CN114452724B - 一种汽水分离器及其燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽水分离器及其燃料电池系统，其特征在于：包括壳体，壳体里面设置汽液分离空腔，壳体的顶部设置有进气口、出气口，进气口和出气口与汽液分离空腔连通，汽液分离空腔内设有若干流道挡板，在进气口与出气口之间的气体流道内的若干流道挡板形成特斯拉阀流道，通过特斯拉阀流道的原理，使汽水分离器实现具有单向阀的功能，结构布置合理、紧凑，减少零部件的布置，节省空间，提高生产效率，节约成本，还能保证引射器氢气循环系统的可靠性。

Description

一种汽水分离器及其燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种汽水分离器及其燃料电池系统。

背景技术

新能源汽车被认为是能源转型的重要环节，而质子交换膜燃料电池汽车被认为目前新能源汽车产电量最为成熟的代表。它是以氢气与空气中的氧气发生化学反应产生电能，从而推动汽车前进，它具有结构简单、对大气没有污染、节能高效等一系列优点。燃料电池汽车基本不产生二氧化碳，作为新一代新能源汽车，系统的优化及关键零部件的设计与开发能够让燃料电池动力系统寿命更长久。

如图1所示，现有的燃料电池系统中，氢气循环系统是燃料电池动力模块的重要单元，用于向燃料电池堆输送氢气，并对氢气尾气进行净化后循环利用。部分氢燃料电池系统采用引射器作为氢气循环装置，引射器不需要额外增加功耗，但是循环系统中还要配置两个功能装置，分别是汽水分离器用于分离电堆模块的氢气出口排出的液态水后排出，提高电堆性能及保护电堆；单向阀用于在低功率阶段，由于引射器引射能力不足，防止电堆模块的氢气出口倒流造成液态水无法正常排出而损坏电堆模块。

US9373855专利引射器应用中设置有一个单向阀用于防止电堆模块的氢气出口的尾气倒流，及其它常规引射器应用专利都设置有水汽分离器；如上所述，单向阀与汽水分离器中的每个都单独地设置，因此元件的数量增加，并且产品的装配时间增加。相应地，生产率降低，制造成本增加，浪费系统空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽水分离器及其燃料电池系统，能解决现有技术中的单向阀与汽水分离器中的每个都单独地设置，因此元件的数量增加，并且产品的装配时间增加，生产率降低，制造成本增加，浪费系统空间的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

本发明的目的是提供一种汽水分离器，其特征在于：包括壳体，壳体里面设置汽液分离空腔，壳体的顶部设置有进气口、出气口，进气口和出气口与汽液分离空腔连通，汽液分离空腔内设有若干流道挡板，在进气口与出气口之间的气体流道内的若干流道挡板形成特斯拉阀流道。

上述所述的若干流道挡板是流线型。

上述所述的若干流道挡板包括第一挡板，第一挡板从汽液分离空腔的顶壁往下延伸到中部，第一挡板的底端形成一个由下往上伸展的弧形导流弯板。

上述所述的若干流道挡板还包括一第二流道挡板，第二流道挡板从下往上延伸到中部，第一挡板和第二流道挡板将汽液分离空腔分隔成左右两部分，第二流道挡板的顶端与弧形导流弯板组成特斯拉阀流道第一个闸口。

上述所述的若干流道挡板还包括一第三流道挡板，第三流道挡板位于右侧部分的汽液分离空腔，且第三流道挡板从汽液分离空腔的右侧壁开始弧形往上弯起，出气口位于第三流道挡板正上方，第三流道挡板与第一挡板的底端由下往上伸展的弧形导流弯板组成特斯拉阀流道第二个闸口。

上述所述的第三流道挡板与第一挡板顶部之间组成特斯拉阀流道第三个闸口。

上述所述的在左侧的一部分汽液分离空腔里面设置弧形导流板，弧形导流板将从进气口进入的气体导向第一个闸口。

上述所述的弧形导流板有2组，2组弧形导流板上下间隔布局。

上述所述的每组弧形导流板由2块弧形单板组成，2块弧形单板之间间隔分布。

上述所述的壳体内还设有储水室，储水室位于汽液分离空腔的下方并由隔板分隔，隔板上位于第二流道挡板与汽液分离空腔的左侧壁之间设置第一排水孔以连通汽液分离空腔和储水室，底部储水室通过排水口来排水，第二流道挡板从隔板往上延伸到中部。

上述所述的弧形导流弯板与隔板之间连接至少一块导水条，导水条的底部靠近第一排水孔。

上述所述的弧形导流弯板的底部设有第二排水孔，导水条的顶部靠近第二排水孔。

上述所述的导水条设有两条，两条导水条倾斜布置在汽液分离空腔的前侧壁和后侧壁上。

上述所述的隔板上位于第二流道挡板与汽液分离空腔的右侧壁之间设置第三排水孔；第三流道挡板的底部设有第四排水孔。

上述所述的排水口安装有排水阀，进气口位于壳体的左侧顶部，出气口位于壳体的上方，排水口位于壳体的右侧底部。

上述所述的壳体为一体铸造成型的。

一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，其中：供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接汽水分离器；其特征在于：所述的汽水分离器是上述所述的汽水分离器。

上述所述的供氢系统包括氢气瓶、截止阀、减压阀和引射器，氢气瓶的氢气经过截止阀、减压阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，电堆模块的氢气出口将反应后的高温氢气和水气混合气体输送到汽水分离器，从汽水分离器的进气口进入至汽液分离空腔，经过汽水分离器分离出水分后的氢气从出气口排出输送到引射器的回氢引射口，分离出来的液态从汽水分离器排出；

当燃料电池系统处于低功率时，引射器形成的引射能力不足，部分氢气从汽水分离器的出气口逆流到壳体内流向进气口处，由于从出气口逆流的氢气经过设置在进气口与出气口之间的气体流道内的若干流道挡板形成特斯拉阀流道，根据特斯拉阀的原理，使逆流的氢气流动阻力大，从而无法逆流到进气口就被从电堆模块的氢气出口顺流的反应后的高温氢气和水气混合气体推回出气口输送到引射器的回氢引射口。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1）一种汽水分离器，其特征在于：包括壳体，壳体里面设置汽液分离空腔，壳体的顶部设置有进气口、出气口，进气口和出气口与汽液分离空腔连通，汽液分离空腔内设有若干流道挡板，在进气口与出气口之间的气体流道内的若干流道挡板形成特斯拉阀流道，通过特斯拉阀流道的原理，使汽水分离器实现具有单向阀的功能，结构布置合理、紧凑，减少零部件的布置，节省空间，提高生产效率，节约成本，还能保证引射器氢气循环系统的可靠性；

2）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。

附图说明

图1是现有技术的原理示意图；

图2是本发明实施例一提供的立体图；

图3是本发明实施例一提供的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的俯视图；

图5是图4中A-A的剖视图；

图6是本发明实施例一提供的汽水分离器顺流流体流线示意图；

图7是本发明实施例一提供的汽水分离器逆流流体流线示意图；

图8是本发明实施例一提供的正视图；

图9是图8中B-B的剖视图；

图10是本发明实施例二提供的原理图；

图11是本发明实施例二提供的控制原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例一：

如图2至图9所示，本实施例提供的是一种汽水分离器，其特征在于：包括壳体1，壳体1里面设置汽液分离空腔11，壳体1的顶部设置有进气口14、出气口15，进气口14和出气口15与汽液分离空腔11连通，汽液分离空腔11内设有若干流道挡板3，在进气口14与出气口15之间的气体流道内的若干流道挡板3形成特斯拉阀流道，通过特斯拉阀流道的原理，使汽水分离器实现具有单向阀的功能，结构布置合理、紧凑，减少零部件的布置，节省空间，提高生产效率，节约成本，还能保证引射器氢气循环系统的可靠性。

上述的若干流道挡板3是流线型，流线型的流道挡板3结构便于气体导流，结构布置合理。

上述的若干流道挡板3包括第一挡板31，第一挡板31从汽液分离空腔11的顶壁往下延伸到中部，第一挡板31的底端形成一个由下往上伸展的弧形导流弯板311。

上述的若干流道挡板3还包括一第二流道挡板32，第二流道挡板32从下往上延伸到中部，第一挡板31和第二流道挡板32将汽液分离空腔11分隔成左右两部分，第二流道挡板32的顶端与弧形导流弯板311组成特斯拉阀流道第一个闸口34，按照特斯拉阀原理通过第一个闸口可以有效防止电堆模块的氢气出口倒流造成液态水无法正常排出而损坏电堆模块。

上述的若干流道挡板3还包括一第三流道挡板33，第三流道挡板33位于右侧部分的汽液分离空腔11，且第三流道挡板33从汽液分离空腔11的右侧壁111开始弧形往上弯起，出气口15位于第三流道挡板33正上方，第三流道挡板33与第一挡板31的底端由下往上伸展的弧形导流弯板311组成特斯拉阀流道第二个闸口35，按照特斯拉阀原理通过第二个闸口可以更好的有效防止电堆模块的氢气出口倒流造成液态水无法正常排出而损坏电堆模块。

上述的第三流道挡板33与第一挡板31顶部之间组成特斯拉阀流道第三个闸口36，结构布置合理，按照特斯拉阀原理通过第三个闸口可以更好的有效防止电堆模块的氢气出口倒流造成液态水无法正常排出而损坏电堆模块。

根据特斯拉阀的原理：正向通过，压力越大，速度越快；反向通过，压力越大，阻力越大，速度越慢，乃至完全停止，通过该原理使汽水分离器实现具有单向阀的功能，还能保证引射器氢气循环系统的可靠性。

上述的在左侧的一部分汽液分离空腔11里面设置弧形导流板17，弧形导流板17将从进气口14进入的气体导向第一个闸口34，结构布置合理，便于气体导向。

上述的弧形导流板17有2组，2组弧形导流板17上下间隔布局。

上述的每组弧形导流板17由2块弧形单板171组成，2块弧形单板171之间间隔分布。

上述的壳体1内还设有储水室12，储水室12位于汽液分离空腔11的下方并由隔板13分隔，隔板13上位于第二流道挡板32与汽液分离空腔11的左侧壁114之间设置第一排水孔131以连通汽液分离空腔11和储水室12，底部储水室12通过排水口16来排水，第二流道挡板32从隔板13往上延伸到中部，结构布置合理，便于排水。

上述的弧形导流弯板311与隔板13之间连接至少一块导水条18，导水条18的底部靠近第一排水孔131，当携带液态水的气体经过导水条与导水条发碰撞时，液态水在重力的作用下，导水条将部分的液态水引流至储水室内，结构布置合理，排水效果好。

上述的弧形导流弯板311的底部设有第二排水孔312，导水条18的顶部靠近第二排水孔312，结构布置合理，便于弧形导流弯板311上的积水流至储水室12内。

上述的导水条18设有两条，两条导水条18倾斜布置在汽液分离空腔11的前侧壁112和后侧壁113上，结构布置合理，便于将混合气体中分离出来的液态水引流至储水室12中排出。

上述的隔板13上位于第二流道挡板32与汽液分离空腔11的右侧壁111之间设置第三排水孔132；第三流道挡板33的底部设有第四排水孔331，结构布置合理，防止汽液分离空腔11积水，排水效果好。

上述的排水口16安装有排水阀4，进气口14位于壳体1的左侧顶部，出气口15位于壳体1的上方，排水口16位于壳体1的右侧底部，结构布置合理。

上述的壳体1为一体铸造成型的，整体性强，减少零件，安装简便，降低成本。

实施例二：

如图10和图11所示，一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，其中：供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接汽水分离器；其特征在于：所述的汽水分离器是实施例一所述的汽水分离器，通过特斯拉阀流道的原理，使汽水分离器实现具有单向阀的功能，结构布置合理、紧凑，减少零部件的布置，节省空间，提高生产效率，节约成本，还能保证引射器氢气循环系统的可靠性。

上述的供氢系统包括氢气瓶、截止阀、减压阀和引射器，氢气瓶的氢气经过截止阀、减压阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，电堆模块的氢气出口将反应后的高温氢气和水气混合气体输送到汽水分离器，从汽水分离器的进气口14进入至汽液分离空腔11，经过汽水分离器分离出水分后的氢气从出气口15排出输送到引射器的回氢引射口，分离出来的液态从汽水分离器排出；

当燃料电池系统处于低功率时，引射器形成的引射能力不足，部分氢气从汽水分离器的出气口15逆流到壳体1内流向进气口14处，由于从出气口15逆流的氢气经过设置在进气口14与出气口15之间的气体流道内的若干流道挡板3形成特斯拉阀流道，根据特斯拉阀的原理，使逆流的氢气流动阻力大，从而无法逆流到进气口14就被从电堆模块的氢气出口顺流的反应后的高温氢气和水气混合气体推回出气口15输送到引射器的回氢引射口。

以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种汽水分离器，其特征在于：包括壳体（1），壳体（1）里面设置汽液分离空腔（11），壳体（1）的顶部设置有进气口（14）、出气口（15），进气口（14）和出气口（15）与汽液分离空腔（11）连通，汽液分离空腔（11）内设有若干流道挡板（3），在进气口（14）与出气口（15）之间的气体流道内的若干流道挡板（3）形成特斯拉阀流道；

上述的若干流道挡板（3）包括第一挡板（31），第一挡板（31）从汽液分离空腔（11）的顶壁往下延伸到中部，第一挡板（31）的底端形成一个由下往上伸展的弧形导流弯板（311）；

上述的若干流道挡板（3）还包括一第二流道挡板（32），第二流道挡板（32）从下往上延伸到中部，第一挡板（31）和第二流道挡板（32）将汽液分离空腔（11）分隔成左右两部分，第二流道挡板（32）的顶端与弧形导流弯板（311）组成特斯拉阀流道第一个闸口（34）；

上述的若干流道挡板（3）还包括一第三流道挡板（33），第三流道挡板（33）位于右侧部分的汽液分离空腔（11），且第三流道挡板（33）从汽液分离空腔（11）的右侧壁（111）开始弧形往上弯起，出气口（15）位于第三流道挡板（33）正上方，第三流道挡板（33）与第一挡板（31）的底端由下往上伸展的弧形导流弯板（311）组成特斯拉阀流道第二个闸口（35）；

上述的第三流道挡板（33）与第一挡板（31）顶部之间组成特斯拉阀流道第三个闸口（36）；

气体从汽水分离器的进气口（14）进入至汽液分离空腔（11），依次经过特斯拉阀流道第一个闸口（34）、特斯拉阀流道第二个闸口（35）和特斯拉阀流道第三个闸口（36），分离出水分 后从出气口（15）排出。

2.根据权利要求1所述的一种汽水分离器，其特征在于：若干流道挡板（3）是流线型。

3.根据权利要求2所述的一种汽水分离器，其特征在于：在左侧的一部分汽液分离空腔（11）里面设置弧形导流板（17），弧形导流板（17）将从进气口（14）进入的气体导向第一个闸口（34）。

4.根据权利要求3所述的一种汽水分离器，其特征在于：弧形导流板（17）有2组，2组弧形导流板（17）上下间隔布局。

5.根据权利要求4所述的一种汽水分离器，其特征在于：每组弧形导流板（17）由2块弧形单板（171）组成，2块弧形单板（171）之间间隔分布。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种汽水分离器，其特征在于：壳体（1）内还设有储水室（12），储水室（12）位于汽液分离空腔（11）的下方并由隔板（13）分隔，隔板（13）上位于第二流道挡板（32）与汽液分离空腔（11）的左侧壁（114）之间设置第一排水孔（131）以连通汽液分离空腔（11）和储水室（12），底部储水室（12）通过排水口（16）来排水，第二流道挡板（32）从隔板（13）往上延伸到中部。

7.根据权利要求6所述的一种汽水分离器，其特征在于：弧形导流弯板（311）与隔板（13）之间连接至少一块导水条（18），导水条（18）的底部靠近第一排水孔（131）。

8.根据权利要求7所述的一种汽水分离器，其特征在于：弧形导流弯板（311）的底部设有第二排水孔（312），导水条（18）的顶部靠近第二排水孔（312）。

9.根据权利要求8所述的一种汽水分离器，其特征在于：导水条（18）设有两条，两条导水条（18）倾斜布置在汽液分离空腔（11）的前侧壁（112）和后侧壁（113）上。

10.根据权利要求9所述的一种汽水分离器，其特征在于：隔板（13）上位于第二流道挡板（32）与汽液分离空腔（11）的右侧壁（111）之间设置第三排水孔（132）；第三流道挡板（33）的底部设有第四排水孔（331）。

11.根据权利要求10所述的一种汽水分离器，其特征在于：排水口（16）安装有排水阀（4），进气口（14）位于壳体（1）的左侧顶部，出气口（15）位于壳体（1）的上方，排水口（16）位于壳体（1）的右侧底部。

12.根据权利要求11所述的一种汽水分离器，其特征在于：壳体（1）为一体铸造成型的。

13.一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，其中：供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接汽水分离器；其特征在于：所述的汽水分离器是权利要求1至权利要求12所述的任意一项汽水分离器。

14.根据权利要求13所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的供氢系统包括氢气瓶、截止阀、减压阀和引射器，氢气瓶的氢气经过截止阀、减压阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，电堆模块的氢气出口将反应后的高温氢气和水气混合气体输送到汽水分离器，从汽水分离器的进气口（14）进入至汽液分离空腔（11），经过汽水分离器分离出水分后的氢气从出气口（15）排出输送到引射器的回氢引射口，分离出来的液态从汽水分离器排出；

当燃料电池系统处于低功率时，引射器形成的引射能力不足，部分氢气从汽水分离器的出气口（15）逆流到壳体（1）内流向进气口（14）处，由于从出气口（15）逆流的氢气经过设置在进气口（14）与出气口（15）之间的气体流道内的若干流道挡板（3）形成特斯拉阀流道，根据特斯拉阀的原理，使逆流的氢气流动阻力大，从而无法逆流到进气口（14）就被从电堆模块的氢气出口顺流的反应后的高温氢气和水气混合气体推回出气口（15）输送到引射器的回氢引射口。

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