装置，氢燃料电池的燃料在经过电堆反应后，尾排气体为氢气和空气，其中，氢气流入氢尾排管道2，空气流入主尾排管道1。通过将氢尾排管道2的氢气出气口设置在主尾排管道1中，即可向空气流输入氢气流，通过氢气与空气流动方向的不同，即可实现一定程度上的混合。然后在氢气出气口的下游位置设置混合装置3，即可使空气与氢气混合均匀，然后通过消声装置4进一步消减噪声。该氢燃料电池通过设置氢燃料电池尾排气混合稀释装置，就能够保证氢气稀释并混合均匀，从而提高该氢燃料电池的安全性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氢燃料电池尾排气混合稀释装置，其特征在于，包括：

主尾排管道(1)，所述主尾排管道(1)上设置有安装孔，所述主尾排管道(1)内流通有空气；

氢尾排管道(2)，所述氢尾排管道(2)内流通有氢气，所述氢尾排管道(2)穿过所述安装孔，以使所述氢尾排管道(2)的氢气出气口设置在所述主尾排管道(1)内；

混合装置(3)，所述混合装置(3)设置在所述主尾排管道(1)内，且位于所述氢气出气口的下游，所述混合装置(3)用于使所述空气和所述氢气混合均匀；

消声装置(4)，所述消声装置(4)设置在所述主尾排管道(1)内，且位于所述混合装置(3)的下游，所述消声装置(4)用于消减所述主尾排管道(1)内的噪声；

所述氢尾排管道(2)被配置为所述氢气出气口朝向所述主尾排管道(1)的空气进气口；

所述氢尾排管道(2)包括弯折段(21)，所述弯折段(21)的一端为所述氢气出气口，所述弯折段(21)的长度方向与所述主尾排管道(1)的长度方向相同；

所述弯折段(21)的中心位置低于所述主尾排管道(1)的中心位置；

所述混合装置(3)包括第一叶轮组(31)和第二叶轮组(32)，所述第一叶轮组(31)和所述第二叶轮组(32)的进风方向相同，旋转方向相反；

所述第一叶轮组(31)为被动式轴流叶轮；

和/或，第二叶轮组(32)为被动式轴流叶轮；

在氢气和空气的混合气流压力下，所述第一叶轮组(31)逆时针转动，混合气流随之产生紊动，混合气流到达所述第二叶轮组(32)后，所述第二叶轮组(32)顺时针转动，气流产生和前面气流反向的紊动。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置，其特征在于，所述消声装置(4)包括消声件，所述消声件为中空的锥柱状，所述消声件的入气口的直径小于排气口的直径，且所述消声件的排气口一端与所述主尾排管道(1)的内壁连接。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置，其特征在于，所述消声件与所述主尾排管道(1)连接处的底部贯通设置有排水槽(411)。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置，其特征在于，所述主尾排管道(1)倾斜设置以使空气出气口低于空气进气口。

5.一种氢燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池尾排气混合稀释装置。