CN212283209U - 一种氢燃料电池用气液分离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气液分离器技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池用气液分离器。包括上筒体203和下筒体204，其中，上筒体203上设置有出口管接头201和入口管215；下筒体204的底部设置有排水管228；所述气液分离器中还包括：所述上筒体203和下筒体204之间还设置有漏液层207；所述下筒体204的底部还设置有液位传感器205，其中，所述液位传感器205的信号输出端与控制排水管228导通/阻塞的排液电磁阀42相关联，用于触发所述排液电磁阀42完成导通或者阻塞。本实用新型实现了气液分离器的排液精确控制，提升氢气利用率，延长电磁阀使用寿命；提升气液分离器的环境适应性。

Description

一种氢燃料电池用气液分离器

技术领域

本实用新型涉及气液分离器技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池用气液分离器。

背景技术

燃料电池动力系统中氢气侧一般采用闭式系统，即氢气出口是封闭的，只会间隔的向外界排放少量尾气，上游供气系统在燃料电池电堆中氢气被电化学反应消耗后会及时补充氢气以确保氢气侧压力的稳定。为了改善燃料电池电堆的阳极侧水管理效果，往往会设置氢气循环泵或者引射器来对阳极侧氢气进行循环。燃料电池反应生成的水在阴极侧产生，由于浓度差的原因会渗透到阳极侧。反应过程生成的水一部分会以气态形式存在，当反应气体处于饱和状态后，一部分反应生成水会以液态形式存在。当氢气被循环至电堆入口时，如果存在过多的液态水，严重时会引起阳极水淹，影响电堆性能。另外，对于引射器、氢气循环泵，过多的液态水也会影响它们正常工作。因此，需要在氢气循环系统中加入氢气气液分离器。

氢燃料电池用氢气汽液分离器需要兼顾分离效率、流动阻力、适用流量范围大、材质兼容性等因素，离心式和挡板式气液分离器最能兼顾上述诉求。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服现有技术中气液分离器无法做到精确排水，只能通过时间间隔，定期排液，很容易将氢气也排出系统，降低氢气利用率，影响氢气利用率；多排除的氢气也会造成系统危气浓度过高，影响运行安全性；频繁的开关排液阀，还会减少电磁阀的寿命，影响可靠性的问题。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供了一种氢燃料电池用气液分离器，包括上筒体203和下筒体204，其中，上筒体203上设置有出口管接头201和入口管215；下筒体204 的底部设置有排水管228；所述气液分离器中还包括：

所述上筒体203和下筒体204之间还设置有漏液层207；

所述下筒体204的底部还设置有液位传感器205，其中，所述液位传感器 205的信号输出端与控制排水管228导通/阻塞的排液电磁阀42相关联，用于触发所述排液电磁阀42完成导通或者阻塞。

优选的，所述液位传感器205包括导杆226和浮子227；

其中，所述导杆226固定在下筒体204的底部，导杆226内部设置有干簧管229，导杆226与下筒体204固定的底部侧设置有与所述干簧管229相连的检测信号输出接口230；

所述浮子227嵌套在所述导杆226上。

优选的，所述浮子227由永磁体2271和高分子材料组合而成，其等效密度为0.5g/cm³～0.8g/cm³。

优选的，浮子227和导杆226的间隙控制在0.5mm～1.5mm之间。

优选的，所述液位传感器205的信号输出端与控制排水管228导通/闭合的排液电磁阀42相关联，具体包括：

干簧管229的输出端与氢燃料电池氢气回路系统中的氢燃料电池控制器 FCCU的I/O口相连；所述氢燃料电池控制器FCCU还与控制排水管228导通/闭合的排液电磁阀42相连；

其中，当液位逐渐升高时，浮子227随液面上浮，当浮子227抵达指定高度时，导杆226的内部干簧管229导通，氢燃料电池控制器FCCU识别由干簧管229导通产生的信号后，控制排液电磁阀42导通。

优选的，还包括中间管206，所述中间管206位于所述上筒体203上，且与所述出口管接头201相耦合；其中，所述中间管206与所述漏液层207的表面距离h，以及中间管内径d之间满足0.5d≤h≤2d。

优选的，所述漏液层207由中间实心区域223和围绕所述中间实心区域223 均布漏液孔213组成。

优选的，所述漏液层207包括第一漏液层2071和第二漏液层2072，所述第一漏液层2071上的漏液孔和第二漏液层2072上的漏液孔上下错开设置，并且，位于第一漏液层2071上的漏液孔和第二漏液层2072上的与之相邻的漏液孔之间设置有过渡槽224，以便从第一漏液层2071上的漏液孔漏下的液体能够经由所述过渡槽224，传递到与之相邻的所述第二漏液层2072的漏液孔中。

优选的，漏液孔213直径d1设置范围为3mm≤d1≤8mm。

优选的，所述触发所述排液电磁阀42完成导通时间t，根据排水容积v_L、燃料电池氢气输出端的压力传感器61测量值p₁和电磁阀的流通能力k_v计算得到。

本实用新型相比较现有技术能够取得以下有益效果：

本实用新型实现了气液分离器的排液精确控制，提升氢气利用率，延长电磁阀使用寿命；提升气液分离器的环境适应性。其中，尤其在优选实现方案中，提出了两层结构的漏液层设计，从而提高了本实用新型所提出的气液分离器所能适用的燃料电池出气压强不同场景需求，并且，保证了上筒体中入气气流对下筒体中液位传感器的检测精度影响。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种氢燃料电池氢气回路示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种气液分离器的结构组成；

图3为本实用新型实施例提供的一种气液分离器的工作原理示意；

图4为本实用新型实施例提供的一种液位传感器工作原理初始状态示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种液位传感器工作原理闭合状态示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种上筒体结构示意；

图7为本实用新型实施例提供的一种新型漏液层结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种新型漏液层结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

经过发明人的研究确认气液分离思路可包括如下几种：

①重力沉降分离：由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向。

②折流分离：由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续有一个向前的速度，最终附着在阻挡壁面上，在重力的作用向下汇集。

③离心分离：由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起旋转流动时，液体受到的离心力大于气体，所以液体有离心分离的倾向，液体附着在分离壁面上由于重力的作用向下汇集。

④丝网分离：由于气体与液体的微粒大小不同，液体与气体混合一起流动时，气体通过了，而液体会被拦截而留在丝网上，并在重力的作用向下汇集。

⑤微孔过滤分离：由于气体与液体的微粒大小不同，液体与气体混合一起流动时，气体可以通过，而液体被拦截而留在微孔过滤器上，并在重力的作用汇集。

本实用新型提出的氢燃料电池用气液分离器适用于上述各种分离思路，在后续实施例的具体展开描述过程中，也会有针对性的基于上述特定的分离思路，展示本实用新型的具体实现结构。

在开始阐述本实用新型的氢燃料电池用气液分离器之前，先介绍下相应气液分离器所应用的氢燃料电池氢气回路架构，如图1所示，气液分离器22(即本实用新型提出的氢燃料电池用气液分离器)设置于燃料电池21的出口和氢气循环装置23之间，确保能将这部分循环的湿氢气进行有效的气体和液体分离处理。需要明确的是，氢气循环装置为氢气循环泵或者引射器时，本方案揭示的气液分离器22均适用。一般情况，尾排阀41处于关闭状态，根据燃料电池的运行工况，会按一定频次进行尾排，为了确保这部分高浓度的氢气不会在极端环境下引发危险(压力传感器61用于检测相应的氢气压强，并在必要的情况下触发尾排阀41打开)，需要汇入混合消音装置51中和空气尾气进行混合稀释。排液电磁阀42在气液分离器监测到储液区液位达到一定高度后，会打开进行排液操作。

本实用新型实施例提供一种氢燃料电池用气液分离器，如图2和图3所示，包括上筒体203和下筒体204，其中，上筒体203上设置有出口管接头201和入口管215；下筒体204的底部设置有排水管228；所述气液分离器中还包括：

所述上筒体203和下筒体204之间还设置有漏液层207；在具体实现过程中，如果上筒体203的上盖是一体成型的，在所述漏液层207通常是设定为与所述上筒体203构成可分离结构；另一方面，如果上筒体203上还设置有上盖202，则所述漏液层207便可以制作成与上筒体203一体结构，例如图3中所示的上筒体203上还包括上盖202，则相应的出口管接头201也被固定在所述上盖202 上，其中，上盖202与上筒体203之间可以是通过至少三个螺栓进行固定，并且，优选的在两者之间垫有橡胶密封圈。

所述下筒体204的底部还设置有液位传感器205，其中，所述液位传感器 205的信号输出端与控制排水管228导通/阻塞的排液电磁阀42相关联，用于触发所述排液电磁阀42完成导通或者阻塞。

本实用新型实施例实现了气液分离器的排液精确控制，提升氢气利用率，延长电磁阀使用寿命；提升气液分离器的环境适应性。

在本实用新型实施例中，所述液位传感器可以采用静压式传感器、浮球液位传感器、光电水位传感器等，但是，考虑到本实用新型中气液分离器的体积大小，以及相应传感器的设置难度和成本考虑，提出了其中最为优选的浮球液位传感器进行实现。其中，如图3所示，为本实用新型所提出的一种基于浮球液位传感器实现的气液分离器。具体实现中，所述液位传感器205包括导杆226 和浮子227；

其中，所述导杆226固定在下筒体204的底部，导杆226内部设置有干簧管229，导杆226与下筒体204固定的底部侧设置有与所述干簧管229相连的检测信号输出接口230；

所述浮子227嵌套在所述导杆226上，以便当下筒体204中液位逐渐升高时，浮子227随液面上浮，当浮子227抵达指定高度时，导杆226的内部干簧管229导通。

如图4和图5所示，为本发明实施例提供的上述涉及的导杆226、浮子227 和干簧管229的工作原理。在初始状态，如图4所示，下筒体204中没有液体导入情况下，浮子227处于导杆226的底部，相应的浮子227中的永磁体2271 同样处于其初始位置；此时，相应的干簧管229中的两极弹片是分离状态。在下筒体204中导入的液体达到触发排液电磁阀42打开的状态时，浮子227被液体的浮力抬升到如图5所示的位置区域，此时浮子227中的永磁体2271通过磁力同化作用，使得干簧管229中的两极弹片闭合，从而在检测信号输出接口230 产生一使能信号，使得与所述检测信号输出接口230相连的氢燃料电池控制器 FCCU确认所述下筒体204中的液体已经抵达指定位置，并控制排液电磁阀42打开。其中，最简单的一种检测信号输出接口230与氢燃料电池控制器FCCU相连的连接方式是，将图5中检测信号输出接口230的一极与氢燃料电池控制器FCCU 的I/O相连，并且相应的氢燃料电池控制器FCCU的I/O设置为高电平，另一极直接接地，默认情况下相应的氢燃料电池控制器FCCU的I/O电平不变，而一旦干簧管229中的两极弹片闭合则相应的氢燃料电池控制器FCCU的I/O的电平便会由高变低，从而氢燃料电池控制器FCCU就能识别出相应的干簧管229中的两极弹片处于闭合状态了，此时就要触发排液电磁阀42打开。

在本实用新型实施例中，如图4和图5所示，所述浮子227由永磁体2271 和高分子材料组合而成，其中，在图4中，标识号227所指示对象中，除了永磁体2271部分以外的区域部分即所述的高分子材料；所述浮子227等效密度为 0.5g/cm³～0.8g/cm³，即所述永磁体2271和高分子材料的整体等效密度为0.5g/cm³～0.8g/cm³。其中，等效密度越低，相应的液位传感器的灵敏度越高，但是，相应的在保证同样工业强度的情况下，其制作成本也会越高；具体采用什么材料可以借鉴本领域技术常规手段，在此不做过多赘述。

在本使用新型中，为了保证浮子227和导杆226之间的机械互动，优选的设置浮子227和导杆226之间的间隙控制在0.5mm～1.5mm之间。

上面已经通过图4和图5中所呈现的浮子229的变化描述了实施例1中所涉及的，所述液位传感器205的信号输出端与控制排水管228导通/闭合的排液电磁阀42相关联的实现方式，具体阐述如下：

干簧管229的输出端与氢燃料电池氢气回路系统中的氢燃料电池控制器 FCCU的I/O口相连；所述氢燃料电池控制器FCCU还与控制排水管228导通/闭合的排液电磁阀42相连；

其中，当液位逐渐升高时，浮子227随液面上浮，当浮子227抵达指定高度时(如图5所示)，导杆226的内部干簧管229导通，氢燃料电池控制器FCCU 识别由干簧管229导通产生的信号后，控制排液电磁阀42导通。

在通过上述的重力沉降分离和离心分离实现气液分离时，为了达到更好的分离效果，结合本发明实施例对应附图2的实现方案，还存在一种优选的扩展方案，具体如图3所示，所述气液分离器还包括中间管206，所述中间管206位于所述上筒体203上，且与所述出口管接头201相耦合；其中，所述中间管206 与所述漏液层207的表面距离h，以及中间管内径d之间满足0.5d≤h≤2d。其原理通过图3中的气流运行方向箭头示意图可以发现，设置所述中间管206可以提高离心分离的时间长度，即设置在所述上筒体203上方的入口管215的进气口与中间管206位于上筒体203底部的进气口，保证了混合气体在进入上筒体203之后，能够实现更多时间和圈数的离心运动，其相对于不设置所述中间管206的分离效果而言，有了更显著的进步。

本方案揭示的气液分离器工作过程描述如下：混合流体从上筒体203的入口管215沿着内壁切向进入，由离心力的作用，会持续往下旋转运动，由于液相密度远大于气相密度，所受离心力差别较大，液相会撞击上筒体203侧壁面，最后受重力作用沿侧壁面汇入储液区214(优选的，上筒体203选用亲水材料制成)，即液体在重力作用下沿上筒体203侧壁面下坠，经由上筒体203底部的多个漏液孔213流入储液区214，待液位达到一定高度后，液位传感器205给排液电磁阀42排液信号，电磁阀开启后，液相从液位传感器的排水管228排出气液分离器。气相流经中间管206和出口管接头201进入氢气循环装置23。

为了进一步配合上述的离心分离过程，以及相应的中间管206的设置方式，优选的，如图6所示，所述漏液层207由中间实心区域223和围绕所述中间实心区域223均布漏液孔213组成。这样能有效收集液态水的同时，可以避免气流对液位的影响，以免影响液位传感器的正常工作。漏液孔和上筒体内部内相切，其直径d1较优范围为3mm≤d1≤8mm。

由于在本实用新型实现过程中，若进入气液分离器的混合气体压强较大，那么通过上述漏液层207进入到下筒体204的氢气可能会对液位传感器205的检测环境造成一定的影响，因此，结合本实用新型实施例，还提出了一种扩展方案，可以有效的改善上述问题。如图7所示，所述漏液层207包括第一漏液层2071和第二漏液层2072，所述第一漏液层2071上的漏液孔和第二漏液层2072 上的漏液孔上下错开设置，并且，位于第一漏液层2071上的漏液孔和第二漏液层2072上的与之相邻的漏液孔之间设置有过渡槽224，以便从第一漏液层2071 上的漏液孔漏下的液体能够经由所述过渡槽224，传递到与之相邻的所述第二漏液层2072的漏液孔中。

若采用如图7所示的过渡槽224结构实现，则要求第一漏液层2071和第二漏液层2072之间的固定，保持严格的对应关系，因为如图7所示的过渡槽224 是由第一漏液层2071中的上半部分凹槽和第二漏液层2072中的下半部分凹槽配合组成。在实用新型实施例实现过程中，除了可以采用如图7所示的，在第一漏液层2071和第二漏液层2072上分别设置上半部分凹槽和下半部分凹槽来完成过渡槽224结构实现以外，也可以类似采用图8所示的，仅在第一漏液层 2071或者第二漏液层2072上设置单一过渡槽224完成第一漏液层2071上的漏液孔和第二漏液层2072上的与之相邻的漏液孔之间导通的作用。进一步的，若考虑到混合气体进入到上筒体203之后的旋转方向，所述过渡槽224的设置方向可以与所述混合气体旋转方向正好相反，从而进一步抑制上筒体203与下筒体204之间的气流相互干扰，取得提高液位传感器检测环境稳定性效果。

进一步的，下筒体204主要起到储液的作用，储液区214容积可以根据需求调整高度尺寸，从而改变排液间隔时间。为了低温环境下更好的将气液分离器内的液体吹扫干净，214底部会设置一定锥度的结构。

在本实用新型实施例中，所述触发所述排液电磁阀42完成导通时间t，根据排水容积v_L、燃料电池氢气输出端的压力传感器61测量值p₁和电磁阀的流通能力k_v计算得到。几者之间的关系式如下所示：

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，包括上筒体(203)和下筒体(204)，其中，上筒体(203)上设置有出口管接头(201)和入口管(215)；下筒体(204)的底部设置有排水管(228)；所述气液分离器中还包括：

所述上筒体(203)和下筒体(204)之间还设置有漏液层(207)；

所述下筒体(204)的底部还设置有液位传感器(205)，其中，所述液位传感器(205)的信号输出端与控制排水管(228)导通/阻塞的排液电磁阀(42)相关联，用于触发所述排液电磁阀(42)完成导通或者阻塞。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述液位传感器(205)包括导杆(226)和浮子(227)；

其中，所述导杆(226)固定在下筒体(204)的底部，导杆(226)内部设置有干簧管(229)，导杆(226)与下筒体(204)固定的底部侧设置有与所述干簧管(229)相连的检测信号输出接口(230)；

所述浮子(227)嵌套在所述导杆(226)上。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述浮子(227)由永磁体(2271)和高分子材料组合而成，其等效密度为0.5g/cm³～0.8g/cm³。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，浮子(227)和导杆(226)的间隙控制在0.5mm～1.5mm之间。

5.根据权利要求2所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述液位传感器(205)的信号输出端与控制排水管(228)导通/闭合的排液电磁阀(42)相关联，具体包括：

干簧管(229)的输出端与氢燃料电池氢气回路系统中的氢燃料电池控制器FCCU的I/O口相连；所述氢燃料电池控制器FCCU还与控制排水管(228)导通/闭合的排液电磁阀(42)相连；

其中，当液位逐渐升高时，浮子(227)随液面上浮，当浮子(227)抵达指定高度时，导杆(226)的内部干簧管(229)导通，氢燃料电池控制器FCCU识别由干簧管(229)导通产生的信号后，控制排液电磁阀(42)导通。

6.根据权利要求1-5任一所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，还包括中间管(206)，所述中间管(206)位于所述上筒体(203)上，且与所述出口管接头(201)相耦合；其中，所述中间管(206)与所述漏液层(207)的表面距离h，以及中间管内径d之间满足0.5d≤h≤2d。

7.根据权利要求1-5任一所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述漏液层(207)由中间实心区域(223)和围绕所述中间实心区域(223)均布漏液孔(213)组成。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述漏液层(207)包括第一漏液层(2071)和第二漏液层(2072)，所述第一漏液层(2071)上的漏液孔和第二漏液层(2072)上的漏液孔上下错开设置，并且，位于第一漏液层(2071)上的漏液孔和第二漏液层(2072)上的与之相邻的漏液孔之间设置有过渡槽(224)，以便从第一漏液层(2071)上的漏液孔漏下的液体能够经由所述过渡槽(224)，传递到与之相邻的所述第二漏液层(2072)的漏液孔中。

9.根据权利要求7所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，漏液孔(213)直径d1设置范围为3mm≤d1≤8mm。

10.根据权利要求1-5任一所述的氢燃料电池用气液分离器，其特征在于，所述触发所述排液电磁阀(42)完成导通时间t，根据排水容积v_L、燃料电池氢气输出端的压力传感器(61)测量值p₁和电磁阀的流通能力k_v计算得到。

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