[发明专利]燃料电池汽车氢气安全排放用尾气处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能对燃料电池汽车排放的氢气尾气进行缓冲稀释处理、控制其排放的尾气中氢气浓度在安全范围内的缓冲稀释处理装置。 

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料(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、高效和零污染等特点，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。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。 

燃料电池汽车的空气是由鼓风机或空气压缩机来提供，过量的空气经燃料电池反应后排到大气当中。它是通过控制空气的过量比系数采取连续排放的方式来排放空气尾气。 

传统内燃机汽车尾气中还原型气体的浓度远远低于爆炸极限浓度范围，所以不需要在其尾气净化器中增加尾气缓冲稀释装置。燃料电池汽车的排放尾气中阳极侧排放的是含高湿度的氢气，如果直接排放到大气中，或简单和阴极侧的空气混合后排放到大气中的尾气中氢气浓度会处于爆炸极限范围内，对于燃料电池汽车的正常使用会带来严重的安全隐患；另一方面，燃料电池汽车尾气中氢气的排放是间歇式的，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，所以装置要考虑解决排氢的均一化问题。日本Honda公司的燃料电池尾气处理的装置(US7358002B2和US7371477B2)专利只是简单的将燃料电池所有的尾气排放到一个密闭腔体里混合，通过加大空气的流量来对氢气尾气进行稀释，这除了需要消耗额外的能量外，还需要增加对风机实时的复杂控制。其方法没有用到类似气体缓冲置换稀释的装置。同济大学汽车学院在可用于燃料电池含氢尾气脱氢净化系统和方法专利(200710171558.6)中提到了一种含氢尾气缓冲装置，它采用的是一种带弹簧缓冲的腔体来对含氢尾气进行缓冲，解决氢气排放的均一化问题。该方法如何通过很好的调节弹簧的回弹速度来控制氢气的排放的速度是一个较复杂的问题，并牵涉到一些活动部件(如弹簧等)的耐久性问题。鉴于FCV尾气的排放特性和已有申请和公开专利的特点，本发明提出一种更为简单易行的缓冲稀释装置。 

发明内容

为了妥善处理燃料电池汽车排放出来的尾气，使尾气中氢气浓度低于爆炸极限范围，本发明提供一种燃料电池汽车尾气安全排氢的缓冲稀释装置，该装置能够将燃料电池汽车尾气中的氢气浓度降低到爆炸极限范围以下，消除氢气排放带来的安全隐患。