CN106299422B - 一种电化学尾气回收利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学尾气回收利用装置，该装置包含：壳体，设置在壳体内分别紧邻壳体两侧的第一集流体和第二集流体，以及设置在第一集流体与第二集流体之间的n个紧邻的重复单元组件，其中，n为≥1的自然数。所述的壳体一侧设置尾气入口，另一侧设置尾气出口。所述的第一集流体和第二集流体的上端部均裸露在壳体外，与外部电源连接。所述的重复单元组件包含：收集腔、富集腔和设置在收集腔与富集腔之间的电化学反应组件。所述的电化学反应组件用于电化学反应以富集氢气或氧气。本发明的装置能够实现氢气和氧气的回收利用，降低了尾气的排放，减小了空气污染，同时实现了资源的重复利用，降低了成本，具有较高的实用价值。

Description

一种电化学尾气回收利用装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池的电化学尾气回收利用装置。
背景技术
燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将燃料化学能通过电化学方式直接转换为电能的新型发电装置，具有能量转换率高、无污染、原料来源丰富等优点，被称为是继水力、火力、核能之后***发电技术。作为新一代的发电技术，燃料电池可广泛应用于便携式移动电源、电动汽车、发电站、航空航天和军用舰船等各个方面。
质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫作固态聚合物电解质燃料电池（SPEFC），具有功率密度高、工作温度低（＜ 100℃）、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。一套PEMFC 发电装置或***由燃料电池堆及其相应的辅助***构成。燃料电池堆是化学能转换为电能的功率转换单元，辅助***主要包括氢气支持***、氧气（空气）支持***、热管理***，以保证电池堆有效的工作。
以氢为燃料、氧为氧化剂是燃料电池最理想的反应物，氢氧燃料电池工作时通过氢、氧电极反应将化学能转换为电能的同时生成水和废热。非反应活性物不参与电化学反应，在电池内的积累会显著影响电池性能甚至失效。为了排除电堆内累积的惰性气体和杂质，在氢气支持***和氧气支持***中设置尾气排放功能。但是，由于尾气排放是对反应物的一种浪费，目前通常的做法是对反应物原料提出严苛的要求（纯度一般要求达到99.99%以上，这对反应物原料的生产、运输、存储都提出了很高的要求），以尽可能的减少尾气排放量，但仍然不可避免的需要排放一部分尾气。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学尾气回收利用装置，该装置能够减少尾气排放量，通过将燃料电池排放的尾气中的氢气和氧气分别选择性富集并增压，从而重新参与燃料电池反应，有效提高了反应物的利用率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电化学尾气回收利用装置，该装置包含：
壳体，
设置在所述的壳体内分别紧邻壳体两侧的第一集流体和第二集流体，以及
设置在所述的第一集流体与第二集流体之间的n个紧邻的重复单元组件，其中，n为≥1的自然数。
其中，所述的壳体一侧设置尾气入口，另一侧设置尾气出口。
其中，所述的第一集流体和第二集流体的上端部均裸露在壳体外，与外部电源连接。
其中，所述的重复单元组件包含：收集腔、富集腔和设置在收集腔与富集腔之间的电化学反应组件。
其中，所述的电化学反应组件用于电化学反应以富集氢气或氧气。
所述的收集腔的一侧设有第一流场。
所述的富集腔的一侧设有与收集腔的第一流场相对的第二流场。
所述的第一流场、第二流场的结构为矩形的空腔、圆形的空腔、点状分布的流场或平行沟槽流场中的任意一种。
当n=1时，所述的第一集流体与第二集流体分别紧邻所述的收集腔和富集腔的内侧设置，且此时所述的第一集流体与第二集流体均为多孔或网状结构，所述的收集腔和富集腔分别与壳体成一体结构，且收集腔和富集腔均采用绝缘材料。
所述的收集腔的一侧设有第一流场，另一侧设有入口。
所述的富集腔的一侧设有第二流场，另一侧设有入口。
当n≥2时，所述的收集腔和富集腔均采用导电材料，并且紧邻的收集腔与富集腔集成为一个整体。
所述的电化学反应组件包含：阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层；
其中，所述的质子交换膜包含：中心活性反应区域和四周外露区域。
所述的富集腔相对于收集腔最高能承受+0.5MPa的偏压。
本发明提供的一种电化学尾气回收利用装置，该装置解决了燃料电池中尾气排放的浪费问题，具有以下优点：
该装置设有电化学反应组件，能够将尾气中的氧气和氢气进行纯化；通过设有气体富集腔，能够实现对氧气和氢气的富集；由于富集腔相对于收集腔最高能承受+0.5MPa的偏压，能够覆盖目前大多数质子交换膜燃料电池工作压力范围，因此通过该回收装置回收的气体可以直接增压到燃料电池的入口压力，再循环利用；通过电化学反应组件能够进行电化学反应，收集和富集氢气和氢气；该装置不仅提高燃料电池反应物利用率有益，而且针对燃料电池在密闭空间内不允许排放氢气或氧气的场合应用，提高了安全性。
附图说明
图1为本发明提供的用于回收氧气的一种电化学尾气回收利用装置的结构示意图。
图2为本发明提供的用于回收氢气的一种电化学尾气回收利用装置的结构示意图。
图3为本发明提供的用于回收氢气的一种电化学尾气回收利用装置的立体结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明简易结构（n=1）的一种电化学尾气回收利用装置，用于回收尾气中的氧气。
如图1所示，本发明提供的一种电化学尾气回收利用装置，该装置包含：
1个重复单元组件40，该重复单元组件40包含：收集腔41、富集腔43和设置在收集腔41与富集腔43之间的电化学反应组件42；紧邻收集腔41和富集腔43的内侧分别设置的第一集流体20和第二集流体30，所述的第一集流体20和第二集流体30的上端部均裸露在壳体10外，与外部电源连接。
其中，第一集流体20与第二集流体30为多孔或网状结构，采用钛合金，通过激光刻蚀的方式制备。
其中，收集腔41和富集腔43分别与壳体10成一体结构，且收集腔41和富集腔43均采用绝缘材料。该绝缘材料为聚碳酸酯、环氧树脂或有机玻璃中的任意一种或两种以上。
收集腔41一侧设有第一流场，另一侧设有入口411。富集腔43一侧设有第二流场，另一侧设有出口431。第一流场与第二流场相对设置。富集腔43相对于收集腔41最高能承受+0.5MPa的偏压，能够覆盖目前大多数质子交换膜燃料电池工作压力范围（+0.1MPa~+0.3MPa），因而通过该回收装置回收的气体可以直接增压到燃料电池的入口压力再循环利用。目前，已有技术中富集腔和收集腔所承受的压力一样，需要增设压力装置才能将富集的气体输入到燃料电池，而本发明的装置不需要压力装置就可以实现富集的气体直接输入到燃料电池中。
电化学反应组件42包含：阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、或阴极气体扩散层。其中，质子交换膜包含：中心活性反应区域和四周外露区域，四周外露区域设有紧密结合的密封垫和紧固件，在该紧固件的压力作用下，密封垫使整个装置的密封性增强。该电化学反应组件42用于电化学反应以富集氧气。
该电化学尾气回收利用装置回收氧气的工作原理为：
将该电化学尾气回收利用装置的入口411连接至燃料电池氧气尾气排放口，出口431连接至燃料电池氧气入口。将靠近氧气尾气排放口侧的第一集流体20连接直流电源负极，靠近燃料电池氧气入口侧的第二集流体30连接至直流电源正极，依据排放尾气的压力或者氧气浓度，加载合适直流电源电压，使得在电化学组件42中电化学反应连续进行。
电化学反应组件42在回收氧气时，发生的反应过程是阴极侧（朝向收集腔41）尾气中的氧气与质子交换膜中的氢离子以及集流体传导来的电子反应生成水，水渗透通过质子交换膜，达到阳极侧（朝向富集腔43）分解生成氧气、氢离子和电子，氢离子反向渗透到阴极继续参与反应，并使富集腔43的压力大于收集腔41的压力，从而实现从尾气中纯化并富集氧气，供燃料电池循环利。
实施例2
本发明复杂结构（n≥2）的一种电化学尾气回收利用装置，用于回收尾气中的氢气。
如图2和图3所示，本发明提供的一种电化学尾气回收利用装置，该装置包含：
壳体10，
设置在壳体10内两侧的第一集流体20和第二集流体30，以及
设置在第一集流体20与第二集流体30之间的n个紧邻的重复单元组件40。
其中，壳体10一侧设置尾气入口11，另一侧设置尾气出口12。
其中，第一集流体20和第二集流体30的上端部均裸露在壳体10外，与外部电源连接。
其中，重复单元组件40包含：收集腔41、富集腔43和设置在收集腔41与富集腔43之间的电化学反应组件42。收集腔41与富集腔43均采用导电材料，并且紧邻的收集腔41与富集腔43集成为一个整体。
电化学反应组件42包含：阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层。质子交换膜包含：中心活性反应区域和四周外露区域，四周外露区域设有紧密结合的密封垫和紧固件，在该紧固件的压力作用下密封垫使整个装置密封性增强。电化学反应组件42用于电化学反应以富集氢气。
第一集流体20和第二集流体30的上端部均裸露在壳体10外。该第一集流体20和第二集流体30采用纯铜材料加工而成。壳体结构10采用绝缘材料（优选环氧树脂），通过数控铣床加工而成。
收集腔41和富集腔43的一侧分别设有第一流场和第二流场，第一流场和第二流场相对设置。所述第一流场和第二流场均为平行沟槽流场。收集腔41和富集腔43采用钛合金，通过薄板冲压的方式制备，富集腔43相对于收集腔41最高能承受+0.5MPa的偏压，能够覆盖目前大多数质子交换膜燃料电池工作压力范围（+0.1MPa~+0.3MPa），因而通过该回收装置回收的气体可以直接增压到燃料电池的入口压力再循环利用。目前，已有技术中富集腔和收集腔所承受的压力一样，需要增设压力装置才能将富集的气体输入到燃料电池，而本发明的装置不需要压力装置就可以实现富集的气体直接输入到燃料电池中。
该电化学尾气回收利用装置回收氢气的工作原理为：
将该电化学尾气回收利用装置的尾气入口11与前置缓冲罐的出口连接，尾气出口12与后置缓冲罐的入口连接，并将前置缓冲罐的入口连接至燃料电池氢气尾气排放口，后置缓冲罐的出口连接至燃料电池氢气入口。将靠近氢气尾气排放口侧的第一集流体20连接直流电源正极，靠近燃料电池氢气入口侧的第二集流体30连接至直流电源负极；依据排放尾气的压力或者氢气浓度，加载合适直流电源电压，使得在电化学组件中反应连续进行。
电化学反应组件42在回收氢气时，发生的反应过程是阳极侧（朝向收集腔41）尾气中的氢气分解形成氢离子和电子，氢离子传导透过质子交换膜，达到阴极侧（朝向富集腔43）与电子复合生成氢气，由于阳极侧的其他气体无法透过具有离子选择性的质子交换膜，并使富集腔43的压力大于收集腔41的压力，从而实现从尾气中的氢气纯化并富集，供燃料电池循环利用。
综上所述，本发明用于提供一种电化学尾气回收利用装置，该装置能够实现燃料电池尾气中氧气和氢气的纯化和富集，节省了资源，将纯化的氧气和氢气重复利用，提高了反应物的利用率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种电化学尾气回收利用装置，其特征在于，该装置包含：
壳体(10)，
设置在所述的壳体(10)内紧邻壳体(10)两侧的第一集流体(20)和第二集流体(30)，以及
设置在所述的第一集流体(20)与第二集流体(30)之间的n个紧邻的重复单元组件(40)，其中，n为≥2的自然数；
所述的壳体(10)一侧设置尾气入口(11)，另一侧设置尾气出口(12)；
所述的第一集流体(20)和第二集流体(30)的上端部均裸露在壳体(10)外，与外部电源连接；
所述的重复单元组件(40)包含：收集腔(41)、富集腔(43)和设置在收集腔(41)与富集腔(43)之间的电化学反应组件(42)；
所述的电化学反应组件(42)用于电化学反应以富集氢气或氧气。
2.根据权利要求1所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的收集腔(41)的一侧设有第一流场。
3.根据权利要求2所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的富集腔(43)的一侧设有与收集腔(41)的第一流场相对的第二流场。
4.根据权利要求3所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的第一流场、第二流场的结构为矩形的空腔、圆形的空腔、点状分布的流场或平行沟槽流场中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的收集腔(41)和富集腔(43)均采用导电材料，并且紧邻的收集腔(41)与富集腔(43)集成为一个整体。
6.根据权利要求1所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的电化学反应组件(42)包含：阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层；
所述的质子交换膜包含：中心活性反应区域和四周外露区域。
7.根据权利要求1所述的电化学尾气回收利用装置，其特征在于，所述的富集腔(43)相对于收集腔(41)最高能承受+0.5MPa的偏压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103184467A (zh) * 2011-12-28 2013-07-03 上海空间电源研究所 质子交换膜氧气电化学提纯装置
CN104393322A (zh) * 2014-12-05 2015-03-04 上海空间电源研究所 一种能够自主排水进气的燃料电池堆

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7955491B2 (en) * 2004-09-14 2011-06-07 Honda Motor Co., Ltd. Methods, devices, and infrastructure systems for separating, removing, compressing, and generating hydrogen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103184467A (zh) * 2011-12-28 2013-07-03 上海空间电源研究所 质子交换膜氧气电化学提纯装置
CN104393322A (zh) * 2014-12-05 2015-03-04 上海空间电源研究所 一种能够自主排水进气的燃料电池堆

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