缓冲扩散汽水分离器、试验室及燃料电池尾气排放装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种缓冲扩散汽水分离器、试 验室及燃料电池尾气排放装置。


背景技术：

2.氢燃料电池电动汽车相比燃油汽车具有零排放、无污染、高效节能、噪声 低，相比传统电动汽车具有续驶里程长、加氢快，具有明显的优势。氢燃料电 池是氢气在催化剂作用下与氧气化学反应生成水，直接将化学能转化为电能， 作为氢燃料电池电动汽车的主要动力源。在燃料电池系统中，进入电堆中的氢 气有很大一部分并未参与氢氧化学反应，为了提高氢气的利用率,这部分氢气 在引射器和氢气循环泵的作用下通过循环回路进入电堆阳极入口前的引射器 中，并与储氢罐排出的氢气混合后进入电堆中；随着运行时间延续，电堆阳极 中的氢气不可避免进入或产生杂质，同时阳极侧由于氢气进气加湿冷凝、阴极 化学反应生成的水渗透、出口毛细作用倒吸等原因导致电堆内部堵水，影响电 堆性能。
3.目前，一般通过定期排放氢气，利用压力排氢带出多余的水分，又称作 purge排氢，由此带来问题是尾气排放气体中氢气浓度骤增。另外，氢燃料电 池电动车辆的储氢瓶或氢气管道中的氢气在超温超压(氢气压力大于设定标 准)时，氢气泄压阀会自动打开以保证系统安全。当泄压阀打开时，会有高纯 度的氢气排出。氢气高浓度排放可能发生氢气火灾或爆炸的安全风险，综上可 知，燃料电池系统及测试试验室、车辆及测试试验室的排放尾气不能直接排放 到大气中，需要对尾气进行处理，符合标准后排放。
4.如图4所示，现有试验室尾气排放技术中一般采用扩散稀释器27对排放 的尾气与新鲜空气的混合以减低可能的超标氢气浓度，再通过换热汽水分离器 28实现液态水的和混合气体的分别排放。燃料电池系统或车辆排放的尾气， 经橡胶软管30、尾气入口进入扩散稀释器27，由试验室压缩空气提供的新鲜 空气经管道及压缩空气入口也同时进入扩散稀释器27，该两股气体进入后立 即缓冲扩散混合，降低氢气浓度。
5.混合气体经扩散稀释器27出来再进入换热汽水分离器28，在扩散稀释器 27和换热汽水分离器28之间连接的管道上安装有氢气传感器10＇实时监测氢 气浓度，氢气传感器10＇信号输出到压缩空气管道电磁阀11＇，当氢气传感器 10＇浓度高于限值时，压缩空气管道电磁阀11＇开度加大，增加稀释用的新 鲜空气流量，降低混合后的气体中氢气浓度直至低于限值。稀释后的混合气体 在换热汽水分离器28内经过冷却水系统换热冷却，实现汽水分离。经汽水分 离后的混合气体再经阻火器13＇进入试验室屋顶的防爆风机14＇后排出到室 外的大气中，保障试验室安全。混合气体冷却分离的液态水沉积到换热汽水分 离器28底部，通过排水阀29定时打开排出多余的水分。
6.现有的尾气排放装置结构复杂，体积大，造价高。排放尾气与压缩空气在 扩散稀释器27中进行缓冲扩散、稀释，然后再进入换热汽水分离器28中进行 汽水分离，投资和运行成本高。传统方案采用柜式半密闭装置散热不好，另外 燃料电池电动车辆排放出来的尾气温度大约70℃-80℃，为实现汽水分离，增 加汽水分离器(管程或板式换热器)，需增加冷
却水系统实现降温，进一步增 加了造价，同时也增加了能耗、装置的投资和运行成本。


技术实现要素：

7.为解决以上技术问题，本发明提供一种缓冲扩散汽水分离器、试验室及燃 料电池尾气排放装置，结构集成简化，体积大幅降低，降低了设备的投资和运 行成本。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供一种缓冲扩散汽水分离器，包括壳体、气体入口、混合气体出 口、多个折流板和多个肋加强板，所述气体入口和所述混合气体出口分别设置 于所述壳体的两端，多个所述折流板交错设置于所述壳体内壁上，所述气体流 通方向与所述折流板相垂直，所述气体入口用于通入压缩气体和尾气；各所述 折流板上均固定有一个所述肋加强板，所述肋加强板的侧面固定于所述壳体内 壁上，所述肋加强板设置于远离所述气体入口的一侧。
10.本发明还提供一种试验室尾气排放装置，包括缓冲扩散汽水分离器、压缩 空气输送管、压缩空气管道电磁阀、气体输出管、氢气传感器和控制器，所述 壳体竖直设置，所述混合气体出口位于所述壳体顶部，所述气体输出管与所述 混合气体出口连接，所述氢气传感器设置于所述混合气体出口处，所述气体入 口包括位于所述壳体底部的压缩空气入口和尾气入口，所述压缩空气输送管与 所述压缩空气入口连接，所述压缩空气管道电磁阀设置于所述压缩空气输送管 上，所述氢气传感器和所述压缩空气管道电磁阀均与所述控制器连接。
11.优选地，还包括液位传感器和设置于所述壳体底部的排水管，所述排水管 上设置有排水电磁阀，所述液位传感器设置于所述壳体内壁的下部，所述液位 传感器和所述排水电磁阀均与所述控制器连接。
12.优选地，还包括金属波纹管，所述金属波纹管一端用于通入尾气，所述金 属波纹管另一端与所述尾气入口连接。
13.优选地，还包括阻火器和防爆风机，所述气体输出管穿过试验室屋顶并伸 至试验室外部，所述阻火器和所述防爆风机均设置于所述气体输出管上且位于 试验室屋顶外部。
14.本发明还提供一种燃料电池尾气排放装置，包括缓冲扩散汽水分离器、燃 料电池系统、氢气浓度传感器、消声器和整车控制器，所述壳体水平设置，所 述氢气浓度传感器设置于所述混合气体出口上，所述气体入口内侧设置有所述 消声器，所述燃料电池系统包括氢燃料电池阳极、氢燃料电池阴极、第一阳极 管路、第二阳极管路、第三阳极管路、减压阀、供氢电磁阀、氢喷射器、氢循 环泵、排氢电磁阀、第一阴极管路、第二阴极管路、第三阴极管路、空压机、 中冷器和三通电磁阀，所述第一阳极管路一端与所述氢燃料电池阳极的入口连 接，所述第一阳极管路另一端用于与储氢系统连接，所述减压阀、所述供氢电 磁阀和所述氢喷射器由外至内依次设置于所述第一阳极管路上，所述第二阳极 管路的两端分别与所述氢燃料电池阳极的出口和所述第一阳极管路连接，所述 第二阳极管路设置于所述供氢电磁阀和所述氢喷射器之间，所述氢循环泵设置 于所述第二阳极管路上，所述第三阳极管路的两端分别与所述氢燃料电池阳极 的出口和所述气体入口连接，所述排氢电磁阀设置于所述第三阳极管路上，所 述第一阴极管路与所述氢燃料电池阴极的入口连接，所述空压机、所述中冷器 和所述三通电磁阀由外至内依次设置于所述第一阴极管路上，所述三通电磁阀 的另一端口与所述第二阴极管路的一端连接，所述第二阴极管路的另一端与所 述
气体入口连接，所述第三阴极管路的两端分别与所述氢燃料电池阴极的出口 和所述第二阴极管路连接，所述氢气浓度传感器、所述供氢电磁阀和所述三通 电磁阀均与所述整车控制器连接。
15.优选地，所述折流板上设置有多个消声孔。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明提供的缓冲扩散汽水分离器、试验室及燃料电池尾气排放装置，缓 冲扩散汽水分离器包括壳体、气体入口、混合气体出口、多个折流板和多个肋 加强板，多个折流板交错设置于壳体内壁上，气体流通方向与折流板相垂直， 气体入口用于通入压缩气体和尾气，各折流板上均固定有一个肋加强板，通过 设置肋加强板对折流板进行加强，增加折流板的耐冲击强度。缓冲扩散汽水分 离器可以应用于试验室尾气排放装置和燃料电池系统尾气排放装置中，通过在 壳体内部设置折流板实现purge排氢和新增空气的缓冲扩散和汽水分离，将扩 散稀释器和汽水分离器集成在一起，结构集成简化，体积大幅降低，取消了冷 却水系统，大幅度降低了设备的投资和运行成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，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他的附图。
19.图1为本发明提供的试验室尾气排放装置的结构示意图；
20.图2为本发明提供的燃料电池系统尾气排放装置中缓冲扩散汽水分离器 的结构示意图；
21.图3为本发明提供的燃料电池系统尾气排放装置的结构示意图；
22.图4为现有技术中试验室尾气排放装置的结构示意图。
23.附图标记说明：1-壳体；2-折流板；3-肋加强板；4-气体入口；5-混合气 体出口；6-压缩空气入口；7-尾气入口；8-液位传感器；9-排水电磁阀；10、 10＇-氢气传感器；11、11＇-压缩空气管道电磁阀；12-金属波纹管；13、13＇
ꢀ-
阻火器；14、14＇-防爆风机；15-氢气浓度传感器；16-消声器；17-氢燃料电 池阳极；18-氢燃料电池阴极；19-减压阀；20-供氢电磁阀；21-氢喷射器；22
-ꢀ
氢循环泵；23-排氢电磁阀；24-三通电磁阀；25-中冷器；26-空压机；27-扩散 稀释器；28-换热汽水分离器；29-排水阀；30-橡胶软管。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明的目的是提供一种缓冲扩散汽水分离器、试验室及燃料电池尾气排 放装置，结构集成简化，体积大幅降低，降低了设备的投资和运行成本。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.实施例一：
28.如图1所示，本实施例提供一种缓冲扩散汽水分离器，包括壳体1、气体 入口4、混合气体出口5、多个折流板2和多个肋加强板3，气体入口4和混 合气体出口5分别设置于壳体1的两端，多个折流板2交错设置于壳体1内壁 上，气体流通方向与折流板2相垂直，气体入口4用于通入压缩气体和尾气。 压缩气体和尾气进入壳体1之后沿折流板2做曲折运动，增加气体的运动路程， 提升了气体的停留时间，使得尾气得到充分地稀释，高浓度尾排氢气通过折流 板2可以高效缓冲扩散，同时实现汽水分离。本实施例中的缓冲扩散汽水分离 器将扩散稀释功能和汽水分离功能集成在一起，结构集成简化，体积大幅降低， 取消了冷却水系统，大幅度降低了设备的投资和运行成本。
29.具体地，各折流板2上均固定有一个肋加强板3，肋加强板3的侧面固定 于壳体1侧壁上，肋加强板3设置于远离气体入口4的一侧。通过设置肋加强 板3对折流板2进行加强，增加折流板2的耐冲击强度。
30.于本具体实施中，壳体1包括依次连接的第一半球盖、中部圆筒和第二半 球盖，混合气体出口5设置于第一半球盖上，气体入口4设置于第二半球盖上， 折流板2设置于中部圆筒的内壁上，多个折流板2沿中部圆筒的轴向均匀交错 分布。本实施例中的壳体1为不锈钢壳体。
31.实施例二：
32.如图1所示，本实施例提供一种试验室尾气排放装置，包括缓冲扩散汽水 分离器、压缩空气输送管、压缩空气管道电磁阀11、气体输出管、氢气传感 器10和控制器，壳体1竖直设置，混合气体出口5位于壳体1顶部，气体输 出管与混合气体出口5连接，氢气传感器10设置于混合气体出口5处，气体 入口4包括位于壳体1底部的压缩空气入口6和尾气入口7，压缩空气输送管 与压缩空气入口6连接，压缩空气管道电磁阀11设置于压缩空气输送管上， 氢气传感器10和压缩空气管道电磁阀11均与控制器连接。氢气传感器10用 于实时监测排出的尾气中氢气浓度，信号与压缩空气管道电磁阀11开度连锁， 实现自动控制进入缓冲扩散汽水分离器的新增空气流量，保证本装置尾气出口 位置的氢气浓度达标排放。
33.本实施例中还包括液位传感器8和设置于壳体1底部的排水管，排水管上 设置有排水电磁阀9，液位传感器8设置于壳体1内壁的下部，液位传感器8 和排水电磁阀9均与控制器连接。排水电磁阀9与液位传感器8连锁，实现壳 体1内液态水达到某一合适高液位时，排水电磁阀9自动打开实现排水，排水 达到某一合适低液位时，排水电磁阀9自动关闭，进而避免内部混合气体通过 排水电磁阀9泄漏到试验室内，进一步保障试验室安全。于本具体实施例中， 当壳体1内液态水高度达到壳体1高度的35％时自动排水，当排水达到液态水 高度为壳体1高度的15％时排水电磁阀9关闭。
34.本实施例中还包括金属波纹管12，金属波纹管12一端用于通入尾气，金 属波纹管12另一端与尾气入口7连接。金属波纹管12一方面有利于高温尾气 的降温，另一方面能够消除静电安全危险。
35.本实施例中还包括阻火器13和防爆风机14，气体输出管穿过试验室屋顶 并伸至试验室外部，阻火器13和防爆风机14均设置于气体输出管上且位于试 验室屋顶外部。阻火器13为安全冗余设计，在万一出现尾气超标排放时消除 出现明火的安全隐患。防爆风机14
使系统始终处于负压状态，保证尾气不会 泄露到试验室内。
36.本实施例中的试验室尾气排放装置采用全裸露、直立形式以增加散热及汽 水分离效果，燃料电池系统或燃料电池电动车辆尾气出口到壳体1的尾气入口 7选用大口径不锈钢波纹管进一步增加散热效果。本实施例中的缓冲扩散汽水 分离器通过大直径不锈钢管道直通到试验室屋顶的防爆风机14，尽量减少弯 头，使得其中冷凝的水自流回到缓冲扩散汽水分离器。
37.具体工作过程为：燃料电池系统或车辆排放的尾气，经金属波纹管12和 尾气入口7进入缓冲扩散汽水分离器，由试验室压缩空气提供的新鲜空气经压 缩空气入口6同时进入缓冲扩散汽水分离器，该两股气体进入后立即缓冲扩散 混合，降低氢气浓度。基于燃料电池系统或车辆尾气出口温度大约为80℃， 且其中含有大量的气态水和少量的液态水，进入缓冲扩散汽水分离器后在内部 的折流板2、系统降温后实现汽水分离。
38.混合气体经混合气体出口5出来，通过氢气传感器10实时监测氢气浓度， 氢气传感器10信号输出到控制器，当氢气传感器10浓度高于限值时，控制器 控制压缩空气管道电磁阀11开度加大，增加稀释用的新鲜空气流量，降低混 合后的气体中氢气浓度直至低于限值。具体地，gb/t24549-2009中要求“车 外释放不超过let的75％(即3％vol)”，氢燃料电池车全球技术法规gtr13 中要求“任意3秒内平均浓度小于4％vol，任意时间不高于8％vol”。经汽水 分离后的混合气体经混合气体出口5出来，再经阻火器13进入试验室屋顶的 防爆风机14后排出到室外的大气中。
39.汽水分离沉积到缓冲扩散汽水分离器中的液态水通过液位传感器8控制 排水电磁阀9，实现装置内保留合适高度的液态水。在装置停用时，缓冲扩散 汽水分离器底部的排水电磁阀9常开，保障内部不会存水，避免装置在冬季环 境下冻坏。
40.实施例三：
41.如图2和图3所示，本实施例提供一种燃料电池尾气排放装置，包括缓冲 扩散汽水分离器、燃料电池系统、氢气浓度传感器15、消声器16和整车控制 器，壳体1水平设置，氢气浓度传感器15设置于混合气体出口5上，气体入 口4内侧设置有消声器16，本实施例中的消声器16为长短管式消声器。为了 进一步增强消声效果，折流板2上设置有多个消声孔。本实施例中的燃料电池 尾气排放装置是指燃料电池系统或车辆的尾气排放装置，即将缓冲扩散汽水分 离器应用于车辆上时的装置。
42.燃料电池系统包括氢燃料电池阳极17、氢燃料电池阴极18、第一阳极管 路、第二阳极管路、第三阳极管路、减压阀19、供氢电磁阀20、氢喷射器21、 氢循环泵22、排氢电磁阀23、第一阴极管路、第二阴极管路、第三阴极管路、 空压机26、中冷器25和三通电磁阀24，第一阳极管路一端与氢燃料电池阳极 17的入口连接，第一阳极管路另一端用于与储氢系统连接，减压阀19、供氢 电磁阀20和氢喷射器21由外至内依次设置于第一阳极管路上，第二阳极管路 的两端分别与氢燃料电池阳极17的出口和第一阳极管路连接，第二阳极管路 设置于供氢电磁阀20和氢喷射器21之间，氢循环泵22设置于第二阳极管路 上，第三阳极管路的两端分别与氢燃料电池阳极17的出口和气体入口4连接， 排氢电磁阀23设置于第三阳极管路上，第一阴极管路与氢燃料电池阴极18 的入口连接，空压机26、中冷器25和三通电磁阀24由外至内依次设置于第 一阴极管路上，三通电磁阀24的另一端口与第二阴极管路的一端连接，第二 阴极管路的另一端与气体入口4连接，第三阴极管路的两端分别与氢燃料
电池 阴极18的出口和第二阴极管路连接，氢气浓度传感器15、供氢电磁阀20和 三通电磁阀24均与整车控制器连接。
43.具体工作过程为：氢燃料电池电动汽车的储氢系统的高压氢气经减压阀 19将压力降低到1.4bar～1.6bar(该压力满足电堆进氢气压力要求)。为提高电 堆效率，需供应过量的氢气；为提高电堆质子膜电极活性，需对供应的过量氢 气进行加湿。过量且加湿的氢气经供氢电磁阀20、氢喷射器21由氢燃料电池 阳极17的入口进入氢燃料电池阳极17，在质子交换膜上在催化剂作用下与氢 燃料电池阴极18进入的空气中的氧气进行化学反应生成水，未参与化学反应 的过量氢气由氢燃料电池阳极17的出口经氢循环泵22、氢喷射器21和新鲜 氢气一起再次进入氢燃料电池阳极17；此时氢燃料电池阳极17的出口位置温 度大约85℃，随电堆运行时间延长，氢燃料电池阳极17中的氢气不可避免进 入或产生杂质，同时电堆“导槽”内有凝水出现“堵水”现象，质子交换膜上 化学反应产生的水出现“水淹”现象，此时电堆效率会大幅度下降。为保证电 推效率，连接到氢燃料电池阳极17出口侧的排氢电磁阀23周期性短时间打开， 内部氢气连同液态水、杂质气体排出，达到消除“堵水”和“水淹”的目的。
44.新鲜空气经空压机26、中冷器25、三通电磁阀24由氢燃料电池阴极18 的入口进入氢燃料电池阴极18，其中的氧气在质子交换膜上在催化剂作用下 与氢燃料电池阳极17进入的氢气进行化学反应生成水，大约有40％～60％的氧 气参与了化学反应，其余空气由氢燃料电池阴极18的出口排出电堆。
45.以上氢燃料电池阳极17purge排放的气体经过气体入口4进入缓冲扩散汽 水分离器，氢燃料电池阴极18排放的气体也经气体入口4进入缓冲扩散汽水 分离器，气体进入后立即缓冲扩散混合，降低氢气浓度，混合气体经混合气体 出口5和氢气浓度传感器15排放到大气中。
46.其中，氢气浓度传感器15信号与氢燃料电池阳极17侧的供氢电磁阀20、 氢燃料电池阴极18侧的三通电磁阀24连锁。当尾气中氢气浓度超标某一低限 值时，三通电磁阀24旁路开度加大，进入缓冲扩散汽水分离器的空气流量随 着增加来降低超标的氢气浓度；到氢气浓度没有下降且继续增加到某一高限值 时，氢燃料电池阳极17侧的供氢电磁阀20开度减少，减少进入氢燃料电池阳 极17的氢气，purge排氢相应减少，进一步降低混合气体中氢气浓度，直至达 标安全排放。
47.本说明书中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领 域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有 改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。