CN207834460U - 一种氢燃料电池的尾气回收利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种氢燃料电池的尾气回收利用装置，属于燃料电池技术领域。它解决了现有的技术没有对阳极尾气和阴极尾气的热量进行回收利用的问题。本氢燃料电池的尾气回收利用装置包括氢燃料电池、气体混合器和加热增湿器，加热增湿器内设置有储水室、热交换管以及与热交换管连接的阴极尾气分配室，储水室入口与阳极尾气出口连接，阴极尾气分配室连接氢燃料电池的阴极尾气出口，气体混合器包括混合腔以及分别与混合腔连接的氢气回收管路、加湿气入口管路、氢气入口管路和混合气出口管路，混合气出口管路与氢燃料电池的阳极燃料入口连接，氢气回收管路与加热增湿器的出口连接。本尾气回收利用装置能够实现阳极氢气和阴极热量的有效回收利用。

Description

一种氢燃料电池的尾气回收利用装置

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种氢燃料电池的尾气回收利用装置。

背景技术

燃料电池是一种将化学能转化成电能的新型能量转换装置。一般由三部分组成:阳极、阴极和电解质。其中，阳极发生的是氧化反应，氢气失电子，变成氢离子，氢离子通过质子交换膜移动到阴极，而电子则通过外部电路运动到阴极，同时，阴极的氧气得到电子发生还原反应，与氢离子结合生成水。在这个过程中，由于电子的不断定向运动产生电流，为外部用电器供电。

为了维持燃料电池正常平稳的工作，阴阳极往往需要分别通入过量的经加湿过的空气氧化剂和氢气燃料，因此在燃料电池的尾气中仍存在较多燃料和氧化剂原料，在现有的工艺中尾气直接排入大气中，造成资源的浪费，同时高通量H₂排入大气存在一定的安全隐患。此外，燃料电池内部会因化学反应具有较高的温度，燃料气体和氧化剂气体在经过此高温区域后将携带大量的热量，若尾气直接排入大气，这部分热量也会直接损失。

针对上述存在的问题，现有中国专利文献公开了一种氢燃料电池用的排放物回收循环制氢系统【申请号：CN201621128881.6】。所述系统包括制氢反应器、水箱、燃料电池，所述制氢反应器通过第一管道与所述水箱连通；所述水箱通过第二管道与所述制氢反应器连通；所述水箱通过第三管道与所述燃料电池的阳极连通；所述燃料电池的排水口与所述水箱通过第四管道连通。该方案将制氢结构与燃料电池结构相互结合，省去燃料电池内氢气的润湿部件，虽然此装置实现了阳极分离水自动回收和氢气的安全隔离排放，但是该方案是将分离后的气体排入到尾气收集装置中，没有对氢气进行循环再利用，氢燃料的损失问题没有得到解决，另外，没有对阴极尾气的热量进行回收利用，造成了浪费。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种氢燃料电池的尾气回收利用装置，该氢燃料电池的尾气回收利用装置所要解决的技术问题是：如何实现阳极氢气和阴极热量的有效回收利用。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种氢燃料电池的尾气回收利用装置，包括氢燃料电池、气体混合器和加热增湿器，其特征在于，所述加热增湿器内设置有储水室、设置在储水室内的热交换管以及与热交换管连接的阴极尾气分配室，所述储水室入口与氢燃料电池的阳极尾气出口连接，所述阴极尾气分配室连接氢燃料电池的阴极尾气出口，所述气体混合器包括混合腔以及分别与混合腔连接的氢气回收管路、加湿气入口管路、氢气入口管路和混合气出口管路，所述混合气出口管路与氢燃料电池的阳极燃料入口连接，所述氢气回收管路与加热增湿器的出口连接。

本氢燃料电池的尾气回收利用装置在应用时，通过氢气入口管路和加湿气入口管路分别通入氢气和加湿气，这两路气体在气体混合器的混合腔中充分混合均匀后，经混合气出口管路进入氢燃料电池的阳极燃料入口，同时氢燃料电池阴极燃料入口通入氧气，这两种气体分别在阳极和阴极发生氧化和还原反应，反应完成后，过剩的阳极尾气通入到储水室内，阴极尾气通过气体管路进入加热增湿器的阴极尾气分配室内，均匀分配至热交换管中给储水室中的水加热，经过热交换后的阴极尾气排入大气，其中，阴极尾气主要包括氧气和水蒸气，排入大气中不会对环境造成影响，将阴极尾气携带的大量热量用于对阳极尾气进行加湿，实现了对热量的有效回收利用，在阳极尾气中的氢气经过增湿后，通过氢气回收管路进入到气体混合器的混合腔内，与氢气入口管路通入的干燥氢气混合后，重新进入氢燃料电池的阳极燃料入口，实现了氢燃料的自循环，避免了氢燃料的浪费。通过对燃料源和热量的有效回收利用，还有效提高了氢燃料电池的发电效率和能量利用率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述加热增湿器内还设置有阳极尾气分配室，所述阳极尾气分配室设置在储水室的底部，所述阳极尾气分配室的入口与氢燃料电池的阳极尾气出口通过管路连接。设置阳极尾气分配室能够使阳极尾气均匀的进入储水室内，提高加湿效率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述阳极尾气分配室的上端面设置有多个通流孔结构的空心流道或者带有多个均匀分布的沟槽流道。这样的设置，能够起到均匀分配尾气的作用，尾气从均匀分布的通流孔进入储水室，提高加湿效率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述加热增湿器内还设置有加热棒。设置加热棒，能够对储水室内的水进行加热，从而对阳极尾气中的氢气进行加湿，保证流出加热增湿器的氢燃料达到一定的湿度，保证氢燃料再循环的利用率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述加热增湿器内还设置有湿度传感器，所述湿度传感器设置在储水室的上端。设置湿度传感器对加热增湿器内的湿度进行监测，保证流出加热增湿器的氢燃料处于一定湿度范围内，进而保证进入氢燃料电池的氢燃料达到要求的湿度。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述热交换管为螺旋形。采用螺旋形的热交换管能够提高热交换的效率，进而提高阴极反应尾气所携带的热量回收利用率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述氢气入口管路上设有氢气质量流量计，所述加湿气入口管路上设有加湿气质量流量计，所述氢气回收管路上设有质量流量传感器。设置质量流量传感器能够监控进入气体混合器中的氢气含量；设置氢气质量流量计和加湿气质量流量计，能够对进入混合器出口管路的氢气含量和湿度进行实时调节。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述尾气回收利用装置还包括控制器，所述加热棒、氢气质量流量计、加湿气质量流量计、质量流量传感器和湿度传感器均与控制器连接。控制器根据质量流量传感器和湿度传感器获取气体混合器中氢气含量和湿度的信息，再转化为电信号反馈给加热棒、氢气质量流量计、加湿气质量流量计进行控制，从而保证流出加热增湿器的氢燃料处于一定的湿度范围内，且含有充足的氢气以保证氢燃料电池的平稳运行。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述氢燃料电池的阴极尾气出口还连接有气液分离器，所述气液分离器的出口通过气体传输管道与加热增湿器的阴极尾气分配室连接。设置气液分离器能够对阴极尾气出口排出的空气和水蒸气进行分离，防止水蒸气在气体传输管道的传输过程中或在加热增湿器中经冷凝作用回流至气体传输管道，从而引起气体传输管道堵塞的问题。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述气液分离器包括水气分离膜、气室和蓄水槽，所述蓄水槽开设有排水口，所述氢燃料电池的阴极尾气出口通过管路与蓄水槽连接，所述气室通过气体传输管道与加热增湿器中的阴极尾气分配室连接。气液分离器能够将阳极尾气出口排放的尾气经过水气分离膜进行分离，分离后的阴极尾气通过气体传输管道输送至加热增湿器内，保证对阴极尾气热量的回收利用率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述氢燃料电池的阴极尾气出口和加热增湿器的阴极尾气分配室之间连接有第一循环泵。用循环泵代替气液分离器直接将阴极尾气通过循环泵通入阴极尾气分配室，能够减少水气分离过程中的热量损失，提高热量的回收利用率。

在上述的氢燃料电池的尾气回收利用装置中，所述热交换管的出口设置有第二循环泵。设置第二循环泵，可以避免阴极尾气通过热交换管发生冷凝回流情况，保证阴极尾气排放的畅通。

与现有技术相比，本氢燃料电池的尾气回收利用装置具有以下优点：

1、本实用新型能够对阳极反应尾气中的氢燃料进行回收利用，实现氢燃料的自循环，同时阴极尾气携带的大量热量用于阳极尾气的加湿，对其进行合理利用，有效提高了能量的利用率，进而有效提高了氢燃料电池的发电效率。

2、本实用新型还设置有控制器，能够对气体混合器上的各路气体的流量和湿度进行调节控制，在提高氢燃料回收率的同时，保证为氢燃料电池供应均匀平稳的加湿燃料气体。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是本实用新型实施例二的结构示意图。

图中，1、氢燃料电池；11、阴极尾气出口；12、阳极尾气出口；13、阳极燃料入口；14、阴极燃料入口；2、气液分离器；21、水气分离膜；22、气室；23、蓄水槽；24、排水口；25、气体传输管道；3、气体混合器；31、混合腔；32、氢气回收管路；321、质量流量传感器；33、加湿气入口管路；331、加湿气质量流量计；34、混合气出口管路；35、氢气入口管路；351、氢气质量流量计；4、加热增湿器；41、储水室；42、热交换管；43、阴极尾气分配室；44、阳极尾气分配室；45、加热棒；46、湿度传感器；5、控制器；6、第一循环泵；7、第二循环泵。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例一：

如图1所示，本氢燃料电池的尾气回收利用装置包括氢燃料电池1、气体混合器3和加热增湿器4。

其中，加热增湿器4内设置有储水室41、热交换管42、加热棒45、阳极尾气分配室44、阴极尾气分配室43和湿度传感器46，热交换管42上设置有热交换管42出口。其中，热交换管42设置在储水室41内，热交换管42与阴极尾气分配室43连接；加热棒45设置在储水室41内；阴极尾气分配室43连接氢燃料电池1的阴极尾气出口11；湿度传感器46设置在储水室41的上端；阳极尾气分配室44设置在储水室41的底部，阳极尾气分配室44的入口与氢燃料电池1的阳极尾气出口12通过管路连接。作为优选方案，阳极尾气分配室44的上端面设置有多个通流孔结构的空心流道或者带有多个均匀分布的沟槽流道。这样的设置，能够起到均匀分配尾气的作用，尾气从均匀分布的通流孔进入储水室41，提高加湿效果。

作为优选方案，加热棒45由大电阻丝组成，用于储水室41内水的加热。

作为优选方案，热交换管42采用螺旋形或者其他具有较大热交换有效面积的形状。

气体混合器3包括混合腔31以及分别与混合腔31连接的氢气回收管路32、加湿气入口管路33、混合气出口管路34和氢气入口管路35，混合气出口管路34与氢燃料电池1的阳极燃料入口13连接，氢气回收管路32与加热增湿器4的出口连接。

作为优选方案，氢气入口管路35上设有氢气质量流量计351，加湿气入口管路33上设有加湿气质量流量计331，氢气回收管路32上设有质量流量传感器321。设置质量流量传感器321能够监控进入气体混合器3中的氢气含量；设置氢气质量流量计351和加湿气质量流量计331，能够对进入混合器出口管路的氢气含量和湿度进行调节。

作为优选方案，本尾气回收利用装置还包括控制器5，加热棒45、氢气质量流量计351、加湿气质量流量计331、质量流量传感器321和湿度传感器46均与控制器5电连接。控制器5的控制，能够实现氢燃料电池1的尾气自循环回收利用，保证流出加热增湿器4的氢燃料处于一定湿度范围内。

作为优选方案，氢燃料电池1的阴极尾气出口11还连接有气液分离器2，气液分离器2的出口通过气体传输管道25与加热增湿器4的阴极尾气分配室43连接。该气液分离器2包括水气分离膜21、气室22和蓄水槽23，蓄水槽23开设有排水口24，氢燃料电池1的阴极尾气出口11通过管路与蓄水槽23连接，气室22通过气体传输管道25与加热增湿器4中的阴极尾气分配室43连接。设置气液分离器2能够对阴极尾气出口11排出的气体和水进行分离，防止尾气中带有的水蒸汽在气体传输管道25的传输过程中或在加热增湿器4中经冷凝作用回流至气体传输管道25，从而引起气体传输管道25堵塞的问题。

本氢燃料电池的尾气回收利用装置在应用时，通过加湿气入口管路33通入加湿气，即水蒸气，通过氢气入口管路35通入干燥的氢气，干燥的氢气和水蒸气通过气体混合器3的混合腔31进行充分混合后，通过混合气出口管路34进入氢燃料电池1的阳极燃料入口13，与氢燃料电池1阴极燃料入口14通入的氧气进行反应，反应完成后，阳极尾气通过阳极尾气出口12排入到加热增湿器4的阳极尾气分配室44内，通过阳极尾气分配室44均匀分配尾气，使尾气均匀地进入储水室41内，提高加湿效率，其中，阳极的尾气主要包括氢气和水蒸气，同时，阴极尾气通过阴极尾气出口11排入到气液分离器2中，其中，阴极尾气主要包括空气(或氧气)和水蒸气，通过水气分离膜21从尾气中分离出水，水留在蓄水槽23内，干燥的尾气通过水气分离膜21进入到气室22，再由气室22通过气体传输管道25进入加热增湿器4的阴极尾气分配室43内，再通过热交换管42给储水室41中的水加热，进入热交换后通过热交换管42出口排入大气，由于排出的是空气或氧气，因此，排入大气中不会对环境造成影响，将阴极尾气携带的大量热量用于对阳极尾气进行加湿，实现了对阴极尾气中携带的大量热量的有效回收利用。在阳极尾气中的氢气经过增湿后，通过氢气回收管路32进入到气体混合器3的混合腔31内，其中，湿气传感器对回收的氢气湿度进行检测，在检测的湿度低于设定值时，说明阴极尾气的热量不足以用于阳极尾气中氢气的加湿，则通过控制器5控制加热棒45进行加热，保证流出加热增湿器4的氢气处于一定湿度范围内。设置在氢气回收管路32上的质量流量传感器321对回收的氢气含量进行检测，控制器5则根据湿度传感器46和质量流量传感器321检测到的氢气湿度和氢气含量，将信息反馈给氢气质量流量计351和加湿气质量流量计331，从而实现调节控制最终进入混合气出口管路34的氢气含量和湿度，也就是说，加热棒45控制大范围湿度调节，加湿气流量计控制小范围湿度调节，进而保证进入燃料电池的氢燃料达到要求的湿度。回收的氢气与加湿气入口管路33和氢气入口管路35通入的水蒸气和干燥氢气充分混合后，重新进入氢燃料电池1的阳极燃料入口13，实现了氢燃料的自循环，避免了氢燃料的浪费。通过对燃料源和热量的有效回收利用，还有效提高了氢燃料电池1的发电效率和能量利用率。

实施例二：

如图2所示，本实施例中的技术方案与实施例一中的技术方案基本相同，不同之处在于，氢燃料电池1的阴极尾气出口11和加热增湿器4的阴极尾气分配室43之间连接的是第一循环泵6。用循环泵代替气液分离器2直接将阴极尾气通过循环泵通入阴极尾气分配室43，能够减少水气分离过程中的热量损失，提高热量的回收利用率。

作为优选方案，热交换管42的出口设置有第二循环泵7。设置第二循环泵7，可以避免阴极尾气通过热交换管42发生冷凝回流情况，保证阴极尾气排放的畅通。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的尾气回收利用装置，包括氢燃料电池(1)、气体混合器(3)和加热增湿器(4)，其特征在于，所述加热增湿器(4)内设置有储水室(41)、设置在储水室(41)内的热交换管(42)以及与热交换管(42)连接的阴极尾气分配室(43)，所述储水室(41)入口与氢燃料电池(1)的阳极尾气出口(12)连接，所述阴极尾气分配室(43)连接氢燃料电池(1)的阴极尾气出口(11)，所述气体混合器(3)包括混合腔(31)以及分别与混合腔(31)连接的氢气回收管路(32)、加湿气入口管路(33)、氢气入口管路(35)和混合气出口管路(34)，所述混合气出口管路(34)与氢燃料电池(1)的阳极燃料入口(13)连接，所述氢气回收管路(32)与加热增湿器(4)的出口连接。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述加热增湿器(4)内还设置有阳极尾气分配室(44)，所述阳极尾气分配室(44)设置在储水室(41)的底部，所述阳极尾气分配室(44)的入口与氢燃料电池(1)的阳极尾气出口(12)通过管路连接。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述阳极尾气分配室(44)的上端面设置有多个通流孔结构的空心流道或者带有多个均匀分布的沟槽流道。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述加热增湿器(4)内还设置有加热棒(45)和湿度传感器(46)，所述湿度传感器(46)设置在储水室(41)的上端。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述氢气入口管路(35)上设有氢气质量流量计(351)，所述加湿气入口管路(33)上设有加湿气质量流量计(331)，所述氢气回收管路(32)上设有质量流量传感器(321)。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述尾气回收利用装置还包括控制器(5)，所述加热棒(45)、氢气质量流量计(351)、加湿气质量流量计(331)、质量流量传感器(321)和湿度传感器(46)均与控制器(5)连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述氢燃料电池(1)的阴极尾气出口(11)还连接有气液分离器(2)，所述气液分离器(2)的出口通过气体传输管道(25)与加热增湿器(4)的阴极尾气分配室(43)连接。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述气液分离器(2)包括水气分离膜(21)、气室(22)和蓄水槽(23)，所述蓄水槽(23)开设有排水口(24)，所述氢燃料电池(1)的阴极尾气出口(11)通过管路与蓄水槽(23)连接，所述气室(22)通过气体传输管道(25)与加热增湿器(4)中的阴极尾气分配室(43)连接。

9.根据权利要求1至6任一项所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述氢燃料电池(1)的阴极尾气出口(11)和加热增湿器(4)的阴极尾气分配室(43)之间连接有第一循环泵(6)。

10.根据权利要求9所述的氢燃料电池的尾气回收利用装置，其特征在于，所述热交换管(42)的出口设置有第二循环泵(7)。