CN218632128U - 一种燃料电池系统用气水分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池系统用气水分离装置，包括气水分离器本体，所述气水分离器本体上连接有氢气进口管、氢气出口管和出水管，其特征在于，还包括冷凝器，所述冷凝器的进气口与气水分离器本体连通形成可作用于其内气体使其冷凝的冷凝单元。本实用新型提供的燃料电池系统用气水分离装置，既能在燃料电池系统运行时保持系统循环的湿氢气经过时不过度冷凝失水，又能在系统在低温储存前的停机吹扫期间、和停机后将氢气循环路的水蒸气尽快冷凝，避免水蒸气存留在电堆、管路和零部件中形成冷凝水结冰。

Description

一种燃料电池系统用气水分离装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统用气水分离装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池在其工作的温度区间内，由于氢氧的电化学反应和化学反应，都会导致在反应区存在气态水和液态水。在质子交换膜燃料电池实际应用中，0℃以下的启动过程称为“低温冷启动”。在低温冷启动过程中，由于电池温度低于水的冰点，故而上一次停机后电池内残留的水和电化学反应生成的水都存在结冰的可能。而电池堆内水结冰后，会有四大危害：1.结冰阻止反应气体传输、覆盖膜电极活性表面，减弱或阻止反应气到达反应界面；2.结冰形成的冰碴等容易损伤膜结构：造成膜鼓胀、穿孔或破裂，最终形成膜电极窜气、缺气、缺氢等情况，损坏电池；3.结冰导致反应速率减弱：低温启动时产热小，更加促进电化学反应后的产水结冰，如此恶性循环，最终导致低温启动失败，大大限制燃料电池堆积系统在低温环境下的正常使用；4.结冰后体积膨胀，还会在电池堆内产生应力，不仅损伤催化剂界面、多孔电极的基体材料，还会影响电池堆的流道，以及相应管道、密封结构等。因此，在寒冷条件下，若膜电极表面及内部储水未能有效排出，含水量过高，低温下结冰会影响膜电极表面反应区域，极易导致冷启动失败，且在多次启停后将会对电池堆和膜电极产生永久性的损坏。而如果膜电极表面及内部储水含量过低，又会减弱质子膜的质子传导特性，导致冷启动时间变长、启动性能恶化等情况。所以，在停机后，期望尽量控制膜电极表面的水含量在一个较低的合理范围。同时，燃料电池系统在运行时，需保持氢气循环路合理的湿度，才能保证在质子膜的高质子传导性，保障电化学反应高效发生。因此，此时不希望氢气循环路中含有的水蒸气量过少，而是期望氢气循环路的管路及氢泵、气水分离器等部件不要过度冷凝氢气循环路中的水蒸气。

在实用新型CN214428666U中，提到的：该水气分离装置的导气管外壁设有冷却片，冷却片可使氢气中携带的水汽冷凝为液态的水，从而使氢气和水汽分离；该冷却片内设有一螺旋形的冷却道，冷却道内装有的冷却水，冷却水能使冷却片温度始终保持低温状态，从而防止冷却片温度过高而使该分离装置失去分离效果。此方案虽然考虑了将氢气中携带的水汽冷凝为液态的水，可满足低温储存前停机吹扫时、在气分中快速冷却氢气循环路水蒸汽的目的，却未考虑系统带载运行时，其实是不期望氢气中水含量太低而影响燃料电池系统运行时质子膜的质子传输率。

在实用新型CN213212192U中，提到的：一种氢燃料电池系统气水分离装置，包括主体和冷凝滤网；所述冷凝滤网设置于主体内部且高度位于进氢管和回氢管之间。此方案也只考虑了将氢气中携带的水汽冷凝为液态的水，却不能保证系统带载运行期间氢气循环路的合适的水/水蒸汽含量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，本实用新型提供一种燃料电池系统用气水分离装置，既能在燃料电池系统运行时保持系统循环的湿氢气经过时不过度冷凝失水，又能在系统在低温储存前的停机吹扫期间、和停机后将氢气循环路的水蒸气尽快冷凝，避免水蒸气存留在电堆、管路和零部件中形成冷凝水结冰。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种燃料电池系统用气水分离装置，包括气水分离器本体，所述气水分离器本体上连接有氢气进口管、氢气出口管和出水管，其特征在于，还包括冷凝器，所述冷凝器的进气口与气水分离器本体连通形成可作用于其内气体使其冷凝的冷凝单元。由于采用了上述技术方案，氢气进口管、氢气出口管连通氢气循环路，电堆和氢气循环路处部件内的较高温度湿氢气经过冷凝器冷凝，冷凝器处的气体所含水蒸气冷凝后、气体局部压力降低，可促进整个氢气循环路中的气体对流作用；压力稍高的湿氢气可在压差的作用下源源不断地经过氢气循环路被抽吸到冷凝器中，以冷凝湿氢气中的水汽。这样一来，水汽则不会停滞、存留在电堆内的膜电极表面以及氢气循环路处的部件中，不会在系统电池堆、管路、部件随环境降温后冷凝到不期望冷凝产水的区域，从而保障低温储存膜电极的水含量在合理范围内，保证电堆寿命，也保障水汽不会过多地在氢气循环路处部件中冷凝导致部件结冰无法正常工作。

进一步地，所述冷凝器的出气口与氢气出口管连通，所述进气口处设有第一开度调节装置。

由于采用了上述技术方案，通过第一开度调节装置可调控进入冷凝器的气体比例，进而有效控制入堆氢气的含水量。

进一步地，所述气水分离器本体和/或冷凝器外壁设有保温层。

由于采用了上述技术方案，通过设置保温层进行保温，能保证系统带载运行时，尤其是在低温零下环境运行期间，循环的湿氢气经过气水分离器本体时不会产生大量冷凝水、导致入堆氢气过干。

进一步地，所述冷凝器外部设有作用于冷凝器的散热翅片。

进一步地，所述冷凝器处设有作用于冷凝器内物质的换热装置，所述换热装置内流通有冷却介质。

由于采用了上述技术方案，通入冷却介质促进湿氢气内的水汽冷凝。

进一步地，所述冷凝器为盘管式结构或夹层式结构。

进一步地，所述出气口处设有第二开度调节装置。

由于采用了上述技术方案，通过第二开度调节装置可调控气体停滞于冷凝器的时间，进而控制湿氢气的经冷凝后的含水量，以满足燃料电池系统不同的需求。

进一步地，所述氢气出口管处设有第三开度调节装置。

由于采用了上述技术方案，通过第二开度调节装置可调控湿氢气流向冷凝器和氢气出口管的比例。

进一步地，所述氢气出口管与冷凝器出气管的连通处设有湿度检测装置。

由于采用了上述技术方案，可检测氢气出口管处的湿度，依据湿度数据值来控制第一开度调节装置、第二开度调节装置和第三开度调节装置。

进一步地，还包括控制单元，所述湿度检测装置与控制单元信号连接，所述第一开度调节装置、第二开度调节装置、第三开度调节装置分别信号连接并受控于控制单元。

进一步地，所述气水分离器本体为折板式分水器或旋风式分水器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型可在燃料电池系统运行时保持系统循环的湿氢气经过时不过度冷凝失水。

2、本实用新型可在系统在低温储存前的停机吹扫期间、和停机后将氢气循环路的水蒸气通过冷凝器快速冷凝，避免水蒸气存留在电堆、管路和零部件中形成冷凝水结冰。

3、本实用新型可有效调控湿氢气中水蒸气的含量。

附图说明

图1是本实用新型燃料电池系统用气水分离装置的结构示意图；

图2是本实用新型冷凝器设置第一开度调节装置的结构示意图。

图中标记：1-氢气出口管，2-气水分离器本体，3-保温层，4-氢气进口管，5-出水管，6-冷凝器，7-第一开度调节装置，8-第二开度调节装置，9-第三开度调节装置，10-湿度检测装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种燃料电池系统用气水分离装置，如图1所示，包括气水分离器本体2，所述气水分离器本体2上连接有氢气进口管4、氢气出口管1和出水管5，其特征在于，还包括冷凝器6，所述冷凝器6的进气口与气水分离器本体2连通形成可作用于其内气体使其冷凝的冷凝单元。具体地说，氢气进口管4、氢气出口管1连通氢气循环路，电堆和氢气循环路处部件内的较高温度湿氢气经过冷凝器6冷凝，冷凝器6处的气体所含水蒸气冷凝后、气体局部压力降低，可促进整个氢气循环路中的气体对流作用；压力稍高的湿氢气可在压差的作用下源源不断地经过氢气循环路被抽吸到冷凝器6中，以冷凝湿氢气中的水汽。这样一来，水汽则不会停滞、存留在电堆内的膜电极表面以及氢气循环路处的部件中，不会在系统电池堆、管路、部件随环境降温后冷凝到不期望冷凝产水的区域，从而保障低温储存膜电极的水含量在合理范围内，保证电堆寿命，也保障水汽不会过多地在氢气循环路处部件中冷凝导致部件结冰无法正常工作。

实施例2

实施例2是对实施例1的进一步改进；一种燃料电池系统用气水分离装置，如图2所示，包括气水分离器本体2，所述气水分离器本体2上连接有氢气进口管4、氢气出口管1和出水管5，其特征在于，还包括冷凝器6，所述冷凝器6的进气口与气水分离器本体2连通形成可作用于其内气体使其冷凝的冷凝单元。

所述冷凝器6的出气口与氢气出口管1连通，所述进气口处设有第一开度调节装置7。具体地说，通过第一开度调节装置7可调控进入冷凝器6的气体比例，进而有效控制入堆氢气的含水量。

包括气水分离器本体2，所述气水分离器本体2上连接有氢气进口管4、氢气出口管1和出水管5，还包括冷凝器6，所述冷凝器6的进气口与气水分离器本体2连通，出气口与氢气出口管1连通，所述进气口处设有第一开度调节装置7。具体地说，氢气进口管4、氢气出口管1连通氢气循环路，电堆和氢气循环路处部件内的较高温度湿氢气通过冷凝器6冷凝，冷凝器6处的气体所含水蒸气冷凝后、气体局部压力降低，可促进整个氢气循环路中的气体对流作用；压力稍高的湿氢气可在压差的作用下源源不断地经过氢气循环路被抽吸到冷凝器6中，以冷凝湿氢气中的水汽。这样一来，水汽则不会停滞、存留在电堆内的膜电极表面以及氢气循环路处的部件中，不会在系统停机后，尤其在低温环境中，电池堆、管路、部件随环境降温后的水汽冷凝到不期望冷凝产水的区域，从而保障低温储存膜电极的水含量在合理范围内，保证电堆寿命，也保障水汽不会过多地在氢气循环路处部件中冷凝导致部件结冰无法正常工作。

所述气水分离器本体2外壁设有保温层3，所述保温层3包覆于气水分离器本体2。具体地说，通过设置保温层3进行保温，能保证系统带载运行时，尤其是在低温零下环境运行期间，循环的湿氢气经过气水分离器本体2时不会产生大量冷凝水、导致入堆氢气过干。

所述冷凝器6外部设有作用于冷凝器6的散热翅片。

所述冷凝器6处设有作用于冷凝器6内物质的换热装置，所述换热装置内流通有冷却介质。具体地说，可通入冷却介质促进湿氢气内的水汽冷凝。

所述冷凝器6为盘管式结构或夹层式结构。

所述出气口处设有第二开度调节装置8。具体地说，通过第二开度调节装置8可调控气体停滞于冷凝器6的时间，进而控制湿氢气的经冷凝后的含水量，以满足燃料电池系统不同的需求。

所述氢气出口管1处设有第三开度调节装置9。具体地说，通过第二开度调节装置8可调控湿氢气流向冷凝器6和氢气出口管1的比例。

所述氢气出口管1与冷凝器6出气管的连通处设有湿度检测装置10。具体地说，湿度检测装置10可检测氢气出口管1处的湿度，依据湿度数据值来控制第一开度调节装置7、第二开度调节装置8和第三开度调节装置9。

还包括控制单元，所述湿度检测装置10与控制单元信号连接，所述第一开度调节装置7、第二开度调节装置8、第三开度调节装置9分别信号连接并受控于控制单元。

所述气水分离器本体2为折板式分水器或旋风式分水器。

本文中应用了具体的实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统用气水分离装置，包括气水分离器本体，所述气水分离器本体上连接有氢气进口管、氢气出口管和出水管，其特征在于，还包括冷凝器，所述冷凝器的进气口与气水分离器本体连通形成可作用于其内气体使其冷凝的冷凝单元。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述冷凝器的出气口与氢气出口管连通，所述进气口处设有第一开度调节装置。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述气水分离器本体和/或冷凝器外壁设有保温层。

4.如权利要求2所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述冷凝器外部设有作用于冷凝器的散热翅片。

5.如权利要求2所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述冷凝器处设有作用于冷凝器内物质的换热装置，所述换热装置内流通有冷却介质。

6.如权利要求2-5任一权利要求所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述出气口处设有第二开度调节装置。

7.如权利要求6所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述氢气出口管处设有第三开度调节装置。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述氢气出口管与冷凝器出气管的连通处设有湿度检测装置。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，还包括控制单元，所述湿度检测装置与控制单元信号连接，所述第一开度调节装置、第二开度调节装置、第三开度调节装置分别信号连接并受控于控制单元。

10.如权利要求1、2、3、4、5、7、8或9所述的燃料电池系统用气水分离装置，其特征在于，所述气水分离器本体为折板式分水器或旋风式分水器。

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