CN116093387A - 封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，包括燃料电池发电单元、尾气一次处理单元、尾气二次处理单元、氮气回收存储单元以及连接管路，能够针对封闭环境下，燃料电池系统运行过程中由于氮气排放而导致的舱室压力升高，从而影响人员及设备安全的问题，将燃料电池发电单元产生的尾气依次通过尾气一次处理单元和尾气二次处理单元进行处理，去除了尾气中的氢气和氧气得到纯度较高的氮气，再将该氮气进行回收并循环给燃料电池发电单元进行再次利用，如此不断地将尾气处理后回收循环利用使得燃料电池系统不再向封闭的舱室中排放氮气，从而有效保证了燃料电池运行过程中密闭舱室舱压的稳定性，以及人员设备安全性。

Description

封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置。

背景技术

封闭环境属于一种较为特殊的环境条件，其主要特点是与外界相对隔离、内部无空气或空气有限，常见于航空航天、深海装备等领域。近年来，随着人类对太空、深海商业探索活动的不断深入，国内外对高效、静音、可靠的密闭空间发展技术的需求愈发迫切。然而，由于缺乏空气，热机发电等常规技术在密闭空间内无法使用，故燃料电池被认为是目前密闭空间发电技术的主要研究和发展方向。

现阶段，用于密闭空间的燃料电池系统大多采用氢氧燃料电池体系，即来自于储氢装置的氢气和来自于储氧装置的氧气，直接在燃料电池模块内部发生电化学反应，产生电能供外部负载使用。为保证封闭环境内人员的身体健康以及仪器设备的正常运行，大多数封闭环境对舱室压力上限均有严格要求，即要求密闭舱室内的设备在运行过程中不向舱室排放或少向舱室排放气体，以保持舱室压力稳定。然而，根据燃料电池系统的特点可知，在其运行过程中，主要是开机、关机和停机存储过程中必然会有一定量的氮气向舱室排放，上述氮气排放将导致舱室压力升高，威胁人员的安全和影响仪器设备的正常运行。针对上述问题，目前的解决方案主要包括两个方面：一是通过优化燃料电池运行策略，以降低燃料电池的开、关机次数；二是减少燃料电池单次开、关机的氮气消耗量。然而，在实际工程应用过程中，为满足外部复杂的用电工况，单纯通过优化运行策略，燃料电池开、关机能够降低的次数有限；此外，盲目减少单次开、关机的氮气消耗量会使得燃料电池的电堆中氮气吹扫过程不彻底，不利于燃料电池循环寿命。总体而言，针对封闭环境燃料电池氮气排放导致舱压升高这一瓶颈问题，现有解决方案具有较大的局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种在封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，以解决在封闭环境下使用燃料电池时氮气排放导致舱室压力升高而影响人员及设备安全这一技术问题。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，包括燃料电池发电单元、尾气一次处理单元、尾气二次处理单元、氮气回收存储单元以及连接管路，其中：

所述尾气一次处理单元包括第一氢氧催化反应器。

所述尾气二次处理单元包括第二氢氧催化反应器和气体混合罐。

所述连接管路包括一次尾气输送管路、二次尾气输送管路、尾气回收循环管路、氮气回收管路及氢氧含量调节管路。

所述一次尾气输送管路的两端分别与所述燃料电池发电单元和第一氢氧催化反应器连接。

所述二次尾气输送管路的两端分别与所述第一氢氧催化反应器和气体混合罐连接，所述气体混合罐的出口端设置有两个。

所述尾气回收循环管路的一端与所述气体混合罐的其中一个出口端连接，其另一端与所述第二氢氧催化反应器的进口端连接，且第二氢氧催化反应器的出口端再通过尾气回收循环管路与气体混合罐连接。

所述氮气回收管路的一端与所述气体混合罐的另一个出口端连接，其另一端与所述氮气回收存储单元连接，且氮气回收存储单元的出口端再通过氮气回收管路与燃料电池发电单元连接。

所述氢氧含量调节管路的两端分别与所述气体混合罐和燃料电池发电单元连接以调节所述气体混合罐中氢气和氧气的摩尔含量比。

在其中一个优选的实施例中，所述燃料电池发电单元包括供氢装置、供氧装置和电堆反应装置，所述供氢装置和供氧装置分别与所述电堆反应装置的氢侧进口和氧侧进口连接，且所述供氢装置与电堆反应装置连接的管路上设置有第一供氢阀，所述供氧装置与电堆反应装置连接的管路上设置有第一供氧阀。

在其中一个优选的实施例中，所述一次尾气输送管路包括氢侧尾气输送管路和氧侧尾气输送管路，所述氢侧尾气输送管路的两端分别与所述电堆反应装置的氢侧出口和所述第一氢氧催化反应器连接，所述氧侧尾气输送管路的两端分别与所述电堆反应装置的氧侧出口和所述第一氢氧催化反应器连接。

在其中一个优选的实施例中，所述氢侧尾气输送管路上靠近所述电堆反应装置的一侧依次设置有氢侧尾排阀和氢气侧分水器，所述氧侧尾气输送管路上靠近所述电堆反应装置的一侧依次设置有氧侧尾排阀和氧气侧分水器。

在其中的一个优选的实施例中，所述尾气一次处理单还包括第一水箱，所述第一水箱分别通过第一排水阀与所述第一氢氧催化反应器、所述氢气侧分水器和所述氧气侧分水器相连接。

在其中的一个优选的实施例中，所述尾气二次处理单元还包括第二水箱，所述第二水箱通过第二排水阀与所述第二氢氧催化反应器连接。

在其中的一个优选的实施例中，所述尾气回收循环管路上且位于所述气体混合罐和第二氢氧催化反应器之间设置有循环泵。

在其中的一个优选的实施例中，所述氢氧含量调节管路包括氢含量调节管路和氧含量调节管路，所述氢含量调节管路的两端分别与所述供氢装置和所述气体混合罐连接，所述氧含量调节管路的两端分别与所述供氧装置和所述气体混合罐连接，且所述氢含量调节管路上靠近所述供氢装置的一侧依次设置有第二供氢阀和氢气流量控制器，所述氧含量调节管路上靠近所述供氧装置的一侧依次设置有第二供氧阀和氧气流量控制器。

在其中的一个优选的实施例中，所述氮气回收管路包括氮气回收主管路、氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路，所述氮气回收主管路的进口端与所述气体混合罐的一个出口端连接，且所述氮气回收存储单元设置在所述氮气回收主管路上，其中：

所述氮气回收存储单元包括至氮气回收主管路的进口端方向依次连接的低压进气阀、干燥罐、压缩机、高压进气阀及氮气存储罐和调节阀，所述氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路的一端分别通过氢侧供氮阀和氧侧供氮阀与所述氮气存储罐和调节阀连接，所述氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路的另一端分别连接所述电堆反应装置的氢侧进口和氧侧进口。

在其中的一个优选的实施例中，所述气体混合罐中还设置有分别用于检测所述气体混合罐中氢气和氧气摩尔含量的氢气浓度传感器和氧气浓度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：

本发明提供的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，主要包括了燃料电池发电单元、尾气一次处理单元、尾气二次处理单元、氮气回收存储单元以及连接各单元的连接管路，能够针对封闭环境下，燃料电池系统运行过程中由于氮气排放而导致的舱室压力升高，从而影响人员及设备安全这一现实问题，将燃料电池发电单元产生的尾气依次通过尾气一次处理单元和尾气二次处理单元进行处理，去除了尾气中的氢气和氧气得到纯度较高的氮气，再将该氮气进行回收并循环给燃料电池发电单元进行再次利用，如此不断地将尾气处理后回收循环利用使得燃料电池系统不再向封闭的舱室中排放氮气，从而有效保证了燃料电池运行过程中密闭舱室舱压的稳定性，以及人员设备安全性。本发明使得燃料电池系统在封闭环境下长期运行成为可能，在深海科学研究、资源勘探、油气开发等领域都具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

附图说明

图1是本发明所述氮气循环利用装置的结构组成示意图。

图中所示：

100-燃料电池发电单元，110-供氢装置，120-供氧装置，130-电堆反应装置，140-第一供氢阀，150-第一供氧阀；

200-尾气一次处理单元，210-第一氢氧催化反应器，220-第一水箱，230-氢侧分水器，240-氧侧分水器，250-氢侧尾排阀，260-氧侧尾排阀，270-第一排水阀；

300-尾气二次处理单元，310-第二氢氧催化反应器，320-第二水箱，330-气体混合罐，331-氢气浓度传感器，332-氧气浓度传感器，340-循环泵，350-第二排水阀；

400-氮气回收存储单元，410-低压进气阀、420-干燥罐、430-压缩机，440-高压进气阀、450-氮气存储罐，460-调节阀、470-氢侧供氮阀、480-氧侧供氮阀；

500-连接管路，510-一次尾气输送管路，511-氢侧尾气输送管路，512-氧侧尾气输送管路，520-二次尾气输送管路，530-尾气回收循环管路，540-氮气回收管路，541-氮气回收主管路，542-氢侧氮气回收支管路，543-氧侧氮气回收支管路，550-氢氧含量调节管路，551-氢含量调节管路，5511-第二供氢阀，5512-氢气流量控制器，552-氧含量调节管路，5521-第二供氧阀，5522-氧气流量控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

图1显示了本发明所述氮气循环利用装置的结构组成示意图。如图1所示，本发明提供一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，包括燃料电池发电单元100、尾气一次处理单元200、尾气二次处理单元300、氮气回收存储单元400以及连接上述各个单元的连接管路500。如此设置，燃料电池发电单元100产生的高氮尾气首先经过尾气一次处理单元200的氢氧催化反应去除部分氢气和氧气，之后进入到尾气二次处理单元300，尾气二次处理单元300利用燃料电池发电单元100提供的纯氢、纯氧对尾气中氢气和氧气的摩尔含量比进行调节，再结合氢氧循环催化反应，实现尾气中氢气、氧气的逐步脱除，最终得到高纯氮气，最后将该高纯氮气经过干燥、压缩处理后回收存储在氮气回收存储单元400中并返回燃料电池发电单元100为其氮气吹扫过程提供氮气，如此循环使得燃料电池不再向封闭的舱室中排放氮气，从而有效保证了燃料电池运行过程中密闭舱室舱压的稳定性以及人员设备安全性。

以下将详细介绍本发明所述氮气循环利用装置的各个组成部分。

所述燃料电池发电单元100是氮气使用的主体，同时也是高氮尾气产生的源头，此外，还可为尾气二次处理单元300提供纯氢气、纯氧气供应。在其中一个实施例中，所述燃料电池发电单元100包括供氢装置110、供氧装置120和电堆反应装置130，所述供氢装置110和供氧装置120分别与所述电堆反应装置130的氢侧进口和氧侧进口连接，且所述供氢装置110与电堆反应装置130连接的管路上设置有第一供氢阀140，所述供氧装置120与电堆反应装置130连接的管路上设置有第一供氧阀150，则来自于供氢装置110的氢气通过第一供氢阀140的控制输送至电堆反应装置130的氢侧进口；来自于供氧装置120的氧气通过第一供氧阀150的控制输送至电堆反应装置130的氧侧进口，为电堆反应提供氢气和氧气。

可选的，所述供氢装置110可采用高压储氢、合金储氢、液氢或现场制氢等方式，所述供氧装置120可采用高压储氧、液氧、或现场制氧等方式。

上述燃料电池发电单元100在使用过程中由于反应不充分和氮气吹扫过程导致其电堆反应装置130会产生含有氢气和氧气的高氮尾气，而本发明的氮气循环利用装置的目的就是如何使得上述高氮尾气不排入舱室中。具体的，通过连接管路500将高氮尾气输送至尾气一次处理单元200和尾气二次处理单元300进行处理得到高纯氮气存储在氮气回收存储单元400中，再将处理后得到的高纯氮气循环给燃料电池发电单元100。其中，所述连接管路500包括一次尾气输送管路510、二次尾气输送管路520、尾气回收循环管路530、氮气回收管路540及氢氧含量调节管路550。

在其中一个实施例中，燃料电池发电单元100产生的高氮尾气通过一次尾气输送管路510传送给尾气一次处理单元200。所述尾气一次处理单元200的主要功能在于，对来自燃料电池发电单元100的高氮尾气进行预处理，通过氢、氧催化等方式对高氮尾气中部分氢气、氧气进行消除，同时对高氮尾气中的液态水进行脱除。进一步地，所述一次尾气输送管路510包括氢侧尾气输送管路511和氧侧尾气输送管路512，所述尾气一次处理单元200包括第一氢氧催化反应器210、第一水箱220、氢侧分水器230、氧侧分水器240、氢侧尾排阀250、氧侧尾排阀260和第一排水阀270，则来自电堆反应装置130氢侧的高氮尾气通过氢侧尾气输送管路511输送至第一氢氧催化反应器210中，来自电堆反应装置130氧侧的高氮尾气通过氧侧尾气输送管路512也输送至第一氢氧催化反应器210中进行氢氧催化反应去除部分的氢气和氧气，而未反应的高氮尾气经排气阀通过二次尾气输送管路520输送至尾气二次处理单元300中进行二次处理，同时，产生的水通过第一排水阀270进入至第一水箱220。

可选的，氢侧尾排阀250和氢侧分水器230设置在氢侧尾气输送管路511上，用于控制氢气的量和去除氢气中的水分；并且氢侧分水器230通过第一排水阀270与第一水箱220连接，可将去除的水分传送至第一水箱220中。

可选的，氧侧尾排阀260和氧侧分水器240设置在氧侧尾气输送管路512上，用于控制氧气的量和去除氧气中的水分；并且氧侧分水器240通过第一排水阀270与第一水箱220连接，可将去除的水分传送至第一水箱220中。

在其中一个实施例中，经过尾气一次处理单元200处理后的高氮尾气通过二次尾气输送管路520传送至尾气二次处理单元300中。所述尾气二次处理单元300的主要功能在于，对来自于尾气一次处理单元200的高氮尾气，利用燃料电池发电单元100提供的氢气、氧气调节其氢气、氧气浓度比，再利用氢氧循环催化，使其中的氢气、氧气逐步反应，最终使得氢气、氧气浓度达到零或较低水平，得到高纯度氮气。进一步地，所述尾气二次处理单元300包括第二氢氧催化反应器310、第二水箱320、气体混合罐330、循环泵340和第二排水阀350，所述气体混合罐330、循环泵340和第二氢氧催化反应器310依次连接在尾气回收循环管路530上构成高氮尾气循环回路，来自尾气一次处理单元200的高氮尾气首先进入至气体混合罐330中，再经过循环泵340进入至第二氢氧催化反应器310中进行氢氧催化反应生成水，产生的水通过第二排水阀350排放至第二水箱320中，而未反应的高氮尾气通过尾气回收循环管路530重新回到气体混合罐330中，如此循环直到高氮尾气中的氢气和氧气被认为彻底清除。

在其中一个实施例中，所述尾气二次处理单元300通过氮气回收管路540与氮气回收存储单元400连接。氮气回收存储单元400的主要功能在于，对来自于尾气二次处理单元300的高纯氮气进行干燥、压缩处理后进行存储，并按照需求为燃料电池发电单元100提供氮气。供应进一步地，所述氮气回收管路540包括氮气回收主管路541、氢侧氮气回收支管路542和氧侧氮气回收支管路543，所述氮气回收主管路541的进口端与所述气体混合罐330的一个出口端连接，且所述氮气回收存储单元400设置在所述氮气回收主管路541上。

所述氮气回收存储单元400包括至氮气回收主管路541的进口端方向依次连接的低压进气阀410、干燥罐420、压缩机430、高压进气阀440及氮气存储罐450和调节阀460，所述氢侧氮气回收支管路542和氧侧氮气回收支管路543的一端分别通过氢侧供氮阀470和氧侧供氮阀480与所述氮气存储罐450和调节阀460连接，所述氢侧氮气回收支管路542和氧侧氮气回收支管路543的另一端分别连接所述电堆反应装置130的氢侧进口和氧侧进口，如此可将氮气回收存储单元400中的高纯氮气分别输送给电堆反应装置130的氢侧进口和氧侧进口，为氮气吹扫过程提供高纯氮气。

可选的，所述干燥罐420内填装有脱水剂，用于去除高纯氮气中的水分，在本实施例中，采用分子筛作为脱水剂。所述压缩机430的功能在于将高纯氮气进行加压，以满足后续存储和使用要求，在本实施例中，压缩机430的出口氮气压力设定为15MPa。所述氮气储罐450的作用在于存储高纯氮气，在本实施例中，氮气储罐450的容积为200L。

在其中一个实施例中，所述氢氧含量调节管路550包括氢含量调节管路551和氧含量调节管路552，所述氢含量调节管路551的两端分别与所述供氢装置110和所述气体混合罐330连接，所述氧含量调节管路552的两端分别与所述供氧装置120和所述气体混合罐330连接，且所述氢含量调节管路551上靠近所述供氢装置110的一侧依次设置有第二供氢阀5511和氢气流量控制器5512，所述氧含量调节管路552上靠近所述供氧装置120的一侧依次设置有第二供氧阀5521和氧气流量控制器5522。

上述将供氢装置110和供氧装置120分别与气体混合罐330连接，目的是为了调节所述气体混合罐330中氢气和氧气的摩尔含量比，在使用时还需在气体混合罐330中还设置分别用于检测所述气体混合罐330中氢气和氧气摩尔含量的氢气浓度传感器331和氧气浓度传感器332，所述氢气浓度传感器331、氧气浓度传感器332要求与第二供氢阀5511、氢气流量控制器5512、第二供氧阀5521、氧气流量控制器5522、循环泵340以及氮气回收存储单元400联动，如此，设定一个氢气与氧气的浓度摩尔比，当通过氢气浓度传感器331和氧气浓度传感器332测得的氢气与氧气的浓度比高于设定值时，则启动第二供氧阀5521和氧气流量控制器5522；当测得的氢气与氧气的浓度比低于设定值时，则启动第二供氢阀5511和氢气流量控制器5512；当氢气浓度、氧气浓度中至少1个组分浓度达到零(即氢气浓度传感器331或氧气浓度传感器332的示数为零，下同)，同时另一组分浓度低于设定值时，则说明此时的气体混合罐330中存在极少量的氢气或者氧气，则认为气体混合罐330中的混合气体为高纯氮气，那么关闭第二供氢阀5511、氢气流量控制器5512、第二供氧阀5521和氧气流量控制器5522，并且关闭循环泵340，同时运行氮气回收存储单元400，将高纯氮气循环给燃料电池发电单元100，反之则停止氮气回收存储单元400，开启循环泵340和第二供氢阀5511、氢气流量控制器5512、第二供氧阀5521及氧气流量控制器5522。

下面将通过具体的实施例进一步详细描述本发明所述的氮气循环利用装置。

在本实施例中，假定供氢装置110、供氧装置120所提供的氢气、氧气纯度均为99.999％，其中的杂质含量可以忽略，此外，由于燃料电池氮气排放主要集中于开机或关机过程中，正常稳定运行过程中氮气排放量几乎可以忽略，为此，本实施例主要针对开机、关机过程氮气排放的处理。

首先，来自于供氢装置110的氢气经第一供氢阀140进入至电堆反应装置130的氢侧进口，来自于供氧装置120的氧气经第一供氧阀150进入至电堆反应装置130的氧侧进口，氢气与氧气在电堆反应装置130内部发生电化学反应，产生电能的同时生成水。在本实施例中，假定电堆反应装置130的功率为30千瓦，其氢侧气态空间容积为2L，氧侧气态空间容积也为2L，其单次开机或关机的氮气消耗量假定为100L，其中氢气侧50L，氧气侧50L。为此，单次开机或关机，电堆反应装置130的氢侧尾排成分为50L氮气+2L氢气，氧气侧尾排成分为50L氮气+2L氧气。综上，在本实施例中，所述燃料电池发电单元100单次尾排量及气体成分为：氢侧高氮尾排成分为50L氮气+2L氢气，氧侧高氮尾排成分为50L氮气+2L氧气，上述尾排均进入到尾气一次处理单元200。

其次，进入到尾气一次处理单元200中的高氮尾气在第一氢氧催化反应器210中发生氢氧催化反应。具体的，第一氢氧催化反应器210中设置有氢气、氧气催化反应的催化剂，在本实施例中，选用贵金属Pd基为催化剂，则氢气、氧气催化反应机理为：

已知，氢侧高氮尾气成分为50L氮气+2L氢气，氧侧高氮尾气成分为50L氮气+2L氧气，假定第一氢氧催化反应器210内氢氧催化反应的反应效率为95％，则第一氢氧催化反应器210气体出口的高氮尾气成分为：0.1L氢气、1.05L氧气和100L氮气，所生成的1.53g水经第一排水阀270进入第一水箱220中。至此，经尾气一次处理单元200处理后，共有0.1L氢气、1.05L氧气和100L氮气的高氮尾气进入到尾气二次处理单元300的气体混合罐330中。

接下来为高氮尾气在尾气二次处理单元300中进行二次处理的过程，其第二氢氧催化反应器310中也设置有催化剂，在本实施例中，选用贵金属Pd基催化剂，其氢气、氧气催化反应机理与第一氢氧催化反应器210内氢气、氧气催化反应机理相同，此处不在重复。所不同的是，在尾气二次处理单元300中包含了尾气回收循环管路530，可以将未反应的混合气体反复循环回第二氢氧催化反应器310中进行催化反应，直到混合气体中的氢气和氧气被认为不存在为止。同时，在此过程中，通过氢气浓度传感器331和氧气浓度传感器332实时检测气体混合罐330中氢气和氧气的量，并且通过联动控制第二供氢阀5511和氢气流量控制器5512以及第二供氧阀5521和氧气流量控制器5522分别为其添加氢气或氧气，以调节气体混合罐330中氢气和氧气和摩尔比。

在本实施例中，氢气、氧气摩尔含量比的设定值为2，，至少1个组分浓度达到零而另一组分浓度的设定值为1ppm，则共有来自于尾气一次处理单元200的0.1L氢气、1.05L氧气和100L氮气的混合气体进入到尾气二次处理单元300的气体混合罐330中，此时，气体混合罐330中氢气、氧气摩尔含量比为0.095，低于设定值2。因此，启动第二供氢阀5511和氢气流量控制器5512以提升气体混合罐330中氢气摩尔含量，以满足氢气、氧气催化反应的化学计量比，通过氢气流量控制器5512能够控制供氢流量，使得气体混合罐330中氢气、氧气摩尔含量比最终达到设定值2；经调节氢气、氧气摩尔含量比的高氮尾气经循环泵340进入到第二氢氧催化反应器310，高氮尾气中的氢气、氧气在第二氢氧催化反应器310进行催化反应生成水，未反应的高氮尾气经尾气回收循环管路530重新回到气体混合罐330。经过一段时间的(假定为5min)的循环氢氧催化反应后，系统再次检测气体混合罐330中氢气、氧气摩尔含量比，根据所检测的氢气、氧气浓度以及摩尔含量比，再按照上述程序进行操作，直至氢气浓度、氧气浓度中至少1个组分浓度达到零，同时另一组分浓度低于设定值时(在本实施例中，设定值为1ppm)，此时，认为高氮尾气中的氢气、氧气基本消除干净，关闭循环泵340。综上，此过程经尾气二次处理单元300处理后，高氮尾气中的氢气、氧气浓度至少有一个达到零，另一组分的含量则低于1ppm，即高氮尾气转化为高纯氮气。

最后，高纯氮气被存储在氮气回收存储单元400中进行再次利用。进一步地，所述氮气回收存储单元400与氢气浓度传感器331、氧气浓度传感器332联动，当所述氢气浓度、氧气浓度中至少1个组分浓度达到零，同时另一组分浓度低于设定值时(在本实施例中，设定值为1ppm)时，氮气回收存储单元400运行，即低压进气阀410、高压进气阀440开启，干燥罐420、压缩机430运行；反之，则氮气回收存储单元400停止，即低压进气阀410、高压进气阀440关闭，干燥罐420、压缩机430停机。

此外，根据燃料电池发电单元100的运行需要，所述氮气回收存储单元400可开启调节阀460、氢侧供气阀470和氧侧供气阀480，为电堆反应装置130提供氮气供应。

通过以上一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，实现了氮气的循环利用，避免了氮气向密闭舱室的排放，同时还完成了燃料电池尾气中氢气、氧气的消除，保证了封闭环境舱室舱压的稳定以及人员、设备的安全。

与现有技术相比，本发明具有以下有利特征：

(1)实现了氮气的循环使用，保证了长期运行过程中封闭环境舱室压力稳定性。现有技术主要通过优化运行策略、降低单次氮气消耗量等方法降低氮气排放量，由于降低幅度有限，当运行时间较长时，氮气的累计排放量仍然较高；本发明通过对高氮尾气进行二次处理，实现了尾气中氮气的全部回收及循环利用，彻底解决了向密闭舱室排放氮气这一瓶颈问题。

(2)氮气循环利用过程未对燃料电池正常运行过程造成干涉，有利于燃料电池性能及循环寿命。现有技术方案为降低燃料电池氮气排放，会对燃料电池运行策略进行调整优化，该优化措施会对燃料电池性能或寿命产生不利影响。本发明整个处理过程不干涉燃料电池运行策略或工况，不限制燃料电池系统开关机次数或单次氮气消耗量，燃料电池可在其最优策略或工况下进行工作，有利于提升燃料电池性能，延长循环寿命。

(3)在进行氮气循环利用的同时，实现了燃料电池尾气中氢气、氧气的同步消除，综合效益及应用前景突出。现有技术方案单纯降低了燃料电池尾气中的氮气排放，未对尾气中的氢气、氧气进行处理。本发明在进行氮气循环利用的同时，实现了燃料电池尾气中氢气、氧气的同步消除，在保证封闭环境舱室舱压稳定的同时，确保了舱室人员、设备的安全性，综合效益及应用前景突出。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，包括燃料电池发电单元、尾气一次处理单元、尾气二次处理单元、氮气回收存储单元以及连接管路，其中：

所述尾气一次处理单元包括第一氢氧催化反应器；

所述尾气二次处理单元包括第二氢氧催化反应器和气体混合罐；

所述连接管路包括一次尾气输送管路、二次尾气输送管路、尾气回收循环管路、氮气回收管路及氢氧含量调节管路；

所述一次尾气输送管路的两端分别与所述燃料电池发电单元和第一氢氧催化反应器连接，

所述二次尾气输送管路的两端分别与所述第一氢氧催化反应器和气体混合罐连接，所述气体混合罐的出口端设置有两个，

所述尾气回收循环管路的一端与所述气体混合罐的其中一个出口端连接，其另一端与所述第二氢氧催化反应器的进口端连接，且第二氢氧催化反应器的出口端再通过尾气回收循环管路与气体混合罐连接，

所述氮气回收管路的一端与所述气体混合罐的另一个出口端连接，其另一端与所述氮气回收存储单元连接，且氮气回收存储单元的出口端再通过氮气回收管路与燃料电池发电单元连接，

所述氢氧含量调节管路的两端分别与所述气体混合罐和燃料电池发电单元连接以调节所述气体混合罐中氢气和氧气的摩尔含量比。

2.根据权利要求1所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述燃料电池发电单元包括供氢装置、供氧装置和电堆反应装置，所述供氢装置和供氧装置分别与所述电堆反应装置的氢侧进口和氧侧进口连接，且所述供氢装置与电堆反应装置连接的管路上设置有第一供氢阀，所述供氧装置与电堆反应装置连接的管路上设置有第一供氧阀。

3.根据权利要求2所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述一次尾气输送管路包括氢侧尾气输送管路和氧侧尾气输送管路，所述氢侧尾气输送管路的两端分别与所述电堆反应装置的氢侧出口和所述第一氢氧催化反应器连接，所述氧侧尾气输送管路的两端分别与所述电堆反应装置的氧侧出口和所述第一氢氧催化反应器连接。

4.根据权利要求3所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述氢侧尾气输送管路上靠近所述电堆反应装置的一侧依次设置有氢侧尾排阀和氢气侧分水器，所述氧侧尾气输送管路上靠近所述电堆反应装置的一侧依次设置有氧侧尾排阀和氧气侧分水器。

5.根据权利要求4所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述尾气一次处理单还包括第一水箱，所述第一水箱分别通过第一排水阀与所述第一氢氧催化反应器、所述氢气侧分水器和所述氧气侧分水器相连接。

6.根据权利要求1所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述尾气二次处理单元还包括第二水箱，所述第二水箱通过第二排水阀与所述第二氢氧催化反应器连接。

7.根据权利要求1所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述尾气回收循环管路上且位于所述气体混合罐和第二氢氧催化反应器之间设置有循环泵。

8.根据权利要求2所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述氢氧含量调节管路包括氢含量调节管路和氧含量调节管路，所述氢含量调节管路的两端分别与所述供氢装置和所述气体混合罐连接，所述氧含量调节管路的两端分别与所述供氧装置和所述气体混合罐连接，且所述氢含量调节管路上靠近所述供氢装置的一侧依次设置有第二供氢阀和氢气流量控制器，所述氧含量调节管路上靠近所述供氧装置的一侧依次设置有第二供氧阀和氧气流量控制器。

9.根据权利要求2所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述氮气回收管路包括氮气回收主管路、氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路，所述氮气回收主管路的进口端与所述气体混合罐的一个出口端连接，且所述氮气回收存储单元设置在所述氮气回收主管路上，其中：

所述氮气回收存储单元包括至氮气回收主管路的进口端方向依次连接的低压进气阀、干燥罐、压缩机、高压进气阀及氮气存储罐和调节阀，所述氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路的一端分别通过氢侧供氮阀和氧侧供氮阀与所述氮气存储罐和调节阀连接，所述氢侧氮气回收支管路和氧侧氮气回收支管路的另一端分别连接所述电堆反应装置的氢侧进口和氧侧进口。

10.根据权利要求1所述的一种封闭环境下燃料电池系统的氮气循环利用装置，其特征在于，所述气体混合罐中还设置有分别用于检测所述气体混合罐中氢气和氧气摩尔含量的氢气浓度传感器和氧气浓度传感器。

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