CN103137994A - 一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，首先，燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口并由空气导流管连续稳定排放至氢气缓释腔内；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔内，由上述氢气缓释腔内的空气对其进行缓释；然后，氢气被缓释后的缓释气体从氢气缓释腔排入混合腔后，由燃料电池系统的阴极尾排出口引出的另一路吹扫空气对上述缓释气体进行连续稳定的吹扫，进一步稀释缓释气体中的氢气浓度，并使其从混合腔的排出口排出。本发明可在不改变燃料电池系统的前提下，通过对脉冲排放或连续排放与脉冲排放相接合所排出的阳极尾排氢气的缓冲、稀释后经阴极气体吹扫混合，将其降低到爆炸极限以下。

Description

一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法

技术领域

本发明涉及车用及非车用燃料电池系统尾排氢气技术，更具体地说，是涉及一种降低车用及非车用燃料电池系统尾排氢气峰值浓度氢气爆炸极限，以达到安全排放要求的方法。

背景技术

燃料电池作为一种清洁、高效的能量转换技术，在近年来受到人们的广泛关注。其中应用最广泛的质子交换膜燃料电池简称PEMFC，使用氢气作为阳极燃料，氢气利用率一般必须控制在95%范围内，其余部分则以纯氢气或氢气与水蒸气等的混合气等形式作为尾气排放掉。而氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4%-74.2%，在此范围内的氢空混合气遇明火或电火花均可能爆炸，威胁生产和生命安全。因此，为安全起见，燃料电池系统的氢气尾排需要经过一定处理，将其浓度降低至爆炸极限以下方可排入大气。

在使用氢气的燃料电池系统中，通入阳极作为燃料的氢气不可避免的含有一定杂质，随着电池的运行，杂质在阳极侧不断积累，会对电池的性能产生不利影响。为了在保证氢气利用率的前提下解决这种问题，一般在燃料电池系统的阳极尾端加装电磁阀，电磁阀通常封闭，以保持阳极侧的反应压力，根据不同的电池运行状态和工况，电磁阀隔一定时间开启一次，开启一定时间后关闭，脉冲排放阳极气体；或在燃料电池运行过程中，采用脉冲排放与连续排放方式相结合的方式排出氢气，即一个或多个氢气排放口连续排放氢气，另外有一个或多个氢气排放口脉冲排放氢气。

上述燃料电池的阳极氢气排放量整体呈现一种脉冲变化的状态。由于排出的气体含氢浓度高，为此须经处理消除危险后才能排放。一般采取的方法为将阳极富氢尾气与阴极排放的空气尾气混合后再排放。但排放量脉冲变化的阳极尾气在脉冲排放瞬间氢气流量较大，为了维持燃料电池最佳工作状态而配给的空气流量不足以将氢气稀释到爆炸极限以下，简单的采取将阴极空气量加大到的方法又会影响燃料电池的性能，降低燃料电池系统的效率。因此，需采取一定的方法降低尾排氢气的峰值浓度以达到安全标准。

发明内容

本发明的目的在于针对燃料电池发电系统上述氢安全风险和性能之间的矛盾，在不更改系统基本工况的前提下，提供一种简单、有效、低成本的降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，以达到安全排放标准。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，该方法的具体步骤为：

A.氢气缓释步骤：燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口并由空气导流管连续稳定排放至氢气缓释腔内；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔内，由上述氢气缓释腔内的空气对其进行缓释；

所述燃料电池系统的氢气排放采用脉冲排放的方式或者连续排放与脉冲排放相结合的方式；

所述氢气缓释腔的容积与阳极尾排出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积之比大于等于0.5，这样才能保证经过混合腔排出的尾气氢气最高浓度低于氢气的爆炸极限4%。

B.缓释气体的吹扫步骤；氢气被缓释后的缓释气体从氢气缓释腔排入混合腔后，由燃料电池系统的阴极尾排出口引出的另一路吹扫空气对上述缓释气体进行连续稳定的吹扫，进一步稀释缓释气体中的氢气浓度，并使其从混合腔的排出口排出。

所述氢气缓释腔设于混合腔内，所述氢气缓释腔的内端封闭，所述氢气缓释腔的外端开口，所述氢气导流管的排出口以及空气导流管的排出口分别设于氢气缓释腔的内端，由空气导流管连续稳定排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔；所述混合腔与所述氢气缓释腔的连通口设于氢气缓释腔靠近外端开口的侧壁上；

所述吹扫空气从氢气缓释腔的外端开口进入，部分吹扫空气沿氢气缓释腔的轴线吹向氢气缓释腔的内端，其余吹扫空气则对混合腔与氢气缓释腔的连通口处进行吹扫。

所述氢气缓释腔设于混合腔的空气入口端的外侧，所述氢气导流管的排出口以及空气导流管的排出口分别与氢气缓释腔的外端相通，所述氢气缓释腔的内端与混合腔相通；由空气导流管连续排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔；

吹扫空气从混合腔的空气入口端排入混合腔。

与现有技术相比，采用本发明的一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，通过使燃料电池系统阳极尾排氢气进入混合腔之前先进入氢气缓释腔，即阳极脉冲排放或连续排放与脉冲排放相结合所排出的氢气在进入混合腔前先通过氢气导流管进入氢缓释腔，部分燃料电池阴极尾排空气经空气导流管连续流入氢缓释腔，与氢气掺混后排出，再与其余阴极尾排空气在混合腔内相混合，使排放量不连续的氢气被缓释和连续稀释，从而降低尾排气中氢气的峰值浓度，达到安全排放的目的。本发明装置不含运动部件，结构简单，成本低廉，可靠性高，可有效缓释与稀释阳极脉冲排放或连续排放与脉冲排放相结合所排放的氢气，降低氢空混合尾排气中的氢气峰值浓度，有效避免氢空混合尾排气中氢浓度超标，提高燃料电池系统的安全性。

总之，本发明可在不改变燃料电池发电系统的基本工况的前提下，通过对脉冲排放或连续排放与脉冲排放相接合所排出的阳极尾排氢气的缓冲、稀释后经阴极气体吹扫混合，将其降低到爆炸极限以下，从而实现安全排放。本发明的装置结构简单可靠，成本低廉，安全有效。

附图说明

图1为实施本发明的一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法的原理图；

图2为本发明采用内置氢气缓释腔时的结构示意图；

图3为图2中的氢气缓释腔的容积与阳极尾排氢气出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积之比为1：1时氢气经过氢气缓释腔排入混合腔和氢气直接排入混合腔的尾排氢气浓度的效果对比图；

图4为图2中的阳极尾排氢气出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积与氢气缓释腔的容积之比为1：0.5时氢气经过氢气缓释腔排入混合腔和氢气直接排入混合腔的尾排氢气浓度的效果对比图；

图5为图2中的阳极尾排氢气出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积与氢气缓释腔的容积之比为1：2时氢气经过氢气缓释腔排入混合腔和氢气直接排入混合腔的尾排氢气浓度的效果对比图；

图6为本发明采用外置氢气缓释腔时的结构示意图；

图7为图6中的氢气缓释腔的容积与阳极尾排氢气出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积之比为1：1时氢气经过氢气缓释腔排入混合腔和氢气直接排入混合腔的尾排氢气浓度的效果对比图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，该方法的具体步骤为：

11.氢气缓释步骤：燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口并由空气导流管连续稳定排放至氢气缓释腔内；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔内，由上述氢气缓释腔内的空气对其进行缓释；

所述燃料电池系统的氢气排放采用脉冲排放的方式或者连续排放与脉冲排放相结合的方式；

所述氢气缓释腔的容积与阳极尾排出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积之比大于等于0.5；

12.缓释气体的吹扫步骤；氢气被缓释后的缓释气体从氢气缓释腔排入混合腔后，由燃料电池系统的阴极尾排出口引出的另一路吹扫空气对上述缓释气体进行连续稳定的吹扫，进一步稀释缓释气体中的氢气浓度，并使其从混合腔的排出口排出。

请参见图1所示的实现本发明的一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法的结构原理示意图，包括混合腔12、氢气缓释腔11以及燃料电池系统（图中未示出），燃料电池系统设有阳极尾排出口以及阴极尾排出口，混合腔12与氢气缓释腔11相连通；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔11内；燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口分出两路，其中，一路由空气导流管排放至氢气缓释腔，另一路为用于吹扫氢气被缓释后的缓释气体的吹扫空气；

1）当氢气缓释腔采用内置于混合腔内的方案时：

再请参见图2所示，其中，氢气缓释腔11设于混合腔12内，氢气缓释腔的11内端封闭，氢气缓释腔的外端开口，氢气导流管13的排出口以及空气导流管14的排出口分别设于氢气缓释腔的内端，由空气导流管连续稳定排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔；混合腔12与氢气缓释腔11的连通口设于氢气缓释腔11靠近外端开口的侧壁上，吹扫空气15从氢气缓释腔11的外端开口排放至氢气缓释腔。

上述的吹扫空气从氢气缓释腔的外端开口进入，部分吹扫空气沿氢气缓释腔的轴线吹向氢气缓释腔的内端，其余吹扫空气则对混合腔与氢气缓释腔的连通口处进行吹扫。

在现有技术中，常规燃料电池尾排混合装置只有一个混合腔，尾排氢气和空气在混合腔直接混合后排出。氢气尾排方式为脉冲式，空气流量则恒定不变。在一个排放周期T内，氢气脉冲排放时间为t（一般t<<T），排放瞬间流量很大，和氢气混合的空气流量不变，很容易造成脉冲排放瞬间氢气流量超标，而在非氢气脉冲排放时间排放的空气则无法用于稀释氢气尾排。为了充分利用整个排放周期内排放的空气对尾排氢气进行稀释，必须通过一定的手段延长氢气的排放时间。本发明在燃料电池尾排混合腔内部加装一个氢气缓释腔。燃料电池系统阳极脉冲排放或连续排放与脉冲排放相结合所排出的氢气通过氢气导流管进入氢缓释腔并在此滞留；燃料电池阴极尾排空气被分为两路，流量较小的气流经空气导流管连续流入氢缓释腔，和缓释腔中的氢气混合并缓缓推动混合气体经出口流向混合腔，吹扫空气对着氢气缓释腔的开口正面或侧面吹扫，与混合气体在混合腔内再次混合，进一步稀释氢气浓度，使排放量不连续的氢气被连续稀释。整个排放周期结束后，氢气缓释腔内的混合气体氢气浓度已经很低，因此，在下一次氢气脉冲突然进入氢气缓释腔时推出这部分混合气体也不会造成氢气缓释腔出口氢气浓度突然增大。

再请参见图3所示，其中每个脉冲排出周期氢气排放量和氢气缓释腔容积比例为1:1。氢气排放为每隔6秒排放0.2秒，每次尾排1.3升左右，吹扫空气流量为420升每分钟。经测试排入大气的尾气氢气最高浓度由5%降低到了3.1%左右，低于氢气的爆炸极限4%，达到了安全排放的目的。

再请参见图4所示，其中每个脉冲排出周期氢气排放量和氢气缓释腔容积比例为1:0.5。氢气排放为每隔6秒排放0.2秒，每次尾排1.3升左右，吹扫空气流量为420升每分钟。经测试排入大气的尾气氢气最高浓度低于氢气的爆炸极限4%，达到了安全排放的目的。

再请参见图5所示，其中每个脉冲排出周期氢气排放量和氢气缓释腔容积比例为1:2。氢气排放为每隔6秒排放0.2秒，每次尾排1.3升左右，吹扫空气流量为420升每分钟。经测试排入大气的尾气氢气最高浓度由5%降低到了3.0%左右，低于氢气的爆炸极限4%，达到了安全排放的目的。

2）当氢气缓释腔采用外置于混合腔的方案时：

再请参见图6所示，本方案与上述的将氢气缓释腔内置于混合腔的方案的不同之处仅在于：氢气缓释腔11设于混合腔12的空气入口端的外侧，氢气导流管13的排出口以及空气导流管14的排出口分别与氢气缓释腔11的外端相通，氢气缓释腔11的内端与混合腔12相通；由空气导流管连续稳定排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔；吹扫空气15从混合腔12的空气入口端排放至混合腔12，连续稳定的吹扫空气从混合腔的空气入口端排入混合腔。

再请参见图7所示，其中每个脉冲排出周期氢气排放量和氢气缓释腔容积比例为1:1。氢气排放为每隔6秒排放0.2秒，每次尾排1.3升左右，吹扫空气流量为420升每分钟。经测试排入大气的尾气氢气最高浓度在3%左右，低于氢气的爆炸极限4%，达到了安全排放的目的。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，其特征在于： 

该方法的具体步骤为： 

A．氢气缓释步骤：燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口并由空气导流管连续稳定排放至氢气缓释腔内；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔内，由上述氢气缓释腔内的空气对其进行缓释； 

所述燃料电池系统的氢气排放采用脉冲排放的方式或者连续排放与脉冲排放相结合的方式； 

所述氢气缓释腔的容积与阳极尾排出口每个脉冲排出周期内排出的氢气体积之比大于等于0.5； 

B．缓释气体的吹扫步骤；氢气被缓释后的缓释气体从氢气缓释腔排入混合腔后，由燃料电池系统的阴极尾排出口引出的另一路吹扫空气对上述缓释气体进行连续稳定的吹扫，进一步稀释缓释气体中的氢气浓度，并使其从混合腔的排出口排出。

2.根据权利要求1所述的降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，其特征在于： 

所述氢气缓释腔设于混合腔内，所述氢气缓释腔的内端封闭，所述氢气缓释腔的外端开口，所述氢气导流管的排出口以及空气导流管的排出口分别设于氢气缓释腔的内端，由空气导流管连续稳定排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔；所述混合腔与所述氢气缓释腔的连通口设于氢气缓释腔靠近外端开口的侧壁上； 

所述吹扫空气从氢气缓释腔的外端开口进入，部分吹扫空气沿氢气缓释腔的轴线吹向氢气缓释腔的内端，其余吹扫空气则对混合腔与氢气缓释腔的连通口处进行吹扫。

3.根据权利要求2所述的降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法，其特征在于： 

所述氢气缓释腔设于混合腔的空气入口端的外侧，所述氢气导流管的排出口以及空气导流管的排出口分别与氢气缓释腔的外端相通，所述氢气缓释腔的内端与混合腔相通；由空气导流管连续排出的空气对氢气导流管排出的氢气缓释后推动缓释气体流向混合腔； 

吹扫空气从混合腔的空气入口端排放至混合腔内。 

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