CN110165263A - 一种燃料电池汽车尾气脱氢装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池汽车尾气脱氢装置，属于一种净化处理装置，用于对燃料电池氢气尾气的净化处理。包括尾气管、空气管、旋风分离器、催化器，旋风分离器通过软管与催化器相连接，尾气管连接于旋风分离器一端的气体入口，空气管连接旋风分离器的底端进气口；软管与旋风分离器之间安装电磁阀，当旋风分离器中压力达到设定值时，电磁阀自动开启；通过催化器内设有的催化剂，用于氧气与氢气在其间进行催化反应，生成水，达到安全排放的目的。有益效果是：能够保证燃料电池系统排放的含氢尾气通过催化反应的方式安全的净化处理掉，减少由于氢气的排放而可能会对大气和环境造成的潜在影响和危害。系统集成度高，占用空间小，安装拆卸方便。

Description

一种燃料电池汽车尾气脱氢装置
技术领域
本发明属于一种净化处理装置，用于对燃料电池氢气尾气的净化处理。
背景技术
燃料电池是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术,也是目前唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。与生物燃料、风力发电、太阳能这三种新能源产业相比,燃料电池目前市场规模还较小。
目前,燃料电池的应用主要集中在三大领域:燃料电池机动车应用、燃料电池便携式设备应用、燃料电池固定式发电站的应用。其中,机动车辆的是燃料电池所有应用领域中,未来产业规模最大、国际上技术研发热情最高的领域。
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,可以为电动汽车提供电力。由于燃料电池同时兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点,因此被公认为是今后替代传统内燃机的最理想的汽车动力装置。燃料电池汽车发动机的构造和工作原理与传统内燃发动机相比,具有革命性的变化,能量转换效率得到极大的提高。
目前燃料电池汽车排放的尾气中含有一定量的氢气，该氢气来源于燃料电池中未能完全参与反应的原料氢气，目前燃料电池技术中，这部分的氢气排放是不可避免的，然而氢气属于易燃易爆气体，爆炸极限下限低，仅为4％，上限高为76％；爆炸浓度范围宽，爆炸可能性极大。若将燃料电池尾气直接排放入大气中，一方面，尾气中的氢气在大气中存在燃烧爆炸危险，尤其遇到较小，或密闭空间，产生爆炸的可能性极大，另一方面，尾气氢气在燃料电池尾气系统中也存在燃烧爆炸危险。
目前针对上述问题，行业内采取两种技术路线进行处理，第一种为在尾气中注入大量空气混合，对其中的氢气进行稀释，使其低于爆炸浓度下限排放，但由于燃料电池尾气排放为间断性排放，同时尾气中氢气浓度波动较大，因此需要实时启停空气注入风机，同时实时调节空气注入体积，调整控制较复杂。第二种为采用反应催化剂，使氢气反应生成水后再排放，但此种方式系统集成度不高，实际应用中存在诸多不便，比如装置安装拆卸不便，较低温度下催化剂活性不高，催化剂更换不便等，更重要的催化反应中空气混入系统适应性不强。
发明内容
本发明目的在于提供了一种实现燃料电池汽车产生的氢气进行有效处理的脱氢装置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池汽车尾气脱氢装置，包括尾气管、空气管、旋风分离器、催化器，旋风分离器通过软管与催化器相连接，尾气管连接于旋风分离器一端的气体入口，空气管连接旋风分离器的底端进气口；软管与旋风分离器之间安装电磁阀，当旋风分离器中压力达到设定值时，电磁阀自动开启；
所述的催化器的外壳筒体内部顺序安装有器壁收集器，用于将混合气集中通过催化剂；设有气体分布孔板用于将混合气均匀通过催化剂；丝网用于压紧催化剂，防止其被气流吹散；催化剂，用于氧气与氢气在其间进行催化反应，生成水，达到安全排放的目的；催化剂尾端顺序安装有丝网，气体分布孔板，用于尾端催化剂压紧，防止其吹散；催化器内部前端的器壁收集器前端及尾端的气体分布孔板外围安装有卡环，卡环镶嵌于筒体内壁中，用于固定器壁收集器及尾端的气体分布孔板。
进一步的，本发明旋风分离器主体采用圆桶型结构，设有的排水及排气侧采用偏心锥型结构，旋风分离器排气排水端偏心锥上部开孔连接软管，用于排气；偏心锥尾部开孔安装疏水阀，用于排水。旋风分离器横卧布置，其顶部接入燃料电池尾气，径向入气；底部镜像方向接入空气管，径向入气；采用上述方式进气，使尾气与空气同时切向流入旋风分离器腔体，在旋风分离器中在同一方向进行螺旋流动。
进一步的，催化器采用圆筒结构，催化器的圆筒形壳筒体一端焊接封板，封板上开孔焊接接头；筒体另一端开口排放催化反应后空气和水；催化器筒体采用分段结构，在长度方向上分为两段，筒体中部断开采用卡箍连接，用于安装和拆卸催化器内部装置，并可快速拆装更换催化器内的催化剂。
进一步的，所述的软管与旋风分离器的偏心锥上部的排气孔之间安装电磁阀，电磁阀后端安装消音板，用于高速气体流动时消除噪音，软管尾端安装快速接头，用于软管与催化器的安装拆卸，软管中部安装波纹管，用于补偿水平方向上的震动和温差位移。所述的消音板安装在软管内。
进一步的，本发明设有爆破片，安装在旋风分离器进气端，用于旋风分离器内超压排放。
进一步的，本发明燃料电池汽车尾气脱氢装置整体一端固定安装于燃料电池汽车底架上，另一端采用弹簧钩连接于燃料电池汽车底架上，弹簧钩另一端自由安装于催化器上，用于释放燃料电池汽车运动时，垂直上下方向的震动。
进一步的，所述的空气管一端连接空气风机，另一端连接旋风分离器的底端进气口，采取强制注入空气的方式，增大空气注入量，使空气注入量远大于尾气气量，大幅度稀释尾气，保证进气比例为氢气/空气<1:25。
进一步的，本发明催化器缠绕若干圈铜质盘管，其接入燃料电池循环冷气水系统，通过设有的循环风机使盘管内流动循环冷却水，利用循环水热量，加热催化剂。
本发明的有益效果是：能够保证燃料电池系统排放的含氢尾气通过催化反应的方式安全的净化处理掉，减少由于氢气的排放而可能会对大气和环境造成的潜在影响和危害。系统集成度高，占用空间小，安装拆卸方便。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明催化器结构示意图。
图3为本发明实施例2催化器盘管结构示意图。
图中：1、空气风机；2、空气管；3、尾气管；4、爆破片；5、旋风分离器；6、疏水器；7、电磁阀；8、消音板；9、软管；10、波纹管；11、快速接头；12、催化器；13、盘管；14、弹簧钩；15、接头；16、封板；17、筒体；18、卡箍；19、卡环；20、器壁收集器；21、气体分布孔板；22、丝网；23、催化剂；24、管路；25、循环风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
本发明一种燃料电池汽车尾气脱氢装置的整体结构见图1，包括旋风分离器5、爆破片4、电磁阀7、空气管2、进气风机1、软管9、催化器12组成的系统，该系统包含尾气收集、分离、缓冲、空气注入、混合，通过方便安装拆卸的软连接快速接头11连接设有催化剂的催化器12，实现尾气收集、汽水分离、注入空气稀释、催化反应，使燃料电池汽车尾气中的氢气生成水后安全排放，并且系统集成度高、拆卸方便。
用于接收燃料电池尾气的尾气管3连接于旋风分离器5一端的气体入口，另一方面，空气管2一端连接空气风机1，另一端连接旋风分离器5的底端进气口；旋风分离器5主体采用圆桶型结构，设有的排水及排气侧采用偏心锥型结构，旋风分离器5进气端安装爆破片4，用于旋风分离器5内超压排放；旋风分离器5排气排水端偏心锥上部开孔，连接软管9，用于排气，偏心锥尾部开孔安装疏水阀，用于排水；
本发明小型旋风分离器5横卧布置，其顶部接入燃料电池尾气，径向入气；底部镜像方向接入空气管，径向入气。采用上述方式进气，使尾气与空气同时在旋风分离器5中在同一方向进行螺旋流动，在使用空气完成尾气稀释的同时，分离出尾气中的水分，旋风分离器5尾部安装疏水装置，采用体积量疏水方式，疏水器6根据存水体积自动开启排水。旋风分离器5入气口一端底部安装爆破片4，当旋风分离器5内超压时，爆破片4爆破卸压。该装置实现高度集成，在同一腔体内完成尾气稀释、气水分离、水分排放，同时采用卧式布置方式，节省高度方向空间，可使整体脱氢装置安装空间更大。
软管9与旋风分离器5的偏心锥上部的排气孔相连接，之间安装电磁阀7，电磁阀7后端安装消音板8，用于高速气体流动时消除噪音，软管9尾端安装快速接头11，用于软管9与催化器12的安装拆卸，软管9中部安装波纹管10，用于补偿水平方向上的震动和温差位移；
本发明电磁阀7采用背压启动式开启，当旋风分离器5中压力达到设定值时，电磁阀7自动开启，自动化程度高，减少人为参与控制，可靠度高。当电磁阀7关闭时，将旋风分离器5封闭，可使旋风分离器5缓冲来自燃料电池的不定时脉冲尾气排放，使其成为固定压力和流量的排放方式，可使系统后端催化器12成为处理固定尾气量的装置，简化催化器设计。
本发明消音板8安装在软管9内，并配置有一段波纹管10，波纹管路用于吸收燃料电池汽车运行方向上的惯性和震动，保证整体脱氢装置的安全和使用寿命，采用快速接头11连接软管9和催化器12，可快速方便安装拆卸催化,12，方便检修和更换。
本发明燃料电池汽车尾气脱氢装置整体一端固定安装于燃料电池汽车底架上，另一端采用弹簧钩14连接于燃料电池汽车底架上，弹簧钩14用于释放燃料电池汽车运动时，垂直上下方向的震动，弹簧钩14另一端自由安装于催化器12上。
本发明采用弹簧防震挂钩对本发明脱氢装置的连接，可解决脱氢装置在上下方向上的震动，保证脱氢装置的安全，尤其防止震动使催化剂摩擦粉化，导致失效，延长催化器使用寿命。
催化器12结构参见图2，本发明催化器12采用圆筒结构，一端开孔连接尾气端，另一端开孔为排放端。催化器12的圆筒形壳筒体17一端焊接封板16，封板16上开孔焊接接头15；筒体17另一端开口排放催化反应后空气和水；催化器12筒体17采用分段结构，在长度方向上分为两段，筒体17中部断开采用卡箍18连接，用于安装和拆卸催化器12内部装置，并可快速拆装更换催化器12内的催化剂23；筒体17内部顺序安装有器壁收集器20，用于将混合气集中通过催化剂23；设有气体分布孔板21用于将混合气均匀通过催化剂23；丝网22用于压紧催化剂23，防止其被气流吹散；催化剂23，用于氧气与氢气在其间进行催化反应，生成水，达到安全排放的目的；催化剂23尾端顺序安装有丝网22，气体分布孔板21，用于尾端催化剂23压紧，防止其吹散；催化器12内部前端的器壁收集器20前端及尾端的气体分布孔板21外围安装有卡环19，卡环19镶嵌于筒体17内壁中，用于固定器壁收集器20及尾端的气体分布孔板21。本发明催化器12采用简易结构，实现催化剂23安装容器的功能，同时在其尾气端设置器壁气体收集器20、气体分布孔板21，使尾气均匀通过催化剂层，使氢气完全催化反应，同时使用卡环19安装催化器筒体内装置，简单快捷。
本发明催化器12中的催化剂23采用贵金属及稀有金属材料，催化剂空速保守范围500～30000/h-1，相应的优化范围2000～10000h-1，催化剂23为颗粒类，蜂窝类整形材料，该型催化剂性能优异，燃料电池汽车尾气排放中氢气含量<1％PPM,该种高效催化剂应用于此装置中可以大幅度改善催化反应结果。
本发明采用小型空气风机1将空气管路2与旋风分离器5连接，采取强制注入空气的方式，增大空气注入量，使空气注入量远大于尾气气量，大幅度稀释尾气，保证进气比例为氢气/空气<1:25,相应的优化范围比例为<1:200,可使尾气中氢气含量降至2％以下，保证旋风分离器5腔体内无爆炸危险。
参见附图3，作为更进一步的实施方式，本发明围绕催化器12缠绕若干圈铜质盘管13，其接入燃料电池循环冷气水系统，通过设有的循环风机25使盘管13内流动循环冷却水，利用循环水热量，加热催化剂23，可使催化剂23在升温状态进行催化反应，在不引入外加热源的情况下，提高催化反应效果。
下面结合附图1对本发明燃料电池汽车尾气脱氢装置工艺过程做详细说明：
第一步，空气风机1启动，将来自大气的空气强制引入旋风分离器5，空气通过旋风分离器5底部的径向开孔接管，切向流入旋风分离器5腔体，同时腔体内接收来自燃料电池排放的含氢尾气，尾气中含氢量一般为1％～3％，最多为5％(体积分数)，此氢气为未参与燃料电池反应的部分氢气，此尾气由旋风分离器5顶部的径向开孔接管，切向流入旋风分离器5腔体，应当指出燃料电池的尾气排放是间断性的，脉冲性的；因此旋风分离器5腔体为尾气提供了缓冲空间，此时尾气与空气在旋风分离器5腔体内同一方向上螺旋向前流动，完成混合，形成混合气，同时水汽凝结为液态水，由于重力，液态水存于旋风分离器5腔体空间底部，当液态水达到预设的体积量时，疏水阀自动开启，向系统外排水，旋风分离器5非排水端设置有爆破片，预防旋风分离器5腔体内超压，一旦超压，由爆破片爆破排放。优选的，空气进入系统可接入燃料电池供空气系统，节省掉该整体装置中的空气风机1，及其配套电器控制系统；
第二步，盘管13通入来自燃料电池的冷却循环水系统；使催化剂升温，温升范围为5℃～95℃,优选的升温范围可以控制在5℃～20℃。
优选的，可不采用盘管13为催化剂升温，可采用如图3所示，在尾气出口处采用管路24，经过风机25引尾气排放侧排放热空气回流催化器12入口处，采用经催化燃烧反应后的升温空气为催化剂升温。
第二步，当旋风分离器5腔体内压力达到预设值时，软管9上的电磁阀7开启，混合气通过软管9，电磁阀7及其后的消音板8，完成消除噪音流动，通过快速接头11注入催化器12；
第三步，混合气通过催化器12的接头15进入腔体，流经器壁收集器20，汇集通过气体分布孔板21，其为密布孔的圆形钢板，而后尾气通过丝网22，进入催化剂23层，在其中氧气与氢气进行催化反应，生成水，水及空气在气流的推动下，继续流经催化器12尾部丝网，气体分布板，通过催化器12尾部开口排除系统。
需要进一步说明的是，上述实施例仅仅是对本发明保护方案做出的解释说明，以使本领域技术人员理解本发明，并非对本发明的限制。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的显而易见的变化、改型、添加或替换，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：包括尾气管(3)、空气管(2)、旋风分离器(5)、催化器(12)，旋风分离器(5)通过软管(9)与催化器(12)相连接，尾气管(3)连接于旋风分离器(5)一端的气体入口，空气管(2)连接旋风分离器(5)的底端进气口；软管(9)与旋风分离器(5)之间安装电磁阀(7)，当旋风分离器(5)中压力达到设定值时，电磁阀(7)自动开启；
所述的催化器(12)的外壳筒体(17)内部顺序安装有器壁收集器(20)，用于将混合气集中通过催化剂(23)；设有气体分布孔板(21)用于将混合气均匀通过催化剂(23)；丝网(22)用于压紧催化剂(23)，防止其被气流吹散；催化剂(23)，用于氧气与氢气在其间进行催化反应，生成水，达到安全排放的目的；催化剂(23)尾端顺序安装有丝网(22)，气体分布孔板(21)，用于尾端催化剂(23)压紧，防止其吹散；催化器(12)内部前端的器壁收集器(20)前端及尾端的气体分布孔板(21)外围安装有卡环(19)，卡环(19)镶嵌于筒体(17)内壁中，用于固定器壁收集器(20)及尾端的气体分布孔板(21)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：旋风分离器(5)主体采用圆桶型结构，设有的排水及排气侧采用偏心锥型结构，旋风分离器(5)排气排水端偏心锥上部开孔连接软管(9)，用于排气；偏心锥尾部开孔安装疏水阀，用于排水。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：旋风分离器(5)横卧布置，其顶部接入燃料电池尾气，径向入气；底部镜像方向接入空气管，径向入气；采用上述方式进气，使尾气与空气同时切向流入旋风分离器(5)腔体，在旋风分离器(5)中在同一方向进行螺旋流动。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：催化器(12)采用圆筒结构，催化器(12)的圆筒形壳筒体(17)一端焊接封板(16)，封板(16)上开孔焊接接头(15)；筒体(17)另一端开口排放催化反应后空气和水；催化器(12)筒体(17)采用分段结构，在长度方向上分为两段，筒体(17)中部断开采用卡箍(18)连接，用于安装和拆卸催化器(12)内部装置，并可快速拆装更换催化器(12)内的催化剂(23)。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：所述的软管(9)与旋风分离器(5)的偏心锥上部的排气孔之间安装电磁阀(7)，电磁阀(7)后端安装消音板(8)，用于高速气体流动时消除噪音，软管(9)尾端安装快速接头(11)，用于软管(9)与催化器(12)的安装拆卸，软管(9)中部安装波纹管(10)，用于补偿水平方向上的震动和温差位移。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：设有爆破片(4)，安装在旋风分离器(5)进气端，用于旋风分离器(5)内超压排放。
7.根据权利要求5所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：所述的消音板(8)安装在软管(9)内。
8.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：燃料电池汽车尾气脱氢装置整体一端固定安装于燃料电池汽车底架上，另一端采用弹簧钩(14)连接于燃料电池汽车底架上，弹簧钩(14)另一端自由安装于催化器(12)上，用于释放燃料电池汽车运动时，垂直上下方向的震动。
9.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：所述的空气管(2)一端连接空气风机(1)，另一端连接旋风分离器(5)的底端进气口，采取强制注入空气的方式，增大空气注入量，使空气注入量远大于尾气气量，大幅度稀释尾气，保证进气比例为氢气/空气<1:25。
10.根据权利要求1或4所述的燃料电池汽车尾气脱氢装置，其特征是：催化器(12)缠绕若干圈铜质盘管(13)，其接入燃料电池循环冷气水系统，通过设有的循环风机(25)使盘管(13)内流动循环冷却水，利用循环水热量，加热催化剂(23)。
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