CN101409353B - 燃料电池汽车氢气安全排放用尾气处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理方法及装置，包括氢气缓冲器、流量控制阀、排水阀、阻火器、接地端子、氢气紧急排空阀、氢气传感器和控制模块。燃料电池阳极侧排放的脉冲氢气先经缓冲器缓冲，从阴极侧排放的空气路引入的小股空气对缓冲器内的氢气进行稀释和吹扫，再将缓冲器排出的稀释气和空气主管路气体混合，实现燃料电池汽车排出的尾气氢气体积浓度控制在爆炸极限浓度4％的范围以下，并且可回收利用冷凝排放的纯净水。该尾气缓冲稀释处理器利用了自扩散、多管程缓冲、空气混合置换、膨胀冷凝等技术对燃料电池汽车排出的含氢尾气进行缓冲、稀释和水气分离，消除着火隐患，保障燃料电池汽车安全运行。

Description

燃料电池汽车氢气安全排放用尾气处理方法及装置

技术领域

本发明涉及一种能对燃料电池汽车排放的氢气尾气进行缓冲稀释处理、控制其排放的尾气中氢气浓度在安全范围内的缓冲稀释处理装置。 

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料(如氢气)和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，是一种新型的绿色能源技术。以质子交换膜燃料电池为动力源的燃料电池汽车具有安静、高效和零污染等特点，同时比以蓄电池为动力源的纯电动汽车具有更长的续驶里程，基于以上的种种优点，人们对燃料电池汽车开展了积极的研究，并取得了巨大的进步，目前，已经有不少汽车制造商研发、设计和生产出性能基本接近传统汽车的燃料电池汽车，部分汽车已经进行了公路测试及商业化示范运行，燃料电池汽车市场的前景光明。 

为保证燃料电池运行性能稳定，燃料电池系统的氢气供应必须保证燃料氢气均匀、充足、稳定地供给电池组的每个单电池。由于燃料电池使用固体聚合物质子交换膜为电解质，其性能受质子交换膜电导率的影响十分显著，现在使用的质子交换膜的电导率与其自身的含水量密切相关，这就要求反应气体在进入电堆前先进行增湿，将一定量的水分带入电堆，使质子交换膜保持湿润的状态，增加交换膜的电导率。为了提高氢气的利用效率，电堆运行过程中，氢气尾排口大部分时间是关闭的状态，随着运行时间的增长，水分会在电堆阳极侧的导流槽中汇集，使导流槽发生“堵水”，同时碳纸中的气体扩散层还会发生“水淹”现象，阻碍氢气的传质过程，导致电堆性能下降。因此，电堆运行的过程中需要保证每个单电池氢气侧的导流槽中不会发生“堵水”现象，现行的策略是在电堆阳极侧的出口安装一个排水、排氢的电磁阀，该电磁阀每隔一定的时间开启一次，氢气流高速排出，带走阳极侧的水分，以实现以下的功能： 

(1)有利于燃料电池堆中氢气侧积水排放，防止“堵水”发生； 

(2)燃料电池系统工作时间较长时，由于大量氢气的输入与长时间循环，氢气中会累计一定量的杂质气体。运行时间越长，杂质气体浓度越高，不利于燃料电池系统的性能稳定。排气过程会将这些杂质带出电堆，减少对电堆性能的影响。 

排水/排氢电磁阀的开启和排氢间隔时间取决于燃料电池系统的性能，一般情况下，电磁阀的开启时间在0.5～1s左右，两次排氢的间隔时间在十几至几十秒之间。由于氢气侧压力较高，一次排放的氢气量也较大；此外，燃料电池汽车在启动和怠速时，排氢的频率会加快，排放的氢气量也相应的增多。作为一种具有可燃性和爆炸性的气体，氢气的爆炸极限为4％-76％，一旦遇到明火或静电就会发生燃烧甚至爆炸。因此，妥善的处理汽车的含氢尾气有利于燃料电池汽车的安全使用和发展。 

燃料电池汽车的空气是由鼓风机或空气压缩机来提供，过量的空气经燃料电池反应后排到大气当中。它是通过控制空气的过量比系数采取连续排放的方式来排放空气尾气。 

传统内燃机汽车尾气中还原型气体的浓度远远低于爆炸极限浓度范围，所以不需要在其尾气净化器中增加尾气缓冲稀释装置。燃料电池汽车的排放尾气中阳极侧排放的是含高湿度的氢气，如果直接排放到大气中，或简单和阴极侧的空气混合后排放到大气中的尾气中氢气浓度会处于爆炸极限范围内，对于燃料电池汽车的正常使用会带来严重的安全隐患；另一方面，燃料电池汽车尾气中氢气的排放是间歇式的，在排放瞬间尾气中氢气的浓度常常会处于爆炸极限范围内，所以装置要考虑解决排氢的均一化问题。日本Honda公司的燃料电池尾气处理的装置(US7358002B2和US7371477B2)专利只是简单的将燃料电池所有的尾气排放到一个密闭腔体里混合，通过加大空气的流量来对氢气尾气进行稀释，这除了需要消耗额外的能量外，还需要增加对风机实时的复杂控制。其方法没有用到类似气体缓冲置换稀释的装置。同济大学汽车学院在可用于燃料电池含氢尾气脱氢净化系统和方法专利(200710171558.6)中提到了一种含氢尾气缓冲装置，它采用的是一种带弹簧缓冲的腔体来对含氢尾气进行缓冲，解决氢气排放的均一化问题。该方法如何通过很好的调节弹簧的回弹速度来控制氢气的排放的速度是一个较复杂的问题，并牵涉到一些活动部件(如弹簧等)的耐久性问题。鉴于FCV尾气的排放特性和已有申请和公开专利的特点，本发明提出一种更为简单易行的缓冲稀释装置。 

发明内容

为了妥善处理燃料电池汽车排放出来的尾气，使尾气中氢气浓度低于爆炸极限范围，本发明提供一种燃料电池汽车尾气安全排氢的缓冲稀释装置，该装置能够将燃料电池汽车尾气中的氢气浓度降低到爆炸极限范围以下，消除氢气排放带来的安全隐患。 

针对燃料电池汽车尾气的排放特点(排氢方式为间歇式排放，瞬间排氢常常会超过爆炸极限)，本发明采用以下技术达到安全处理排放的目的，解决其技术问题的方案是： 

一种用于燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，包括氢气缓冲器、流量控制阀、排水阀、阻火器、接地端子、氢气紧急排空阀、氢气传感器和控制模块。 

所述的氢气缓冲器与燃料电池阳极侧的尾排管相连，氢气在缓冲器内的多管程流动可降低氢气的瞬间流速，可以起到缓冲脉冲氢气流的作用。通过流量控制阀调节燃料电池阴极侧尾气引入的小流量空气对缓冲器内的氢气进行吹扫混合，使脉冲氢气转换为相对稳定持续的气流，最后和燃料电池阴极空气排气主管路里的空气混合排放到大气中。在下一个周期瞬间排放脉冲氢气时，首先挤出氢气缓冲器内含低浓度氢气的氢空混合气，同时氢气占满整个缓冲器空间后被小股空气混合吹扫出缓冲器和空气排气主管路尾气混合转化成含低浓度氢气的尾气排到大气当中。 

所述的排水阀安装在缓冲器底部，用来排除不断累积在缓冲器内部的液态水；所述的阻火器安装在缓冲器的氢气引入管和排出管上，阻断在紧急情况下气体燃烧的火焰；所述的接 地端子安装在缓冲器上和整车的接地线连接，清除不断累积的静电；所述的氢气紧急排空阀安装在缓冲器的氢气引入管上，用来在紧急情况下直接排放氢气；所述的控制模块通过信号线与流量控制阀、氢气传感器连接，对整个装置进行调节和控制，使燃料电池汽车最后排出的尾气浓度在安全范围内。 

本发明由于采用了以上技术方案，因此能够保证燃料电池汽车排放的尾气中氢气浓度通过缓冲稀释吹扫的方式处理降低到安全范围内。 

本发明的实施例对7kw的燃料电池系统排放的含氢尾气进行了模拟处理，实验结果表明在燃料电池汽车怠速条件下，阳极侧氢气排放周期为60s排1s，排放时流量为30L/min左右，阴极侧空气流量为100L/min，氢气尾气通过尾气缓冲稀释处理器处理后系统排出的混合器中氢气浓度低于2％，能够达到良好的缓冲稀释处理效果。 

附图说明

图1为本发明实施例燃料电池尾气缓冲稀释处理装置原理图。 

图2为本发明实施例氢气缓冲器剖面图。 

图3为本发明实施例氢空尾气直接混合和经过缓冲装置后再混合的尾气中氢气浓度的变化比较示意图。 

图4为本发明实施例燃料电池氢气尾气经过缓冲装置后再混合的尾气中氢气浓度的变化示意图。 

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。 

图1是一种用于燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，包括氢气缓冲器1、流量控制阀2、排水阀3、阻火器4、接地端子5、氢气紧急排空阀6、氢气传感器7和控制模块16。所述的氢气缓冲器1顶部有氢气引入管8和燃料电池阳极氢气尾排管连接，两者之间装有阻火器4，阻断在紧急情况下气体燃烧的火焰。氢气引入管8的支管路还装有氢气紧急排空阀6，可在紧急情况下将燃料电池的氢气尾气直接通过紧急排气管12排出，保证缓冲装置的安全使用。本实例中氢气引入管8的内径为6mm左右的不锈钢管，氢气缓冲器1的直径为氢气引入管8直径10～20倍的装置，装置中管径变化可实现气体在装置内的自扩散作用，与后引入的小股空气均匀混合。另外，由于氢气缓冲器1腔体直径是氢气引入管8直径10～20倍，含高湿度的氢气在氢气缓冲器1内膨胀冷凝出液态水，可供回收使用等。氢气缓冲器1上的空气引入管9和混合排气管10都与燃料电池阴极空气尾排管连接，混合排气管10和燃料电池阴极空气尾排管连接之间也装有阻火器4。氢气缓冲器1底部排水管11和排水阀3连接，可以定时将分离出来的凝结水排出。氢气缓冲器1壁上还装有接地端子5和整车接地柱连接，可及时清除装置本身不断累积的静电。所述的系统控制模块16通过信号线与流量控制阀2、氢气传感器7、氢气紧急排空阀6和排水阀3连接。 

本实施例中连接管道氢气引入管8、空气引入管9、混合排气管10、排水管11和紧急排 气管12均为不锈钢管，燃料电池汽车在怠速情况下氢气尾排电磁阀每隔60秒左右开闭一次，排放时间持续0.5～1秒。一次脉冲排放出的氢气经过氢气缓冲装置1缓冲后，由空气引入管9引入的小股空气稀释吹扫后转化为持续稳定的连续气流，再由混合排气管10排出与空气排气主管路里的空气混合后排到大气当中。控制模块16通过空气排气主管路中安装的氢气传感器7实时监控尾气中氢气的浓度，根据氢气浓度变化的需要和燃料电池氢气尾排电磁阀排放间隔的变化通过控制流量调节阀2调节引入空气的流量。 

图2是一种用于燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置的核心部件氢气缓冲器1，包括不锈钢壳体15，密封法兰13，十字导流隔板14和氢气引入管8、空气引入管9、混合排气管10和排水管11，本实例中的氢气引入管8与燃料电池阳极侧排气口相连，周期性排放的脉冲氢气先在氢气缓冲器1中缓冲，然后在空气引入管9引入的小股空气的稀释吹扫作用下缓缓排出转化为持续稳定的连续气流，再由混合排气管10排出与空气排气主管路里的空气混合后排到大气当中，等下一个脉冲氢气排放时在压力的作用下先挤出氢气缓冲器1中含有低浓度氢气的空气，而不会出现氢气瞬间高浓度排放的问题，从而解决了排氢的均一化问题。十字导流隔板14将氢气缓冲器1切分为一个4管程的稀释缓冲装置，氢气引入管8引入的氢气可实现多管程流动缓冲，降低氢气的流速。空气引入管9引入的小股连续的空气将装置内的氢气稀释置换成低浓度氢气的空气排出氢气缓冲器1。 

本实施例对7kw的燃料电池系统排放的氢气尾气进行了对比处理实验，一种方法将燃料电池系统排放的氢空尾气直接混合后排放，另一种将燃料电池系统排放的尾气经过尾气缓冲稀释装置后再与空气主管路尾气混合排放。两种不同方法处理的氢气浓度的变化比较结果见图3、4。不经过尾气缓冲稀释装置直接混合的燃料电池系统尾气氢气浓度瞬间会达到20％以上，通过尾气缓冲稀释装置后再混合排放的燃料电池系统尾气氢气浓度始终保持在0-2％之间，低于爆炸极限4％的浓度要求，说明该装置起到了很好的缓冲稀释的作用。 

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理方法，其特征在于：将氢气缓冲器与燃料电池阳极侧的尾排管相连，使氢气在缓冲器内进行多管程流动以降低氢气的瞬间流速，起到缓冲脉冲氢气流的作用；通过调节燃料电池阴极侧尾气引入的小流量空气对缓冲器内的氢气进行吹扫混合，使脉冲氢气转换为相对稳定持续的气流，最后和燃料电池阴极空气排气主管路里的空气混合排放到大气中；在下一个周期瞬间排放脉冲氢气时，首先挤出氢气缓冲器内含低浓度氢气的氢空混合气，同时氢气占满整个缓冲器空间后被小股空气混合吹扫出缓冲器和空气排气主管路里的空气混合转化成含低浓度氢气的尾气排到大气当中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：排除不断累积在缓冲器内部的液态水；阻断在紧急情况下气体燃烧的火焰；清除不断累积的静电；在紧急情况下直接排放氢气。

3.一种燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，其特征在于：包括氢气缓冲器、排水阀、阻火器、接地端子、氢气紧急排空阀、氢气传感器和控制模块；所述的氢气缓冲器具备多管程缓冲功能，其顶部有氢气引入管和燃料电池阳极氢气尾排管连接，两者之间装有阻火器；氢气缓冲器上的空气引入管和混合排气管都与燃料电池阴极空气排气主管路连接，混合排气管和燃料电池阴极空气排气主管路连接之间也装有阻火器；所述的排水阀安装在缓冲器底部；所述的接地端子安装在缓冲器上和整车的接地线连接；所述的氢气紧急排空阀安装在缓冲器的氢气引入管上，所述的控制模块通过信号线与流量控制阀、氢气传感器连接，流量控制阀设于空气引入管上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，其特征在于：所述氢气缓冲器包括不锈钢外壳、十字导流隔板、法兰密封结构、氢气引入管、空气引入管、混合排气管、排水管，十字导流隔板将由不锈钢外壳组成的缓冲装置分切成四管程的装置，从氢气引入管引入的氢气在缓冲器内，需要经流四个通道后再由混合排气管排出缓冲器，延长了气体在缓冲器内的停留时间。

5.根据权利要求3所述的燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，其特征在于：所述控制模块可根据氢气传感器的浓度信号调节引入氢气缓冲器内空气的流量，控制燃料电池汽车尾气出口的浓度。

6.根据权利要求4所述的燃料电池汽车氢气安全排放用的尾气缓冲稀释处理装置，其特征在于：所述氢气缓冲器的排水管道上设有电磁阀，定时将缓冲器中的凝结水排出。

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