CN212166781U - 用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置 - Google Patents

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崔鹏鹏
林志磊
王卫东
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Abstract

本实用新型公开了一种用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，包括上壳体和下壳体，上壳体顶部连接有进口和氢气出口；下壳体底壁中部连接有中间挡板，中间挡板左右分别间隔设有左挡板和右挡板，中间挡板、左挡板和右挡板围成折流通路；中间挡板底部设有透水孔，中间挡板左侧的下壳体上设有用于将积水排入环境的出水电磁阀。左挡板左侧壳体中上部安装有用于排出氮气的出气电磁阀。出水电磁阀处安装有电加热器。本实用新型集成度高，一套装置完成氢水分离、排水、排氮以及加热等多种功能，分离效果优于现有产品，且使用寿命较长，具有良好的推广应用价值。通过折流通道以及密布排列的锥状凸起结构，延缓流体速度，实现更优的氢水分离效果。

Description

用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置
技术领域
本实用新型涉及用于氢燃料电池汽车技术领域，尤其涉及一种氢气与液态水进行分离的装置。
背景技术
氢燃料电池汽车是利用汽车搭载的氢气与空气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车内的机械传动结构，进而带动汽车的前桥（或后桥）等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。
氢燃料电池汽车在行驶中只有纯净的水雾从尾排管路中排出，真正实现“零排放、无污染”，是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。
在燃料电池电堆运行过程中，为了提高氢气的利用率和满足氢气排放大气的标准要求，需要将剩余的氢气回收利用，通过氢气循环泵将反应剩余的氢气送入到阳极的氢气供给管路中。
研究表明，氢气适当增湿可显著提高质子交换膜燃料电池的性能及寿命，但阳极过量含水因为水过多会产生电堆“水淹”现象，堵塞流道，影响阴阳极的气体传输和分配，会导致电堆的性能及耐久性下降。因此为了保护电堆的使用性能，需要在电堆和氢气循环泵之间的添加氢气水分离装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种氢水分离效果好的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置。
为实现上述目的，本实用新型的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置包括上下相连的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体围成分离腔；
上壳体顶部向右连接有进口，上壳体顶部向左连接有氢气出口；进口用于通过管路与燃料电池电堆的阳极出口连接并使含有液态水的氢气进入分离腔中；
氢气出口用于通过管路与氢燃料电池汽车的氢气循环泵的进口相连接；
下壳体底壁于左右方向的中部位置向上连接有中间挡板，中间挡板左右两侧的上壳体顶壁分别向下连接有左挡板和右挡板，中间挡板、左挡板和右挡板围成折流通路；中间挡板右侧的分离腔下部形成第一水室，中间挡板左侧的分离腔下部形成第二水室；
中间挡板底部设有用于连通第一水室和第二水室的透水孔，中间挡板左侧的下壳体上设有出水电磁阀，出水电磁阀与第二水室的底部相连通；出水电磁阀用于将积水排入环境；出水电磁阀的连接线路用于通过车载电路连接车载ECU。
下壳体的右侧壁呈左低右高的斜面，用于形成第一水室。
右挡板和中间挡板上分别均匀分布多个用于吸附氢气中的水份的锥状凸起，锥状凸起的锥尖朝右设置。
所述上壳体和下壳体之间压接有环形密封垫并形成压接密封。
出水电磁阀处安装有电加热器，分离腔的左侧中部设有氮气浓度传感器，电加热器和氮气浓度传感器分别用于通过车载电路连接车载ECU。
左挡板左侧的分离腔的中上部安装有出气电磁阀，出气电磁阀连接中间挡板左侧的分离腔的中部与环境空气并用于排出氮气；出气电磁阀的连接线路用于通过车载电路连接车载ECU。
本实用新型具有如下的优点：
本实用新型集成度高，一套装置完成氢水分离、排水、排氮以及加热等多种功能，分离效果优于现有产品，且使用寿命较长，具有良好的推广应用价值。
本实用新型通过各挡板形成折流通道，氢水混合物在通过折流通道时，密度小的氢气自然在浮力的作用下浮于分离室顶部，密度大的水则在重力的作用下积存于分离室底部，通过折流式的通道以及密布排列的锥状凸起，大大增加了氢气和水形成的流体与分离室内的固定物接触的面积，延缓流体速度，实现更优的氢水分离效果。
下壳体的右侧壁呈左低右高的斜面，使得进入分离腔并在右挡板处分离出来的水能够沿斜面自然向下流至（第一水室的）中间挡板处，然后通过透水孔流入第二水室。
含水的氢气流在通过各锥状凸起时，流速得到更为显著的延缓，液滴更好地附着在锥状凸起上并沿锥状凸起和挡板向下流至分离腔底部，并在通过透水孔后进入第二水室。锥状凸起的设置，大大提高了氢气与水相分离的效率。
电加热器用于避免低温下出水电磁阀内结冰影响排水功能。氮气浓度传感器给车载ECU提供氮气浓度信号，作为车载ECU适时打开氮气浓度传感器排放氮气的依据。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是透水孔处本实用新型的剖视示意图；
图3是本实用新型的控制原理图；
图4是图2中的中间挡板的右视图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本实用新型的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置包括上下相连的上壳体1和下壳体2，上壳体1和下壳体2围成分离腔3；
上壳体1顶部向右连接有进口4，上壳体1顶部向左连接有氢气出口5；进口4用于通过管路与氢燃料电池汽车的燃料电池电堆的阳极出口连接并使含有液态水的氢气进入分离腔3中；
氢气出口5用于通过管路与氢燃料电池汽车的氢气循环泵的进口4相连接并将分离后的干燥氢气送入氢气循环泵。氢气循环泵可由引射器来替代，将引射器作为氢气循环泵来完成氢气循环的功能。将氢气循环泵替换为引射器为等同替换，同样落在本实用新型的保护范围之内。
下壳体2底壁于左右方向的中部位置向上连接有中间挡板6，中间挡板6左右两侧的上壳体1顶壁分别向下连接有左挡板7和右挡板8，中间挡板6、左挡板7和右挡板8围成折流通路9；中间挡板6右侧的分离腔3下部形成第一水室10，中间挡板6左侧的分离腔3下部形成第二水室11；
左挡板7的底端高于中间挡板6的上下中间位置，右挡板8的底端位于上壳体1和下壳体2的连接面所在平面上；中间挡板6的顶端与上壳体1的顶壁之间具有间隙。
中间挡板6底部设有用于连通第一水室10和第二水室11的透水孔12，中间挡板6左侧的下壳体2上设有出水电磁阀13，出水电磁阀13与第二水室11的底部相连通；出水电磁阀13用于将积水排入环境；图1中标号13A所示为出水电磁阀13的出口。
左挡板7左侧的分离腔3的中上部安装有出气电磁阀14，图1中标号14A所示为出气电磁阀14的出口。出气电磁阀14连接中间挡板6左侧的分离腔3的中部与环境空气并用于排出氮气；出气电磁阀14和出水电磁阀13的连接线路均用于通过车载电路连接氢燃料电池汽车的车载ECU。
本实用新型通过各挡板形成折流通道，氢水混合物在通过折流通道时，密度小的氢气自然在浮力的作用下浮于分离室顶部，密度大的水则在重力的作用下积存于分离室底部，通过折流式的通道以及密布排列的锥状凸起，大大增加了氢气和水形成的流体与分离室内的固定物接触的面积，延缓流体速度，实现更优的氢水分离效果。
下壳体2的右侧壁呈左低右高的斜面，用于形成第一水室，使得进入分离腔3并在右挡板8处分离出来的水能够沿斜面自然向下流至（第一水室10的）中间挡板6处，然后通过透水孔12流入第二水室11，便于积水排出。
右挡板8和中间挡板6上分别均匀分布多个用于吸附氢气中的水份的锥状凸起15，锥状凸起15的锥尖朝右设置，锥状凸起15的高度和直径均优选通过CAE仿真优化。
含水的氢气流在通过各锥状凸起15时，流速得到更为显著的延缓，液滴更好地附着在锥状凸起15上并沿锥状凸起15和挡板向下流至分离腔3底部，并在通过透水孔12后进入第二水室11。锥状凸起15的设置，大大提高了氢气与水相分离的效率。
所述上壳体1和下壳体2之间通过法兰结构19压接有环形密封垫16并形成压接密封。本实用新型并不限于密封圈单一密封的方式。出水电磁阀13处安装有电加热器17，分离腔3的左侧中部设有氮气浓度传感器18，电加热器17和氮气浓度传感器18分别用于通过车载电路连接车载ECU。电加热器17和氮气浓度传感器18均为本领域常规技术，图未示。
电加热器17用于避免低温下出水电磁阀13内结冰影响排水功能。氮气浓度传感器18给车载ECU提供氮气浓度信号，作为车载ECU适时打开氮气浓度传感器18排放氮气的依据。
本实用新型中，左挡板7、中间挡板6和右挡板8之间的间隙，以及锥状凸起15的长度、锥度、大小以及排列的密度等情况，优选均通过CAE仿真分析优化得出，从而提供最佳的氢水分离效果。
使用时，含有一定液态水的氢气从进口4进入后，含有液态水滴的氢气首先撞击在右挡板8的锥状凸起15上，部分气流中的小液滴在锥状凸起15处速度骤降凝结附着在锥状凸起15的表面上，汇聚成大液滴通过重力作用流向第一水室10和第二水室11。
与此同时，氢气由于密度比较小直接流向顶部，从而实现气液的预分离，未分离的气液进入到折流通路9中，通过中间挡板6及其上锥状凸起15的阻拦作用，进行二次分离。
分离后的液态水通过中间挡板6底部的透水孔12将液态水聚集到一起流向出水电磁阀13。再次分离后的气液，流向左挡板7，改变一下气流的速度，再流向本实用新型的氢气出口5然后进入氢气循环泵，从而实现将氢气中液态水分离出去。
本实用新型通过多次让氢水气流改变方向，可将进入分离腔3中的大部分液态水给分离出去。另外由于氢气的密度小，通过顶部出口的布置原理，还可使一些密度比较大的杂质气体（氮气等）通过自重力使其聚集在产品的中下部，便于通过出气电磁阀14排出到产品外部。
以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：包括上下相连的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体围成分离腔；
上壳体顶部向右连接有进口，上壳体顶部向左连接有氢气出口；进口用于通过管路与燃料电池电堆的阳极出口连接并使含有液态水的氢气进入分离腔中；
氢气出口用于通过管路与氢燃料电池汽车的氢气循环泵的进口相连接；
下壳体底壁于左右方向的中部位置向上连接有中间挡板，中间挡板左右两侧的上壳体顶壁分别向下连接有左挡板和右挡板，中间挡板、左挡板和右挡板围成折流通路；中间挡板右侧的分离腔下部形成第一水室，中间挡板左侧的分离腔下部形成第二水室；
中间挡板底部设有用于连通第一水室和第二水室的透水孔，中间挡板左侧的下壳体上设有出水电磁阀，出水电磁阀与第二水室的底部相连通；出水电磁阀用于将积水排入环境；出水电磁阀的连接线路用于通过车载电路连接车载ECU。
2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：下壳体的右侧壁呈左低右高的斜面，用于形成第一水室。
3.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：右挡板和中间挡板上分别均匀分布多个用于吸附氢气中的水份的锥状凸起，锥状凸起的锥尖朝右设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：所述上壳体和下壳体之间压接有环形密封垫并形成压接密封。
5.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：出水电磁阀处安装有电加热器，分离腔的左侧中部设有氮气浓度传感器，电加热器和氮气浓度传感器分别用于通过车载电路连接车载ECU。
6.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池汽车的氢气水分离装置，其特征在于：左挡板左侧的分离腔的中上部安装有出气电磁阀，出气电磁阀连接中间挡板左侧的分离腔的中部与环境空气并用于排出氮气；出气电磁阀的连接线路用于通过车载电路连接车载ECU。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114471048A (zh) * 2022-03-07 2022-05-13 江苏三仪动物营养科技有限公司 一种鸭饲料生产中的环保废气处理装置及处理方法
CN115962136A (zh) * 2022-12-08 2023-04-14 江苏申氢宸科技有限公司 一种燃料电池高效微型氢气循环泵

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