[發(fā)明專利]一種密閉環(huán)境用氫氧燃料電池氫氣尾氣回收裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911402356.7
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN113120861B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭秀梅;葉建華;李志念;武媛方;蔣利軍;袁寶龍;盧淼;王樹茂;郝雷;苑慧萍
• 申請（專利權(quán)）人: 有研工程技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: C01B3/56
• 分類號: C01B3/56;C01B3/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青

本發(fā)明公開了一種密閉環(huán)境用氫氧燃料電池氫氣尾氣回收裝置。該回收裝置包括通過管路依次連接的除水系統(tǒng)、純化系統(tǒng)和氫氣回收系統(tǒng)；所述除水系統(tǒng)包括裝填分子篩材料的除水柱、以及除水柱再生裝置；所述純化系統(tǒng)包括純化柱、以及純化柱再生裝置，純化柱中裝填氫氣純化材料；所述的氫氣回收系統(tǒng)包括兩個以上的氫氣回收罐、與各氫氣回收罐對應(yīng)的加熱裝置和壓力傳感器，各氫氣回收罐中裝填金屬氫化物儲氫材料。本發(fā)明的氫氣尾氣回收裝置可實(shí)現(xiàn)對密閉環(huán)境中工作的氫氧燃料電池氫氣尾氣中氫氣的高效吸收，并在需要時可逆放出高純氫氣，為燃料電池提供燃料，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用，提高燃料利用效率和系統(tǒng)的續(xù)航里程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種密閉環(huán)境用氫氧燃料電池氫氣尾氣回收裝置，屬于氫能領(lǐng)域的氫氣回收技術(shù)。

背景技術(shù)

密閉環(huán)境下使用的氫氧燃料電池系統(tǒng)主要用于航天航空、軍事、水下作業(yè)裝置等特殊用途領(lǐng)域。目前，雖然氫氧型燃料電池氫氣利用率可達(dá)到98-99％，但仍會在反應(yīng)過程中產(chǎn)生一定量的氫氣尾氣。另外，為了降低燃料電池系統(tǒng)對外部功率需求的動態(tài)響應(yīng)時間，往往需通入過量的氫氣和氧氣，這也會導(dǎo)致大量氫氣尾氣的排放。由于氫氣的爆炸濃度極限很寬，在密閉環(huán)境中，排放的氫氣易富集于空間的頂部，導(dǎo)致局部空間內(nèi)氫氣濃度達(dá)到爆炸極限范圍，產(chǎn)生危險。因此，需對燃料電池排放出的氫氣尾氣進(jìn)行有效的處理。保證氫氧型燃料電池在密封空間內(nèi)長時間連續(xù)供電工作的安全性。

對于燃料電池氫氣尾氣的處理方法，主要包括：尾氣稀釋法、催化燃燒法、微通道反應(yīng)器催化燃燒法、尾氣循環(huán)法等。其中，尾氣稀釋法是將排放的氫氣尾氣通入一個特殊結(jié)構(gòu)的容器內(nèi)，通過稀釋使氫氣的排放濃度低于氫氣的爆炸極限，然后將氣體排入大氣中。催化燃燒法是使氫氣在催化反應(yīng)器內(nèi)與空氣發(fā)生低溫?zé)o火焰燃燒生成水，以達(dá)到消除氫氣的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但能夠處理的氫氣濃度較低，需要對氫氣進(jìn)行稀釋且用于稀釋的氣體量較大，導(dǎo)致催化反應(yīng)器占用空間較大。隨著技術(shù)的發(fā)展，在尾氫處理技術(shù)中又出現(xiàn)了微通道反應(yīng)器催化燃燒法，微通道反應(yīng)器具有體積小巧、安全可靠的特點(diǎn)，但由于其微通道尺寸較小，導(dǎo)致氣體流阻增大，不利于處理大流量的氫氣尾氣。并且其制作難度大、加工成本高，目前僅出于實(shí)驗(yàn)室研究階段。目前，另外一種處于實(shí)驗(yàn)室研究階段的尾氫處理方法是氫氣尾氣循環(huán)法，這種方法通過引射器或?qū)Ｓ玫难h(huán)泵將氫氣尾氣再次循環(huán)進(jìn)入燃料電池供氫系統(tǒng)，未參加反應(yīng)的氫氣可被循環(huán)使用，提高燃料利用效率，并保持陽極側(cè)的濕度。

對于密閉環(huán)境下工作的氫氧燃料電池而言，其在工作過程中無法直接將尾氣排向大氣，更不能直接排放到密閉環(huán)境中，因此無法利用尾氣稀釋法進(jìn)行尾氣處理。并且，由于密閉環(huán)境的空間限制，催化燃燒法所需的催化反應(yīng)器體積也要盡量減小，這就導(dǎo)致催化反應(yīng)器的尾氣處理能力下降，無法滿足大功率燃料電池氫氣尾氣處理的需求。同時，燃料電池系統(tǒng)工作時攜帶一定量的燃料，在作業(yè)結(jié)束后方可返回重新加載燃料，如果氫氣尾氣直接通過催化燃燒法消耗掉，勢必影響系統(tǒng)的續(xù)航里程。尾氣循環(huán)法雖然可以實(shí)現(xiàn)尾氫的循環(huán)利用，但由于氫源中含有一定量的雜質(zhì)氣體，對純氫而言，其純度為99.99％，其中主要雜質(zhì)氣體及其含量分別為O₂≤5ppm、N₂≤60ppm、CO≤5ppm、CO₂≤5ppm、CH₄≤10ppm、H₂O≤30ppm，若氫氧燃料電池對氫氣的利用效率為99％，則尾氫中的雜質(zhì)氣體濃度被濃縮約100倍，達(dá)到1％的含量，其中的H₂O經(jīng)汽水分離器后達(dá)到-50℃的露點(diǎn)，水含量≤30ppm，高濃度雜質(zhì)氣體主要為O₂、N₂、CH₄和CO、CO₂等。若將這種含高濃度雜質(zhì)氣體的尾氫直接導(dǎo)入燃料電池供氫管路，高濃度的N₂、O₂將會影響氫氣在燃料電池中的擴(kuò)散，從而影響燃料電池的性能，而碳化物則會直接導(dǎo)致燃料電池催化劑的中毒，從而嚴(yán)重影響燃料電池的使用性能。因此，在循環(huán)利用前對尾氫進(jìn)行提純處理是保證燃料電池高效工作的關(guān)鍵。亟需開發(fā)一種可對氫氣尾氣進(jìn)行高效回收的氫氣回收裝置，對尾氣中的氫氣進(jìn)行高效吸收，并在需要時可逆放出高純氫氣，為燃料電池提供燃料，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用，提高燃料利用效率和系統(tǒng)的續(xù)航里程。