CN115188995B - 一种燃料电池系统分水器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统分水器设计方法，包括：S1、收集参数资料；S2、根据分水器冷凝水量及燃料电池系统电堆阳极最大极限水量设计储水腔容积下限；S3、根据预设进出口流阻、分水器内氢气质量、分水器内水量设计进气口缩进段直径，并计算进气口缩进段速度；S4、根据预设挡板处流阻、分水器内混合密度、进气口缩进段速度设计挡板倾斜角度。本发明详细阐述了分水器的设计原理，只需要拿到系统相关参数，按照此思路就可以进行分水器设计，本发明提供了一种分水器普试设计方法。

Description

一种燃料电池系统分水器设计方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统分水器设计方法。

背景技术

随着燃料电池系统的普及，现在对于成本和核心零部件的要求，越来越多企业在相关零部件上进行自主开发，掌握自主知识产权。而对于氢气子系统回路，是最为重要的。

其中氢气回路分水器起到分离氢气出口液态水的作用，从而将尽可能多的氢气回流至氢气入口。

而分水器的类型会决定分水器的分水效率及分水器流阻，会影响回流的氢气流量，现有分水器种类和形式很多。其中主要以滤芯式、挡板式、旋风式三类为主，滤芯式通过拦截扩散，捕捉水分粒径0.1um，可以做到深度除水；挡板式是靠惯性力除水，捕捉粒径在5um，只能初级除水；旋风式是通过离心力作用除水，捕捉粒径在40um，也只能初级除水，相较除水效果来说，滤芯式最佳，而相较流阻来说，滤芯式最大，而在大功率下，回流泵的能力有限，受到整个氢气回路流阻影响较大，因此，现在大部分系统企业并未采用滤芯式，而采用前两种组合，更多的还是考虑流阻的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种燃料电池系统分水器设计方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种燃料电池系统分水器设计方法，分水器包括储水腔，储水腔侧壁设有进气口、顶端设有出气口、底端设有排水口，其中进气口采用缩进设计，储水腔内由下到上设有倾斜挡板和滤芯；

分水器设计内容包括：

S1、收集参数资料：分水器进出口温度及对应的饱和水分压、分水器内总压力，阳极进出温度及对应的饱和水分压、阳极总压力、阳极计量比，阴极进出温度及对应的饱和水分压、阴极总压力、阴极计量比，电堆电流、电堆片数；

S2、根据分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量之和设计储水腔容积下限；

S3、根据预设进出口流阻、分水器内氢气质量、分水器内水量设计进气口缩进段直径，并计算进气口缩进段速度；

S4、根据预设挡板处流阻、分水器内混合密度、进气口缩进段速度设计挡板倾斜角度。

作为上述方案的优选，步骤S2中，分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量均可基于质量守恒根据以下公式(1)中的m_产水计算得到：

式中，m代表质量，M代表分子量，in代表进口，out代表出口，P代表压力，I代表电流，N代表电堆片数，λ代表气体计量比；即根据计算目标不同，P_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处饱和水分压，P_水out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处饱和水分压，P_气in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处气体分压，P_气out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处气体分压，P_总in可为分水器进气口压力、阳极入口压力或阴极入口压力，P_总out可为分水器出气口压力、阳极出口压力或阴极出口压力，m_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处水质量，m_水out为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处水质量，m_产水可为分水器冷凝水量、阳极最大极限水量或阴极最大极限水量，λ可为氢气计量比或空气计量比，m_气为气体质量，M_水为水分子量，M_气为氢气分子量，I为电堆电流，N为电堆片数，F为阿伏伽德罗常数，其中阳极气体为氢气，阴极气体为空气，分水器内气体为氢气。

作为上述方案的优选，步骤S3中，根据以下公式(2)计算得到进气口缩进段面积A₂及速度v₂：

式中，m_水in为分水器进气口处水质量，m_气为分水器内氢气质量，ρ_混合为分水器内混合密度，P_进气口为预设进气口流阻，P_水in为分水器进气口处饱和水分压，A₁为预先给定的进气口进口段截面积，A₂为进气口缩进段截面积，v₁为进气口进口段速度，v₂为进气口缩进段速度，R为摩尔气体常数，T_in为分水器进气口温度，ξ为与进出口管径有关的进口阻力系数。

作为上述方案的优选，步骤S4中，根据以下公式(3)计算得到挡板倾斜角度θ：

式中，P挡板为预设挡板处流阻。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

本发明详细阐述了分水器的设计原理，只需要拿到系统相关参数，按照此思路就可以进行分水器设计，本发明提供了一种分水器普试设计方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明分水器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例设计的分水器包括储水腔，储水腔侧壁设有进气口、顶端设有出气口、底端设有排水口，其中进气口采用缩进设计，储水腔内由下到上设有倾斜挡板和滤芯。

基于上述结构，本实施例一种燃料电池系统分水器设计方法，分水器设计内容包括：

S1、收集参数资料(如下表1所示)：分水器进出口温度及对应的饱和水分压、分水器内总压力，阳极进出温度及对应的饱和水分压、阳极总压力、阳极计量比，阴极进出温度及对应的饱和水分压、阴极总压力、阴极计量比，电堆电流、电堆片数。

表1燃料电池系统及分水器参数表

分水器内总压力	95kPa
		分水器进气口温度	75℃
分水器出气口温度	73℃
		75℃饱和水分压	38.5kPa
73℃饱和水分压	35.4kPa
		阳极入口总压力	140kPa
阳极出口总压力	100kPa
		阳极入口温度	65℃
阳极出口温度	75℃
		65℃饱和水分压	25.2kPa
阳极氢气计量比	1.4
		阴极入口总压力	120kPa
阴极出口总压力	80kPa
		阴极入口温度	65℃
阴极出口温度	75℃
		阴极氧气质量比	1.8
电堆片数	440
		电堆电流	600A
预设分水器进出口流阻	1kPa
		预设挡板处流阻	1kPa
预先给定的进气口进口段直径	18mm

S2、根据分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量之和设计储水腔容积下限；

在本实施例中，分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量均可基于质量守恒根据以下公式(1)中的m_产水计算得到。

式中，m代表质量，M代表分子量，in代表进口，out代表出口，P代表压力，I代表电流，N代表电堆片数，λ代表气体计量比；即根据计算目标不同，P_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处饱和水分压，P_水out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处饱和水分压，P_气in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处气体分压，P_气out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处气体分压，P_总in可为分水器进气口压力、阳极入口压力或阴极入口压力，P_总out可为分水器出气口压力、阳极出口压力或阴极出口压力，m_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处水质量，m_水out为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处水质量，m_产水可为分水器冷凝水量、阳极最大极限水量或阴极最大极限水量，λ可为氢气计量比或空气计量比，m_气为气体质量，M_水为水分子量，M_气为氢气分子量，I为电堆电流，N为电堆片数，F为阿伏伽德罗常数，其中阳极气体为氢气，阴极气体为空气，分水器内气体为氢气。

具体地说：

1)分水器冷凝水量计算：

m_{分水器冷凝量}＝m_{水in，分水器}-m_{水out，分水器}＝2.4-1.9＝0.5g/s

2)燃料电池系统电堆阳极最大极限水量计算：

m_{阳极最大极限水量}＝m_{电化学反应产水}+m_{水in，阳极}+m_{水in，阴极}-m_{水out，阳极}-m_{水out，阴极}＝24.62+4.02+12.2-2.33-24.63＝13.88g/s

3)分水器储水腔容积下限计算：

S3、根据预设进出口流阻、分水器内氢气质量、分水器内水量设计进气口缩进段直径，并计算进气口缩进段速度；

在本实施例中，根据以下公式(2)计算得到进气口缩进段面积A₂及速度v₂：

式中，m_水in为分水器进气口处水质量，m_气为分水器内氢气质量，ρ_混合为分水器内混合密度，P_进气口为预设进气口流阻，P_水in为分水器进气口处饱和水分压，A₁为预先给定的进气口进口段截面积，A₂为进气口缩进段截面积，v₁为进气口进口段速度，v₂为进气口缩进段速度，R为摩尔气体常数，T_in为分水器进气口温度，ξ为与进出口管径有关的进口阻力系数。

具体地：

根据以下表2中ξ与进出口(进口段与缩进段)管径关系，选定缩进段管径为16mm。

表2ξ与进出口管径关系表

入口(进口段)管径	出口(缩进段)管径	ξ
			18	16	0.38
18	14	0.48
			18	12	0.58
18	10	0.68

选定缩进段管径后，即可计算缩进段速度：

S4、根据预设挡板处流阻、分水器内混合密度、进气口缩进段速度设计挡板倾斜角度。

在本实施例中，根据以下公式(3)计算得到挡板倾斜角度θ：

式中，P挡板为预设挡板处流阻。

带入数值选取倾斜角度θ＝62°。

需要说明的是：出气口处设计变径增大流阻，对于单纯分水器来说没有意义，如果考虑集成引射器一体，可以设计出口变径(计算原理与进气口尺寸设计原理相同)，增大进入引射器流速，提升引射回流比，本实施例中选择出气口处进出口内径一致18mm，也可在此基础上设计出气口长度，还可以设计排水口内径、排水口长度、滤芯厚度等，在此不详述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统分水器设计方法，其特征在于：分水器包括储水腔，储水腔侧壁设有进气口、顶端设有出气口、底端设有排水口，其中进气口采用缩进设计，储水腔内由下到上设有倾斜挡板和滤芯；

分水器设计内容包括：

S1、收集参数资料：分水器进出口温度及对应的饱和水分压、分水器内总压力，阳极进出温度及对应的饱和水分压、阳极总压力、阳极计量比，阴极进出温度及对应的饱和水分压、阴极总压力、阴极计量比，电堆电流、电堆片数；

S2、根据分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量之和设计储水腔容积下限；

S3、根据预设进出口流阻、分水器内氢气质量、分水器内水量设计进气口缩进段直径，并计算进气口缩进段速度；

S4、根据预设挡板处流阻、分水器内混合密度、进气口缩进段速度设计挡板倾斜角度；

步骤S2中，分水器冷凝水量和燃料电池系统电堆阳极最大极限水量均可基于质量守恒根据以下公式(1)中的m_产水计算得到：

式中，m代表质量，M代表分子量，in代表进口，out代表出口，P代表压力，I代表电流，N代表电堆片数，λ代表气体计量比；即根据计算目标不同，P_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处饱和水分压，P_水out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处饱和水分压，P_气in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处气体分压，P_气out可为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处气体分压，P_总in可为分水器进气口压力、阳极入口压力或阴极入口压力，P_总out可为分水器出气口压力、阳极出口压力或阴极出口压力，m_水in可为分水器进气口、阳极入口或阴极入口处水质量，m_水out为分水器出气口、阳极出口或阴极出口处水质量，m_产水可为分水器冷凝水量、阳极最大极限水量或阴极最大极限水量，λ可为氢气计量比或空气计量比，m_气为气体质量，M_水为水分子量，M_气为氢气分子量，I为电堆电流，N为电堆片数，F为阿伏伽德罗常数，其中阳极气体为氢气，阴极气体为空气，分水器内气体为氢气；

步骤S3中，根据以下公式(2)计算得到进气口缩进段面积A₂及速度v₂：

式中，m_水in为分水器进气口处水质量，m_气为分水器内氢气质量，ρ_混合为分水器内混合密度，P_进气口为预设进气口流阻，P_水in为分水器进气口处饱和水分压，A₁为预先给定的进气口进口段截面积，A₂为进气口缩进段截面积，v₁为进气口进口段速度，v₂为进气口缩进段速度，R为摩尔气体常数，T_in为分水器进气口温度，ξ为与进出口管径有关的进口阻力系数。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统分水器设计方法，其特征在于：步骤S4中，根据以下公式(3)计算得到挡板倾斜角度θ：

式中，P挡板为预设挡板处流阻。

Images