[发明专利]燃料电池尾气处理器及燃料电池尾气处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池与处理残物装置的结合，特别是涉及一种燃料电池尾气处理方法及处理器。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置，该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)有一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边用可导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜使氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含有氢气燃料的气流与含氧的气流隔离开，使它们不会相互混合产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用一下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

一个典型的氢燃料电池组(下文简称电堆)通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却水流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排除时，可携带出燃料电池中生成的液、气态的水。

在燃料电池工作过程中，电池的阴极会生成大量的水，由于电池的工作温度较高，阴极尾气具有较高的饱和蒸汽压，生成的水大部分以气态存在随着尾气排出燃料电池系统，但仍有部分生成水以液态形式存在；而在阳极虽无水生成，但由于质子交换膜的透水性，依然会有液态水出现。

为了避免氢气的浪费以及加湿氢气，一般在燃料电池系统集成的时候会在阳极增加一个或多个氢气循环泵，将电堆氢气出口的尾气重新打回氢气进口，提高氢气进口的相对湿度，这就更加加剧了氢气出口的含水量。

在电堆的氢气尾气中除了含有水分之外，还有从阴极氧化剂空气通过膜电极渗透过来的氮气以及其他杂质气体，随着氢气的循环，这些废气在循环过程中逐渐累积，其含量逐渐增加，使电堆的发电效率下降。所以必须将电堆的氢气尾气中的水分、氮气和其他杂质气体分离并排出系统，这种水气分离和尾气部分排放的过程我们称之为氢气尾气处理过程。

进入电堆的空气经过反应消耗，氮气等非氧化剂气体的浓度大幅度升高，同时生成大量的水，空气尾气一般不能再次使用，直接排除燃料电池系统外部，为了方便系统架设和尾气处理，空气尾气也需要做到水气分离，该过程我们称之为空气尾气处理过程。

在现有的燃料电池系统中，氢气尾气处理和空气尾气处理分别利用两套或更多套不同的装置完成，这种系统设计将导致整个系统过于复杂，同时需要诸多传感器控制水气分离的液位，氢气废气中流量大小等，增加了系统的复杂性和造价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、能同时处理氢气尾气和空气尾气的燃料电池尾气处理器。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种能同时处理氢气尾气和空气尾气的燃料电池尾气处理方法。