CN110010939A - 用于燃料电池系统的尾气后处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于燃料电池系统的尾气后处理系统，包括：接收燃料电池的阳极尾气的氢回收装置；接收燃料电池的阴极尾气的水蒸气冷凝装置和消音装置；接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的冷凝水回收装置。本发明结构简单、能够消除安全隐患、降低环境热污染并提高道路安全。

Description

用于燃料电池系统的尾气后处理系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及一种用于燃料电池系统的尾气后处理系统。

背景技术

随着氢燃料电池系统成为汽车的动力之源，氢燃料电池的尾气排放对环境的损害，成为亟待解决的问题。氢燃料电池的阳极尾气中存在易燃易爆的氢气，直接排放到空气中将存在隐患。氢燃料电池的阴极尾气中存在大量的水蒸气和冷凝水，在环境温度低于0℃时，冷凝水直接排出会造成路面结冰，造成驾驶危险。

现有的阳极尾气处理方法主要包括催化燃烧型方法和缓冲稀释型方法。催化燃烧型方法，存在催化剂价格高，催化蜂窝载体浸水结冰失效、催化反应收到氢气浓度、氧气浓度、温度和湿度等影响因素较大，结构相对复杂的问题。缓冲稀释型方法，需要氢浓度传感器及空气吹扫系统，结构复杂，控制复杂。现有的氢气回收方法，一般采用氢、水分离方法，结构较复杂，分离不彻底，仍然有氢气排到空气中。现有的阴极尾气处理系统，水蒸气直接排放大气，增加大气热污染，且在低温时排到路面结冰。

发明内容

鉴于以上所述，本发明目的在于提供一种结构简单、能够消除安全隐患、降低环境热污染并提高道路安全的用于燃料电池系统的尾气后处理系统。

为此，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的用于燃料电池系统的尾气后处理系统包括：

接收燃料电池的阳极尾气的氢回收装置；

接收燃料电池的阴极尾气的水蒸气冷凝装置和消音装置；

接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的冷凝水回收装置。

根据本发明，氢气可回收重复利用而非直接排放至空气中，同时回收尾气中的水蒸气，不至于排除造成热污染并影响道路安全。

也可以是，本发明中，所述氢回收装置包括氢气回收管和设于所述氢气回收管内的中空纤维管组以分离氢气与冷凝水。优选地，所述中空纤维管组由疏水性氢气分离膜构成。

根据本发明，可以选择性分理处出氢气，水蒸气、冷凝水与氢气彻底分离，氢气可回收重复利用。

也可以是，本发明中，所述氢气回收管和中空纤维管组形成为蛇形结构。

根据本发明，氢气回收管和中空纤维管组采用蛇形结构，水、氢气在蛇形流动，阻力增大，时间加长，有利于氢气充分分离。

也可以是，本发明中，所述氢气回收管回收的氢气经过氢气循环泵的抽吸作用进入燃料电池。

根据本发明，有利于氢气的回收重复利用，提高了氢气的利用效率。

也可以是，本发明中，还包括连接于所述氢气回收管与所述氢气循环泵之间的氢气压力传感器和单向阀。

根据本发明，氢气压力传感器压力大于预设的规定值时，使用氢气循环泵定时抽吸，形成真空腔，可控制根据压力选择抽吸的时间，提高效率；通过单向阀可使氢气不会倒流。

也可以是，本发明中，所述水蒸气冷凝装置包括由所述消音装置的外壳形成的冷凝室、设于所述外壳的热管。

根据本发明，使用热管式冷凝方法，使尾气中的水蒸气尽快冷凝，不至于排出造成热污染。

也可以是，本发明中，所述消音装置包括设于外壳内的消音板、进气内消音管、进气外消音管、排气内消音管、排气外消音管，其中所述进气内消音管设于所述进气外消音管中，所述排气内消音管设于所述排气外消音管中，所述消音板、各消音管与所述外壳形成多个消音室。优选地，上述各消音管形成为多孔管。

根据本发明，采用消音板、消音管形成消音室，双层消音管可消除较宽频带的高频噪音，消音板可消除低频噪音。

也可以是，本发明中，所述冷凝水回收装置包括接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的收水盒，所述收水盒通过水管连接至蓄水箱。

根据本发明，冷凝水被收集在收水盒，通过水管及时排出到蓄水箱。

也可以是，本发明中，所述收水盒内设有伞型结构的防水溅盖。

根据本发明，防水溅盖可防止车辆在剧烈震动中水溅出，从而造成液位传感器数据错误。

也可以是，本发明中，所述收水盒的底部安装有液位传感器。

根据本发明，可通过液位传感器判断水量。

附图说明

图1是示出本发明的用于燃料电池系统的尾气后处理系统的示意图；

图2是图1所示尾气后处理系统的结构示意图；

图3是图1所示尾气后处理系统中的氢回收装置的结构示意图；

图4是图1所示尾气后处理系统中的水蒸气冷凝装置的结构示意图；

图5是图1所示尾气后处理系统中的冷凝水回收装置的结构示意图；

图6是图1所示尾气后处理系统中的消音装置的结构示意图；

图7是示出了消音室的消音装置的结构示意图；

附图标记：

1、接管；

2、前密封件；

3、中空纤维管组；

4、后密封件；

5、回水保护管；

6、氢气回收管；

7、氢气压力传感器；

8、单向阀；

9-16、热管；

17、外壳；

18、氢气循环泵；

19、前消音板；

20、后消音板；

21、进气内消音管；

22、进气外消音管；

23、排气内消音管；

24、排气外消音管；

25-31消音室；

32、收水盒；

33、防水溅盖；

34、液位传感器；

35、水管；

36、水泵；

37、蓄水箱。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对现有技术中氢燃料电池的尾气处理的不足之处，本发明提供了一种用于燃料电池系统的尾气后处理系统，如图1所示，该系统包括：接收燃料电池的阳极尾气的氢回收装置；接收燃料电池的阴极尾气的水蒸气冷凝装置和消音装置；接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的冷凝水回收装置。

本发明提供的尾气处理系统能在确保燃料电池系统的氢气排放体积浓度控制在爆炸极限浓度4％的范围以下，消除安全隐患，该尾气处理系统能减少排到大气中水蒸气和冷凝水，降低环境热污染和提高道路安全。

图2是图1所示尾气后处理系统的结构示意图。如图2所示，本发明的尾气后处理系统包括氢回收装置、水蒸气冷凝装置、消音装置以及冷凝水回收装置。

具体地，图3是图1所示尾气后处理系统中的氢回收装置的结构示意图。如图3所示，氢回收装置包括氢气回收管6和设于氢气回收管6内的中空纤维管组3以分离氢气与冷凝水。该中空纤维管组3由疏水性氢气分离膜构成。使用疏水性氢气分离膜，可以选择性分理处出氢气，水蒸气、冷凝水与氢气彻底分离，氢气可回收重复利用，提高了氢气的利用效率。氢回收装置可设于后述外壳17的外部，例如可如图2所示设于外壳17的外部上表面处。

进一步地，氢气回收管6和中空纤维管组3可形成为蛇形结构。水、氢气在蛇形流动，阻力增大，时间加长，有利于氢气充分分离。此外，在该氢气回收管6和中空纤维管组3的前后两端还分别设有前密封件2和后密封件4。来自燃料电池的阳极尾气通过接管1进入中空纤维管组3。还包括与中空纤维管组3的下游端相连的回水保护管5，回水保护管5可连通至后述收水盒32，以将分离后的冷凝水送入收水盒32。

此外，还如图1所示，氢气回收管6回收的氢气可经过氢气循环泵18的抽吸作用进入燃料电池。在氢气回收管6与氢气循环泵18之间还可依次设有氢气压力传感器7和单向阀8。由此，氢气压力传感器压力大于预设的规定值时，使用氢气循环泵定时抽吸，形成真空腔，可控制根据压力选择抽吸的时间，提高效率；通过单向阀可使氢气不会倒流。

图4是图1所示尾气后处理系统中的水蒸气冷凝装置的结构示意图。如图4所示，水蒸气冷凝装置包括热管9-16、与消音装置的外壳17形成的冷凝室。使用热管式冷凝方法，使尾气中的水蒸气尽快冷凝，不至于排出造成热污染。具体地，各热管9-16包括竖直部分和水平部分。热管9-16的竖直部分插入外壳17的内部空间，热管9-16的水平部分贴合在外壳17的外表上部，热管9-16中竖直部分的冷媒在外壳17内部被空气加热，冷媒气化后上升到外壳17 外部的热管9-16的水平部分，气化的冷媒在热管9-16的水平部分被外壳17外部的自然环境冷却为液态，液态冷媒在重力作用下回到外壳17内部热管9-16的竖直部分。还如图4所示，上述热管9-16的水平部分可间隔地设置，并形成位置交错的数列（例如两列）。

图5是图1所示尾气后处理系统中的冷凝水回收装置的结构示意图。如图5和图1所示，冷凝水回收装置包括接收来自氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的收水盒32。收水盒32通过水管35经由水泵36连接至蓄水箱37。收水盒32可设于上述外壳17的下方且与该外壳17连通，从而接收来自冷凝室的冷凝水。

此外，冷凝水回收装置还包括设于收水盒32内的伞型结构的防水溅盖33以及安装于收水盒32的底部的液位传感器34。可通过液位传感器34判断水量。防水溅盖33可防止车辆在剧烈震动中水溅出，从而造成液位传感器数据错误。

图6是图1所示尾气后处理系统中的消音装置的结构示意图。如图6所示，消音装置包括设于外壳17内的消音板（包括前消音板19和后消音板20）、进气内消音管21、进气外消音管22、排气内消音管23、排气外消音管24，上述消音板及消音管与外壳17形成消音室25-31（如图7所示）。其中进气内消音管21设于进气外消音管22中，排气内消音管23设于排气外消音管24中。

具体地，如图6和图7所示，外壳17、前消音板19和进气外消音管22组成消音室25；外壳17、前消音板19、后消音板20、进气外消音管22和排气外消音管24组成消音室26；外壳17、后消音板20和排气外消音管24组成消音室27；进气内消音管21内部形成消音室28，排气内消音管23内部形成了消音室29，进气内消音管21与进气外消音管22之间形成消音室30，排气内消音管23与排气外消音管24之间形成消音室31。

优选地，上述各消音管形成为多孔管。采用消音板、消音管形成消音室，双层消音管可消除较宽频带的高频噪音，消音板可消除低频噪音。前消音板19和后消音板20与各消音管可通过焊接连接，且例如可设置在外壳17内部1/4和3/4处。

以下进一步详细说明本发明的用于燃料电池系统的尾气后处理系统的工作过程。

本发明中燃料电池的阳极尾气经过预处理后，连接到接管1，尾气中的冷凝水、水蒸气与氢气在经过中空纤维管组3进行了分离，此中空纤维管的特点在于具有分子筛作用，在压力下只有氢气可以通过中空纤维管的管壁，渗透到氢气回收管6中，此中空纤维管组3和氢气回收管6为蛇形结构，增加流阻、延长尾气通过时间，可以使氢气分离的更为彻底，氢气在氢气循环泵18的抽吸作用下，流经氢气压力传感器7、单向阀8,、氢气循环泵18，最后进入燃料电池堆。

氢气压力传感器7可测量氢气回收管6中的氢气压力，当压力超过一个固定值（例如大于200kpa，本发明不限于此，可根据需要进行设定）时，氢气循环泵18开始运转，此氢气循环泵18运行中，氢气回收管6中氢气压力降低，在中空纤维管组3膜的两侧形成压力差，给氢气渗透提供动力。冷凝水从中空纤维管组3内流出，经过回水保护管5，进入收水盒32。如图5所示，此回水保护管5可插入防水溅盖33。

本发明中燃料电池的阴极尾气，从进气内消音管21进入，经过外壳17的内部时，尾气中水蒸气会在热管9-16的冷却作用下凝结为冷凝水，冷凝水从外壳17的下层内壁，经过防水溅盖33汇集到收水盒32，此防水溅盖33成伞型结构，边缘开有过水孔，具有导流和防止振动时水溅出的作用，收水盒32底部安装有液位传感器34，当液位达到一个固定值，开启水泵36，冷凝水经过水管35回到蓄水箱37，蓄水箱37中的水定期定点进行排泄。尾气中空气，从进气内消音管21 进入，在前消音版19、后消音板20、进气内消音管21、进气外消音管22、排气内消音管23、排气外消音管24与外壳17形成的消音室25-31中，进行抗性消音，此消音结构特点在于外壳17、前消音板19和进气外消音管22形成的消音室25、外壳17、前消音板19、后消音板20、进气外消音管22和排气外消音管24形成的消音室26，具有消除高频噪音的能力，消音室27-31具有消除低频噪音的作用，可达到消除更宽频带噪音和提高消音效果的作用，尾气中空气经过排气内消音管23排到大气环境中。

上述用于燃料电池系统的尾气后处理系统可获得以下效果：氢气利用效率提高：使用疏水性氢气分离膜，可以选择性分理处出氢气，水蒸气、冷凝水与氢气彻底分离，氢气可回收重复利用，提高了氢气的利用效率；结构简单：氢气分离、水蒸气冷凝，只有机械结构，结构简单；功能集成度高：含有多项功能，功能集成度高，安装方便；提高了安全性：尾排氢气浓度低于爆炸极限，降低爆炸风险；冷凝水回收，防止冬季路面结冰，降低道路驾驶风险；降低环境热污染：减少了湿热蒸汽排放，降低了环境热污染；降低环境噪音污染：降低燃料电池系统宽频段排气噪音，减少对环境的噪音污染。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统的尾气后处理系统，其特征在于，包括：

接收燃料电池的阳极尾气的氢回收装置；

接收燃料电池的阴极尾气的水蒸气冷凝装置和消音装置；

接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的冷凝水回收装置。

2.根据权利要求1所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述氢回收装置包括氢气回收管和设于所述氢气回收管内的中空纤维管组以分离氢气与冷凝水。

3.根据权利要求2所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述氢气回收管和中空纤维管组形成为蛇形结构。

4.根据权利要求2所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述氢气回收管回收的氢气经过氢气循环泵的抽吸作用进入燃料电池。

5.根据权利要求4所述的尾气后处理系统，其特征在于，还包括连接于所述氢气回收管与所述氢气循环泵之间的氢气压力传感器和单向阀。

6.根据权利要求1所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述水蒸气冷凝装置包括由所述消音装置的外壳形成的冷凝室、设于所述外壳的热管。

7.根据权利要求1所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述消音装置包括设于外壳内的消音板、进气内消音管、进气外消音管、排气内消音管、排气外消音管，其中所述进气内消音管设于所述进气外消音管中，所述排气内消音管设于所述排气外消音管中，所述消音板、各消音管与所述外壳形成多个消音室。

8.根据权利要求1所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述冷凝水回收装置包括接收来自所述氢回收装置和水蒸气冷凝装置的冷凝水的收水盒，所述收水盒通过水管连接至蓄水箱。

9.根据权利要求8所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述收水盒内设有伞型结构的防水溅盖。

10.根据权利要求8所述的尾气后处理系统，其特征在于，所述收水盒的底部安装有液位传感器。