CN116454321B - 燃料电池阳极排水装置和燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池阳极排水装置和燃料电池系统，燃料电池阳极排水装置包括气液分离件、储水件和控制组件，气液分离件具有冷却腔，气液分离件还具有与冷却腔连通的混合气进孔、气体回流出孔和出水孔；储水件与气液分离件相连，储水件具有与出水孔连通的储水腔，储水件还具有与储水腔连通的排水孔；控制组件安装于储水件并用于控制出水孔和排水孔的通断，其中，排水孔打开时，出水孔关闭，排水孔关闭时，出水孔打开。本发明提供的燃料电池阳极排水装置具有实现阳极排水的同时，阳极瞬态压力波动小、氢气利用率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池阳极排水装置和燃料电池系统。
背景技术
氢燃料电池系统是将氢气与氧化剂直接转化为电能的发电系统，而氢燃料电池在电化学反应时会生成水，一部分生成的水会通过微孔层和扩散层进入阴极流道，通过空气出口排出，还有一部分水会渗透到膜的阳极一侧。为防止电堆零部件内的液态水阻碍反应气体的扩散，阳极侧一般都设计汽水分离器进行脉冲排水。相关技术中，氢燃料电池系统阳极采用汽水分离后直接排水，导致阳极存在瞬态的压力波动剧烈，长期运行影响燃料电池系统的耐久性，同时直排的瞬间也将部分氢气也外排，使得系统的氢气利用率相对较低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种燃料电池阳极排水装置，该燃料电池阳极排水装置具有实现阳极排水的同时，阳极瞬态压力波动小、氢气利用率高的优点。
本发明的实施例还提出一种燃料电池系统。
根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置包括气液分离件、储水件和控制组件，所述气液分离件具有冷却腔，所述气液分离件还具有与所述冷却腔连通的混合气进孔、气体回流出孔和出水孔；所述储水件与所述气液分离件相连，所述储水件具有与所述出水孔连通的储水腔，所述储水件还具有与所述储水腔连通的排水孔；所述控制组件安装于所述储水件并用于控制所述出水孔和所述排水孔的通断，其中，所述排水孔打开时，所述出水孔关闭，所述排水孔关闭时，所述出水孔打开。
根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置，控制组件首先控制出水孔打开，排水孔关闭，此时，由混合气进孔进入冷却腔的混合气进行冷却后得到的冷凝水由出水孔进入储水腔，与冷凝水分离的气体由气体回流出孔进入回流管道进行回流循环。在储水腔内的冷凝水积存至设定容量时，控制组件控制出水孔关闭，排水孔打开，储水腔内冷凝水由排水孔排出，其中，由于出水孔关闭，冷却腔和储水腔被分隔开，因此在排水过程中，冷却腔内压力基本不会受到影响，内部氢气也不会随着冷凝水一起排出，由此在实现阳极排水的同时，阳极瞬态压力波动小、氢气利用率高。
在一些实施例中，所述控制组件包括芯体和弹性件，所述芯体与所述储水件可滑动地相连并具有第一临界位置和第二临界位置，在所述第一临界位置，所述芯体封堵所述排水孔并打开所述出水孔，在所述第二临界位置，所述芯体封堵所述出水孔并打开所述排水孔；所述弹性件连接所述芯体和所述储水件，所述弹性件朝所述第一临界位置压迫所述芯体。
在一些实施例中，所述控制组件还包括驱动装置，所述驱动装置安装于所述储水件并与所述芯体传动相连。
在一些实施例中，所述驱动装置包括电磁阀，所述电磁阀安装于所述储水件外并邻近所述排水孔，所述芯体的一端同轴连接有动铁芯，所述电磁阀包括与所述动铁芯同轴设置的定铁芯，所述定铁芯适于朝所述第二临界位置吸合所述动铁芯。
在一些实施例中，所述芯体包括依次相连的第一限位凸缘、柱体和第二限位凸缘，所述第一限位凸缘位于所述冷却腔内，所述柱体可滑动地配合在所述出水孔和所述排水孔内，所述柱体的直径小于所述出水孔的直径和所述排水孔的支架，所述第二限位凸缘位于所述排水孔远离所述储水腔的一侧，其中，
在所述第一临界位置，所述第一限位凸缘与所述出水孔间隔开，所述第二限位凸缘封堵所述排水孔，在所述第二临界位置，所述第一限位凸缘封堵所述出水孔，所述第二限位凸缘与所述排水孔间隔开。
在一些实施例中，所述气液分离件还具有与所述冷却腔分隔开并可换热的换热腔，所述气液分离件还具有与所述换热腔连通的氢气进孔和氢气出孔。
在一些实施例中，所述气液分离件包括换热板和冷凝件，所述换热板将所述冷却腔和所述换热腔分隔开，所述冷凝件与所述换热板相连并安装于所述冷却腔内。
在一些实施例中，所述冷凝件包括至少两个针型冷凝板，至少两个所述针型冷凝板沿所述冷却腔内的气体流动方向排列。
在一些实施例中，所述气液分离件还包括换热翅片，所述换热翅片与所述换热板相连并位于所述换热腔内。
根据本发明实施例的燃料电池系统包括如上述任一实施例所述的燃料电池阳极排水装置。
根据本发明实施例的燃料电池系统的技术优势与上述实施例的燃料电池阳极排水装置的技术优势相同，此处不再赘述。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置的示意图。
图2是根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置中气液分离件的局部示意图。
图3是根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置的工艺流程图。
附图标记：
1、气液分离件；11、冷却腔；111、混合气进孔；112、气体回流出孔；113、出水孔；12、换热腔；121、氢气出孔；122、氢气进孔；13、换热板；14、针型冷凝板；15、换热翅片；2、储水件；21、储水腔；211、排水孔；3、芯体；31、柱体；32、第一限位凸缘；33、第二限位凸缘；4、弹性件；5、电磁阀；6、动铁芯；7、调节件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1-图3描述根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置。
根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置包括气液分离件1、储水件2和控制组件。气液分离件1具有冷却腔11，气液分离件1还具有与冷却腔11连通的混合气进孔111、气体回流出孔112和出水孔113。储水件2与气液分离件1相连，储水件2具有与出水孔113连通的储水腔21，储水件2还具有与储水腔21连通的排水孔211。控制组件安装于储水件2并用于控制出水孔113和排水孔211的通断，其中，排水孔211打开时，出水孔113关闭，排水孔211关闭时，出水孔113打开。
根据本发明实施例的燃料电池阳极排水装置，控制组件首先控制出水孔113打开，排水孔211关闭，此时，由混合气进孔111进入冷却腔11的混合气进行冷却后得到的冷凝水由出水孔113进入储水腔21，与冷凝水分离的气体由气体回流出孔112进入回流管道进行回流循环。在储水腔21内的冷凝水积存至设定容量时，控制组件控制出水孔113关闭，排水孔211打开，储水腔21内冷凝水由排水孔211排出，其中，由于出水孔113关闭，冷却腔11和储水腔21被分隔开，因此在排水过程中，冷却腔11内压力基本不会受到影响，内部氢气也不会随着冷凝水一起排出，由此在实现阳极排水的同时，阳极瞬态压力波动小、氢气利用率高。
需要说明地，冷却腔11大体沿水平方向延伸，混合气进孔111和气体回流出孔112分设于气液分离件1的长度方向的两端，出水孔113设置于气液分离件1的最低位置并邻近气体回流进孔112。
在一些实施例中，如图1所示，控制组件包括芯体3和弹性件4，芯体3与储水件2可滑动地相连并具有第一临界位置和第二临界位置。在第一临界位置，芯体3封堵排水孔211并打开出水孔113，在第二临界位置，芯体3封堵出水孔113并打开排水孔211。弹性件4连接芯体3和储水件2，弹性件4朝第一临界位置压迫芯体3。
即在不受外力作用下，芯体3在弹性件4的作用下停留在第一临界位置，以保持出水孔113的打开和排水孔211的封闭，此时，冷却腔11内形成的冷凝水可由出水孔113流入储水腔21内，待储水腔21内的冷凝水达到设定容量时，驱动芯体3移动至第二临界位置以打开排水孔211和封闭出水孔113，进而断开冷却腔11和储水腔21的连通，储水腔21内冷凝水由排水孔211排出时不会造成冷却腔11内的压力波动，有效保证燃料电池系统的耐久性，同时也有效避免冷却腔11内氢气外排，系统的氢气利用率更高。
在一些实施例中，芯体3包括依次相连的第一限位凸缘32、柱体31和第二限位凸缘33，第一限位凸缘32位于冷却腔11内，柱体31可滑动地配合在出水孔113和排水孔211内，柱体31的直径小于出水孔113的直径和排水孔211的支架，第二限位凸缘33位于排水孔211远离储水腔21的一侧。
其中，在第一临界位置，第一限位凸缘32与出水孔113间隔开，第二限位凸缘33封堵排水孔211，在第二临界位置，第一限位凸缘32封堵出水孔113，第二限位凸缘33与排水孔2111间隔开。
具体地，储水件2还具有位于储水腔21下方的驱动腔室以及连通驱动腔室和外界的排水口，驱动腔室通过排水孔211与储水腔21连通。出水孔113位于排水孔211的上方，柱体上端穿过出水孔113，第一限位凸缘32位于冷却腔11内，第一限位凸缘32与冷却腔11的设有出水孔113的面抵接时，即实现对出水孔113的封堵。柱体31下端穿过排水孔211，第二限位凸缘33位于驱动腔室内，第二限位凸缘33与驱动腔室设有排水孔211的面抵接时，即实现对排水孔211的封堵。第一限位凸缘与冷却腔11的设有出水孔113的面间隔开时，出水孔113处于打开状态，第二限位凸缘33与驱动腔室的设有排水孔211的面间隔开时，排水孔211处于打开状态。弹性件4可以为弹簧，弹簧可以位于驱动腔室内，弹簧的上端与第二限位凸缘33相连，下端与驱动腔室的底面相连。
需要说明地，第一限位凸缘32朝向第二限位凸缘33的一侧设有第一密封圈，第二限位凸缘33朝向第一限位凸缘32的一侧设有第二密封圈，第一限位凸缘32适于通过第一密封圈与冷却腔11的设有出水孔113的面抵接，以实现对出水孔113的可靠封堵，第二限位凸缘33通过第二密封圈与驱动腔室设有排水孔211的面抵接，以实现对排水孔211的可靠封堵。
在一些实施例中，控制组件还包括驱动装置，驱动装置安装于储水件2并与芯体3传动相连。
驱动装置自动控制芯体3在第一临界位置和第二临界位置之间的切换，由此燃料电池的阳极排水自动化程度高，排水可靠性高。
具体地，驱动装置可每隔设定时间启动一定时间，即定期将芯体3移动至第二临界位置一定时间进行排水，随后驱动装置断电以使芯体3复位至第一临界位置，由此实现阳极脉冲排水。
在一些实施例中，如图1所示，驱动装置包括电磁阀5，电磁阀5安装于储水件2外并邻近排水孔211，芯体3的一端同轴连接有动铁芯6，电磁阀5包括与动铁芯6同轴设置的定铁芯，定铁芯适于朝第二临界位置吸合动铁芯6。
在需要排水时，只需启动电磁阀5，电磁阀5的定铁芯即给予动铁芯6朝下移动的吸力，使得与动铁芯6相连的芯体3快速移动至第二临界位置，以实现排水孔211的打开和出水孔113的封闭，芯体3的移动简单可靠。
具体地，电池阀5的定铁芯固定安装于储水件2，动铁芯6位于驱动腔室内并与芯体3的第二限位凸缘33相连，弹簧的第一端通过动铁芯6与第二限位凸缘33相连，弹簧的第二端与电磁阀5的定铁芯相连。
需要说明地，芯体3可以和动铁芯52一体成型。电磁阀5的外侧设有调节件7，调节件7可与电磁阀5的定铁芯螺纹相连并与弹簧的第二端相连，调节件7相对定铁芯旋动以实现对弹簧弹性力的调节。
在一些实施例中，如图2和图3所示，气液分离件1还具有与冷却腔11分隔开并可换热的换热腔12，气液分离件1还具有与换热腔12连通的氢气出孔121和氢气进孔122。
氢气从氢气气源经过一级减压来到二级减压，随后由氢气进孔122进入换热腔12与冷却腔11内气体换热，完成换热后，氢气由氢气出孔121排出并与回流氢气混合，最终进入氢燃料电池系统阳极侧进行电化学反应。其中，氢气经过换热腔12后温度升高，有利于后续电化学反应，进而有效提高氢燃料电池系统效率。同时，采用氢气对混合气进行降温以实现其中水汽的冷凝，无需再加装其余冷凝装置，燃料电池阳极排水装置的结构更加简单，且更加节能。
需要说明地，如图1和图2所示，氢气进孔122邻近排水孔211设置，氢气出孔121邻近混合气进孔111设置，此时，由氢气进孔122进入换热腔12内的氢气首先对冷却腔11中邻近排水孔211的混合气进行冷却，以确保混合气在排水孔211处快速冷却成冷凝水并由排水孔211直接进入储水腔21内。
在一些实施例中，如图1所示，气液分离件1包括换热板13和冷凝件，换热板13将冷却腔11和换热腔12分隔开，冷凝件与换热板13相连并安装于冷却腔11内。
即换热腔12内氢气通过换热板13和冷凝件与冷却腔11内的混合气实现换热，其中冷凝件的设置有效提高了冷却腔11内混合气的换热面积，混合气在冷却腔11内的气液分离效果更好。
在一些实施例中，冷凝件包括至少两个针型冷凝板14，至少两个针型冷凝板14沿冷却腔11内的气体流动方向排列。
针型冷凝板14包括平板和多个针型换热柱，平板与换热板13相连，多个针型换热柱设置于平板朝向混合气进孔111的一侧。混合气由混合气进孔111进入冷却腔11后在平板的导向下与多个针型换热柱充分换热接触，其中水汽在针型换热柱上冷凝成冷凝水后易脱离针型换热柱，以便于冷凝水汇聚在冷却腔11的底部并由出水孔113流至储水腔21内。
具体地，如图1所示，针型冷凝板14有四个，其中三个针型冷凝板14沿冷却腔11内气体流动方向间隔排列。邻近混合气进孔111的两个针型冷凝板14中的平板均为竖板并与冷却腔11的底面间隔开。邻近气体回流出孔112的两个针型冷凝板14沿高度方向间隔排列且其中的平板倾斜设置，其中，邻近气体回流出孔112且位于上方的针型冷凝板14中平板的高度朝靠近气体回流出孔112的方向逐渐升高，该平板起到导向的作用，便于混合气由气体回流出孔112快速排出冷却腔11。同时，邻近气体回流出孔112且位于下方的针型冷凝板14中平板的高度朝靠近气体回流出孔112的方向逐渐降低，该平板起到导向作用，便于将冷凝水导流至出水孔113。
在一些实施例中，如图2所示，气液分离件1还包括换热翅片15，换热翅片15与换热板13相连并位于换热腔12内。
换热翅片15进一步提高氢气在换热腔12内的换热面积，由此进一步提高了氢气与混合气之间的换热效率，燃料电池阳极排水装置的排水可靠性更高，也更有利于氢气在氢燃料电池系统的阳极侧的电化学反应。
根据本发明实施例的燃料电池系统包括如上述任一实施例的燃料电池阳极排水装置。
根据本发明实施例的燃料电池系统的技术优势与上述实施例的燃料电池阳极排水装置的技术优势相同，此处不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据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 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种燃料电池阳极排水装置，其特征在于，包括：
气液分离件，所述气液分离件具有冷却腔，所述气液分离件还具有与所述冷却腔连通的混合气进孔、气体回流出孔和出水孔，所述气液分离件还具有与所述冷却腔分隔开并可换热的换热腔、所述换热腔连通的氢气进孔和氢气出孔，所述气液分离件包括换热板和冷凝件，所述换热板将所述冷却腔和所述换热腔分隔开，所述冷凝件与所述换热板相连并安装于所述冷却腔内，氢气从氢气气源经过一级减压、二级减压，随后由所述氢气进孔进入所述换热腔与所述冷却腔内气体换热，完成换热后，氢气由所述氢气出孔排出并与回流氢气混合；
储水件，所述储水件与所述气液分离件相连，所述储水件具有与所述出水孔连通的储水腔，所述储水件还具有与所述储水腔连通的排水孔；和
控制组件，所述控制组件安装于所述储水件并用于控制所述出水孔和所述排水孔的通断，其中，所述排水孔打开时，所述出水孔关闭，所述排水孔关闭时，所述出水孔打开；
所述控制组件包括：
芯体，所述芯体与所述储水件可滑动地相连并具有第一临界位置和第二临界位置，在所述第一临界位置，所述芯体封堵所述排水孔并打开所述出水孔，在所述第二临界位置，所述芯体封堵所述出水孔并打开所述排水孔；
弹性件，所述弹性件连接所述芯体和所述储水件，所述弹性件朝所述第一临界位置压迫所述芯体；和
驱动装置，所述驱动装置安装于所述储水件并与所述芯体传动相连，所述驱动装置每隔设定时间启动一定时间，定期将所述芯体移动至所述第二临界位置一定时间进行排水，随后所述驱动装置断电以使所述芯体复位至所述第一临界位置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池阳极排水装置，其特征在于，所述驱动装置包括电磁阀，所述电磁阀安装于所述储水件外并邻近所述排水孔，所述芯体的一端同轴连接有动铁芯，所述电磁阀包括与所述动铁芯同轴设置的定铁芯，所述定铁芯适于朝所述第二临界位置吸合所述动铁芯。
3.根据权利要求1所述的燃料电池阳极排水装置，其特征在于，所述芯体包括依次相连的第一限位凸缘、柱体和第二限位凸缘，所述第一限位凸缘位于所述冷却腔内，所述柱体可滑动地配合在所述出水孔和所述排水孔内，所述柱体的直径小于所述出水孔的直径和所述排水孔的支架，所述第二限位凸缘位于所述排水孔远离所述储水腔的一侧，其中，
在所述第一临界位置，所述第一限位凸缘与所述出水孔间隔开，所述第二限位凸缘封堵所述排水孔，在所述第二临界位置，所述第一限位凸缘封堵所述出水孔，所述第二限位凸缘与所述排水孔间隔开。
4.根据权利要求1所述的燃料电池阳极排水装置，其特征在于，所述气液分离件包括换热板和冷凝件，所述换热板将所述冷却腔和所述换热腔分隔开，所述冷凝件与所述换热板相连并安装于所述冷却腔内。
5.根据权利要求4所述的燃料电池阳极排水装置，其特征在于，所述冷凝件包括至少两个针型冷凝板，至少两个所述针型冷凝板沿所述冷却腔内的气体流动方向排列。
6.根据权利要求4所述的燃料电池阳极排水装置，其特征在于，所述气液分离件还包括换热翅片，所述换热翅片与所述换热板相连并位于所述换热腔内。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的燃料电池阳极排水装置。
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