燃料电池用的气液分离装置以及燃料电池系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池用的气液分离装置以及燃料电池系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池系统的水管理是影响质子交换膜燃料电池系统运行的关键因素之一。燃料电池氢气侧出堆混合物中主要含有氢、氮及水等成分，其中所包含的水常以气液混合物形式存在，即通常同时含有水蒸汽及液态水。如若出堆混合物中液态水未能被及时分离，氢气回流路会将其重新带至电堆入口，会影响电堆的运行湿度控制，严重时会造成电堆内部堵水。为去除燃料电池氢气侧出堆混合物中的所含的液态水滴，电堆氢气出口一般都设有气液分离结构或装置。

常用的气液分离装置根据用途及需求可分为离心式、惯性/重力分离、滤芯式等形式。

惯性/重力气液分离装置主要利用被分离的气液混合物中气相、液相密度的差异，在气液分离装置流动过程中受惯性及重力作用后气相、液相的流动轨迹不同，形成气体聚集区和液体聚集区。惯性/重力气液分离装置结构简单，不需额外驱动能量，流动损失小，运行可靠程度高。这样的惯性 /重力气液分离装置主要依赖于重力势能差(即高度差)来实现气液分离的目的，需要气液混合物入口、排液出口及排气口间存在足够的高度差，气液分离装置与燃料电池系统部件连接接口布置相应地需要足够的空间，紧凑型较大。另外，传统的惯性/重力气液分离装置需要较大的储液容积，并且气液分离效率受气流瞬态变化、液位晃动等因素干扰大。然而，车用燃料电池系统空间布置受限，要求结构紧凑，并且具有工况负载变化大、车辆运行晃动幅度大等特点。传统的惯性/重力气液分离装置用于车用燃料电池系统一般具有以下缺点：(1)体积较大，储水容积较大，空间布置要求高；(2)气液分离效果受车辆瞬态运行状态敏感性高，气液分离效果不稳定。

另外，滤芯式气液分离装置的流动损失相对偏高，滤芯易堵塞，抗高低温性差，并且需要定期更换。

因此，目前需要提供一种结构简单、分离效率高的气液分离装置，以满足车用燃料电池系统发展需求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题提供一种燃料电池用的气液分离装置，本发明的气液分离装置对于高度差的依赖性小，气液分离效果稳定，结构简单、紧凑，连接接口布置灵活，成本低。另外，本发明还提供了一种燃料电池系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了一种燃料电池用的气液分离装置，其中，所述气液分离装置包括：

主体，所述主体具有内腔；

隔板结构，所述隔板结构将所述内腔分割成入口腔体、气液分离腔体以及位于它们下方的储液腔体，所述气液分离腔体与所述入口腔体在顶部相通，所述入口腔体的底部与所述储液腔体之间设有第一流通通道，所述气液分离腔体的底部与所述储液腔体之间设有第二流通通道；

设置在所述入口腔体上的气液分离装置入口，其用于与电堆的氢气侧出堆口连接；

挡板结构，所述挡板结构设置在所述气液分离腔体内，用于阻挡由所述入口腔体进入到所述气液分离腔体内的气液混合物以使其转向；

排气腔体，所述排气腔体与所述气液分离腔体连通并且相对于所述挡板结构设置在所述气液分离腔体与所述入口腔体的连通处的相对侧，所述排气腔体由所述气液分离腔体向上延伸并在其顶部设有气体出口；

排液口，所述排液口设置在所述储液腔体的底部。

进一步地，所述隔板结构包括竖隔板、左隔板和右隔板；其中，所述竖隔板垂直设置在所述内腔中；所述竖隔板的顶部与所述内腔的顶壁间隔，所述竖隔板的下部向下延伸并分别与向左下倾斜的左隔板以及向右下倾斜的右隔板连接，由此形成所述入口腔体、所述气液分离腔体和所述储液腔体。

更进一步地，所述左隔板相对于水平方向向左下倾斜30～60°。

更进一步地，所述右隔板相对于水平方向向右下倾斜30～60°。

更进一步地，所述第一流通通道为设置在所述左隔板上且尖端沿左隔板平面向上的V型开口。

更进一步地，所述第二流通通道为设置在所述右隔板上且尖端沿右隔板平面向上的V型开口。

进一步地，所述储液腔体、所述气液分离腔体和所述入口腔体的容积比为1:1～1.5:2～3。

进一步地，所述挡板结构包括1个或更多个挡板，所述1个或更多个挡板垂直设置在所述气液分离腔体内，所述竖隔板和所述1个或更多个挡板依次交错设置。

进一步地，所述第一流通通道占所述左隔板面积的5～20％，特别是 10～20％。

进一步地，所述第二流通通道占所述右隔板面积的5～20％，特别是 10～20％。

进一步地，所述气液分离装置入口位于所述入口腔体的中下部。

进一步地，所述排气腔体位于所述气液分离腔体的上部。

另一方面，本发明还提供了一种燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统包括电堆、所述的气液分离装置、氢回流驱动装置和尾排阀，气液分离装置入口与所述电堆的氢气侧出堆口连接，排液口与所述尾排阀连接，气体出口与所述氢回流驱动装置的回流入口连接，所述氢回流驱动装置的回流出口与所述电堆的氢入口连接。

进一步地，所述氢回流驱动装置为氢回流泵或引射器。

本发明具有以下优势：本发明的气液分离装置特别适用于分离来自燃料电池系统的氢气侧出堆口的气液混合物，对于高度差的依赖性小，气液分离效果稳定，结构简单、紧凑，连接接口布置灵活；气液分离内腔体内采用挡板结构来形成改变气液混合物流向的通道，以进行气液分离，制造工艺简单、成本低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的气液分离装置的一种实施方案的结构示意图；

图2是根据本发明的气液分离装置的一种实施方案的主剖面示意图；

图3是根据本发明的气液分离装置的一种实施方案的左剖面示意图；

图4是根据本发明的气液分离装置的一种实施方案的前后斜切面示意图；

图5是根据本发明的燃料电池系统的一种实施方案的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

附图中零件及结构说明：

4-氢回流驱动装置；5-电堆；8-气液分离装置；801-储液腔体；802- 第二流通通道；803-右隔板；804-竖隔板；805-挡板结构；806-排气腔体； 807-入口腔体；808-气液分离装置入口；809-左隔板；810-第一流通通道； 811-排液口；812-气液分离腔体；813-气体出口；9-尾排阀。

具体实施方式

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

作为本发明的第一方面，本发明提供了一种燃料电池用的气液分离装置，其中，所述气液分离装置包括：

主体，所述主体具有内腔；

隔板结构，所述隔板结构将所述内腔分割成入口腔体、气液分离腔体以及位于它们下方的储液腔体，所述气液分离腔体与所述入口腔体在顶部相通，所述入口腔体的底部与所述储液腔体之间设有第一流通通道，所述气液分离腔体的底部与所述储液腔体之间设有第二流通通道；

设置在所述入口腔体上的入口，其用于与电堆的氢气侧出堆口连接；

挡板结构，所述挡板结构设置在所述气液分离腔体内，用于阻挡由所述入口腔体进入到所述气液分离腔体内的气液混合物以使其转向；

排气腔体，所述排气腔体与所述气液分离腔体连通并且相对于所述挡板结构设置在所述气液分离腔体与所述入口腔体的连通处的相对侧，所述排气腔体由所述气液分离腔体向上延伸并在其顶部设有气体出口；

排液口，所述排液口设置在所述储液腔体的底部。

参照图1-4，本发明的气液分离装置包括：主体、隔板结构、气液分离装置入口808、挡板结构805、排气腔体806和排液口811。

主体具有内腔，隔板结构将内腔分割成入口腔体807、气液分离腔体 812以及位于它们下方的储液腔体801。气液分离腔体812与入口腔体807 在顶部相通，入口腔体807的底部与储液腔体801之间设有第一流通通道 810，气液分离腔体812的底部与储液腔体801之间设有第二流通通道802。

气液分离装置入口808设置在入口腔体807上，用于与电堆的氢气侧出堆口连接。

挡板结构805设置在气液分离腔体812内，用于阻挡由入口腔体807 进入到气液分离腔体812内的气液混合物以使其转向。

排气腔体806与气液分离腔体812连通并且相对于挡板结构805设置在气液分离腔体812与入口腔体807的连通处的相对侧，排气腔体806由气液分离腔体812向上延伸并在其顶部设有气体出口813。

排液口811设置在储液腔体801的底部。

本申请发明人发现，采用隔板结构805将气液分离装置主体的内腔按照不同功能区进行分割，分割成入口腔体807、气液分离腔体812和储液腔体801，储液腔体801的液位晃动对气液分离效果的干扰小，气液分离装置入口808仅需要连通到入口腔体807，其具体位置可灵活选择，整体装置布置灵活。

本发明中，来自电堆的氢气侧的气液混合物经由气液分离装置入口 808进入到入口腔体807，在入口腔体807中进行初步分离，液体及部分气液混合物经由第一流通通道810进入储液腔体801，气体及其余气液混合物由顶部进入气液分离腔体812。气体及气液混合物流经挡板结构805，流通方向发生突变，利用被分离的气液混合物中气相、液相密度特性的明显差异，在流动过程中因惯性及重力作用而导致气相、液相流动轨迹差异，进而实现气液分离。其中，气体由气体出口813排出，液体及气液混合物经由第二流通通道802进入储液腔体801。收集在储液腔体801内的液体可以经由排液口811排出。

本发明中，气液分离腔体812可与入口腔体807布置在同一高度上。与常规的气液分离装置相比，本发明的气液分离装置对于重力势能差(即高度差)依赖性小，气液分离装置结构布置紧凑、灵活。

根据本发明的一个实施例，隔板结构805包括竖隔板804、左隔板809 和右隔板803。竖隔板804垂直设置在内腔中，竖隔板804的顶部与内腔的顶壁间隔，竖隔板804的下部向下延伸并分别与向左下倾斜的左隔板 809以及向右下倾斜的右隔板803连接，由此形成入口腔体807、气液分离腔体812和储液腔体801。

本发明中，竖隔板804、左隔板809和右隔板803组成“人字形”隔板结构，这样的“人字形”隔板结构可以灵活地将内腔分割成入口腔体807、气液分离腔体812和储液腔体801。

根据本发明的一个具体实施例，左隔板809和右隔板803从左右两侧圆滑连接到竖隔板804上，然后与主体的内壁连接。由此，有利于液体向下流动，避免积液。

根据本发明的一个实施例，左隔板809相对于水平方向向左下倾斜 30～60°，右隔板803相对于水平方向向右下倾斜30～60°。

根据本发明的一个实施例，参照图4，第一流通通道810为设置在左隔板809的下端部且尖端沿左隔板平面向上的V型开口，第二流通通道 802为设置在所述右隔板803的下端部且尖端沿右隔板平面向上的V型开口。本发明中采用V型开口作为第一流通通道810和第二流通通道802，有利于液体的汇聚、排出。

当然，本发明中还可以采用其他结构作为第一流通通道810和第二流通通道802。特别地，左隔板809和右隔板803在它们的下端部与内腔的侧壁之间留有空隙分别作为第一流通通道810和第二流通通道802。例如，在图4所示的实施方案中，左隔板809设有V型开口，同时，左隔板809 的内侧下端部与主体的内壁之间也留有空隙。

根据本发明的一个实施例，第一流通通道810和第二流通通道802的面积可以根据燃料电池系统的排水量以及燃料电池系统的尾排阀开启时的气体流通量确定。在一个优选实施例中，第一流通通道810占左隔板809 面积的5～20％，特别是10～20％。同样地，第二流通通道802占右隔板803 面积的5～20％，特别是10～20％。

根据本发明的一个实施例，通过设置左隔板809和右隔板803的倾斜角度和高度等可以合理设计各腔体的容积，由此可以提高分离效率。根据本发明的一个优选实施例，储液腔体801、气液分离腔体812和入口腔体 807的容积比为1:1～1.5:2～3。

根据本发明的一个实施例，挡板结构805包括1个或更多个挡板，1 个或更多个挡板垂直设置在气液分离腔体812内，竖隔板804和1个或更多个挡板依次交错设置。

根据本发明的一个优选实施例，挡板结构805包括2个以上的挡板，优选为2～6个挡板，更优选为2～4个挡板。第一个挡板垂直临近设置在气液分离腔体812与入口腔体807的连通处，其余的挡板与第一个挡板依次交错设置。通过采用多组交错的挡板，可以实现多次气液分离，有利于提高分离效率。

根据本发明的一个实施例，气液分离装置入口808位于入口腔体807 的中下部，特别是中部。

根据本发明的一个实施例，由于经过气液分离腔体812分离后的气液混合物中液态水含量较小，排气腔体806的位置可以根据整体燃料电池系统相对灵活选择。特别地，排气腔体806可以位于气液分离腔体812的上部，例如设置在气液分离腔体812的顶部或上部侧面。

根据本发明的一个实施例，储液腔体801呈漏斗型。漏斗型的储液腔体有利于增加排水、减弱车辆运行过程中的液位晃动、防止局部积水。

根据本发明的一个实施例，本发明的气液分离装置采用本领域中已知的(耐温)塑料材料经注塑成型制备，成本低、工艺简单。

另外，虽不是优选的，本发明的气液分离装置还可以采用薄壁金属材料经机加或3D打印成型。

作为本发明的第二方面，本发明还提供了一种燃料电池系统。

参照图5，本发明的燃料电池系统包括电堆5、气液分离装置8、氢回流驱动装置4和尾排阀9。其中，气液分离装置入口808与电堆5的氢气侧出堆口连接，排液口811与尾排阀9连接，气体出口813与氢回流驱动装置4的回流入口连接，氢回流驱动装置4的回流出口与电堆5的氢入口连接。

本发明中，排液口811可以直接与常规燃料电池系统的尾排阀9连接，同时排气、排水，不需增加额外的排水装置。

本发明中，术语“燃料电池系统”是指质子交换膜燃料电池系统。

根据本发明的一个实施例，氢回流驱动装置4为氢回流泵或引射器。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。