專利名稱：可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保、汽車領(lǐng)域，涉及對含氫氣體進行凈化處理的裝置，尤其 是適用于對燃料電池汽車排放的含氫尾氣進行凈化處理的裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種等溫條件下直接將儲存在燃料(如氫氣)和氧化劑中的化 學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，是一種新型的綠色能源技術(shù)。 以質(zhì)子交換膜燃料電池為動力源的燃料電池汽車具有安靜、高效和零排放等特 點，同時比以蓄電池為動力源的純電動汽車具有更長的續(xù)駛里程，基于以上的 種種優(yōu)點，人們對燃料電池汽車開展了積極的研究，并取得了巨大的進步，目 前，己經(jīng)有不少汽車制造商研發(fā)，設(shè)計和生產(chǎn)出性能基本接近傳統(tǒng)汽車的燃料 電池汽車，部分汽車己經(jīng)進行了公路測試及商業(yè)化示范運行，燃料電池汽車市 場的前景光明。
為保證燃料電池運行性能穩(wěn)定，燃料電池系統(tǒng)的氫氣供應(yīng)必須保證燃料氫 氣均勻、充足、穩(wěn)定地供給電池組的每個單電池。由于燃料電池使用固體聚合 物質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，其性能受質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率的影響十分顯著，現(xiàn)在使 用的質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率與其自身的含水量密切相關(guān)，這就要求反應(yīng)氣體在進 入電堆前先進行增濕，將一定量的水分帶入電堆，使質(zhì)子交換膜保持濕潤的狀 態(tài)，增加交換膜的電導(dǎo)率。為了提高氫氣的利用效率，電堆運行過程中，氫氣 尾排口大部分時間是關(guān)閉的狀態(tài)，隨著運行時間的增長，水分會在電堆陽極側(cè) 的導(dǎo)流槽中匯集，使導(dǎo)流槽發(fā)生"堵水"，同時碳紙中的氣體擴散層還會發(fā)生"水 淹"現(xiàn)象，阻礙氫氣的傳質(zhì)過程，導(dǎo)致電堆性能下降。因此，電堆運行的過程 中需要保證每個單電池氫氣側(cè)的導(dǎo)流槽中不會發(fā)生"堵水"現(xiàn)象，現(xiàn)行的策略 是在電堆陽極側(cè)的出口安裝一個排水、排氫的電磁閥，該電磁閥每隔一定的時間開啟一次，氫氣流高速排出，帶走陽極側(cè)的水分，以實現(xiàn)以下的功能
1、 有利于燃料電池堆中氫氣側(cè)積水排放，防止"堵水"發(fā)生；
2、 燃料電池系統(tǒng)工作時間較長時，由于大量氫氣的輸入與長時間循環(huán)，氫
氣中會累計一定量的雜質(zhì)氣體。運行時間越長，雜質(zhì)氣體濃度越高，不利于燃 料電池系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。排氣過程會將這些雜質(zhì)帶出電堆，減少對電堆性能的 影響。
排水/排氫電磁閥的開啟和排氫間隔時間取決于燃料電池系統(tǒng)的性能， 一般
情況下，電磁閥的開啟時間在0.5 ls左右，兩次排氫的間隔時間在十幾至幾 十秒之間。由于氫氣側(cè)壓力較高， 一次排放的氫氣量也較大；此外，燃料電池 汽車在啟動和怠速時，排氫的頻率會加快，排放的氫氣量也相應(yīng)的增多。作為 一種具有可燃性和爆炸性的氣體，氫氣的爆炸極限為4%-76%， 一旦遇到明火或 靜電就會發(fā)生燃燒甚至爆炸。大量的氫氣進入大氣層還會干擾臭氧形成的過程， 造成持續(xù)時間更長的臭氧空洞，如不進行有效的處理，將會對大氣、環(huán)境和人 類的健康造成潛在危害，因此，妥善的處理汽車的含氫尾氣有利于燃料電池汽 車的安全使用和發(fā)展，并實現(xiàn)真正的零排放。
傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車的尾氣凈化系統(tǒng)比較簡單，實際上就是一個尾氣凈化器，尾 氣中的有害物質(zhì)通過凈化器后，經(jīng)催化反應(yīng)而達到凈化的目的。燃料電池汽車 的尾氣凈化系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的有本質(zhì)差別，而且系統(tǒng)遠比傳統(tǒng)汽車復(fù)雜。 一方 面，燃料電池汽車尾氣中氫氣的排放是間歇式的，而且在排放瞬間尾氣中氫氣 的濃度常常會處于爆炸極限范圍內(nèi)，所以系統(tǒng)要考慮解決排氫的均一化問題； 另一方面，尾氣中含水量較高，這常常會導(dǎo)致催化劑失效，所以系統(tǒng)必須考慮 除水裝置；此外，燃料電池汽車(FCV)尾氣的溫度遠低于傳統(tǒng)汽車尾氣的溫度， 需要考慮催化燃燒的低溫啟動特性。鑒于FCV尾氣的排放特性，本發(fā)明提出以 下發(fā)明內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池汽車尾氣脫氫處理的安全、高效凈化 處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⑷剂想姵仄囄矚庵泻械臍錃庖源呋紵姆绞较牡?，使尾排氣中氫氣的含量大大降低，減輕排放的氫氣對環(huán)境可能帶來的危 害。
為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是
一種可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)，，包括三向電磁 閥、氫氣緩沖裝置、汽水分離器、氫氣催化燃燒凈化處理裝置、氫氣緊急排空 管、溫度監(jiān)測裝置、氫氣傳感器和系統(tǒng)控制模塊，其中，三向電磁閥的進口端 與電堆陽極側(cè)出口連接，電磁閥的一個出口與氫氣緩沖裝置連接，保持常開狀
態(tài)；另一個出口與氫氣緊急排空管連接；該電磁閥與氫氣緩沖裝置連接處還與 汽水分離器、催化燃燒凈化處理裝置相連。
進一步，系統(tǒng)控制模塊通過信號線與電磁閥、氫氣傳感器和溫度傳感器連 接，對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和控制。
氫氣緩沖裝置內(nèi)部設(shè)有自適應(yīng)緩沖器，緩沖裝置頂部的換氣口裝有氫氣傳 感器，其底部設(shè)有三路氫氣管路緩沖器，其中氫氣進氣管路與燃料電池陽極側(cè) 排氣口相連。
汽水分離器底部裝有蓄水槽和排水口，排水管道上設(shè)有電磁閥，定時將蓄 水槽中的凝結(jié)水排出，汽水分離器的集水槽的中上部安裝有液位傳感器。
氫氣催化燃燒凈化處理裝置包括不銹鋼外殼，整體式催化劑，溫度監(jiān)測裝 置和熱交換器。
該自適應(yīng)緩沖器的主體是具有收縮力的可變體積伸縮容器，它與燃料電池 陽極側(cè)的尾排管相連，可以起到緩沖脈沖氫氣流的作用。
整體式催化劑以經(jīng)過改性的蜂窩陶瓷或金屬作為第一載體，以高比表面積 的活性金屬氧化物為第二載體，以貴金屬作為催化活性組分，并添加其他的元 素作為助劑，提高催化劑的催化燃燒性能。
催化燃燒凈化處理裝置整合了熱交換系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，用于反應(yīng)生成 的熱量回收和內(nèi)部溫度的實時監(jiān)控。制備好的整體式催化劑安裝在催化燃燒凈 化處理裝置中，并采取適當(dāng)?shù)臏p震措施，防止由于汽車行駛震動導(dǎo)致催化劑損 壞。
系統(tǒng)控制模塊根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及溫度和氫氣傳感器的信號反饋情
6況，控制排氫電磁閥的開閉和流向的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)正常運行時，電磁閥每間隔一
段時間，例如10 20s排氫一次，此時氫氣通過三向電磁閥和氫氣緩沖裝置后 與空氣混合迸入催化燃燒凈化處理裝置，進行氫氣的催化燃燒。 一旦溫度傳感 器監(jiān)測到催化燃燒裝置內(nèi)部溫度過高或氫氣傳感器監(jiān)測到氫氣泄漏，三向電磁 閥馬上轉(zhuǎn)為與氫氣緊急排空管連通，使氫氣排放到系統(tǒng)外部，保證催化燃燒凈 化處理裝置的安全。
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點能夠保證燃料電池系統(tǒng)排放
的含氫尾氣通過催化燃燒的方式安全的凈化處理掉；同時該系統(tǒng)可以采用熱交 換器對反應(yīng)過程中釋放的熱量進行回收利用。既能減少由于氫氣的排放而可能 會對大氣和環(huán)境造成的潛在影響和危害，又可以提高整個系統(tǒng)的效率。


圖1為本發(fā)明實施例燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例氫氣緩沖裝置剖面示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例經(jīng)過緩沖后的氫氣濃度的變化示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例燃料電池含氫尾氣凈化效果圖。
圖5為本發(fā)明實施例催化燃燒凈化裝置內(nèi)部及尾氣溫度變化圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1是一種燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括氫氣管路1 、 空氣管路2、三向電磁閥3、氫氣緩沖裝置7、汽水分離器5、催化燃燒凈化處 理裝置IO、熱交換器19、氫氣緊急排空管ll、溫度傳感器9、氫氣傳感器8和 系統(tǒng)控制模塊4，所述的氫氣緩沖裝置7設(shè)有自適應(yīng)緩沖器12和氫氣傳感器8， 所述的汽水分離器5設(shè)有排水口 6，可以定時將從電堆尾氣中分離出來的凝結(jié)水 排出。所述的催化燃燒凈化處理裝置設(shè)有熱交換器19和溫度傳感器9。所述的 系統(tǒng)控制模塊4通過信號線與氫氣傳感器8和溫度傳感器9連接。
本實施例中連接三向電磁閥3、氫氣緩沖器7、汽水分離器5、催化燃燒凈化處理裝置10的管道均可采用不銹鋼管，氫氣緊急排空管11也可為不銹鋼管。 三向電磁閥3的入口與燃料電池陽極側(cè)連接， 一個出口與氫氣緩沖裝置7連接， 保持常閉狀態(tài)；另一個出口與氫氣緊急排空管連接。電磁閥每隔10 20秒開閉 一次，排放時間持續(xù)0.5 1秒。 一次脈沖排放出的氫氣經(jīng)過氫氣緩沖裝置7后 轉(zhuǎn)化為持續(xù)穩(wěn)定的連續(xù)氣流，與空氣均勻混合后進入汽水分離器5，經(jīng)過汽水分 離后的混合氣體進入催化燃燒凈化處理裝置10，氫氣通過催化燃燒的方式轉(zhuǎn)化 成水除掉，達到大幅減少氫氣排放的目的。
三向電磁閥3的開閉和流向通過系統(tǒng)控制模塊4進行控制，當(dāng)系統(tǒng)控制模 塊監(jiān)測到氫氣緩沖裝置7內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏或催化燃燒凈化處理裝置內(nèi)部溫度過 高時，三向電磁閥3通向氫氣緩沖裝置7的出口關(guān)閉，通向緊急排氫管ll的出 口開啟，燃料電池排放的氫氣直接通過緊急排氫管道ll排出。避免泄漏的氫氣 在系統(tǒng)內(nèi)部聚集或催化劑在高溫下燒結(jié)失活。
本實施例汽水分離器排水口 6后安裝排水電磁閥，經(jīng)過汽水分離后所收集 的水分可以通過電磁閥自動排放。汽水分離器的集水槽的中上部安裝有液位傳 感器18，當(dāng)集水槽中液位高于k傳感器的位置時，排水口6處的電磁閥開啟， 將積水排出。排水結(jié)束后，電磁閥關(guān)閉。
氫氣催化燃燒凈化處理裝置10包括不銹鋼外殼，整體式催化劑，溫度傳感 器9和熱交換器19。催化燃燒凈化處理裝置10整合了熱交換系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系 統(tǒng)，用于反應(yīng)生成的熱量回收和內(nèi)部溫度的實時監(jiān)控。制備好的整體式催化劑 安裝在催化燃燒凈化處理裝置中，并采取適當(dāng)?shù)臏p震措施，防止由于汽車行駛 震動導(dǎo)致催化劑損壞。
整體式催化劑以經(jīng)過改性的蜂窩陶瓷或金屬作為第一載體，以高比表面積 的活性金屬氧化物為第二載體，以貴金屬作為催化活性組分，并添加其他的元 素作為助劑(可選擇的元素包括哪些？請列舉些)，提高催化劑的催化燃燒性能。
圖2是一種燃料電池尾氣脫氫凈化處理系統(tǒng)中的氫氣緩沖裝置7，包括絕緣 外殼，自適應(yīng)緩沖器12，緩沖器12的主體是具有收縮力的可變體積伸縮容器， 它與燃料電池陽極側(cè)的尾排管相連，可以起到緩沖脈沖氫氣流的作用，通過自 適應(yīng)緩沖器的調(diào)節(jié)，使脈沖氫氣轉(zhuǎn)換為持續(xù)穩(wěn)定的氣流；緩沖裝置頂部的換氣口裝有氫氣傳感器8，監(jiān)測是否有氫氣泄漏發(fā)生；另外，還有氫氣管路13、 14 以及緩沖室的固定裝置15，本實例中的氫氣進氣管路13與燃料電池陽極側(cè)排氣 口相連，緩沖室出口管路14與安裝在空氣管路上的混合器17連接，周期性排 放的脈沖氫氣先存貯在自適應(yīng)緩沖器12中，然后在壓力的作用下緩緩排出，與 空氣均勻混合后進入催化燃燒凈化處理裝置10中，氫氣從緩沖器12中排出的 時間要與電堆的排氫周期同步，使脈沖氫氣流轉(zhuǎn)化為持續(xù)而穩(wěn)定的連續(xù)氣流， 如圖3所示。
系統(tǒng)控制模塊4根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及溫度傳感器9和氫氣傳感器8的 信號反饋情況，控制排氫電磁閥的開閉和流向的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)正常運行時，電磁 閥每10 20s排氫一次，此時氫氣通過三向電磁閥3和氫氣緩沖裝置7后與空氣 混合進入催化燃燒凈化處理裝置10，進行氫氣的催化燃燒。 一旦溫度傳感器9 監(jiān)測到催化燃燒裝置10內(nèi)部溫度過高或氫氣傳感器8監(jiān)測到氫氣泄漏，三向電 磁閥3馬上轉(zhuǎn)為與氫氣緊急排空管11連通，使氫氣排放到系統(tǒng)外部，保證催化 燃燒凈化處理裝置10的安全。
本實施例對5kw的燃料電池系統(tǒng)排放的含氫尾氣進行了模擬處理，處理結(jié) 果見表1和圖4、 5。在空速為10000h-l 25000h-l，尾氣中氫氣濃度>2%的條 件下，氫氣的去除率高于90%，能夠達到良好的氫氣凈化處理效果。
表1:凈化處理前后尾氣中氫氣的濃度和去除率
空氣流量(L/min)76.4114.5152.71卯.9
氫氣流量(L/min)3, 空速(h1)13100196302618032730
氫氣濃度(未處理)3.27%2.18%1.64%1.31%
氫氣濃度(處理后)0.02%0.12%0.20%0.39%
氫氣去除率99.4%94.5%87.8%70.2%
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此， 本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明 做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1、一種可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)，其特征在于包括三向電磁閥、氫氣緩沖裝置、汽水分離器、氫氣催化燃燒凈化處理裝置、氫氣緊急排空管、溫度監(jiān)測裝置、氫氣傳感器和系統(tǒng)控制模塊，其中，三向電磁閥的進口端與電堆陽極側(cè)出口連接，電磁閥的一個出口與氫氣緩沖裝置連接，保持常開狀態(tài)；另一個出口與氫氣緊急排空管連接；該電磁閥與氫氣緩沖裝置連接處還與汽水分離器、催化燃燒凈化處理裝置相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)， 其特征在于系統(tǒng)控制模塊通過信號線與電磁閥、氫氣傳感器和溫度傳感器連 接，對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和控制。
3、 如權(quán)利要求1所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)， 其特征在于氫氣緩沖裝置內(nèi)部設(shè)有自適應(yīng)緩沖器，緩沖裝置頂部的換氣口裝 有氫氣傳感器，其底部設(shè)有三路氫氣管路緩沖器，其中氫氣進氣管路與燃料電 池陽極側(cè)排氣口相連。
4、 如權(quán)利要求1所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)， 其特征在于汽水分離器底部裝有蓄水槽和排水口，排水管道上設(shè)有電磁閥，定時將蓄水槽中的凝結(jié)水排出，汽水分離器的集水槽的中上部安裝有液位傳感巡益。
5、 如權(quán)利要求1所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)， 其特征在于氫氣催化燃燒凈化處理裝置包括不銹鋼外殼，整體式催化劑，溫度監(jiān)測裝置。
6、 如權(quán)利要求3所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)，其特征在于該自適應(yīng)緩沖器的主體是具有收縮力的可變體積伸縮容器，它與燃料電池陽極側(cè)的尾排管相連起到緩沖脈沖氫氣流的作用。
7、 如權(quán)利要求5所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)，其特征在于該氫氣催化燃燒凈化處理裝置，整體式催化劑以經(jīng)過改性的蜂窩陶瓷或金屬作為第一載體，以高比表面積的活性金屬氧化物為第二載體，以貴金屬作為催化活性組分，并添加其他的元素作為助劑，提高催化劑的催化燃燒 性能。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一所述的可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)，其特征在于還包括熱交換器，其集成于催化燃燒凈化處理裝 置中。
9、 控制權(quán)利要求8所述系統(tǒng)的方法，其特征在于包括 系統(tǒng)控制模塊根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及溫度和氫氣傳感器的信號反饋情況，控制排氫電磁閥的開閉和流向的轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)正常運行時，電磁閥每隔一段時間排氫一次，此時氫氣通過三向電磁閥和氫氣緩沖裝置后與空氣混合進入催化燃燒凈化處理裝置，進行氫氣的催化燃燒； 一旦溫度傳感器監(jiān)測到催化燃燒 裝置內(nèi)部溫度過高或氫氣傳感器監(jiān)測到氫氣泄漏，三向電磁閥馬上轉(zhuǎn)為與氫氣 緊急排空管連通，使氫氣排放到系統(tǒng)外部，保證催化燃燒凈化處理裝置的安全。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括系統(tǒng)正常運行時， 電磁閥排氫時間的間隔是10 20s。
全文摘要
一種可用于處理燃料電池汽車尾氣的脫氫凈化處理系統(tǒng)及方法，包括三向電磁閥、氫氣緩沖裝置、汽水分離器、氫氣催化燃燒凈化處理裝置、熱交換器、氫氣緊急排空管、溫度監(jiān)測裝置、氫氣傳感器和系統(tǒng)控制模塊，其中，三向電磁閥的進口端與電堆陽極側(cè)出口連接，電磁閥的一個出口與氫氣緩沖裝置連接，另一個出口與氫氣緊急排空管連接；該電磁閥與氫氣緩沖裝置連接處還與汽水分離器、催化燃燒凈化處理裝置相連。系統(tǒng)控制模塊通過信號線與電磁閥、氫氣傳感器和溫度傳感器連接，對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和控制。本發(fā)明能夠保證燃料電池系統(tǒng)排放的含氫尾氣通過催化燃燒的方式安全地凈化處理掉，減少可能會對大氣和環(huán)境造成的潛在影響和危害，提高整個系統(tǒng)的效率。
文檔編號B01D53/86GK101450280SQ200710171558
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者偉 周, 張存滿, 楊代軍, 潘相敏, 肖方瑋, 鄔敏忠, 鑫 陸, 馬建新 申請人:同濟大學(xué)