CN114887400B - 气水分离器、供氢系统及调节气液混合物速度的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气水分离器、供氢系统及调节气液混合物速度的方法，涉及燃料电池技术领域。气水分离器包括壳体、第一分离挡板、动力装置和控制器，壳体上开设有气液混合物入口和排气口，第一分离挡板的一端转动连接在壳体的内侧壁上且位于气液混合物入口的正上方，另一端向壳体的底部倾斜延伸；弹性部件用于为第一分离挡板提供向靠近气液混合入口方向转动的弹性力；控制器用于控制动力装置驱动第一分离挡板向靠近气液混合入口的方向转动。本申请通过弹性部件的自动调节和动力装置的调节来改变气液混合物碰撞第一分离挡板时的速度，解决了常规的气水分离器难以适应燃料电池系统宽功率范围工况条件的问题。

Description

气水分离器、供氢系统及调节气液混合物速度的方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气水分离器、供氢系统及调节气液混合物速度的方法。

背景技术

氢燃料电池可直接将氢气的化学能转化为电能而无需燃烧，其具有高效率和功率密度，零排放，静音运行的优点，是一种非常具有前景的新能源发电动力装置。氢燃料电池将阳极侧的氢气和阴极侧的氧气发生化学反应，产生电能和水，为保证燃料电池高效率运行，阳极侧的供氢量大于反应掉的氢气量，因此需要建立阳极氢气循环系统来将未消耗的氢气再次循环利用，以提高氢气的利用率。

在氢燃料电池的氢气循环系统中，由于电池堆排出的阳极排出的尾气含有产生的液态水，因此循环尾气在进入循环装置(引射器或氢气循环泵)之前需要使用气水分离器将尾气中的液态水分离出来。目前用于燃料电池系统的气水分离器一般是挡板碰撞式分离器，挡板式分离器的原理是利用气液两相流体碰撞到挡板之上，液体被壁面吸附而分离的原理，气液两相流，挡板碰撞分离器的优点是压力损失小。但由于燃料电池系统的功率变化范围较大，比如对于100kW的燃料电池系统，循环气体的流量常常在100～1000SLPM范围内变化，而在如此大的流量范围之内，气水分离器的分离效率差。

发明内容

本申请提供一种气水分离器、供氢系统及调节气液混合物速度的方法，在电堆常用功率下利用弹性部件自动调节挡板的转动角度，在电堆怠速功率下利用动力装置主动调节挡板的转动角度，使得气液混合物在不同电堆功率下以最优的速度碰撞到第一分离挡板上。解决了现有的挡板碰撞式分离器难以适应燃料电池系统宽功率范围工况条件的问题。

为达到上述目的，一方面，本申请提供了一种可调式气水分离器，用于分离从燃料电池堆阳极排出的气液混合物，包括：

壳体，其内部形成有腔体，壳体上开设有与腔体连通的气液混合物入口和排气口，气液混合物入口开设在壳体的侧壁上；

第一分离挡板，一端转动连接在壳体的内侧壁上且位于气液混合物入口的正上方，另一端向壳体的底部倾斜延伸；

弹性部件，设置在第一分离挡板和壳体的内侧壁之间，用于为第一分离挡板提供向靠近气液混合入口方向转动的弹性力；

动力装置，用于带动所述第一分离挡板转动；

控制器，与动力装置连接，控制器被配置为：实时判断燃料电池堆的功率是否小于预设阈值，若是，则控制动力装置驱动第一分离挡板向靠近气液混合入口的方向转动。

进一步地，还包括多个第二分离挡板，其位于第一分离挡板的上方，所述第一分离挡板和与其相邻的第二分离挡板、相邻两个第二分离挡板均交错设置在腔体内，第一分离挡板和多个第二分离挡板共同限制出气流通道。

进一步地，还包括V型挡板，其设置在腔体内且位于第一分离挡板的下方，V型挡板将腔体分为分离腔和储液腔，V型挡板的弯折处设置有排液孔。

进一步地，壳体的底壁还开设有与腔体连通的排水口。

进一步地，所述第一分离挡板通过转轴转动连接在壳体的内侧壁上，所述转轴与动力装置连接。

另一方面，本申请还提供一种燃料电池供氢系统，包括依次连接的高压氢气瓶、截止阀、减压阀、喷氢阀、氢循环装置和燃料电池堆，还包括上述一种可调式气水分离器，其中，所述气水分离器的气液混合物入口与燃料电池堆的电堆出口连通，气水分离器的排气口与氢循环装置连通，所述控制器与燃料电池堆连接，所述控制器实时监测燃料电池堆的功率。

本申请还提供一种调节气液混合物速度的方法，基于上述一种燃料电池供氢系统来实现的，包括以下步骤：

步骤1：运行燃料电池堆，在燃料电池堆运行过程中从电堆出口排出的气液混合物以一定的速度由气液混合物入口进入气水分离器的腔体内，后碰撞到第一分离挡板上，气液混合物中的液滴会附在第一分离挡板的壁面上并聚集；

步骤2：控制器实时判断燃料电池堆的功率是否小于预设阈值，若是，则控制动力装置驱动第一分离挡板向靠近气液混合入口的方向转动；

当燃料电池的功率大于预设阈值时，第一分离挡板在受到气液混合物的冲击后发生转动，此时弹性部件为第一分离挡板提供向靠近气液混合入口方向转动的弹性力从而对第一分离挡板的转动角度进行调控。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：本申请利用第一分离挡板的转动角度、电堆功率和气液混合物的流速三者之间的关系，在电堆常用功率下利用弹性部件自动调节挡板的转动角度，在电堆怠速功率下利用动力装置主动调节挡板的转动角度，使得气液混合物在不同电堆功率下以最优的速度碰撞到第一分离挡板上，实现高效率的气液两相分离。适应燃料电池系统宽功率运行的特性，保证了电堆安全稳定运行，提高电堆发电效率和寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例1中可调式气水分离器的剖面图；

图2为本申请实施例1中可调式气水分离器的三维剖面图；

图3为本申请实施例1中第一分离挡板、动力装置和转轴的装配图；

图4为本申请实施例2中燃料电池供氢系统的示意图；

图5为本申请实施例1中第一分离挡板的转动角度与气流碰撞第一分离挡板速度的关系图；

图6为本申请实施例1中当电堆工作在常用功率区间时气水分离器的状态图；

图7为本申请实施例1中当电堆工作在怠速功率区间时气水分离器状态图；

图8为本申请实施例1中第一分离挡板的转动角度与电堆功率的关系图；

图9为本申请实施例3的调节方法的流程图；

图10为本申请实施例3的第一分离挡板的转动角度与弹簧长度随电堆功率变化关系图。

图中，1-壳体，11-气液混合物入口，12-排气口，13-排水口，14-第一分离挡板，15-第二分离挡板，16-转轴，161-弹性部件，17-动力装置，18-控制器，19-V型挡板，191-排液孔，2-高压氢气瓶，3-截止阀，4-减压阀，5-喷氢阀，6-引射器，7-燃料电池堆，71-电堆入口，72-电堆出口。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，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，或一体地连接；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申请中的具体含义。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1-3，本实施例1提供了一种可调式气水分离器，用于分离从电堆出口72排出的气液混合物中的液态水。包括壳体1、第一分离挡板14、弹性部件161、动力装置17和控制器18。本实施例利用了燃料电池的怠速功率点Pc，将气水分离器的工作区间分为常用功率区间和怠速功率区间。当电堆功率大于怠速功率点为常用功率区间(P≥Pc)；当电堆功率低于怠速功率点为怠速功率区间(P＜Pc)。怠速功率点Pc为额定功率的10～30％，比如对于1个100kW的燃料电池电堆7，怠速功率点为额定功率的20％，即20kW为怠速功率点，那么怠速功率区间为0～20kW，常用功率区间为20～100kW。

壳体1的内部形成有腔体，壳体1上开设有与腔体连通的气液混合物入口11和排气口12，气液混合物入口11开设在壳体1的侧壁上，排气口12可以根据需要设置在壳体1的顶壁或侧壁上，排气口12设置在壳体1的侧壁上时，排气口12的位置高于气液混合物入口11的位置。

第一分离挡板14包括第一端和第二端，第一分离挡板14的第一端转动连接在壳体1的内侧壁上，第二端向壳体1的底部倾斜延伸。第一分离挡板14的第一端位于气液混合物入口11的正上方，第二端低于气液混合物入口11，保证了从气液混合物入口11进入的气液混合物能够碰撞到第一分离挡板14上。第一分离挡板14能够阻挡由气液混合物入口11进入至腔体内的气液混合物并使其转向。

弹性部件161用于为第一分离挡板14提供向靠近气液混合入口11方向转动的弹性力，其设置在第一分离挡板14和壳体1的内侧壁之间，弹性部件161可以但不限于弹簧。在具体实施时，弹簧水平设置，弹簧的一端固定连接第一分离挡板14靠近气液混合物入口11的一侧面上，另一端固定在壳体1的设置有气液混合物入口11的内侧壁上。弹簧的选择由燃料电池的常用功率区间确定。当燃料电池的功率在常用功率区间内时，弹簧能够根据由气液混合物入口11流入壳体1的腔体内的气液混合物的流速自动调整第一分离挡板14的转动角度。

第一分离挡板14通过转轴16与壳体1的内侧壁连接，动力装置17与转轴16连接，动力装置17可以为电机，电机的具体安装位置可以根据需要设置。

控制器18与动力装置17通讯连接。控制器18能够实时判断当前燃料电池堆7的功率是否小于预设阈值，并且在当功率小于预设阈值时，能够控制动力装置17驱动第一分离挡板14向靠近气液混合入口11的方向转动。预设阈值为燃料电池堆7的怠速功率点Pc。

控制动力装置17驱动第一分离挡板14向靠近气液混合入口11的方向转动具体为：基于电堆功率与转动角度之间的函数关系式计算得到第一分离挡板14所需的转动角度，并根据转动角度控制动力装置17驱动第一分离挡板14向目标角度转动。电堆功率与转动角度之间的函数关系式为：

A＝m(P)，P＜Pc

其中：A为转动角度，Pc为燃料电池的怠速功率点，P≥Pc为常用功率区间。

由于不同规格的燃料电池堆的怠速功率点不同，常用功率区间和怠速功率区间也就不同，因此，不同规格的燃料电池堆的电堆功率与转动角度之间的函数关系式也就不同。

例如对于一个100kW的燃料电池堆7，预设阈值即怠速功率点为25kW，在电堆怠速功率区间内电堆功率与转动角度之间的函数关系式为：

A＝0.172P+6.86，P＜25kW

在电堆常用功率区间内弹性部件161自动调节第一分离挡板14的转动角度随功率的变化的关系式为：

A＝0.458P。

其中：P为当前燃料电池电堆的功率，A为第一分离挡板14的转动角度。

在电堆常用功率下通过弹性部件161自动调节第一分离挡板14的转动角度，第一分离挡板14的最大转动角度为45°～60°；在电堆怠速功率下利用动力装置17主动调节第一分离挡板14的转动角度，第一分离挡板14的最小转动角度为2°～5°。

具体地，气水分离器还包括多个第二分离挡板15，多个第二分离挡板15位于第一分离挡板14的上方。第一分离挡板14和与其相邻的第二分离挡板15、相邻两个第二分离挡板15均交错设置在腔体内，第一分离挡板14和多个第二分离挡板15共同限制出气流通道。优选的是两个第二分离挡板15，第二分离挡板15的一端固定连接在壳体1的内侧壁上，另一端向壳体1的底部倾斜延伸。

具体地，气水分离器还包括V型挡板19，V型挡板19设置在腔体内且位于第一分离挡板14的下方，V型挡板19将腔体分为分离腔和储液腔，其弯折处设置有排液孔。壳体1的底壁还开设有与腔体连通的排水口13。

实施例1的可调式气水分离器的分离原理为：从电堆出口72排出的气液混合物由气水分离器的气液混合物入口11进入腔体内，并沿第一分离挡板14和多个第二分离挡板15共同限制出气流通道流动。气液混合物在碰撞到第一分离挡板14上时，气液混合物中的液滴附着在第一分离挡板14上并聚集，完成初步分离，初步分离后的气液混合物沿气流通道流动再次碰撞到多个第二级分水挡板15上进行二次碰撞分离，分离后的气体从排气口12离开，液滴顺着挡板流向壳体1的底部，并从V型挡板19的排液孔191进入储液腔中，最终从排水口13排出。

实施例1的可调式气水分离器的调节气液混合物速度的原理为：

参见图5，图5表示第一分离挡板的转动角度与气流碰撞挡板速度的关系。从图5可以看出，当燃料电池堆7的功率一定时，进入气液混合物入口11的流体流速一定。气液混合物以一定的流速从气液混合物入口11进入气水分离器的腔体中时，由于运动空间增大，气液混合物的速度开始减小。而气液混合物在碰撞到第一分离挡板14之前的运动空间随着第一分离挡板14转动角度的增大而增大，即第一分离挡板14转动角度越大，气液混合物速度减小的幅度越大，因此碰撞到第一分离挡板14的速度越小。因此，改变第一分离挡板14与设置有气液混合物入口11的内侧壁之间的角度即可改变气液混合物的速度。

参见图6，当燃料电池堆7工作在常用功率区间(高功率区间)，此时经过燃料电池堆7的气体流量较大，燃料电池堆7排出的气液混合物的流量较大，因此进入气液混合物入口11的流体流速较大。液滴碰撞到第一分离挡板14壁面的气体流速过大会使得挡板上的液膜破碎，产生液滴的二次气流夹带。此时，若增大第一分离挡板14的偏斜角度A，气液混合物从入口11进入时，在进入腔体中的速度会降低，从而保证气液混合物以较小的速度撞击到第一分离挡板14的壁面上，从而避免引起液膜的破碎和液滴的二次夹带，提高气水分离器的分离效率。

参见图7，当燃料电池堆7工作在怠速功率区间(低功率区间)，此时经过燃料电池堆7的气体流量较小，燃料电池堆7排出的气液混合物的流量较小，因此进入气液混合物入口11的流体流速较小。气液混合物的流速过小会使得气液混合物不能碰撞到第一分离挡板14，造成分离器失去碰撞分离的作用。此时，若减小第一分离挡板14的偏斜角度A，气液混合物的速度不会降低到过小，使得分离器能够实现碰撞分离的作用。

实施例1联合弹性部件161的自动调节和动力装置的17主动调节方式，共同实现对第一分离挡板14角度的控制。参见图8，图8表示控制的挡板转动角度与电堆功率的关系。从图8可以看出，随着燃料电池堆7功率的增大，燃料电池堆7排出的气液混合物的流量随之增大，控制的第一分离挡板14转动角度A也随之增大。

在常用功率区间，使用弹性部件161对第一分离挡板14的角度进行自动调节，调节角度与电堆功率的函数关系为A＝k(P)，函数关系k与弹性部件161压缩性有关；而当电堆功率小于Pc时，此时弹性部件161不能继续自动调节使得转动角变小，控制器18基于转动角度与电堆功率之间的函数关系A＝m(P)计算得到第一分离挡板14所需的转动角度，并根据转动角度控制动力装置17驱动第一分离挡板14向目标角度转动，对第一分离挡板14的角度进行主动调节。从而使得液滴在不同电堆功率下以最优的角度碰撞到第一分离挡板14上，实现高效率的分离，解决了现有的挡板碰撞式分离器难以适应燃料电池系统宽功率范围工况条件的问题。

参见图4，本实施例2提供一种燃料电池供氢系统，包括依次连接的高压氢气瓶2、截止阀3、减压阀4、喷氢阀5、氢循环装置、燃料电池堆7，还包括实施例1中的一种可调式气水分离器，燃料电池堆7上设置有电堆入口71和电堆出口72，可调式气水分离器的气液混合物入口11与燃料电池堆7的电堆出口72连接，气水分离器的排气口13与氢循环装置连接，控制器18与燃料电池堆7连接，控制器18能够实时监测燃料电池堆7的功率。氢循环装置可以为引射器6。

燃料电池供氢系统的工作过程为：高压氢气瓶2储存有高压氢气作为燃料电池堆7的燃料。高压氢气瓶2、截止安全阀3和减压阀4连接，向喷氢阀5提供高压氢气，喷氢阀5再向引射器6提供氢气，引射器6的出口与电堆入口71连接，向燃料电池堆7泵送氢气。氢气在燃料电池堆7中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水和水蒸气从燃料电池堆7排出，产生需要被循环的气液混合物。气液混合物是含有液态水滴、氢气等的气液两相流体，循环氢气进入引射器6之前需要使用气水分离器将液态水分离出。电堆出口72与气水分离器入口11连接，从燃料电池堆7排出的含有液滴的气液混合物进入气水分离器之后分离出液滴，剩余的氢气等气体进入引射器6中，与干氢气混合后再次被泵送进入燃料电池堆7中。

参见图9、10，本实施例3提供一种调节气液混合物速度的方法，基于实施例2中的燃料电池供氢系统实现。设定燃料电池堆7的功率为100kW，怠速功率为25kW。气水分离器中的弹性部件161为弹簧，弹簧的自然长度为1cm，最大拉伸长度为5.1cm。

方法包括以下步骤：

步骤1：运行燃料电池堆7，在燃料电池堆7运行过程中从电堆出口72排出的气液混合物以一定的速度由气液混合物入口11进入气水分离器的腔体内，后碰撞到第一分离挡板14上，气液混合物中的液滴会附在第一分离挡板14的壁面上并聚集；

步骤2：控制器18实时判断燃料电池堆7的功率是否小于25kW，若是，则控制动力装置17驱动第一分离挡板14向靠近气液混合入口11的方向转动，控制装置17驱动第一分离挡板14的具体转动角度随电堆功率变化关系为：A＝0.172P+6.86。当燃料电池堆7的功率小于25kW时，此时气流冲击到第一分离挡板14的流速较小。气流冲击力与第一分离挡板14的重力达到平衡，而无法冲击第一分离挡板14使得弹簧拉伸，弹簧长度为自然长度1cm。为了保证气流以合适的速度冲击到第一分离挡板14之上，需要通过控制装置主动控制挡板转动，此时弹簧受到压缩。

当燃料电池堆7的功率大于预设阈值时，第一分离挡板14在受到气液混合物的冲击后发生转动，此时弹性部件161为第一分离挡板14提供向靠近气液混合入口11方向转动的弹性力从而对第一分离挡板14的转动角度进行调控。弹簧长度随功率变化的公式为：L＝5tan(0.00P8。弹簧自动调节第一分离挡板14转动角度随电堆功率变化A＝0.458P。

当第一分离挡板14的角度改变后，气液混合物在碰撞到第一分离挡板14之前的运动空间发生改变，使得气液混合物碰撞第一分离挡板14时的速度改变。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种可调式气水分离器，用于分离从燃料电池堆的电堆出口排出的气液混合物，其特征在于，包括：

壳体，其内部形成有腔体，壳体上开设有与腔体连通的气液混合物入口和排气口，气液混合物入口开设在壳体的侧壁上；

第一分离挡板，一端转动连接在壳体的内侧壁上且位于气液混合物入口的正上方，另一端向壳体的底部倾斜延伸；

弹性部件，设置在第一分离挡板和壳体的内侧壁之间，用于为第一分离挡板提供向靠近气液混合入口方向转动的弹性力；

动力装置，用于带动所述第一分离挡板转动；控制器，与动力装置连接，控制器被配置为：实时判断燃料电池堆的功率是否小于预设阈值，若是，则控制动力装置驱动第一分离挡板向靠近气液混合入口的方向转动；改变所述第一分离挡板与设置有所述气液混合物入口的内侧壁之间的角度改变气液混合物的速度；在电堆常用功率下利用弹性部件自动调节挡板的转动角度，在电堆怠速功率下利用动力装置主动调节挡板的转动角度,使得气液混合物在不同电堆功率下以最优的速度碰撞到所述第一分离挡板上，实现高效率的气液两相分离。

2.根据权利要求1所述的一种可调式气水分离器，其特征在于，还包括多个第二分离挡板，其位于第一分离挡板的上方，所述第一分离挡板和与其相邻的第二分离挡板、相邻两个第二分离挡板均交错设置在腔体内，第一分离挡板和多个第二分离挡板共同限制出气流通道。

3.根据权利要求1所述的一种可调式气水分离器，其特征在于，还包括V型挡板，其设置在腔体内且位于第一分离挡板的下方，V型挡板将腔体分为分离腔和储液腔，V型挡板的弯折处设置有排液孔。

4.根据权利要求3所述的一种可调式气水分离器，其特征在于，壳体的底壁还开设有与腔体连通的排水口。

5.根据权利要求1所述的一种可调式气水分离器，其特征在于，所述第一分离挡板通过转轴转动连接在壳体的内侧壁上，所述转轴与动力装置连接。

6.一种燃料电池供氢系统，其特征在于，包括依次连接的高压氢气瓶、截止阀、减压阀、喷氢阀、氢循环装置和燃料电池堆，其特征在于，还包括如权利要求1-5任一所述的一种可调式气水分离器，其中，所述气水分离器的气液混合物入口与燃料电池堆的电堆出口连通，气水分离器的排气口与氢循环装置连通，所述控制器与燃料电池堆连接，所述控制器实时监测燃料电池堆的功率。

7.一种调节气液混合物速度的方法，基于权利要求6所述的一种燃料电池供氢系统来实现的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：运行燃料电池堆，在燃料电池堆运行过程中从电堆出口排出的气液混合物以一定的速度由气液混合物入口进入气水分离器的腔体内，后碰撞到第一分离挡板上，气液混合物中的液滴会附在第一分离挡板的壁面上并聚集；

步骤2：控制器实时判断燃料电池堆的功率是否小于预设阈值，若是，则控制动力装置驱动第一分离挡板向靠近气液混合入口的方向转动；

当燃料电池堆的功率大于预设阈值时，第一分离挡板在受到气液混合物的冲击后发生转动，此时弹性部件为第一分离挡板提供向靠近气液混合入口方向转动的弹性力从而对第一分离挡板的转动角度进行调控。

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