CN115882018B - 一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法，系统包括电堆、供氢单元、比例阀、引射器、气水分离器、排水排气阀、尾气储气罐、扫气阀、空压机和背压阀；供氢单元、比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接，电堆的氢气出口、气水分离器、排水排气阀和尾气储气罐依次连接，气水分离器连接引射器；空压机连接电堆的空气入口，电堆的空气出口通过扫气阀连接所述尾气储气罐，电堆的空气出口通过背压阀连接外界，空压机通过空气入口向电堆阴极供应空气，其中未完全反应空气尾通过扫气阀对尾气储气罐进行吹扫。本发明能够安全高效地将燃料电池车辆的含氢尾气进行存储并防止外溢，大大提升了燃料电池车辆运行安全性。

Description

一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法。

背景技术

燃料电池系统运行时，为排出电堆阳极侧积累的氮气，会周期性的向外排放含有氢气的混合气体，以保证燃料电池正常发电。当以燃料电池为动力源的车辆通过隧道或密闭空间时，尾气中的氢气可能会在局部发生积聚，当氢气浓度达到一定范围时，易发生燃烧甚至爆炸事故，从而给燃料电池车辆带来极大的安全隐患，尤其是在氢燃料电池车辆大量集中使用的情况下更具危险性。因此需要一种合理的尾气处理方法，使车辆通过隧道或密闭空间时不排出氢气，从而确保燃料电池车辆的运行安全。

目前对燃料电池系统含氢尾气的处理方法主要通过燃烧或催化反应的方式来消耗掉氢气，这种方法需要额外的复杂装置和控制手段，增加了燃料电池系统的复杂性，同时也不能保证完全消除氢气，降低了经济性。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法，当燃料电池车辆在通过隧道或处于密闭空间时，能够安全高效地将燃料电池车辆的含氢尾气进行存储并防止外溢，大大提升了燃料电池车辆运行安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池车辆的尾气排放系统，包括电堆、供氢单元、比例阀、引射器、气水分离器、排水排气阀、空压机和背压阀，电堆包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述供氢单元、比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接，所述电堆的氢气出口、气水分离器和排水排气阀依次连接，所述气水分离器连接所述引射器；所述空压机连接电堆的空气入口，电堆的空气出口通过背压阀连接外界；

所述尾气排放系统还包括扫气阀和尾气储气罐，电堆的空气出口通过扫气阀连接所述尾气储气罐；

当燃料电池车辆非处于隧道内或密闭空间内，打开所述扫气阀，所述扫气阀用于将电堆空气出口的空气尾气引向尾气储气罐，使得空气尾气对尾气储气罐进行吹扫；

当燃料电池车辆处于隧道内或密闭空间内，所述扫气阀处于关闭状态，周期性地打开所述排水排气阀，所述排水排气阀用于将气水分离器集聚的水、氮气和氢气尾气排出至尾气储气罐，尾气储气罐用于将积聚的水和氮气排出外界。

进一步的，所述尾气储气罐包括尾气储气罐进口、尾气储气罐出口和泄气孔，尾气储气罐进口连接扫气阀和排水排气阀，尾气储气罐进口设置于尾气储气罐顶部侧面，尾气储气罐出口和泄气孔设置于尾气储气罐底部侧面，其中在尾气储气罐底部侧面，尾气储气罐出口设置位置高于泄气孔设置位置。

进一步的，所述燃料电池车辆包括车辆状态检测设备，所述车辆状态检测设备用于检测燃料电池车辆是否处于隧道内或密闭空间内。

进一步的，所述车辆状态检测设备环境传感器或导航仪。

本发明另一目的是公开一种燃料电池车辆的尾气排放方法，其运行于所述的一种燃料电池车辆的尾气排放系统上，包括以下步骤：

燃料电池车辆在行驶过程中，打开空压机、比例阀、背压阀和扫气阀，周期性打开排水排气阀；供氢单元给电堆阳极供应氢气，比例阀控制供氢单元的氢气输送量；引射器接收比例阀输送的氢气和气水分离器输送的氢气尾气，并将氢气输入电堆阳极；气水分离器接收电堆阳极排放的氢气尾气、氮气和水蒸气，并将氢气尾气、氮气和水蒸气进行分离，分离得到的水存储于气水分离器内，氢气尾气重新输入至引射器；周期性打开排水排气阀，排水排气阀将气水分离器的水、氢气和氮气排放至尾气储气罐；空压机给电堆阴极供应空气，背压阀控制电堆阴极的空气压力；打开扫气阀，扫气阀吹扫尾气储气罐，将尾气储气罐的水、氢气和氮气吹出至外界环境中；

车辆状态检测设备实时检测燃料电池车辆是否驶入隧道内或密闭空间内；

当燃料电池车辆驶入隧道内或密闭空间内，关闭扫气阀；周期性打开排水排气阀，每一次打开排水排气阀，气水分离器的水、氢气和氮气就会进入尾气储气罐，水聚集在尾气储气罐的最底部堵住泄气孔，由于氢气密度比氮气轻，氢气不断聚集在尾气储气罐的顶部，而氮气聚集在水面上且处于氢气下，随着排水排气阀不断地将气水分离器的水、氢气和氮气排进去尾气储气罐，多余的水和氮气就会不断被氢气挤压从而从尾气储气罐出口排出；

当燃料电池车辆驶出隧道内或密闭空间内，打开扫气阀，扫气阀吹扫尾气储气罐，将尾气储气罐的水、氢气和氮气吹出至外界环境中。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：针对燃料电池车辆驶入隧道或密闭空间时，利用氢气密度低的特点，通过简洁、可靠的系统及控制方法，杜绝或大大减少氢气的排放，提升燃料电池车辆通过隧道或密闭空间时的行驶安全性，并提高经济效益；另外，通过巧妙地设计尾气储气罐的底部从而形成U型槽，只需要将排出的水对U型槽进行水封，即可避免氢气尾气或氮气外溢的风险，并且利用了氢气的密度比氮气轻，从而在挤压气体的时候，只会将尾气储气罐底部的氮气挤压出尾气储气罐，原理简单，结构简单，无需其他条件的干扰，大大降低成本，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明尾气排放系统的结构示意图。

图2为本发明尾气储气罐的结构示意图。

图3为本发明扫气阀在燃料电池车辆行驶过程中的开关闭状态流程图。

图4为本发明在燃料电池车辆行驶过程中，排水排气阀和扫气阀的开关闭状态示意图以及尾气储气罐内的氢气含量示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本实施例公开一种燃料电池车辆的尾气排放系统及方法，燃料电池车辆包括车辆状态检测设备和尾气排放系统，车辆状态检测设备优选为环境传感器或导航仪。

如图1所示，所述尾气排放系统包括电堆1、供氢单元2、比例阀3、引射器4、气水分离器5、排水排气阀6、尾气储气罐7、扫气阀8、空压机9和背压阀10，电堆1包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口；

所述供氢单元2、比例阀3、引射器4和电堆1的氢气入口依次连接，所述电堆1的氢气出口、气水分离器5、排水排气阀6和尾气储气罐7依次连接，所述气水分离器5连接所述引射器4；所述空压机9连接电堆1的空气入口，电堆1的空气出口通过扫气阀8连接所述尾气储气罐7，电堆1的空气出口还通过背压阀10直接连接外界，空压机9通过空气入口向电堆1阴极供应空气，其中未完全反应的空气尾气可直接通过背压阀10排出至外界，空气尾气还可以通过扫气阀8（扫气阀8在打开状态下）对尾气储气罐7进行吹扫，背压阀10用于调整电堆1阴极的空气压力。

如图2所示，所述尾气储气罐7包括尾气储气罐进口71、尾气储气罐出口72和泄气孔73，尾气储气罐进口71连接扫气阀8和排水排气阀6，尾气储气罐进口71设置于尾气储气罐7顶部侧面，尾气储气罐出口72和泄气孔73设置于尾气储气罐7底部侧面，其中在尾气储气罐7底部侧面，尾气储气罐出口72设置位置高于泄气孔73设置位置。图2中，由于尾气储气罐出口72和泄气孔73存在高度差，在泄气孔73左侧形成一个垂直于泄气孔73的连接通道，连接通道的底部连接泄气孔73，连接通道的顶部连接尾气储气罐出口72，连接通道垂直于尾气储气罐出口72，显而易见的，连接通道和尾气储气罐7的底部形成一个U型槽，这个U型槽能够带来的好处是：U型槽里的水的水位高于泄气孔73时，U型槽会形成水封，尾气储气罐7的气体无法从尾气储气罐出口72溢出，而在水封状态下，尾气储气罐7存在过大的气压时，气体就会将水从尾气储气罐出口72吹出去。

所述车辆状态检测设备用于检测燃料电池车辆是否处于隧道内或密闭空间内。

当燃料电池车辆非处于隧道内或密闭空间内（即燃料电池车辆处于空旷的坏境中，排放的氢气尾气不会发生危险），打开所述扫气阀8，所述扫气阀8用于将电堆1空气出口的空气尾气引向尾气储气罐7，使得空气尾气对尾气储气罐7进行吹扫；周期性地打开所述排水排气阀6，所述排水排气阀6用于将气水分离器5集聚的水、氮气和氢气尾气（氮气的产生是因为在电堆1内部进行电化学反应时，电堆1阴极空气中的氮气会穿透质子交换膜进入电堆1阳极，而电堆1阳极的氮气就会从氢气出口进入气水分离器5）排出至尾气储气罐7，通过空气尾气持续的吹扫，使得尾气储气罐7的水、氮气和氢气尾气全部被吹扫出外界；其中，所述周期性地打开所述排水排气阀6，具体为：排水排气阀6每一次从打开到关闭，其处于持续打开状态的时间可选为0.5s-1s，排水排气阀6每一次打开到下一次打开间隔的时间可选为5s-10s，即排水排气阀6每一次开关闭的时间可选为0.5s-1s，排水排气阀6每两次开关闭的间隔时间可选为5s-10s。

当燃料电池车辆处于隧道内或密闭空间内，所述扫气阀8处于关闭状态，周期性地打开所述排水排气阀6，所述排水排气阀6用于将气水分离器5集聚的水、氮气和氢气尾气排出至尾气储气罐7。如图2所示，由于尾气储气罐7的底部形成U型槽结构，在没有空气尾气吹扫的情况下，排水排气阀6第一次打开时，气水分离器5的水、氮气和氢气尾气就进入了尾气储气罐7，而水就会沉积在U型槽内并堵住了，泄气孔73被水堵住形成水封，使得氮气和氢气尾气集聚在尾气储气罐7内，气体处于静置状态，由于氢气尾气密度最小，因此会逐渐上浮积聚于储气罐7顶部，而水蒸气和氮气则下沉积聚在氢气下方；排水排气阀6再次打开时，气水分离器5的水、氮气和氢气尾气再次排出至尾气储气罐7，将尾气储气罐7底部的液态水、水蒸气和氮气推出，同时U型槽的水再次形成水封，而氢气尾气继续在尾气储气罐7顶部积聚，在燃料电池车辆处于隧道内时，氢气尾气不断地在尾气储气罐7进行集聚，没有被排出外界。当燃料电池车辆驶出隧道后，即当燃料电池车辆非处于隧道内或密闭空间内，打开所述扫气阀8，所述扫气阀8用于将电堆1空气出口的空气尾气引向尾气储气罐7，使得空气尾气对尾气储气罐7进行吹扫。

如果燃料电池车辆出隧道前，氢气尾气就装满尾气储气罐7，即达到氢气尾气最大存储量（隧道过长，而尾气储气罐7体积有限），则燃料电池车辆恢复对外排出氢气尾气，但在整个隧道行驶过程中，排氢量亦大大减少，车辆驶出隧道后，扫气阀8开启，将储气罐7的氢气尾气快速扫出，再恢复排氢状态。

本实施例只需对尾气排放系统增加一个尾气储气罐7和扫气阀8，就能够解决燃料电池车辆通过隧道时（或处于密闭空间时）氢气尾气的排放问题，杜绝或大大减少氢气的排放，大大降低了氢气尾气因积聚隧道从而发生燃烧甚至爆炸的风险，确保燃料电池车辆的运行安全；另外，通过巧妙地设计尾气储气罐7的底部从而形成U型槽，只需要将排出的水对U型槽进行水封，即可避免氢气尾气或氮气外溢的风险，并且利用了氢气的密度比氮气轻，从而在挤压气体的时候，只会将尾气储气罐7底部的氮气挤压出尾气储气罐7，原理简单，结构简单，无需其他条件的干扰，大大降低成本，提高经济效益。

实施例2

本实施例是在实施例1一种燃料电池车辆的尾气排放系统的基础上，公开一种燃料电池车辆的尾气排放方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：

燃料电池车辆在行驶过程中，打开空压机9、比例阀3、背压阀10和扫气阀8，周期性打开排水排气阀6；供氢单元2给电堆1阳极供应氢气，比例阀3控制供氢单元2的氢气输送量；引射器4接收比例阀3输送的氢气和气水分离器5输送的氢气尾气，并将氢气输入电堆1阳极；气水分离器5接收电堆1阳极排放的氢气尾气和水蒸气，并将氢气尾气和水蒸气进行分离，分离得到的水存储于气水分离器5内，氢气尾气重新输入至引射器4，另外电堆1阳极排放的氢气尾气还可能包含少量的氮气；周期性打开排水排气阀6，排水排气阀6将气水分离器5的水以及少量的氢气和氮气排放至尾气储气罐7；空压机9给电堆1阴极供应空气，背压阀10控制电堆1阴极的空气压力；打开扫气阀8，扫气阀8吹扫尾气储气罐7，将尾气储气罐7的水、氢气和氮气吹出至外界环境中；

车辆状态检测设备实时检测燃料电池车辆是否驶入隧道内或密闭空间内。

当燃料电池车辆驶入隧道内或密闭空间内，关闭扫气阀8；周期性打开排水排气阀6，每一次打开排水排气阀6，气水分离器5的水、氢气和氮气就会进入尾气储气罐7，水聚集在尾气储气罐7的最底部（U型槽）堵住泄气孔73（形成水封），水位高于尾气储气罐出口72的水就会从尾气储气罐出口72排出外界，如此循环，由于氢气密度比氮气轻，氢气不断聚集在尾气储气罐7的顶部，而氮气聚集在水面上且处于氢气下，随着排水排气阀6不断地将气水分离器5的水、氢气和氮气排进去尾气储气罐7，多余的水和氮气就会不断被氢气挤压从而从尾气储气罐出口72排出。

当燃料电池车辆驶出隧道内或密闭空间内，打开扫气阀8，扫气阀8吹扫尾气储气罐7，将尾气储气罐7的水、氢气和氮气吹出至外界环境中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种燃料电池车辆的尾气排放系统，包括电堆、供氢单元、比例阀、引射器、气水分离器、排水排气阀、空压机和背压阀，电堆包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述供氢单元、比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接，所述电堆的氢气出口、气水分离器和排水排气阀依次连接，所述气水分离器连接所述引射器；所述空压机连接电堆的空气入口，电堆的空气出口通过背压阀连接外界；其特征在于，还包括扫气阀和尾气储气罐，电堆的空气出口通过扫气阀连接所述尾气储气罐；所述尾气储气罐包括尾气储气罐进口、尾气储气罐出口和泄气孔，尾气储气罐进口连接扫气阀和排水排气阀，尾气储气罐进口设置于尾气储气罐顶部侧面，尾气储气罐出口和泄气孔设置于尾气储气罐底部侧面，其中在尾气储气罐底部侧面，尾气储气罐出口设置位置高于泄气孔设置位置，所述尾气储气罐出口和泄气孔存在高度差，在泄气孔左侧形成一个垂直于泄气孔的连接通道，连接通道的底部连接泄气孔，连接通道的顶部连接尾气储气罐出口，连接通道垂直于尾气储气罐出口，连接通道和尾气储气罐底部形成一个U型槽；

当燃料电池车辆非处于隧道内或密闭空间内，打开所述扫气阀，所述扫气阀用于将电堆空气出口的空气尾气引向尾气储气罐，使得空气尾气对尾气储气罐进行吹扫；

当燃料电池车辆处于隧道内或密闭空间内，所述扫气阀处于关闭状态，周期性地打开所述排水排气阀，所述排水排气阀用于将气水分离器集聚的水、氮气和氢气尾气排出至尾气储气罐，尾气储气罐用于将积聚的水和氮气排出外界。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池车辆的尾气排放系统，其特征在于，所述燃料电池车辆包括车辆状态检测设备，所述车辆状态检测设备用于检测燃料电池车辆是否处于隧道内或密闭空间内。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池车辆的尾气排放系统，其特征在于，所述车辆状态检测设备为环境传感器或导航仪。

4.一种燃料电池车辆的尾气排放方法，其运行于权利要求3所述的一种燃料电池车辆的尾气排放系统上，其特征在于，包括以下步骤：

燃料电池车辆在行驶过程中，打开空压机、比例阀、背压阀和扫气阀，周期性打开排水排气阀；供氢单元给电堆阳极供应氢气，比例阀控制供氢单元的氢气输送量；引射器接收比例阀输送的氢气和气水分离器输送的氢气尾气，并将氢气输入电堆阳极；气水分离器接收电堆阳极排放的氢气尾气、氮气和水蒸气，并将氢气尾气、氮气和水蒸气进行分离，分离得到的水存储于气水分离器内，氢气尾气重新输入至引射器；周期性打开排水排气阀，排水排气阀将气水分离器的水、氢气和氮气排放至尾气储气罐；空压机给电堆阴极供应空气，背压阀控制电堆阴极的空气压力；打开扫气阀，扫气阀吹扫尾气储气罐，将尾气储气罐的水、氢气和氮气吹出至外界环境中；

车辆状态检测设备实时检测燃料电池车辆是否驶入隧道内或密闭空间内；

当燃料电池车辆驶入隧道内或密闭空间内，关闭扫气阀；周期性打开排水排气阀，每一次打开排水排气阀，气水分离器的水、氢气和氮气就会进入尾气储气罐，水聚集在尾气储气罐的最底部堵住泄气孔，由于氢气密度比氮气轻，氢气不断聚集在尾气储气罐的顶部，而氮气聚集在水面上且处于氢气下，随着排水排气阀不断地将气水分离器的水、氢气和氮气排进去尾气储气罐，多余的水和氮气就会不断被氢气挤压从而从尾气储气罐出口排出；

当燃料电池车辆驶出隧道内或密闭空间内，打开扫气阀，扫气阀吹扫尾气储气罐，将尾气储气罐的水、氢气和氮气吹出至外界环境中。

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