CN103337644A

CN103337644A - 一种氢氧燃料电池尾气净化系统

Info

Publication number: CN103337644A
Application number: CN2013102055269A
Authority: CN
Inventors: 罗马吉; 刘鹏; 陈奔; 潘牧
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN103337644B

Abstract

本发明涉及一种氢氧燃料电池尾气净化系统，包括氧气汽水分离器（6）、氢气汽水分离器（7）、氢气缓冲器（9）、气体混合室（14）、催化反应器（17）和冷却所述催化反应器（17）的冷却系统；所述氧气汽水分离器（6）通过氧气管道与所述气体混合室（14）连接，所述氢气汽水分离器（7）通过氢气管道和所述氢气缓冲器（9）与所述气体混合室（14）连接，所述气体混合室（14）还与氮气管道（12）连接；所述气体混合室（14）的出口与所述催化反应器（17）连接。本发明的尾气净化系统能高效的处理氢氧燃料电池尾气，有效减少氢气的排放，结构简单，安全可靠。

Description

一种氢氧燃料电池尾气净化系统

技术领域

本发明涉及氢氧燃料电池领域，更具体地说，涉及一种氢氧燃料电池尾气净化系统。

背景技术

氢氧燃料电池是近来氢气作为能源应用比较典型的领域，其工作原理为：将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。只要不断地给阳极板供应氢气，给阴极板供应氧气，并及时把产生的水(蒸汽)和热带走，就可以不断地提供电能。

氢燃料电池凭借其高效率、低排放、安装维护简单、可靠性好、低污染以及适应性强等优势，在各行各业中应用广泛。根据电堆功率大小的不同，可应用于便携式电子设备电源、电动车、电动船、居民热电联供、潜艇、小型飞机等诸多方面。

氢燃料电池的反应物为氢和氧，产物仅为水，然而就目前的氢氧燃料电池技术而言,氢气的利用率难以达到100%，其尾气中不可避免的含有一部分未参加反应的氢气。尾气中的氢气如果不经任何处理就排放到大气中，会产生许多问题。一方面，氢气化学性质极其活泼，氢气在空气中的爆炸极限为4%-75%，在氧气中的爆炸极限为4%-94%，故在通风条件不好的室内场所或密闭空间内，泄漏或排放的氢气会在顶部富集，极易引起氢气局部浓度超过爆炸极限，在明火或电火花作用下导致剧烈的反应引起爆炸。另一方面，过量氢气的排放可能会对大气层以及环境产生不利影响。因此氢氧燃料电池尾氢的处理具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种氢氧燃料电池尾气净化系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氢氧燃料电池尾气净化系统，包括氧气汽水分离器、氢气汽水分离器、氢气缓冲器、气体混合室、催化反应器和冷却所述催化反应器的冷却系统；所述氧气汽水分离器用于与电堆的氧气出口连接，所述氢气汽水分离器用于与电堆的氢气出口连接；所述氧气汽水分离器通过氧气管道与所述气体混合室连接，所述氢气汽水分离器通过氢气管道和所述氢气缓冲器与所述气体混合室连接，所述气体混合室还与氮气管道连接；所述气体混合室的出口与所述催化反应器连接。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述氢气缓冲器的一端设有进口和出口，所述氢气管道通过所述氢气缓冲器的进口伸入至所述氢气缓冲器的底部。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述出口包括大小不同的第一出口和第二出口。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述催化反应器包括壳体和设置在所述壳体内的衬垫和载体，所述载体上设有催化剂。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述催化剂为整体式催化剂，包括基体、涂层和活性组分，所述基体为堇青石蜂窝陶瓷，所述涂层材料为Al₂O₃，所述活性组分为铂或钯。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述催化反应器的进口端和出口端设有阻火器，所述阻火器包括外壳和设置在所述外壳内的阻火芯。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述冷却系统包括热交换器、第一水泵和水箱，所述热交换器附着在所述催化反应器外表面，所述热交换器内部有冷却水流道，所述冷却水流道通过所述第一水泵与所述水箱连接。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述净化系统还包括氮气循环泵，所述氮气循环泵的一端与所述气体混合室的进口相连，另一端与所述催化反应器的出口相连。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述氢气管道上设有单向阀和氢气流量计，所述氧气管道上设有单向阀和氧气流量计，所述氮气管道上设有单向阀和氮气流量计。

在本发明所述的氢氧燃料电池尾气净化系统中，所述氧气流量计和所述氧气汽水分离器之间设有氧气旁通阀。

实施本发明的氢氧燃料电池尾气净化系统，具有以下有益效果：

1、本发明通过在催化反应器中催化燃烧氢气，处理掉了氢氧燃料电池尾气中的氢气，避免氢气直接排放到空气中，提高了安全性。

2、向气体混合室中通入氮气，起到了稀释混合气的作用，提高了系统的安全性。同时可以设置氮气循环泵，重复利用并未参与催化反应的氮气，节省氮气使用量，节约成本。

3、通过冷却系统将催化反应过程中产生的热量及时带走，保证催化剂处于合适的温度，提高催化转化率。

4、由于出电堆的氢气是间歇的，通过在氢气汽水分离器后设置氢气缓冲器，起到了稳定氢气流量的作用。

5、本发明氢氧燃料电池尾气净化系统结构简单，制造成本低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明氢氧燃料电池尾气净化系统的结构示意图；

图2是氢气缓冲器的内部结构示意图；

图3是氢气缓冲器的仰视图；

图4是催化反应器的内部结构示意图；

图5是催化反应器和热交换器的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的氢氧燃料电池尾气净化系统包括氧气汽水分离器6、氢气汽水分离器7、氢气缓冲器9、气体混合室14、催化反应器17和冷却系统。

本发明的系统安装时与电堆3连接，电堆3的一侧设有氢气进口2和氧气进口1，另一侧设有氢气出口和氧气出口。氧气汽水分离器6与氧气出口连接，氢气汽水分离器7与氢气出口连接。氢气出口与氢气汽水分离器7之间设有氢气出堆阀5，氧气出口与氧气汽水分离器6之间设有氧气出堆阀4。

氧气汽水分离器6通过氧气管道与气体混合室14连接，氢气汽水分离器7通过氢气管道和氢气缓冲器9与气体混合室14连接，气体混合室14还与氮气管道12连接。气体混合室14的出口与催化反应器17连接。

由于出电堆3的氢气是间歇的，通过在氢气汽水分离器7后设置氢气缓冲器9，起到了稳定氢气流量的作用。氢气、氧气和氮气在气体混合室14内混合后进入催化反应器17内，向气体混合室14中通入氮气，起到了稀释混合气的作用，提高了系统的安全性，氮气并未参与反应。在催化反应器17中催化燃烧氢气，处理掉了氢氧燃料电池尾气中的氢气，避免氢气直接排放到空气中，提高了安全性。

如图2、图3所示，进一步的，氢气缓冲器9是一个空腔，氢气缓冲器9的一端设有进口93和出口，氢气管道通过氢气缓冲器9的进口93伸入至氢气缓冲器9的底部，使得瞬间进入的气体能迅速扩散到整个腔体。出口包括大小不同的第一出口91和第二出口92，第一出口91小于第二出口92。在氢气缓冲器9内部压力和出口压力差较大时，氢气出口速度较大，只打开小管径的第一出口91，随着氢气缓冲器9内部压力的减小，逐渐打开大管径的第二出口92，保证氢气缓冲器9的出口氢气流不超过催化反应器17的处理能力范围，同时也要保证脉冲周期内气体全部排出，而且排出过程要尽量平稳。

如图4所示，进一步的，催化反应器17包括壳体171和设置在壳体171内的衬垫172和载体173，载体173采用蜂窝陶瓷，衬垫172采用复合材料，载体173上设有催化剂。催化反应器17的进口为扩张管174，出口为收缩管175。催化剂为整体式催化剂，包括基体、涂层和活性组分，基体为堇青石蜂窝陶瓷，涂层材料为Al₂O₃，活性组分为铂或钯，采用浸渍的方式将活性组分嵌入涂层中。本实施例中催化剂布局为圆筒状，保证反应气体与催化剂有较大的接触面积，从而能高效的处理氢气。

进一步的，催化反应器17的进口端和出口端设有阻火器15，阻火器15包括外壳和设置在外壳内的阻火芯。阻火芯由带有许多微小通道或者细缝的材料组成。当有火焰经过阻火芯时，被分成许多细小的火焰，由于器壁效应和传热作用使得火焰熄灭而不能传播。催化反应器17的出口处还设有出口阀20。

如图1、图5所示，进一步的，冷却系统包括热交换器18、第一水泵21和水箱23，热交换器18附着在催化反应器17外表面，热交换器18内部有冷却水流道19，冷却水流道19通过第一水泵21与水箱23连接，第一水泵21还与冷却循环水阀22连接。水箱23除了提供冷却水冷却催化反应器17外，还通过第二水泵24抽取冷却水来冷却电堆3。氢气汽水分离器7和氧气汽水分离器6的底部的排水口还设有排水管道，凝结的水可通过排水管道回流到水箱23中。

进一步的，净化系统还包括氮气循环泵16，氮气循环泵16的一端与气体混合室14的进口相连，另一端与催化反应器17的出口相连。通过设置氮气循环泵16，重复利用并未参与催化反应的氮气，节省氮气使用量，节约成本。

进一步的，氢气管道上设有单向阀和氢气流量计11，氧气管道上设有单向阀和氧气流量计10，氮气管道12上设有单向阀和氮气流量计13。通过单向阀控制进入气体混合室14的流量，从而控制气体混合室14中氢气、氮气和氧气的体积分数。

进一步的，氧气流量计10和氧气汽水分离器6之间设有氧气旁通阀8。氧气旁通阀8的作用是控制氧气的流量，当氧气流量超过设计流量时打开氧气旁通阀8，分流一部分氧气。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，包括氧气汽水分离器（6）、氢气汽水分离器（7）、氢气缓冲器（9）、气体混合室（14）、催化反应器（17）和冷却所述催化反应器（17）的冷却系统；

所述氧气汽水分离器（6）用于与电堆（3）的氧气出口连接，所述氢气汽水分离器（7）用于与电堆（3）的氢气出口连接；

所述氧气汽水分离器（6）通过氧气管道与所述气体混合室（14）连接，所述氢气汽水分离器（7）通过氢气管道和所述氢气缓冲器（9）与所述气体混合室（14）连接，所述气体混合室（14）还与氮气管道（12）连接；

所述气体混合室（14）的出口与所述催化反应器（17）连接。

2.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述氢气缓冲器（9）的一端设有进口和出口，所述氢气管道通过所述氢气缓冲器（9）的进口伸入至所述氢气缓冲器（9）的底部。

3.根据权利要求2所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述出口包括大小不同的第一出口（91）和第二出口（92）。

4.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述催化反应器（17）包括壳体（171）和设置在所述壳体（171）内的衬垫（172）和载体（173），所述载体（173）上设有催化剂。

5.根据权利要求4所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述催化剂为整体式催化剂，包括基体、涂层和活性组分，所述基体为堇青石蜂窝陶瓷，所述涂层材料为Al₂O₃，所述活性组分为铂或钯。

6.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述催化反应器（17）的进口端和出口端设有阻火器（15），所述阻火器（15）包括外壳和设置在所述外壳内的阻火芯。

7.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述冷却系统包括热交换器（18）、第一水泵（21）和水箱（23），所述热交换器（18）附着在所述催化反应器（17）外表面，所述热交换器（18）内部有冷却水流道（19），所述冷却水流道（19）通过所述第一水泵（21）与所述水箱（23）连接。

8.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述净化系统还包括氮气循环泵（16），所述氮气循环泵（16）的一端与所述气体混合室（14）的进口相连，另一端与所述催化反应器（17）的出口相连。

9.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述氢气管道上设有单向阀和氢气流量计（11），所述氧气管道上设有单向阀和氧气流量计（10），所述氮气管道（12）上设有单向阀和氮气流量计（13）。

10.根据权利要求9所述的氢氧燃料电池尾气净化系统，其特征在于，所述氧气流量计（10）和所述氧气汽水分离器（6）之间设有氧气旁通阀（8）。