CN106229528A - 一种燃料电池尾气回收利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池尾气回收利用装置，属于燃料电池领域，包括储氢罐、电堆、换热器、热量转换装置、气水分离器、干燥塔、压缩机。储氢罐中的氢气通入电堆发生电化学反应产生电能，剩余的氢气尾气先进入换热器进行热回收，然后依次经过气水分离器、干燥塔、压缩机，最后进入储氢罐。空气通入电堆发生电化学反应产生电能，剩余的空气尾气进入热量转换装置，为热量转换装置提供热量，热量转换装置产生的高温介质进入干燥塔为吸附剂再生提供热量，供热后再次返回热量转换装置。本发明所述的燃料电池尾气回收装置充分回收利用燃料电池尾气中的残余燃料和热量，有利于提高燃料电池的燃料利用率，节约能源，提高发电效率，降低成本。

Description

一种燃料电池尾气回收利用装置
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池尾气回收利用装置。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求在不断增加，环境污染、资源短缺等问题也越来越突出。面对传统火力发电的高污染、低能效等问题，燃料电池极大地降低了能量转换中的损失和对环境的破坏，因其能量转换效率高、安静、清洁无污染等优点而备受国内外的关注。
燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，产物为水，从根本上消除了硫化物、碳化物和尘埃等污染。燃料电池工作原理可看做电解水的逆反应，氢气和空气作为反应气体发生电化学反应，在氢气侧输出尾气中包含残余氢气和水。
氢气尾气中含有水分，要回收利用尾气中的氢气，要对其进行干燥除水，可采用多孔性的固体吸附剂。但是，吸附剂的干燥能力会逐渐降低，当达到吸附饱和时不再具有干燥能力，需通过再生过程清除吸附剂中的水分，使其恢复干燥能力。再生过程需要消耗热量。
燃料电池理论效率可以达到80％以上，然而实际的效率却只有50％-60％,其中燃料被浪费了20％-40％。另一方面，燃料电池工作温度较高，尾气中仍含有大量热，也随尾气排出而浪费。因此，充分利用反应尾气中残余燃料以及尾气中热量，可以提高燃料电池发电效率，节约能源。
发明内容
本发明提供一种充分回收利用燃料电池尾气中的残余燃料和热量的燃料电池尾气回收利用装置。为此，现提出如下技术方案：
一种燃料电池尾气回收利用装置，包括如下装置：
储氢罐及电堆，所述储氢罐通过带有出气阀门的氢气管道连通电堆的负极，所述电堆的正极设有空气入口通入空气，所述电堆设有氢气尾气管道和空气尾气管道；
热量转换装置：所述热量转换装置包括连通的低温介质腔和高温介质腔，所述空气尾气管道穿过所述低温介质腔并设有放空口一，所述低温介质腔设有低温介质入口及低温介质出口，所述低温介质出口连通一循环泵，所述循环泵连通一换热器，所述换热器通过管道连通低温介质腔内，所述氢气尾气管道接入所述换热器一端内，且换热器另一端连通一气水分离器的入口，所述高温介质腔设有高温介质出口管道；
干燥装置：所述干燥装置包括一对柱体干燥塔，外部为绝热外壳，所述干燥塔内部分为外腔室和带有吸附剂的内腔室，所述内腔室包括设在内腔室底部氢气入口和设在内腔室顶部的氢气出口，两个干燥塔的内腔室入口连通一氢气干燥管道，且在氢气干燥管道上设有两个控制阀门，在两个控制阀门之间设有管道连通气水分离器的出口，所述两个干燥塔的内腔室出口连通一氢气出口管道，且在氢气出口管道上设有两个控制阀门，所述两个干燥塔的内腔室出口还连通一蒸汽管道，且在蒸汽管道上设有两个控制阀门，在两个控制阀门之间设有一放空口二；
氢气回收装置：包括一压缩机；所述压缩机的入口设有管道连通所述氢气出口管道上两个控制阀门之间的管道，氢气回收管道连通储氢罐的氢气管道，且氢气回收管道上设有进气阀门。
对上述方案的进一步改进，所述空气尾气管道在低温介质腔内呈盘旋弯曲结构。
对上述方案的进一步改进，所述干燥塔的外腔室内均匀设有电加热管。
对上述方案的进一步改进，所述干燥塔的外腔室内设有层叠的通气管道。
对上述方案的进一步改进，所述热量转换装置中高温介质腔和低温介质腔之间设有隔板，通过一连通口连通，所述隔板上设有控制连通口开启和关闭的温度传感器，所述温度传感器达到200℃时开启连通口，所述高温介质出口管道分别连通两个干燥塔的外腔室内的通气管道的入口，且在两个干燥塔的通气管道的入口连通处分别设有一控制阀门；在高温介质腔还设有高温介质回收管道，所述高温介质回收管道也连通两个干燥塔的外腔室内的通气管道的出口，且在两个干燥塔的通气管道的出口连通处分别设有一控制阀门。
对上述方案的进一步改进，所述储氢罐为多级储氢罐。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明电堆产电后，产生的氢气尾气经换热器、气水分离器、干燥装置、压缩机后重新回到储氢灌，实现对燃料的再次利用，减少能源的浪费，提高燃料的利用率，提高了装置的能量利用效率。
(2)本发明将电堆产电后，产生的空气尾气，通入热量转换装置，将加热后的高温介质通入干燥塔，除去干燥塔中吸附剂的水分，实现干燥塔的再生，提高了装置的能量利用率。且加热干燥剂之后的高温介质重新返回到热量转换装置，进行再次利用高温介质，减少了能量的浪费。
(3)本发明干燥装置包括两个干燥塔，通过阀门选择哪一个干燥塔工作，可实现对气体进行连续的干燥脱水，不会因为干燥塔再生需要而影响整个装置工作的结果。
(4)本发明储氢罐放置多级储氢罐，从而可以连续不断地为电堆提供燃料。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种燃料电池尾气回收利用装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1中热量转换装置的结构示意图。
图3为本发明实施例1中干燥塔的结构示意图。
图4为本发明实施例2所述的一种燃料电池尾气回收利用装置的结构示意图。
图5为本发明实施例2中热量转换装置的结构示意图。
图6为本发明实施例2中两个干燥塔的连接示意图。
图7为本发明实施例2中干燥塔的结构示意图
实施例1中的附图标记：1-进气阀门；2-出气阀门；3-储氢罐；4-电堆；5-氢气尾气管道；6-空气尾气管道；7-热量装换装置；8-换热器；9-循环泵；10-气水分离器；11-干燥塔；12-氢气干燥管道；13-蒸汽管道；14-氢气出口管道；15-压缩机；16-氢气回收管道；17-高温介质腔；18-低温介质腔；19-低温介质入口；20-低温介质出口；21-高温介质出口管道；22-干燥塔内腔室；23-干燥塔外腔室；24-内腔室入口；25-内腔室出口；26-电加热管；27-放空口一；28-放空口二；29-阀门一；30-阀门二；31-阀门三；32-阀门四；33-阀门五；34-阀门六；35-空气入口；36-氢气管道。
实施例2中的附图标记：1-进气阀门；2-出气阀门；3-储氢罐；4-电堆；5-氢气尾气管道；6-空气尾气管道；7-热量装换装置；8-换热器；9-循环泵；10-气水分离器；11-干燥塔；12-氢气干燥管道；13-蒸汽管道；14-氢气出口管道；15-压缩机；16-氢气回收管道；17-低温介质腔；18-高温介质腔；19-隔板；20-温度传感器；21-低温介质入口；22-低温介质出口；23-高温介质出口管道；24-高温介质回收管道；25-干燥塔内腔室；26-干燥塔外腔室；27-内腔室入口；28-内腔室出口；29-通气管道；30-通气管道入口；31-通气管道出口；32-放空口一；33-放空口二；34-阀门一；35-阀门二；36-阀门三；37-阀门四；38-阀门五；39-阀门六；40-阀门七；41-阀门八；42-阀门九；43-阀门十；44-空气入口；45-氢气管道。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
如附图1所示的一种燃料电池尾气回收利用装置包括三级储氢罐3、电堆4、热量转换装置7、循环泵9、换热器8、气水分离器10、压缩机15、干燥塔11，其中热量转换装置7为热水器。
储氢罐3通过氢气管道36与电池电堆4负极端相连通入氢气，电堆4的正极设有空气入口35通入空气，电堆4的氢气尾气管道5与换热器8相连，一方面降低氢气尾气温度，另一方面回收氢气尾气中热量用于热水的发生，换热器8的出口与气水分离器10相连，除去氢气尾气中液态水，氢气尾气进入干燥塔11进行干燥，干燥后的氢气尾气进入压缩机15压缩，经氢气回收管道16进行回收，氢气回收管道16与三级储氢罐3相连，并设有进气阀门1，这时进气阀门1开启，出气阀门2关闭，对储氢罐3充气，充满后，进气阀门1关闭，出气阀门2开启，储氢罐3为电堆4提供燃料，设置多级的储气罐3便可连续不断地为电堆4提供燃料。
如图2所示的热水器的结构示意图，所述的热水器主要分为两部分，一部分为低温介质腔18，另一部分为高温介质腔17，两个腔室通过连通管连通。电堆4的空气尾气管道6进入低温介质腔18加热低温介质后经放空口一27放空；电堆4的氢气尾气管道5经换热器8后流出，低温介质从低温介质入口19进入低温介质腔18，低温介质经低温介质出口20与循环泵9相连，所述循环泵9与换热器8连通，低温介质经过换热器8后重新回到低温介质腔18，循环泵9使低温介质在热水器7与换热器8之间形成良好的循环。低温介质腔18中的低温介质受热后，产生的蒸气经连通管进入高温介质腔17，热水可由高温介质出口管道21放出以供使用。
如图3所示为实例1所述干燥装置中干燥塔11的结构示意图，所述干燥装置包括一对柱体干燥塔11，外部为绝热外壳，所述干燥塔11内部分为外腔室23和带有吸附剂的内腔室22，所述内腔室22包括设在内腔室22底部氢气入口24和设在内腔室顶部的氢气出口25，两个干燥塔11的内腔室入口24连通一氢气干燥管道12，且在氢气干燥管道12上设有两个控制阀门(29、30)，在两个控制阀门(29、30)之间设有管道连通气水分离器10的出口，所述两个干燥塔11的内腔室出口25连通一氢气出口管道14，且在氢气出口管道14上设有两个控制阀门(34、33)，在两个控制阀(34、33)之间设有氢气回收管道16连通压缩机15，所述两个干燥塔11的内腔室出口25还连通一蒸汽管道13，且在蒸汽管道13上设有两个控制阀门(31、32)，在两个控制阀门(31、32)之间设有一放空口二28，所述干燥塔11外腔室内均布电加热管26。
具体干燥过程为：电堆氢气尾气先经过换热器8降温，温度较低的气体在气水分离器10中分离液态水，氢气尾气流入干燥装置，此时阀门一29打开，阀门二30关闭，进入干燥塔11再次脱水，干燥塔氢气出口管道14处阀门六34打开，阀门五33关闭，氢气尾气进入压缩机压缩后通入储氢罐。与此同时，电加热管26加热吸附剂，吸附剂内水分受热蒸发，经阀门三31开启，阀门四32关闭，水蒸气排出经放空口二28放空。干燥塔11干燥过程结束，两干燥塔11由阀门一29和阀门二30的开启或关闭来选择哪一个干燥塔11工作，哪一个干燥塔11进行吸附剂再生，从而实现对气体进行连续的干燥脱水。
实施例2
如图4所示的一种燃料电池尾气回收利用装置结构示意图示，包括三级储氢罐3、电堆4、换热器8，循环泵9、热量转换装置7、气水分离器10、干燥塔11、压缩机15，其中热量转换装置为热蒸汽发生器。
储氢罐3通过氢气管道36与电池电堆4负极端相连通入氢气，电堆4的正极设有空气入口35通入空气，电堆4的氢气尾气管道5与换热器8相连，一方面降低氢气尾气温度，另一方面回收尾气中热量用于热水的发生，换热器8的出口与气水分离器10相连，除去氢气中液态水，氢气尾气进入干燥塔11进行干燥，干燥后的氢气经氢气回收管道16进入压缩机15压缩，压缩机与三级储氢罐3相连，并设有进气阀门1，这进气阀门1开启，出气阀门2关闭，对储氢罐3充气，实现对氢气尾气的回收，充满后，进气阀门1关闭，出气阀门2开启，储氢罐3为电堆4提供燃料，设置多级的储气罐3便可连续不断地为电堆反应器4提供燃料。
如图5所示的热量转换装置-热蒸汽发生器，所述的热蒸汽发生器主要分为两部分，一部分为低温介质腔17，低温介质经低温介质入口21进入低温介质腔17；一部分为高温介质腔18，所述热量转换装置中高温介质腔18和低温介质腔17之间设有隔板19，通过一连通口连通，所述隔板19上设有控制连通口开启和关闭的温度传感器20，所述温度传感器20达到200℃时开启连通口。电堆氢气尾气出口管道5经换热器8换热后流出，低温介质出口22与循环泵9相连，进入换热器8加热之后流入热蒸汽发生器的低温介质腔17，循环泵9使低温介质在热蒸汽发生器的低温介质腔17与换热器8形成良好的循环。电堆空气尾气管道6进入热蒸汽发生器低温介质腔17加热低温介质后经放空口一32排出放空。当低温介质腔17内产生的蒸汽温度达到200℃时，温度感应器20打开连通口，控制蒸汽进入高温介质腔18，由高温介质出口管道23排出进入干燥塔11，为吸附剂再生提供热量，后经由高温介质回收管道24返回热蒸汽发生器，回收再利用高温介质。
如图6和图7所示的干燥装置，所述干燥装置包括一对柱体干燥塔11，外部为绝热外壳，所述干燥塔11内部分为外腔室26和带有吸附剂的内腔室25，所述内腔室25包括设在内腔室25底部氢气入口27和设在内腔室顶部的氢气出口28，两个干燥塔11的内腔室入口27连通一氢气干燥管道12，且在氢气干燥管道12上设有两个控制阀门(34、35)，在两个控制阀门(34、35)之间设有管道连通气水分离器10的出口，所述两个干燥塔11的内腔室出口28连通一氢气出口管道14，且在氢气出口管道14上设有两个控制阀门(38、39)，所述两个干燥塔11的内腔室出口28还连通一蒸汽管道13，且在蒸汽管道13上设有两个控制阀门(36、37)，在两个控制阀门(36、37)之间设有一放空口二33，所述两个干燥塔11外腔室内均设有通气管道29。
具体干燥过程为：电堆氢气尾气经氢气尾气管道5流入换热器8降温，温度较低的气体在气水分离器10中分离液态水后，此时阀门一34开启，阀门二35关闭，氢气尾气流经氢气干燥管道12进入干燥器11再次脱水，脱水后干燥塔氢气出口处阀门五38打开，阀门六39关闭，氢气尾气经由氢气回收管道16进入压缩机15压缩后进入储氢罐3。与此同时，高温介质经高温介质出口管道23进入干燥塔11，阀门八41打开，阀门七40关闭，加热吸附剂，吸附剂内水分受热蒸发，水蒸汽经蒸汽管道阀门四37打开，阀门三36关闭，在放空口33排出放空；干燥塔11的通气管道29与高温介质出口管道23连通，加热吸附剂后，高温介质流经高温介质回收管道24返回至热蒸汽发生器7再利用，此时阀门十43开，阀门九42关闭。
本发明电堆4产电后，产生的氢气尾气经换热器8、气水分离器10、干燥装置、压缩机15后重新回到储氢灌，实现对燃料的再次利用，减少能源的浪费，提高燃料的利用率，提高了装置的能量利用效率。且本发明将电堆4产电后，产生的空气尾气，通入热量转换装置7，将加热后的高温介质通入干燥塔，除去干燥塔11中吸附剂的水分，实现干燥塔11的再生，提高了装置的能量利用率。且加热干燥剂之后的高温介质重新返回到热量转换装置，进行再次利用高温介质，减少了能量的浪费。
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，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，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范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池尾气回收利用装置，其特征在于，包括如下装置：
储氢罐及电堆，所述储氢罐通过带有出气阀门的氢气管道连通电堆的负极，所述电堆的正极设有空气入口通入空气，所述电堆设有氢气尾气管道和空气尾气管道；
热量转换装置：所述热量转换装置包括连通的低温介质腔和高温介质腔，所述空气尾气管道穿过所述低温介质腔并设有放空口一，所述低温介质腔设有低温介质入口及低温介质出口，所述低温介质出口连通一循环泵，所述循环泵连通一换热器，所述换热器通过管道连通低温介质腔内，所述氢气尾气管道接入所述换热器一端内，且换热器另一端连通一气水分离器的入口，所述高温介质腔设有高温介质出口管道；
干燥装置：所述干燥装置包括一对柱体干燥塔，外部为绝热外壳，所述干燥塔内部分为外腔室和带有吸附剂的内腔室，所述内腔室包括设在内腔室底部氢气入口和设在内腔室顶部的氢气出口，两个干燥塔的内腔室入口连通一氢气干燥管道，且在氢气干燥管道上设有两个控制阀门，在两个控制阀门之间设有管道连通气水分离器的出口，所述两个干燥塔的内腔室出口连通一氢气出口管道，且在氢气出口管道上设有两个控制阀门，所述两个干燥塔的内腔室出口还连通一蒸汽管道，且在蒸汽管道上设有两个控制阀门，在两个控制阀门之间设有一放空口二；
氢气回收装置：包括一压缩机；所述压缩机的入口设有管道连通所述氢气出口管道上两个控制阀门之间的管道，氢气回收管道连通储氢罐的氢气管道，且氢气回收管道上设有进气阀门。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池尾气回收利用装置，其特征在于：所述空气尾气管道在低温介质腔内呈盘旋弯曲结构。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池尾气回收利用装置，其特征在于：所述干燥塔的外腔室内均匀设有电加热管。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池尾气回收利用装置，其特征在于：所述干燥塔的外腔室内设有层叠的通气管道。
5.根据权利要求1或3所述的一种燃料电池尾气回收利用装置，其特征在于：所述热量转换装置中高温介质腔和低温介质腔之间设有隔板，通过一连通口连通，所述隔板上设有控制连通口开启和关闭的温度传感器，所述温度传感器达到200℃时开启连通口，所述高温介质出口管道分别连通两个干燥塔的外腔室内的通气管道的入口，且在两个干燥塔的通气管道的入口连通处分别设有一控制阀门；在高温介质腔还设有高温介质回收管道，所述高温介质回收管道也连通两个干燥塔的外腔室内的通气管道的出口，且在两个干燥塔的通气管道的出口连通处分别设有一控制阀门。
6.根据权利要求1-5中的任一项权利要求所述的燃料尾气回收利用装置，其特征在于：所述储氢罐为多级储氢罐。
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