一种高效气液分离器、氢氧燃料电池及气液分离调节方法技术

本申请提供了一种高效气液分离器、氢氧燃料电池及气液分离调节方法。高效气液分离器包括进气口、本体和溢流管；本体包括筒体和第一锥体，溢流管下端为第二锥体，溢流管在所述本体中的插入深度可调；进气口包括至少一个调节板，用于改变进气口的进气截面面积。氢氧燃料电池包括上述高效气液分离器、用于将氧气侧生成的水从气体中分离；还包括调节机构调节溢流管的插入深度、调节进气口的进气截面面积。氢氧燃料电池的气液分离调节方法为，当氢氧燃料电池处于低功率运行工况时，将溢流管插入深度调大、进气口进气截面面积调小；高功率运行工况则相反地调节。本申请可以在较宽的氢氧燃料电池功率范围内保持对液滴的高效分离。电池功率范围内保持对液滴的高效分离。电池功率范围内保持对液滴的高效分离。

【技术实现步骤摘要】
一种高效气液分离器、氢氧燃料电池及气液分离调节方法


[0001]本申请涉及燃料电池
，尤其涉及一种高效气液分离器、氢氧燃料电池及气液分离调节方法。

技术介绍

[0002]国内关于燃料电池的应用大部分是陆用的氢空燃料电池，空气侧生成的水随未反应的空气直接排放，空气无需循环。氢氧燃料电池主要应用在航天、地下、深海等密闭空间。
[0003]相比氢空燃料电池，氢氧燃料电池化学反应更加剧烈，氧气侧生成的液态水约是空气侧的4倍，液态水必须及时排出，否则极易造成氧气侧出现“水淹”现象，导致质子交换膜上化学反应不均匀，出现局部热点，甚至会烧毁质子交换膜，严重影响氢氧燃料电池系统的正常运行。另外，密闭空间条件下为了提高携带氧气的利用率，未反应的氧气需再循环至燃料电池氧气进口，这部分未反应的氧气中夹带的液滴含量越低，越有利于质子交换膜上化学反应均匀进行。因此气液分离器对液滴的分离效率越高越好。
[0004]离心式气液旋流器是一种常用的气液分离器，其分离效率影响因素很多，某种结构定型的气液分离器处理规定的介质时，进气口气速对液滴分离效率的影响，呈“驼峰”曲线：进气口气速过小，气液离心分离效果不强，液滴分离效率不高。进气口气速过大，虽然气液离心分离效果很强，但是液滴在强剪切的作用下，会分裂成小液滴，而且靠近壁面已分离的液滴被强烈旋转气流卷起，随溢流管逃逸，综合起来，液滴分离效率反而会降低。因此，气液离心分离存在一个最佳进气口气速。传统气液分离器设计时，需将最佳进气口气速选在额定工况的进气口气速附近。
[0005]但是，氢氧燃料电池实际运行功率低于设计的额定功率是其常见的运行工况，此时气液分离器进气口的气液流量变小，分离效率降低。换言之，按最佳工况点设计的传统气液分离器工作弹性较小，与燃料电池变功率运行范围匹配度不高，不利于氢氧燃料电池系统长期稳定运行。
[0006]为此，公布号为CN112316569A的专利技术专利申请提供了一种分离效率可调的燃料电池气液分离器，该气液分离器设置有多个分隔单元，用电机调节分隔单元内设置的档板，使分隔单元的气流通道截面面积发生变化，实现对气液分离器分离效率的调节。
[0007]但是上述技术方案还存在以下不足：
[0008]1.结构较复杂，且需要调节每个分隔单元的档板，影响其整体的可靠性；
[0009]2.气流通道有多处来回折返，而且气流通道形状极不规则，容易出现较强的湍流，使液滴分散成细小雾滴从排气口溢出，特别是当气流速度提高时，气液分离效率会迅速下降；
[0010]3.多级分隔单元自下而上形成串联结构、仅在底部排水，位于上方的分隔单元分离出的液体流经下方的分隔单元时会被湍流再次雾化，降低分离效率。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的以上不足，本专利技术提出一种既能克服传统的离心式气液旋流器分离效率特性曲线不佳的问题、又保持结构简单、易于控制的可变进气口截面和可伸缩溢流管相互配合的高效气液分离器，以及一种应用所述高效气液分离器的氢氧燃料电池及其气液分离调节方法。
[0012]本申请提供的高效气液分离器包括构成离心式气液旋流器结构的本体、溢流管和至少一个进气口，所述本体包括竖直设置的筒体和第一锥体，所述第一锥体匹配设置于所述筒体下端、并向下逐渐收窄；所述进气口相切设置于所述筒体；所述溢流管与所述本体匹配设置、下端为逐渐收窄的第二锥体；所述溢流管密封滑动设置于所述筒体顶部，在所述本体中的插入深度可调。
[0013]离心式气液旋流器利用气体与液体的比重不同，使离心力较大的液体分离附着至筒壁后汇集排放。如本说明书的
技术介绍
部分所述，在气液流量偏离设计值时，普通离心式气液旋流器的分离效率有明显下降的趋势。本申请通过第二锥体和可伸缩溢流管的设置可以明显改善分离效率特性曲线：在气液流量较低时，使溢流管向下移动，通过第一锥体和第二锥体的配合，提高气液旋流的速度，增强液滴的离心分离效果，同时溢流管向下移动还可防止从进气口进入筒体的速度较低的气液流不经分离直接从溢流管逃逸；在气液流量较大时，气流产生的离心分离效果足以使液滴分离，此时应使溢流管向上移动，减少筒体和第一锥体内气流的湍流强度，避免已分离的液滴再次卷入上行气流并被雾化，从溢流管逃逸。第二锥体的设置还可将气流的旋转动能部分转化为静压能，减少气液分离器的整体流动阻力。
[0014]溢流管与本体匹配设置指的是，当筒体的横截面均为圆形时，溢流管与筒体同轴设置；当部分筒体的横截面为蜗壳形、部分筒体的横截面为圆形时，溢流管与圆形横截面的部分筒体同轴设置；当筒体的横截面形状不规则时，溢流管设置于筒体的中心位置。
[0015]优选地，所述第一锥体和所述第二锥体的锥度相同；所述溢流管滑动至最高位置时，所述第二锥体下端不高于所述进气口的下沿，所述溢流管滑动至最低位置时，所述第二锥体下端低于所述第一锥体的上端；所述进气口水平设置，或，沿进气方向具有不超过45
°
的向下坡度。
[0016]溢流管滑动至最高位置时第二锥体下端不高于进气口的下沿，即第二锥体下端在向上调节时，至多与最低的一个进气口的下沿平齐；溢流管滑动至最低位置时第二锥体下端低于第一锥体的上端，即第二锥体进入第一锥体内部。第一锥体和第二锥体采用不同的锥度搭配可以获得各种分离效果，设置成相同的锥度时，当第二锥体下降至第一锥体内时，可以明显提高气液旋流速度，增加旋流速度调节范围。溢流管向上滑动调整时，第二锥体的下端不应高于进气口的下沿，以防止从进气口进入的气液流直接从溢流管逃逸。进气口水平设置为常见方式，但进气口也可具有沿进气方向的向下坡度，以杜绝附着在进气口侧壁的液滴在气流速度较低时发生倒流。
[0017]优选地，所述进气口截面呈多边形或圆形或椭圆形、位于所述筒体的顶部；所述进气口匹配设置有至少一个调节板，用于改变进气口的进气截面面积。
[0018]调节板的设置用于调节进气气流的速度，和溢流管的调节类似，当气液流量较小时，可以通过调节板减小进气口的进气截面面积，增加气液流速；气液流量加大时则增大进
气截面面积以减小气液流速。通过调节板和溢流管的配合调节，可以达到明显改善分离效率曲线的效果。
[0019]优选地，所述进气口截面呈矩形，所述调节板呈匹配设置的矩形、远离所述筒体的一端通过一铰接轴铰接至所述进气口的内壁，且所述铰接轴位于靠近所述筒体的中心的一侧；所述进气口侧壁上密封滑动穿设有调节柱、用于调节所述调节板与所述内壁的角度。
[0020]通过增大或减小调节柱进入矩形进气口的深度，使调节板绕铰接轴旋转并改变进气口的进气截面面积。调节柱与调节板滑动连接，即调节柱在改变调节板与进气口内壁的角度时，同时在调节板表面滑动。可通过调节柱端部铰接的滑块和调节板上设置的滑轨实现。
[0021]优选地，所述调节板包括相互滑动套接的内板和外板，所述铰接轴设置于所述内板上，所述外板远离所述铰接轴的一端设置有与所述铰接轴平行的销轴；所述筒体上设置有与所述销轴匹配的呈部分圆弧状的弧形滑槽，所述销轴滑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效气液分离器，包括构成离心式气液旋流器结构的本体、溢流管和至少一个进气口，其特征在于：所述本体包括竖直设置的筒体和第一锥体，所述第一锥体匹配设置于所述筒体下端、并向下逐渐收窄；所述进气口相切设置于所述筒体；所述溢流管与所述本体匹配设置、下端为逐渐收窄的第二锥体；所述溢流管密封滑动设置于所述筒体顶部，在所述本体中的插入深度可调。2.根据权利要求1所述的高效气液分离器，其特征在于：所述第一锥体和所述第二锥体的锥度相同；所述溢流管滑动至最高位置时，所述第二锥体下端不高于所述进气口的下沿，所述溢流管滑动至最低位置时，所述第二锥体下端低于所述第一锥体的上端；所述进气口水平设置，或，沿进气方向具有不超过45
°
的向下坡度。3.根据权利要求1或2所述的高效气液分离器，其特征在于：所述进气口截面呈多边形或圆形或椭圆形、位于所述筒体的顶部；所述进气口匹配设置有至少一个调节板，用于改变所述进气口的进气截面面积。4.根据权利要求3所述的高效气液分离器，其特征在于：所述进气口截面呈矩形，所述调节板呈匹配设置的矩形、远离所述筒体的一端通过一铰接轴铰接至所述进气口的内壁，且所述铰接轴位于靠近所述筒体的中心的一侧；所述进气口侧壁上密封滑动穿设有调节柱、用于调节所述调节板与所述内壁的角度。5.根据权利要求4所述的高效气液分离器，其特征在于：所述调节板包括相互滑动套接的内板和外板，所述铰接轴设置于所述内板上，所述外板远离所述铰接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丰，杨振威，石汪权，邓笔财，李惊春，杜忠选，李启玉，肖瑞雪，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一一研究所中国船舶集团有限公司，
类型：发明
国别省市：