CN101604758B - 燃料电池阳极尾气处理系统和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极尾气处理方法和系统，是在燃料电池电堆的阳极尾气出口位于排气阀外侧的尾气排放口处加装有催化氧化作用的催化剂，使得电堆排放的阳极尾气中的燃料在催化剂作用下，与空气中的氧进行催化氧化化学反应将燃料氧化掉。本发明在保证燃料电池的输出功率情况下，避免了尾气中的燃料排放到环境中造成污染和发生燃烧和爆炸的危险。而且由于采用催化剂进行催化氧化，与燃烧的方式相比反应条件温和，不需要高温。并且采用间歇排放方式，在不排放时环境中的氧气就会扩散至排放管的催化剂段，以提供在排放时与燃料发生氧化反应的氧气，不需要特别的补氧系统，结构简单，使用方便。

Description

燃料电池阳极尾气处理系统和处理方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体来说是燃料电池中阳极尾气的处理方法和系统。

背景技术

为了解决环境污染和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都对燃料电池进行了广泛的关注，因为燃料电池是一种高效清洁能源，对环境没有或只有很小的污染，并能用可再生性物质如氢气和甲醇做为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对燃料电池研发的投入。很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。

燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料(和空气)中的化学能直接转化成电能。电堆是燃料电池系统中的核心部分。燃料在燃料电池系统中电堆的阳极被氧化，氧气(一般从空气中取得)在燃料电池系统中的电堆的阴极被还原。只要有燃料和氧气不停地输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。反应式(1)表述了氢气在阳极的氧化过程，反应式(2)表述了甲醇在阳极的氧化过程，反应式(3)表述了相应的氧气在阴极的还原过程：

H₂＝2H⁺+2e^-                    (1)

CH₃OH+H₂O＝CO₂+6H⁺+6e^-    (2)

O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O          (3)

铂和铂系合金的纳米颗粒一般做为催化剂以加速这些反应的进行。另外，为了保证反应速度和减小过电压造成的能量损耗，燃料和空气都分别以超过反应计量比的流量被送入电堆的阳极和阴极。过量的空气可以直接排入大气，但过量的燃料不可以直接排入大气，否则会造成燃料浪费，环境污染，并可能引起燃烧和爆炸。

目前燃料进出电堆的方式有如下两种：

第一种也是最常用的一种是开通的进口和出口。为避免燃料浪费和造成环境问题，如图1所示，电堆1的出口可用导管通过单向阀2返接回入口，把阳极尾气返送到燃料入口处加以利用。这样就形成了一个阳极尾气的循环回路。这种方法的一个缺点是尾气中的非燃料物质越集越多从而导致燃料电池效率降低。在这种两头开通的设计中有时阳极尾气直接排放到大气中而不进行任何循环，导致燃料浪费和造成环境问题。为减小环境危害，阳极尾气已被考虑到用一个高温反应器使其燃烧掉。该反应器只能在很高的温度下(如500℃)才能引起阳极尾气中的燃料燃烧，而且需要考虑如何把适量的空气输送到该高温反应器。输送空气的设备不但占有空间，而且消耗能量。

第二种是开通的进口但关闭的出口(dead-end)，如图2所示，电堆1的出口大部分时间是关闭的，但当反应产物如水或非反应物如氮气在阳极通道中累集过多时，它们会阻止燃料向电极反应层的扩散速度，从而引起电堆输出功率的下降。这时，阳极出口的排气阀3会瞬间打开以便将这些物质快速排出(purge)，进而恢复电堆的输出功率。阳极出口打开的时间间隔以及每次打开的时间长短可以事先设定好，也可以根据电堆的功况进行逻辑选择。阳极出口每次打开的时间通常很短，如几分之一秒。遗憾的是目前这类燃料电池都直接把阳极尾气排入了大气。虽然每次排出量不大，但往往排出的频率很高，如每分钟至少排出一次，造成有大约5％左右的燃料排入了周围环境，仍然会对环境造成一定污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池阳极尾气处理的新方法，以解决目前电堆的上述两种燃料进出方式存在的燃料直接排放到环境中造成环境污染的缺陷。

本发明提供的燃料电池阳极尾气处理方法，其技术方案为：在燃料电池电堆的阳极尾气出口位于排气阀外侧的尾气排放口处加装有催化氧化作用的催化剂，使得电堆排放的阳极尾气中的燃料在催化剂作用下，与空气中的氧进行催化氧化化学反应将燃料氧化掉。

如果燃料是氢气，该化学反应如反应式(4)所示。如果燃料是甲醇，该化学反应如反应式(5)所示：

2H₂+O₂＝2H₂O                 (4)

2CH₃OH+3O₂＝2CO₂+4H₂O        (5)

这种方法尤其适合于电堆阳极尾气出口大部分关闭的情况，关闭时空气中的氧气会扩散至催化反应区，以提供氧化反应时所需要的氧气。

为使反应(4)或(5)能快速地在燃料电池运行的条件下进行而不需额外加温、加压，适当的催化剂如铂、铂系金属、其它贵金属、及它们的合金最好放置在阳极尾气的通道中。

进一步地，电堆阳极尾气出口排出的尾气在通过排放阀排放前还通过循环回路循环回电堆燃料进口，当反应产物如水或非反应物如氮气在阳极通道中累集过多时，则关闭该循环回路，同时打开放气通道排气，使得排放的尾气中的燃料在排放时在所述催化剂作用下与空气中的氧进行化学反应将燃料氧化掉。

阳极尾气和空气的反应产物中可能含有水，一部分水会以水蒸气形式存在，另一部分水可能是以液体形式存在。蒸气形式的水会随其它气态尾气排到大气中，大部分液态水也会被尾气通过机械力而被冲到大气中。但如果还有液态水剩余的话，它会慢慢累积在尾气出口的管道中，影响尾气的正常排出。如果这种情形发生的话，则可加大尾气瞬时排放量/速度或加长出口打开时间，以便把所有的液态水吹出。但这会加大燃料的浪费。另一种方式是将液态水收集起来，收集到的液态水还可以应用到燃料电池中，如给电堆中的膜电极加湿。

本发明还提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统，其技术方案为：一种燃料电池阳极尾气处理系统，包括电堆，在电堆的阳极尾气出口管道上安装有控制尾气排放的排气阀，其特征在于：在所述的排气阀出口管道上还装有催化氧化用的催化剂，用于实现尾气中燃料与空气中氧气的催化氧化反应，以将燃料氧化掉。

另外还可以包括一个连接在电堆的燃料进口和阳极尾气出口之间的循环管道以及安装在循环管道上的单向阀，以及控制器，根据燃料电池的工况变化控制单向阀开闭和尾气排放管道上排气阀的开闭，以实现在大部分时间阳极出口尾气用导管通过单向阀返接回阳极燃料入口处而形成了一个阳极尾气的循环回路，当反应产物如水或非反应物如氮气在阳极通道中累集过多时，则关闭该循环回路，同时打开排气阀使放气通道打开以排气(purge)。

进一步还可以包括气液分离器，在所述的阳极尾气出口管上位于排气阀与装有催化剂的管段之间的位置还可以设置有通向气液分离器的出水口。气液分离器与电堆之间可以有向反应气加湿的循环管和安装在循环管上使分离出来的水循环回电堆的泵。

适当的催化剂可以为铂系金属如铂、钯或者它们的合金，或者其他具有催化氧化作用的贵重金属，需要放置在排放阳极尾气的通道中。一种放置位置是把催化剂涂在排气阀出口一侧的传输阳极尾气管道的内壁上。另一种放置位置是把催化做成多孔饼状放置在排气阀出口一侧传输阳极尾气管道的中央。再一种放置位置是把催化做成多孔网状放置在排气阀出口一侧的传输阳极尾气管道的中央。当然，催化剂也可以采用上述方式的各种组合来放置。对于任何一种放置，当阳极尾气和从空气中扩散进来的氧气在催化剂附近相遇时，它们将进行快速的化学反应而把尾气中的燃料耗尽。催化剂的用量、总表面积、以及在阳极尾气管道中的长度应保证所有阳极尾气中的燃料能被完全反应掉。另外，阳极尾气管也可以被设计成非直线型(如螺旋形)以延长阳极尾气在阳极尾气管中停留的时间，确保尾气中的燃料被彻底反应掉。

本发明的这种燃料电池阳极尾气处理系统和处理方法，通过在燃料电池电堆的阳极尾气出口处加装催化剂，使得排放的尾气中的燃料在排放时在催化剂的作用下与空气中的氧进行催化氧化化学反应将燃料氧化掉，在保证燃料电池的输出功率的情况下，避免了尾气中的燃料排放到环境中造成污染和发生燃烧和爆炸的危险。而且由于采用催化剂进行催化氧化，与燃烧的方式相比反应条件温和，不需要高温。并且采用间歇排放方式，在不排放时环境中的氧气就会扩散至排放管的催化剂段，以提供在排放时与燃料发生氧化反应的氧气，不需要特别的补氧系统，结构简单，使用方便。

附图说明

图1为燃料电池电堆阳极尾气返回式的原理图。

图2为燃料电池电堆阳极尾气直排式的原理图。

图3为本发明的燃料电池电堆阳极尾气氧化系统的原理图。

图4至图6为不同催化剂安装方式示意图。

图7本发明的燃料电池电堆阳极尾气循环交替排放方式原理图。

图8为本发明的燃料电池电堆阳极尾气中液体排放原理图。

图9为本发明的燃料电池电堆阳极尾气中液体循环原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3所示，是本发明的一种最简便的实施例，适用于阳极尾气出口大多时间关闭的情形.这个方案的基本点是在电堆1的阳极尾气出口管道上安装有控制尾气排放的排气阀3，在排气阀出口管道上还装有催化氧化作用的催化剂4，用于实现尾气中燃料与空气中氧气的催化氧化反应，以将燃料氧化掉。在阳极尾气出口的排气阀3关闭时，周围大气环境中的氧气会扩散到排气管道内，在排气阀3打开排尾气时，尾气中的燃料则在催化剂4的作用下与管道中留存的氧气发生氧化反应将燃料消耗掉，使得排放出来的是最终不含任何燃料的尾气，避免了将燃料直接排到大气环境中造成的污染，同时还避免了采用常规燃烧方式所需的高温、点火、和补氧装置，简化了结构并提高了可靠性。

电堆1把阳极尾气在其出口处通过和空气中的氧气进行化学反应而被彻底氧化掉。如果燃料是氢气，该化学反应如反应式(4)所示。如果燃料是甲醇，该化学反应如反应式(5)所示。

催化剂可以有多种放置方式。一种放置位置是如图4所示把催化剂4涂在电堆1阳极尾气出口的排气阀出口一侧的传输阳极尾气管道的内壁。

另一种放置位置是如图5所示，把催化剂4做成多孔饼状放置在电堆1阳极尾气出口的排气阀出口一侧的传输阳极尾气管道的中央。

再一种放置位置是如图6所示，把催化剂4做成多孔网状放置在在电堆1阳极尾气出口的排气阀3出口一侧传输阳极尾气管道的中央。当然，催化剂也可以按图4、图5和图6中两种或三种的各种组合来放置。

另外，阳极尾气管也可以被设计成非直线型(如螺旋形、之字形)以延长阳极尾气在阳极尾气管中停留的时间，确保尾气中的燃料被彻底反应掉，并且使其尽量紧凑。

图7所示为另一种实施例。在这种实施方式中，阳极出口尾气有两个可控制的交替走法，其一是一个连接在电堆1的燃料进口和阳极尾气出口之间的循环管道以及安装在循环管道上的单向阀2，以及控制器(图中省略)。根据燃料电池的工况变化控制单向阀2开闭和尾气排放管道上排气阀3的开闭，以实现在大部分时间阳极出口尾气用导管通过单向阀2返接回阳极燃料入口处而形成了一个阳极尾气的循环回路。这样大部分时间阳极出口尾气用导管通过单向阀2返接回阳极燃料入口处而循环利用。但当反应产物如水或非反应物如氮气在阳极通道中累集过多时，则关闭该循环回路，同时打开放气通道上的排气阀3排出尾气(purge)，尾气中的燃料在催化剂作用下与氧气发生氧化反应消耗掉。暂短时间后(如几分之一秒)该放气通道关闭而同时阳极尾气的循环回路打开。如此反复交替的循环和瞬间打开，既保证了燃料的充分利用又保证了没有任何燃料释放到环境中去。

不论是图3至图6所示主实施例，还是图7所示的实施例，阳极尾气中的燃料都是在不需额外加温、加压的自然条件下被处理掉的，而且化学反应所需氧气是从空气中自然扩散而来的。这比前面所提的传统处理阳极尾气的高温反应器简便了很多倍，而且不额外消耗能量。

如反应式(4)和(5)所示，阳极尾气和空气的反应产物中可能含有水，一部分水会以水蒸气形式存在，另一部分水可能是以液体形式存在。蒸气形式的水会随其它气态尾气排到大气中，大部分液态水也会被尾气通过机械力而被冲到大气中。但如果还有液态水剩余的话，它会慢慢累积在尾气出口的管道中，影响尾气的正常排出。如果这种情形发生的话，则可加大尾气瞬时排放量/速度或加长出口打开时间，以便把所有的液态水吹出。但这会加大燃料的浪费。另一种方式是如图8所示，在排气阀3与催化剂4安装段之间增加一个液体出口，以将液态水排出。更有利的方式是如图9所示，加一个气-液分离器5，在阳极尾气出口管上位于排气阀3与装有催化剂4的管段之间的位置设置有通向气液分离器的出水口，气液分离器5与电堆1之间有通向电堆的循环管和安装在循环管上使分离出来的水循环回电堆的泵9，任何累积的液态水都会轻而易举地分离到液体收集器中，而不会对尾气排放造成障碍。收集到的液态水可以应用到燃料电池的几个方面，如给膜电极加湿，给反应气加湿，给电堆冷却等。

Claims (4)

1.一种燃料电池阳极尾气处理系统，包括电堆，在电堆的阳极尾气出口管道上安装有控制尾气排放的排气阀，其特征在于：在所述的排气阀出口管道上还装有催化氧化作用的催化剂，用于实现尾气中燃料与空气中氧气的催化氧化反应，以将燃料氧化掉；所述的催化剂是涂在排气阀出口一侧的传输阳极尾气管道的内壁；安放催化剂的阳极尾气管为螺旋形，并且采用间歇排放方式，在不排放时环境中的氧气就会扩散至排放管的催化剂段，以提供在排放时与燃料发生氧化反应的氧气，不需要特别的补氧系统。

2.如权利要求1所述的燃料电池阳极尾气处理系统，其特征在于：还包括一个连接在电堆的燃料进口和阳极尾气出口之间的循环管道以及安装在循环管道上的单向阀，以及控制器，根据燃料电池的工况变化控制单向阀开闭和尾气排放管道上排气阀的开闭，以实现在大部分时间阳极出口尾气用导管通过单向阀返接回阳极燃料入口处而形成了一个阳极尾气的循环回路，当反应产物或非反应物在阳极通道中累集过多时，则关闭该循环回路，同时打开排气阀以排气。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池阳极尾气处理系统，其特征在于：还包括气液分离器，在所述的阳极尾气出口管上位于排气阀与装有催化剂的管段之间的位置还设置有通向气液分离器的出水口，气液分离器与电堆之间有一循环管和安装在循环管上使分离出来的水循环回电堆的泵。

4.如权利要求1或2所述的燃料电池阳极尾气处理系统，其特征在于：所述的催化剂为铂系金属或它们的合金。

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