CN216755701U - 一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统，水汽分离器包括进气歧管、排气歧管和集水排水组件，进气歧管包括进气支管和主管道，排气歧管包括出气管接头、螺旋片和出气管，螺旋片绕着出气管外围，螺旋片和出气管插入到主管道里面，出气管接头顶端与出气管连通；集水排水组件包括集水管道、排水阀和排水管；出气管的底端穿过除雾网组件中间开有通孔，除雾网组件位于螺旋片的下方，上述的除雾网组件为由至少两层带斜通孔的板材叠放而成的饼状结构，上下层板材的斜通孔错开，从而形成不规则流道；它离效果非常好且分离效率较高，有效保障燃料电池的正常运转。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是通过氢气和氧气的催化氧化反应，将化学能转换为电能的一种发电装置，是一种高效率、高能量密度、低噪音、对环境无污染的新型能源。燃料电池广泛应用于新能源汽车、轮船、无人机及应急供电等领域。
燃料电池运行过程中产生的副产品只有无任何污染的水和热量。送入电堆模块的氢气不会被100％的反应，有一部分未参加反应的氢气和产生的水一起从电堆模块出口排出。为了更好的提高氢气的利用率，所以需要一套可靠的氢气循环系统将电堆模块出口排出未参加反应的氢气重新送入电堆模块中进行反应。另外，送入电堆模块中的氢气湿度也是一个重要技术指标。在燃料电池工作过程中，质子交换膜必须保持一定的湿度才能保证质子的高传导性和良好的运行特性。进入电堆模块的氢气湿度过低或者过高都会影响电堆模块的性能，甚至损坏电堆模块。
因此，为了解决氢气湿度的问题，一般会在氢气循环系统中增加一个水气分离装置，将从电堆模块出口排出未参加反应的氢气和一部分的水分离，既保证重新送入电堆模块氢气有一定的湿度，也需排出多余的水分。目前市场上现有的水汽分离器一般采用螺旋离心式或者挡板碰撞式的分离方式实现混合气体的水气分离，现有的水汽分离器只采用单一的方式分离，使得分离效率较低，不适用于水蒸气或小粒径液滴较多的分离场景；如公开号为：CN 112107951 A，申请名称为：一种汽水分离器的发明专利，该方案采用螺旋离心式分离混合气体，单一的方式分离效率不高，只能分离气体中较大的液滴，水蒸气或者直径较小水雾无法很好的分离出去；如果要更好的分离，需要水汽分离器前端增加其他使水雾凝聚的手段，这无疑使分离系统更加复杂；又如公告号为：CN212571055U，专利名称为：一种汽水分离器及集成式燃料电池系统的发明专利，该方案采用挡板碰撞式分离方式混合气体，该方式是利用水汽碰撞挡板来集聚分离液滴的，该方案只能分离进分离器前已经是液滴的水分，水雾和水蒸气的分离效率不高；由此可见，现有的水汽分离器只采用单一的方式分离，且混合气体滞留在水汽分离器里的时间过短，使得混合气体的分离效果不好且效率较低，不利于燃料电池的运作。
发明内容：
本实用新型的目的是提供一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统，能解决现有技术中的水汽分离器只采用单一的方式分离，且混合气体滞留在水汽分离器里的时间过短，使得混合气体的分离效果不好且效率较低的技术问题。
本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种水汽分离器，包括进气歧管、排气歧管和集水排水组件，其中：
进气歧管包括进气支管和主管道，进气支管位于主管道的顶部的一侧；
排气歧管包括出气管接头、螺旋片和出气管，螺旋片绕着出气管外围，螺旋片和出气管插入到主管道里面，出气管接头顶端与出气管连通；
集水排水组件包括集水管道、排水阀和排水管；其特征在于：它还包括除雾网组件，出气管的底端穿过除雾网组件中间开有通孔，除雾网组件位于螺旋片的下方。
上述的除雾网组件为由至少两层带斜通孔的板材叠放而成的饼状结构，上下层板材的斜通孔错开，从而形成不规则流道。
上述的除雾网组件的外径与主管道内径相同，除雾网组件通过焊接的方式固定连接在主管道的下部。
上述的主管道底部延伸出一个扩压段，扩压段管径大于主管道的管径，集水管道套装在扩压段上并利用第一管箍箍紧。
上述的出气管接头与出气管之间通过出气腔体连接，出气腔体的管径大于出气管的管径，出气管接头从出气腔体的侧面伸出。
上述的集水管带的底部设置排水口，排水管的一端与排水口连接，排水阀安装在排水管上使集水管道与排水阀形成上下竖直布局，集水管道套装在主管道的底部。
上述的集水管道呈漏斗状。
上述的螺旋片的顶端竖立伸出一个挡板。
上述的出气腔体的底部成漏斗状，并嵌入到主管道的顶部。
上述的出气管接头与出气腔体的内管壁成相切的布局，进气支管与主管道的内管壁成相切的布局。
上述的排水阀通过第二管箍固定在排水管上。
上述的出气腔体通过焊接的方式固定在主管道上，且出气管接头与进气支管的伸出方向相反。
一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接有水汽分离器进行水汽分离；其特征在于：所述的水汽分离器是采用上述所述的一种水汽分离器。
本实用新型与现有技术相比，具有如下效果：
1)本实用新型的提供水汽分离器，采用螺旋片与除雾网组件的组合式水汽分离结构，在使用时燃料电池电堆氢气出口处，过量未参与反应的氢气、液态水与气态水的高温高湿混合气由进气支管进入管道，混合气体进入由主管道内壁和螺旋片组成的腔道内，在该腔道内形成高速螺旋气流，气态水，水雾和液态水在离心作用下甩在主管道内壁后集聚并往下流，滴落在除雾网组件上，形成第一级分离；未分离的混合气体沿着螺旋导流后流向除雾网组件，除雾网组件使混合气体多次碰撞换向，未分离完成的混合气中的气态水，小颗粒水雾和液态水充分碰撞融合形成大的液滴，液滴在重力和气流的作用下通过除雾网组件，掉落在集水管道形成第二级分离，这种结构采用两级分离结构，分离效果非常好且分离效率较高，有效保障燃料电池的正常运转。
2)本实用新型的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1是为本实用新型实施例一提供的水汽分离器的立体结构示意图；
图2是为本实用新型实施例一提供的水汽分离器的内部结构示意图；
图3是为本实用新型实施例一提供的排气歧管的立体结构示意图；
图4是为本实用新型实施例一提供的排气歧管的主视结构示意图；
图5是为图4提供的A-A的剖面结构示意图；
图6是为本实用新型实施例一提供的进气歧管的立体结构示意图；
图7是为本实用新型实施例一提供的进气歧管与除雾网组件的结构示意图；
图8是为本实用新型实施例一提供的集水排水组件的立体结构示意图；
图9是为本实用新型实施例一提供的集水排水组件的主视结构示意图；
图10是为图9提供的B-B的剖面结构示意图；
图11是为本实用新型实施例一提供的除雾网组件的立体图；
图12是图11的分解示意图；
图13是本实用新型实施例二的原理示意图；
图14是本实用新型实施例二的燃料电池系统中排水阀的工作方框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图12所示，本实施例提供的一种水汽分离器，包括进气歧管2、排气歧管1和集水排水组件3，其中：进气歧管2包括进气支管21和主管道22，进气支管21位于主管道22的顶部的一侧；排气歧管1包括出气管接头11、螺旋片12和出气管14，螺旋片12绕着出气管14外围，螺旋片12和出气管14插入到主管道22里面，出气管接头11顶端与出气管14连通；集水排水组件3包括集水管道31、排水阀32和排水管33；其特征在于：它还包括除雾网组件6，出气管14的底端穿过除雾网组件6中间开有通孔61，除雾网组件6位于螺旋片12的下方。
本实用新型的工作原理：采用螺旋片12与除雾网组件6的组合式水汽分离结构，在使用时燃料电池电堆氢气出口处，过量未参与反应的氢气、液态水与气态水的高温高湿混合气由进气支管21进入管道，混合气体进入由主管道22内壁和螺旋片12组成的腔道内，在该腔道内形成高速螺旋气流，气态水，水雾和液态水在离心作用下甩在主管道22内壁后集聚并往下流，滴落在除雾网组件6上，形成第一级分离；未分离的混合气体沿着螺旋片12导流后流向除雾网组件6，除雾网组件6使混合气体多次碰撞换向，未分离完成的混合气中的气态水，小颗粒水雾和液态水充分碰撞融合形成大的液滴，液滴在重力和气流的作用下通过除雾网组件6，掉落在集水管道31形成第二级分离，这种结构采用两级分离结构，分离效果非常好且分离效率较高，有效保障燃料电池的正常运转。
上述的除雾网组件6为由至少两层带斜通孔62的板材60叠放而成的饼状结构，上下层板材60的斜通孔62错开，从而形成不规则流道。多层带斜通孔62的板材60组成的不规则流道，使混合气体多次碰撞换向，未分离完成的混合气中的气态水，小颗粒水雾和液态水充分碰撞融合形成大的液滴，液滴在重力和气流的作用下通过除雾网组件24，掉落在集水管道31上。减缓高温高湿混合气体的流动速度，提高其滞留时间，分离效果好，分离效率高。
优选地，主管道22底部延伸出一个管径较大的扩压段221，集水管道31套装在扩压段221上并利用第一管箍4箍紧。扩压段221管径大于主管道22的管径，时空间扩大，压力变小，部分小颗粒水雾由于扩压段221作用气流减速而进一步沉降，此处为第三级分离，进一步提升分离效果，分离效率高。
优选地，出气管接头11与出气管14之间通过出气腔体15连接，出气腔体15的管径大于出气管14的管径，出气管接头11从出气腔体15的侧面伸出，出气腔体15安装在主管道22的顶部并封堵主管道22的顶部开口。经过第三级分离的其余混合气体竖直向上进入出气管14，与出气腔体15顶部盖板发生碰撞,掉落的液滴顺着出气腔15的下部漏斗回流至集水区，此处为第四级分离。出气腔体15提升了分离高度，有利于水汽分离。
优选地，集水管道31为漏斗形大容腔管道，方便分离的液滴集聚在底部排水阀32位置。
优选地，螺旋片12的顶端竖立伸出一个挡板13，便于混合气体往一个方向流动。
优选地，出气腔体15的底部151成漏斗状，并嵌入到主管道22的顶部，经过第三级分离的其余混合气体竖直向上进入出气管14，与出气腔体15顶部盖板发生碰撞,掉落的液滴顺着出气腔15的下部漏斗状底部151。
上述集水管带31的底部设置排水口311，排水管33的一端与排水口311连接，排水阀32安装在排水管33上使集水管道31与排水阀32形成上下竖直布局，集水管道31套装在主管道22的底部，这种竖直布局适合某一特定的应用环境。
优选地，出气管接头11与出气腔体15的内管壁成相切的布局，支管21与主管道22的内管壁成相切的布局，布局合理，便于水汽分离。
优选地，除雾网组件6的外径与主管道22内径相同，除雾网组件6通过焊接的方式固定连接在主管道22的下部，安装方便。
优选地，排水阀32通过第二管箍5固定在排水管33上，安装简单。
优选地，出气腔体15通过焊接的方式固定在主管道22上，且出气管接头11与进气支管21反向布局。
工作原理：燃料电池系统的电堆模块的氢气出口将反应后生产的水气和未反应的残余氢气混合的混合气体输送到水汽分离器处，混合气体从水汽分离器的进气歧管2的进气支管21进入进气歧管2的主管道22后，混合气体从沿着排气歧管1的螺旋片12进行螺旋形向下流动，形成外旋气流，外旋气流在旋转的过程中产生离心力，使混合气体中水气被甩至主管道22的内壁面上并形成液滴，液滴沿内壁面下落到水汽分离器的除雾网组件6上，从而形成第一级分离；经螺旋片12导流后流出的未分离的混合气体流向除雾网组件6，未分离的混合气体经过除雾网组件6内部的不规则流道，实现多次碰撞换向，使未分离的混合气体中的气态水、小颗粒水雾和液态水充分碰撞融合形成液滴，液滴在重力和气流的作用下通过除雾网组件6掉落在集水排水组件3的集水管道31上，从而形成第二级分离；从除雾网组件6内部的不规则流道流出的未分离的混合气体经主管道22底部的扩压段221进入至集水管道31里，由于扩压段221的扩压作用，使气流减速，从而使未分离的混合气体中的部分小颗粒水雾进一步沉降，从而形成第三级分离；集水管道31里的混合气体竖直向上进入出气管14，然后进入出气腔体15并与出气腔体15顶部的盖板发生碰撞形成液滴，液滴在重力的作用下掉落并顺着出气腔体15底部的漏斗回流至集水排水组件3里，从而形成第四级分离；经过四级分离后的气体从排气歧管1的出气管接头11排出输送到氢气循环泵的入口，然后进入燃料电池电堆进行反应，而分离后的液态水全部集聚在集水管道31底部，打开集水排水组件3的排水阀32，分离后的液态水经集水排水组件3的排水管33排出，实现汽水分离。
实施例二：
如图13、图14所示，本实施例提供的一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接有水汽分离器7进行水汽分离；其特征在于：所述的水汽分离器7是采用实施例一所述的一种水汽分离器。水汽分离器7的分离效果非常好且分离效率较高，有效保障燃料电池的正常运转。
以上实施例为本实用新型的较佳实施方式，但本实用新型的实施方式不限于此，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种水汽分离器，包括进气歧管(2)、排气歧管(1)和集水排水组件(3)，其中：
进气歧管(2)包括进气支管(21)和主管道(22)，进气支管(21)位于主管道(22)的顶部的一侧；
排气歧管(1)包括出气管接头(11)、螺旋片(12)和出气管(14)，螺旋片(12)绕着出气管(14)外围，螺旋片(12)和出气管(14)插入到主管道(22)里面，出气管接头(11)顶端与出气管(14)连通；
集水排水组件(3)包括集水管道(31)、排水阀(32)和排水管(33)；其特征在于：它还包括除雾网组件(6)，出气管(14)的底端穿过除雾网组件(6)中间开有通孔(61)，除雾网组件(6)位于螺旋片(12)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种水汽分离器，其特征在于：除雾网组件(6)为至少两层带斜通孔(62)的板材(60)叠放而成的饼状结构，上下层板材(60)的斜通孔(62)错开，从而形成不规则流道。
3.根据权利要求2所述的一种水汽分离器，其特征在于：除雾网组件(6)的外径与主管道(22)内径相同，除雾网组件(6)通过焊接的方式固定连接在主管道(22)的下部。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种水汽分离器，其特征在于：主管道(22)底部延伸出一个扩压段(221)，扩压段(221)管径大于主管道(22)的管径，集水管道(31)套装在扩压段(221)上并利用第一管箍(4)箍紧。
5.根据权利要求4所述的一种水汽分离器，其特征在于：出气管接头(11)与出气管(14)之间通过出气腔体(15)连接，出气腔体(15)的管径大于出气管(14)的管径，出气管接头(11)从出气腔体(15)的侧面伸出，出气腔体(15)安装在主管道(22)的顶部。
6.根据权利要求5所述的一种水汽分离器，其特征在于：集水管道(31)的底部设置排水口(311)，排水管(33)的一端与排水口(311)连接，排水阀(32)安装在排水管(33)上使集水管道(31)与排水阀(32)形成上下竖直布局，集水管道(31)套装在主管道(22)的底部。
7.根据权利要求6所述的一种水汽分离器，其特征在于：集水管道(31)呈漏斗状。
8.根据权利要求7所述的一种水汽分离器，其特征在于：螺旋片(12)的顶端竖立伸出一个挡板(13)。
9.根据权利要求8所述的一种水汽分离器，其特征在于：出气腔体(15)的底部(151)成漏斗状，并嵌入到主管道(22)的顶部。
10.根据权利要求9所述的一种水汽分离器，其特征在于：出气管接头(11)与出气腔体(15)的内管壁成相切的布局，进气支管(21)与主管道(22)的内管壁成相切的布局。
11.根据权利要求10所述的一种水汽分离器，其特征在于：排水阀(32)通过第二管箍(5)固定在排水管(33)上。
12.根据权利要求11所述的一种水汽分离器，其特征在于：出气腔体(15)通过焊接的方式固定在主管道(22)上，且出气管接头(11)与进气支管(21)的伸出方向相反。
13.一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，出氢口连接有水汽分离器(7)进行水汽分离；其特征在于：所述的水汽分离器(7)是采用权利要求1至12任一项所述的一种水汽分离器。
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|---|---|---|---|
| CN202220201781.0U CN216755701U (zh) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统 |
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| CN202220201781.0U CN216755701U (zh) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 一种水汽分离器及其应用的燃料电池系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115954503A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-04-11 | 西安旭旌再生资源有限公司 | 一种氢燃料电池水气分离系统 |
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2022
- 2022-01-25 CN CN202220201781.0U patent/CN216755701U/zh active Active
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