[發明專利]燃料電池陽極尾氣處理系統和處理方法

有效

• 申請號: 200910147745.X
• 申請日: 2009-06-19
• 公開（公告）號: CN101604758A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 齊志剛
• 申請（專利權）人: 武漢銀泰科技燃料電池有限公司
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06;H01M8/22;B01D53/86;B01D53/76
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及燃料電池，具體來說是燃料電池中陽極尾氣的處理方法和系統。

背景技術

為了解決環境污染和化石燃料日益枯竭的迫切問題，世界各國都對燃料電池進行了廣泛的關注，因為燃料電池是一種高效清潔能源，對環境沒有或只有很小的污染，并能用可再生性物質如氫氣和甲醇做為燃料。很多國家尤其是發達國家已投入了大量的人力物力和財力對燃料電池進行廣泛的研究和開發。作為發展中國家的中國也加大了對燃料電池研發的投入。很多省市已把開發燃料電池提升到了戰略高度，并把開發燃料電池作為最重要的研發方向之一。

燃料電池是一種電化學能量轉換器，把燃料(和空氣)中的化學能直接轉化成電能。電堆是燃料電池系統中的核心部分。燃料在燃料電池系統中電堆的陽極被氧化，氧氣(一般從空氣中取得)在燃料電池系統中的電堆的陰極被還原。只要有燃料和氧氣不停地輸入，燃料電池就能源源不斷地產生電能。反應式(1)表述了氫氣在陽極的氧化過程，反應式(2)表述了甲醇在陽極的氧化過程，反應式(3)表述了相應的氧氣在陰極的還原過程：

H₂＝2H⁺+2e^-????????????????????(1)

CH₃OH+H₂O＝CO₂+6H⁺+6e^-????(2)

O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O??????????(3)

鉑和鉑系合金的納米顆粒一般做為催化劑以加速這些反應的進行。另外，為了保證反應速度和減小過電壓造成的能量損耗，燃料和空氣都分別以超過反應計量比的流量被送入電堆的陽極和陰極。過量的空氣可以直接排入大氣，但過量的燃料不可以直接排入大氣，否則會造成燃料浪費，環境污染，并可能引起燃燒和爆炸。

目前燃料進出電堆的方式有如下兩種：

第一種也是最常用的一種是開通的進口和出口。為避免燃料浪費和造成環境問題，如圖1所示，電堆1的出口可用導管通過單向閥2返接回入口，把陽極尾氣返送到燃料入口處加以利用。這樣就形成了一個陽極尾氣的循環回路。這種方法的一個缺點是尾氣中的非燃料物質越集越多從而導致燃料電池效率降低。在這種兩頭開通的設計中有時陽極尾氣直接排放到大氣中而不進行任何循環，導致燃料浪費和造成環境問題。為減小環境危害，陽極尾氣已被考慮到用一個高溫反應器使其燃燒掉。該反應器只能在很高的溫度下(如500℃)才能引起陽極尾氣中的燃料燃燒，而且需要考慮如何把適量的空氣輸送到該高溫反應器。輸送空氣的設備不但占有空間，而且消耗能量。

第二種是開通的進口但關閉的出口(dead-end)，如圖2所示，電堆1的出口大部分時間是關閉的，但當反應產物如水或非反應物如氮氣在陽極通道中累集過多時，它們會阻止燃料向電極反應層的擴散速度，從而引起電堆輸出功率的下降。這時，陽極出口的排氣閥3會瞬間打開以便將這些物質快速排出(purge)，進而恢復電堆的輸出功率。陽極出口打開的時間間隔以及每次打開的時間長短可以事先設定好，也可以根據電堆的功況進行邏輯選擇。陽極出口每次打開的時間通常很短，如幾分之一秒。遺憾的是目前這類燃料電池都直接把陽極尾氣排入了大氣。雖然每次排出量不大，但往往排出的頻率很高，如每分鐘至少排出一次，造成有大約5％左右的燃料排入了周圍環境，仍然會對環境造成一定污染。

發明內容

本發明的目的在于提供一種燃料電池陽極尾氣處理的新方法，以解決目前電堆的上述兩種燃料進出方式存在的燃料直接排放到環境中造成環境污染的缺陷。

本發明提供的燃料電池陽極尾氣處理方法，其技術方案為：在燃料電池電堆的陽極尾氣出口位于排氣閥外側的尾氣排放口處加裝有催化氧化作用的催化劑，使得電堆排放的陽極尾氣中的燃料在催化劑作用下，與空氣中的氧進行催化氧化化學反應將燃料氧化掉。

如果燃料是氫氣，該化學反應如反應式(4)所示。如果燃料是甲醇，該化學反應如反應式(5)所示：

2H₂+O₂＝2H₂O?????????????????(4)

2CH₃OH+3O₂＝2CO₂+4H₂O????????(5)