一种氢气净化装置及包含其的氢氧燃料电池系统的制作方法

本发明属于氢氧燃料电池技术领域，具体涉及一种氢气净化装置及包含其的氢氧燃料电池系统。

背景技术：

燃料电池是一种很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，并作为负极，用空气中的氧作为正极。其中常见的一种便是质子交换膜燃料电池(pemfc)，其能量密度和能量转换效率高、清洁无污染，而且工作温度低、启动快。其以氢气作为燃料，并使用高压氢气瓶等作为氢气源。

目前，氢气的制备方法众多，可以通过化学方法对化合物进行重整、分解来制氢，也可以通过电解水、微生物等方式来制氢，但是这些制备方法不能满足产氢量大、纯净、装置体积小的要求。而金属氢化物在储氢量上具有其他材料难以比拟的优势，通过简单的水解反应就能大量产氢，nabh4、libh4、lih等都可常温下与水迅速反应，而且反应生成的氢气不仅来源于金属氢化物本身，而是包含了水中的氢。

虽然，金属氢化物能满足产氢量大的需求，但是，在实际反应中，由于较快的反应速度和较大的热效应，氢气从溶液中逸出过程中会携带大量的水蒸气和溶液的雾状液滴，例如约有5％～10％的溶液在反应过程中会被氢气携带出去。若直接将其用于氢氧燃料电池，如质子交换膜燃料电池，其中的含有的na⁺、oh^－、bh4－及b(oh)4－等碱性离子杂质会严重影响氢氧燃料电池的性能及寿命。

因此，在使用氢气之前，需要对其进行净化处理，目前，氢气净化一般采用干燥、吸附或者设置氢气净化阀的方式来净化氢气，如中国专利文献cn102668211a就是采用氢气净化阀来处理，但是面对含有大量的na⁺、oh^－、bh4－及b(oh)4－等碱性离子杂质的氢气时，其净化效果并不理想。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的氢气净化不彻底，进而影响氢氧燃料电池的性能及寿命的缺陷，从而提供一种氢气净化装置及包含其的氢氧燃料电池系统。

本发明所提供的氢气净化装置，包括，

第一回流单元，以过滤水雾并回流冷凝液；

至少一级散热单元，与所述第一回流单元连通，以使氢气经所述第一回流单元进入所述散热单元中；

过滤干燥单元，与所述散热单元连通，以使从所述散热单元出来的氢气进入所述过滤干燥单元中。

进一步地，还包括第二回流单元，设置于所述散热单元与所述过滤干燥单元之间，以防止冷凝液进入所述过滤干燥单元中。

进一步地，所述第一回流单元包括第一壳体、靠近所述第一壳体底部设置其上的进气口及靠近所述第一壳体顶部设置其上的出气口；

导流层，靠近所述进气口设置于所述第一壳体内，以防止冷凝液被氢气冲出所述第一壳体，并引导冷凝液回流。

进一步地，所述导流层为泡沫镍层；

沿氢气流动方向上，所述导流层的厚度与所述第一壳体的厚度之比为(1-3)：10。

进一步地，所述散热单元包括用于氢气通过的散热管，以及，

朝向所述散热管吹送冷风以冷却氢气的送风装置。

进一步地，所述散热管盘绕形成具有散热面的盘管，所述送风装置朝向散热面吹送冷风；或，

所述散热管弯折形成具有散热面的己字型弯折管，所述送风装置朝向散热面吹送冷风。

进一步地，还包括散热片，设置于所述盘管或己字型弯折管上，冷风被吹送至所述散热片上，以加快氢气散热。

进一步地，所述过滤干燥单元包括具有容置内腔的本体；以及，

设置于所述容置内腔内的吸附剂层，以使氢气流过所述吸附剂层并被其干燥和过滤。

进一步地，所述吸附剂层内填充变色硅胶和分子筛的混合物，所述变色硅胶与所述分子筛的质量比为1：(2-5)。

此外，本发明还提供了一种氢氧燃料电池系统，上述的氢气净化装置。

进一步地，还包括氢气发生装置，包括第二壳体，所述第二壳体顶端设置氢气出口，底端设置废液出口，所述氢气出口与所述第一回流单元连通，靠近所述废液出口设置控制所述第二壳体内反应后的废液排出的控制阀。

进一步地，还包括氢氧燃料电池电堆，包括阳极室、阴极室及分割两者的交换膜；

所述阳极室与所述过滤干燥单元连通，以使净化后的氢气进入所述阳极室，所述阴极室具有供氧气进入其内的开口，所述送风装置将含氧气体送入所述阴极室，以向其供氧。

进一步地，所述送风装置设置于所述氢氧燃料电池电堆与所述散热单元之间。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的氢气净化装置，设置第一回流单元，能起到初步过滤水雾并回流冷凝液的目的，例如，可以将冷凝液回流至氢气发生装置中；接着，与第一回流单元连通设置至少一级散热单元，氢气经第一回流单元进入散热单元中，通过散热单元使氢气快速散热，随着氢气温度的迅速降低，氢气中的气雾迅速冷凝，极大地减少了氢气中水和盐碱等杂质的含量；再者，与散热单元连通设置过滤干燥单元，从散热单元出来的氢气进入过滤干燥单元中，通过过滤干燥单元去除氢气中的水蒸气、so2、低沸点有机物蒸气、各类胶体微粒等杂质，最终通过第一回流单元、散热单元和过滤干燥单元使整个氢气净化装置的冷凝效率高和净化效果好，经测试，氢气纯度可以达到99.9999％。

2、本发明提供的氢气净化装置，在散热单元与过滤干燥单元之间设置第二回流单元，除了能进一步去除碱雾等杂质外，还能防止冷凝液进入过滤干燥单元中，避免碱雾等杂质影响过滤干燥单元。通过靠近进气口在第一壳体内设置导流层，利用该导流层可以防止冷凝液被氢气冲出第一壳体，同时能起到引流作用，将冷凝液引流至氢气发生装置中；进一步地，导流层选择泡沫镍层，除了起到上述作用外，还使得氢气发生装置中未完全反应的燃料成分继续反应，提高燃料利用率。优化导流层的厚度与第一壳体的厚度之比，提高引流效果。

3、本发明提供的氢气净化装置，在吸附剂层内填充变色硅胶和分子筛的混合物，并优化两者的质量比，能很好地去除氢气中的水蒸气、so2、低沸点有机物蒸气、各类胶体微粒等杂质，同时还能通过变色指示两者的消耗程度，避免使用失效的混合物而导致含杂质氢气损伤质子交换膜。

4、本发明提供的氢氧燃料电池系统，通过采用上述氢气净化装置，利用纯净的氢气作为氢氧燃料电池原料，能保证氢氧燃料电池稳定持续的进行。进一步地，过滤干燥单元中吸附剂层采用变色硅胶和分子筛的混合物，体积小、质量轻、便于携带。

5、本发明提供的氢氧燃料电池系统，氢氧燃料电池工作时需要一定的氢气压力，整个系统内部处于相对较高的压力环境中，靠近废液出口设置控制第二壳体内反应后的废液排出的控制阀(如电磁阀)，该控制阀、氢氧燃料电池电堆及氢气压力配合，当控制阀打开时，如每1-3min开启一次，前级系统的氢气压强迅速减小，使得后续净化装置内的气流向前流动，将冷凝的含碱液体向前逐级压回，最终回流至氢气发生装置，并随废液一并排出，最终实现开阀自回流，能回流绝大多数的的碱雾，降低了过滤干燥单元的吸收压力。

6、本发明提供的氢氧燃料电池系统，利用氢氧燃料电池固有的送风装置(如风扇)，不但能对氢氧燃料电池排风散热、供应氧气，而且送风装置与氢气净化装置中的散热单元配合构成风冷系统，还能提高氢气的冷凝效果，同时提高空间利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中氢气净化装置的结构示意图；

图2为图1中第一回流单元的结构示意图；

图3为图1中过滤干燥单元的结构示意图；

图4为经和未经图1中氢气净化装置净化的氢气的性能对比图；

图5为多级散热单元的结构示意图；

附图标记说明：

0-氢气发生装置；0-1-氢气出口；0-2-废液出口；0-3-控制阀；1-第一回流单元；1-0-第一壳体；1-1-导流层；1-2-出气口；1-3-进气口；2-散热单元；2-1-散热管；2-2-送风装置；2-3-散热片；3-过滤干燥单元；3-1-本体；3-2-容置内腔；3-3-吸附剂层；4-第二回流单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。、

实施例1

本实施例提供了一种氢气净化装置，如图1所示，包括第一回流单元1，以过滤水雾并回流冷凝液；

至少一级散热单元2，与第一回流单元1连通，以使氢气经第一回流单元1进入散热单元2中，在本实施例中，散热单元2为一级；

过滤干燥单元3，与散热单元2连通，以使从散热单元2出来的氢气进入过滤干燥单元3中。

上述氢气净化装置中，设置第一回流单元1，能起到初步过滤水雾并回流冷凝液的目的，例如，可以将冷凝液回流至氢气发生装置0中；接着，与第一回流单元1连通设置至少一级散热单元2，氢气经第一回流单元1进入散热单元2中，通过散热单元2使氢气快速散热，随着氢气温度的迅速降低，氢气中的气雾迅速冷凝，极大地减少了氢气中水和盐碱等杂质的含量；再者，与散热单元2连通设置过滤干燥单元3，从散热单元2出来的氢气进入过滤干燥单元3中，通过过滤干燥单元3去除氢气中的水蒸气、so2、低沸点有机物蒸气、各类胶体微粒等杂质，最终通过第一回流单元1、散热单元2和过滤干燥单元3使整个氢气净化装置的冷凝效率高和净化效果好，经测试，氢气纯度可以达到99.9999％。

如图2所示，第一回流单元1包括第一壳体1-0、靠近第一壳体1-0底部设置其上的进气口1-3及靠近第一壳体1-0顶部设置其上的出气口1-2；导流层1-1，靠近进气口1-3设置于第一壳体1-0内，以防止冷凝液被氢气冲出第一壳体1-0，并引导冷凝液回流，例如回流至氢气发生装置0中。具体地，第一回流单元1为回流管，导流层1-1为泡沫镍层，该泡沫镍层中的泡沫镍的形状与回流管的形状相适应，例如可为柱状，利用该泡沫镍层还能使氢气发生装置0中未完全反应的燃料成分继续反应，提高燃料利用率。

在本实施例中，散热单元2包括用于氢气通过的散热管2-1，以及朝向散热管2-1吹送冷风以冷却氢气的送风装置2-2；具体地，如图1所示，散热管2-1弯折形成具有散热面的己字型弯折管，送风装置2-2朝向散热面吹送冷风，送风装置2-2为风机，例如可为风扇，通过这样设置能加快氢气散热速度，快速将氢气降温。

如图3所示，过滤干燥单元3包括具有容置内腔3-2的本体3-1；以及设置于容置内腔3-2内的吸附剂层3-3，以使氢气流过吸附剂层3-3并被其干燥和过滤。进一步地，吸附剂层3-3内填充变色硅胶和分子筛的混合物，变色硅胶与分子筛的质量比为1：(2-5)，分子筛的孔径为0.3nm-0.5nm，通过该设置能很好地去除氢气中的水蒸气、so2、低沸点有机物蒸气、各类胶体微粒等杂质，同时还能通过变色指示两者的消耗程度，避免使用失效的混合物而导致含杂质氢气损伤质子交换膜。经过测试，变色硅胶和分子筛的混合物的消耗量不超过1.5g/h，过滤干燥单元3具体可为过滤管，其容积可根据需要选择。

实施例2

本实施例提供了一种氢气净化装置，在上述实施例1的基础上，为了提高冷凝液从第一回流单元1回流至氢气发生装置0中的速度，沿氢气流动方向上，导流层1-1的厚度与第一壳体1-0的厚度之比为(1-3)：10；具体地，第一回流单元1为回流管，回流管为长约10cm、直径约2cm的导气管，导流层1-1的填充长度为2cm的柱状泡沫镍金属；

为了加快氢气散热，如图1所示，还包括散热片2-3，设置于己字型弯折管上，冷风被吹送至散热片2-3上，具体地，散热片2-3壳沿与氢气流动方向垂直的方向上固定于己字型弯折管上；

还包括第二回流单元4，设置于散热单元2与过滤干燥单元3之间。第二回流单元4除了能进一步去除碱雾等杂质外，还能防止冷凝液进入过滤干燥单元3中，避免碱雾等杂质影响过滤干燥单元3；具体地，第二回流单元4与第一回流单元1相同，作为变型的实施方式，两者也可不同。

利用上述氢气净化装置进行测试过程如下：氢气发生装置由于反应剧烈放热，表面温度迅速达到70℃以上，第一回流单元1内由于氢气温度较高，经常积累冷凝液，温度在一小时内逐渐升至55-60℃；而散热单元2，更具体地，散热片2-3的温度始终维持在30℃以下，起到了冷凝的重要作用，极大减少了氢气中水和盐碱的含量；第二回流单元4的存在阻止了冷凝液进入过滤干燥单元3，保证了干燥剂的使用寿命。最终经过净化的氢气完全去除了杂质，可供氢氧燃料电池长期使用。

为了验证上述氢气净化装置对氢气的净化效果和可靠性，做如下测试：将由氢气发生装置0产生未经净化的氢气和经过上述氢气净化装置净化的氢气进行杂质含量的比较。考虑到氢气中杂质对电池的损伤主要为固态以及液态碱性杂质，无法使用气相色谱仪进行直接分析。测试实验使用2l超纯水装入洗气瓶中，分别将未经过氢气净化装置净化的氢气和经过氢气净化装置净化的氢气通入冷水进行杂质吸收，每30min对洗气瓶中用于吸收的水进行排ph测量，测量结果如图4所示，由图4中可以看出，将未经净化的氢气通入洗气瓶中，洗气瓶中水的ph持续上升，变为碱性，3h后达到10.5左右。将含碱量如此之高的氢气直接通入质子交换膜燃料电池，会使得质子交换膜燃料电池中的膜电极磺酸基遭到严重破坏。而经过氢气净化装置的氢气通入洗气瓶中时，洗气瓶里的水ph没有明显变化，始终维持在7左右，证明了氢气净化装置的有效性，保证了后续燃料电池系统的寿命。

实施例3

本实施例提供了一种氢气净化装置，在上述实施例1或2的基础上，作为可变型的实施方式，如图5所示，散热单元2为至少为两级，例如两级，从而在遇到散热压力增加，或者管路过长回流效果下降等情况时，可以通过多级来缓解上述情况，提高冷凝效果；需要说明的是氢气净化装置中回流单元的级数和散热单元可以根据实际需要设置，均视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内，而不仅限于图5所举出的一种级联方式。

散热管2-1盘绕形成具有散热面的盘管，送风装置2-2朝向散热面吹送冷风，该方式同样能加快氢气散热。

实施例4

本实施例提供了一种氢氧燃料电池系统，采用上述实施例1-3中任一项的氢气净化装置。进一步地，如图1所示，还包括氢气发生装置0，包括第二壳体，第二壳体顶端设置氢气出口0-1，底端设置废液出口0-2，氢气出口0-1与第一回流单元1连通，靠近废液出口0-2设置控制第二壳体内反应后的废液排出的控制阀0-3，控制阀0-3可为电磁阀，氢氧燃料电池工作时需要一定的氢气压力，整个系统内部处于相对较高的压力环境中，该控制阀0-3、氢氧燃料电池电堆及氢气压力配合，当控制阀0-3打开时，如每1-3min开启一次，前级系统的氢气压强迅速减小，使得后续净化装置内的气流向前流动，将冷凝的含碱液体向前逐级压回，最终回流至氢气发生装置0，并随废液一并排出，最终实现开阀自回流，能回流绝大多数的的碱雾，降低了过滤干燥单元3的吸收压力。

进一步地，还包括氢氧燃料电池电堆，包括阳极室、阴极室及分割两者的交换膜；阳极室与过滤干燥单元3连通，以使净化后的氢气进入阳极室，阴极室具有供氧气进入其内的开口，送风装置2-2将含氧气体送入阴极室，以向其供氧，优选地，送风装置2-2设置于氢氧燃料电池电堆与散热单元2之间。利用其不但能对氢氧燃料电池排风散热、供应氧气，而且送风装置2-2与氢气净化装置0中的散热单元配合构成风冷系统，还能提高氢气的冷凝效果，同时提高空间利用率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。