[发明专利]用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法

说明书

本发明公开了一种用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法，包括水气分离器和电堆，水气分离器包括外腔、中腔和内腔，中腔的壁采用热交换膜，内腔的壁采用防水透气膜，外腔连接有冷氢入管和热氢出管，冷氢入管上设有进氢开关阀和进气调节阀，内腔连接有循环管，循环管上设置有氢气循环装置，热氢出管和循环管的出口均与电堆的氢气入口连接，电堆的氢气出口通过回氢管与所述中腔连接，回氢管上设有压力传感器，所述中腔连接有排气管和排水管；中腔内设有多个陶瓷小球。本发明集成热交换和水气分离，既完成了氢气的进气加热，又实现了水气高效分离，大大提升燃料电池的工作性能，降低能耗和成本，结构简单，体积小。

技术领域

本发明属氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。

膜电极是燃料电池的核心部件，膜电极一般由聚合物膜、催化剂层和气体扩散层组成，其中，聚合物膜的主要作用是传导质子、隔绝反应气体，由于质子的传导一般是以水合质子的形式进行，因而在燃料电池运行过程中，需要使聚合物膜保持一定的湿度，但湿度又不能过大，如果湿度较大，则形成的液态水将会引起膜电极水淹，阻碍反应气体的传输，导致燃料电池的性能降低，因此，膜电极的水管理问题对于燃料电池的性能具有重要的影响。

电堆阴极水管理相对容易，基本通过调节加湿流量和供气计量比就能控制湿度，但电堆阳极氢气水管理较为困难，氢气作为燃料是在一个闭环系统下工作，循环氢气不但需要把氢气水汽混合物里的液态水分离出排掉，还要保证氢气不被浪费，同时还要保证温度压力下降不能太明显。现有的技术大多集中在利用气液分离器进行水气分离，实现方法有多种：1.利用流体转向过程时气液的比重不同，液体下沉与气体分离。比如利用挡板结构，挡板使这种流体转向。又如旋风式水气分离器结构中，液体被高速气流甩到容器壁上，这些液体失去动能后实现与气体分离；2.利用防水透气材料过滤实现水气分离；3.通过冷凝器降低温度利用沸点温度不同实现水气分离。但由于行业不同，对水气分离效率、介质、尺寸等要求各有差异，现有的水气分离方式并不完全适用于燃料电池，氢燃料电池对水气分离有比较严苛的要求：1.水气分离效率要求高至少在90％以上；2.体积要小，特别是车载燃料电池系统对体积密度有较高要求，水气分离器体积不能太大；3.压降不能过大，经过水气分离器的氢气还要参与循环，压降大会限制循环流量；4.材料要求兼容氢气且耐热耐压。目前，还没有理想的可用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置。

发明内容

针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法，旨在解决上述背景技术中现有存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置，包括水气分离器和电堆，所述水气分离器包括外腔、设置于外腔内的中腔以及设置于中腔内的内腔，形成三层嵌套结构，所述中腔的壁采用热交换膜，使外腔与中腔之间能发生热交换，内腔的壁采用防水透气膜，可使中腔内的气体进入内腔中，而隔离液态水于中腔内，使内腔中形成干燥的氢气。所述外腔连接有冷氢入管和热氢出管，所述冷氢入管上设有进氢开关阀和进气调节阀，所述内腔连接有循环管，循环管上设置有氢气循环装置，所述热氢出管和循环管的出口均与电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口通过回氢管与所述中腔连接，所述回氢管上设有压力传感器，所述中腔连接有排气管和排水管。

优选地，所述中腔内设有多个陶瓷小球，陶瓷小球对中腔内的湿热气体进行扰流，降温使更多的液态水析出，同时，陶瓷小球扰乱气流，减小液态水的波动，更有利于排水。

优选地，所述排气管上沿气体排出方向依次设有排气阀、单项阀和消音器，废气与排水混合经消音器排出，减小噪音；所述排水管上设有排水阀需要排水时打开排水阀。