CN116344862A - 燃料电池的消氢系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池的消氢系统，包括排氢管路、排空管路和催化组件，所述催化组件包括预混器和反应器，所述预混器的出口与所述反应器的入口连通，所述反应器内设有催化剂；所述排氢管路连接燃料电池的电堆和所述预混器，用于将尾排的氢气排入所述预混器；所述排空管路连接所述电堆和所述预混器，用于将尾排的至少部分空气排入所述预混器；所述排空管路上设有第一阀，以调节排入所述预混器的空气量。该消氢系统能够预先混合尾排氢气和尾排空气并调节氢气浓度，以应对燃料电池的脉冲排氢工况，有利于提高反应空速，减小催化组件中催化剂体积。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池的消氢系统。
背景技术
燃料电池尾排氢气较为简单的处理方法包括稀释排放法、尾气分离收集法、尾气循环法等，这些方法并不能实质减少燃料电池向大气中排放氢气的总量。
为实质减少燃料电池的排氢量，采用催化燃烧的方式来消除尾排氢气成为发展趋势。已有的采用催化燃烧方式的尾气处理系统中，将电堆尾排中的氢气和空气引入催化燃烧室内，在催化剂的作用下进行燃烧处理，虽然可以减少排放至大气中的氢气量，但是无法根据电堆工况对催化反应进行调节，燃料电池的排氢为脉冲排放，排氢的浓度波动大，尾排的氢气和空气容易混合不均，导致催化反应不充分，另外，排氢的浓度波动大也导致催化剂的空速受限而无法实现小型化。
发明内容
本申请的目的是提供一种燃料电池的消氢系统，该能够预先混合尾排氢气和尾排空气并调节氢气浓度，以应对燃料电池的脉冲排氢工况，有利于提高反应空速，减小催化组件中催化剂体积。
为解决上述技术问题，本申请提供一种燃料电池的消氢系统，包括排氢管路、排空管路和催化组件，所述催化组件包括预混器和反应器，所述预混器的出口与所述反应器的入口连通，所述反应器内设有催化剂；所述排氢管路连接燃料电池的电堆和所述预混器，用于将尾排的氢气排入所述预混器；所述排空管路连接所述电堆和所述预混器，用于将尾排的至少部分空气排入所述预混器；所述排空管路上设有第一阀，以调节排入所述预混器的空气量。
采用上述方案，可通过调节排空管路上的第一阀来控制进入预混器的空气量，以对氢气浓度进行调节，尾排氢气和尾排空气在进入反应器发生催化反应前，先进入预混器，在预混器内进行混合，可应对燃料电池的脉冲排氢，使进入反应器的氢气和空气混合较为均匀，有利于提高反应空速，减小催化剂体积，从而可提高系统的集成度和布置灵活性；同时，通过对进入催化组件中空气量的调节还可以将催化反应的温度控制在合适温度，有利于提高消氢的安全性和可靠性。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述预混器与所述反应器设为一体式结构或者分体结构。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述预混器具有空气入口和氢气入口，所述空气入口与所述排空管路连接，所述氢气入口与所述排氢管路连接；所述空气入口和所述氢气入口位于所述预混器的同一端，所述预混器在气体入口端和气体出口端之间具有至少两个流通通道，相邻的两个所述流通通道平行布置或者呈设定角度布置。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述预混器内设有第一挡板，所述第一挡板设于相邻的两个平行布置的流通通道的交界处，所述第一挡板具有流通孔或者所述第一挡板和所述预混器的壁部之间形成流通孔，以使气体发生折流。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述预混器内设有第二挡板，所述第二挡板设于相邻的两个呈设定角度布置的流通通道的交界处，所述第二挡板为多孔板。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述至少两个流通通道包括沿气体流动方向顺次连接的第一流通通道、第二流通通道以及第三流通通道，所述第一流通通道和所述第二流通通道平行布置，所述第二流通通道与所述第三流通通道垂直布置。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述预混器和所述反应器之间设有氢浓度检测元件，以监测进入所述反应器的氢气浓度。
如上所述的燃料电池的消氢系统，还包括空压机和膨胀机，所述空压机用于压缩送入所述电堆的空气，所述膨胀机用于带动所述空压机转动，所述催化组件的排气口与所述膨胀机的进气口连接。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述排空管路还连接所述电堆和所述膨胀机，以将尾排的至少部分空气送入所述膨胀机。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述排空管路包括总管路和两个分支管路，所述总管路的一端与所述电堆连接，另一端连接两个所述分支管路的一端，两个所述分支管路的另一端分别与所述预混器和所述膨胀机连接；所述第一阀为设于与所述膨胀机连接的所述分支管路上的旁通阀。
如上所述的燃料电池的消氢系统，还包括换热器，所述换热器设于所述排空管路，所述换热器用于加热送入所述预混器的尾排空气。
如上所述的燃料电池的消氢系统，还包括空压机，所述空压机用于压缩送入所述电堆的空气，所述空压机的空气出口通过所述换热器与所述电堆连接，所述换热器还用于对所述空压机排出的空气进行降温。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述电堆的阳极尾排出口设有阳极分水器，所述阳极分水器用于汽水分离，所述阳极分水器的排气口通过所述排氢管路与所述预混器连接，所述阳极分水器的排水口与燃料电池的混合器或者尾排管连接。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述排氢管路上设有第二阀，所述第二阀用于调节排入所述预混器的氢气的参数信息。
如上所述的燃料电池的消氢系统，所述参数信息包括排氢压力、流量以及排氢的间隔时间中的至少一者。
附图说明
图1为本申请所提供燃料电池的消氢系统的一种实施例的结构示意图；
图2为图1中预混器的结构示意图；
图3为图2所示预混器的俯视图；
图4为图3中A-A向剖面示意图；
图5为图3中B-B向剖面示意图；
图6为图1中反应器的结构示意图；
图7为具体实施例中反应器内催化剂芯体的结构示意图。
附图标记说明：
电堆11，排氢管路12，第二阀121，催化组件13，预混器131，空气入口a1，氢气入口a2，出口a3，第一流通通道131a，第二流通通道131b，第三流通通道131c，第四流通通道131d，第一挡板1311，流通孔1311a，第二挡板1312，反应器132，催化剂芯体1321，排空管路14，总管路141，分支管路142，第一阀143，空压组件15，空压机151，膨胀机152，连接轴153，换热器16，阳极分水器17，第三阀18，混合器或尾排管19。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
燃料电池运行时需要定期排水排杂，以确保运行的安全性和稳定性。燃料电池电堆的尾排包括阴极尾排和阳极尾排，其中，阳极尾排气中除氮气及阳极产生的水外，大部分为电堆未利用的氢气，氢气直接排至大气中，会对臭氧层造成破坏，为此，本申请提供一种燃料电池的消氢系统，以减少燃料电池向大气中排放氢气的总量。
请参考图1，图1为本申请所提供燃料电池的消氢系统的一种实施例的结构示意图。
本实施例中，燃料电池的消氢系统包括与电堆11连接的排氢管路12和排空管路14，排氢管路12与电堆11的阳极尾排出口连接，排空管路14与电堆11的阴极尾排出口连接。
燃料电池的消氢系统还包括催化组件13，催化组件13包括预混器131和反应器132，预混器131的出口与反应器132的入口连通，反应器132设有催化剂。
排氢管路12连接电堆11和预混器131，用于将尾排的氢气排入预混器131内，排空管路14连接电堆11和预混器131，用于将尾排的空气排入预混器131内，也就是说，电堆11的尾排氢气和尾排空气先进入预混器131，再从预混器131进入反应器132，在反应器132内通过催化剂进行催化反应。在排空管路14上设有第一阀143，通过第一阀143调节排入预混器131内的尾排空气量。
燃料电池的排氢为脉冲排放，排出的氢气浓度的波动较大，采用上述方案后，先将尾排氢气和尾排空气送入预混器131，在预混器131内进行预混合后，再进入反应器132内进行催化反应，这样，有利于提高氢气和空气的混合均匀性，同时可通过第一阀143来调节排入预混器131内的空气量，以调节发生反应的氢气浓度，有利于提高反应空速，通过预混和尾排空气量的调节可应对燃料电池的脉冲排氢，使得催化反应更加充分，催化剂体积减小得以实现，从而可提高系统的集成度和布置灵活性，也使提高尾排氢的消除更充分。同时，通过对进入催化组件13的空气量的调节还可以将催化反应的温度控制在合适范围内，比如始终处在250℃以下，避免预混器131内发生回火，确保消氢的安全性和可靠性。
具体应用中，催化组件13的预混器131和反应器132可以设为一体式结构，利于系统集成度的提高。
具体应用中，预混器131和反应器132也可以设为分体式结构，以方便根据燃料电池系统的布置空间来灵活设置。
请一并参考图2至图5，图2为图1中预混器的结构示意图；图3为图2所示预混器的俯视图；图4为图3中A-A向剖面示意图；图5为图3中B-B向剖面示意图。
本实施例中，预混器131具有空气入口a1、氢气入口a2和出口a3，空气入口a1与排空管路14连接，氢气入口a2与排氢管路12连接，出口a3与反应器132的入口连接。
其中，空气入口a1和氢气入口a2位于预混器131的同一端，这样利于尾排空气和尾排氢气的混合。预混器131在气体入口端(即空气入口a1和氢气入口a2所在端)和气体出口端(即与反应器132连接的出口a3)之间的气体通路具有至少两个流通通道，相邻的两个流通通道平行布置或者呈设定角度布置，这样，进入预混器131的尾排空气和尾排氢气在向出口a3流动过程中，在相邻的两个流通通道之间会发生折流，以改变流动方向，有利于加强尾排氢气和尾排空气的混合，提高两者混合的均匀性。
相邻两个流通通道平行布置时，可在两者的交界处设置第一挡板1311，该第一挡板1311具有流通孔1311a，或者，第一挡板1311与预混器131的壁部之间形成有流通孔1311a，以使气体发生折流，即沿第一个流通通道流动的气体到达第一挡板1311所在位置后，受第一挡板1311限制，改变流向只能从流通孔1311a进入到第二个流通通道，在两个流通通道的交界位置改变流向，可增强尾排氢气和尾排空气的混合均匀性。
相邻两个流通通道呈设定角度布置时，可在两者的交界处设置第二挡板1312，该第二挡板1312为多孔板，多孔板为具有多个通孔的板，预混的尾排氢气和尾排空气通过多孔板分为多股混合气流动，可产生多个局部旋涡，有利于增强尾排氢气和尾排空气的混合均匀性。
预混器131内的气体通路可以有多种设置形式，下面以图示示例做详细介绍，实际应用中可以根据需要做出适应性的调整，不再一一列举。
本实施例中，预混器131内的气流流路包括沿气体流动方向顺次连接的第一流通通道131a、第二流通通道131b、第三流通通道131c以及第四流通通道131d，其中，第一流通通道131a与第二流通通道131b平行布置，在两者的交界处设有第一挡板1311，第二流通通道131b和第三流通通道131c垂直设置(也可呈其他角度布置)，在两者的交界处设有第二挡板1312，第三流通通道131c和第四流通通道131d垂直设置(也可呈其他角度布置)。
气体从第一流通通道131a处流动到第二流通通道131b入口端时，由于第二流通通道131b与第一流通通道131a在流动方向上错开，所以气体会折流后流入第二流通通道131b，为增强折流效果，设置了第一挡板1311，结合图3和图4，第一挡板1311可以仅在对准第二流通通道131b的部位设置一个流通孔1311a，这样，从第一流通通道131a流经的所有气体在第一挡板1311处都需经过折流才能从流通孔1311a流入第二流通通道131b，经过折流，可加强尾排氢气和尾排空气的混合均匀性。
气体从第二流通通道131b流向第三流通通道131c时，既会发生折流，又在第二挡板1312的作用下分成多股气流，分别通过第二挡板1312的各个通孔，可形成多个局部旋涡，进一步增强尾排氢气和尾排空气的混合均匀性，经过第二挡板1312的气体在第三流通通道131c流动后再折流通过第四流通通道131d排出。
具体应用中，在预混器131和反应器132之间还设有氢浓度检测元件(图中未示出)，以监测进入反应器132内的氢气浓度。实际操作时可以根据氢浓度检测元件的反馈来控制第一阀143的动作，以调节排入预混器131的尾排空气的流量，从而使得反应器132内的氢浓度可控，既能保证不过温，又能保证氢气完全反应。
具体应用中，燃料电池的消氢系统还包括空压组件15，空压组件15包括空压机151和膨胀机152，膨胀机152可通过连接轴153与空压机151连接；其中，空压机151用于压缩送入电堆11的空气，膨胀机152用于带动空压机151转动，催化组件13的排气口，即反应器132的排气口与膨胀机152的进气口连接。这样可以利用尾排氢气燃烧转化的热能推动膨胀机152动作，将热能转化为机械能，以带动空压机151工作，减少空压机151的功耗，实现了尾排氢气的能量利用。
具体应用中，前述排空管路14还连接电堆11和膨胀机152，以将尾排空气的至少部分送入膨胀机152，这样，在催化组件13所需尾排空气较少时，可将多余的尾排空气送入膨胀机152，推动膨胀机152动作，实现尾排空气的能量利用。其中，膨胀机152的排气口可与燃料电池系统的混合器或尾排管19连接。
实际操作时，对进入预混器131的尾排空气的流量调节，将反应器132内的反应温度控制在合适范围，在保证消氢安全可靠的同时，也不会损伤膨胀机152，有利于延长膨胀机152的寿命。
具体的，排空管路14可以包括总管路141和两个分支管路142，总管路141的一端与电堆11的阴极尾排出口连接，另一端连接两个分支管路142的一端，两个分支管路142的另一端分别与预混器131和膨胀机152连接，也就是说，电堆11的阴极尾排出口通过总管路141分出两条支路，分别连接预混器131和膨胀机152。在此基础上，前述第一阀143可以为设置在与膨胀机152连接的分支管路142上的旁通阀143。
实际操作时，根据需要打开第一阀143或调节第一阀143的开度来调节流入预混器131的尾排空气的流量。
在其他实施例中，第一阀143也可以为设置在总管路141和两个分支管路142连接处的三通阀。
请一并参考图6和图7，图6为图1中反应器的结构示意图；图7为具体实施例中反应器内催化剂芯体的结构示意图。
反应器132内设有催化剂芯体1321，催化剂芯体1321上承载有催化剂，具体可将催化剂芯体1321设为蜂窝状结构。
具体应用中，燃料电池的消氢系统还可以设有换热器16，换热器16设于排空管路14，用于加热送入预混器131的尾排空气，这样可以提升预混器131内气体的温度，有利于后续在反应器132内进行催化反应。图示示例中，将换热器16设置在排空管路14的总管路141上。
燃料电池系统中，送入电堆11的空气在经过空压机151压缩后，温度较高，超过了电堆11的工作温度，所以，在送入电堆11前需要对压缩后的空气进行降温，一般也采用换热器对空压机151压缩后的空气进行降温。此时，可以利用空压机151压缩后的空气与排入预混器131的尾排空气进行换热，以提升进入预混器131的尾排空气的温度，也就是说，可以将用于提升尾排空气温度的换热器16和用于降低空压机151压缩后空气温度的换热器集成在一起。
如图1所示示例，换热器16为集成式换热器，空压机151出口与电堆11之间的空气管路也经过换热器16，该换热器16具有一个换热介质通路、一个空压机151压缩后的空气通路以及一个尾排空气的通路，尾排空气可与压缩后的空气进行换热升温，但尾排空气不足以将压缩后的空气温度降低至合适值，所以压缩后的空气还需与换热介质进行换热后降温。换热介质可以选用水，成本较低。
当然，在其他实施例中，也可以直接将尾排空气排入预混器131而不经过换热器，或者与尾排空气进行换热的换热器和与压缩后空气进行换热的换热器可以为两个相对独立的换热器。
具体应用中，在电堆11的阳极尾排出口设有阳极分水器17，阳极分水器17用于汽水分离，将阳极尾排中的氢气和水分离，具体来说，前述排氢管路12与阳极分水器17的排气口连接，阳极分水器17的排水口可通过管路与燃料电池的混合器或尾排管19连接，这样，实现了排氢和排水的分开控制，可减少进入催化组件13的氢气中的水含量，方便制定利于尾排氢气高效催化燃烧的策略。阳极分水器17可采用已有的分水器，此处不对阳极分水器17的具体结构进行限定。
在排氢管路12上可以设置有第二阀121，该第二阀121用于调节排入预混器131的氢气的参数信息。具体的，参数信息可以包括排氢压力、流量和排氢的间隔时间中的至少一者，以根据燃料电池的排氢特点对排氢进行控制。
在阳极分水器17的排水管路上可以设置有第三阀18，以根据需要来控制排水管路的通断。
具体的，第一阀143、第二阀121和第三阀18均可采用电控阀，实际设置时可以与燃料电池系统的控制器通信，以实现自动控制。
以上对本申请所提供的一种燃料电池的消氢系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (15)
1.燃料电池的消氢系统，其特征在于，包括排氢管路、排空管路和催化组件，所述催化组件包括预混器和反应器，所述预混器的出口与所述反应器的入口连通，所述反应器内设有催化剂；
所述排氢管路连接燃料电池的电堆和所述预混器，用于将尾排的氢气排入所述预混器；
所述排空管路连接所述电堆和所述预混器，用于将尾排的至少部分空气排入所述预混器；所述排空管路上设有第一阀，以调节排入所述预混器的空气量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述预混器与所述反应器设为一体式结构或者分体结构。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述预混器具有空气入口和氢气入口，所述空气入口与所述排空管路连接，所述氢气入口与所述排氢管路连接；所述空气入口和所述氢气入口位于所述预混器的同一端，所述预混器在气体入口端和气体出口端之间具有至少两个流通通道，相邻的两个所述流通通道平行布置或者呈设定角度布置。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述预混器内设有第一挡板，所述第一挡板设于相邻的两个平行布置的流通通道的交界处，所述第一挡板具有流通孔或者所述第一挡板和所述预混器的壁部之间形成流通孔，以使气体发生折流。
5.根据权利要求3所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述预混器内设有第二挡板，所述第二挡板设于相邻的两个呈设定角度布置的流通通道的交界处，所述第二挡板为多孔板。
6.根据权利要求3所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述至少两个流通通道包括沿气体流动方向顺次连接的第一流通通道、第二流通通道以及第三流通通道，所述第一流通通道和所述第二流通通道平行布置，所述第二流通通道与所述第三流通通道垂直布置。
7.根据权利要求2所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述预混器和所述反应器之间设有氢浓度检测元件，以监测进入所述反应器的氢气浓度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，还包括空压机和膨胀机，所述空压机用于压缩送入所述电堆的空气，所述膨胀机用于带动所述空压机转动，所述催化组件的排气口与所述膨胀机的进气口连接。
9.根据权利要求8所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述排空管路还连接所述电堆和所述膨胀机，以将尾排的至少部分空气送入所述膨胀机。
10.根据权利要求9所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述排空管路包括总管路和两个分支管路，所述总管路的一端与所述电堆连接，另一端连接两个所述分支管路的一端，两个所述分支管路的另一端分别与所述预混器和所述膨胀机连接；所述第一阀为设于与所述膨胀机连接的所述分支管路上的旁通阀。
11.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，还包括换热器，所述换热器设于所述排空管路，所述换热器用于加热送入所述预混器的尾排空气。
12.根据权利要求11所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，还包括空压机，所述空压机用于压缩送入所述电堆的空气，所述空压机的空气出口通过所述换热器与所述电堆连接，所述换热器还用于对所述空压机排出的空气进行降温。
13.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述电堆的阳极尾排出口设有阳极分水器，所述阳极分水器用于汽水分离，所述阳极分水器的排气口通过所述排氢管路与所述预混器连接，所述阳极分水器的排水口与燃料电池的混合器或者尾排管连接。
14.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述排氢管路上设有第二阀，所述第二阀用于调节排入所述预混器的氢气的参数信息。
15.根据权利要求14所述的燃料电池的消氢系统，其特征在于，所述参数信息包括排氢压力、流量以及排氢的间隔时间中的至少一者。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310338116.5A CN116344862A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 燃料电池的消氢系统 |
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| CN116344862A true CN116344862A (zh) | 2023-06-27 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116581344A (zh) * | 2023-07-11 | 2023-08-11 | 势加透博洁净动力如皋有限公司 | 消氢器及燃料电池系统 |
-
2023
- 2023-03-31 CN CN202310338116.5A patent/CN116344862A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116581344A (zh) * | 2023-07-11 | 2023-08-11 | 势加透博洁净动力如皋有限公司 | 消氢器及燃料电池系统 |
| CN116581344B (zh) * | 2023-07-11 | 2023-09-26 | 势加透博洁净动力如皋有限公司 | 用于燃料电池系统的消氢器及燃料电池系统 |
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