[发明专利]可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于环保、汽车领域，涉及对含氢气体进行净化处理的装置，尤其 是适用于对燃料电池汽车排放的含氢尾气进行净化处理的装置。

背景技术

燃料电池是一种等温条件下直接将储存在燃料(如氢气)和氧化剂中的化 学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，是一种新型的绿色能源技术。 以质子交换膜燃料电池为动力源的燃料电池汽车具有安静、高效和零排放等特 点，同时比以蓄电池为动力源的纯电动汽车具有更长的续驶里程，基于以上的 种种优点，人们对燃料电池汽车开展了积极的研究，并取得了巨大的进步，目 前，已经有不少汽车制造商研发，设计和生产出性能基本接近传统汽车的燃料 电池汽车，部分汽车已经进行了公路测试及商业化示范运行，燃料电池汽车市 场的前景光明。

为保证燃料电池运行性能稳定，燃料电池系统的氢气供应必须保证燃料氢 气均匀、充足、稳定地供给电池组的每个单电池。由于燃料电池使用固体聚合 物质子交换膜为电解质，其性能受质子交换膜电导率的影响十分显著，现在使 用的质子交换膜的电导率与其自身的含水量密切相关，这就要求反应气体在进 入电堆前先进行增湿，将一定量的水分带入电堆，使质子交换膜保持湿润的状 态，增加交换膜的电导率。为了提高氢气的利用效率，电堆运行过程中，氢气 尾排口大部分时间是关闭的状态，随着运行时间的增长，水分会在电堆阳极侧 的导流槽中汇集，使导流槽发生“堵水”，同时碳纸中的气体扩散层还会发生“水 淹”现象，阻碍氢气的传质过程，导致电堆性能下降。因此，电堆运行的过程 中需要保证每个单电池氢气侧的导流槽中不会发生“堵水”现象，现行的策略 是在电堆阳极侧的出口安装一个排水、排氢的电磁阀，该电磁阀每隔一定的时 间开启一次，氢气流高速排出，带走阳极侧的水分，以实现以下的功能：

1、有利于燃料电池堆中氢气侧积水排放，防止“堵水”发生；

2、燃料电池系统工作时间较长时，由于大量氢气的输入与长时间循环，氢 气中会累计一定量的杂质气体。运行时间越长，杂质气体浓度越高，不利于燃 料电池系统的性能稳定。排气过程会将这些杂质带出电堆，减少对电堆性能的 影响。

排水/排氢电磁阀的开启和排氢间隔时间取决于燃料电池系统的性能，一般 情况下，电磁阀的开启时间在0.5～1s左右，两次排氢的间隔时间在十几至几 十秒之间。由于氢气侧压力较高，一次排放的氢气量也较大；此外，燃料电池 汽车在启动和怠速时，排氢的频率会加快，排放的氢气量也相应的增多。作为 一种具有可燃性和爆炸性的气体，氢气的爆炸极限为4％-76％，一旦遇到明火或 静电就会发生燃烧甚至爆炸。大量的氢气进入大气层还会干扰臭氧形成的过程， 造成持续时间更长的臭氧空洞，如不进行有效的处理，将会对大气、环境和人 类的健康造成潜在危害，因此，妥善的处理汽车的含氢尾气有利于燃料电池汽 车的安全使用和发展，并实现真正的零排放。

传统内燃汽车的尾气净化系统比较简单，实际上就是一个尾气净化器，尾 气中的有害物质通过净化器后，经催化反应而达到净化的目的。燃料电池汽车 的尾气净化系统与传统汽车的有本质差别，而且系统远比传统汽车复杂。一方 面，燃料电池汽车尾气中氢气的排放是间歇式的，而且在排放瞬间尾气中氢气 的浓度常常会处于爆炸极限范围内，所以系统要考虑解决排氢的均一化问题； 另一方面，尾气中含水量较高，这常常会导致催化剂失效，所以系统必须考虑 除水装置；此外，燃料电池汽车(FCV)尾气的温度远低于传统汽车尾气的温度， 需要考虑催化燃烧的低温启动特性。鉴于FCV尾气的排放特性，本发明提出以 下发明内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车尾气脱氢处理的安全、高效净化 处理系统。该系统能够将燃料电池汽车尾气中含有的氢气以催化燃烧的方式消 耗掉，使尾排气中氢气的含量大大降低，减轻排放的氢气对环境可能带来的危 害。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种可用于处理燃料电池汽车尾气的脱氢净化处理系统，，包括三向电磁 阀、氢气缓冲装置、汽水分离器、氢气催化燃烧净化处理装置、氢气紧急排空 管、温度监测装置、氢气传感器和系统控制模块，其中，三向电磁阀的进口端 与燃料电池阳极侧排气口连接，电磁阀的一个出口与氢气缓冲装置连接，保持 常开状态；另一个出口与氢气紧急排空管连接；该电磁阀与氢气缓冲装置连接 处还与汽水分离器、催化燃烧净化处理装置相连。