燃料电池系统的阳极汽水分离装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池系统的阳极汽水分离装置。


背景技术：

2.氢质子交换膜燃料电池作为继锂电池之后最受世人瞩目的清洁能源解决方案，其运行过程中只需要消耗氢气与空气中的氧气就能够源源不断地向外输送电力，反应的产物只生成水，是理论上最完美，最清洁的能源方案。由于氢质子交换膜燃料电池不受卡诺循环的影响，理论的能量利用率高达90%以上，目前燃料电池发动机系统能量效率已经达到60%以上，考虑热电综合效应甚至可达80%，是传统燃油车发动机远远无法企及的。随着近年来国家对于氢能布局逐渐扩大，越来越多的人投入了燃料电池行业中来。
3.氢燃料电池系统在运行过程中通过鼓风机或者空压机运送空气进入燃料电池阴极，其中的氧气为反应所消耗，反应后的出口空气会带走反应过程的水蒸气，重新返回增湿器对反应前入口空气进行湿热交换，使得入口空气具有一定湿度与温度，保证燃料电池电堆的正常运行。氢燃料电池系统的氢气由氢气源接入进入燃料电池阳极，部分的过量氢气会经过汽水分离器，分离并排出氢气内的水分及其他杂质气体，经由氢气循环泵的作用重新并入氢气入口，相比电堆氢气直排的情况，增加氢气使用的效率并且重新汇入的氢气也能够起到一定程度的增湿加热作用，使得燃料电池电堆性能更佳。
4.现有的燃料电池阳极氢气汽水分离器的结构一般都是固定的，通过本身的结构节流一定的水分，相对沉重的水向下汇聚形成液滴保存在液体收集区，而相对较轻的气体则会向上到达气体出口，这种方式能够一定程度上满足氢气与水分离的要求，但是传统的单一结构上存在以下弊端：1.单一结构对于汽水分离的效果没有差别。燃料电池电堆在运行过程中，对于相同面积的膜电极而言，小电流阶段由于通入的气体少，反应对应生成的水也较少，整体膜电极是偏干得状态，膜电极过于干燥会使得电池的内阻增大，导致电堆输出电压变低；在大电流阶段，由于此时生成水的量很大，需要及时有效的将生成水分离排出，原有的单一结构对于汽水分离效果有限，大量水回流可能会导致电堆“水淹”，对燃料电池电堆造成不可逆的损伤。2.单一结构的氢气利用率低，单一结构的汽水分离效果差，在后期为了满足排水需求，就需要频繁的打开电磁阀排水，目前所使用的排水控制策略为设定“排水开时间”以及“排水间隔时间”控制排水，以汽水分离器中排水后不存在积水作为判断依据，这样的控制策略主观性太强，并且排水时间永远大于理论需求时间，间接导致氢气排放量增加，使得系统氢气利用效率变低。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是提供一种燃料电池系统的阳极汽水分离装置，能够通过多条水汽分离通道协同调控湿度，实现可调控的水汽分离，提高水汽分离的效率，使得氢气回流的湿度在不同的测试条件之下能够得到控制。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种燃料电池系统的
阳极汽水分离装置，包括装置壳体，所述装置壳体上还设有用于进入气体的气体入口和排出气体的气体出口，所述装置壳体内设有位于气体入口和气体出口之间直排通道和至少两个相互独立的汽水分离通道；所述汽水分离通道内具有对气体进行水汽分离的除湿组件；所述直排通道和每个汽水分离通道内均设有开度可调的开关挡板，任一所述开关挡板打开使气体通过该开关挡板所在通道后从气体出口排出；所述直排通道和每个汽水分离通道的开关挡板处于不同开度，使气体入口的气体按比例分流通过直排通道和/或汽水分离通道后从排气出口排出，从而调节气体出口的气体湿度。
7.在本发明一个较佳实施例中，所述直排通道位于汽水分离通道的进口端上方，所述汽水分离通道的开关挡板位于汽水分离通道的进口端，所述汽水分离通道的开关挡板打开使直排通道内的气体通过开关挡板进入汽水分离通道。
8.在本发明一个较佳实施例中，所述直排通道的一端与气体入口连通，另一端与气体出口连通，所述直排通道的开关挡板位于气体出口一侧。
9.在本发明一个较佳实施例中，所述汽水分离通道为两个呈内外设置的汽水分离通道，外侧的汽水分离通道的流通区域面积大于内侧的汽水分离通道的流通区域面积，内侧的汽水分离通道的流通区域面积大于直排通道的流通区域面积。
10.在本发明一个较佳实施例中，外侧的所述汽水分离通道与装置壳体的内部直接连通，通过外侧汽水分离通道分离后的水汽流至装置壳体内部。
11.在本发明一个较佳实施例中，内侧的所述汽水分离通道的下端设有多孔球形排水器，内侧的汽水分离通道内的水通过多孔球形排水器排入装置壳体，所述多孔球形排水器位于外侧的汽水分离通道内除湿组件的下方。
12.在本发明一个较佳实施例中，所述汽水分离通道为沿竖直方向设置的u型通道，所述除湿组件对称设置在u型通道左右两侧，所述汽水分离通道的出口端朝向气体出口。
13.在本发明一个较佳实施例中，内侧的所述汽水分离通道的除湿组件为对称设置的多个除雾器垫，左侧的所述除雾器垫的孔径大于右侧的除雾器垫的孔径。
14.在本发明一个较佳实施例中，外侧的所述汽水分离通道的除湿组件为螺旋翅片、挡板或凝聚式网格垫。
15.在本发明一个较佳实施例中，所述装置壳体的下方设有排水电磁阀，装置壳体的内侧具有液位检测器，所述液位检测器检测到液位到达设定高度，通过排水电磁阀自动打开排水。
16.本发明的有益效果是：本发明燃料电池系统的阳极汽水分离装置，通过直排通、汽水分离通道的开关挡板调节各个通道的开度，从而实现进入各通道内进入气体的比例，以此来协同调控最终气体出口处的氢气湿度，能够保证不同条件下的膜电极湿度在理想的范围之内，以确保燃料电池电堆本身处于最优的工作条件之下，从而提升燃料电池电堆的电性能，达到提高系统输出功率以及延长系统使用寿命的目的。
17.本发明燃料电池系统的阳极汽水分离装置，各个汽水分离通道内采用不同类型的除湿组件，实现不同汽水分离通道对应不同效率的汽水分离，通过各个汽水分离通道的氢气最后获得不同湿度，使得氢气回流的湿度在不同的测试条件之下能够得到控制。
18.本发明燃料电池系统的阳极汽水分离装置，通过液位检测器和排水电磁阀可以自动控制调节排水的开启和关闭，自动适应电流大小产生的排水需求，更加精确的掌握排水
开关时间，减少不必要的氢气浪费，从而提高系统整体的氢气利用率，提升整体系统效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图，其中：图1是本发明燃料电池系统的阳极汽水分离装置一较佳实施例的原理示意图；图2是图1的直排通道打开状态的示意图；图3是图1的内侧的汽水分离通道打开状态的示意图；图4是图1的外侧的汽水分离通道打开状态的示意图；图5是燃料电池系统的原理示意图；图6是燃料电池系统的阳极汽水分离装置另一较佳实施例的原理示意图；图7是燃料电池系统的阳极汽水分离装置另一较佳实施例的原理示意图；附图中各部件的标记如下：1、装置壳体，11、气体入口，12、气体出口，13、排水电磁阀，14、液位检测器，2、直排通道，21、第一开关挡板，3、第一汽水分离通道，31、多孔球形排水器，32、第二开关挡板，33、除雾器垫，4、第二汽水分离通道，41、第三开关挡板，42、螺旋翅片，43、挡板，44、凝聚式网格垫。
具体实施方式
20.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
21.实施例1，请参阅图1和图5，一种燃料电池系统的阳极汽水分离装置，包括装置壳体1，装置壳体1上还设有用于进入气体的气体入口11和排出气体的气体出口12。燃料电池电堆的氢气出口与气体入口11连通，汽水分离装置的气体出口12与氢气循环泵连通，氢气循环泵将气体出口12排出的气体与氢气源混合后再送入燃料电池电堆。
22.装置壳体1内设有位于气体入口11和气体出口12之间直排通道2和两个相互独立的汽水分离通道。
23.直排通道2位于汽水分离通道的进口端上方。直排通道2的一端与气体入口11连通，另一端与气体出口12连通，直排通道2的第一开关挡板21位于气体出口12一侧。如图2所示，那么湿度很小的湿氢气通过气体入口11进入直排通道2，此时直排通道2上的开关挡板打开，湿氢气不经过汽水分离通道而是直接从气体出口12排出。这种状态下，由于该路径条件下的湿氢气湿度很小，基本上不产生液态水，故此不考虑液态水路径，此为直排状态，适应极小电流密度下，膜电极干燥急需加湿情况。
24.汽水分离通道为沿竖直方向设置的u型通道，除湿组件对称设置在u型通道左右两侧，汽水分离通道的出口端朝向气体出口12。汽水分离通道内具有对气体进行水汽分离的除湿组件；每个汽水分离通道内均设有开度可调的开关挡板，任一开关挡板打开使气体通过该开关挡板所在通道后从气体出口12排出。汽水分离通道的开关挡板位于汽水分离通道的进口端，汽水分离通道的开关挡板打开使直排通道2内的气体通过开关挡板进入汽水分离通道。气体入口11进入装置壳体1后，将任一汽水分离通道的开关挡板打开，部分氢气会进入该汽水分离通道，氢气沿着汽水分离通道流动，通过除湿组件将氢气和液体进行分离，干燥后的氢气最终从气体出口12排出，实现氢气的干燥。
25.汽水分离通道为两个呈内外设置的汽水分离通道，即外侧的汽水分离通道（第二汽水分离通道4）和内侧的汽水分离通道（第一汽水分离通道3）。本实施例以两个汽水分离通道作为具体方案进行原理描述，根据实际情况可以选择三个或三个以上汽水分离通道以相似的设置方式进行组合。
26.第一汽水分离通道3的下端设有多孔球形排水器31，第一汽水分离通道3内的水通过多孔球形排水器31排入装置壳体1。多孔球形排水器31位于第二汽水分离通道4内除湿组件的下方。如图3，将直排通道2和第二汽水分离通道4的第三开关挡板41关闭，第一汽水分离通道3的第二开关挡板32打开，湿氢气从气体入口11进入直排通道2后，由于直排通道2处于关闭状态，湿氢气将沿着内侧的汽水分离通道流动，通过除湿组件实现湿氢气的汽水分离，液体由于重力的影响汇聚到汽水分离通道的下端，在经由多孔球形排水器31从第一汽水分离通道3流出，掉落至装置壳体1底部。第一汽水分离通道3的流通区域面积大于直排通道2的流通区域面积。
27.第一汽水分离通道3的除湿组件为对称设置的多个除雾器垫33，左侧的除雾器垫33的孔径大于右侧的除雾器垫33的孔径。湿氢气进入汽水分离通道后先从上向下移动通过大孔径的除雾器垫33，由于除雾器垫33的网状结构能够捕获一定的水分凝结成水滴，然后再从下到上移动通过小孔径的除雾器垫33，更小的孔径能够捕获更小的水分子，增强汽水分离效果，形成的液态水会由于重力的影响汇聚到汽水分离通道的底部。通过不同孔径的除雾器垫33搭配使用，进一步提高水汽分离的效果。
28.第二汽水分离通道4与装置壳体1的内部直接连通，通过第二汽水分离通道4分离后的水汽流至装置壳体1内部。如图4所示，将直排通道2和第一汽水分离通道3内的开关挡板关闭，第二汽水分离通道4的第三开关挡板41打开，湿氢气从气体入口11进入直排通道2后，由于直排通道2处于关闭状态，湿氢气将沿着外侧的汽水分离通道流动，通过除湿组件实现湿氢气的汽水分离，液体由于重力的影响汇聚装置壳体1底部。
29.第二汽水分离通道4的除湿组件为螺旋翅片42。湿氢气首先沿着左侧的螺旋翅片42向下移动，通过螺旋翅片42后，湿氢气向右移动到达右侧的螺旋翅片42下方后，沿着右侧的螺旋翅片42向上移动，从而到达气体出口12。湿氢气在流动过程中由于翅片结构产生高速旋流，蒸汽的速度使其绕着分离器主体旋转，将较重的悬浮水甩到壁上，然后汇集至下方装置壳体1底部。采用螺旋翅片42具有更好的水汽分离效果。外侧的汽水分离通道的流通区域面积大于内侧的汽水分离通道的流通区域面积，实现更大流量的汽水分离。同样，螺旋翅片42的最下端的位置是必须高于多孔球形排水器31的，防止内侧的汽水分离通道排出的液体没过螺旋翅片42的底部。多孔球形排水器31为外采的常规部件，根据需求从现有产品中
做出合适选择。多孔球形排水器31能够借由本身表面液体的表面张力，阻止气体由排水器逆流。在这种状态下，经过外侧的汽水分离通道的氢气不会回流至内测的汽水分离通道。
30.上述三种状态为湿氢气的工作路径为单一状态。直排通道2和每个汽水分离通道的开关挡板处于不同开度，使气体入口11的气体按比例分流通过直排通道2和/或汽水分离通道后从排气出口排出，从而调节气体出口12的气体湿度。可以根据实际要求的氢气湿度，控制三个开关挡板打开，或者其中两个开关挡板打开，或者单个开关挡板打开，共计七种工作模式。同时在这七种工作模式下，还可以控制各个开关挡板实现开度的不同，从而获得不同湿度的氢气输出。具体开度根据实际需要进行计算调节，从而控制不同湿度的氢气输出至燃料电池电堆。
31.装置壳体1的下方设有排水电磁阀13，装置壳体1的内侧具有液位检测器14，液位检测器14检测到液位到达设定高度，通过排水电磁阀13自动打开排水。液位检测器14采用红外线液位检测仪，由一端传感器内部发出光源，光源通过空气全透射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测透射回来光量值的减少来监控液面。当液位到达排水液位时 将自动传递信号给排水电磁阀13，排水电磁阀13将会打开，当液位降低后，液位传感器信号消失，排水电磁阀13关闭，通过这样的手段，排水电磁阀13可以直接以液位信号作为开关标准，去除认为主观因素影响，且能更快更加精准的反馈，通过自检测排水控制，减少氢气排放，提高燃料电池系统效率。上述的红外液位检测方法属于光电折射式测量，其余的液位检测手段例如静压式测量、电容式测量、激光测量、tdr（时域反射）/导波雷达/微波原理测量、超声波测量等检测手段也可以用于进行液位检测。
32.实施例2，如图6所示，第二汽水分离通道4的除湿组件为多个挡板43间隔组成。多个挡板43在竖直方向上交错安装在装置壳体1上。当湿氢气通过汽水分离通道时，由于挡板43的作用会导致湿氢气的方向出现多次改变。悬浮的水滴比湿氢气的密度大，惯性大。当湿氢气流体流向发生变化时，气体绕着挡板43流动，液体凝聚在挡板43上，从而使大部分液体从湿氢气中分离，最后由于重力的影响汇聚装置壳体1底部。其余同实施例1。
33.实施例3，第二汽水分离通道4的除湿组件为多个凝聚式网格垫44间隔组成。多个凝聚式网格垫44在竖直方向上交错安装在装置壳体1上。凝聚式网格垫44在湿氢气的流动路径中作为障碍物，湿氢气通过凝聚式网格垫44使水分子被固定在凝聚式网格垫44上，这些水分子会被聚集在一起，生产较大水滴，从而使其不随气体一起流动，随着水滴增大，最后由于重力的影响汇聚装置壳体1底部。其余同实施例1。
34.另外，本发明也不限于上述实施例中提供的除湿组件的方案，可以在一个汽水分离通道内采用除雾器垫33、螺旋翅片42、挡板43、凝聚式网格垫44中任选两个组合使用。在不同的汽水分离通道中除湿组件可以采用完全相同或者不同的组合。此处不再一一举例。同样，由于汽水分离通道能采用更多的数量，除湿组件的组合方式会有更多种变化。
35.区别于现有技术，本发明可以自主调控氢气回流汽水分离的路径，不同的路径分别对应不同效率的汽水分离结构，避免了由于相同汽水分离结构导致前期回流气体过干或者是后期汽水分离不充分导致的燃料电池水淹问题，使得氢气回流的湿度在不同的测试条件之下能够得到控制，能够保证不同条件下的膜电极湿度在理想的范围之内，以确保燃料电池电堆本身处于最优的工作条件之下，从而提升燃料电池电堆的电性能，达到提高系统输出功率以及延长系统使用寿命的目的。
36.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。