一种氢燃料电池尾气回收处理系统及方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种氢燃料电池尾气回收处理系统及方法。


背景技术：

2.随着国家对新型能源的大力推广，燃料电池正逐步在各领域得到应用。在常见的应用环境下，燃料电池发电时产生的残余废气和水份均能直接排放到空气中。但考虑到燃料电池在潜艇中的应用、燃料电池列车在真空管道中的应用，其发电时产生的残余废气和水分不能直接排放到水或空气中，故需要针对燃料电池残余气体进行特殊处理。
3.对于残余气体回收技术，如专利cn205319241u，提出了一种多套燃料电池组合的氢气回收系统，其能通过氢气泵和缓存容器对残余氢气进行重复利用，但其无法确保氢气与氧气、水蒸气等的完全分离，导致燃料电池阳极侧混入氧气等杂质。又如专利cn208487415u，提出了一种兼具氢气充装、氢气释放、氢气回收的装置，其通过旁通阀将氢气引入氢气回收装置，通过吸附的方式储氢，但其也未考虑氢气中的氧气、水蒸气等杂质对储氢系统的影响，且吸附储氢后仍会排出部分残余气体。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种氢燃料电池尾气回收处理系统及方法，既能有效分离氢气、氧气、水蒸气，又能将氢气、空气、水蒸气有效存储或消耗的装置，以适应真空管道或潜艇等特殊的燃料电池应用场合。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氢燃料电池尾气回收处理系统，包括氢气管路单元、氧气管路单元、温控管路单元、1号换热器、2号换热器、3号换热器、1号燃料电池电堆、2号燃料电池电堆、气体压缩机、储水罐和储气瓶；
6.氢气管路单元包括液氢罐、氢气调节阀、3号水汽分离器、氢气循环泵、4号水汽分离器和2号三通阀；液氢罐出口依次经过3号换热器、2号换热器和1号换热器的氢气管路，从1号换热器出口连接到氢气调节阀入口，氢气调节阀出口连接到1号燃料电池电堆阳极入口，1号燃料电池电堆阳极出口连接到3号水汽分离器，3号水汽分离器上方的气体出口经过氢气循环泵再与氢气调节阀出口连接；3号水汽分离器的下方出口连接到4号水汽分离器，4号水汽分离器上方的气体出口连接到2号三通阀a入口，4号水汽分离器下方出口连接到储水罐，2号三通阀b出口连接到气体压缩机入口，2号三通阀c出口连接到2号燃料电池电堆阳极入口，2号燃料电池电堆阳极出口连接到气体压缩机入口；气体压缩机连接至储气瓶；
7.氧气管路单元包括液氧罐、氧气调节阀、氧气循环泵、1号水汽分路器、2号水汽分离器和1号三通阀；液氧罐出口依次连接3号换热器、2号换热器、1号换热器的氧气管路后，连接到氧气调节阀入口，氧气调节阀出口连接1号燃料电池电堆阴极入口，1号燃料电池电堆阴极出口连接到1号水汽分离器入口，1号水汽分离器上方气体出口连接到氧气循环泵入口，氧气循环泵出口与主氧气回路汇合，1号水汽分离器下方出口连接到2号水汽分离器，2
号水汽分离器上方出口连接到1号三通阀a入口，2号水汽分离器下方出口连接到储水罐，1号三通阀b出口连接到气体压缩机入口，1号三通阀c出口连接到2号燃料电池电阴极入口，2号燃料电池电堆阴极出口与1号三通阀b出口的管路汇合后连接到气体压缩机入口；
8.温控管路单元包括水泵、水泵冷却液出口温度传感器、3号三通阀和散热风机；1号燃料电池电堆冷却液出口连接到水泵入口，水泵出口安装水泵冷却液出口温度传感器后连接到3号三通阀a入口，3号三通阀b出口依次连接到1号换热器、2号换热器和3号换热器的冷却液管路，从3号换热器的冷却液出口连接到散热风机冷却液入口，3号三通阀c出口与3号换热器出口的冷却液管路汇合，连接到散热风机冷却液入口，散热风机冷却液出口安装电堆冷却液入口温度传感器后连接到1号燃料电池电堆冷却液入口；1号换热器温度传感器、2号换热器温度传感器和3号换热器温度传感器分别设置在1号换热器、2号换热器和3号换热器的冷却液管路上。
9.进一步的是，还包括5号水汽分离器，2号燃料电池电堆阳极出口和1号三通阀b出口共同并列经过5号水汽分离器连接到气体压缩机入口，5号水汽分离器上方的气体出口连接到气体压缩机入口。
10.进一步的是，还包括氢包藏合金容器，所述气体压缩机出口依次经过1号换热器、2号换热器和3号换热器的混合气体管路连接至氢包藏合金容器，氢包藏合金容器连接至储气瓶。从2号燃料电池电堆排出的尾气中仍有少量氧气、氢气、水，此时通过气体压缩机将混合气的压力增大，并泵至氢包藏合金容器入口，氢包藏合金容器将混合气中的氢气吸附，残余气体可被压缩入储气瓶。
11.进一步的是，还包括储氢罐和储氧罐，1号换热器混合气体管路排出至储水罐，2号换热器混合气体管路排出至储氧罐，3号换热器混合气体管路排出至储氢罐。
12.进一步的是，1号换热器、2号换热器和3号换热器的温度利用液氢罐和液氧罐的低温特性和燃料电池发电时产生的热量进行平衡控制，使1号换热器的温度保持在0～10℃，2号换热器的温度保持在
‑
183～
‑
200℃，3号换热器的温度保持在
‑
251～
‑
255；同时，通过控制气体压缩机的气压大于5.043mpa，以降低水、氢气、空气的液化温度条件，则利用1
‑
3号换热器分别将混合气中的水蒸汽、氧气、氢气液化并分别保存于对应存储罐中。
13.另一方面，本发明还提供了一种氢燃料电池尾气回收处理方法，包括：
14.通过1号水汽分离器将1号燃料电池电堆中的氧气分离出，从1号水汽分离器的上方出口流出到氧气循环泵，再次泵入1号燃料电池电堆进行利用，从1号水汽分离器下方出口排出的是液态水、气态水和余量氧气，经过2号水汽分离器后，将水和氧气进一步分离，分离出的氧气和水蒸汽混合气通入1号三通阀a口，分离出的大量液态水直接通入储水罐存储；
15.通过3号水汽分离器将1号燃料电池电堆中的氢气分离出，从3号水汽分离器的上方出口流出到氢气循环泵，再次泵入1号燃料电池电堆进行利用，从3号水汽分离器下方出口排出的是液态水、气态水和余量氢气，经过4号水汽分离器后，可将水和氢气进一步分离，分离出的氢气和水蒸汽混合气通入2号三通阀a口，分离出的大量液态水直接通入储水罐存储；
16.实时采集1号换热器、2号换热器和3号换热器的温度，若换热器实际温度比目标温度偏高，则增大散热风机转速来降低温度，若换热器实际温度比目标温度偏低，则减小散热
风机转速来减小热量散发；
17.通过调节1号三通阀、2号三通阀和3号三通阀的开度，调整氢燃料电池尾气回收工作状态。
18.进一步的是，若1号燃料电池电堆内温度过高，则增大3号三通阀的开度，以使更多的高温冷却液流经换热器；若1号燃料电池电堆内温度过低，则减小3号三通阀的开度，将冷却液直接经过散热风机后泵回电堆内，以保证其快速暖机。
19.进一步的是，在2号燃料电池电堆发电模式工作状态下：1号三通阀与2号三通阀的a、c接口完全打开，使1号燃料电池电堆的尾气中的氢气和氧气进入2号燃料电池电堆，此时1号燃料电池电堆作为主要电力来源，2号燃料电池电堆作为低功率负载的电源；2号燃料电池电堆发电时，能将1号燃料电池电堆排出的残余氢气、氧气再次消耗；
20.从2号燃料电池电堆排出的尾气中仍有少量氧气、氢气、水，此时通过气体压缩机将混合气的压力增大，并泵至氢包藏合金容器入口，氢包藏合金容器将混合气中的氢气吸附，残余气体可被压缩入储气瓶。
21.进一步的是，在换热分离存储工作状态下：1号三通阀与2号三通阀的a、b接口完全打开，此时1号燃料电池电堆作为主要电力来源，其排出的残余氧气、氢气、水蒸气的混合气经5号水汽分离器分离后，液态水直接排入储水罐，混合气则经过气体压缩机后通入1
‑
3号换热器；此时1
‑
3号换热器处于温控换热模式，则在1号换热器处因温度接近水蒸气的凝点，使高温水蒸气迅速冷却并液化，从1号换热器底部排出至储水罐；在2号换热器处因温度接近氧气凝点而使混合气中的氧气迅速液化，从2号换热器底部排出至储氧罐；在3号换热器处因温度接近氢气凝点而使氢气迅速液化，从3号换热器底部排出至储氢罐。
22.考虑到实际条件下仍可能有少量氢气未变成液态，故混合气管路末端的氢包藏合金容器可用于对氢气进行吸附，储气瓶可用于存储空气和水蒸气。
23.进一步的是，在2号燃料电池电堆发电模式+尾气分离存储工作状态下，2号燃料电池电堆首先将1号燃料电池电堆排出的大部分氢气和氧气消耗，同时使1
‑
3号换热器处于温控模式，用不同的温度等级来分别将水蒸气、氧气、空气液化，并存储于换热器底部的储水罐、储氧罐、储氢罐，在混合气管路的末端采用氢包藏合金和储气瓶来存储残余氢气、空气和水蒸气。
24.采用本技术方案的有益效果：
25.本发明的氢燃料电池尾气回收处理系统，既能通过2号燃料电池电堆进行再次发电，又能通过1
‑
3号换热器将残余燃料进行分类回收存储，并可用于再次使用，有效提高了燃料利用率；且整套系统在运行时不会对外部环境排放任何液体或气体，对环境友好，且完全满足真空隧道列车及潜艇等交通工具的使用条件。
26.本发明通过在1号燃料电池电堆后端增设2号燃料电池电堆，既能有效减少氢气管路、空气管路中的氢气和空气剩余量，又能发出部分电能供小功率负载使用，具有一举两得的效果。
27.本发明通过在液氢罐、液氧罐出口、氢气管路后端、氧气管路后端设置换热器，能利用液氢汽化、液氧汽化的低温特性使换热器降温，换热器可通过1号燃料电池电堆运行时发热来控制换热器的温度，使液氢、液氧在进入电堆前升温到较高温度，同时使混合气管路中的氢气、氧气、水蒸气在1
‑
3号换热器中分别被冷却为液态水、液态氧、液态氢，并存储于
储水罐、储氧罐、储氢罐中，能有效回收燃料电池排放的尾气中的氢气、氧气，节约了能源；且在整个燃料电池系统运行过程中不会对外部排放任何气体或液体，能满足真空隧道列车、水下潜艇等特殊交通工具的要求。
28.本发明仅需通过控制三通阀的开闭和换热器的工作模式即可实现系统模式的切换，简单高效。
29.本发明通过换热器冷却得到的水、液氢、液氧、氢包藏合金吸附的氢气及储氧瓶中的氧气可进一步提纯后重复利用，提高了整个燃料电池系统的能量利用率。
30.本发明整套燃料电池系统不对外部排放任何气体和液体，满足真空隧道列车、水下潜艇等特殊交通工具的应用条件。
附图说明
31.图1为本发明的一种氢燃料电池尾气回收处理系统的第一种实施方式结构示意图。
32.图2为发明的一种氢燃料电池尾气回收处理系统的第二种实施方式结构示意图。
33.图3为发明的一种氢燃料电池尾气回收处理系统的第三种实施方式结构示意图。
34.图4为发明的一种氢燃料电池尾气回收处理系统的第四种实施方式结构示意图。
35.其中，1
‑
氧气循环泵；2
‑
氧气调节阀；3
‑
电堆冷却液入口温度传感器；4
‑
1号燃料电池电堆；5
‑
3号水汽分离器；6
‑
水泵；7
‑
氢气循环泵；8
‑
氢气调节阀；9
‑
气体压缩机；10
‑
3号三通阀；11
‑
水泵冷却液出口温度传感器；12
‑
散热风机；13
‑
1号换热器温度传感器；14
‑
2号换热器温度传感器；15
‑
3号换热器温度传感器；16
‑
液氢罐；17
‑
氢包藏合金容器；18
‑
储气瓶；19
‑
液氧罐；20
‑
3号换热器；21
‑
储氢罐；22
‑
2号换热器；23
‑
储氧罐；24
‑
1号换热器；25
‑
储水罐；26
‑
5号水汽分离器；27
‑
2号三通阀；28
‑
2号燃料电池电堆；29
‑
4号水汽分离器；30
‑
1号三通阀；31
‑
1号水汽分离器；32
‑
2号水汽分离器。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
37.在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种氢燃料电池尾气回收处理系统，包括氢气管路单元、氧气管路单元、温控管路单元、1号换热器24、2号换热器22、3号换热器20、1号燃料电池电堆4、2号燃料电池电堆28、气体压缩机9、储水罐25和储气瓶18；
38.氢气管路单元包括液氢罐16、氢气调节阀8、3号水汽分离器5、氢气循环泵7、4号水汽分离器29和2号三通阀27；液氢罐16出口依次经过3号换热器20、2号换热器22和1号换热器24的氢气管路，从1号换热器24出口连接到氢气调节阀8入口，氢气调节阀8出口连接到1号燃料电池电堆4阳极入口，1号燃料电池电堆4阳极出口连接到3号水汽分离器5，3号水汽分离器5上方的气体出口经过氢气循环泵7再与氢气调节阀8出口连接；3号水汽分离器5的下方出口连接到4号水汽分离器29，4号水汽分离器29上方的气体出口连接到2号三通阀27a入口，4号水汽分离器29下方出口连接到储水罐25，2号三通阀27b出口连接到气体压缩机9入口，2号三通阀27c出口连接到2号燃料电池电堆28阳极入口，2号燃料电池电堆28阳极出口连接到气体压缩机9入口；气体压缩机99连接至储气瓶18；
39.氧气管路单元包括液氧罐19、氧气调节阀2、氧气循环泵1、1号水汽分路器、2号水汽分离器32和1号三通阀30；液氧罐19出口依次连接3号换热器20、2号换热器22、1号换热器24的氧气管路后，连接到氧气调节阀2入口，氧气调节阀2出口连接1号燃料电池电堆4阴极入口，1号燃料电池电堆4阴极出口连接到1号水汽分离器31入口，1号水汽分离器31上方气体出口连接到氧气循环泵1入口，氧气循环泵1出口与主氧气回路汇合，1号水汽分离器31下方出口连接到2号水汽分离器32，2号水汽分离器32上方出口连接到1号三通阀30a入口，2号水汽分离器32下方出口连接到储水罐25，1号三通阀30b出口连接到气体压缩机9入口，1号三通阀30c出口连接到2号燃料电池电阴极入口，2号燃料电池电堆28阴极出口与1号三通阀30b出口的管路汇合后连接到气体压缩机9入口；
40.温控管路单元包括水泵6、水泵冷却液出口温度传感器11、3号三通阀10和散热风机12；1号燃料电池电堆4冷却液出口连接到水泵6入口，水泵6出口安装水泵冷却液出口温度传感器11后连接到3号三通阀10a入口，3号三通阀10b出口依次连接到1号换热器24、2号换热器22和3号换热器20的冷却液管路，从3号换热器20的冷却液出口连接到散热风机12冷却液入口，3号三通阀10c出口与3号换热器20出口的冷却液管路汇合，连接到散热风机12冷却液入口，散热风机12冷却液出口安装电堆冷却液入口温度传感器3后连接到1号燃料电池电堆4冷却液入口；1号换热器温度传感器13、2号换热器温度传感器14和3号换热器温度传感器15分别设置在1号换热器24、2号换热器22和3号换热器20的冷却液管路上。
41.作为上述实施例的优化方案，如图2所示，还包括5号水汽分离器26，2号燃料电池电堆28阳极出口和1号三通阀30b出口共同并列经过5号水汽分离器26连接到气体压缩机9入口，5号水汽分离器26上方的气体出口连接到气体压缩机9入口。使进入气体压缩机9的气体得到水汽分离。
42.作为上述实施例的优化方案，如图3所示，还包括氢包藏合金容器17，所述气体压缩机9出口依次经过1号换热器24、2号换热器22和3号换热器20的混合气体管路连接至氢包藏合金容器17，氢包藏合金容器17连接至储气瓶18。从2号燃料电池电堆28排出的尾气中仍有少量氧气、氢气、水，此时通过气体压缩机9将混合气的压力增大，并泵至氢包藏合金容器17入口，氢包藏合金容器17将混合气中的氢气吸附，残余气体可被压缩入储气瓶18。
43.作为上述实施例的优化方案，如图4所示，还包括储氢罐21和储氧罐23，1号换热器24混合气体管路排出至储水罐25，2号换热器22混合气体管路排出至储氧罐23，3号换热器20混合气体管路排出至储氢罐21。
44.作为上述实施例的优化方案，1号换热器24、2号换热器22和3号换热器20的温度利用液氢罐16和液氧罐19的低温特性和燃料电池发电时产生的热量进行平衡控制，使1号换热器24的温度保持在0～10℃，2号换热器22的温度保持在
‑
183～
‑
200℃，3号换热器20的温度保持在
‑
251～
‑
255；同时，通过控制气体压缩机9的气压大于5.043mpa，以降低水、氢气、空气的液化温度条件，则利用1
‑
3号换热器20分别将混合气中的水蒸汽、氧气、氢气液化并分别保存于对应存储罐中。
45.通过换热器冷却得到的水、液氢、液氧、氢包藏合金吸附的氢气及储氧瓶中的氧气可进一步提纯后重复利用，提高了整个燃料电池系统的能量利用率。
46.为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种氢燃料电池尾气回收处理方法，包括：
47.通过1号水汽分离器31将1号燃料电池电堆4中的氧气分离出，从1号水汽分离器31的上方出口流出到氧气循环泵1，再次泵入1号燃料电池电堆4进行利用，从1号水汽分离器31下方出口排出的是液态水、气态水和余量氧气，经过2号水汽分离器32后，将水和氧气进一步分离，分离出的氧气和水蒸汽混合气通入1号三通阀30a口，分离出的大量液态水直接通入储水罐25存储；
48.通过3号水汽分离器5将1号燃料电池电堆4中的氢气分离出，从3号水汽分离器5的上方出口流出到氢气循环泵7，再次泵入1号燃料电池电堆4进行利用，从3号水汽分离器5下方出口排出的是液态水、气态水和余量氢气，经过4号水汽分离器29后，可将水和氢气进一步分离，分离出的氢气和水蒸汽混合气通入2号三通阀27a口，分离出的大量液态水直接通入储水罐25存储；
49.实时采集1号换热器24、2号换热器22和3号换热器20的温度，若换热器实际温度比目标温度偏高，则增大散热风机12转速来降低温度，若换热器实际温度比目标温度偏低，则减小散热风机12转速来减小热量散发；
50.通过调节1号三通阀30、2号三通阀27和3号三通阀10的开度，调整氢燃料电池尾气回收工作状态。
51.作为上述实施例的优化方案，若1号燃料电池电堆4内温度过高，则增大3号三通阀10的开度，以使更多的高温冷却液流经换热器；若1号燃料电池电堆4内温度过低，则减小3号三通阀10的开度，将冷却液直接经过散热风机12后泵回电堆内，以保证其快速暖机。
52.作为上述实施例的优化方案，包括三种工作状态：2号燃料电池电堆28发电模式工作状态，换热分离存储工作状态和2号燃料电池电堆28发电模式+尾气分离存储工作状态下。
53.在2号燃料电池电堆28发电模式工作状态下：1号三通阀30与2号三通阀27的a、c接口完全打开，使1号燃料电池电堆4的尾气中的氢气和氧气进入2号燃料电池电堆28，此时1号燃料电池电堆4作为主要电力来源，2号燃料电池电堆28作为低功率负载的电源；2号燃料电池电堆28发电时，能将1号燃料电池电堆4排出的残余氢气、氧气再次消耗；
54.从2号燃料电池电堆28排出的尾气中仍有少量氧气、氢气、水，此时通过气体压缩机9将混合气的压力增大，并泵至氢包藏合金容器17入口，氢包藏合金容器17将混合气中的氢气吸附，残余气体可被压缩入储气瓶18。
55.在换热分离存储工作状态下：1号三通阀30与2号三通阀27的a、b接口完全打开，此时1号燃料电池电堆4作为主要电力来源，其排出的残余氧气、氢气、水蒸气的混合气经5号水汽分离器26分离后，液态水直接排入储水罐25，混合气则经过气体压缩机9后通入1
‑
3号换热器20；此时1
‑
3号换热器20处于温控换热模式，则在1号换热器24处因温度接近水蒸气的凝点，使高温水蒸气迅速冷却并液化，从1号换热器24底部排出至储水罐25；在2号换热器22处因温度接近氧气凝点而使混合气中的氧气迅速液化，从2号换热器22底部排出至储氧罐23；在3号换热器20处因温度接近氢气凝点而使氢气迅速液化，从3号换热器20底部排出至储氢罐21。
56.考虑到实际条件下仍可能有少量氢气未变成液态，故混合气管路末端的氢包藏合金容器17可用于对氢气进行吸附，储气瓶18可用于存储空气和水蒸气。
57.在2号燃料电池电堆28发电模式+尾气分离存储工作状态下，2号燃料电池电堆28
首先将1号燃料电池电堆4排出的大部分氢气和氧气消耗，同时使1
‑
3号换热器20处于温控模式，用不同的温度等级来分别将水蒸气、氧气、空气液化，并存储于换热器底部的储水罐25、储氧罐23、储氢罐21，在混合气管路的末端采用氢包藏合金和储气瓶18来存储残余氢气、空气和水蒸气。
58.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。