[发明专利]一种燃料电池尾气的除氢装置、燃料电池电堆及除氢方法

说明书

本发明涉及燃料电池尾气的除氢装置及方法，装置包括催化电池组件和控制装置，由空气与燃料电池尾气中的氢气以混合或者不混合的方式输入催化电池组件，催化电池组件包括由膜电极按照阳极和阴极交错排序的方式构成的至少两个气体通道，一个气体通道的阳极和另一个气体通道的阴极之间设有负载装置，通过多层气体通道的结构设置，能够快速消耗氢气，实现了氢气的趋近于零的尾气排放。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池尾气的除氢装置燃料电池电堆及除氢方法。

背景技术

燃料电池广泛应用在航天航空的运载装置、车辆、轮船、娱乐载具等多种载具中。氢氧燃料电池是以氢气作燃料为还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。燃料电池尾气中的氢气比例在3％以下。燃料电池的尾排阀是间歇开闭的，因此尾气的排除不是持续性的，而是间歇性的，并且每一次尾气中的氢气浓度不一定是相同的。因此，如何在除氢的过程中将燃料电池尾气中的氢气浓度进行监测和判断，确定燃料电池尾气中的氢气浓度下降至指定浓度是需要解决的技术问题。现有技术中普遍使用气体浓度传感器来对气体中的氢气浓度进行监测，但是气体浓度传感器无法设置在尾气消除的过程中，同时需要将尾气存储来进行氢气浓度的准确监测，这必然增加除氢装置的体积以及监测环节，不利于除氢装置的简化。现有技术中也通过多级除氢来保证燃料电池尾气中的氢气浓度较低甚至不含氢。

例如，中国专利文献CN107813691A公开了一种节能环保的氢气混合动力汽车，包括车体、车轮、发动机、涡轮增压器、柯来浦单元、尾气三级深度净化系统和辅助动力系统。柯来浦单元包括二级燃烧器、氢气热压缩单元、膨胀机和中间再热器。尾气三级深度净化系统包括高温催化盘管、中温三元催化器或中温NOx净化器、低温尾气净化器。膨胀机出口通过氢气热压缩单元连接到膨胀机入口。发动机排气口通过高温催化盘管、涡轮增压器、中温三元催化器或中温NOx净化器连接到二级燃烧器入口。二级燃烧器出口通过氢气热压缩单元、中间再热器、低温尾气净化器、尾气实时监测器连接到排气管。膨胀机与发电机轴连接，发电机与辅助动力系统电路连接。该汽车的尾气来源于燃烧器和燃料电池两种，尾气成分含量复杂，需要多级深度净化系统分别进行不同温度的催化来净化多种物质。该发明中的尾气三级深度净化系统不适用于只需要除氢的燃料电池的尾气处理，无法对尾气中的氢含量进行监测并确定是否进行循环的除氢，只能对完成净化的尾气进行监测。

如上所述，现有技术中的小型催化电池组件，虽然能够用来消耗电池尾气中的氢气，但是需要氢气和空气沿各自的通道分别进行小型电堆来进行发电，通道结构复杂，耗氢效率低，无法形成结构简单且耗氢效率高的尾气处理装置。不仅如此，即使燃料电池尾气中的含量较低，其当前依然无法应用在处于密闭空间的设备或者装置上，根本原因在于，即使含量较低的氢，随着时间的延长也会聚集在密闭空间的顶层，从而形成具有一定体量的氢气。一旦遇到明火，密闭空间就容易发生爆炸。因此如何将尾气含量降低至趋近于零，甚至实现尾气中氢气零排放是至关重要的技术问题，也是推广燃料电池应用范围的关键技术问题。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种燃料电池尾气的除氢装置，所述装置包括与燃料电池连接的至少一个催化电池组件，催化电池组件与控制装置连接，其特征在于，由空气与由燃料电池以间歇式排出的尾气中的氢气以混合或者不混合的方式输入催化电池组件，其中，所述催化电池组件包括由至少一个膜电极按照阳极和阴极交错排序的方式构成的至少两个气体通道，在一个气体通道的至少一个阳极和至少另一个气体通道的阴极之间设置有至少一个负载装置，在至少两个气体通道内的阴极与阳极的催化作用下氢气与氧气发生化学反应和/或电化学反应从而两个气体通道的阳极与阴极之间产生电位差，所述负载装置将基于两个气体通道的阳极与阴极之间的电位差产生的电流以能量转化的方式消耗，从而负载装置的耗能状态与氢气含量相关联。