CN113036192A - 一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统，包括气体缓冲模块、氢气处理模块、余氧处理模块、温度控制模块、安全预警模块以及PLC控制模块。其中，氢气处理采用特殊的微通道反应器通过无火燃烧的方式处理，反应剩余氧气则通过相关化学试剂反应处理。本发明使用气体质量流量计实现对反应气体流量的控制，通过温度控制模块实现对微通道反应器反应温度的控制，本发明在尾气处理的过程中能够实现工作温度、废气浓度、废气压力实时在线监测以及调控废气的流量、压力，微通道反应器的温度、温度控制模块的温度等功能。本发明针对突发情况及故障时能够自动预警，设有氮气一键吹扫以及紧急停机功能，能够有效避免应氢气泄露而造成的不必要事故。

Description

一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及一种燃料电池技术，尤其涉及一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统。

背景技术

氢氧燃料电池是一种直接将储存在氢气和氧气中的化学能高效、绿色地转化为电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池为动力源的潜艇具有噪声小、红外辐射低和零污染等特点，同比以核动力为动力源的潜艇具有安全性高和结构简单等优点。近年来，国内外众多船舶制造商及研究机构投入了大量的人力、物力和财力用于潜艇用燃料电池的研发、设计和生产。但由于其同时存在着尾气排放的特点，在具体应用过程中仍存在着相应的诸多问题。

其中，阳极侧尾气中含有较高浓度的氢气，氢气化学性质极其活泼，它在空气中的爆炸限度为4％～75％，在氧气中的爆炸极限为4％～94％，所以在潜艇密闭场所，排放的氢气因其密度很小容易在空间顶部富集，这极易引起氢气局部浓度超过爆炸极限范围。

阴极侧尾气中含有较高浓度的氧气，氧气虽然是可供人呼吸的气体，但在潜艇密闭环境中，若氧气浓度过高，会对人类的身体造成危害。人如果在大于0.5个大气压的纯氧环境中，对所有的细胞都有毒害作用，吸入的时间过长，就有可能发生“氧中毒”。因此，在潜艇密闭环境中，燃料电池系统排放的氧气不能直接排放。

国内外许多相关领域的专家学者都对燃料电池尾气中氢气的处理做了研究工作，目前解决燃料电池氢气排放造成的潜在危害的方法主要有稀释法、氢气分离与收集法、普通催化燃烧法和微通道反应器催化燃烧法。

针对燃料电池尾气中氧气的处理方法不多，主要是大多燃料电池设备使用的环境是处于开放式的空间，尾氧可以直接排放到大气中，潜艇用燃料电池尾氧的处理可以借鉴食物包装袋内除氧、气体提纯过程除氧等工程案例，为潜艇用燃料电池尾氧处理提供可行性方案，尾氧的主要处理方法有3种，分别是吸附法除氧、无氢催化除氧和化学吸收除氧。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种氢氧燃料电池废气尾排的处理系统，旨在解决氢氧燃料电池因尾气排放问题在特定场合(密闭空间)内使用受限的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统，其特征在于，包括：

废气缓冲模块，与前级燃料电池的阳极出口和阴极出口相连，分别独立的缓冲存储并预处理阳极尾气和阴极尾气，所述阳极尾气为富氢气体，所述阴极尾气为富氧气体；

氢气处理模块，所述氢气处理模块的进口与所述废气缓冲模块的出口相相连，控制所述废气缓冲模块流出的富氢气体和富氧气体混合后无火催化燃烧，实现对废气中氢气的处理；

温度控制模块，所述温度控制模块实现对所述氢气处理模块中氢气无火催化燃烧室的温度高温冷却及低温加热；

余氧处理模块，用于与氢气处理模块的出口相连，用于对氢气处理模块中燃烧后尾气中的余氧进行吸收处理。

进一步地，所述废气缓冲模块包括相互独立的阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块，所述阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块结构相同，阳极尾气缓冲模块包括依次通过管道相连的第一进口阀、第一过滤器、第一汽水分离器、第一缓冲器和第一出口阀；阴极尾气缓冲模块包括依次通过管道相连的第二进口阀、第二过滤器、第二汽水分离器、第二缓冲器和第二出口阀；第一进口阀和第二进口阀分别与前级燃料电池的阳极出口、阴极出口相连，第一出口阀和第二出口阀分别与氢气处理模块的两个入口相连。

第一过滤器实现对阳极尾气杂质过滤，防止杂质进入本发明系统，对系统相关设备产生影响。第二过滤器实现对阴极尾气杂质过滤，防止杂质进入本发明系统，对系统相关设备产生影响。第一汽水分离器实现前级燃料电池尾气中携带气态水去除，防止阳极尾气中的水蒸气进入本发明对其内部电子传感器等造成损害以及对尾气处理效率造成影响。第二汽水分离器实现前级燃料电池尾气中携带气态水去除，防止阴极尾气中的水蒸气进入本发明对其内部电子传感器等造成损害以及对尾气处理效率造成影响。该模块通过过滤器分别对阳极尾气和阴极尾气过滤，通过汽水分离器分别对阳极尾气和阴极尾气除水，达到初步净化，通过缓冲器分别对阳极尾气和阴极尾气存储，防止阳极尾气和阴极尾气排放压力波动过大。

进一步地，所述第一进口阀和第二进口阀均为电磁阀，通过PLC控制实现气体通路开闭控制。

进一步地，第一出口阀和第二出口阀也为电磁阀，通过PLC控制实现对所述第一缓冲器、第二缓冲器内储存气体流出开闭控制。

优选的，所述第一缓冲器选用容积为20L，实现前级燃料电池阳极瞬间排出尾气地收集。所述第一缓冲器，容积太小则会造成反应气体压缩过大，不利于前级燃料电池尾气排放，容积过大则会增加本发明体积与质量。

进一步，所述第一缓冲器与前级燃料电池的阳极出口之间设置有单向阀，防止阳极尾气在气体压力不均下回流。

进一步，所述第一缓冲器设置有压力传感器，通过所述PLC采集实时数据，实现对阳极储存气体的压力检测。

进一步，所述第一缓冲器的出口管道上安装有质量流量控制器(包括流量计和控制阀门)，通过所述PLC闭环控制实现对所述第一缓冲器内储存气体流出流量的精确控制。

优选地，所述第二缓冲器选用容积为20L，实现前级燃料电池阳极瞬间排出尾气地收集。所述第二缓冲器，容积太小则会造成反应气体压缩过大，不利于前级燃料电池尾气排放，容积过大则会增加本发明体积与质量。

进一步，所述第二缓冲器与前级燃料电池的阴极出口之间设置有单向阀，防止阴极尾气在气体压力不均下回流。

进一步，所述第二缓冲器设置有压力传感器，通过所述PLC采集实时数据实现对阴极储存气体的压力检测。

进一步，所述第二缓冲器出口安装有电磁阀，通过所述PLC控制实现对所述第二缓冲器内储存气体流出开闭控制。

进一步，所述第二缓冲器的出口管道上安装有质量流量控制器，通过所述PLC闭环控制实现对所述第二缓冲器内储存气体流出流量的精确控制。

进一步地，所述废气缓冲模块还包括氮气供给模块，所述氮气供给模块通过管道分别与第一缓冲器和第二缓冲器的入口相连。

具体的，本发明氮气供给模块为高压氮气瓶，高压氮气瓶通过管道及三通阀分别与第一缓冲器和第二缓冲器的入口相连，氮气钢瓶的出口设有压力传感器，出口分为两个支路，每个支路上均设有电磁阀。以便独立的控制对第一缓冲器和第二缓冲器中压力调节和气体浓度调节。

进一步，所述高压氮气瓶设置有压力传感器，通过所述PLC采集实时数据实现所述高压氮气瓶的压力检测；

进一步，所述三通阀前级均设置有电磁阀，通过所述PLC实现氮气流出的开闭控制，实现阴极与阳极的分别吹扫。

进一步地，所述氢气处理模块包括氢气反应器，所述氢气反应器内沿着气流方向依次分为前级氢氧混合区、微通道反应区和后级余氧排放区，所述前级氢氧混合区设有两个分别与阳极尾气、阴极尾气相连的入口，所述微通道反应区设有负载催化剂的微通道反应器，所述后级余氧排放区设有与余氧处理模块相连的出口。充分混合后的氢气和氧气能够在催化剂的作用下，在所述微通道反应器中无火催化燃烧，氢气废气中氢气将被充分处理，过量氧气将排出所述微通道反应器。

进一步地，所述氢气反应器的前级氢氧混合区和后级余氧排放区分别设有检测反应前后氢气浓度的氢气浓度监测装置。

具体的，前级氢氧混合区设置有氢气浓度监测装置，通过所述PLC采集实时数据，实现氢气处理之前废气中氢气浓度的实时显示。

具体的，所述氢气反应器出口端的后级余氧排放区设置有氢气浓度监测装置，通过所述PLC采集实时数据，实现氢气处理之后废气中氢气浓度实时显示。

进一步地，所述微通道反应器中氢氧混合比例由所述PLC控制模块控制所述废气缓冲模块中氢气质量流量控制器与氧气质量流量控制器分别控制氢气与氧气流入流量决定。

进一步，所述微通道反应器设置有温度传感器，通过所述PLC采集实时数据，能够实时显示氢气无火催化燃烧反应的温度。

进一步，所述氢气反应器的微通道反应区设置有压力传感器，通过所述PLC采集实时数据，能够实时显示氢气无火催化燃烧反应气体的压力。

优选地，所述氢气反应器与所述废气缓冲模块串接处设置有阻燃器，防止由于微通道反应器内温度过高而导致的安全隐患，具体的，阳极尾气缓冲模块的出口与阴极尾气缓冲模块的出口分别设一个阻燃器。

优选地，所述氢气反应器的后级余氧排放区出口与所述余氧处理模块串接处设置有阻燃器，防止由于微通道反应器内温度过高而导致的安全隐患。

优选地，所述微通道反应器采用耐高温多孔材料制成，微通道反应器沿着气流方向开始大量孔径约为1mm左右的通孔，通孔内负载有催化剂，一般为铂金催化剂。

进一步地，所述温度控制模块包括设于氢气反应器外壁的换热夹套，所述换热夹套通过循环管道与温度控制模块相连，所述循环管道内设有循环换热介质。

优选地，所述换热夹套为冷却水夹套，所述循环换热介质为冷却水，通过与所述温度控制模块进行热量交换实现所述微通道反应器的温度控制。所述热量交换过程有所述PLC控制模块智能控制。

进一步地，所述温度控制模块包括循环水泵、恒温水域箱、风冷散热器、冷却水回水管和冷却水供给管，所述冷却水夹套的出口通过冷却水回水管与风冷散热器的入口相连，风冷散热器的出口通过管道与循环水泵的入口相连，循环水泵的出口连接恒温水域箱的入口，恒温水域箱的出口通过冷却水供给管与冷却水夹套的入口相连。

高温的回水通过风冷散热器降温后，经过循环水泵加压提供循环动力，送往恒温水域箱通过恒温水域箱加热控制一定的温度，之后通过冷却水供给管进入冷却水夹套对微通道反应器进行温度控制。

进一步，所述温度控制模块设置有温度传感器，通过所述PLC控制模块实时数据采集实现对所述温度控制模块中去离子水进入所述氢气反应器时的温度检测。

进一步，所述温度控制模块设置有压力传感器，通过所述PLC控制模块实时数据采集实现对所述温度控制模块中去离子水进入所述氢气反应器时的流体压力检测。

优选地，所述余氧处理模块设置有氧气吸收器，所述氧气吸收器内存放定量的化学试剂，如亚硫酸钠(Na₂SO₃)粉末，但不仅限于亚硫酸钠(Na₂SO₃)粉末在室温条件下易与氧气发生化学反应生成硫酸钠(Na₂SO₄)，且无副产物生成，实现剩余氧气吸收。

进一步，所述氧气吸收器设置有温度传感器，通过所述PLC控制模块数据采集能够实时检测氧气发生化学反应的温度。

进一步，所述氧气吸收器设置有压力传感器，过所述PLC控制模块数据采集能够监测氧气发生化学反应时反应气体的压力。

进一步，所述余氧处理模块与所述氢气处理模块连接处设置有温度传感器，过所述PLC控制模块数据采集实现对所述氢气处理模块中排出的废气温度进行监测。

进一步，所述余氧处理模块与所述氢气处理模块连接处设置有汽水分离器，实现对所述微通道反应器中形成水的去除，避免液态水对所述氧气吸收器内发生的化学反应造成影响。

进一步，所述余氧处理模块与所述氢气处理模块连接处设置有单向阀，防止反应后尾气在气体压力不均下回流。

进一步，所述氧气处理器出口设置有电磁阀，通过所述PLC控制实现所述氧气处理器处理后尾气流出的开闭控制；

进一步，所述氧气处理出口处设置有气体收纳袋，实现所述氧气处理器处理后尾气的储存，避免本发明处理后剩余气体直接排空。

进一步，所述气体收纳袋内设置有气体压力传感器，通过所述PLC控制模块数据采集实现所述气体收纳袋中储存气体的压力监测；

进一步，所述气体收纳袋出口设置有电磁阀，通过所述PLC控制实现所述气体收纳袋中气体流出的开闭控制。

进一步，所述气体收纳袋出口设置有单向阀，防止所述气体收纳袋出口电磁阀开启时，由于气体压力造成大气中气体向气体收纳袋流入。

进一步地，还包括PLC控制模块，所述PLC控制模块实现对废气缓冲模块、氢气处理模块、温度控制模块及余氧处理模块的数据采集和控制。

优选地，本发明设置有安全预警模块，所述安全预警模块安装有氢气浓度报警器，高温报警器以及排气扇。所述安全预警模块对所述尾气处理系统在使用过程中环境氢气浓度监测以及对所述氢气处理模块温度进行实时监测，并根据监测结果发出安全预警。

进一步，所述氢气浓度报警器能够通过所述PLC控制模块实时监测本发明系统工作环境氢气浓度，一旦氢气泄露量达到氢气报警器所设置的报警值时，所述PLC控制模块能够控制所述氢气浓度报警器声光报警，同时控制相关电磁阀关闭。

本发明有益效果是：

在本发明的技术方案中，采用微通道燃烧技术，对燃料电池废气尾排处理技术进行创新，为燃料电池无法在潜艇、飞行器等密闭环境内长时间运行提供了新的解决思路。

本发明对燃料电池废气尾排处理系统结构进行研究设计。该系统功能全面、自动化程度高、安全可靠，为燃料电池在密闭环境安全、稳定使用提供有力保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的氢氧燃料电池废气尾排处理系统模块示意图；

图2为本发明实施例提供的氢氧燃料电池废气尾排处理系统结构示意图；

图3为图1中H₂反应器的放大示意图；

图4为图1中O₂吸收器的放大示意图；

附图标号说明：Ⅰ-废气缓冲模块；Ⅱ-氢气处理模块；Ⅲ-温度控制模块；Ⅳ-余氧处理模块；Ⅴ-安全预警模块；Ⅵ-PLC控制模块；1-阳极出口；2-第一进口阀；3-第一过滤器；4-第一单向阀；5-第一汽水分离器；6-第一三通阀；7-第一缓冲器；8-第一压力传感器；9-第一出口阀；10-第一质量流量控制器；11-第一阻燃器；12-第二阻燃器；13-第二质量流量控制器；14-第二出口阀；15-第二压力传感器；16-第二缓冲器；17-第二三通阀；18-第二汽水分离器；19-第二单向阀；20-第二过滤器；21-第二进口阀；22-阴极出口；23-高压氮气瓶；24-氮气压力传感器；25-第一氮气电磁阀；26-第二氮气电磁阀；27-氢气反应器；28-风冷散热器；29-循环水泵；30-恒温水域箱；31-冷却水温传感器，32-冷却水压力传感器；33-第三阻燃器；34-尾气温度传感器；35-第三汽水分离器；36-第三单向阀；37-氧气吸收器；38-第三电磁阀；39-气体收纳袋；40-气体压力传感器；41-第四单向阀；42-第四电磁阀；43-氢气浓度报警器；44-排气扇；271-微通道反应区；272-前级氢氧混合区；273-前级氢气浓度分析仪；274-温度监测计；275-压力监测计；276-冷却水套；277-后级氢气浓度分析仪；278-后级余氧排放区；27a-反应器氢气入口；27b-反应器氧气入口；27c-冷却水出口；27d-冷却水入口；27e-反应器气体出口；371-氧气化学吸收区；372-压力监测计；373-温度监测计，37a-吸收器进口，37b-吸收器出口。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中“第一”、“第二”等等仅仅表示对部件的序号变化，并不构成对设备的技术特征范围限定，在某些指代清楚的情况下，可以省略前面的“第一”、“第二”等序号表达。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

其中，本发明所指的“上”“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位的描述是以图2中的方位为基准。

如图1所示，本实施例中提供的用于氢氧燃料电池的尾气处理系统包括：

废气缓冲模块Ⅰ、氢气处理模块Ⅱ、温度控制模块Ⅲ、余氧处理模块Ⅳ、安全预警模块Ⅴ、PLC控制模块Ⅵ。

废气缓冲模块，与前级燃料电池的阳极出口1和阴极出口22相连，分别独立的缓冲存储并预处理阳极尾气和阴极尾气，所述阳极尾气为富氢气体，所述阴极尾气为富氧气体；

氢气处理模块，所述氢气处理模块的进口与所述废气缓冲模块的出口相相连，控制所述废气缓冲模块流出的富氢气体和富氧气体混合后无火催化燃烧，实现对废气中氢气的处理；

温度控制模块，所述温度控制模块实现对所述氢气处理模块中氢气无火催化燃烧室的温度高温冷却及低温加热；

余氧处理模块，用于与氢气处理模块的出口相连，用于对氢气处理模块中燃烧后尾气中的余氧进行吸收处理。

如图2至图4所示，本实施例中，废气缓冲模块Ⅰ能够实现对前级燃料电池阴、阳极废气过滤、除水以及储存等功能。同时，该模块能够精确控制其储存气体恒流恒压输出。

所述废气缓冲模块包括相互独立的阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块，所述阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块结构相同，阳极尾气缓冲模块包括依次通过氢气管道相连的第一进口阀2、第一过滤器3、第一单向阀4、第一汽水分离器5、第一缓冲器7和第一出口阀9；阴极尾气缓冲模块包括依次通过氧气管道相连的第二进口阀21、第二过滤器20、第二单向阀19、第二汽水分离器18、第二缓冲器16和第二出口阀14；第一进口阀2和第二进口阀21分别与前级燃料电池的阳极出口1、阴极出口22相连，第一出口阀9和第二出口阀14分别与氢气处理模块的两个入口相连。

具体地，前级燃料电池的阳极出口1与本实施例中第一进口阀2相连接，使前级燃料电池阳极尾气排放时直接通入到本实施例的尾气处理系统中，有效避免前级燃料电池尾气外泄。同时，PLC控制模块Ⅵ控制第一进口阀2实现实施例阳极进口与外界气体流通的开闭控制，有效避免停机时外界空气对本发明系统造成的影响，同时更加安全可靠。

前级燃料电池阳极尾气流入本实施例后，首先通过第一过滤器3，其将对阳极尾气杂质进行过滤，防止杂质进入本发明系统，对系统相关设备产生影响。其次，经过过滤的阳极尾气将流经第一单向阀4，防止阳极尾气在气体压力不均下回流。流入本实施例的阳极尾气还需通过第一汽水分离器5，第一汽水分离器5将去除前级燃料电池尾气中携带气态水，防止阳极尾气中的水蒸气进入本发明对其内部电子传感器等造成损害以及对尾气处理效率造成影响。过滤除水后的阳极尾气将存储至第一缓冲器7。

本实施例中，第一缓冲器7选用容积为20L，实现前级燃料电池阳极瞬间排出尾气地收集。所述第一缓冲器7，容积太小则会造成反应气体压缩过大，不利于前级燃料电池尾气排放，容积过大则会增加本发明体积与质量。第一缓冲器7出口处安装有第一压力传感器8，通过PLC控制模块Ⅵ实时数据采集实现对阳极储存气体的压力监测。同时，第一缓冲器7出口处安装第一出口阀9，通过PLC控制模块Ⅵ控制第一缓冲器7内储存气体向下一级管道排放。第一缓冲器7的出口管道上设有第一质量流量控制器10，在第一缓冲器7内储存气体排放过程中，通过PLC控制模块Ⅵ能够精确控制第一缓冲器7内储存气体的排放流量。

本实施例中，废气缓冲模块Ⅰ氧气管道与氢气管道对称设置，分别独立，互不相通。

具体地，前级燃料电池的阴极出口22与本实施例中阴极进口的第二进口阀21相连接，使前级燃料电池阴极尾气排放时直接通入到本实施例的尾气处理系统中，有效避免前级燃料电池尾气外泄。同时，PLC控制模块Ⅵ控制第二进口阀21能够实现本实施例阴极进口与外界气体流通的开闭状态控制，有效避免停机时外界空气对本发明系统造成的影响，同时更加安全可靠。

前级燃料电池阴极尾气流入本实施例后，首先通过第二过滤器20，其将对阴极尾气杂质进行过滤，防止杂质进入本发明系统，对系统相关设备产生影响。其次，经过过滤的阴极尾气将流经第二单向阀19，防止阴极尾气在气体压力不均下回流。流入本实施例的阴极尾气还需通过第二汽水分离器18，第二汽水分离器18将去除前级燃料电池尾气中携带气态水，防止阴极尾气中的水蒸气进入本发明对其内部电子传感器等造成损害以及对尾气处理效率造成影响。过滤除水后的阴极尾气将存储至第二缓冲器16。

本实施例中，第二缓冲器16选用容积为20L，实现前级燃料电池阴极瞬间排出尾气地收集。所述第二缓冲器16，容积太小则会造成反应气体压缩过大，不利于前级燃料电池尾气排放，容积过大则会增加本发明体积与质量。第二缓冲器16出口处安装有第二压力传感器15，实现对阴极储存气体的压力检测。同时，第二缓冲器16出口处安装第二出口阀14，通过PLC控制模块Ⅵ控制第二缓冲器16内储存气体向下一级管道排放。第二缓冲器16的出口管道上设有第二质量流量控制器13，第二缓冲器16内储存气体排放过程中，通过PLC控制模块Ⅵ精确控制第二缓冲器16内储存气体的排放流量。

本实施例中，设计有氮气供给模块提高氮气吹扫功能。氮气供给模块包括高压氮气瓶23和氮气管道，高压氮气瓶23连接在主氮气管道中，主氮气管道上设有氮气压力传感器24，管道中氮气压力可以通过PLC控制模块Ⅵ控制氮气压力传感器24读取。主氮气管道分两个氮气支管，其中一个氮气支管通过第一三通阀6连接阳极尾气缓冲模块中第一缓冲器7入口的氢气管道，该路氮气支管上设有第一氮气电磁阀25；另一个氮气支管通过第二三通阀17连接到阴极尾气缓冲模块中第二缓冲器16入口的氧气管道，该路氮气支管上设有第二氮气电磁阀26；

高压氮气瓶23中的氮气可以通过第一三通阀6通给废气缓冲模块Ⅰ中的氢气管道，对第一缓冲器7进行氮气吹扫。其中，可以通过PLC控制模块Ⅵ控制第一氮气电磁阀25的开闭来控制氮气是否通入氢气管道。

同时，高压氮气瓶23中的氮气可以通过第二三通阀17通给废气缓冲模块Ⅰ中的氧气管道，对第二缓冲器16进行氮气吹扫。通过PLC控制模块Ⅵ控制第二氮气电磁阀26的开闭来控制氮气是否通入氢气管道。

如图3所示，本实施例中，所述氢气处理模块包括氢气反应器27，所述氢气反应器27内沿着气流方向依次分为前级氢氧混合区272、微通道反应区271和后级余氧排放区278，所述前级氢氧混合区272设有两个分别与阳极尾气、阴极尾气相连的入口，所述微通道反应区271设有负载催化剂的微通道反应器，所述后级余氧排放区278设有与余氧处理模块相连的出口。

经过前级氢氧混合区272充分混合后的氢气和氧气能够在催化剂的作用下，在微通道反应器中无火催化燃烧，氢气废气中氢气将被充分处理，过量氧气通过后级余氧排放区278将排出所述微通道反应器。

具体地，由废气缓冲模块Ⅰ过滤、除水以及储存后的废气将通入氢气处理模块Ⅱ。氢气处理模块Ⅱ控制流出废气中的氢气无火催化燃烧，实现对废气中氢气的处理。

废气缓冲模块Ⅰ中氢气第一质量流量控制器10通过PLC控制模块Ⅵ控制，确定流量后的氢气流经第一阻燃器11通入到氢气反应器27中；废气缓冲模块Ⅰ中氧气第二质量流量控制器13通过PLC控制模块Ⅵ控制，确定流量后的氧气流经第二阻燃器12通入到氢气反应器27中。通过安装阻燃器，避免由于微通道反应器内温度过高而导致的安全隐患。

本实施例中，氢气反应器27是前级燃料电池废气中氢气处理的核心部件，

如图3所示，氢气反应器27由微通道反应区271、前级氢氧混合区272、前级氢气浓度分析仪273、温度监测计274、压力监测计275、冷却水套276、后级氢气浓度分析仪277、后级余氧排放区278构成，其中微通道反应区271设置采用耐高温材料制成的微通道反应器，微通道反应器上开设有大量沿着气流方向的微型通孔，微型通孔中负载有催化剂；前级氢氧混合区272的反应器壁上设有反应器氢气入口27a和反应器氢气入口27a，前级氢氧混合区272还设有用于分散氢气的多孔挡板，后级余氧排放区278的反应器壁上设有反应器气体出口27e。

第一阻燃器11流出的氢气通过反应器氢气入口27a进入到前级氢氧混合区272，第二阻燃器12流出的氧气通过反应器氧气入口27b进入到前级氢氧混合区272。在前级氢氧混合区272，通过混合区内部的多孔挡板等特殊结构来回碰撞，使通入的氢气、氧气充分混合。充分混合后的混合气扩散到微通道反应器内的催化剂表面，在催化剂的作用下发生无和火焰催化反应，本实施例中，微通道反应器的载体上微型通孔的孔径设计小于1mm，其值小于氢气淬熄距离，因而催化载体内部发生的是氢氧的无火焰催化燃烧反应，负载的催化剂为铂金催化剂。反应后的剩余气体将流经后级余氧排放区278通过反应器气体出口27e排出氢气反应器27。

本实施例中，前级氢氧混合区272安装有前级氢气浓度分析仪273，其量程设置为0.00％～100％，通过PLC控制模块Ⅵ控制，用于检测反应前混合气中氢气的浓度，通过实时显示的氢气浓度和质量流量控制器分别输入的氢气、氧气比例对比，以此判断前级氢氧混合区272内混合气是否充分混合。后级余氧排放区278安装有后级氢气浓度分析仪277，其量程为0PPM～50000PPM，通过PLC控制模块Ⅵ控制，用以监测处理后剩余气体中氢气的浓度，以此判断氢气反应器27是否将前级燃料电池尾气中的氢气处理完全。

本实施例中，微通道反应器设置有温度监测计274，通过PLC控制模块Ⅵ控制，用于实时显示氢气无火催化燃烧反应的温度。微通道反应器设置有压力监测计275，通过PLC控制模块Ⅵ控制，用于实时显示氢气无火催化燃烧反应气体的压力。

本实施例中，氢气反应器27外侧环绕设置有冷却水套276。冷却水套276为环形腔体设计，其内部可以通过流动去离子水实现温度控制，控温后的冷却水套276能够通过热量交换的方式实现对微通道反应器的温度控制。冷却水套276与温度控制模块Ⅲ串接，其内部流动的去离子水由外部的温度控制模块Ⅲ实现温度控制。

所述温度控制模块包括循环水泵29、恒温水域箱30、风冷散热器28、冷却水回水管和冷却水供给管，所述冷却水夹套的冷却水出口27c通过冷却水回水管与风冷散热器28的入口相连，风冷散热器28的出口通过管道与循环水泵29的入口相连，循环水泵29的出口连接恒温水域箱30的入口，恒温水域箱30的出口通过冷却水供给管与冷却水夹套的冷冷却水入口27d相连；所述冷却水供给管上设有冷却水温传感器31和冷却水压力传感器32。

具体地，氢气反应器27内的微通道反应器在氢气处理时，由于反应放热，其表面温度会升高，与冷却水套276形成较大温差，氢气反应器27中微通道反应器所产生热量通过热传导的方式传递给冷却水套276，待冷却水套276温度升高后，热量又会向冷却水套276内部流动的温度较低去离子水流动，导致去离子水温度升高。高温去离子水将通过冷却水出口27c流出冷却水套276，通过外部管道流入温度控制模块Ⅲ内的风冷散热器28，通过PLC控制模块Ⅵ控制，风冷散热器28将对流经的去离子水降温处理。降温后的去离子水继续由温度控制模块Ⅲ设置管道流至恒温水域箱30。通过PLC控制模块Ⅵ控制，恒温水域箱30将按照氢气反应器27工作所需温度对水箱内的去离子水恒温加热，之后通过冷冷却水入口27d流入氢气反应器27外壁的冷却水套276。温度控制模块Ⅲ安装有循环水泵29，能够循环流动温度控制模块Ⅲ和冷却水套276内的去离子水。本实施例中，风冷散热器28和循环水泵29功率均可调，可以通过通过PLC控制模块Ⅵ分别调节风冷散热器28和循环水泵29的工作功率改变温度控制模块Ⅲ的热量传递效率。

本实施例中，氢气处理模块Ⅱ处理后的废气之中会剩余少量氧气，余氧处理模块Ⅳ将控制剩余氧气与氧气吸收器37中的化学试剂发生氧化反应，实现废气中剩余氧气的处理。

余氧处理模块Ⅳ包括依次通过尾气管道相连的第三阻燃器33、第三汽水分离器35、第三单向阀36、氧气吸收器37和气体收纳袋39，氧气吸收器37的腔体内为氧气化学吸收区371，氧气化学吸收区371设有亚硫酸钠(Na2SO3)粉末，氧气吸收器37上一端设有吸收器进口37a，另一端设有吸收器出口37b，氧气吸收器37上还设有压力监测计372和温度监测计373。

具体地，反应器气体出口27e流出的剩余气体首先通入第三阻燃器33，防止由于反应剩余温度过高而导致的安全隐患。为增加安全系数，在第三阻燃器33处安装有尾气温度传感器34，通过PLC控制模块Ⅵ控制，用于实时监测氢气反应器27排出剩余气体的温度。流出后的剩余气体通入第三汽水分离器35，去除微通道反应器氢气无火催化反应中形成水，避免液态水对所述氧气吸收器37内发生的化学反应造成影响。之后气体通过第三单向阀36，防止反应后尾气在气体压力不均下回流。

如图4所示，在本实施例中，除水后的剩余气体通过吸收器进口37a流入氧气吸收器37，在氧气化学吸收区371，剩余氧气与吸收器内存放定量的亚硫酸钠(Na₂SO₃)粉末发生化学反应生成硫酸钠(Na₂SO₄)，实现剩余氧气吸收。氧气化学吸收区371安装有温度检测计，通过PLC控制模块Ⅵ控制，实时监测氧气发生化学反应的温度。同时，氧气化学吸收区371安装有压力检测计，通过PLC控制模块Ⅵ控制，实时监测氧气发生化学反应时反应气体的压力。若前级燃料电池尾气中无其余杂质气体，则剩余气体将会在氧气吸收器37被完全吸收，若前级燃料电池尾气中存在其余杂质气体，则杂质气体需要被排出氧气吸收器37。

具体地，氧气吸收器37的吸收器出口37b设置有第三电磁阀38，通过PLC控制模块Ⅵ控制杂质气体是否流出。为防止杂质气体排入环境空气，在第三电磁阀38后接入气体收纳袋39，用于储存氧气吸收器37未吸收的杂质气体。气体收纳袋39内设置有气体压力传感器40，对气体收纳袋39中储存气体的压力实时监测。气体收纳袋39出口接有第四单向阀41，防止气体压力造成大气中气体向气体收纳袋39流入。本实施例第四单向阀41下游的气体管道末端安装有第四电磁阀42，通过PLC控制模块Ⅵ控制气体收纳袋39中气体向外界排放。

本实施例中，安全预警模块Ⅴ安装有氢气浓度报警器43以及排气扇44。氢气浓度报警器43能够通过PLC控制模块Ⅵ实时监测本发明系统工作环境氢气浓度，一旦氢气泄露量达到氢气报警器所设置的报警值时，氢气浓度报警器43发生声光报警，同时PLC控制模块Ⅵ控制排气扇44工作以及第一出口阀9、第二出口阀14关闭，并启动吹氮模式。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于氢氧燃料电池的尾气处理系统，其特征在于，包括：

废气缓冲模块，与前级燃料电池的阳极出口和阴极出口相连，分别独立的缓冲存储并预处理阳极尾气和阴极尾气，所述阳极尾气为富氢气体，所述阴极尾气为富氧气体；

氢气处理模块，所述氢气处理模块的进口与所述废气缓冲模块的出口相相连，控制所述废气缓冲模块流出的富氢气体和富氧气体混合后无火催化燃烧，实现对废气中氢气的处理；

温度控制模块，所述温度控制模块实现对所述氢气处理模块中氢气无火催化燃烧室的温度高温冷却及低温加热；

余氧处理模块，用于与氢气处理模块的出口相连，用于对氢气处理模块中燃烧后尾气中的余氧进行吸收处理。

2.如权利要求1所述的尾气处理系统，其特征在于：所述废气缓冲模块包括相互独立的阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块，所述阳极尾气缓冲模块和阴极尾气缓冲模块结构相同，阳极尾气缓冲模块包括依次通过管道相连的第一进口阀、第一过滤器、第一汽水分离器、第一缓冲器和第一出口阀；阴极尾气缓冲模块包括依次通过管道相连的第二进口阀、第二过滤器、第二汽水分离器、第二缓冲器和第二出口阀；第一进口阀和第二进口阀分别与前级燃料电池的阳极出口、阴极出口相连，第一出口阀和第二出口阀分别与氢气处理模块的两个入口相连。

3.如权利要求2所述的尾气处理系统，其特征在于：所述废气缓冲模块还包括氮气供给模块，所述氮气供给模块通过管道分别与第一缓冲器和第二缓冲器的入口相连。

4.如权利要求2所述的尾气处理系统，其特征在于：所述第一缓冲器和第二缓冲器的出口分别设有用于监测其内压力的压力传感器。

5.如权利要求2所述的尾气处理系统，其特征在于：所述第一出口阀和第二出口阀与氢气处理模块的入口之间分别设有监控气体尾气流量的流量计。

6.如权利要求1-5任意一项所述的尾气处理系统，其特征在于：所述氢气处理模块包括氢气反应器，所述氢气反应器内沿着气流方向依次分为前级氢氧混合区、微通道反应区和后级余氧排放区，所述前级氢氧混合区设有两个分别与阳极尾气、阴极尾气相连的入口，所述微通道反应区设有负载催化剂的微通道反应器，所述后级余氧排放区设有与余氧处理模块相连的出口。

7.如权利要求6所述的尾气处理系统，其特征在于：所述氢气反应器的前级氢氧混合区和后级余氧排放区分别设有检测反应前后氢气浓度的氢气浓度监测装置。

8.如权利要求6所述的尾气处理系统，其特征在于：所述温度控制模块包括设于氢气反应器外壁的换热夹套，所述换热夹套通过循环管道与温度控制模块相连，所述循环管道内设有循环换热介质。

9.如权利要求6所述的尾气处理系统，其特征在于：还包括PLC控制模块，所述PLC控制模块实现对废气缓冲模块、氢气处理模块、温度控制模块及余氧处理模块的数据采集和控制。

10.如权利要求6所述的尾气处理系统，其特征在于：还包括安全预警模块，所述安全预警模块对所述尾气处理系统在使用过程中环境氢气浓度监测以及对所述氢气处理模块温度进行实时监测，并根据监测结果发出安全预警。

Images