[发明专利]一种密闭环境用氢氧燃料电池氢气尾气回收装置

说明书

本发明公开了一种密闭环境用氢氧燃料电池氢气尾气回收装置。该回收装置包括通过管路依次连接的除水系统、纯化系统和氢气回收系统；所述除水系统包括装填分子筛材料的除水柱、以及除水柱再生装置；所述纯化系统包括纯化柱、以及纯化柱再生装置，纯化柱中装填氢气纯化材料；所述的氢气回收系统包括两个以上的氢气回收罐、与各氢气回收罐对应的加热装置和压力传感器，各氢气回收罐中装填金属氢化物储氢材料。本发明的氢气尾气回收装置可实现对密闭环境中工作的氢氧燃料电池氢气尾气中氢气的高效吸收，并在需要时可逆放出高纯氢气，为燃料电池提供燃料，实现氢气的循环利用，提高燃料利用效率和系统的续航里程。

技术领域

本发明涉及一种密闭环境用氢氧燃料电池氢气尾气回收装置，属于氢能领域的氢气回收技术。

背景技术

密闭环境下使用的氢氧燃料电池系统主要用于航天航空、军事、水下作业装置等特殊用途领域。目前，虽然氢氧型燃料电池氢气利用率可达到98-99％，但仍会在反应过程中产生一定量的氢气尾气。另外，为了降低燃料电池系统对外部功率需求的动态响应时间，往往需通入过量的氢气和氧气，这也会导致大量氢气尾气的排放。由于氢气的爆炸浓度极限很宽，在密闭环境中，排放的氢气易富集于空间的顶部，导致局部空间内氢气浓度达到爆炸极限范围，产生危险。因此，需对燃料电池排放出的氢气尾气进行有效的处理。保证氢氧型燃料电池在密封空间内长时间连续供电工作的安全性。

对于燃料电池氢气尾气的处理方法，主要包括：尾气稀释法、催化燃烧法、微通道反应器催化燃烧法、尾气循环法等。其中，尾气稀释法是将排放的氢气尾气通入一个特殊结构的容器内，通过稀释使氢气的排放浓度低于氢气的爆炸极限，然后将气体排入大气中。催化燃烧法是使氢气在催化反应器内与空气发生低温无火焰燃烧生成水，以达到消除氢气的目的。这种方法结构简单、制造容易，但能够处理的氢气浓度较低，需要对氢气进行稀释且用于稀释的气体量较大，导致催化反应器占用空间较大。随着技术的发展，在尾氢处理技术中又出现了微通道反应器催化燃烧法，微通道反应器具有体积小巧、安全可靠的特点，但由于其微通道尺寸较小，导致气体流阻增大，不利于处理大流量的氢气尾气。并且其制作难度大、加工成本高，目前仅出于实验室研究阶段。目前，另外一种处于实验室研究阶段的尾氢处理方法是氢气尾气循环法，这种方法通过引射器或专用的循环泵将氢气尾气再次循环进入燃料电池供氢系统，未参加反应的氢气可被循环使用，提高燃料利用效率，并保持阳极侧的湿度。

对于密闭环境下工作的氢氧燃料电池而言，其在工作过程中无法直接将尾气排向大气，更不能直接排放到密闭环境中，因此无法利用尾气稀释法进行尾气处理。并且，由于密闭环境的空间限制，催化燃烧法所需的催化反应器体积也要尽量减小，这就导致催化反应器的尾气处理能力下降，无法满足大功率燃料电池氢气尾气处理的需求。同时，燃料电池系统工作时携带一定量的燃料，在作业结束后方可返回重新加载燃料，如果氢气尾气直接通过催化燃烧法消耗掉，势必影响系统的续航里程。尾气循环法虽然可以实现尾氢的循环利用，但由于氢源中含有一定量的杂质气体，对纯氢而言，其纯度为99.99％，其中主要杂质气体及其含量分别为O₂≤5ppm、N₂≤60ppm、CO≤5ppm、CO₂≤5ppm、CH₄≤10ppm、H₂O≤30ppm，若氢氧燃料电池对氢气的利用效率为99％，则尾氢中的杂质气体浓度被浓缩约100倍，达到1％的含量，其中的H₂O经汽水分离器后达到-50℃的露点，水含量≤30ppm，高浓度杂质气体主要为O₂、N₂、CH₄和CO、CO₂等。若将这种含高浓度杂质气体的尾氢直接导入燃料电池供氢管路，高浓度的N₂、O₂将会影响氢气在燃料电池中的扩散，从而影响燃料电池的性能，而碳化物则会直接导致燃料电池催化剂的中毒，从而严重影响燃料电池的使用性能。因此，在循环利用前对尾氢进行提纯处理是保证燃料电池高效工作的关键。亟需开发一种可对氢气尾气进行高效回收的氢气回收装置，对尾气中的氢气进行高效吸收，并在需要时可逆放出高纯氢气，为燃料电池提供燃料，实现氢气的循环利用，提高燃料利用效率和系统的续航里程。