[发明专利]一种车载燃料电池的板式进气净化器、进气系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于车载燃料电池的板式进气净化器、进气系统及方法。空气中的污染物会对质子交换膜燃料电池造成不同程度的不可逆损害。本发明一种车载燃料电池的板式进气净化器，包括净化器壳体、进气通道、出气通道、气流均布板、除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层。进气通道沿着净化器壳体的切向设置。除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均设置在净化器壳体内，且沿着进气通道到出气通道的方向依次间隔排列。本发明中的除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层呈三层“板式结构”，各层“塔板”位置与填料厚度经过优化设计，提高了传质和吸附催化效率；此外，各层“塔板”采用抽拉式设计，填料更换更为方便。

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域。具体涉及一套集粉尘滤除、污染物吸附催化、空气供给智能控制于一体的用于质子交换膜燃料电池的空气净化系统，以及匹配该空气净化器的控制系统和方法。

背景技术

随着能源和环境问题日益突出，燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle，FCV)的发展得到了越来越广泛的关注。燃料电池，又称电化学发电器，可通过供给阳极的燃料气体与供给阴极的含氧气体发生反应而发电，是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池汽车领域最有应用前景的电力能源之一，具备能量转化效率高、工作温度低、无污染、零排放、低噪声等优点，但在使用寿命、成本、基础设施等方面仍未达到商业化应用的标准。

FCV的商业化要求燃料电池寿命大于5000小时，但目前车载PEMFC的使用寿命达不到上述要求，究其原因，一方面是质子交换膜和催化材料自身存在耐久性不高的缺陷；另一方面，内燃机汽车排放的尾气中含有固体悬浮颗粒、CO、SO2、NOx、VOCs、O3、碳氢化合物等多种大气污染物，这些污染物广泛存在于城市机动车道及其周边区域的空气中，对以空气为氧化气的PEMFC造成不同程度的不可逆损害。例如，SO2对阴极催化剂的强吸附作用可使电池阴极电势降低从而影响燃料电池性能，实际道路条件下NH3可导致约3％的PEMFC自发性功率损耗，由NOx造成PEMFC自发性功率损耗可达5％-10％。因此，在空气进入燃料电池阴极前，利用空气净化装置去除进气中大部分的悬浮颗粒物和复合污染物，可显著降低此类物质对PEMFC的负面影响，延长PEMFC使用寿命。

近10年国内外公开发表文献资料检索显示，现有的PEMFC进气净化器缺乏对装置内部气流流场分布的研究，在进气方式和内部结构尺寸的设计上没有足够的理论和实验数据支撑，导致装置内部气流分布不均和局部性的填料堵塞，压力损失过大。现有技术大都采用贵金属催化剂作为吸附催化材料，尽管这类催化剂对氮氧化物、碳氢化合物、CO等具有较高的催化活性，但也存在成本高、易中毒、吸附容量无法满足车载燃料电池的要求等弊端。在空气供给方面，PEMFC的功率视车速和路况而定，现有技术中缺少与进气净化器配套的进气控制系统，难以对进气流量进行实时调控，造成不必要的能耗，同时降低了吸附催化材料的使用寿命。

专利申请号200410034327.7、专利名称燃料电池及燃料电池用空气净化装置提供了包含用于污染物氧化的第1污染物去除机构和用于污染物吸附去除的第2污染物去除机构的空气净化装置，该装置采用钯、铂、铑、钌等贵金属构成的催化剂在加热至200℃以上的条件下氧化有机物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化铵、一氧化碳等污染物，采用改性活性炭等多孔体吸附去除以氮氧化物为主的各类污染物。然而贵金属催化剂的使用提高了运行和维护成本，与之配套的加热和冷却机构增加了能耗，且由于其缺少对装置的导流系统和供气控制进行设计和优化，未考察不同的进气方式和装置内部流场特性，可能存在填料堵塞和压力损失较大等问题。