一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置的制作方法

本发明涉及气水分离技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置。

背景技术：

我国燃料电池汽车相关系统技术和产业链尚未成熟，多种零部件有待开发优化。在燃料电池系统中，供应氢气的计量比大于1，未反应的氢气形成循环气路，封闭的循环使管路中存在燃料电池电堆反应产生的液态水，需将其定期排出。因此在燃料电池系统中需使用结构小巧，具有一定储水能力，且高效的气水分离装置分离管道中的液态水，以保证燃料电池较高的工作性能。

现有车用气水分离器主要采用滤芯过滤，借鉴空气压缩机所使用的气水分离器，滤芯顶部安装有沿着滤芯外径布置的轴向导流叶片，但该种导流叶片的导流作用十分有限，并不能形成充分的旋转气流促进液滴从气体中的分离。且在不同工况，气体流量改变时，尤其是增大气体流量时，分离效果不稳定或有所降低，使氢气管路中仍存在一定的液态水，影响燃料电池电堆工作性能。滤芯的使用也增加了氢气循环的阻力，增加了能耗，并且滤芯在低温环境下会结冰，可能导致燃料电池发动机低温冷启动失败。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种结构简单、分离效率高的用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置。

本发明提供一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置，包括壳体和旋风循环过滤部件，所述壳体包括上盖和与上盖连接的罐体，所述上盖的上端设置进口，所述上盖的侧壁上设置出口，所述罐体的内部为中空结构，所述罐体与进口和出口均连通，所述罐体的下端设置排水口，所述旋风循环过滤部件安装在上盖的下方，所述旋风循环过滤部件包括若干径向由内向外旋转的导流叶片、出气口、若干溢流口和束流管，所述束流管的内部为中空结构，所述出气口连接在束流管的上端，与束流管的内部连通，所述导流叶片呈螺旋状沿着出气口的外侧均匀排列在束流管的上端，所述溢流口开设在束流管的上端，沿着束流管的上端侧壁排列。

进一步地，所述导流叶片的一端连接在束流管的上端侧壁上，所述导流叶片的另一端沿着出气口聚拢。

进一步地，所述导流叶片的轮廓为圆弧、椭圆弧等利于气体旋流的曲线围成的类三角形或扇形结构。

进一步地，所述出气口的直径小于束流管的直径，所述导流叶片的高度等于或小于出气口的高度。

进一步地，所述气水分离装置还包括传感控制系统，所述传感控制系统包括传感器和排水电磁阀，所述传感器设置在罐体上或上盖上，用来检测罐体内的气体的压力、温度，所述排水电磁阀设置在排水口处。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1、气流阻力小：本发明的气水分离装置没有传统气水分离器中的滤芯部件，气体通过性好，流动阻力低，600slpm氢气流量下的压降小于5kpa，减轻了氢气循环泵等氢气循环设备的负担；

2、安全可靠：本发明的气水分离装置由于没有滤芯部件，不存在低温时滤芯结冰的问题，可避免出现燃料电池系统低温冷启动过程中，因气水分离装置结冰堵塞而出现系统停机故障的风险；

3、维护成本低：本发明的气水分离装置不需考虑长期使用的滤芯更换成本；

4、分离效率高且分离性能稳定：本发明的气水分离装置通过旋风循环过滤部件在束流管壁上形成的循环旋流，阻断了短路流的通路，使液态水在罐体内部循环而无法随气流排出，提高了气水分离效率，即使气体流量较大，高速气流增强了短路流的液体量，液体也会通过溢流孔重新循环进入罐体，保证了分离效率在不同工况下的稳定；

5、结构简单，安装方便：本发明使用的旋风循环过滤部件为单一零件，加工难度小，安装方便；

6、使用范围广：本发明使用的旋风循环过滤部件可安装于各种尺寸的燃料电池系统用汽水分离装置内，不同负载(氢气流量)情况下均有稳定高效的分离效率，便于匹配不同燃料电池系统安装空间和功率的需求。

附图说明

图1是本发明一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置的结构示意图。

图2是本发明一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置的旋风循环过滤部件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种用于燃料电池系统的旋风式循环过滤气水分离装置，包括壳体、传感控制系统和旋风循环过滤部件3，壳体包括上盖1和与上盖1一体连接或可拆卸连接的罐体2，上盖1的上端设置进口4，上盖1的侧壁上设置出口5，罐体2的内部为中空结构，罐体2与进口4和出口5均连通，罐体2的下端设置排水口8，传感控制系统包括传感器6和排水电磁阀7，传感器6设置在罐体2上或上盖1上，传感器6为压力传感器、温度传感器或二者的组合，传感器6用来检测罐体2内的气体的压力、温度，排水电磁阀7设置在排水口8处，排水电磁阀7开启后，利用排水口8将罐体2内积累的水排出。

旋风循环过滤部件3安装在上盖1的正下方，且位于罐体2内，旋风循环过滤部件3可以通过螺栓安装在上盖1的下方，参考图2，旋风循环过滤部件3包括若干导流叶片31、出气口32、若干溢流口33和束流管34，束流管34的内部为中空结构，形状为圆柱形，出气口32一体连接在束流管34的上端，出气口32的形状为圆柱形，出气口32的直径小于束流管34的直径，出气口32与束流管34的内部连通构成出气通道，出气口32的方向与出口5的方向垂直，导流叶片31一体连接在束流管34的上端，导流叶片31呈螺旋状沿着出气口32的外侧均匀排列，导流叶片31的一端连接在束流管34的上端侧壁上，导流叶片31的另一端沿着出气口32聚拢，导流叶片31的高度稍小于或等于出气口32的高度，导流叶片31的轮廓为圆弧、椭圆弧等利于气体旋流的曲线围成的类三角形或扇形结构，导流叶片31之间的空隙构成旋转流道，该旋转流道的方向垂直于进口4的方向或略带一定角度，能够促使气流形成较强旋转，增强气流的旋流强度，延长液体停留时间，同时通过中心向外旋流的方式有效降低了短路流，提高分离效率，溢流口33开设在束流管34的上端，沿着束流管34的上端侧壁排列，且位于相邻的导流叶片31之间，处于导流叶片31的末端，溢流口33使束流管34内壁原本可能伴随气流从出气口32逃逸的水通过溢流口33重新循环进入罐体2，从而保证了不同气体流速条件下稳定的分离效率，避免了传统气水分离器在大气体流量时出口气体中水滴夹带增多的问题。

本发明提供的气水分离装置的工作原理为：来自燃料电池电堆氢气出口的含液态水的氢气从进口4进入，通过上盖1内的气体分布流道进入旋风循环过滤部件3的出气口32的外侧，并经过导流叶片31形成强旋转气流进入罐体2，液态水在离心力和重力的作用下被分离至罐体2的侧壁和底部，氢气则绕过束流管34的外壁后旋转进入束流管34的内部，并通过出气口32，从出口5排出；罐体2底部的排水电磁阀7根据设定值间歇打开，将罐体2内部积聚的液态水从排水口8中排出。

当需处理的氢气流量较大时，罐体2内流速的增大导致液膜蠕动能力增强，液态水在高速气流的作用下易沿着束流管34的外壁一直攀爬至束流管34的内壁，传统结构下即会造成分离效率的降低，但是本发明提供的旋风循环过滤部件3通过溢流口33将束流管34内壁上可能附着的液态水重新引流循环到束流管34的外壁，并通过导流叶片31内的高速气流将液态水带至罐体2的内壁上，进而被分离至罐体2的底部，保证了氢气流量较大时气液分离效率不降低，束流管34壁面上的循环旋转气流有效的阻止了短路流的形成。

本发明提供的气水分离装置不需安装滤芯、降低了氢气循环的阻力，降低了对氢气循环泵等零部件工作能力的要求；不存在结冰的风险，提高了燃料电池低温冷启动的能力。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。