气水分离器及燃料电池供氢系统的制作方法

1.本发明涉及新能源燃料电池，尤其是涉及一种气水分离器及燃料电池供氢系统。


背景技术：

2.氢燃料电池系统的氢气循环路通常使用氢循环泵或引射器作为氢气循环的装置。基于引射器的引射式回路，在氢燃料电池的氢气循环系统中受到较多研究人员的青睐，并且得到了日益广泛的应用。在氢燃料电池的氢气循环系统中，由于电池堆阳极排出的尾气含有产生饱和湿度下的混合气体(氢气、氮气及水分)，而维持入堆稳定运行的一个重要条件就是维持电堆需求的温度与湿度，因此循环尾气在进入引射器之前需要使用气水分离器将尾气中的液态水分离出来。
3.现有技术中一般使用压力损失小的挡板式分离器，一般设置一到三个挡板，随着挡板数量的增多，分离效率会略有提高，但是同时会造成阻力增大而使气液压力的损失增大。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.由于气液分离器总是在一定气流速度范围内才会保持较高的分离效率，而燃料电池系统的功率变化范围大，进入分水器的气流速度波动很大，所以造成分水器分离效率不高。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明的实施例提出一种气水分离器，可以实现在提高分离效率的同时，降低流动阻力，保证氢循环系统稳定高效运行。
8.本发明实施例还提供一种燃料电池供氢系统。
9.本发明实施例的气水分离器，包括：壳体，所述壳体具有腔室、气液混合物入口、排气口和排液口，所述气液混合物入口、所述排气口和所述排液口分别与所述腔室连通，所述气液混合物入口设在所述壳体在第一方向上的一侧，所述排气口和所述排液口设在所述壳体在所述第一方向上的另一侧，所述气液混合物入口和所述排气口位于所述壳体的上端，所述排液口位于所述壳体的下端；第一挡板，所述第一挡板设在所述腔室内，且所述第一挡板与所述气液混合物入口在所述第一方向上相对布置，所述第一挡板的底端与所述腔室的内壁面之间间隔开，所述第一挡板具有在第二方向上相对布置的第一侧面和第二侧面，所述第二方向正交于所述第一方向和上下方向，所述第一挡板的第一侧面和所述第一挡板的第二侧面中的至少一个与所述壳体的内壁面之间间隔开；和第二挡板，所述第二挡板设在所述腔室内，所述第二挡板和所述第一挡板在从所述排液口朝向所述气液混合物入口的方向上间隔布置，所述第二挡板具有在第二方向上相对布置的第三侧面和第四侧面，所述第二挡板的第三侧面和第四侧面均与所述壳体的内壁面之间相贴合，所述第二挡板的底端与所述腔室的内壁面间隔开。
10.本发明实施例的气水分离器可以实现在提高分离效率的同时，降低流动阻力，保证氢循环系统稳定高效运行。
11.在一些实施例中，所述第二挡板的底端高于所述第一挡板的底端。
12.在一些实施例中，所述第一挡板上设有多个沿上下方向延伸的排水槽，所述排水槽位于所述第一挡板朝向所述气液混合物入口的一侧。
13.在一些实施例中，所述第一挡板和所述第二挡板均为竖直板。
14.在一些实施例中，所述气水分离器还包括隔液挡板，所述隔液挡板位于所述排液口的上方、所述第一挡板的下方，所述隔液挡板在第一方向上具有第一端和第二端，所述隔液挡板的第一端固定连接所述壳体，所述隔液挡板的第二端位于所述第二挡板朝向所述排气口的一侧。
15.在一些实施例中，所述隔液挡板上开设有通槽，所述通槽在上下方向上贯穿所述隔液挡板，所述通槽位于所述隔液挡板的第二端。
16.在一些实施例中，所述通槽的横截面的外周轮廓形状为圆形或圆弧形。
17.在一些实施例中，所述腔室的下端为阶梯形的内底面，所述内底面的高度由所述气液混合物入口向所述排液口方向逐渐降低。
18.在一些实施例中，所述壳体在对应所述气液混合物入口、排气口和排液口处均设置有凸环，三个所述凸环均与所述腔室连通。
19.本发明实施例的燃料电池供氢系统，包括：高压氢气瓶；引射器，所述引射器的入口连通所述高压氢气瓶，所述引射器的出口连通电池燃料堆的入口以向电池燃料堆输送氢气；和气水分离器，所述气水分离器为上述任一实施例所述的气水分离器，所述气液混合物入口连通所述电池燃料堆的出口，所述排气口连通所述引射器的入口。
20.本发明实施例的燃料电池供氢系统对电池燃料堆排出的气水混合物进行高效地气水分离进而循环使用氢气，还降低了气水分离过程中对流体的阻力，降低流体的压力消耗，保证氢循环的高效运行。
附图说明
21.图1是本发明实施例的燃料电池供氢系统的结构示意图；
22.图2是本发明实施例的气水分离器的结构示意图；
23.图3是本发明实施例的气水分离器的俯视示意图；
24.附图标记：
25.高压氢气瓶2，截止阀3，减压阀4，喷氢阀5，引射器6，燃料电池堆7，入口71，出口72，气水分离器8，排液阀9，气液混合物入口11，排气口12，排液口13，内底面14，壳体15，隔液挡板16，通槽161，第一挡板17，第一侧面171，第二侧面172，第二挡板18，第三侧面181，第四侧面182，排水槽19，凸环20。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.如附图1至附图3所示，根据本发明实施例的气水分离器包括壳体15、第一挡板17
和第二挡板18，壳体15具有腔室、气液混合物入口11、排气口12和排液口13，气液混合物入口11、排气口12和排液口13分别与腔室连通，气液混合物入口11设在壳体15在第一方向(例如图2所示的左右方向)上的一侧，排气口12和排液口13设在壳体15在第一方向上的另一侧，气液混合物入口11和排气口12位于壳体15的上端，排液口13位于壳体15的下端。
28.具体地，如图2所示，第一方向为左右方向，气液混合物入口11设在壳体15的右侧，排气口12和排液口13设在壳体15的左侧。
29.第一挡板17设在腔室内，且第一挡板17与气液混合物入口11在第一方向上相对布置，第一挡板11的底端与腔室的内壁面之间间隔开，第一挡板17具有在第二方向(例如图2所示的前后方向)上相对布置的第一侧面171和第二侧面172，第二方向正交于第一方向和上下方向，第一挡板17的第一侧面171和第一挡板17的第二侧面172中的至少一个与壳体15的内壁面之间间隔开。
30.具体地，在如图3所示的实施例中，第二方向为前后方向，第一侧面171位于第一挡板17的前侧，第二侧面172位于第一挡板17的后侧，第一侧面171和第二侧面172均与壳体15的内壁面之间间隔开。
31.第二挡板18设在腔室内，第二挡板18和第一挡板17在从排液口13朝向气液混合物入口11的方向上间隔布置，第二挡板18具有在第二方向上相对布置的第三侧面181和第四侧面182，第二挡板18的第三侧面181和第四侧面182均与壳体15的内壁面之间相贴合，第二挡板18的底端与腔室的内壁面间隔开。
32.在如图3所示的实施例中，第三侧面181位于第二挡板18的前侧，第四侧面182位于第二挡板18的后侧。
33.根据本发明实施例的气水分离器，第一挡板17的第一侧面171和第二侧面172与壳体15的内壁面之间的间隔可使气流从此处流过，避免在经第一挡板17气水分离后的气流从第一挡板17下端流过时再次夹带液滴，同时也降低了第一挡板17对气流的阻力；第二挡板18的第三侧面181和第四侧面182均与壳体15的内壁面之间相贴合，保证气液混合物只能从第二挡板18下端通过，进一步地利用挡板对气液混合物进行气水分离，避免携带液滴的气流直接流向排气口12。
34.根据本发明实施例的气水分离器，气液混合物从气液混合物入口11进入壳体15的腔室内，气液混合物首先与第一挡板17发生碰撞实现第一级的气水分离，分离后的气体可通过第一挡板17的第一侧面171、第二侧面172和下端穿过朝第二挡板18流动，分离后的液体从第一挡板17上聚集形成液滴，沿第一挡板17下落流向排液口13；经过第一级气水分离后的气流及携带有液滴的气流在经过第二挡板18时，与第二挡板18发生碰撞实现第二级的气水分离，分离后的气体经第二挡板18的下端流向排气口12，分离后的液滴落下流向排液口13。
35.在一些实施例中，为进一步优化本实施例中的气水分离器，降低两个挡板在进行气水分离时形成的阻力，示例地，如图1所示，第二挡板18的底端高于第一挡板17的底端，使第二挡板18的下端具有更大的空间以通过气流。
36.在一些实施例中，第一挡板17上设有多个沿上下方向延伸的排水槽19，排水槽19位于第一挡板17朝向气液混合物入口11的一侧。在气水混合物经过与第一挡板17发生碰撞形成液滴后，液滴可通过排水槽19快速聚集向下流动，避免分离后的气流再次夹带液滴。
37.具体的，如图3所示，排水槽19位于第一挡板17的右侧，排水槽19的数量为两个，排水槽19的横截面的外轮廓为“u”形，两个排水槽19之间间隔开。
38.可以理解的是，排水槽19的横截面的外周轮廓的形状和数量并不限于此，例如排水槽19的横截面的外周轮廓的形状还可以为弧形，排水槽19的数量还可以是三个，三个排水槽19之间间隔开。
39.在如图1所示的实施例中，第一挡板17的左侧设置有截面呈三角形的加强筋，加强筋固定连接壳体15的内壁面，加强筋的设置增强了第一挡板17的安装牢固性。
40.在一些实施例中，第一挡板17和第二挡板18均为竖直板，竖直板使聚集在板上的液滴能够快速流下以提升气水分离器的运行效率。
41.根据本发明实施例的气水分离器还包括隔液挡板16，隔液挡板16位于排液口13的上方、第一挡板17的下方，隔液挡板16在第一方向上具有第一端和第二端，隔液挡板16的第一端固定连接壳体15，隔液挡板16的第二端位于第二挡板18朝向排气口12的一侧。
42.具体地，如图2所示，隔液挡板16的第一端位于隔液挡板16的右侧，隔液挡板16的第二端位于隔液挡板16的左侧，隔液挡板16的第二端位于第二挡板18的左侧。
43.经过第一挡板17和第二挡板18分离后的液体落至隔液挡板16，且在隔液挡板16上流向排液口13。隔液挡板16可以防止壳体15的内底面14上积存的液体震荡到上方，从而避免气流再次夹带液滴。
44.在一些实施例中，隔液挡板16上开设有通槽161，通槽161在上下方向上贯穿隔液挡板16，通槽161位于隔液挡板16的第二端。
45.如图2所示，通槽161位于隔液挡板16的左端。
46.本发明实施例的气水分离器通过设置通槽161，增大了隔液挡板16的左端连通上下空间的边界线，延长了隔液挡板16上的液体向下流动的边界线，更有利于液体的顺利流下。
47.根据本发明实施例的气水分离器，通槽161的横截面的外周轮廓形状为圆形或圆弧形。示例地，如图2所示，通槽161的横截面的外周轮廓形状为弧形，隔液挡板16的左端与壳体15的内壁面之间间隔开。
48.可以理解的是，通槽161的横截面的外周轮廓的形状并不限于此，例如还可以为波浪形，只要能延长隔液挡板16上的液体向下流动的边界线即可。
49.在一些实施例中，腔室的下端为阶梯形的内底面14，内底面14的高度由气液混合物入口11向排液口13方向逐渐降低。示例地，如图2所示，阶梯形的内底面14使排液口13与隔液挡板16的左端之间具有较大的空间，进一步降低内底面14上的积液震荡向上飞溅的可能，进而避免气流的二次夹带液滴。
50.在一些实施例中，壳体15在对应气液混合物入口11、排气口12和排液口13处均设置有凸环20，三个凸环20均与腔室连通。凸环20使本发明实施例的气水分离器能够更方便地与管道连接。
51.下面描述本发明实施例的一种燃料电池供氢系统。
52.如图1所示，根据本发明实施例的一种燃料电池供氢系统包括高压氢气瓶2、引射器6和气水分离器。引射器6的入口连通高压氢气瓶2，高压氢气瓶2与引射器6的入口之间的管路上沿着供气方向依次设置有截止阀3、减压阀4和喷氢阀5，高压氢气瓶2为引射器6提供
气体，引射器6的出口连通电池燃料堆7的入口71以向电池燃料堆7输送氢气。
53.气水分离器为根据本发明实施例的气水分离器8，气液混合物入口11连通电池燃料堆7的出口72，排气口12连通引射器6的入口，排水口13连接有排液管路，排液管路上设置有排液阀9。
54.本发明实施例的燃料电池供氢系统，高压氢气瓶2向喷氢阀5提供高压氢气，喷氢阀5再向引射器6提供氢气，然后经引射器6向燃料电池堆7泵送氢气。氢气在燃料电池堆7中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水和水蒸气从电堆中排出，形成需要被循环的气液混合物。气液混合物从燃料电池堆7的出口72排出后进入气水分离器8中，气液混合物经过第一挡板17和第二挡板18的作用，液滴和气体实现碰撞分离，被分离后的液态水在壳体15的腔室中聚集经排液口13排出，分离的气体从排气口12排出，进入引射器6中，与干氢气混合后再次被泵送进入燃料电池堆7中。
55.本发明实施例的燃料电池供氢系统，对电池燃料堆7排出的气水混合物进行高效地气水分离进而循环使用氢气，还降低了气水分离过程中对流体的阻力，降低流体的压力消耗，保证氢循环的高效运行。
56.根据本发明实施例的燃料电池供氢系统，示例地，对于一个150kw燃料电池堆，设定本发明实施例的气水分离器额定工况下的体积流量为980slpm(标准升每分钟)，以及工作压力为250kpa。对于所设计的产品进行实验验证与数值分析验证，并与一款商用气水分离器进行比较。结果证明本发明实施例的气水分离器在设计工况下最大压力损失为4.80kpa，而商用气水分离器为13.80kpa，因此本发明实施例的气水分离器的因阻力而产生的损失显著降低。同时，本发明实施例的气水分离器的分离效率达到97％以上。因此，本发明实施例的气水分离器同时具有低阻力损失和高分离效率的优点，有利保证燃料电池系统安全高效运行。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
59.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
61.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。