CN115663246A - 一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，包括与电堆连接的空气子系统和氢气子系统，空气子系统包括组合阀，背压阀、氢气反应器、涡轮膨胀机、第二空气流量计和依次连接的空气滤清器、空气压缩机、中冷器；组合阀的第一接头与中冷器出口相连，组合阀的第二接头与第二空气流量计相连，组合阀的第三接头与电堆空气进口相连，第二空气流量计与氢气反应器入口相连；氢气子系统包括分水器、电磁阀和依次相连的比例阀、氢气循环处理系统，分水器连接电磁阀，电磁阀出口通过排气管路与氢气反应器入口相连。本系统利用氢气无火催化燃烧原理，氢气反应器基本消除了燃料电池尾排气体中的氢气，可以使得燃料电池系统安全运行。

Description

一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统及其控制方法。

背景技术

氢燃料电池是通过电化学反应将燃料中的化学能转化为电能。氢燃料电池在运行过程中会排出少部分未参加电化学反应的氢气以及过量未参加电化学反应的空气，并排出部分生成水。而氢气在空气中的爆炸极限为4％-75.6％(体积浓度)，为了保证燃料电池系统的氢气使用安全，需要将氢气浓度降低到安全范围内(＜3％)。同时燃料电池的尾排气体具有一定的压力和温度，直接排到环境中也会造成能量浪费。

目前主要方法是通过增大空气流量来稀释尾排气体中的氢气浓度，将氢气浓度降低到1％-2％左右，但是此种方法同样无法满足燃料电池系统在封闭/密闭环境中运行；针对燃料电池尾排气体的能量回收目前主要是通过增加涡轮膨胀机回收燃料电池尾排气体的能量，但是燃料电池尾排气体温度一般只有70-80℃，涡轮膨胀机只能回收空气压缩机10％左右的功率，而且由于燃料电池尾排气体中含有液态水，需要在涡轮膨胀机前增加分水器分离尾排气体中的液态水，由于尾排气体温度低，液态水无法完全分离，极大影响了涡轮膨胀机的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统及其控制方法，以解决背景技术中提到的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，包括与电堆连接的空气子系统和氢气子系统，所述空气子系统包括组合阀，背压阀、氢气反应器、涡轮膨胀机、第二空气流量计和依次连接的空气滤清器、第一空气流量计、空气压缩机、中冷器；所述组合阀的第一接头与中冷器出口相连，组合阀的第二接头与第二空气流量计相连，组合阀的第三接头与电堆空气进口相连，电堆空气出口与背压阀、氢气反应器、涡轮膨胀机依次相连，同时第二空气流量计与氢气反应器入口相连；所述氢气子系统包括分水器、电磁阀和依次相连的比例阀、氢气循环处理系统，所述分水器分别连接电堆的氢气出口、氢气循环处理系统和电磁阀，所述电磁阀出口通过排气管路与氢气反应器入口相连。

优选地，所述第一空气流量计用于检测所述空气压缩机进口的空气流量；所述第二空气流量计用于检测旁通未进入所述电堆的空气流量；所述氢气反应器入口处安装有氢气浓度传感器，氢气浓度传感器用于检测进入氢气反应器尾排气体的氢气浓度；所述第一空气流量计输出值与第二流量计输出值的比例是通过所述组合阀的开度进行调节；所述空气压缩机与涡轮膨胀机通过电机进行动力相连；所述涡轮膨胀机为可变截面涡轮膨胀机。

优选地，所述氢气反应器沿气流方向依次为氢气反应器进口段、催化反应段、氢气反应器出口段，所述氢气反应器进口段设有气液分离装置、储液室；所述催化反应段填充负载型钯、铂等催化剂颗粒。

优选地，所述气液分离装置为高效波纹叶片式分离器或者锥体丝网分离器；所述储液室为倒锥结构，底部设有排水口；所述氢气反应器外壳设有吊装固定孔；所述催化反应段内设有温度传感器，实时监测氢气反应器内催化反应温度；所述氢气反应器的为氢气反应器进口段和氢气反应器出口段均设置阻火器，防止温度过高时造成安全隐患。

一种燃料电池尾气处理和高效能量回收系统的控制方法，包括：

步骤1，燃料电池发动机启动，零部件自检完成后，空气压缩机和涡轮膨胀机启动，同时调整组合阀开度和涡轮膨胀机进口截面，使得空气通过组合阀的第二接头进入氢气反应器；

步骤2，打开氢气气源，对电堆阳极侧进行氢气吹扫，高浓度氢气由电磁阀通过排氢管路进入氢气反应器，与组合阀第二接头排出的空气混合被稀释，调整空气压缩机的转速使得稀释后的尾排气体氢气浓度低于第一阈值；混合稀释后的尾排气体进入氢气反应器进行催化燃烧放出热量，氢气浓度进一步降低，同时温度进一步升高；

步骤3，电堆阳极吹扫完成后，进入正常运行模式，调整组合阀和背压阀的开度及空气压缩机的转速，使得部分空气通过组合阀的第三接头进入燃料电池电堆进行电化学反应，部分空气通过第二接头直接进入氢气反应器，保证稀释后的尾排气体的氢气浓度低于第一阈值；

步骤4，燃料电池收到关机指令并且吹扫完成后，调整组合阀的开度，使得空气空气完全通过组合阀的第二接头进入氢气反应器，同时关闭背压阀；阳极吹扫的氢气由电磁阀排出进入氢气反应器与组合阀排第二接头排出的空气混合稀释，通过调整空气压缩机转速保证混合后的尾排气体的氢气浓度低于第一阈值；

步骤5，关闭氢气气源，当氢气反应器内温度＜环境温度+第二阈值，关闭空气压缩机。

优选地，所述述涡轮膨胀机可根据尾排气体流量和压力等参数判断燃料电池发动机工况，计算出涡轮膨胀机导流叶片的截面积。

本发明的技术效果和优点：1、本系统利用氢气无火催化燃烧原理，氢气反应器基本消除了燃料电池尾排气体中的氢气，可以使得燃料电池系统安全运行；

2、氢气催化燃烧放出大量热量被尾排气体吸收，尾排气体温度升高，涡轮膨胀机可回收能量提高，因此提高了燃料电池系统效率；

3、由于燃料电池尾排气中含有液态水，氢气反应器进口段可以初步分离尾排气中的液态水滴，尾排器吸收氢气催化燃烧放出的热量后，温度升高，残余的未被分离的液滴汽化变成水蒸汽，从而降低进入涡轮膨胀机中气体的含液量，提高了涡轮膨胀机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中燃料电池尾气处理和高效能量回收系统架构示意图；

图2为本发明实施列中燃料电池尾气处理和高效能量回收系统中氢气反应器的结构示意图；

图3为本发明实施例中燃料电池尾气处理和高效能量回收系统的控制策略图。

图中，1-高压氢气气源；2-比例阀；3-氢气循环处理系统；4-电堆；5-组合阀；6-中冷器；7-空气压缩机；8-第一空气流量计；9-空气滤清器；10-分水器；11-电磁阀；12-背压阀；13-第二流量计；14-氢气浓度传感器；15-氢气反应器；16-涡轮膨胀机；18-电机；1501-氢气反应器入口段；1502-催化反应段；1503-氢气反应器出口段；1504-排水口；1505-储液室；1506-气液分离装置；1507-吊装固定孔。

具体实施方式

为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接或是机械连接，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，可以两个元件内部的连通。

实施例

如图1所示，本实施例中提供的一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统包括：分别与电堆4连接的空气子系统和氢气子系统，所述空气子系统包括组合阀5，背压阀12、氢气反应器15、涡轮膨胀机16、第二空气流量计13和依次连接的空气滤清器9、第一空气流量计8、空气压缩机7、中冷器6；所述组合阀5的第一接头与中冷器6出口相连，组合阀5的第二接头与第二空气流量计13相连，组合阀5的第三接头与电堆4空气进口相连，电堆4空气出口依次与背压阀12、氢气反应器15、涡轮膨胀机16依次相连，同时第二流量计13也与氢气反应器15入口相连，所述空气压缩机7与涡轮膨胀机16通过电机18进行动力相连；所述氢气子系统包括分水器10、电磁阀11和依次相连的比例阀2、氢气循环处理系统3，所述分水器10分别连接电堆4的氢气出口、氢气循环处理系统3和电磁阀11，所述电磁阀11管路与氢气反应器15入口相连，比例阀2连接高压氢气气源1。

本燃料电池尾气处理及高效能量回收系统在使用时，新鲜空气经过空气滤清器9过滤后，经过空气压缩机7加压和中冷器6冷却后，流经组合阀5进行分流。其中组合阀5的第二接头流出的空气经第二流量计13直接进入氢气反应器15，稀释氢气体积浓度较高的尾排气体。组合阀5的第三接头流出的空气直接进入电堆4的空气进口参与电化学反应。通过调节组合阀5的开度可以调节第一空气流量计8与第二空气流量计13之间的空气流量比例，以控制旁通空气流量与反应气体流量。电堆4阳极出口排出的高浓度氢气由电磁阀11通过管路与背压阀12及第二空气流量计13出口的空气混合稀释后进入氢气反应器15，进行催化燃烧升温后，进入涡轮膨胀机16进行能量回收，回收的能量通过电机18反馈给空气压缩机7降低其能量消耗。氢气浓度传感器14安装于氢气反应器15进口处，可以检测混合稀释后的尾排气体的氢气浓度，通过调节组合阀5的开度及空气压缩机7的转速及电磁阀11的脉冲频率可以控制混合稀释后的尾排气体的氢气浓度。

在本实施方式中，如图2所示，氢气反应器15沿气流方向依次为氢气反应器进口段1501、催化反应段1502、氢气反应器出口段1503。氢气反应器进口段设有气液分离装置1506、储液室1505，储液室1505底部设有排水口1504。催化反应段1502填充负载型钯、铂等催化剂颗粒。氢气反应器15的进口与气液分离装置1506之间采用弧面倾斜过度减少气体流动阻力，同时提高了氢气与空气的预混，充分预混的尾排气体气液分离装置1506分出出液态水后进入催化反应段1502，在催化剂的作用下无火燃烧，放出大量热量，尾排气体吸收热量温度升高；

在本实施方式中，气液分离装置1506为高效波纹叶片式分离器或者锥体丝网分离器；

储液室1505为倒锥结构，排水口1504上可安装自动排液装置；同时氢气反应器15外壳设有4个吊装固定孔1507，氢气反应器15的催化反应段1502内设有温度传感器，实时监测氢气反应器内催化反应温度，高温时给出报警信息。氢气反应器进口段1501和氢气反应器出口段1503可设置阻火器，防止温度过高时造成安全隐患。

本实施例中，涡轮膨胀机16为可变截面涡轮膨胀机，可根据尾排气体的温度、流量及压力实时调节进口截面大小。

本实施例中，参考图1-图3，提供了一种燃料电池尾气处理和高效能量回收系统的控制方法，包括：

步骤1，启动燃料电池系统，零部件自检完成后，空气压缩机7和涡轮膨胀机16启动，同时调整组合阀5开度和涡轮膨胀机16进口截面，使得空气通过组合阀5的第二接头进入氢气反应器15；

步骤2，打开高压氢气气源1，对电堆4阳极侧进行氢气吹扫，高浓度氢气由电磁阀11通过排氢管路进入氢气反应器15，与组合阀5第二接头排出的空气混合被稀释，调整空气压缩机7的转速使得稀释后的尾排气体氢气浓度低于1.5％。混合稀释后的尾排气体进入氢气反应器4进行催化燃烧放出热量，氢气浓度进一步降低，同时温度进一步升高；

步骤3，电堆4阳极吹扫完成后，进入正常运行模式，调整组合阀5和背压阀12的开度及空气压缩机7的转速，使得部分空气通过组合阀5的第三接头进入燃料电池电堆4进行电化学反应，部分空气通过组合阀5第二接头直接进入氢气反应器15，保证稀释后的尾排气体的氢气浓度低于1.5；

步骤4，燃料电池收到关机指令并且吹扫完成后，调整组合阀5的开度，使得空气空气完全通过组合阀5的第二接头进入氢气反应器15，同时关闭背压阀12。电堆4阳极吹扫的氢气由电磁阀11排出进入氢气反应器15与组合阀5排第二接头排出的空气混合稀释，通过调整空气压缩机7转速保证混合后的尾排气体的氢气浓度低于1.5％；

步骤5，关闭高压氢气气源，当氢气反应器15内温度＜环境温度+25时，关闭空气压缩机7。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，包括与电堆连接的空气子系统和氢气子系统，其特征在于：所述空气子系统包括组合阀，背压阀、氢气反应器、涡轮膨胀机、第二空气流量计和依次连接的空气滤清器、第一空气流量计、空气压缩机、中冷器；所述组合阀的第一接头与中冷器出口相连，组合阀的第二接头与第二空气流量计相连，组合阀的第三接头与电堆空气进口相连，电堆空气出口与背压阀、氢气反应器、涡轮膨胀机依次相连，同时第二空气流量计与氢气反应器入口相连；所述氢气子系统包括分水器、电磁阀和依次相连的比例阀、氢气循环处理系统，所述分水器分别连接电堆的氢气出口、氢气循环处理系统和电磁阀，所述电磁阀出口通过排气管路与氢气反应器入口相连。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，其特征在于：所述第一空气流量计用于检测所述空气压缩机进口的空气流量；所述第二空气流量计用于检测旁通未进入所述电堆的空气流量；所述氢气反应器入口处安装有氢气浓度传感器，氢气浓度传感器用于检测进入氢气反应器尾排气体的氢气浓度；所述第一空气流量计输出值与第二流量计输出值的比例是通过所述组合阀的开度进行调节；所述空气压缩机与涡轮膨胀机通过电机进行动力相连；所述涡轮膨胀机为可变截面涡轮膨胀机。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，其特征在于：所述氢气反应器沿气流方向依次为氢气反应器进口段、催化反应段、氢气反应器出口段，所述氢气反应器进口段设有气液分离装置、储液室；所述催化反应段填充负载型钯、铂等催化剂颗粒。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统，其特征在于：所述气液分离装置为高效波纹叶片式分离器或者锥体丝网分离器；所述储液室为倒锥结构，底部设有排水口；所述氢气反应器外壳设有吊装固定孔；所述催化反应段内设有温度传感器，实时监测氢气反应器内催化反应温度；所述氢气反应器的为氢气反应器进口段和氢气反应器出口段均设置阻火器，防止温度过高时造成安全隐患。

5.一种燃料电池尾气处理和高效能量回收系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，燃料电池发动机启动，零部件自检完成后，空气压缩机和涡轮膨胀机启动，同时调整组合阀开度和涡轮膨胀机进口截面，使得空气通过组合阀的第二接头进入氢气反应器；

步骤2，打开氢气气源，对电堆阳极侧进行氢气吹扫，高浓度氢气由电磁阀通过排氢管路进入氢气反应器，与组合阀第二接头排出的空气混合被稀释，调整空气压缩机的转速使得稀释后的尾排气体氢气浓度低于第一阈值；混合稀释后的尾排气体进入氢气反应器进行催化燃烧放出热量，氢气浓度进一步降低，同时温度进一步升高；

步骤3，电堆阳极吹扫完成后，进入正常运行模式，调整组合阀和背压阀的开度及空气压缩机的转速，使得部分空气通过组合阀的第三接头进入燃料电池电堆进行电化学反应，部分空气通过第二接头直接进入氢气反应器，保证稀释后的尾排气体的氢气浓度低于第一阈值；

步骤4，燃料电池收到关机指令并且吹扫完成后，调整组合阀的开度，使得空气空气完全通过组合阀的第二接头进入氢气反应器，同时关闭背压阀；阳极吹扫的氢气由电磁阀排出进入氢气反应器与组合阀排第二接头排出的空气混合稀释，通过调整空气压缩机转速保证混合后的尾排气体的氢气浓度低于第一阈值；

步骤5，关闭氢气气源，当氢气反应器内温度＜环境温度+第二阈值，关闭空气压缩机。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池尾气处理及高效能量回收系统的控制方法，其特征在于：所述述涡轮膨胀机可根据尾排气体流量和压力等参数判断燃料电池发动机工况，计算出涡轮膨胀机导流叶片的截面积。

Images