一种燃料电池水气分离装置、燃料电池系统以及车辆的制作方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池水气分离装置、燃料电池系统以及车辆。

背景技术：

1、随着全球环境污染日益严重，新能源的崛起势在必行，其中氢燃料电池因无污染、能量转换效率高、原料来源广等优点，被认为是未来最具前景的能源动力装置。

2、但是就目前的燃料电池技术而言，通入燃料电池电堆中的氢气的使用率并不能达到100％，未使用的氢气小部分由电堆内部结构渗透到阴极，大部分是在吹扫期间随尾气被排放到大气中，氢气直接排放到大气中一方面会造成污染，另一方面会存在安全隐患，氢气浓度大于4％就会发生爆炸，容易因环境不流通导致氢气富集进而引发爆炸。且燃料电池系统在冷启动或者环境温度比较低的时候，燃料电池系统某些通道可能会因含水量较高而被冻住，存在导致燃料电池系统急停的风险。

3、综上所述，现有技术的燃料电池系统存在含氢气的尾气排放安全问题以及通道因含水量较高而导致的堵塞、气体流通不畅的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池水气分离装置、燃料电池系统以及车辆，保证燃料电池电堆的尾气排放时氢气浓度满足要求，同时可有效保证燃料电池水气分离装置低温下的正常使用。

2、实现本发明技术目的的方案为，一种燃料电池水气分离装置，包括，

3、壳体，设有水气分离腔、安装腔、进气通道、出氢通道、排气通道、排水通道、回收通道和空气通道；所述水气分离腔和所述安装腔均与所述排水通道连通；所述进气通道、所述出氢通道、所述排气通道均与所述水气分离腔连通；所述空气通道和所述回收通道均与安装腔连通；

4、切换件，用于开启或关闭所述空气通道；

5、催化剂，设于所述安装腔内，用于在所述空气通道开启的状态下催化空气与由所述回收通道通入安装腔内的气体中的氢气反应；

6、其中：所述进气通道用于连通燃料电池的电堆的尾排口；沿高度方向所述出氢通道位于所述排气通道的上方。

7、在一些实施例中，所述壳体还包括设于所述水气分离腔内的隔板；所述隔板将所述水气分离腔分隔为由连通通道连通的第一腔和第二腔，所述进气通道连通于所述第一腔、所述出氢通道连通于所述第二腔；

8、所述隔板与水气分离腔的腔壁之间具有间距，所述间距构成所述连通通道；或者；所述连通通道位于所述隔板和/或所述壳体上。

9、在一些实施例中，沿高度方向所述进气通道和出氢通道连通于所述水气分离腔的顶部，所述排气通道连通于水气分离腔的底部，且所述连通通道位于所述水气分离腔的底部。

10、在一些实施例中，所述燃料电池水气分离装置还包括位于所述第一腔的挡流板；所述挡流板设于所述隔板和/或水气分离腔的腔壁上。

11、在一些实施例中，所述壳体包括水分内芯和套设于水分内芯外的外壳，所述水气分离腔设于所述水分内芯，所述外壳连接于所述水分内芯，所述外壳具有所述安装腔或者所述外壳与水分内芯的外壁合围成所述安装腔。

12、在一些实施例中，所述外壳包括外壳本体和内嵌于所述外壳本体内部的嵌壳，所述外壳本体套设于所述水分内芯外且与所述水分内芯合围成所述安装腔，所述嵌壳设于所述安装腔中；所述催化剂设于所述外壳本体和所述嵌壳之间。

13、在一些实施例中，所述外壳还包括套设于所述外壳本体外的套筒，所述外壳本体和所述套筒上均设有通气孔，所述外壳本体和所述套筒上的所述通气孔位置相对，以形成所述空气通道。

14、在一些实施例中，所述套筒与外壳本体转动配合，所述套筒构成所述切换件；所述燃料电池水气分离装置还包括驱动所述套筒转动的驱动组件。

15、在一些实施例中，沿高度方向，所述嵌壳位于所述进气通道与所述回收通道之间；所述嵌壳与所述水分内芯间隔设置，所述嵌壳上设有多个贯通的过孔。

16、在一些实施例中，所述排水通道设于所述外壳的底部；所述水分内芯的底部和所述外壳本体的底部均贯通设有通水孔，所述水气分离腔通过所述通水孔与所述安装腔以及所述排水通道连通；

17、所述水气分离腔的腔底设有导水斜面，所述通水孔设于所述导水斜面的低端。

18、基于同样的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池系统，包括，

19、电堆；

20、氢气供应子系统，连通于电堆的进氢口；

21、尾气排放子系统，包括回氢泵、切换阀、混排处理组件以及上述的燃料电池水气分离装置，所述燃料电池水气分离装置的进气通道与电堆的气体出口相连通，所述回氢泵的进口与燃料电池水气分离装置的出氢通道连通、回氢泵的出口与氢气供应子系统或电堆的进氢口连通；切换阀的进气端与燃料电池水气分离装置的排气通道相连通，切换阀的出气端可选择地连通混排处理组件或燃料电池水气分离装置的回收通道；所述燃料电池水气分离装置的排水通道与混排处理组件连通。

22、基于同样的发明构思，本发明还提供了一种车辆，包括上述的燃料电池水气分离装置或者上述的燃料电池系统。

23、由上述技术方案可知，本发明提供的燃料电池水气分离装置包括壳体、切换件和催化剂，其中：壳体设有水气分离腔、安装腔、进气通道、出氢通道、排气通道、排水通道、回收通道和空气通道；水气分离腔和安装腔均与排水通道连通；进气通道、出氢通道、排气通道均与水气分离腔连通；空气通道和回收通道均与安装腔连通；进气通道用于连通燃料电池的电堆的尾排口，电堆尾排口排出的气体温度一般较高，水分以一定的湿度和蒸汽形式随气体流通，进入水气分离腔后，通过一定的路径与水气分离腔的腔壁接触降温从而附着与水气分离腔的腔壁上，以使气体和水分离，分离得到的水最终由排水通道排出；且沿高度方向出氢通道位于排气通道的上方，由于氢气的特性，氢气会富集于水气分离腔的上方，从而氢气与混合气体在水气分离腔中因重力沉降分层，从而分别通过出氢通道排出氢气、通过排气通道排出分离了至少一部分氢气的混合气体，有效降低电堆尾排口排出的混合气体中的含氢浓度。切换件用于开启或关闭空气通道，催化剂设于安装腔内，用于在空气通道开启的状态下催化空气与通入安装腔内的气体中的氢气反应，催化反应产生的水最终也积于安装腔中并由排水通道排出，通过催化化学反应一方面加速消耗通入安装腔的混合气体中的氢气，保证安装腔内的氢气浓度符合要求，另一方面利用反应过程中放出的热量对壳体保温或加热，保证安装腔和水气分离腔中的水均不会在低温环境下冻结，有效避免各个通道因流体低温冻结堵塞导致的流动受阻甚至系统急停的技术问题。

24、本发明提供的燃料电池水气分离装置实现基础的水气分离的作用的同时，能分离出至少部分氢气，进而回收氢气、提高氢气的利用率，能利用反应放热实现装置的自加热，在冷启动或环境温度较低时，帮助燃料电池水气分离装置能在低温下正常运行，且不耗能，也无需从外部引入热量。

25、本发明提供的燃料电池系统以及车辆，由于具备上述燃料电池水气分离装置，自然具备以上所有有益效果，由出氢通道排出的氢气可再次通入电堆的进氢口，进而提高了氢气的利用率。另外可通过操作切换阀将由燃料电池水气分离装置处理后经排气通道排出的气体做相应的处理，排气通道排出的气体可称为预备尾气，当排气通道排出的气体(预备尾气)的氢气浓度满足要求，则选择通入混排处理组件中进行统一排放，当排气通道排出的气体(预备尾气)的氢气浓度仍不满足要求，则选择将排气通道排出的气体回收通入至回收通道并开启空气通道，以使预备尾气中的氢气在安装腔与空气进行反应，催化剂催化加速氢气的消耗速率，进一步消耗预备尾气中的氢气、进而使氢气含量低于排放要求，得到满足要求的尾气气体，尾气气体以及氢气和空气反应产生的水再通过排水通道通入混排处理组件中进行统一排放。

26、本发明提供的燃料电池系统以及车辆，能利用预备尾气中的氢气与空气发生催化放热反应，消耗排放预备尾气中的氢气、保证氢气使用安全的同时，反应释放的热量给水气分离腔以及安装腔内的气体、给进行水气分离处理后得到的附着于内壁或堆积于排水通道附近的水加热，防止水在低温环境下冻住，实现了燃料电池系统在不同环境下的正常运行，且利用预备尾气中的氢气实现对燃料电池水气分离装置加热保温，不增加多余部件的能耗，即节能环保又能保证燃料电池系统在低温环境下正常运行。