CN111799489A - 一种氢燃料电池消氢装置及密闭环境下的消氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池消氢装置，包括氢侧产物水箱、压力传感器、温度传感器、液位传感器、电磁阀、氧浓度分析仪、干燥器、合金储氢罐、水泵、手动阀和催化燃烧式消氢器等主要零部件；还公开了密闭环境下氢燃料电池的消氢方法，在消氢过程中，需要检测氢侧产物水箱中的氧气浓度以判断燃料电池的状态并保证安全；需要检测水箱液位，液位过高时通过水泵排水；紧急情况还要通入氮气进行吹扫保护；本发明消氢方法充分利用了合金储氢技术的特点，单位体积消氢能力高、安全性好、保障补给方便。

Description

一种氢燃料电池消氢装置及密闭环境下的消氢方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种氢燃料电池消氢装置，以及密闭环境下氢燃料电池的消氢方法。

背景技术

氢燃料电池发电装置具有效率高、振动噪声小、红外特征低、零排放、模块化设计、安装维护方便等优点，是未来发电装置的理想方案，特别适用于水下或太空等密闭环境。而对于密闭环境，其发电装置的排气受到严格限制，虽然氢燃料电池发电装置具有零排放的特性，但在氢气侧由于排水需要以及氢气本身的纯度，仍然有微量尾气排放。

一般消氢方法的基本原理：在催化剂的作用下，将气流中的氢与氧化合生成水，从而消除氢气。消氢一般分为集中式消氢和分散式消氢：集中消氢装置利用风机将需要处理的含氢空气（可将纯氢混入高纯氮气）强制通过装置进行氢气消除；分散式消氢装置利用自然对流（扩散）的原理使含氢空气自动通过装置来消除氢气，需配备氢气浓度检测器，当密闭环境内氢气浓度低于设置值，分散式消氢器可缓慢消氢；当密闭环境内氢气浓度高于设置值，可开启消氢器辅助加热装置，加快消氢速度。

但是上述消氢装置都需要空气参与化学反应，而且装置体积较大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种不需要空气参与化学反应，体积减小的消氢装置，以适用于水下或太空等密闭环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氢燃料电池消氢装置，包括氢侧产物水箱以及通过排空电磁阀连接氢侧产物水箱的催化燃烧式消氢器，氢侧尾气直接引入氢侧产物水箱，氮气通过电磁阀引入氢侧产物水箱，所述的氢侧产物水箱内设置有水泵，所述的水泵通过手动阀连接排水管，所述的氢侧产物水箱上还分别设置有压力传感器、温度传感器、液位传感器和氧浓度分析仪，所述的氢侧产物水箱通过泄压阀连接有干燥器，所述的泄压阀上并联有电磁阀，所述的干燥器分别引出至少三条支路，一条通过电磁阀连接催化燃烧式消氢器，至少两条支路分别通过电磁阀和压力传感器连接小型合金储氢罐。

其中，所述的合金储氢罐包括第一合金储氢罐和第二合金储氢罐。

其中，所述的合金储氢罐有三个。

进一步，所述的干燥器用五氧化二磷为吸水材料。

本发明的另一个目的是充分利用合金储氢材料的特性，提供一种密闭环境下单位体积消氢能力高、安全性好、保障补给方便的消氢方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种密闭环境下采用合金储氢技术的消氢方法，具体步骤如下：

首先，燃料电池氢侧尾气输送至氢侧产物水箱，在水箱内分离汽水；

然后，将氢侧产物水箱上部累积的氢气和杂质气体通过管道导出，通过管道上并联的泄压阀和电磁阀、串联的干燥器来去除水分，以避免水“毒化”储氢合金，严重影响其储氢性能；

最后，干燥的氢气分为至少三路，一路通过串联的电磁阀引入催化燃烧式消氢器作为超压排放管路，另外至少两路分别通过电磁阀和压力传感器通入合金储氢罐作为消氢，氢侧产物水箱超压排空的氢侧尾气和合金储氢罐无法吸收的杂质尾气都引入催化燃烧式消氢器；

残余氢气通过干燥器去除水分，再通入某个合金储氢罐，当这个合金储氢罐的入口压力升高到燃料电池允许的最高背压时，切换到下一个合金储氢罐。

所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，氢侧产物水箱上的氧浓度分析仪检测箱内的氧气浓度以判断燃料电池的状态并保证安全，当氧气浓度超过限值时，开启排空电磁阀将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器，同时开启氮气电磁阀对氢侧产物水箱进行氮气吹扫保护。

所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，氢侧产物水箱上的压力传感器和液位传感器分别检测箱内的压力和液位，当压力超过限值时通过电磁阀将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器并排空，当液位超过限值时通过水泵和手动阀将生成水排出。

所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，氢侧产物水箱内利用旋风、重力沉降、挡板、吸附等方式分离汽水。

本发明的有益效果在于：本发明采用两个甚至更多个合金储氢罐消氢，每次使用一个合金储氢罐消氢，在消氢过程中合金储氢罐的入口压力会持续上升，当合金储氢罐入口处的压力传感器显示超过限值时，关闭合金储氢罐入口处的电磁阀，同时开启下一个合金储氢罐入口处的电磁阀，切换到下一个合金储氢罐进行消氢，采用更多合金储氢罐时以此类推；在最后一个合金储氢罐吸收氢气超压后，重新切换到第一个合金储氢罐，此时经过一段时间的冷却第一个第一合金储氢罐内罐压有一定程度下降，可以继续吸收氢气，以此类推直到完成第二个循环；根据消氢用合金储氢罐的吸放氢特性可进行多轮循环，直至合金储氢罐无法吸收氢气。

本发明具有如下优点：

1，单位体积消氢能力高：储氢合金（稀土系AB5型、钛铁基AB型、钛锰基AB2型和钒基BCC固溶体型）体积储氢密度高，可达60～80g/L；

2，安全性好：氢气在金属合金储氢材料表面经过物理吸附、化学吸附和分解等过程，随后氢以原子形态在储氢合金中扩散迁移达到平衡，最终储于储氢合金的晶格间隙中，并与储氢合金的原子化合生成稳定的氢化物，是公认的安全性最高的储氢方式；

3，保障补给方便：根据消氢量设置多个小型合金储氢罐，并根据应用场所布置在方便更换的部位，即装即用，即拆即换。

附图说明

图1是本发明消氢装置的结构示意图。

图中标记对应的构件名称为：1—氢侧产物水箱，2/14/15—压力传感器，3—温度传感器，4—液位传感器，5—排空电磁阀，6—氮气电磁阀，9/11/12/13—电磁阀，7—氧浓度分析仪，8—泄压阀，10—干燥器，16—第一合金储氢罐，17—第二合金储氢罐，18—水泵，19—手动阀，20—催化燃烧式消氢器。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。

本发明合金储氢技术氢燃料电池的消氢方法充分利用了合金储氢技术体积储氢密度高的特点，单位体积消氢能力高，而且氢气储存在合金粉末的晶格内，安全性好等特点，根据消氢量设置多个小型合金储氢罐，方便更换。

实施例1

如图1所示，本发明公开的一种氢燃料电池消氢装置，包括氢侧产物水箱1以及通过排空电磁阀5连接氢侧产物水箱1的催化燃烧式消氢器20，氢侧尾气直接引入氢侧产物水箱1，氮气通过氮气电磁阀6引入氢侧产物水箱1，所述的氢侧产物水箱1内设置有水泵18，所述的水泵18通过手动阀19连接排水管，所述的氢侧产物水箱1上还分别设置有压力传感器2、温度传感器3、液位传感器4和氧浓度分析仪7，所述的氢侧产物水箱1通过泄压阀8连接有干燥器10，所述的泄压阀8上并联有电磁阀9，泄压阀8和电磁阀9并联设置在氢侧产物水箱1上侧排氢管道上，其中泄压阀8开启压力设置为不影响燃料电池正常运行的最小背压，所述的干燥器10分别引出三条或三条以上的支路，一条通过电磁阀11连接催化燃烧式消氢器20，其余支路中的两条支路中一条通过电磁阀12和压力传感器14连接第一合金储氢罐16，一条通过电磁阀13和压力传感器15连接第二合金储氢罐17。

以某型密闭环境用燃料电池动力系统为例，氢气尾排流量10SL/min，总量约0.7kg，尾气温度约70℃、饱和湿度、出口表压30kPa。结合本发明结构、技术原理对本发明显著效果作进一步说明如下。

首先，燃料电池氢侧尾气输送至氢侧产物水箱1，根据生成水氢侧比例，氢侧产物水箱1设计容积约80L，在水箱内利用挡板和重力沉降方式实现汽水分离。

然后，将氢侧产物水箱1上部累积的氢气和杂质气体通过管道导出，通过管道上并联的泄压阀8和电磁阀9、串联的干燥器10来去除水分；针对低平台压合金储氢罐，在消氢过程中开启电磁阀9，燃料电池氢侧尾排氢气连续不断被合金储氢罐吸收；因为本案例消氢用第一合金储氢罐16和第二合金储氢罐17为低平台压合金储氢罐，所以在消氢过程中，开启上述电磁阀9，燃料电池氢侧尾排氢气连续不断被合金储氢罐吸收，而且泄压阀8设置泄压压力为40kPa；再串联干燥器10去除水分，以避免水“毒化”储氢合金，严重影响其储氢性能。干燥器10中所用吸水材料主要有以下2点要求：①稳定性高，不与氢气发生反应；②体积小、干燥效率高。综合考虑这两点要求，结合材料通用性、成本等因素，拟选用五氧化二磷为吸水材料。

最后分三路，一路串联电磁阀11后引入催化燃烧式消氢器20作为超压排放管路，氢侧产物水箱超压排空的氢侧尾气和合金储氢罐无法吸收的杂质尾气都引入催化燃烧式消氢器20，另外两路一路通过电磁阀12和压力传感器14后通入第一合金储氢罐16作为消氢管路，一路通过电磁阀13和压力传感器15后通入第二合金储氢罐17作为消氢管路。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：最后分四路，其中三路为消氢管路，通入三个小型合金储氢罐，管道上设置电磁阀和压力传感器，正常工作时根据入口压力限值依次轮流循环消氢；第四路为超压排放管路，串联电磁阀11后引入催化燃烧式消氢器20。

针对较高平台压（但不超过燃料电池正常运行的最小背压）合金储氢罐，在消氢过程中关闭电磁阀9，当氢侧产物水箱1积累氢气压力上升到泄压阀8开启压力时，间歇式排放燃料电池氢侧尾排氢气，并被合金储氢罐吸收。

其中三个合金储氢罐设计参数如下：

通过干燥器的氢侧尾气压力不超过30kPa，吸收效率技术指标≤20%，即要求储氢合金在室温下吸氢平台压≤30kPa*20%=6kPa。在合金室温吸氢平台压6kPa的条件下，合金材料的储氢密度约0.8wt%。按照消氢要求，待处理的氢气总量为0.7kg，预计消氢效率≥80%，即实际消氢总量为0.56kg。考虑尾气中还含有氧气、二氧化碳等其它气体，设定约10%的余量，合金材料总储氢量约0.62kg。因此合金材料的总重量约78kg，体积约19L，为了便于安装及检修，初步设计储氢罐的数量为3个，单个长度为0.5m，外径 为0.15m。单个合金储氢罐重量约36kg（含罐体和合金粉），体积约9L。

另外，氢侧产物水箱1设有氧浓度分析仪7，用以检测水箱中的氧气浓度，当氧气浓度超过1.25%时报警，超过2.5%时开启排空电磁阀5将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器20，同时开启氮气电磁阀6对氢侧产物水箱1进行氮气吹扫保护。

氢侧产物水箱1上还设有压力传感器2、温度传感器3和液位传感器4，当压力超过50kPa时通过排空电磁阀5将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器20，当液位超过80%的限值时通过水泵18将生成水排出。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池消氢装置，包括氢侧产物水箱（1）以及通过排空电磁阀（5）连接氢侧产物水箱（1）的催化燃烧式消氢器（20），所述的氢侧产物水箱（1）内设置有水泵（18），所述的水泵（18）通过手动阀（19）连接排水管，所述的氢侧产物水箱（1）上还分别设置有压力传感器（2）、温度传感器（3）、液位传感器（4）和氧浓度分析仪（7），所述的氢侧产物水箱（1）通过泄压阀（8）连接有干燥器（10），所述的泄压阀（8）上并联有电磁阀（9），所述的干燥器（10）分别引出至少三条支路，一条通过电磁阀（11）连接催化燃烧式消氢器（20），剩下支路分别通过电磁阀和压力传感器连接至少两个小型合金储氢罐。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池消氢装置，其特征在于，所述的合金储氢罐包括第一合金储氢罐（16）和第二合金储氢罐（17）。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池消氢装置，其特征在于，所述的合金储氢罐有三个。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种氢燃料电池消氢装置，其特征在于，所述的干燥器（10）用五氧化二磷为吸水材料。

5.一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，基于权利要求1所述的消氢装置，其特征在于：步骤如下

首先，氢侧产物水箱（1）对燃料电池氢侧送来的尾气进行汽水分离；

然后，氢侧产物水箱（1）上部累积的氢气和杂质气体通过管道导出，通过管道上并联的泄压阀（8）和电磁阀（9）、串联的干燥器（10）来去除水分；

最后，干燥的氢气分为至少三路，一路引入催化燃烧式消氢器（20）超压排放，另外至少两路分别通入合金储氢罐消氢，超压排放的氢侧尾气和合金储氢罐无法吸收的杂质尾气都引入催化燃烧式消氢器（20）；

当某一个合金储氢罐的入口压力升高到燃料电池允许的最高背压时，切换到下一个合金储氢罐。

6.根据权利要5所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，其特征在于，氢侧产物水箱（1）上的氧浓度分析仪（7）检测箱内的氧气浓度以判断燃料电池的状态，当氧气浓度超过限值时，排空电磁阀（5）开启将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器（20），同时氮气电磁阀（6）开启对氢侧产物水箱（1）进行氮气吹扫保护。

7.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，其特征在于，氢侧产物水箱（1）上的压力传感器（2）和液位传感器（4）分别检测箱内的压力和液位，当压力超过限值时通过排空电磁阀（5）将水箱上侧氢气和杂质气体引入催化燃烧式消氢器（20）并排空，当液位超过限值时通过水泵（18）和手动阀（19）将生成水排出。

8.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池密闭环境下的消氢方法，其特征在于，氢侧产物水箱（1）内利用旋风、重力沉降、挡板或吸附方式分离汽水。

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