CN110993995B - 一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法，该尾气处理装置包括供氧系统、供氢系统、燃料电池、冷却系统、控制单元和二次燃烧尾气处理装置，燃料电池阳极尾气和阴极尾气通过管道进入二次燃烧尾气处理装置中，控制单元控制尾气中氢气的含量，达到安全燃烧的可燃混合气条件，送入第一燃烧室部分，燃烧后氢气流量传感器检测尾气中氢气含量，如果还残留氢气，和空气进行二次混合，进入第二燃烧室燃烧，使尾气中不含氢气，排入空气中。本发明能解决少量氢气可能存在的安全隐患及对环境不可预测影响的问题，无需增加气液分离装置，成本低，防止废水在低温环境下结冰，导致管路堵塞。

Description

一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池尾气处理技术领域,具体涉及一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法。
背景技术
燃料电池目前主要采用质子交换膜，具有高效、清洁、对环境友好等优点，但就目前技术而言，氢气的利用率难以达到100％，未参加反应的氢气随尾气被排放掉；阳极侧产生杂质，在排出过程中也会导致氢气排放，因此需采取氢气尾气排放处理。目前燃料电池尾气处理主要采用尾氢稀释法、催化燃烧法、微通道催化燃烧法。尾氢稀释法将氢气导入特殊结构的稀释器中，使氢气排放的浓度不在爆炸极限范围之内，但没有消除氢气，排放到大气中的氢气会对环境产生不利影响。催化燃烧法是使氢气在催化反应器内与空气发生低温无火焰燃烧，去除率95％，但氢气处理量较小、反应器体积较大，反应后需进行水汽分离。微通道催化燃烧法利用特殊微加工技术，制作加工难度大，研究刚刚起步。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池燃烧式尾气处理装置及其控制方法，反应后无需进行水汽分离，且排入空气中的尾气不含氢气，对环境没影响。
一种燃料电池燃烧式尾气处理装置，包括供氧系统、供氢系统、燃料电池、控制单元和二次燃烧尾气处理装置，所述供氧系统和供氢系统均与燃料电池相连接，燃料电池的排气口与二次燃烧尾气处理装置的排气通道连通，二次燃烧尾气处理装置与控制单元连接；
所述二次燃烧尾气处理装置的外壳为内外两层中空桶状结构，且桶状尾部设有与空气连通的出口，外壳内层为阳极排气通道，外壳外层为阴极排气通道；外壳内层固定有增压器轴，增压器轴两端分别通过轴承与矮直板固定，两矮直板固定在外壳内层中；增压器轴从进气口到出气口依次安装有进气泵轮、第一排气涡轮和第二排气涡轮；所述矮直板包括第一矮直板和第二矮直板，第一矮直板位于进气泵轮和第一排气涡轮之间，第二矮直板位于第一排气涡轮和第二排气涡轮之间；第一矮直板和第一排气涡轮之间为第一燃烧室，第二矮直板和第二排气涡轮之间为第二燃烧室；第一燃烧室和第二燃烧室中分别设有第一氧气出口、第二氧气出口，第一燃烧室中安装第一点火器，第一氧气出口和第一点火器之间安装燃烧电磁阀；第一排气涡轮和第二矮直板之间安装有第二氢气流量传感器，第二燃烧室中安装第二点火器。
上述技术方案，所述燃料电池的排气口包括阴极排气口和阳极排气口。
上述技术方案，所述阴极排气口通过管道与二次燃烧尾气处理装置连通，且管道中依次设置阴极电磁阀、阴极氧气流量传感器和阴极湿敏流量传感器。
上述技术方案，所述阳极排气口通过管道与二次燃烧尾气处理装置连通，且管道中依次设置阳极电磁阀、第一氢气流量传感器和阳极湿敏流量传感器。
上述技术方案，所述阴极电磁阀、阳极电磁阀、阴极氧气流量传感器、第一氢气流量传感器、阴极湿敏流量传感器、阳极湿敏流量传感器、第一点火器、第二氢气流量传感器、燃烧电磁阀以及第二点火器均与控制单元相连接。
上述技术方案，所述矮直板沿圆周方向均布多个第一通孔。
上述技术方案，所述燃烧电磁阀由两个圆环固定而成，其中一个圆环固定在外壳外层上，两圆环沿圆周方向均布多个通孔。
上述技术方案，还包括与燃料电池相连接的冷却系统。
一种燃料电池燃烧式尾气处理装置的控制方法，控制单元获取燃料电池阴极、阳极排气口中的氢气、氧气和水蒸气含量，由氢气安全燃烧条件，控制阳极电磁阀和阴极电磁阀的开度，从而控制二次燃烧尾气处理装置中混合气的各成分含量，氢气氧气混合在第一燃烧室中燃烧；第二氢气流量传感器检测燃烧后尾气中氢气的含量，如果没有氢气存在，关闭燃烧电磁阀，燃烧产生尾气推动第一排气涡轮旋转，对阳极进气进行增压，将尾气排入空气中；如果有氢气存在，开启燃烧电磁阀，剩余氢气和氧气混合在第二燃烧室燃烧，燃烧产生尾气推动第二排气涡轮旋转，对阳极进气进行增压，将尾气排入空气中。
本发明的有益效果为：
(1)由于阳极排气流速不高，阴极排气流速较快，本发明通过进气泵轮、两个排气涡轮，利用一次、二次燃烧废气的动能，带动进气泵轮、排气涡轮旋转，提高阳极进气量，不需要额外提供动力。
(2)本发明第二氢气流量传感器检测一次燃烧后尾气中氢气含量，如果仍存在氢气，则进行二次燃烧，保证尾气中不存在氢气，排入空气；解决尾气排入空气中少量氢气可能存在的安全隐患的问题。
(3)本发明燃烧产生的热量足以使尾气中的水全部以气态形式排出装置，不必增加气液分离装置，节约成本，同时防止低温环境下废水结冰，导致管路冰堵，燃料电池背压增高，产生安全隐患。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池燃烧式尾气处理装置的结构示意图；
图2是本发明中矮直板的截面视图；
图3是本发明第二燃烧电磁阀的结构示意图，图3中的(a)是第二燃烧电磁阀的第一圆环结构示意图，图3中的(b)是第二燃烧电磁阀的第二圆环结构示意图；
图4是本发明第一燃烧状态下阴极排气的流向示意图；
图5是本发明第二燃烧状态下阴极排气的流向示意图；
图6是本发明一种燃料电池燃烧式尾气处理装置的控制流程图；
其中：1-供氧系统，2-供氢系统，3-燃料电池，4-冷却系统，5-阴极排气口，6-阳极排气口，7-阴极电磁阀，8-阳极电磁阀，9-阴极氧气流量传感器，10-第一氢气流量传感器，11-阴极湿敏流量传感器，12-阳极湿敏流量传感器，13-阴极阻火器，14-阳极阻火器，15-进气泵轮，16-第一矮直板，17-第一点火器，18-第一排气涡轮，19-第二氢气流量传感器，20-燃烧电磁阀，21-第二矮直板，22-第二点火器，23-第二排气涡轮，24-控制单元，25-第一通孔，26-增压器轴；27-阴极排气通道，28-阳极排气通道，29-第一氧气出口，30-第一燃烧室，31-第二氧气出口，32-第二燃烧室，33-外壳，34-第二通孔，35-第三通孔，36-第一轴承，37-第二轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
如图1、4、5所示，一种燃料电池燃烧式尾气处理装置，包括供氧系统1、供氢系统2、燃料电池3、冷却系统4、控制单元24和二次燃烧尾气处理装置。供氧系统1和供氢系统2分别通过管道与燃料电池3相连接，用于提供燃料电池3工作所需的氧气和氢气，冷却系统4通过冷却水管与燃料电池3相连接，维持燃料电池3的热平衡。燃料电池3的排气口包括阴极排气口5和阳极排气口6，阴极排气口5通过第一管道与二次燃烧尾气处理装置的阴极排气通道27连通，且第一管道中依次设置阴极电磁阀7、阴极氧气流量传感器9、阴极湿敏流量传感器11和阴极阻火器13；阳极排气口6通过第二管道与二次燃烧尾气处理装置的阳极排气通道28连通，且第二管道中依次设置阳极电磁阀8、第一氢气流量传感器10、阳极湿敏流量传感器12和阳极阻火器14。阴极阻火器13和阳极阻火器14防止二次燃烧尾气处理装置中的气体在燃烧过程回火。
二次燃烧尾气处理装置外壳33为内外两层中空桶状结构，且桶状尾部设有与空气连通的出口，外壳33内层为阳极排气通道28，外壳33外层为阴极排气通道27；内层周向上均匀设有第一氧气出口29和第二氧气出口31，使得阳极排气通道28和阴极排气通道27连通。外壳33内层固定有增压器轴26，增压器轴26两端分别通过第一轴承36、第二轴承37与第一矮直板16、第二矮直板21固定，第一矮直板16、第二矮直板21固定在外壳33内层中。增压器轴26从进气口到出气口依次安装有进气泵轮15、第一排气涡轮18和第二排气涡轮23，第一矮直板16位于进气泵轮15和第一排气涡轮18之间，第二矮直板21位于第一排气涡轮18和第二排气涡轮23之间。第一矮直板16和第一排气涡轮18之间为第一燃烧室30，第二矮直板21和第二排气涡轮23之间为第二燃烧室32。第一氧气出口29、第二氧气出口31分别位于第一燃烧室30和第二燃烧室32，第一燃烧室30中安装第一点火器17，第一氧气出口29和第一点火器17之间的壳体内层安装燃烧电磁阀20；第一排气涡轮18和第二矮直板21之间的壳体内层安装有第二氢气流量传感器19，第二燃烧室32中安装第二点火器22。
阴极电磁阀7、阳极电磁阀8、阴极氧气流量传感器9、第一氢气流量传感器10、阴极湿敏流量传感器11、阳极湿敏流量传感器12、第一点火器17、第二氢气流量传感器19、燃烧电磁阀20以及第二点火器22均通过电气线路与控制单元24相连接。
燃料电池3阴极排出的尾气经过阴极排气口5，由阴极电磁阀7控制流量，再经过阴极氧气流量传感器9、阴极湿敏流量传感器11分别检测出阴极排气中氧气和水蒸汽的含量。燃料电池3阳极排出的尾气经过阳极排气口6，由阳极电磁阀8控制流量，再经过第一氢气流量传感器10、阳极湿敏流量传感器12分别检测出阳极排气中氢气和水蒸汽的含量。
如图2所示，第一矮直板16的截面视图，多个第一通孔25沿圆周方向均布在矮直板16上，作为氢气进入第一燃烧室30的通道，起引导汇集氢气气流的作用。第二矮直板21和第一矮直板16结构相同。
如图3所示，燃烧电磁阀20由两个圆环固定而成，其中一个圆环固定在外壳33外层上，活动的圆环可由电动机驱动，绕轴向进行旋转。如图3中的(a)所示，燃烧电磁阀20第一圆环的截面视图，多个第二通孔34沿圆周方向均布在燃烧电磁阀20的第一圆环上；如图3中的(b)所示，燃烧电磁阀20第二圆环的截面视图，多个第三通孔35沿圆周方向均布在燃烧电磁阀20的第二圆环上。当第二通孔34和第三通孔35重合时，燃烧电磁阀20打开；当第二通孔34和第三通孔35错开时，燃烧电磁阀20关闭。
一种燃料电池燃烧式尾气处理装置根据尾气中氢气的含量分为两种工作模式：(1)一次燃烧模式，(2)二次燃烧模式。下面结合附图4、5、6来具体描述具体的工作过程。
第一种工作模式为：燃料电池3开始工作，供氢系统2向燃料电池3供给氢气，供氧系统1向燃料电池3供给氧气，冷却系统4维持燃料电池3的热平衡稳定。阳极排气口6主要排出的是氢气和水蒸气，阴极排气口5主要排出的是空气和水蒸气。控制单元24控制阴极电磁阀7打开，阴极排气经过第一管道，由阴极氧气流量传感器9检测其中氧气含量，通过电信号传送给控制单元24，由阴极湿敏传感器11检测其中水蒸气含量，通过电信号传送给控制单元24。控制单元24控制阳极电磁阀8打开，阳极排气经过第二管道，由第一氢气流量传感器10检测其中氢气含量，通过电信号传送给控制单元24，由阳极湿敏传感器12检测其中水蒸气含量，通过电信号传送给控制单元24。为了更好的进行氢气安全燃烧，需要降低混合气中氢气的含量，提高氧气、水蒸气的含量。控制单元24获取阴极和阳极中氢气、氧气、水蒸气的含量，根据氢气安全燃烧的条件(低温低压时氢气浓度低、水蒸气浓度高)，控制阳极电磁阀8和阴极电磁阀7的开度，从而控制二次燃烧尾气处理装置中混合气的各成分含量组成。阳极尾气中氢气和水蒸气进入阳极排气通道28，阴极尾气中氧气和水蒸气进入阴极排气通道27。阳极尾气经过进气泵轮15和第一通孔25进入第一燃烧室31。燃烧电磁阀20为常闭电磁阀，阴极尾气全部经过第一氧气出口29进入第一燃烧室31中，和阳极尾气充分混合形成可燃混合气，在第一点火器17点燃下，混合气进行一次燃烧。燃烧后气体膨胀做功，推动第一排气涡轮18旋转，对阳极进气进行增压。第二氢气流量传感器19检测燃烧后尾气中氢气的含量，如果没有氢气存在，经过第二矮直板21和二次燃烧尾气处理装置的出气口，将燃烧后的尾气排入空气中。
第二种工作模式为：在第一种工作模式的基础上，如果尾气中含有氢气，燃烧电磁阀20打开，阴极尾气一部分通过第一氧气出口29，另一部分通过第二氧气出口31。通过第二氧气出口31的氧气和第一次燃烧后的尾气在第二燃烧室中32继续混合，形成可燃混合气，在第二点火器22点燃下，进行二次燃烧，消耗掉剩余氢气。燃烧后气体膨胀做功，推动第二排气涡轮23旋转，对阳极进气进行增压，燃烧后的尾气经过二次燃烧尾气处理装置的出气口排入空气中。
以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：包括供氧系统（1）、供氢系统（2）、燃料电池（3）、控制单元（24）和二次燃烧尾气处理装置，所述供氧系统（1）和供氢系统（2）均与燃料电池（3）相连接，燃料电池（3）的排气口与二次燃烧尾气处理装置的排气通道连通，二次燃烧尾气处理装置与控制单元（24）连接；
所述二次燃烧尾气处理装置的外壳（33）为内外两层中空桶状结构，且桶状尾部设有与空气连通的出口，外壳（33）内层为阳极排气通道（28），外壳（33）外层为阴极排气通道（27）；外壳（33）内层固定有增压器轴（26），增压器轴（26）两端分别通过轴承与矮直板固定，两矮直板固定在外壳（33）内层中；增压器轴（26）从进气口到出气口依次安装有进气泵轮（15）、第一排气涡轮（18）和第二排气涡轮（23）；所述矮直板包括第一矮直板（16）和第二矮直板（21），第一矮直板（16）位于进气泵轮（15）和第一排气涡轮（18）之间，第二矮直板（21）位于第一排气涡轮（18）和第二排气涡轮（23）之间；第一矮直板（16）和第一排气涡轮（18）之间为第一燃烧室（30），第二矮直板（21）和第二排气涡轮（23）之间为第二燃烧室（32）；第一燃烧室（30）和第二燃烧室（32）中分别设有第一氧气出口（29）、第二氧气出口（31），第一燃烧室（30）中安装第一点火器（17），第一氧气出口（29）和第一点火器（17）之间安装燃烧电磁阀（20）；第一排气涡轮（18）和第二矮直板（21）之间安装有第二氢气流量传感器（19），第二燃烧室（32）中安装第二点火器（22）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述燃料电池（3）的排气口包括阴极排气口（5）和阳极排气口（6）。
3.根据权利要求2所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述阴极排气口（5）通过管道与二次燃烧尾气处理装置连通，且管道中依次设置阴极电磁阀（7）、阴极氧气流量传感器（9）和阴极湿敏流量传感器（11）。
4.根据权利要求2所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述阳极排气口（6）通过管道与二次燃烧尾气处理装置连通，且管道中依次设置阳极电磁阀（8）、第一氢气流量传感器（10）和阳极湿敏流量传感器（12）。
5.根据权利要求3所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述阴极电磁阀（7）、阴极氧气流量传感器（9）、阴极湿敏流量传感器（11）、第一点火器（17）、第二氢气流量传感器（19）、燃烧电磁阀（20）以及第二点火器（22）均与控制单元（24）相连接。
6.根据权利要求4所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述阳极电磁阀（8）、第一氢气流量传感器（10）和阳极湿敏流量传感器（12）均与控制单元（24）相连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述矮直板沿圆周方向均布多个第一通孔（25）。
8.根据权利要求1所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：所述燃烧电磁阀（20）由两个圆环固定而成，其中一个圆环固定在外壳（33）外层上，两圆环沿圆周方向均布多个通孔。
9.根据权利要求1所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置，其特征在于：还包括与燃料电池（3）相连接的冷却系统（4）。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的燃料电池燃烧式尾气处理装置的控制方法，其特征在于：阴极电磁阀（7）设置在阴极排气口（5）与二次燃烧尾气处理装置连通的管道中，阳极电磁阀（8）设置在阳极排气口（6）与二次燃烧尾气处理装置连通的管道中；控制单元（24）获取燃料电池（3）阴极、阳极排气口中的氢气、氧气和水蒸气含量，由氢气安全燃烧条件，控制阳极电磁阀（8）和阴极电磁阀（7）的开度，从而控制二次燃烧尾气处理装置中混合气的各成分含量，氢气氧气混合在第一燃烧室（30）中燃烧；第二氢气流量传感器（19）检测燃烧后尾气中氢气的含量，如果没有氢气存在，关闭燃烧电磁阀（20），燃烧产生尾气推动第一排气涡轮（18）旋转，对阳极进气进行增压，将尾气排入空气中；如果有氢气存在，开启燃烧电磁阀（20），剩余氢气和氧气混合在第二燃烧室燃烧，燃烧产生尾气推动第二排气涡轮（23）旋转，对阳极进气进行增压，将尾气排入空气中。
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