CN212625685U - 一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统 - Google Patents

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李世刚
刘哲男
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Abstract

本实用新型提供了一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统，包括消氢反应器、氢气缓冲罐、进气口、排气口、管线布置、流量计、加热器等，消氢反应器中装有高效消氢催化剂。氢燃料电堆运行时会排出少量未经利用的氢气和大量的空气，利用氢气消纳催化剂，可以高效消除排放出的氢气，消氢反应器可以通过加热提高消除效率。本系统解决了消除氢气效率低的技术难题，进一步提高了氢燃料电堆的安全性。在消除氢气反应的过程中，本系统有效利用了电堆运行产生的热量，优化了消氢系统的设计，具备投资少、空间小、系统高度集成、消除效率高的优势。

Description

一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统
技术领域
本实用新型氢燃料电堆氢气消除系统属于燃料电池领域，涉及氢气消除和消除氢气反应器处理技术，尤其涉及含氢尾气消除系统集成。
背景技术
氢燃料电池是将氢气分子所含化学能转化为电能的重要媒介，运行过程中会排空少量氢气。目前众多氢燃料电堆企业并未意识到氢气消纳的重要性，同时，增加氢气消除系统也会增大系统整体的占地空间，提高使用成本。为提升氢燃料电堆的安全性，有必要对排空氢气进行消纳处理。全部空气流过氢气消除装置，一方面导致停留时间缩短，不利于消氢。另一方面，增加了气体流通阻力，不利于电池的残留氢气快速排放。
氢气氧气催化反应是一种催化消除氢气的方法，其原理是在催化剂的作用下将氢气与氧气反应生成水，优点是氢气转化率高且选择性高，生成物无污染。将此技术应用于氢燃料电堆消氢，能够有效解决尾氢排放的问题。
发明内容
为解决上述问题，本实用新型提供一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统。根据氢燃料电堆排放尾气的特点，设计了一套既能够保证氢气持续高效消除，又能够节省空间、降低使用成本且合理利用电堆自身系统的氢燃料电堆氢气消除系统。
本实用新型提供的技术方案是：
一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统，主要包括消氢反应器、氢气缓冲罐、流量控制单元、压力控制单元、加热器和若干条气体管路：其中：
1)消氢反应器，内装有稳定高效消除氢气催化剂，所述催化剂可以使用蜂窝状、条状、粒状和其它形状等。氢气缓冲罐用于稳定氢气流量。
2)若干条管线，分别为氢气出口管路、空气出口管路、消氢空气管路和尾气排空管路。
3)流量控制单元和压力控制单元可以集成在氢燃料电堆控制运行系统，也可设置程序分别控制。
以消氢反应器为中心，消氢反应器底端连接氢气出口管路和消氢空气管路，顶端连接尾气排空管路。消氢反应器内装有高效消氢催化剂。氢气出口管路前端连接电堆氢气出口，中间设置氢气缓冲罐。空气出口管路前端连接氢燃料电堆空气出口并设置分流，分流处连接消氢空气管路，分流点后设置压力控制单元，通过调节压力保证消氢空气管路的分流流量充足。消氢空气管路上设置流量控制单元，调节用于消氢反应的空气流量。
本实用新型的效果是：本实用新型通过设有消氢反应器，并在消氢反应器内设置消氢催化剂实现对氢燃料电堆排空氢气的消除，提高了氢燃料电堆的安全性。并通过分流的氢燃料电堆的排放空气作为消氢原料气，合理控制含氢气混合气在通过消氢催化剂的停留时间，提高氢气的转化效率，从而达到节省消氢催化剂装填量，控制整体空间的目的，也可以降低安装和维护成本。
附图说明
图1为一种新型用于氢燃料电堆氢气消除系统流程图，用于消除氢燃料电堆排出的氢气。
1、氢燃料电堆；2、氢气入口；3、空气入口；4、空压机；5、氢气出口；6、空气出口；7、氢气出口管路；8、空气出口管路；9、消氢空气管路；10、尾气排放管路；11、消氢反应器；12、氢气缓冲罐；13、流量控制单元；14、压力控制单元；15、加热器。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见附图1，本实用新型提供一种用于氢燃料电堆氢气消除系统，氢燃料电堆1是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的核心装置，包括氢气入口1、氢气出口5、空气入口3、空气出口6，其中氢气从氢气入口2进入，在氢燃料电堆1内实现能量转换，未经利用的氢气从氢气出口5排出。氢燃料电堆1的空气入口3连接空压机4，向氢燃料电堆1内输送压缩空气，同时，未经利用的大量空气从空气出口6排出。本实用新型设有消氢反应器11、氢气缓冲罐12、流量控制单元13、压力控制单元14、加热器15和若干条气体管路。所述消氢反应器11内装有消氢催化剂，催化剂可以使用蜂窝状、条状、粒状和其它形状，并具备高活性和高稳定性，能够高效消除含氢尾气；气体管路包括氢气出口管路7、空气出口管路8、消氢空气管路9、尾气排空管路10。氢气出口管路7连接氢燃料电堆1的氢气出口5和消氢反应器11，空气出口管路8连接氢燃料电堆1的空气出口6并设置分流，实现排出气体的分流，分流处连接消氢空气管路9，消氢空气管路9另一端连接消氢反应器11的入口，使该消氢空气管路9分流的部分电堆排出空气用于消氢反应；尾气排空管路10连接消氢反应器11和空气出口管路8，氢燃料电堆1排出的大部分气体经空气出口管路8和尾气排放管路10排放，同时经过消氢反应器11处理的尾气同样经尾气排放管路10排放。在本实用新型的实施例中，消氢反应器11采用底进顶出的设置方式，即消氢反应器11的底端连接氢气出口管路7和消氢空气管路9，其顶端连接尾气排放管路10，使氢气和空气从底部进入消氢反应器11，在上升过程中与催化剂接触并被催化反应后，剩余的尾气从消氢反应器11的顶部排出。
本实用新型在分流点后的空气出口管路8上设置压力控制单元14，通过调节压力保证消氢空气管路9的分流流量充足。本实用新型的压力控制可以是固定背压阀的形式，也可以采用压力传感器及调节阀的形式。消氢空气管路9上设置流量控制单元13，调节用于消氢反应的空气流量，以达到控制含氢尾气通过消氢催化剂的停留时间，提升消氢效率。作为另一种实施方式，当氢气最大浓度为1％时，维持一个恒定空气，减少流量计及控制系统成本。作为第三种实施方式，使用一条管线固定基础流量，增加一个消氢空气旁路，在每次吹扫氢气时，打开旁路空气，关闭吹扫时，同时关闭旁路阀门。
为了控制进入消氢反应器11的氢气流量，并使氢气保持稳定，本实用新型在氢气出口管路7上设有氢气缓冲罐12，该氢气缓冲罐12的一端连接氢燃料电堆1的氢气出口5，另一端连接消氢反应器12的入口。
本系统以分流的氢燃料电堆1的排放空气作为消氢原料气，合理控制含氢气混合气在通过消氢催化剂的停留时间，提高氢气的转化效率，从而达到节省消氢催化剂装填量，控制整体空间的目的，也可以降低安装和维护成本。
本实用新型的工作原理是：
氢燃料电堆1会通过氢气出口管路7排放出少量的H2，进入消氢反应器11后在消氢催化剂的作用下与空气中的O2反应生成水。正常工况下，氢燃料电堆1排放的空气流量大，全部作为消氢原料气会导致催化反应的停留时间过短，大幅降低H2转化率。在本系统中，通过设有的压力控制单元14保证消氢系统消氢原料空气流量，可以是固定背压阀的形式，也可以是带有压力传感器及条件阀的形式。流量控制单元13会根据氢燃料电堆1的H2排放量对用于消氢反应的空气流量进行控制。因为H2排放量与氢燃料电堆的运行功率有关，所以用于消氢反应的空气流量也需要根据氢气排放量进行实时调整，也可以根据氢气的最大排放量维持恒定的空气流量。由于氢燃料电堆1控制系统控制H2排放量和空气的排放量，所以流量控制单元13和压力控制单元14也可以集成在氢燃料电堆1的控制系统中。
在氢燃料电堆1运行时会大量放热，故本系统有效利用了排放气体时的废热，提高了氢气转化率。设置在消氢反应器11上的加热器15用于控制反应温度，该加热器15可以作为启动装置，补充反应所需热量，在达到热量平衡后可以关闭，用于保证环境温度较低和氢燃料电堆1初始启动时氢气的高转化率。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以内权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种用于氢燃料电堆的氢气消除系统，该氢燃料电堆(1)包括氢气入口(2)、氢气出口(5)、空气入口(3)、空气出口(6)，其特征是：包括消氢反应器(11)，消氢反应器(11)内装有消氢催化剂；包括若干条气体管路，气体管路包括氢气出口管路(7)、空气出口管路(8)、消氢空气管路(9)、尾气排空管路(10)，其中氢气出口管路(7)连接氢燃料电堆(1)的氢气出口(5)和消氢反应器(11)的入口，空气出口管路(8)连接氢燃料电堆(1)的空气出口(6)并实现排出气体的分流，消氢空气管路(9)一端连接氢燃料电堆(1)的空气出口(6)，另一端连接消氢反应器(11)的入口，分流部分电堆排出空气用于消氢反应，尾气排空管路(10)连接消氢反应器(11)的出口和空气出口管路(8)；包括氢气缓冲罐(12)，氢气缓冲罐(12)设置在氢气出口管路(7)上，其一端连接氢气出口(5)，另一端连接消氢反应器(11)入口。
2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电堆的氢气消除系统，其特征是：所述消氢空气管路(9)上设有流量控制单元(13)，该流量控制单元(13)根据氢气的排放量调节消氢空气管路(9)的空气流量。
3.根据权利要求1所述的用于氢燃料电堆的氢气消除系统，其特征是：所述空气出口管路(8)上设有压力控制单元(14)，用于保证消氢空气管路(9)的流量稳定。
4.根据权利要求1所述的用于氢燃料电堆的氢气消除系统，其特征是：包括加热器(15)，设置在消氢反应器(11)上，用于补充反应所需热量。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113797748A (zh) * 2021-09-28 2021-12-17 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种流向变换微波催化消氢器及消氢方法
CN113921839A (zh) * 2021-09-24 2022-01-11 煤炭科学研究总院 一种适用于煤矿井下的燃料电池系统
CN114832622A (zh) * 2022-04-15 2022-08-02 华东理工大学 基于丝网反应器消氢功能的高压氢气瓶保护外壳

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