CN116207299A - 一种气液分离器、燃料电池系统、控制方法以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种气液分离器、燃料电池系统、控制方法以及车辆；所述气液分离器包括机体、热源和冷源，所述机体内具有空腔，所述机体上开设有与空腔连通的第一排水口；所述热源和冷源设置在机体的侧壁上，热源位于冷源的下方；所述热源所在高度小于等于第一排水口；本发明通过热源和冷源进行加热或者制冷，以实现对回流水蒸气含量多少的控制；进入第一排水口、排水阀时，为了防止发生结冰堵塞，开启热源，热源与第一排水口位于同一水平面上或低于第一排水口设置，使等高位置区域的结冰区进行加热，以融化冰，使得系统排水顺畅；该布置中，排水阀位于高点，能够避免排水阀内部积水结冰，以此保护排水阀结构。

Description

一种气液分离器、燃料电池系统、控制方法以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种气液分离器、燃料电池系统、控制方法以及车辆。
背景技术
燃料电池中的电化学反应离不开水，通常氢气侧增湿通过氢回流系统实现，即电堆氢气侧出堆的气液混合物(包括未消耗的氢气、水蒸气、液态水以及少量氮气等)，先经过气液分离器将混合物中的气、液进行分离，分离后的氢气、水蒸气等与来自氢瓶的新鲜氢气重新混合后，实现入堆增湿效果，重新供给电堆反应消耗。分离出的液态水在气液分离器内部储液腔储存，通过排水阀间断的启闭将水排出。
由于出堆后的高温气体在与新鲜氢气混合之前，通常会向环境散热，由于没有热源，导致水蒸气因温度降低发生冷凝，析出液态水，使得回流气体的实际水蒸气含量降低，入堆水含量降低，且无法进行控制。
在冷态环境中，由于氢气回流路含有液态水，尤其是气液分离器内部的储液腔、排水阀位置存在于液态水环境，如若结冰，会导致分离器内液态水无法排出而大量进入电堆，堵塞气体反应通道，造成电堆工作异常。此外，排水阀内部结冰融冰过程，会对阀片结构造成损坏，增加维修成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种燃料电池阳极(氢气侧)温湿度控制方案，解决回流气体中水蒸气含量多少控制、防止排水阀结冰的气液分离器、燃料电池系统、控制方法以及车辆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种气液分离器，包括机体、热源和冷源，所述机体内具有空腔，所述机体上开设有与空腔连通的第一排水口；
所述热源和冷源设置在机体的侧壁上，所述机体垂直方向上热源位于冷源的下方；
所述热源与第一排水口位于同一水平面上或低于第一排水口设置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
一种燃料电池系统，包括上述的气液分离器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三种技术方案为：
一种上述的燃料电池系统的控制方法，包括
降低回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器内，控制器控制冷源开启，实现回流水蒸气的含量降低；
增加回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器内，控制器控制热源开启，实现回流水蒸气的含量增加；
防止排水阀结冰：冷态环境中，当气液分离器液位过高，淹没结冰区，进入第一排水口、第一排水阀时，控制器开启热源，对第一排水口、结冰区进行加热。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第四种技术方案为：
一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
本发明的有益效果在于：通过热源和冷源进行加热或者制冷，以实现对回流水蒸气含量多少的控制；并且通过设置结冰区，以保护排水阀内部不积水结冰；进入第一排水口、排水阀时，为了防止发生结冰堵塞，开启热源，热源与第一排水口位于同一水平面上或低于第一排水口设置，使等高位置区域的结冰区进行加热，以融化冰，使得系统排水顺畅；该布置中，排水阀位于高点，能够避免排水阀内部积水结冰，以此保护排水阀结构，提高可靠性，减少维修成本。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种气液分离器的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的一种燃料电池系统的结构示意图；
标号说明：1、氢瓶；2、减压阀；3、氢喷；4、引射器；5、电堆；6、气液分离器；6a、空腔；6b、第一排水口；6c、冷源；6d、热源；6e、第二排水口；7、第一排水阀；8、第二排水阀；9、控制器；A、结冰区。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1以及图2，一种气液分离器6，包括机体、热源6d和冷源6c，所述机体内具有空腔6a，所述机体上开设有与空腔6a连通的第一排水口6b；
所述热源6d和冷源6c设置在机体的侧壁上，所述机体垂直方向上热源6d位于冷源6c的下方；
所述热源6d与第一排水口6b位于同一水平面上或低于第一排水口6b设置。
从上述描述可知，通过热源6d和冷源6c进行加热或者制冷，以实现对回流水蒸气含量多少的控制；并且通过设置结冰区A，以保护排水阀内部不积水结冰；进入第一排水口6b、排水阀时，为了防止发生结冰堵塞，开启热源6d，热源6d与第一排水口6b位于同一水平面上或低于第一排水口6b设置，使等高位置区域的结冰区A进行加热，以融化冰，使得系统排水顺畅；该布置中，排水阀位于高点，能够避免排水阀内部积水结冰，以此保护排水阀结构，提高可靠性，减少维修成本。
进一步的，所述第一排水口6b与空腔6a相通的最低处至空腔6a底部之间的空间为结冰区A，所述结冰区A底部设置有第二排水口6e。
从上述描述可知，通过结冰区A的设置，冷态环境中(温度低于0℃)，为了避免液态水累积于第一排水出口后端的排水阀中发生结冰，故而设置结冰区A，使其位于空腔6a最底位置，由于重力作用，液态水优先累积在结冰区A，发生结冰现象；当结冰区A液位低于第一排水口6b时，结冰将不影响系统排水性能。
进一步的，，所述空腔6a为漏斗形。
从上述描述可知，通过漏斗形的空腔6a，能够方便液态水聚集，避免分布过大，冷态环境中造成参数异常。
一种燃料电池系统，包括上述的气液分离器6。
进一步的，包括氢气源、减压阀2、氢喷3、引射器4、电堆5、第一排水阀7、第二排水阀8以及控制器9，所述电堆5包括阳极入口和阳极出口，所述氢气源、减压阀2、氢喷3、引射器4、阳极入口依次连接；所述阳极出口与气液分离器6连接，所述第一排水口6b分别与第一排水阀7、引射器4连通；所述第二排水口6e与第二排水阀8连通；
所述控制器9控制氢喷3、电堆5、冷源6c、热源6d、第一排水阀7、第二排水阀8的工作。
进一步的，所述引射器4替换为循环泵。
进一步的，所述氢喷3替换为比例阀。
一种上述的燃料电池系统的控制方法，包括
降低回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器6内，控制器9控制冷源6c开启，实现回流水蒸气的含量降低；
增加回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器6内，控制器9控制热源6d开启，实现回流水蒸气的含量增加；
防止排水阀结冰：冷态环境中，当气液分离器6液位过高，淹没结冰区A，进入第一排水口6b、第一排水阀7时，控制器9开启热源6d，对第一排水口6b、结冰区A进行加热。
进一步的，所述燃料电池系统工作运行状态，控制器9控制第一排水阀7间歇启闭进行排水；
系统关机后，控制器9控制第二排水阀8开启，将结冰区A中积累的液态水排干净。
一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
实施例一
一种气液分离器，包括机体、热源和冷源，所述机体内具有空腔，所述机体上开设有与空腔连通的第一排水口；
所述热源和冷源设置在机体的侧壁上，所述机体垂直方向上热源位于冷源的下方；
所述热源与第一排水口位于同一水平面上或低于第一排水口设置。
所述第一排水口与空腔相通的最低处至空腔底部之间的空间为结冰区，所述结冰区底部设置有第二排水口。
所述空腔为漏斗形。
实施例二
一种燃料电池系统，包括实施例一所述的气液分离器。
包括氢气源、减压阀、氢喷、引射器、电堆、第一排水阀、第二排水阀以及控制器，所述电堆包括阳极入口和阳极出口，所述氢气源、减压阀、氢喷、引射器、阳极入口依次连接；所述阳极出口与气液分离器连接，所述第一排水口分别与第一排水阀、引射器连通；所述第二排水口与第二排水阀连通；
所述控制器控制氢喷、电堆、冷源、热源、第一排水阀、第二排水阀的工作。
实施例三
一种燃料电池系统，与实施例二相同之处不再赘述，其中所述引射器替换为循环泵。
实施例四
一种燃料电池系统，与实施例二相同之处不再赘述，其中所述氢喷替换为比例阀。
实施例五
一种实施例二至五任意所述的燃料电池系统的控制方法，包括
降低回流水蒸气含量：冷源6c工作时，出堆的高温气液混合物进入气液分离器内部时，由于热量传导以及对流作用，使得冷源6c周围壁面及空腔环境温度降低，因此，流经该低温空间的气液混合物中的水蒸气冷凝析出，实现回流水蒸气的含量降低。
增加回流水蒸气含量：热源6d工作时，出堆的高温气液混合物进入气液分离器内部时，由于热量传导以及对流作用，使得热源6d周围壁面及空腔环境温度升高，因此，流经该高温空间的液态水蒸发为水蒸气，实现回流水蒸气的含量增加。
防止排水阀结冰：冷态环境中(温度低于0℃)，为了避免液态水累积于排水出口后端的排水阀中发生结冰，故而设置结冰区A，使其位于6a空腔最底位置，由于重力作用，液态水优先累积在结冰区A，发生结冰现象。当结冰区A液位低于排水口时，结冰将不影响系统排水性能；当液位过高，淹没结冰区A，进入第一排水口6b、第一排水阀7时，为了防止发生结冰堵塞，开启热源6d，对接近第一排水口结冰区A结冰区进行加热，以融化冰，使得系统排水顺畅。该布置中，第一排水阀位于高点，能够避免第一排水阀内部积水结冰，以此保护第一排水阀结构，提高可靠性，减少维修成本。
该方案，通过控制器9输出命令6c、6d进行加热或者制冷，以实现对回流水蒸气含量多少的控制；并且通过设置结冰区A，以保护第一排水阀内部不积水结冰。该方案与气液分离器集成，结构简单。
气液分离器6设置第一排水口6b、第二排水口6e分别与第一、第二排水阀7、8相连。系统工作运行状态，通过控制器9控制第一排水阀7间歇启闭进行排水。系统关机后，通过控制器9控制第二排水阀8开启，将保护区A中积累的液态水排干净。
实施例六
一种车辆，包括实施例二至五任意一项所述的燃料电池系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种气液分离器，其特征在于，包括机体、热源和冷源，所述机体内具有空腔，所述机体上开设有与空腔连通的第一排水口；
所述热源和冷源设置在机体的侧壁上，所述机体垂直方向上热源位于冷源的下方；
所述热源与第一排水口位于同一水平面上或低于第一排水口设置。
2.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，所述第一排水口与空腔相通的最低处至空腔底部之间的空间为结冰区，所述结冰区底部设置有第二排水口。
3.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，所述空腔为漏斗形。
4.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-3任意一项所述的气液分离器。
5.根据权利要求4所述的权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括氢气源、减压阀、氢喷、引射器、电堆、第一排水阀、第二排水阀以及控制器，所述电堆包括阳极入口和阳极出口，所述氢气源、减压阀、氢喷、引射器、阳极入口依次连接；所述阳极出口与气液分离器连接，所述第一排水口分别与第一排水阀、引射器连通；所述第二排水口与第二排水阀连通；
所述控制器控制氢喷、电堆、冷源、热源、第一排水阀、第二排水阀的工作。
6.根据权利要求5所述的权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述引射器替换为循环泵。
7.根据权利要求5所述的权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢喷替换为比例阀。
8.一种权利要求4-7任意一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括
降低回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器内，控制器控制冷源开启，实现回流水蒸气的含量降低；
增加回流水蒸气含量：燃料电池出堆的高温气液混合物进入气液分离器内，控制器控制热源开启，实现回流水蒸气的含量增加；
防止排水阀结冰：冷态环境中，当气液分离器液位过高，淹没结冰区，进入第一排水口、第一排水阀时，控制器开启热源，对第一排水口、结冰区进行加热。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统工作运行状态，控制器控制第一排水阀间歇启闭进行排水；
系统关机后，控制器控制第二排水阀开启，将结冰区中积累的液态水排干净。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求4-7任意一项所述的燃料电池系统。
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