[發明專利]一種燃料電池尾氣處理及高效能量回收系統及其控制方法

在審

• 申請號: 202211257293.2
• 申請日: 2022-10-14
• 公開（公告）號: CN115663246A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 黃帆;賈鵬偉;吳海飛
• 申請（專利權）人: 上海上氫能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0662
• 分類號: H01M8/0662;H01M8/04111;H01M8/04701
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種燃料電池尾氣處理及高效能量回收系統，包括與電堆連接的空氣子系統和氫氣子系統，空氣子系統包括組合閥，背壓閥、氫氣反應器、渦輪膨脹機、第二空氣流量計和依次連接的空氣濾清器、空氣壓縮機、中冷器；組合閥的第一接頭與中冷器出口相連，組合閥的第二接頭與第二空氣流量計相連，組合閥的第三接頭與電堆空氣進口相連，第二空氣流量計與氫氣反應器入口相連；氫氣子系統包括分水器、電磁閥和依次相連的比例閥、氫氣循環處理系統，分水器連接電磁閥，電磁閥出口通過排氣管路與氫氣反應器入口相連。本系統利用氫氣無火催化燃燒原理，氫氣反應器基本消除了燃料電池尾排氣體中的氫氣，可以使得燃料電池系統安全運行。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池尾氣處理及高效能量回收系統及其控制方法。

背景技術

氫燃料電池是通過電化學反應將燃料中的化學能轉化為電能。氫燃料電池在運行過程中會排出少部分未參加電化學反應的氫氣以及過量未參加電化學反應的空氣，并排出部分生成水。而氫氣在空氣中的爆炸極限為4％-75.6％(體積濃度)，為了保證燃料電池系統的氫氣使用安全，需要將氫氣濃度降低到安全范圍內(＜3％)。同時燃料電池的尾排氣體具有一定的壓力和溫度，直接排到環境中也會造成能量浪費。

目前主要方法是通過增大空氣流量來稀釋尾排氣體中的氫氣濃度，將氫氣濃度降低到1％-2％左右，但是此種方法同樣無法滿足燃料電池系統在封閉/密閉環境中運行；針對燃料電池尾排氣體的能量回收目前主要是通過增加渦輪膨脹機回收燃料電池尾排氣體的能量，但是燃料電池尾排氣體溫度一般只有70-80℃，渦輪膨脹機只能回收空氣壓縮機10％左右的功率，而且由于燃料電池尾排氣體中含有液態水，需要在渦輪膨脹機前增加分水器分離尾排氣體中的液態水，由于尾排氣體溫度低，液態水無法完全分離，極大影響了渦輪膨脹機的使用壽命。

發明內容

本發明的目的在于提供一種燃料電池尾氣處理及高效能量回收系統及其控制方法，以解決背景技術中提到的問題。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種燃料電池尾氣處理及高效能量回收系統，包括與電堆連接的空氣子系統和氫氣子系統，所述空氣子系統包括組合閥，背壓閥、氫氣反應器、渦輪膨脹機、第二空氣流量計和依次連接的空氣濾清器、第一空氣流量計、空氣壓縮機、中冷器；所述組合閥的第一接頭與中冷器出口相連，組合閥的第二接頭與第二空氣流量計相連，組合閥的第三接頭與電堆空氣進口相連，電堆空氣出口與背壓閥、氫氣反應器、渦輪膨脹機依次相連，同時第二空氣流量計與氫氣反應器入口相連；所述氫氣子系統包括分水器、電磁閥和依次相連的比例閥、氫氣循環處理系統，所述分水器分別連接電堆的氫氣出口、氫氣循環處理系統和電磁閥，所述電磁閥出口通過排氣管路與氫氣反應器入口相連。

優選地，所述第一空氣流量計用于檢測所述空氣壓縮機進口的空氣流量；所述第二空氣流量計用于檢測旁通未進入所述電堆的空氣流量；所述氫氣反應器入口處安裝有氫氣濃度傳感器，氫氣濃度傳感器用于檢測進入氫氣反應器尾排氣體的氫氣濃度；所述第一空氣流量計輸出值與第二流量計輸出值的比例是通過所述組合閥的開度進行調節；所述空氣壓縮機與渦輪膨脹機通過電機進行動力相連；所述渦輪膨脹機為可變截面渦輪膨脹機。

優選地，所述氫氣反應器沿氣流方向依次為氫氣反應器進口段、催化反應段、氫氣反應器出口段，所述氫氣反應器進口段設有氣液分離裝置、儲液室；所述催化反應段填充負載型鈀、鉑等催化劑顆粒。

優選地，所述氣液分離裝置為高效波紋葉片式分離器或者錐體絲網分離器；所述儲液室為倒錐結構，底部設有排水口；所述氫氣反應器外殼設有吊裝固定孔；所述催化反應段內設有溫度傳感器，實時監測氫氣反應器內催化反應溫度；所述氫氣反應器的為氫氣反應器進口段和氫氣反應器出口段均設置阻火器，防止溫度過高時造成安全隱患。

一種燃料電池尾氣處理和高效能量回收系統的控制方法，包括：

步驟1，燃料電池發動機啟動，零部件自檢完成后，空氣壓縮機和渦輪膨脹機啟動，同時調整組合閥開度和渦輪膨脹機進口截面，使得空氣通過組合閥的第二接頭進入氫氣反應器；