一种应用于氢气循环泵的气水分离装置

本发明涉及流体机械，具体涉及一种应用于氢气循环泵的气水分离装置。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种高效率、无噪音、无污染的新型能源技术，具有极大的优越性和应用价值，目前已广泛应用于航空航天、新能源交通、热电联产及电站等领域。燃料电池电堆在反应过程中会生成水，并被未完全反应的氢气带出，导致电堆排出氢气的水汽含量很高，湿度很大。但是，进入电堆的氢气中水含量过高会产生水淹现象，阻碍多孔介质中气体的扩散，导致电堆输出电压降低，甚至损坏电堆组件。因此，这些二次循环的氢气进入氢气循环泵循环之前，需要采用气水分离装置将水汽进行分离。

2、经检索，现有公开的气水分离装置相关专利中，例如中国专利(cn217312376u)公开了一种氢系统用气水分离器，其内部结构过于复杂，含水氢气通过时流程长、流阻大、沿程损失高，造成明显的出口压降，从而增加氢气循环泵的功耗。中国专利(cn114899451a)公开了一种旋风式分水器与引射器集成式氢循环系统，其结构虽然满足低流阻的需求，但是相对引射器体积较大，且气水分离效率较低。中国专利(cn216818396u)公开了一种氢气循环泵进气口用二级过滤装置，将挡板式和旋风式气水分离器进行组合应用，气水分离装置之间、气水分离装置与氢气循环泵之间都是分体设置，两者之间通过管路进行连通，管路传输距离相对较远，传输过程中会产生不必要的能量损耗，部分应用场景下管路连接复杂，安装效率低，体积大，不能满足氢燃料电池系统的紧凑型轻量化发展需求。

技术实现思路

1、针对现有气水分离装置存在结构复杂、功耗较大、分离效率较低的问题，本发明提供了一种应用于氢气循环泵的气水分离装置，该装置集成于氢气循环泵入口管路，在减小气水分离装置的体积的同时，通过对叶片和管道壳体的壁面结构作出改进，有效提高了氢循环系统内气水分离的效率。且本发明能够根据储水池水位高度来改变旁通管道内的压力，进而实现第一排水口的启闭，大大减小了能量损耗。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种应用于氢气循环泵的气水分离装置，其特征在于，包括集成在气体管道上的集成壳体、安装在集成壳体内的轮毂、若干组螺旋型渐阔叶片和泄水阀；所述集成壳体包括直径大于气体管道的管道壳体、以及与管道壳体底部连通且低于气体管道水平位置的储水腔壳体；所述轮毂与气体管道在同一轴线上；所述螺旋型渐阔叶片固定在轮毂上，螺旋型渐阔叶片的最大半径不小于气体管道的半径，且所述螺旋型渐阔叶片的压力面上开设有若干条用于将液体导向管道壳体内壁和储水腔壳体内的径向引水槽；所述泄水阀开设在储水腔壳体底部，用于将流入储水腔壳体内的液体排出。

4、进一步地，所述管道壳体内壁上开设有若干条用于将飞溅到内壁上的液体导入下方的储水腔壳体内的导流槽。

5、进一步地，所述导流槽的宽度为5～15mm、深度为3～6mm。

6、进一步地，所述轮毂为锥形轮毂，轮毂的截面直径沿进气方向逐渐增大。

7、进一步地，所述螺旋型渐阔叶片的压力面上相邻两条引水槽间隔30°～60°夹角，引水槽的宽度为1～5mm、深度为0.8～2mm。

8、进一步地，所述泄水阀包括开设在储水腔壳体底部的第一排水口、与第一排水口连通的出水管道、开设在储水腔壳体一侧的第二排水口、连通第二排水口与出水管道的旁通管道、用于堵住第一排水口的球形塞、以及一端固定在球形塞上，另一端插入旁通管道内的中空支撑部件；所述支撑部件通过压缩弹簧栓在旁通管道内；所述压缩弹簧在初始状态下为被压缩状态；所述支撑部件与两侧的旁通管道内壁之间留有间隙；所述支撑部件一侧和靠近这一侧的旁通管道内壁上各开设有一用于连通出水管道的通孔。

9、进一步地，所述出水管道内安装有支撑块，所述支撑块上开设有一容纳球形塞的球状凹坑，凹坑底部开设有导流孔，所述储水腔壳体内的液体仅能通过所述导流孔流出。

10、进一步地，所述第二排水口在储水腔壳体内的深度为储水腔壳体总深度的1/3。

11、进一步地，所述储水腔壳体总深度为30～60mm。

12、进一步地，所述气体管道内靠近管道壳体的两个端口处各安装有一固定件，所述轮毂通过轴承固定在两个固定件上。

13、本发明的有益效果如下：

14、1、本发明中的螺旋型渐阔叶片的最大半径不小于进气管道和出气管道半径，不仅能够保证含水气流充分冲击叶片并驱动叶轮旋转，还能够避免气流直接穿过管道壳体进入出气管道。同时通过在螺旋型渐阔叶片的压力面上设置引水槽，在管道壳体内壁上开设导流槽，保证叶片表面的液滴液膜在离心力的作用下沿径向飞溅，避免沿叶片表面流至出口进入出气管道，有效提高氢循环系统内气水分离效率，解决过量水进入电堆造成水淹的问题，避免低温环境下氢气循环泵内结冰堵转。

15、2、本发明通过将气水分离装置集成于氢气循环泵入口管道，装置体积小，占用空间小，在一些空间小的区域可以安装使用，且安装效率高，满足氢燃料电池系统的紧凑型轻量化发展需求。气水分离装置内部结构简单，气体传输距离短，减少了传输过程中的能量损耗，减小了气体压降。

16、3、本发明综合了挡板式和旋风式气水分离装置的各自优点，既体现了冲击挡板分离过程的高效，又体现了旋风分离过程的低流阻特性。本发明能够根据储水池水位高度来改变旁通管道内的压力，进而实现第一排水口的启闭，不存在电力驱动元件，避免了大功率消耗。

技术特征：

1.一种应用于氢气循环泵的气水分离装置，其特征在于，包括集成在气体管道(1)上的集成壳体、安装在集成壳体内的轮毂(5)、若干组螺旋型渐阔叶片(6)和泄水阀；所述集成壳体包括直径大于气体管道(1)的管道壳体(2)、以及与管道壳体(2)底部连通且低于气体管道(1)水平位置的储水腔壳体(3)；所述轮毂(5)与气体管道(1)在同一轴线上；所述螺旋型渐阔叶片(6)固定在轮毂(5)上，螺旋型渐阔叶片(6)的最大半径不小于气体管道(1)的半径，且所述螺旋型渐阔叶片(6)的压力面上开设有若干条用于将液体导向管道壳体(2)内壁和储水腔壳体(3)内的径向引水槽(10)；所述泄水阀开设在储水腔壳体(3)底部，用于将流入储水腔壳体(3)内的液体排出。

2.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述管道壳体(2)内壁上开设有若干条用于将飞溅到内壁上的液体导入下方的储水腔壳体(3)内的导流槽(4)。

3.根据权利要求2所述的气水分离装置，其特征在于，所述导流槽(4)的宽度为5～15mm、深度为3～6mm。

4.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述轮毂(5)为锥形轮毂(5)，轮毂(5)的截面直径沿进气方向逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述螺旋型渐阔叶片(6)的压力面上相邻两条引水槽(10)间隔30°～60°夹角，引水槽(10)的宽度为1～5mm、深度为0.8～2mm。

6.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述泄水阀包括开设在储水腔壳体(3)底部的第一排水口(14)、与第一排水口(14)连通的出水管道(8)、开设在储水腔壳体(3)一侧的第二排水口(15)、连通第二排水口(15)与出水管道(8)的旁通管道(9)、用于堵住第一排水口(14)的球形塞(11)、以及一端固定在球形塞(11)上，另一端插入旁通管道(9)内的中空支撑部件(16)；所述支撑部件(16)通过压缩弹簧(12)栓在旁通管道(9)内；所述压缩弹簧(12)在初始状态下为被压缩状态；所述支撑部件(16)与两侧的旁通管道(9)内壁之间留有间隙；所述支撑部件(16)一侧和靠近这一侧的旁通管道(9)内壁上各开设有一用于连通出水管道(8)的通孔(13)。

7.根据权利要求6所述的气水分离装置，其特征在于，所述出水管道(8)内安装有支撑块，所述支撑块上开设有一容纳球形塞(11)的球状凹坑，凹坑底部开设有导流孔，所述储水腔壳体(3)内的液体仅能通过所述导流孔流出。

8.根据权利要求6所述的气水分离装置，其特征在于，所述第二排水口(15)在储水腔壳体(3)内的深度为储水腔壳体(3)总深度的1/3。

9.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述储水腔壳体(3)总深度为30～60mm。

10.根据权利要求1所述的气水分离装置，其特征在于，所述气体管道(1)内靠近管道壳体(2)的两个端口处各安装有一固定件，所述轮毂(5)通过轴承(7)固定在两个固定件上。

技术总结
本发明提供了一种应用于氢气循环泵的气水分离装置，包括集成在气体管道上的集成壳体、安装在集成壳体内的轮毂、若干组螺旋型渐阔叶片和泄水阀。所述集成壳体包括直径大于气体管道的管道壳体、以及与管道壳体底部连通且低于气体管道水平位置的储水腔壳体。所述轮毂与气体管道在同一轴线上。所述螺旋型渐阔叶片固定在轮毂上，叶片的最大半径不小于气体管道的半径，且所述叶片的压力面上开设有若干条用于将液体导向管道壳体内壁和储水腔壳体内的径向引水槽。所述泄水阀开设在储水腔壳体底部，用于将流入储水腔壳体内的液体排出。本发明借助叶片压力面上的引水槽来提高氢循环系统内气水分离的效率，同时根据储水池水位高度来排水，减小了能量损耗。

技术研发人员：李伟,李硕,李欣瑜,李永康,秦佳,季磊磊,翟欢乐
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15