CN103268949A - 一种燃料电池消氢装置 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池消氢装置，包括壳体，壳体上设尾排空气进口管、尾排氢气进口管和排出口，壳体内包括缓释扩散腔、折流混合腔和催化室，缓释扩散腔内设扩散漏斗，扩散漏斗的小端与尾排氢气进口管相连，扩散漏斗壁上均匀布置有扩散孔，扩散漏斗大端部位设有弧形缓释挡板；折流混合腔内设折流板，催化室内设多孔催化器和冷却喷头，冷却喷头通过管路与壳体外地冷却水连接。本发明的有益效果是：装置体积较小，散热好，氢气浓度达到国标要求，可以在狭小空间使用；具有环保效能，减少氢气对大气造成的污染，且降低了发生燃烧、爆炸等安全隐患的可能性。

Description

一种燃料电池消氢装置

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及燃料电池消氢装置。

背景技术

燃料电池发电系统发电时，阳极需排出一定量的由阴极因浓差扩散过来的水，排出方式一般以排放氢气尾气，在阳极形成压力差，实现阳极排水。排出的氢气进入大气中，会与臭氧层发生化学反应，使臭氧层遭到破坏，同时，如果排出的氢气浓度过高，容易达到爆炸极限，造成安全事故。根据国标《GBT24549‐2009燃料电池电动汽车安全要求》，第4.3.2款规定：无论何种情况下，燃料电池系统外积聚泄漏导致的氢气的浓度不应超过3%。

为解决上述问题，现有技术中有三种氢气尾排排水方式，分别是：直接排放方式、氢气尾排混合空气排放方式和氢气直接排入催化器方式。现有技术的三种氢气尾排排水方式的不足是：

直接排放方式是将氢气尾气直接排放到空气中来排氢除水，该方式在排出瞬间，氢气浓度很高，局部浓度接近100%，存在安全隐患。且燃料电池发电系统不能在狭小空间内发电，或者不能在靠近能致使氢气产生安全问题的地方发电，以免产生安全性问题；

氢气尾排混合空气排放方式排氢除水，是将氢气和尾排空气都送入一个空腔，在空腔内氢气和空气混合，混合后排放，通过混合能够降低氢气的排放浓度，但该混合装置所需体积很大，适用性较差且混合均匀性不高。与其类似的还有以风扇吹空气方式降低氢气浓度的装置，但是空气供给量受限，对排氢量大的大功率的燃料电池系统不足以使氢气浓度达到国标要求；

氢气直接排入催化器方式是将氢气尾排到催化器中，在催化器中发生反应，降低氢浓度，但反应产生的热使催化器温度快速上升，存有安全隐患。

总之无论哪种方式都不能消除对大气层的影响，会污染环境。

发明内容

为了克服燃料电池发电系统存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池消氢装置，降低或消除燃料电池发电系统氢气尾排对环境的影响。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池消氢装置，包括壳体围成的空腔，壳体一端设尾排空气进口管和尾排氢气进口管，尾排氢气进口管设在尾排空气进口管内，另一端设排出口，其特征在于：所述壳体围成的空腔包括缓释扩散腔、折流混合腔和催化室，缓释扩散腔、折流混合腔和催化室之间联通，缓释扩散腔和折流混合腔之间由隔板分隔，隔板安装在壳体的上部，隔板的下端至壳体围成空腔高度的2/3处；所述缓释扩散腔内设有扩散漏斗，所述尾排氢气进口管和尾排空气进口管与缓释扩散腔相联通，尾排氢气进口管在缓释扩散腔的口与扩散漏斗的小端相连，扩散漏斗为圆锥形，圆锥壁上均匀布置有扩散孔，扩散漏斗大端部位设有缓释挡板，缓释挡板是弧形挡板，弧形缓释挡板的凹口朝向小端，缓释挡板与圆锥壁之间有间隙；所述折流混合腔内设有折流板，所述折流板在折流混合腔交错布置，其中，最下面的一块折流板安装在隔板的下端，其余折流板交错着安装在隔板和壳体竖壁上，相邻的两块折流板之间距离为壳体围成空腔高度的1/8～1/3；所述催化室位于最上端折流板的上部，催化室与壳体排出口相通，催化室内设有多孔催化器和冷却喷头，所述多孔催化器安装在催化室的排出口端，多孔催化器的后端朝向排出口，所述冷却喷头固定在壳体壁上，位于多孔催化器前端，冷却喷头通过管路与壳体外的冷却水连接。

本发明所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述交错安装的折流板至少为两块，最多不超过七块。

本发明所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述交错安装的折流板的长度为折流混合腔横向壳体长度的2/3，上一块折流板的前端伸过下一块折流板前端1/3～1/4折流板长度。

本发明所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述缓释挡板通过条形筋板安装在扩散漏斗上，条形筋板固定在扩散漏斗壁上，缓释挡板固定在条形筋板上。

本发明所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述多孔催化器是氢与空气中的氧化合反应的催化器。其多孔的特征给燃料电池堆空气系统的阻力很小。

本发明所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述壳体为方筒形或圆筒形。

本发明所述一种燃料电池消氢装置的使用连接方法，其特征在于：所述连接方法是：将尾排空气进口管和尾排氢气进口管与燃料电池堆的尾排空气口和尾排氢气口相连，将冷却喷头管路与冷却水泵相连。

本发明的燃料电池消氢装置氢气尾排排水的过程是：

燃料电池堆反应后的尾排氢气经尾排氢气进口管进入燃料电池消氢装置，带有压力的氢气流进入扩散漏斗后喷到弧形缓释挡板上，向四周扩散，尾排空气经尾排空气进口管进入，很少量的一部分空气顺着扩散漏斗壁上的扩散孔进入扩散漏斗中，冲散氢气并将氢气带人缓释扩散腔，其余的空气进入缓释扩散腔将经缓释后的氢气带入折流混合腔，在折流板的的作用下充分混合后进入催化室，被多孔催化器催化反应后生成水和热量，大部分热量被冷却喷头喷出的水和混合气吸收，同生成水和少量尾排氢气一起排出燃料电池消氢装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的装置体积较小，散热好，氢气浓度达到国标要求，可以在狭小空间使用。

2、本发明的装置，具有环保效能，减少氢气对大气造成的污染，且降低了发生燃烧、爆炸等安全隐患的可能性。

附图说明

图1为本发明的料电池消氢装置的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明的燃料电池消氢装置与燃料电池堆连接示意图。

图4为现有技术中燃料电池消氢装置示意图。

图5为现有技术中带吹气风扇的燃料电池消氢装置示意图。

图6为本发明的燃料电池消氢装置加装测试传感器的结构图。

图7为本发明的燃料电池消氢装置折流混合腔和排出口处的氢气浓度曲线图。

图8为本发明的燃料电池消氢装置多孔催化器温度变化曲线图。

图中：1、燃料电池堆，2、分水器，3、水泵，4、燃料电池消氢装置，5、尾排空气进口管，6、、尾排氢气进口管，7、扩散漏斗，8、缓释挡板，9、缓释扩散腔，10、折流混合腔，11、折流板，12、冷却喷头，13、多孔催化器，14、催化室，15、混合腔氢气浓度传感器，16、温度传感器，17、氢气浓度传感器，18、扩散孔，19、吹气风扇，20、隔板，21、电堆尾排空气口，22、电堆尾排氢气口，23、排出口，24、壳体，30、折流混合腔氢气浓度曲线，40、多孔催化器温度曲线，50、排出口氢气浓度曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明书。

如图1、图3、图4所示，燃料电池消氢装置壳体24是方筒形壳体，壳体24一端设尾排空气进口管5和尾排氢气进口管6，尾排氢气进口管6设在尾排空气进口管5内，另一端设排出口23，壳体围成的空腔包括缓释扩散腔9、折流混合腔10和催化室14，缓释扩散腔9、折流混合腔10和催化室14之间联通，缓释扩散腔9和折流混合腔10之间由隔板20分隔，隔板20安装在壳体24的上部，隔板20的下端至壳体围成空腔高度的2/3处；缓释扩散腔9内设有扩散漏斗7，尾排氢气进口管6和尾排空气进口管5与缓释扩散腔9相联通，尾排氢气进口管6在缓释扩散腔的口与扩散漏斗7的小端相连，扩散漏斗7为圆锥形，圆锥壁上均匀布置有扩散孔18，扩散漏斗7大端部位设有缓释挡板8，缓释挡板8是弧形挡板，弧形缓释挡板8的凹口朝向小端，缓释挡板8与圆锥壁之间有间隙，缓释挡板8通过条形筋板安装在扩散漏斗7上，条形筋板固定在扩散漏斗壁上，缓释挡板8固定在条形筋板上；折流混合腔10内设有两块折流板11，折流板的长度为折流混合腔横向壳体长度的2/3，两块折流板11在折流混合腔交错布置，一块折流板11安装在隔板20的下端，另一块折流板11与隔板20的下端的折流板11交错着安装在壳体竖壁上，交错长度为折流板长度的1/3，两块折流板11之间距离为壳体围成空腔高度的1/3；催化室14位于上端折流板11的上部，催化室14与壳体排出口23相通，催化室14内设有多孔催化器13和冷却喷头12，多孔催化器13是氢与空气中的氧化合反应的催化器，多孔催化器13安装在催化室14的排出口端，多孔催化器13的后端朝向排出口23，冷却喷头12固定在壳体壁上，位于多孔催化器13前端，冷却喷头12通过管路与壳体外的冷却水连接。

使用连接方法是：将尾排空气进口管5和尾排氢气进口管6与燃料电池堆1的尾排空气口21和尾排氢气口22相连，将冷却喷头12管路与水泵3相连。

对本发明的效果进行以下测试：

试验中，采用额定45kW的燃料电池堆系统，额定点氢气利用率为92%，平均氢气利用率为86%。按图5所示的连接方式在燃料电池消氢装置4的折流混合腔10和催化室14加装混合腔氢气浓度传感器15和温度传感器16，并在燃料电池消氢装置4排出口23中心10厘米（国标要求）处安放氢气浓度传感器17，按图2所示的连接方式将本装置与电堆连接，测试不同电流下尾排氢气在折流混合腔10和经过多孔催化器后的氢气残留浓度，并测试多孔催化器的温升，观察其热量散出情况。经测试，折流混合腔尾排氢气浓度在1.8%‐3.6%之间，最终排出的氢气残留浓度在0‐0.9%之间，见附图6的测试结果，符合国标要求，且对环境污染程度很低；多孔催化器温度在85℃以下，热量正常散出，测试结果见附图7。

Claims (7)

1.一种燃料电池消氢装置，包括壳体（24）围成的空腔，壳体（24）一端设尾排空气进口管（5）和尾排氢气进口管（6），尾排氢气进口管（6）设在尾排空气进口管（5）内，另一端设排出口（23），其特征在于：所述壳体围成的空腔包括缓释扩散腔（9）、折流混合腔（10）和催化室（14），缓释扩散腔（9）、折流混合腔（10）和催化室（14）之间联通，缓释扩散腔（9）和折流混合腔（10）之间由隔板（20）分隔，隔板（20）安装在壳体的上部，隔板（20）的下端至壳体围成空腔高度的2/3处；所述缓释扩散腔（9）内设有扩散漏斗（7），所述尾排氢气进口管（6）和尾排空气进口管（5）与缓释扩散腔（9）相联通，尾排氢气进口管（6）在缓释扩散腔的口与扩散漏斗（7）的小端相连，扩散漏斗（7）为圆锥形，圆锥壁上均匀布置有扩散孔（18），扩散漏斗（7）大端部位设有缓释挡板（8），缓释挡板（8）是弧形挡板，弧形缓释挡板（8）的凹口朝向小端，缓释挡板（8）与圆锥壁之间有间隙；所述折流混合腔（10）内设有折流板（11），所述折流板（11）在折流混合腔（10）交错布置，其中，最下面的一块折流板（11）安装在隔板（20）的下端，其余折流板（11）交错着安装在隔板（20）和壳体（24）竖壁上，相邻的两块折流板之间距离为壳体围成空腔高度的1/8～1/3；所述催化室（14）位于最上端折流板（11）的上部，催化室（14）与壳体排出口（23）相通，催化室（14）内设有多孔催化器（13）和冷却喷头（12），所述多孔催化器（13）安装在催化室（14）的排出口（23）端，多孔催化器（13）的后端朝向排出口（23），所述冷却喷头（12）固定在壳体壁上，位于多孔催化器（13）前端，冷却喷头（12）通过管路与壳体外的冷却水连接。

2.根据权利要求1所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述交错安装的折流板（11）至少为两块，最多不超过七块。

3.根据权利要求2所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述交错安装的折流板（11）的长度为折流混合腔横向壳体长度的2/3，上一块折流板的前端伸过下一块折流板前端1/3～1/4折流板（11）长度。

4.根据权利要求1所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述缓释挡板（8）是通过条形筋板安装在扩散漏斗（7）上，条形筋板固定在扩散漏斗壁上，缓释挡板（8）固定在条形筋板上。

5.根据权利要求1所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述多孔催化器（13）是氢与空气中的氧化合反应的催化器。

6.根据权利要求1所述一种燃料电池消氢装置，其特征在于：所述壳体（24）为方筒形或圆筒形。

7.权利要求1所述一种燃料电池消氢装置的使用连接方法，其特征在于：所述连接方法是：将尾排空气进口管（5）和尾排氢气进口管（6）与燃料电池电堆尾排空气口（21）和电堆尾排氢气口（22）相连，将冷却喷头管路与冷却水泵相连。

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