一种燃料电池尾气催化处理的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池尾气处理领域，涉及一种用于氢氧燃料电池尾气催化处理的装置和方法以及在潮湿氛围下可以有效催化氢氧复合气体的疏水型催化剂的制备方法。
【背景技术】
[0002]氢气燃料电池系统的尾气主要来源于电池阳极侧排放出的氢气。为保证氢气的利用率，供氢回路一般对剩余气体进行封闭回收，但随着电池的运行，电池阳极侧含有的杂质气体会不断累积，导致催化剂中毒，对电池性能产生不利影响，并且增湿水也会在气体流道和MEA上聚集，达到一定程度会使电池电极发生“水淹”现象，从而降低电池性能。目前解决这一问题的方式是，对阳极侧氢气进行间歇式排放。在阳极侧出口管路安装一个电磁阀，电磁阀通常处于关闭状态，保证阳极侧内氢气具有较高压力，但随着电池运行状态和工况的不同，电磁阀每隔一定时间开启一次，水分和气体随高速气流排出，然后电磁阀关闭。氢气是易燃易爆的危险气体，在通风不畅的环境中，排放的氢气容易堆积，在小范围空间里达到爆炸极限，即便在开放环境中，有明火或者电火花的条件下，也可能触发造成氢气的爆炸。另一方面，部分氢气会到达平流层扰乱臭氧层的形成，对环境有所危害。
[0003]氢气燃料电池系统的阴极同时也存在尾气的排放，为稳定的空气(氧气)流，以及随气体带出的反应生成的水分。
[0004]燃料电池的工作温度较低，一般在80°C左右，尾气的出口温度应该低于该温度，这就要求尾气处理的催化剂要有良好的低温活性；此外，由于氢气属于易燃易爆的气体，对于燃料电池尾气的处理一定要强调其的安全性与可靠性。国内外的很多学者对此进行了研宄，绝大部分的处理方式集中在尾气稀释法和催化燃烧法。
[0005]中国专利公开号为CN101323247，公开了一种用于燃料电池客车排放的氢气的稀释装置，该装置由一个筒状主体、筒体内交错的隔板、光电传感器、风扇、氢气尾排管等组成，多块隔板可使氢空混合气混合的更加均匀，避免了混合气中氢气浓度局部过大。该装置使得燃料电池客车的各种工况下都能使脉冲浓度降低到安全范围，若采此方法，尾排气体没有经过处理，在密闭或者通风不畅的环境下，氢气会积累，存在爆炸危险；排放到大气氛围中，有可能对臭氧层造成破坏。
[0006]中国专利公开号为CNlO 1604758，公开了一套燃料电池阳极尾气处理系统，该系统的主要组成部分是催化剂部件和汽水分离器。燃料电池阳极排放的尾氢通过电磁阀进入催化燃烧区域，与另一端进入的空气混合进行氧化，尾氢将电堆带出的水分和氢氧反应生成的水进入汽水分离器分离，防止水汽堵塞排气管道，影响催化的效果。若采此方法，需要额外的汽水装置处理气体中的水分，对于极易爆炸的氢氧复合催化过程增加了不确定性，难以保证本质安全。
[0007]此外，这些已知的燃料电池尾气处理装置和办法，尚不能实现在保证本质安全的情况下对含水汽的含氢尾气进行处理。因此，针对氢氧燃料电池尾气，需要开发一种在在潮湿氛围下可以有效实现催化氢氧复合气体的装置和方法。
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池尾气催化处理的装置及其方法，该装置和方法将疏水Pt-Al2O3集成在微型板式反应器中，在潮湿氛围下有效实现催化氢氧复合气体，工艺简单、安全、高效优点。
[0009]本发明目的还在于提供一种具有经疏水改性Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板的涂层涂覆方法和该疏水改性的Pt-Al2O3催化剂。
[0010]本发明的技术方案如下:
[0011]一种燃料电池尾气催化处理的装置，其特征在于:所述装置包括气体混合器3，所述气体混合器3的入口分别与燃料电池阳极端的氢气出口管道和燃料电池阴极端的空气出口管道连接，所述气体混合器3的出口与微型板式反应器6连接，所述微型板式反应器6内部设置具有经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板，在所述微型板式反应器6的周围设置对反应器进行精确的控温加热系统7和热电偶8，所述氢气和空气通过气体混合器3混合后，进入微型板式反应器6中催化处理，排入大气。
[0012]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，在所述气体混合器3和燃料电池阳极端的氢气出口之间的管道上设置第一气体质量流量计1，在所述气体混合器3和燃料电池阴极端的空气出口之间的管道上设置第二气体质量流量计11。
[0013]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，优选的是，在所述气体混合器3与微型板式反应器6之间设置并联的两条管道，在所述两条管道上均设置有球阀，在其中的一条管道上的球阀后面设置有气体加湿器5，用于使混合气体在潮湿和干燥条件下切换。
[0014]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，优选的是，在所述微型板式反应器6后面依次连接用于干燥反应尾气的干燥器9和用于对气体含量进行测量的气相色谱仪10。
[0015]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，优选的是，所述通道板为带有槽道的铁铬铝板。
[0016]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，所述的微型板式反应器6设置有上盖板61和下盖板62，在所述上盖板61上设置有混合气体的入口 63和出口 64，在所述上盖板61和下盖板62之间设置具有经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板66，在通道板66周围设置用于使混合气体不泄露的封闭槽65，所述上盖板61和下盖板62通过螺栓固定。(如图2所示内槽道从入口进气，后为渐开式，渐开式的角度α =120度。)
[0017]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，所述具有经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板的涂层方法:
[0018]I)将氧化铝纳米粉料及浓硝酸溶液、去离子水混合，所述氧化铝粉料:浓硝酸:去离子水=0.5-1.5g:0.5-1.5ml:3-5ml，搅拌形成胶体，涂覆在具有槽道的铁铬铝板上，干燥，于400-50(TC煅烧1.5-2.5h，冷至室温，得到氧化铝涂层，真空封装保存；
[0019]2)将氯铂酸与乙醇按配比为0.5-1.5mg/0.5-1.5ml，配制成氯铂酸乙醇溶液；将步骤(I)所述得到的氧化铝涂层浸泡，干燥，于400-50(TC煅烧1.5-2.5h，再重复上述过程后，用氢气还原，得到Pt-Al2O3铁铬铝板保存待用；
[0020]3)对步骤⑵所得Pt-Al2O3铁铬铝板疏水处理，将所述Pt-Al 203铁铬铝板置于三乙氧基-1H，1H, 2H, 2H-十三氟-N-辛基硅烷乙醇溶液中浸泡12_36h，洗涤，干燥，此过程重复1-5次，优选2-5次，得到具有经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板。
[0021 ] 上述疏水处理重复I次，得到的疏水改性催化剂为1WM-Pt-Al203;l述疏水处理重复3次，得到的疏水改性催化剂为3WM-Pt-Al203;上述疏水处理重复5次，得到的疏水改性催化剂为 5WM-Pt-Al203。
[0022]本发明还提供一种燃料电池尾气催化处理的方法，其特征在于，所述方法应用上述的催化处理的装置，包括如下步骤:
[0023]燃料电池阳极端的氢气和燃料电池阴极端的空气，分别经过气体质量流量计控制的氢气和空气的量，使两种气体混合后，进入气体混合器，然后进入微型板式反应器，在疏水改性的Pt-Al2O3催化剂的作用下，进行催化处理后，经气体分析仪来测试排放氢气浓度后，符合标准排入大气。
[0024]本发明还提供一种具有经疏水改性Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板的涂层涂覆方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0025]I)将氧化铝纳米粉料及浓硝酸溶液、去离子水混合，所述氧化铝粉料:浓硝酸:去离子水=0.5-1.5g:0.5-1.5ml:3-5ml，搅拌形成胶体，涂覆在具有槽道的铁铬铝板上，干燥，于400-50(TC煅烧1.5-2.5h，冷至室温，得到氧化铝涂层，真空封装保存；
[0026]2)将氯铂酸与乙醇按配比为0.5-1.5mg/0.5-1.5ml，配制成氯铂酸乙醇溶液；将步骤(I)所述得到的氧化铝涂层浸泡，干燥，于400-50(TC煅烧1.5-2.5h，再重复上述过程后，用氢气还原，得到Pt-Al2O3铁铬铝板保存待用；
[0027]3)对步骤⑵所得Pt-Al2O3铁铬铝板疏水处理，将所述Pt-Al 203铁铬铝板置于三乙氧基-1H，1H, 2H, 2H-十三氟-N-辛基硅烷乙醇溶液中浸泡12_36h，洗涤，干燥，此过程重复1-5次，优选2-5次，得到具有经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板。
[0028]上述疏水处理重复I次，得到的疏水改性催化剂为1WM-Pt-Al203;l述疏水处理重复3次，得到的疏水改性催化剂为3WM-Pt-Al203;上述疏水处理重复5次，得到的疏水改性催化剂为 5WM-Pt-Al203。
[0029]根据本发明所述具有经疏水改性Pt-Al2O3催化剂涂层的通道板的涂层涂覆方法，在所述步骤(I)中形成胶体后需陈化l_3h ;所述涂覆完成后需陈化l_2h。
[0030]根据本发明所述燃料电池尾气催化处理的装置，所述经疏水改性的Pt-Al2O3催化剂通过将负载Pt的氧化铝涂覆在铁铬铝板上，经疏水处理而制得；所述金属铂的负载量为2.5-3wt%，以铂和Al2O3总质量计。
[0031]本发明提供的一种用于氢氧燃料电池尾气处理的催化燃烧装置，包括阳极端氢气和阴极端空气分别与气体质量流量计I和11通过管道连接；气体混合器3接入计量控制的氢气和空气使气体混合均匀；球阀4与气体加湿器5相连