CN214551807U - 折流式气液分离器和燃料电池发动机系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种折流式气液分离器和燃料电池发动机系统，本申请的折流式气液分离器包括：外壳、分水挡板和多个折流板，分水挡板将外壳的内部容腔分为第一腔体和第二腔体，分水挡板与外壳的内表面之间留有第一空隙，第一空隙用于连通第一腔体和第二腔体；每个折流板具有第一端和第二端，第一端连接至第一腔体的内表面，第二端与第一腔体的内表面间隔设置；相邻两个折流板的第一端的安装位置在第一腔体的周向方向错开；其中，折流板沿厚度方向的截面为波纹形结构。本申请的折流板为错开设置的，从而能够延长待分离流体在外壳内的流动路径，且本申请的折流板为波纹形结构，从而能够增大待分离流体与折流板的接触面积，故本申请的分离效果较好。

Description

折流式气液分离器和燃料电池发动机系统

技术领域

本申请涉及燃料电池的技术领域，具体而言，涉及一种折流式气液分离器和燃料电池发动机系统。

背景技术

氢燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。其中，氢气和氧气的总反应式为2H₂+O₂＝2H₂O。

现有技术中，氢燃料电池发动机一般是以惰性金属铂(Pt)或石墨做电极材料，工作时向负极供给燃料(氢气)，向正极供给氧化剂(氧气)，氢在负极上的催化剂的作用下分解成正氢离子H⁺和电子e^-。氢离子进入质子交换膜中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同质子交换膜中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

因此，大功率氢燃料电池系统在产生电流的过程中，会产生较多的水。水汽连通反应剩余的氢气和其它残留气体形成混合气体，混合气体从反应堆的出氢口排出，伴随着反应剩余气体，这些气体不能直接排出大气中，而是要通过循环泵或引射器重新吸收回到入氢口，按一定的比例混合再次进入负极参与反应。在回流到与纯氢混合前，需要将大量的液态水与混合气体分离，若不能较好地分离液态水与混合气体则会影响反应堆内部的反应效率，使得氢燃料电池发动机功率下降，甚至发生永久性损坏。

因此如何提高液态水与混合气体分离效果，成为一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种折流式气液分离器和燃料电池发动机系统，其能够提高分离效果。

为了实现上述目的，

第一方面，本申请提供一种折流式气液分离器，包括：外壳、分水挡板和多个折流板，所述外壳具有进管和出管；所述分水挡板设于所述外壳内，且将所述外壳的内部容腔分为第一腔体和第二腔体，所述分水挡板与所述外壳的内表面之间留有第一空隙，所述第一空隙用于连通所述第一腔体和所述第二腔体；每个所述折流板具有第一端和第二端，所述第一端连接至所述第一腔体的内表面，所述第二端与所述第一腔体的内表面间隔设置；相邻两个所述折流板的所述第一端的安装位置在所述第一腔体的周向方向错开；其中，所述进管和所述出管均与所述第一腔体相通，且多个所述折流板均设于所述进管和所述出管之间；所述折流板沿厚度方向的截面为波纹形结构。

于一实施例中，每个所述折流板在自身的所述第一端上设有至少一个第一贯穿孔。

于一实施例中，所述进管的轴线和所述出管的轴线成垂直设置，所述进管的轴线与所述折流板成相交设置，当待分离的流体从进管进入时，流体能与所述折流板的外表面发生接触。

于一实施例中，所述第一腔体的内表面上设有多个用于安装所述折流板的安装座。

于一实施例中，所述折流式气液分离器还包括：第一控制阀，所述外壳上设有与所述第一腔体相通的第一排管，所述第一控制阀设于所述第一排管。

于一实施例中，所述折流式气液分离器还包括：第二控制阀，所述外壳上设有与所述第二腔体相通的第二排管，所述第二控制阀设于所述第二排管。

于一实施例中，所述折流式气液分离器还包括：液位传感器，所述液位传感器设于所述外壳上，用于检测所述第二腔体内的液位。

于一实施例中，所述外壳包括相互连接的上壳体和下壳体，所述出管、所述进管和所述第一排管均设于所述上壳体；所述分水挡板和所述第二排管设于所述下壳体。

于一实施例中，在所述上壳体和所述下壳体的连接处设有密封圈。

于一实施例中，所述下壳体的内底面开设有第一凹槽，在所述第一凹槽的内底面上开设有第二凹槽，所述分水挡板的一端部固定在所述下壳体的内表面，另一端为悬空设置，且所述分水挡板设于所述第一凹槽和所述第二凹槽的上方。

于一实施例中，在所述第一凹槽的内底面上设有安装凸柱，所述安装凸柱与所述分水挡板相连，用以支撑所述分水挡板。

于一实施例中，在所述分水挡板上设有至少一个第二贯穿孔，且所述第二贯穿孔设于所述第一凹槽的上方，所述第一空隙设于所述第二凹槽的上方。

于一实施例中，所述第二排管贯穿所述第二凹槽的内侧面，在所述第二凹槽的内底面上开设有与所述第二排管相通的引流槽。

于一实施例中，在所述第一凹槽的内底面上凸设有指向所述第二凹槽的引流凸条。

第二方面，本申请提供一种燃料电池发动机系统，包括：发动机本体以及如前述实施方式任一项所述的折流式气液分离器。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请通过在外壳内设置分水挡板和多个波纹形结构的折流板，且相邻两个折流板的第一端的安装位置在第一腔体的周向方向错开，则当待分离的流体从进管进入时，待分离流体能与折流板的外表面发生接触，从而能使待分离的流体通过折流板产生折流沉降进行分离。且本申请的折流板为错开设置的，从而能够延长待分离流体在外壳内的流动路径，减小流动阻力，且本申请的折流板为波纹形结构，从而能够增大待分离流体与折流板的接触面积，故本申请的分离效果较好。

而且由于本申请通过设置第一控制阀来控制第一排管的开关，且通过第二控制阀和液位传感器来控制第二排管的开关，使得位于外壳上方的第一排管具有自动排气功能，第二排管具有自动排液功能，本申请自动化程度高，利于控制且具有集成优势。

另外，第二排管位于外壳储液区的侧面而不位于储液区下方，使得本申请具有快速低温启动防冻结功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的燃料电池发动机系统的结构示意图。

图2为本申请一实施例示出的折流式气液分离器的结构示意图。

图3为本申请一实施例示出的折流式气液分离器的俯视图。

图4为本申请一实施例示出的图3的A-A方向剖视图。

图5为本申请一实施例示出的折流式气液分离器的液体流向示意图。

图6为本申请一实施例示出的折流式气液分离器的爆炸示意图。

图标：100-燃料电池发动机系统；110-发动机本体；111-反应堆；112-氢气循环模块；120-折流式气液分离器；200-外壳；210-上壳体；220-下壳体；221-下壳体的内底面；222-第一凹槽；222a-第一凹槽的内底面；222b-安装凸柱；222c-引流凸条；223-第二凹槽；223a-第二凹槽的内底面；223b-第二凹槽的内侧面；223c-引流槽；224-密封圈；230-进管；240-出管；250-第一排管；251-第一控制阀；260-第二排管；261-第二控制阀；270-第一腔体；271-第一腔体的内表面；272-安装座；280-第二腔体；300-分水挡板；310-第一空隙；320-第二贯穿孔；330-贯穿凹槽；400-折流板；410-第一端；420-第二端；430-第一贯穿孔；500-液位传感器；510-液位感应面。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的燃料电池发动机系统100的结构示意图。燃料电池发动机系统100包括：发动机本体110以及折流式气液分离器120，折流式气液分离器120具有进管230、出管240和第二排管260，发动机本体110具有相互连接的反应堆111和氢气循环模块112。折流式气液分离器120可以布置在反应堆111前或反应堆111后，并与氢气循环模块112相连，水汽连通反应剩余的氢气和其它残留气体形成的混合气体从进管230进入折流式气液分离器120，经过折流式气液分离器120的分离，使混合气体中过量水分留在折流式气液分离器120中，经过分离的混合气体通过出管240回到氢气循环模块112，经过氢气循环模块112的循环泵等部件压缩增压回到氢气汇流点，之后可以与纯氢混合重新进入反应堆111。其中，留在折流式气液分离器120中的水分可以从第二排管260排出。

其中，折流式气液分离器120除了可以应用于氢燃料电池发动机中，用来分离水汽连通反应剩余的氢气和其它残留气体形成的混合气体以外，还可以应用于天燃气的初级气水分离以及应用于压缩空气中水分的分离。故折流式气液分离器120可以分离的流体是气体和液体的混合流体，或者液体和固体的混合流体，或者气体和固体的混合流体。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的折流式气液分离器120的结构示意图。一种折流式气液分离器120包括：外壳200，外壳200可以是长方体、圆柱体、圆台体或者异形体。外壳200包括通过螺栓连接或者焊接等方式相互连接的上壳体210和下壳体220，上壳体210上设有出管240、进管230和第一排管250；下壳体220上设有第二排管260和液位传感器500。其中，出管240、进管230、第一排管250和第二排管260可以是直管也可以是弯管，可以是与外壳200一体的，也可以是与外壳200通过螺栓连接或者焊接等方式连接在一起的。

第一排管250上连接有第一控制阀251，第一控制阀251用于控制第一排管250的开关。燃料电池发动机系统100可以根据反应功率自动调节第一控制阀251打开，以使第一排管250打开，用于排出一小部分杂气或者氢气，从而可以调控外壳200内的气压，提高分离效率。第一控制阀251可以是电磁阀。

第二排管260上连接有第二控制阀261，第二控制阀261用于控制第二排管260的开关。折流式气液分离器120通过液位传感器500检测外壳200内的液位到达指定的液位感应面510，则自动调节第二控制阀261打开，以使第二排管260打开，用于使留在外壳200内的水分，流出到外壳200外。于一实施例中，在第二排管260处还可以设置一个储水箱。第二控制阀261可以是电磁阀。

其中，上壳体210和下壳体220的材料可以是塑料或者金属等在高湿氢环境下正常工作的材质。例如：PP(polypropylene，聚丙烯)、PA(Polyamide,聚酰胺)、PVC(Polyvinylchlorid，聚氯乙烯)、PEI(Polyetherimide，聚醚酰亚胺)、聚砜树脂、铝合金材质或者不锈钢。于一实施例中，上壳体210和下壳体220的材料可以是尼龙单六添加了30％的玻璃纤维增强(PA6+30％GF)。其中，外壳200的厚度在2.5-8mm范围内。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的折流式气液分离器120的俯视图。请参照图4，其为本申请一实施例示出的图3的A-A方向剖视图。请参照图5，其为本申请一实施例示出的折流式气液分离器120的液体流向示意图。外壳200内设有分水挡板300和多个折流板400，分水挡板300将外壳200的内部容腔分为第一腔体270和第二腔体280，分水挡板300与外壳200的内表面之间留有第一空隙310，第一空隙310用于连通第一腔体270和第二腔体280。

第一腔体270位于第二腔体280的上方，第一腔体270用于流体的折流沉降即分离流体，出管240、进管230和第一排管250均与第一腔体270相通，折流板400设于第一腔体270内。第二腔体280用于承接和储存流体分离所留下的水分，第二排管260与第二腔体280相通，液位传感器500通过螺栓连接等方式固定在下壳体220的侧面上，用于自动感应检测第二腔体280内的液位。

如图4所示，每个折流板400沿厚度方向的截面为波纹形结构，每个折流板400具有第一端410和第二端420，第一端410连接至第一腔体的内表面271，第二端420与第一腔体的内表面271间隔设置；相邻两个折流板400的第一端410的安装位置在第一腔体270的周向方向错开。

其中，进管230的轴线和出管240的轴线成垂直设置，且出管240位于外壳200的顶部，易于氢气的流出。多个折流板400均设于进管230和出管240之间，进管230的轴线与折流板400成相交设置，以使待分离流体可以与折流板400接触。

本实施例中，每个折流板400沿厚度方向的截面为“弓”字形。折流板400设有三个，且靠近左侧进管230的第一个折流板400通过螺栓连接的方式固定连接在位于下方的分水挡板300上，第二个折流板400通过螺栓连接的方式固定连接在上壳体210的内底面上，第三个折流板400通过螺栓连接的方式固定连接在位于下方的分水挡板300上。

其中，每个折流板400沿厚度方向的截面为波纹形结构，波纹形结构的折流板400将外壳200的第一腔体270分隔形成垂直S形流道。波纹形结构的折流板400上具有多个V形夹角，V形夹角的角度范围为30-60度。折流板400上的折弯数量即V形夹角的个数可以根据实际情况进行设计。

如图5所示，于一操作过程中，当待分离的流体从进管230进入第一腔体270时，待分离流体能与折流板400的外表面发生接触并产生撞击，从而能使待分离的流体通过折流板400在重力的作用下产生折流沉降达到分离效果，使得水滴下落，落在分水挡板300上通过第一空隙310流入第二腔体280，最后经过分离后得到的氢气从出管240流出。其中，出管240可选择安装过滤网来过滤氢气。

在流体分离过程中，燃料电池发动机系统100可以根据反应功率自动调节第一控制阀251打开以使第一排管250打开排出一小部分杂气或者氢气，来调控外壳200内的气压。当液位传感器500检测到第二腔体280内的水分达到指定的液位感应面510时，则自动调节第二控制阀261打开以使第二排管260打开排出水分。

故本实施例通过上下错开安装波纹形结构的折流板400，决定了流体的走向为水平方向的S形流动方式，从而能够延长待分离流体在外壳200内的流动路径，减小流动阻力，且本实施例的折流板400为波纹形结构，从而能够增大待分离流体与折流板400的撞击面积，故本实施例的分离效果较好。且本实施例采用集成设计，使得本申请自动化程度高，利于控制，另外本实施例结构简单，易于制造，且安装方便。

如图4所示，分水挡板300设于下壳体220，其中分水挡板300的宽度小于下壳体220的宽度，分水挡板300的长度小于下壳体220的长度，第一空隙310为环绕分水挡板300三面的空隙。

下壳体的内底面221开设有第一凹槽222，在第一凹槽的内底面222a上开设有第二凹槽223，分水挡板300的一端部通过螺栓连接的方式固定在下壳体220的内表面，另一端为悬空设置，且分水挡板300设于第一凹槽222和第二凹槽223的上方。

在第一凹槽的内底面222a上设有安装凸柱222b，安装凸柱222b与分水挡板300通过螺栓连接的方式相连，用以支撑分水挡板300。

其中，第一腔体的内表面271包括上壳体210的内表面和部分下壳体220的内表面以及分水挡板300的上表面，第二腔体280的内表面包括部分下壳体220的内表面、第一凹槽222的内表面和第二凹槽223的内表面以及分水挡板300的下表面。液位感应面510的高度可以等于或者略高于第一凹槽的内底面222a的高度。

另外本实施例通过设置第一凹槽222和第二凹槽223，可以扩大第二腔体280的大小，扩大折流式气液分离器120的储水量。另外，第一凹槽222指向第二凹槽223的方向与流体流通方向相同，第二凹槽223的深度大于第一凹槽222的深度，可以令第一腔体270内落下的水滴均能被引导进入第二凹槽223内。

如图4所示，第二排管260贯穿第二凹槽的内侧面223b，在第二凹槽的内底面223a上开设有与第二排管260相通的引流槽223c。如此设置，则易于水分从第二排管260排出，当水分结冰时也不堵住或者不完全堵住排水孔，从而可以利于本折流式气液分离器120快速冷启动。

于一实施例中，在分水挡板300上设有至少一个第二贯穿孔320，且第二贯穿孔320设于第一凹槽222的上方，第一空隙310设于第二凹槽223的上方。则当流体在靠近左侧的折流板400的作用分离出的水滴可以通过第二贯穿孔320流入第一凹槽222。

于一实施例中，在第一凹槽的内底面222a上凸设有指向第二凹槽223的引流凸条222c。引流凸条222c的长度方向与流体流通方向相同，可以令第一凹槽222内的水滴均能被引导进入第二凹槽223内。

如图5所示，由于本实施例的折流板400为弯曲的波纹形结构，为使其不会在待检测的流体的冲击下发生变形，本实施例在第一腔体的内表面271上设有多个用于安装折流板400的安装座272，用于限制折流板400的移动，来防止折流板400发生变形。

安装座272可以是板状结构，固定在上壳体210和下壳体220的内侧壁上，安装座272的外表面设有与折流板400的第一端410或者第二端420边缘相适应的异形曲面，用于卡接折流板400的第一端410或者第二端420。由于安装座272是较薄的板状结构，则不会对流体的流动产生较强的阻碍。

本实施例中，在上壳体210的前后内侧壁上各设有两个安装座272，一个安装座272用于固定一个折流板400的第一端410和另一折流板400的第二端420，另一个安装座272用于固定最后一个折流板400的第一端410。下壳体220的前后内侧壁上也各设有两个安装座272，结构与上壳体210的结构相似。

请参照图6，其为本申请一实施例示出的折流式气液分离器120的爆炸示意图。每个折流板400在自身的第一端410上设有至少一个第一贯穿孔430。第一贯穿孔430的设置可以供流体通过，使得流体可以在第一腔体270内充分流动，避免流体被折流板400完全阻挡，也可以达到一定的过滤效果。

在上壳体210和下壳体220的连接处设有密封圈224。密封圈224可以是橡胶O型圈，使上壳体210和下壳体220密封连接，避免漏气。在上壳体210和下壳体220的连接处设有凹槽以安装密封圈224。

分水挡板300上设有至少一个贯穿凹槽330，以扩大第一空隙310大小，或者用于形成避让安装座272的空间。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

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

Claims (10)

1.一种折流式气液分离器，其特征在于，包括：

外壳，具有进管和出管；

分水挡板，设于所述外壳内，且将所述外壳的内部容腔分为第一腔体和第二腔体，所述分水挡板与所述外壳的内表面之间留有第一空隙，所述第一空隙用于连通所述第一腔体和所述第二腔体；以及

多个折流板，每个所述折流板具有第一端和第二端，所述第一端连接至所述第一腔体的内表面，所述第二端与所述第一腔体的内表面间隔设置；相邻两个所述折流板的所述第一端的安装位置在所述第一腔体的周向方向错开；

其中，所述进管和所述出管均与所述第一腔体相通，且多个所述折流板均设于所述进管和所述出管之间；所述折流板沿厚度方向的截面为波纹形结构。

2.根据权利要求1所述的折流式气液分离器，其特征在于，每个所述折流板在自身的所述第一端上设有至少一个第一贯穿孔。

3.根据权利要求1所述的折流式气液分离器，其特征在于，所述第一腔体的内表面上设有多个用于安装所述折流板的安装座。

4.根据权利要求1至3任一项所述的折流式气液分离器，其特征在于，还包括：

第一控制阀，所述外壳上设有与所述第一腔体相通的第一排管，所述第一控制阀设于所述第一排管；

第二控制阀，所述外壳上设有与所述第二腔体相通的第二排管，所述第二控制阀设于所述第二排管；以及

液位传感器，设于所述外壳上，用于检测所述第二腔体内的液位。

5.根据权利要求4所述的折流式气液分离器，其特征在于，所述外壳包括相互连接的上壳体和下壳体，在所述上壳体和所述下壳体的连接处设有密封圈；

其中，所述出管、所述进管和所述第一排管均设于所述上壳体；所述分水挡板和所述第二排管设于所述下壳体。

6.根据权利要求5所述的折流式气液分离器，其特征在于，所述下壳体的内底面开设有第一凹槽，在所述第一凹槽的内底面上开设有第二凹槽，

所述分水挡板的一端部固定在所述下壳体的内表面，另一端为悬空设置，且所述分水挡板设于所述第一凹槽和所述第二凹槽的上方；

在所述第一凹槽的内底面上设有安装凸柱，所述安装凸柱与所述分水挡板相连，用以支撑所述分水挡板。

7.根据权利要求6所述的折流式气液分离器，其特征在于，在所述分水挡板上设有至少一个第二贯穿孔，且所述第二贯穿孔设于所述第一凹槽的上方，所述第一空隙设于所述第二凹槽的上方。

8.根据权利要求6所述的折流式气液分离器，其特征在于，所述第二排管贯穿所述第二凹槽的内侧面，

在所述第二凹槽的内底面上开设有与所述第二排管相通的引流槽。

9.根据权利要求6所述的折流式气液分离器，其特征在于，在所述第一凹槽的内底面上凸设有指向所述第二凹槽的引流凸条。

10.一种燃料电池发动机系统，其特征在于，包括：发动机本体以及如权利要求1-9任一项所述的折流式气液分离器。

Images