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

1.本发明涉及燃料电池技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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，
7.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；
8.切换件，用于开启或关闭所述空气通道；
9.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；
10.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。
11.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；
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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；
21.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。
22.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，
23.电堆；
24.氢气供应子系统，连通于电堆的进氢口；
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
附图说明
31.图1为本发明实施例1提供的燃料电池水气分离装置的结构示意图；
32.图2为图1中的燃料电池水气分离装置的仰视图；
33.图3为图2中的燃料电池水气分离装置的a-a剖视图；
34.图4为图1中的燃料电池水气分离装置的空气通道开启状态下的局部放大示意图；
35.图5为图1中的燃料电池水气分离装置的空气通道关闭状态下的局部放大示意图；
36.图6为外壳本体与套筒的组装局部；
37.图7为本发明实施例2提供的燃料电池系统的结构示意图。
38.附图标记说明：1000-燃料电池水气分离装置；100-壳体，101-水气分离腔，102-安
装腔，103-进气通道，104-出氢通道，105-排气通道，106-排水通道，107-回收通道，108-空气通道，110-水分内芯，111-内芯本体，112-盖板，113-导水斜面，114-第一腔，115-第二腔，120-外壳，121-外壳本体，122-底板，123-侧板，124-嵌壳，125-过孔，126-套筒，127-安装部，128-卡槽，129-通气孔，130-隔板，140-挡流板，150-通水孔；200-催化剂；300-驱动电机；
39.10-电堆，11-氢气源，12-中压传感器，13-进氢阀，14-比例阀，15-进堆低压传感器，16-回氢泵，17-出堆传感器，18-排水阀；19-切换阀，20-混排处理组件。
具体实施方式
40.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
41.为了解决现有技术中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，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。下面通过3个具体实施例对本发明的内容进行详细介绍：
42.实施例1
43.如图1-图6所示，本实施例提供了一种燃料电池水气分离装置1000，包括壳体100、切换件和催化剂200，其中：壳体100设有水气分离腔101、安装腔102、进气通道103、出氢通道104、排气通道105、排水通道106、回收通道107和空气通道108；水气分离腔101和安装腔102均与排水通道106连通；进气通道103、出氢通道104、排气通道105均与水气分离腔101连通；空气通道108和回收通道107均与安装腔102连通；进气通道103用于连通燃料电池的电堆10的尾排口，电堆10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101后，通过一定的路径与水气分离腔101的腔壁接触降温从而附着与水气分离腔101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106排出；且沿高度方向出氢通道104位于排气通道105的上方，由于氢气的特性，氢气会富集于水气分离腔101的上方，从而氢气与混合气体在水气分离腔101中因重力沉降分层，从而分别通过出氢通道104排出氢气、通过排气通道105排出分离了至少一部分氢气的混合气体，有效降低电堆10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108，催化剂200设于安装腔102内，用于在空气通道108开启的状态下催化空气与通入安装腔102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102中并由排水通道106排出，通过催化化学反应一方面加速消耗通入安装腔102的混合气体中的氢气，保证安装腔102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100保温或加热，保证安装腔102和水气分离腔101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。
44.本实施例提供的燃料电池水气分离装置1000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1000能在低温下正常运行，避免堵塞、气流流动不畅的技术问题，且不耗能，也无需从外部引入热量。
45.需要说明的是，本实施例对通入回收通道107和安装腔102内的气体的来源不做具体限定，可根据实际需求进行适应性调整。比如，在一些实施方式中，回收通道107可以接入单独的充有合理氢气浓度含量的预制气的气罐，此处的合理氢气浓度含量的气体指氢气浓度略高于排放指标，保证有足够的氢气与空气进行催化反应，又能保证预制气在至少部分氢气发生催化反应后、预制气的含氢量能满足排放要求，进而保证排放气体时的安全性。在一些实施方式中，通入安装腔102内的含氢气体还可以为由排气通道105排放的预备尾气，以进一步消耗预备尾气中的氢气。
46.为了实现水气分离，保证水分和气体的分离效果，作为一种实施方式，壳体100还可以包括设于水气分离腔101内的隔板130；隔板130将水气分离腔101分隔为由连通通道连通的第一腔114和第二腔115，进气通道103连通于第一腔114、出氢通道104连通于第二腔115，隔板130一方面可以增加气体流动过程中水分与壳体100的实体结构接触的面积，有利于水分附着在腔壁和隔板130上进而有利于水气分离，另一方面，隔板130可以延长气体的流动路径，进气通道103和出氢通道104位于隔板130的两相对侧，气体需要绕过隔板130才能进入第二腔115，提高气体以及气体附着的水分的流动性，有利于水气分离。
47.本实施例对连通通道的设置位置以及形成方式也不做具体限定，只要能保证由进气通道103进入的气体依次经过第一腔114、连通通道在进入到第二腔115即可。比如，在一些实施方式中，隔板130与水气分离腔101的腔壁之间可以具有间距，间距构成连通通道。或者在一些实施方式中，连通通道位于隔板130和/或壳体100上，比如连通通道可以为隔板130上的轮廓线为封闭包络线的通孔，连通通道还可以由隔板130上开放式包络线的通孔与和壳体100上开放式包络线的通孔合围形成。
48.为了延长路径，以提高水和气体的分离效果以及气体中氢气的分离效果，同时匹配氢气最终会富集于水气分离腔101的顶部的特性，作为一种优选实施方式，沿高度方向进气通道103和出氢通道104连通于水气分离腔101的顶部，排气通道105连通于水气分离腔101的底部，且连通通道位于水气分离腔101的底部，使得气体中的氢气的流动路径大致呈u型。
49.本实施例对隔板130的设置方式不做具体限定，隔板130可以与竖直方向之间具有角度，也可以平行于竖直平面。
50.为了进一步提高水气分离效果，同时进一步优化氢气的分离，作为一种优选实施方式，燃料电池水气分离装置1000还包括位于第一腔114的挡流板140；挡流板140设于隔板130和/或水气分离腔101的腔壁上，在第一腔114中主要进行的是水分和气体的分离，主要是通过气体与隔板130和扰流板的接触实现；第二腔115中主要进行的是氢气和混合气(主要为氮气)的重力沉降下的分离。
51.本实施例对扰流板的数量以及设置方式均不做限定，本实施例中，隔板130和水气分离腔101位于第一腔114的腔壁上均设置有扰流板，扰流板倾斜向下，使得降温凝结后的水分可以在重力作用下自然滴落至水腔分离腔的底部。可选的，挡流板140与隔板130可以呈角度设置。
52.本实施例对壳体100的具体结构以及水气分离腔101和安装腔102之间的分布方式不做具体限定，安装腔102和水气分离腔101在壳体100上的布局方式可以并列、并排或者在周向上至少部分包围，由于壳体100为一个整体，安装腔102产生的局部热量也能传递至水
气分离腔101的位置对水气分离腔101以及各通道进行加热保温。
53.为了实现加热保温的均匀性，保证催化反应的热量能得到有效利用，作为一种优选实施方式，壳体100包括水分内芯110和套设于水分内芯110外的外壳120，水气分离腔101设于水分内芯110，外壳120连接于水分内芯110，外壳120具有安装腔102或者外壳120与水分内芯110的外壁合围成安装腔102，使得安装腔102分布于水气分离腔101的周向的外围，进而有利于热量传导、提高反应热量的利用率和保温效果。
54.优选地催化剂200沿水气分离腔101的周向间隔布置或者沿水气分离腔101的周向连续地布置。比如催化剂200布局为圆筒状，催化剂200为颗粒状保证反应气体与催化剂200有较大的接触面积，从而能高效地处理氢气。
55.为了便于组装，便于催化剂200的布设，作为一种优选实施方式，外壳120包括外壳本体121和内嵌于外壳本体121内部的嵌壳124，外壳本体121套设于水分内芯110外且与水分内芯110合围成安装腔102，嵌壳124设于安装腔102中；催化剂200设于外壳本体121和嵌壳124之间，使得外壳120可以预先成型，在外壳120与水分内芯110组装之前，催化剂200就可以预设于外壳本体121和嵌壳124之间，外壳本体121和嵌壳124再与水分内芯110连接固定。另外为了排水和排气，外壳本体121和嵌壳124之间的空腔与排水通道106连通。
56.本实施例对空气通道108的形成方式以及设置位置不做具体限定，只要能实现将空气通入安装腔102内即可。作为一种优选实施方式，外壳120还包括套设于外壳本体121外的套筒126，外壳本体121和套筒126上均设有通气孔129，外壳本体121和套筒126上的通气孔129位置相对，以形成空气通道108。
57.本实施例对切换件的结构以及实现空气通道108开启或关闭的作用原理均不做具体限定，比如在一些实施方式中，切换件可以为连接于空气通道108入口的阀门。作为一种优选实施方式，套筒126与外壳本体121可采用转动配合的结构，套筒126构成切换件；燃料电池水气分离装置1000还包括驱动套筒126转动的驱动组件，以使套筒126上的通气孔129在与外壳本体121上的通气孔129对位和错位的状态之间切换，此时无法额外增设空气气罐，直接利用外界环境中的空气即可提供与氢气反应的氧气。
58.为了提高氢气与空气的催化反应速率和效果，外壳本体121和套筒126上的通气孔129均对应设置有多个，比如可以为乱序间隔设置，也可以为多列进而增大空气的通入量，另外当为多列通气孔129时，还可以将通气孔129设置为不同尺寸，以匹配空气流量的需求，本发明均不做具体限定。作为一种实施方式，外壳本体121和套筒126上的通气孔129间隔设置有多列，且所以通气孔129的尺寸相同，氢气和空气反应产生的一部分水气通过空气通道108排出，一部分位于安装腔102内由排水通道106排出。
59.本实施例对驱动组件的结构和实现方式不做具体限定，可根据实际需求进行适应性调整，只要能实现驱动套筒126相对外壳本体121转动使空气通道108导通或切断即可。比如，在一些实施方式中，作为一种实施方式，驱动组件还可以包括驱动电机300和由驱动电机300驱动传动的皮带(图中未示出)；套筒126上设有用于将套筒126转动安装于外壳本体121上的安装部127，安装部127上设有卡槽128，皮带设于卡槽128内且绕设于套筒126上。
60.为了进一步增加安装腔102内氢气、空气与催化剂200三者之间的接触面积，进而提高反应效率，保证氢气消耗以及热量足够防止水分冻结，作为一种优选实施方式，沿高度方向，进气通道103位于回收通道107的上方，嵌壳124位于进气通道103与回收通道107之
间，嵌壳124与水分内芯110间隔设置，嵌壳124上设有多个贯通的过孔125，由于回收通道107位于催化剂200的下方，气体通入安装腔102后，由于氢气质量轻，进而氢气向上流动、并富集于安装腔102的上部并位于嵌壳124和水分内芯110之间，氢气通过过孔125进入嵌壳124与外壳本体121之间并与空气和催化剂200接触，充分利用氢气的特性，进行了外壳120的结构设计，考虑分离水气效率、流阻以及催化反应的效率。
61.在一些实施方式中，为了增大氢气进入嵌壳124与外壳本体121之间的速率，过孔125也可以设置为多列，同时便于催化反应产生的水气可快速流通至外壳120的安装腔102的底部。
62.本实施例对安装腔102、水气分离腔101与排水通道106的连通方式不做限定，可在实现排水的基础上根据需求进行适应性调整。作为一种实施方式，排水通道106设于外壳120的底部；水分内芯110的底部和外壳本体121的底部均贯通设有通水孔150，水气分离腔101通过通水孔150与安装腔102以及排水通道106连通，以同时将水气分离出的水和反应产生的水排出。
63.为了便于基于水气分离腔101中的水分排出，本实施例中，水气分离腔101的腔底设有导水斜面113，通水孔150设于导水斜面113的低端。在一些实施方式中，同样可以在安装腔102对应排水通道106的位置设置导水斜面113。
64.作为一种实施方式，外壳本体121包括连接的底板122和侧板123，底板122和侧板123均与水分内芯110间隔设置；排水通道106设于底板122的底部。
65.本实施例对水分内芯110的结构不做限定，本实施例中，水分内芯110包括连接的内芯本体111和盖板112，隔板130设于盖板112上。
66.实施例2
67.基于同样的发明构思，本实施例提供了一种燃料电池系统，包括电堆10、氢气供应子系统和尾气排放子系统，如图7所示。氢气供应子系统连通于电堆10的进氢口；尾气排放子系统包括回氢泵16、切换阀19、混排处理组件20以及实施例1中的燃料电池水气分离装置1000，燃料电池水气分离装置1000的进气通道103与电堆10的气体出口相连通，回氢泵16的进口与燃料电池水气分离装置1000的出氢通道104连通、回氢泵16的出口与氢气供应子系统或电堆10的进氢口连通；切换阀19的进气端与燃料电池水气分离装置1000的排气通道105相连通，切换阀19的出气端可选择地连通混排处理组件20或燃料电池水气分离装置1000的回收通道107；燃料电池水气分离装置1000的排水通道106与混排处理组件20连通，也即排气通道105可选择地将气体排出壳体100外或将气体由回收通道107通入安装腔102中，通过对切换阀19的导通控制及空气通道108的开启，能自动调节尾排中氢气的流量，有效控制氢气排放量。
68.本发明对氢气供应子系统和尾气排放子系统的其他未详细介绍结构不做限定和赘述，可参考现有技术中任一种燃料电池系统。
69.本实施例中，氢气供应子系统包括依次设置连通的氢气源11、进氢阀13和比例阀14，比例阀14出口与电堆10的进氢口连通，还包括设于氢气源11和进氢阀13之间的中压传感器12以及设于比例阀14和电堆10之间的进堆低压传感器15。电堆10的尾排口与燃料电池水气分离装置1000的进气通道103之间设有出堆传感器17。排水通道106和混排处理组件20之间设有排水阀18，以定期或在需要时打开排水阀18进行排水。
70.本发明提供的燃料电池系统由于具备上述燃料电池水气分离装置1000，自然具备以上所有有益效果，由出氢通道104排出的氢气可再次通入电堆10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19将由燃料电池水气分离装置1000处理后经排气通道105排出的气体做相应的处理，排气通道105排出的气体可称为预备尾气，当排气通道105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20中进行统一排放，当排气通道105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105排出的气体回收通入至回收通道107并开启空气通道108，以使预备尾气中的氢气在安装腔102与空气进行反应，催化剂200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106通入混排处理组件20中进行统一排放。
71.本发明提供的燃料电池系统的使用方法和工作原理如下：
72.当在室温且氢气排放量满足要求的情况下，此时套筒126与外壳本体121上的通气孔129错位，空气通道108关闭，催化剂200可不与空气接触，排气通道105排出的预备尾气通过切换阀19直接进入混排处理组件20。当低温环境下或者氢气浓度传感器检测到预备尾气中氢气排放超过4％时，切换阀19可打开虚线通道即连通回收通道107，切换阀19可调节大小来控制氢气的流量，这时气体通过燃料电池水气分离装置1000的回收通道107进入安装腔102，且此时通过驱动电机300驱动套筒126转动至套筒126上的通气孔129与外壳本体121上的通气孔129对位已开启空气通道108，催化剂200、空气、氢气三者接触反应产生的热可以给水分进行加热，防止水结冰。
73.实施例3
74.基于同样的发明构思，本实施例还提供了一种车辆，包括实施例1的燃料电池水气分离装置1000或者实施例2的燃料电池系统。
75.本发明对车辆的种类及类型不做具体限定，可以为现有技术中任一种车辆，比如家用小车、客车、货车等，该车辆的其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，此处不做展开说明。
76.综上，本发明提供的燃料电池水气分离装置1000、燃料电池系统以及车辆，能降低尾排中的氢气，保证氢安全；本技术通过对燃料电池水气分离装置1000设计开发，考虑分离效率及流阻，结合燃料电池系统运行在不同工况下的情形，改变套筒126与外壳本体121上通气孔129的对位情况及控制切换阀19的出口走向，继而实现燃料电池系统在不同环境下的正常运行。本技术利用尾排中的氢气进行加热，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。
77.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101以及安装腔102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106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1000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。
78.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包
括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
79.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种燃料电池水气分离装置，其特征在于，包括，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；切换件，用于开启或关闭所述空气通道；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；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。2.如权利要求1所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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；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。3.如权利要求2所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。4.如权利要求2所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。5.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。6.如权利要求5所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。7.如权利要求6所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。8.如权利要求7所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。9.如权利要求6所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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。10.如权利要求5所述的燃料电池水气分离装置，其特征在于，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；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。11.一种燃料电池系统，其特征在于，包括，电堆；氢气供应子系统，连通于电堆的进氢口；尾气排放子系统，包括回氢泵、切换阀、混排处理组件以及权利要求1-10中任一项所述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。12.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的燃料电池水气分离装置或者权利要求11所述的燃料电池系统。

技术总结
本发明公开了燃料电池水气分离装置、燃料电池系统以及车辆，解决燃料电池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的技术问题。该燃料电池水气分离装置包括设有水气分离腔、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的壳体以及设于安装腔内的催化剂和用于开启或关闭空气通道的切换件；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；沿高度方向出氢通道位于排气通道的上方，保证燃料电池电堆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。温下的正常使用。温下的正常使用。


技术研发人员：刘利连 李学锐 马义 陈乾忙 何特立
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/13