一种燃料电池阳极尾气处理系统装置及其尾气处理方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池阳极尾气处理系统装置及其尾气处理方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种通过催化剂将阳极氢气分解为质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，电子、质子与氧气在阴极催化剂催化下生成水的电化学装置。此电化学装置也被称为电堆，电堆阳极反应剩余的气体尾气中包含高浓度的氢气和少量的氮气和水分。含氮的尾气降低了燃料氢气的利用率，同时高浓度氢气的排放易引发氢气聚集，存在起火和爆炸等安全风险。
3.cn101604758b公开了一种燃料电池阳极尾气处理方法和系统，是在燃料电池电堆的阳极尾气出口位于排气阀外侧的尾气排放口处加装有催化氧化作用的催化剂，使得电堆排放的阳极尾气中的燃料在催化剂作用下，与空气中的氧进行催化氧化化学反应将燃料氧化掉。在保证燃料电池的输出功率情况下，避免了尾气中的燃料排放到环境中造成污染和发生燃烧和爆炸的危险。但是阳极尾气中的氢气经反应处理后，无法循环利用，造成了氢气的浪费。
4.cn203690407u公开了一种质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，属于燃料电池技术领域。该装置主要由内、外筒、连接杆、传动轴组成。原料气从外腔流过，燃料电池阳极尾气进入内腔。内筒可随传动轴一起转动；内筒内壁上有多孔状小凸起，且内壁上有很薄的催化剂层；内筒壁上开有小孔，与外腔相通。该装置能够处理阳极尾气，减少对环境的污染和燃烧、爆炸等潜在危险。但是该装置采用催化剂处理尾气，尾气中的氢气无法循环利用，并且催化剂需要定期更换，增加了成本。
5.cn104733758b公开了一种用于氢氧燃料电池尾气催化处理的装置和方法。提供的燃料电池尾气催化处理的装置，包括气体混合器，所述气体混合器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，气体混合器的出口与微型板式反应器连接，微型板式反应器内部设置具有经疏水改性的具有催化剂涂层的通道板，在所述微型板式反应器的周围设置对反应器进行精确的控温加热系统和热电偶。主要利用微型板式反应器的狭缝阻火效应及疏水催化剂的疏水特性，实现尾气处理。该装置也采用了催化剂处理尾气，但尾气中的氢气无法循环利用，造成氢气浪费。
6.目前，尾气处理的方法还包括利用循环泵循环尾气后再排放，此方法能够一定程度降低排放量，但尾气的含氢浓度依然很高，存在燃烧和爆炸等潜在危险。
7.因此，亟需一种阳极尾气处理系统装置，将尾气中的氢气循环利用，提高氢气的利用率，降低排放尾气中的氢气浓度，提高安全性。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池阳极尾气处理系
统装置及其尾气处理方法，水气分离器和电化学氢泵能去除电堆阳极尾气中的水和氮气，提高尾气的含氢浓度，有利于尾气回流至电堆阳极进行循环利用，提高氢气的利用率。此外，本发明排出的尾气主要为氮气，仅含有少量氢气，具有高安全性。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统装置，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置包括电堆，所述电堆的阳极出口沿尾气流向依次连接有水气分离器和电化学氢泵，所述电化学氢泵的尾气出口连接所述电堆的阳极入口；
11.所述电化学氢泵设置有排氮口和排水口，所述电化学氢泵用于去除所述尾气中的氮气和水。
12.本发明提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统装置，水气分离器和电化学氢泵能去除电堆阳极尾气中的水和氮气，提高尾气的含氢浓度，有利于尾气回流至电堆阳极进行循环利用，提高氢气的利用率。其中，电堆阳极产生的尾气先进入水气分离器去除部分水，再进入电化学氢泵，能够提高电化学氢泵的尾气处理效率，减少尾气中水分对处理过程的干扰。此外，电化学氢泵设置有排氮口用于排出部分尾气，排出的尾气主要为氮气，具有低的含氢浓度，能大大提高装置的安全性。
13.作为本发明一种优选的技术方案，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置还包括直流电压变换器，还包括与所述电堆连接的直流电压变换器，所述直流电压变换器连接所述电化学氢泵的电源接口，所述直流电压变换器用于将所述电堆产生的高电压转化为低电压并供给所述电化学氢泵。
14.优选地，所述电化学氢泵的电压为恒定电压。
15.优选地，所述电化学氢泵的电压为0.03～0.2v，例如可以是0.03v、0.05v、0.08v、0.1v、0.12v、0.14v、0.16v、0.18v或0.2v，优选为0.03～0.1v，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.作为本发明一种优选的技术方案，所述直流电压变换器内设置有电流传感器，所述电流传感器用于测量供给所述电化学氢泵的电流。
17.优选地，所述电化学氢泵的消耗功率小于所述电堆总输出功率的1％，例如可以是0.9％、0.8％、0.7％、0.6％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％或0.1％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.作为本发明一种优选的技术方案，所述电化学氢泵包括外壳以及设置于外壳内的质子交换膜，所述质子交换膜的两侧分别设置有正极电极板和负极电极板。
19.本发明中，质子交换膜能够在润湿的状态下传导电流。
20.优选地，所述质子交换膜两侧涂覆有催化剂。
21.优选地，所述外壳是绝缘外壳。
22.作为本发明一种优选的技术方案，所述正极电极板内设置有正极流道，所述正极流道用于流通所述尾气。
23.优选地，所述负极电极板内设置有负极流道，所述负极流道用于流通所述尾气。
24.优选地，所述正极电极板上设置有尾气进口和排氮口，所述尾气进口连接所述水气分离器的出气口，所述尾气进口和所述排氮口之间通过所述正极流道联通。
25.优选地，所述负极电极板上设置有尾气出口和排水口，所述尾气出口连接所述电
堆的阳极入口，所述尾气出口和所述排水口之间通过所述负极流道联通。
26.优选地，所述电化学氢泵的排氮口连接的排氮管路上设置有排氮阀。
27.优选地，所述电化学氢泵的排水口连接的排水管路上设置有排水阀。
28.本发明对排氮阀和排水阀的种类不作具体限定，例如排氮阀可以是电磁阀，排水阀也可以是电磁阀。现有技术中已公开或新技术中未公开的阀均可用于本发明中，对此进行的常规替换得到的新的技术方案同样落入本发明的保护范围和公开范围之内。
29.作为本发明一种优选的技术方案，所述水气分离器的出气口分别连接所述电化学氢泵的尾气进口和所述电堆的阳极入口。
30.优选地，所述水气分离器的出气口与所述电堆的阳极入口之间的连接管路上设置有循环泵。
31.需要说明的是，所述循环泵的入口可以连接水气分离器的出气口，也可以连接在水气分离器出气口与电化学氢泵尾气进口的连接管路上。
32.优选地，所述水气分离器的出水口连接的出水管路上设置有出水阀。
33.本发明中，水气分离器的进气口连接电堆的阳极出口，阳极尾气从电堆阳极进入水气分离器以分离水，分离的液态水经打开的出水阀排出。
34.本发明对出水阀的种类不作具体限定，例如可以是电磁阀。现有技术中已公开或新技术中未公开的阀均可用于本发明中，对此进行的常规替换得到的新的技术方案同样落入本发明的保护范围和公开范围之内。
35.作为本发明一种优选的技术方案，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置包括氢源，所述氢源连接所述电堆的阳极入口，所述氢源用于向所述燃料电池的阳极提供氢气。
36.需要说明的是，可以是电化学氢泵的尾气出口直接连接电堆的阳极入口，也可以是电化学氢泵尾气出口所在的管路接入氢源与电堆阳极入口之间的连接管路。
37.需要说明的是，可以是循环泵的出口直接连接电堆的阳极入口，也可以是循环泵出口所在的管路接入氢源与电堆阳极入口之间的连接管路。
38.第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的燃料电池阳极尾气处理系统装置的尾气处理方法，所述尾气处理方法包括：
39.电堆的阳极产生的尾气进入水气分离器中，去除尾气中的部分水后，再进入电化学氢泵中，进行电化学反应去除尾气中的氮气和水，处理后的尾气回流至电堆的阳极。
40.作为本发明一种优选的技术方案，所述尾气处理方法具体包括以下步骤：
41.(1)所述电堆的阳极产生的尾气进入所述水气分离器中，分离出的水经所述出水口排出，分离后的一部分尾气经循环泵输送至所述电堆的阳极，另一部分尾气进入所述电化学氢泵内；
42.(2)进入所述电化学氢泵的尾气，在电压的作用下发生电化学反应，反应过程中，所述正极电极板内富集的氮气由所述排氮口排出，所述负极电极板内富集的水由所述排水口排出，所述负极电极板内的尾气回流至所述电堆的阳极。
43.本发明中，在正极电极板和负极电极板之间施加直流电压时，阳极尾气从正极电极板上的尾气进口通入，氮气在催化剂的作用下在正极电极板内发生氧化反应，生成的氢离子在电流的作用下携带水分子透过质子交换膜，在负极电极板内氢离子被还原为氢气，实现氢气由正极电极板向负极电极板转移。也就是尾气中的氢气和水在电流作用下透过质
子交换膜转移至负极电极板，尾气中的氮气保留在正极电极板内。负极电极板内的氢气由负极电极板上的尾气出口回流到电堆，氮气从正极电极板的排氮口排出，水从负极电极板的排水口排出。
44.在正极电极板和负极电极板之间施加直流电压时，负极电极板内的气体压力高于正极电极板内的气体压力，因此能够实现尾气从电化学氢泵回流到电堆。
45.作为本发明一种优选的技术方案，所述电化学反应的过程中，通过监测所述电化学氢泵的电流，控制排出所述氮气的时间间隔。
46.优选地，所述电化学氢泵的电流最小值是电流最大值的1/10～1/2，例如可以是0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
47.优选地，所述时间间隔为5～60s，例如可以是5s、10s、15s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
48.本发明中，恒定电压下，当正极电极板内没有氮气累积时，电化学氢泵的电流为i1。随着氮气浓度变高，电流逐渐下降，当下降到i0，打开排氮口，开始排出氮气；当电流恢复至i1，关闭排氮口，停止排出氮气。排出氮气的同时不可避免地会排出部分氢气，采用此方式能够减少氢气浪费。排出的氮气中混有少量氢气。
49.需要说明的是，排出氮气的时间间隔是指相邻两次氮气开始排出的时间的间隔或相邻两次氮气结束排出的时间的间隔。
50.所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
51.本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
52.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
53.本发明提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统装置，水气分离器和电化学氢泵能去除电堆阳极尾气中的水和氮气，提高尾气的含氢浓度，有利于尾气回流至电堆阳极进行循环利用，提高氢气的利用率。其中，电堆阳极产生的尾气先进入水气分离器去除部分水，再进入电化学氢泵，能够提高电化学氢泵的尾气处理效率，减少尾气中水分对处理过程的干扰。此外，电化学氢泵设置有排氮口用于排出部分尾气，排出的尾气主要为氮气，具有低的含氢浓度，能大大提高装置的安全性。
附图说明
54.图1为本发明一个具体实施方式提供的燃料电池阳极尾气处理系统装置的结构示意图；
55.图2为本发明一个具体实施方式提供的电化学氢泵的结构示意图；
56.图3为本发明另一个具体实施方式提供的电化学氢泵的电流或电压与时间的关系图；
57.其中，1-氢源；2-电堆；3-循环泵；4-水气分离器；5-出水阀；6-电化学氢泵；7-排氮阀；8-排水阀；9-直流电压变换器；601-正极电极板；602-质子交换膜；603-负极电极板；
604-尾气进口；605-尾气出口；606-排氮口；607-排水口；608-外壳。
具体实施方式
58.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
59.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
61.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统装置，如图1所示，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置包括电堆2，所述电堆2的阳极出口沿尾气流向依次连接有水气分离器4和电化学氢泵6，所述电化学氢泵6的尾气出口605连接所述电堆2的阳极入口；
62.所述电化学氢泵6设置有排氮口606和排水口607，所述电化学氢泵6用于去除所述尾气中的氮气和水。
63.本发明提供了一种燃料电池阳极尾气处理系统装置，水气分离器4和电化学氢泵6能去除电堆2阳极尾气中的水和氮气，提高尾气的含氢浓度，有利于尾气回流至电堆2阳极进行循环利用，提高氢气的利用率。其中，电堆2阳极产生的尾气先进入水气分离器4去除部分水，再进入电化学氢泵6，能够提高电化学氢泵6的尾气处理效率，减少尾气中水分对处理过程的干扰。此外，电化学氢泵6设置有排氮口606用于排出部分尾气，排出的尾气主要为氮气，具有低的含氢浓度，能大大提高装置的安全性。
64.进一步地，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置还包括与所述电堆2连接的直流电压变换器9，所述直流电压变换器9连接所述电化学氢泵6的电源接口，所述直流电压变换器9用于将所述电堆2产生的高电压转化为低电压并供给所述电化学氢泵6。
65.进一步地，所述电化学氢泵6的电压为恒定电压。
66.进一步地，所述电化学氢泵6的电压为0.03～0.2v，优选为0.03～0.1v。
67.进一步地，所述直流电压变换器9内设置有电流传感器，所述电流传感器用于测量供给所述电化学氢泵6的电流。
68.进一步地，所述电化学氢泵6的消耗功率小于所述电堆2总输出功率的1％。
69.进一步地，所述电化学氢泵6包括外壳608以及设置于外壳608内的质子交换膜602，所述质子交换膜602的两侧分别设置有正极电极板601和负极电极板603，如图2所示。
70.本发明中，质子交换膜602能够在润湿的状态下传导电流。
71.进一步地，所述质子交换膜602两侧涂覆有催化剂。
72.进一步地，所述外壳608是绝缘外壳。
73.进一步地，所述正极电极板601内设置有正极流道，所述正极流道用于流通所述尾气。
74.进一步地，所述负极电极板603内设置有负极流道，所述负极流道用于流通所述尾气。
75.进一步地，所述正极电极板601上设置有尾气进口604和排氮口606，所述尾气进口604连接所述水气分离器4的出气口，所述尾气进口604和所述排氮口606之间通过所述正极流道联通。
76.进一步地，所述负极电极板603上设置有尾气出口605和排水口607，所述尾气出口605连接所述电堆2的阳极入口，所述尾气出口605和所述排水口607之间通过所述负极流道联通。
77.进一步地，所述电化学氢泵6的排氮口606连接的排氮管路上设置有排氮阀7。
78.进一步地，所述电化学氢泵6的排水口607连接的排水管路上设置有排水阀8。
79.本发明对排氮阀7和排水阀8的种类不作具体限定，例如排氮阀7可以是电磁阀，排水阀8也可以是电磁阀。现有技术中已公开或新技术中未公开的阀均可用于本发明中，对此进行的常规替换得到的新的技术方案同样落入本发明的保护范围和公开范围之内。
80.进一步地，所述水气分离器4的出气口分别连接所述电化学氢泵6的尾气进口604和所述电堆2的阳极入口。
81.进一步地，所述水气分离器4的出气口与所述电堆2的阳极入口之间的连接管路上设置有循环泵3。
82.需要说明的是，所述循环泵3的入口可以连接水气分离器4的出气口，也可以连接在水气分离器4出气口与电化学氢泵6尾气进口604的连接管路上。
83.进一步地，所述水气分离器4的出水口连接的出水管路上设置有出水阀5。
84.本发明中，水气分离器4的进气口连接电堆2的阳极出口，阳极尾气从电堆2阳极进入水气分离器4以分离水，分离的液态水经打开的出水阀5排出。
85.本发明对出水阀5的种类不作具体限定，例如可以是电磁阀。现有技术中已公开或新技术中未公开的阀均可用于本发明中，对此进行的常规替换得到的新的技术方案同样落入本发明的保护范围和公开范围之内。
86.进一步地，所述燃料电池阳极尾气处理系统装置包括氢源1，所述氢源1连接所述电堆2的阳极入口，所述氢源1用于向所述燃料电池的阳极提供氢气。
87.需要说明的是，可以是电化学氢泵6的尾气出口605直接连接电堆2的阳极入口，也可以是电化学氢泵6尾气出口605所在的管路接入氢源1与电堆2阳极入口之间的连接管路。
88.需要说明的是，可以是循环泵3的出口直接连接电堆2的阳极入口，也可以是循环泵3出口所在的管路接入氢源1与电堆2阳极入口之间的连接管路。
89.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述的燃料电池阳极尾气处理系统装置的尾气处理方法，所述尾气处理方法包括：
90.电堆2的阳极产生的尾气进入水气分离器4中，去除尾气中的部分水后，再进入电
化学氢泵6中，进行电化学反应去除尾气中的氮气和水，处理后的尾气回流至电堆2的阳极。
91.进一步地，所述尾气处理方法具体包括以下步骤：
92.(1)所述电堆2的阳极产生的尾气进入所述水气分离器4中，分离出的水经所述出水口排出，分离后的一部分尾气经循环泵3输送至所述电堆2的阳极，另一部分尾气进入所述电化学氢泵6内；
93.(2)进入所述电化学氢泵6的尾气，在电压的作用下发生电化学反应，反应过程中，所述正极电极板601内富集的氮气由所述排氮口606排出，所述负极电极板603内富集的水由所述排水口607排出，所述负极电极板603内的尾气回流至所述电堆2的阳极。
94.本发明中，在正极电极板601和负极电极板603之间施加直流电压时，阳极尾气从正极电极板601上的尾气进口604通入，氮气在催化剂的作用下在正极电极板601内发生氧化反应，生成的氢离子在电流的作用下携带水分子透过质子交换膜602，在负极电极板603内氢离子被还原为氢气，实现氢气由正极电极板601向负极电极板603转移。也就是尾气中的氢气和水在电流作用下透过质子交换膜602转移至负极电极板603，尾气中的氮气保留在正极电极板601内。负极电极板603内的氢气由负极电极板603上的尾气出口605回流到电堆2，氮气从正极电极板601的排氮口606排出，水从负极电极板603的排水口607排出。
95.在正极电极板601和负极电极板603之间施加直流电压时，负极电极板603内的气体压力高于正极电极板601内的气体压力，因此能够实现尾气从电化学氢泵6回流到电堆2。
96.进一步地，所述电化学反应的过程中，通过监测所述电化学氢泵6的电流，控制排出所述氮气的时间间隔。
97.进一步地，所述电化学氢泵6的电流最小值是电流最大值的1/10～1/2。
98.进一步地，所述时间间隔为5～60s。
99.本发明中，恒定电压下，当正极电极板601内没有氮气累积时，电化学氢泵6的电流为i1。随着氮气浓度变高，电流逐渐下降，当下降到i0，打开排氮口606，开始排出氮气；当电流恢复至i1，关闭排氮口606，停止排出氮气，如图3所示。排出氮气的同时不可避免地会排出部分氢气，采用此方式能够减少氢气浪费。排出的氮气中混有少量氢气。
100.需要说明的是，排出氮气的时间间隔是指相邻两次氮气开始排出的时间的间隔或相邻两次氮气结束排出的时间的间隔。
101.实施例
102.本实施例提供了一种尾气处理方法，具体包括以下步骤：
103.(1)电堆2的阳极产生的尾气进入水气分离器4中进行水气分离，分离出的水经所述出水口排出，分离后的一部分尾气经循环泵3输送至所述电堆2的阳极，另一部分尾气进入所述电化学氢泵6内；
104.(2)进入所述电化学氢泵6的尾气，在恒定电压为0.03v的作用下发生电化学反应，反应过程中，正极电极板601内会富集氮气，通过监测电化学氢泵6的电流，控制氮气的排出时间间隔。当正极电极板601内没有氮气累积时，电化学氢泵6的电流为100a。随着氮气浓度变高，电流逐渐下降，当下降到20a，打开排氮口606，开始排出尾气；当电流恢复至100a，关闭排氮口606，停止排出尾气，排出的尾气中主要为氮气，还含有少量氢气；
105.排出的时间间隔为16秒；
106.(3)电化学反应过程中，负极电极板603内富集的水由排水口607排出，负极电极板
603内的尾气回流至电堆2的阳极循环利用。
107.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。