CN101450280A - 可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统及方法，包括三向电磁阀、氢气缓冲装置、汽水分离器、氢气催化燃烧净化处理装置、热交换器、氢气紧急排空管、温度监测装置、氢气传感器和系统控制模块，其中，三向电磁阀的进口端与电堆阳极侧出口连接，电磁阀的一个出口与氢气缓冲装置连接，另一个出口与氢气紧急排空管连接；该电磁阀与氢气缓冲装置连接处还与汽水分离器、催化燃烧净化处理装置相连。系统控制模块通过信号线与电磁阀、氢气传感器和温度传感器连接，对整个系统进行调节和控制。本发明能够保证燃料电池系统排放的含氢尾气通过催化燃烧的方式安全地净化处理掉，减少可能会对大气和环境造成的潜在影响和危害，提高整个系统的效率。
Description
技术领域
本发明属于环保、汽车领域，涉及对含氢气体进行净化处理的装置，尤其是适用于对燃料电池汽车排放的含氢尾气进行净化处理的装置。
背景技术
燃料电池是一种等温条件下直接将储存在燃料(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、高效和零排放等特点，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。大量的氢气进入大气层还会干扰臭氧形成的过程，造成持续时间更长的臭氧空洞，如不进行有效的处理，将会对大气、环境和人类的健康造成潜在危害，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，并实现真正的零排放。
传统内燃汽车的尾气净化系统比较简单，实际上就是一个尾气净化器，尾气中的有害物质通过净化器后，经催化反应而达到净化的目的。燃料电池汽车的尾气净化系统与传统汽车的有本质差别，而且系统远比传统汽车复杂。一方面，燃料电池汽车尾气中氢气的排放是间歇式的，而且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，所以系统要考虑解决排氢的均一化问题；另一方面，尾气中含水量较高，这常常会导致催化剂失效，所以系统必须考虑除水装置；此外，燃料电池汽车(FCV)尾气的温度远低于传统汽车尾气的温度，需要考虑催化燃烧的低温启动特性。鉴于FCV尾气的排放特性，本发明提出以下发明内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车尾气脱氢处理的安全、高效净化处理系统。该系统能够将燃料电池汽车尾气中含有的氢气以催化燃烧的方式消耗掉，使尾排气中氢气的含量大大降低，减轻排放的氢气对环境可能带来的危害。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，，包括三向电磁阀、氢气缓冲装置、汽水分离器、氢气催化燃烧净化处理装置、氢气紧急排空管、温度监测装置、氢气传感器和系统控制模块，其中，三向电磁阀的进口端与电堆阳极侧出口连接，电磁阀的一个出口与氢气缓冲装置连接，保持常开状态；另一个出口与氢气紧急排空管连接；该电磁阀与氢气缓冲装置连接处还与汽水分离器、催化燃烧净化处理装置相连。
进一步，系统控制模块通过信号线与电磁阀、氢气传感器和温度传感器连接，对整个系统进行调节和控制。
氢气缓冲装置内部设有自适应缓冲器，缓冲装置顶部的换气口装有氢气传感器，其底部设有三路氢气管路缓冲器，其中氢气进气管路与燃料电池阳极侧排气口相连。
汽水分离器底部装有蓄水槽和排水口，排水管道上设有电磁阀，定时将蓄水槽中的凝结水排出，汽水分离器的集水槽的中上部安装有液位传感器。
氢气催化燃烧净化处理装置包括不锈钢外壳，整体式催化剂，温度监测装置和热交换器。
该自适应缓冲器的主体是具有收缩力的可变体积伸缩容器，它与燃料电池阳极侧的尾排管相连，可以起到缓冲脉冲氢气流的作用。
整体式催化剂以经过改性的蜂窝陶瓷或金属作为第一载体，以高比表面积的活性金属氧化物为第二载体，以贵金属作为催化活性组分，并添加其他的元素作为助剂，提高催化剂的催化燃烧性能。
催化燃烧净化处理装置整合了热交换系统和温度监测系统，用于反应生成的热量回收和内部温度的实时监控。制备好的整体式催化剂安装在催化燃烧净化处理装置中，并采取适当的减震措施，防止由于汽车行驶震动导致催化剂损坏。
系统控制模块根据系统的运行状态以及温度和氢气传感器的信号反馈情况，控制排氢电磁阀的开闭和流向的转换。系统正常运行时，电磁阀每间隔一段时间，例如10～20s排氢一次，此时氢气通过三向电磁阀和氢气缓冲装置后与空气混合进入催化燃烧净化处理装置，进行氢气的催化燃烧。一旦温度传感器监测到催化燃烧装置内部温度过高或氢气传感器监测到氢气泄漏，三向电磁阀马上转为与氢气紧急排空管连通，使氢气排放到系统外部，保证催化燃烧净化处理装置的安全。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：能够保证燃料电池系统排放的含氢尾气通过催化燃烧的方式安全的净化处理掉；同时该系统可以采用热交换器对反应过程中释放的热量进行回收利用。既能减少由于氢气的排放而可能会对大气和环境造成的潜在影响和危害，又可以提高整个系统的效率。
附图说明
图1为本发明实施例燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统结构示意图。
图2为本发明实施例氢气缓冲装置剖面示意图。
图3为本发明实施例经过缓冲后的氢气浓度的变化示意图。
图4为本发明实施例燃料电池含氢尾气净化效果图。
图5为本发明实施例催化燃烧净化装置内部及尾气温度变化图。
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是一种燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统结构图，包括氢气管路1、空气管路2、三向电磁阀3、氢气缓冲装置7、汽水分离器5、催化燃烧净化处理装置10、热交换器19、氢气紧急排空管11、温度传感器9、氢气传感器8和系统控制模块4，所述的氢气缓冲装置7设有自适应缓冲器12和氢气传感器8，所述的汽水分离器5设有排水口6，可以定时将从电堆尾气中分离出来的凝结水排出。所述的催化燃烧净化处理装置设有热交换器19和温度传感器9。所述的系统控制模块4通过信号线与氢气传感器8和温度传感器9连接。
本实施例中连接三向电磁阀3、氢气缓冲器7、汽水分离器5、催化燃烧净化处理装置10的管道均可采用不锈钢管，氢气紧急排空管11也可为不锈钢管。三向电磁阀3的入口与燃料电池阳极侧连接，一个出口与氢气缓冲装置7连接，保持常闭状态；另一个出口与氢气紧急排空管连接。电磁阀每隔10～20秒开闭一次，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7后转化为持续稳定的连续气流，与空气均匀混合后进入汽水分离器5，经过汽水分离后的混合气体进入催化燃烧净化处理装置10，氢气通过催化燃烧的方式转化成水除掉，达到大幅减少氢气排放的目的。
三向电磁阀3的开闭和流向通过系统控制模块4进行控制，当系统控制模块监测到氢气缓冲装置7内发生氢气泄漏或催化燃烧净化处理装置内部温度过高时，三向电磁阀3通向氢气缓冲装置7的出口关闭，通向紧急排氢管11的出口开启，燃料电池排放的氢气直接通过紧急排氢管道11排出。避免泄漏的氢气在系统内部聚集或催化剂在高温下烧结失活。
本实施例汽水分离器排水口6后安装排水电磁阀，经过汽水分离后所收集的水分可以通过电磁阀自动排放。汽水分离器的集水槽的中上部安装有液位传感器18，当集水槽中液位高于该传感器的位置时，排水口6处的电磁阀开启，将积水排出。排水结束后，电磁阀关闭。
氢气催化燃烧净化处理装置10包括不锈钢外壳，整体式催化剂，温度传感器9和热交换器19。催化燃烧净化处理装置10整合了热交换系统和温度监测系统，用于反应生成的热量回收和内部温度的实时监控。制备好的整体式催化剂安装在催化燃烧净化处理装置中，并采取适当的减震措施，防止由于汽车行驶震动导致催化剂损坏。
整体式催化剂以经过改性的蜂窝陶瓷或金属作为第一载体，以高比表面积的活性金属氧化物为第二载体，以贵金属作为催化活性组分，并添加其他的元素作为助剂(可选择的元素包括哪些？请列举些)，提高催化剂的催化燃烧性能。
图2是一种燃料电池尾气脱氢净化处理系统中的氢气缓冲装置7，包括绝缘外壳，自适应缓冲器12，缓冲器12的主体是具有收缩力的可变体积伸缩容器，它与燃料电池阳极侧的尾排管相连，可以起到缓冲脉冲氢气流的作用，通过自适应缓冲器的调节，使脉冲氢气转换为持续稳定的气流；缓冲装置顶部的换气口装有氢气传感器8，监测是否有氢气泄漏发生；另外，还有氢气管路13、14以及缓冲室的固定装置15，本实例中的氢气进气管路13与燃料电池阳极侧排气口相连，缓冲室出口管路14与安装在空气管路上的混合器17连接，周期性排放的脉冲氢气先存贮在自适应缓冲器12中，然后在压力的作用下缓缓排出，与空气均匀混合后进入催化燃烧净化处理装置10中，氢气从缓冲器12中排出的时间要与电堆的排氢周期同步，使脉冲氢气流转化为持续而稳定的连续气流，如图3所示。
系统控制模块4根据系统的运行状态以及温度传感器9和氢气传感器8的信号反馈情况，控制排氢电磁阀的开闭和流向的转换。系统正常运行时，电磁阀每10～20s排氢一次，此时氢气通过三向电磁阀3和氢气缓冲装置7后与空气混合进入催化燃烧净化处理装置10，进行氢气的催化燃烧。一旦温度传感器9监测到催化燃烧装置10内部温度过高或氢气传感器8监测到氢气泄漏，三向电磁阀3马上转为与氢气紧急排空管11连通，使氢气排放到系统外部，保证催化燃烧净化处理装置10的安全。
本实施例对5kw的燃料电池系统排放的含氢尾气进行了模拟处理，处理结果见表1和图4、5。在空速为10000h-1～25000h-1，尾气中氢气浓度≥2％的条件下，氢气的去除率高于90％，能够达到良好的氢气净化处理效果。
表1：净化处理前后尾气中氢气的浓度和去除率
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 (10)
1、一种可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：包括三向电磁阀、氢气缓冲装置、汽水分离器、氢气催化燃烧净化处理装置、氢气紧急排空管、温度监测装置、氢气传感器和系统控制模块，其中，三向电磁阀的进口端与电堆阳极侧出口连接，电磁阀的一个出口与氢气缓冲装置连接，保持常开状态；另一个出口与氢气紧急排空管连接；该电磁阀与氢气缓冲装置连接处还与汽水分离器、催化燃烧净化处理装置相连。
2、如权利要求1所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：系统控制模块通过信号线与电磁阀、氢气传感器和温度传感器连接，对整个系统进行调节和控制。
3、如权利要求1所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：氢气缓冲装置内部设有自适应缓冲器，缓冲装置顶部的换气口装有氢气传感器，其底部设有三路氢气管路缓冲器，其中氢气进气管路与燃料电池阳极侧排气口相连。
4、如权利要求1所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：汽水分离器底部装有蓄水槽和排水口，排水管道上设有电磁阀，定时将蓄水槽中的凝结水排出，汽水分离器的集水槽的中上部安装有液位传感器。
5、如权利要求1所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：氢气催化燃烧净化处理装置包括不锈钢外壳，整体式催化剂，温度监测装置。
6、如权利要求3所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：该自适应缓冲器的主体是具有收缩力的可变体积伸缩容器，它与燃料电池阳极侧的尾排管相连起到缓冲脉冲氢气流的作用。
7、如权利要求5所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：该氢气催化燃烧净化处理装置，整体式催化剂以经过改性的蜂窝陶瓷或金属作为第一载体，以高比表面积的活性金属氧化物为第二载体，以贵金属作为催化活性组分，并添加其他的元素作为助剂，提高催化剂的催化燃烧性能。
8、根据权利要求1至7中任一所述的可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，其特征在于：还包括热交换器，其集成于催化燃烧净化处理装置中。
9、控制权利要求8所述系统的方法，其特征在于：包括：
系统控制模块根据系统的运行状态以及温度和氢气传感器的信号反馈情况，控制排氢电磁阀的开闭和流向的转换；系统正常运行时，电磁阀每隔一段时间排氢一次，此时氢气通过三向电磁阀和氢气缓冲装置后与空气混合进入催化燃烧净化处理装置，进行氢气的催化燃烧；一旦温度传感器监测到催化燃烧装置内部温度过高或氢气传感器监测到氢气泄漏，三向电磁阀马上转为与氢气紧急排空管连通，使氢气排放到系统外部，保证催化燃烧净化处理装置的安全。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于：包括：系统正常运行时，电磁阀排氢时间的间隔是10～20s。
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