一种燃料电池用氢气的杂质净化装置的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池用氢气的杂质净化装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机利用氢气作为燃料，通过电化学反应将化学能转化为电能。由于电极动力学较为缓慢，需要通过催化剂加速反应，例如铂金属。目前，氢气的来源主要是工业副产氢，如重整制氢，气源中往往包含了co杂质，微量的co可造成催化剂中毒，降低燃料电池发动机的性能。国际标准化组织氢能技术委员会规定的氢气纯度要求中，一氧化碳的浓度应不高于0.2 ppm。
3.现有的氢气提纯方法中，应用最为广泛的是变压吸附法（psa）。psa是以吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组份、不易吸附低沸点组份和高压下被吸附组份吸附量增加、低压下吸附量减小的特性来实现杂质的分离，具有能耗低、再生速度快的优点，但其工序较多且复杂、设备繁多、占用面积大，不利于便携移动，吸附与脱附过程涉及多个阀门与反应塔，精确控制难度较大，限制了其实用场景。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种燃料电池用氢气的杂质净化装置，用以解决现有净化装置工序复杂、设备繁多、不利于便携移动、吸附控制难度较大的问题。
5.一方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池用氢气的杂质净化装置，包括固态电化学反应器和用于控制固态电化学反应器的工作温度、待提纯氢气湿度和压力、阳极电压置为杂质的氧化还原电位的控制器；其中，
6.固态电化学反应器进一步包括阳极电极层（4）、电解质层（6）、阴极电极层（5）和参比电极（3）；阳极电极层（4）设有待提纯氢气入口和提纯后氢气出口；阴极电极层（5）设有空气入口和空气出口；电解质层（6）设于阳极电极层（4）、阴极电极层（5）之间；参比电极设于电解质层（6）内；阳极电极层（4）、阴极电极层（5）通过外接导线连接；
7.控制器的输出端分别与阳极电极层（4），以及固态电化学反应器的待提纯氢气入口和空气入口连接。
8.上述技术方案的有益效果如下：提出了一种新型氢气杂质净化装置，通过电化学原理，利用不同成分的气体氧化还原电位不同的差异，施加特定的电位将杂质气体氧化成对燃料电池影响较小的其他成分，例如co氧化成co2，气体转换成固体，从而实现提纯的目的。此装置体积较小，控制简单，适用于车用燃料电池在线除去气体杂质。加入了参比电极后，能够精准控制电位。
[0009] 基于上述装置的进一步改进，对于co杂质，所述固态电化学反应器的工作温度为
50~80 ℃，待提纯氢气入口和空气入口的气体温度为0~40℃，气体压力为100~250 kpa，气体湿度为20~100% rh。
[0010]
进一步，所述阳极电极层（4）的催化剂为金属氧化物和铂的复合物；
[0011]
所述阴极电极层（5）的催化剂包括铂或者铂合金。
[0012]
进一步，所述控制器进一步包括：用于将阳极电极层（4）的电位控制在co氧化电位的恒电位仪（1），用于将固态电化学反应器的工作温度控制在50~80℃的环境温度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体温度控制在0~40℃的气体温度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体湿度控制在20~100% rh的气体湿度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体压力控制在100~250 kpa的气压控制器。
[0013]
进一步，该杂质净化装置还包括减压阀（11）；其中，
[0014]
所述减压阀（11）的输出端与固态电化学反应器的待提纯氢气入口连接，控制端与控制器的输出端连接。
[0015]
进一步，该杂质净化装置还包括电流传感器（2）；其中，
[0016]
所述电流传感器（2）的输入端与阳极电极层（4）电连接，输出端与阴极电极层（5）电连接。
[0017]
进一步，该杂质净化装置还包括空压机（7）；并且，
[0018]
所述空压机（7）的输出端与固态电化学反应器的空气入口连接，控制端与控制器的输出端连接。
[0019]
进一步，该杂质净化装置还包括三通阀（8）；其中，
[0020]
所述三通阀（8）的输入端与空压机（7）的输出端连接，其输出端一与固态电化学反应器的空气入口连接，其输出端二与外部氢燃料电池的空气入口连接。
[0021]
进一步，该杂质净化装置还包括尾排阀（9）；其中，
[0022]
所述尾排阀（9）的输入端与固态电化学反应器的空气出口连接，其输出端与外部氢燃料电池的空气尾排管道连接。
[0023]
与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
[0024]
1、可净化氢气中微量的一氧化碳，避免对燃料电池催化剂造成中毒，降低对氢气纯度的要求，扩大燃料电池的氢气来源，提高燃料电池的发电效率，延长寿命。
[0025]
2、体积小、效率高、装置简单，可在燃料电池汽车上进行在线纯化，作为移动纯化装置进行应用。
[0026]
3、设备简单，适应条件宽泛，利用恒电位仪对阳极电位进行精准控制，防止电位偏差导致的纯化效果低，可耐受较大范围的温度和湿度，对控制的要求较低。
[0027]
提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
[0028]
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0029]
图1示出了实施例1燃料电池用氢气的杂质净化装置组成示意图；
[0030]
图2示出了实施例2燃料电池用氢气的杂质净化装置的结构一示意图；
[0031]
图3示出了实施例2燃料电池用氢气的杂质净化装置的结构二示意图。
[0032]
附图标记：
[0033]1‑ꢀ
恒电位仪；2
‑ꢀ
电流传感器；3
‑ꢀ
参比电极；4
‑ꢀ
阳极电极层；5
‑ꢀ
阴极电极层；6
‑ꢀ
电解质层；7
‑ꢀ
空压机；8
‑ꢀ
三通阀；9
‑ꢀ
尾排阀；10
‑ꢀ
氢喷设备；11
‑ꢀ
减压阀。
具体实施方式
[0034]
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0035]
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
[0036]
实施例1
[0037]
本实用新型的一个实施例，公开了一种燃料电池用氢气的杂质净化装置，包括固态电化学反应器和控制器。
[0038]
其中，如图1所示，固态电化学反应器进一步包括阳极电极层4、电解质层6、阴极电极层5和参比电极3；阳极电极层4设有待提纯氢气入口和提纯后氢气出口；阴极电极层5设有空气入口和空气出口；电解质层6设于阳极电极层4、阴极电极层5之间；参比电极3设于电解质层6内；阳极电极层4、阴极电极层5通过外接导线连接。
[0039]
控制器的输出端分别与阳极电极层4，以及固态电化学反应器的待提纯氢气入口和空气入口连接。
[0040]
控制器，用于控制固态电化学反应器的工作温度（包括环境温度、电解质温度）、电极电压（阳极电极层4的电压为杂质的氧化还原电位、阴极电极层5和参比电极3的电压无要求）、气体湿度和压力（待提纯氢气入口）。
[0041]
实施时，通过电化学原理将待提纯氢气中的气体杂质氧化为毒害作用较小的其他气体或者液体、固体。液体、固体可吸附在固态电化学反应器的内部，待使用完毕后排出，气体由于对燃料电池的毒害作用小，可通过提纯后氢气出口输入至燃料电池的电堆。
[0042]
示例性地，可将提纯氢气中的co氧化为毒害作用较小的co2，避免co造成燃料电池催化剂中毒现象，延长燃料电池的使用寿命。涉及的电化学原理如下所示：
[0043]
阳极：co h2o
→
co2 2h 2e-[0044]
阴极：o2 2h 2e
‑→
h2o
[0045]
co杂质在阳极失去电子生成co2和质子，质子通过电解质转移至阴极，与空气中的氧气发生还原反应并生成水，在这个过程中需要控制阳极电极层4的电位为co的氧化电位，防止氢气发生反应。
[0046]
如果采用二电极体系，由于反应过程存在极化现象，不能准确测定阳极电位，所以采用三电极体系，加入参比电极后，能够精准控制电位。经试验验证将阳极电位（阳极电极层4的电位）控制在0.85 v，可除去浓度为100ppm以内的co杂质。
[0047]
与现有技术相比，本实施例提出了一种新型氢气杂质净化装置，通过电化学原理，利用不同成分的气体氧化还原电位不同的差异，施加特定的电位将杂质气体氧化成对燃料电池影响较小的其他成分，例如co氧化成co2，气体转换成液体或固体，从而实现提纯的目的。此装置体积较小，控制简单，适用于车用燃料电池在线除去气体杂质。加入了参比电极后，能够精准控制电位。
[0048]
实施例2
[0049]
在实施例1的基础上进行改进，对于co杂质，固态电化学反应器的工作温度为50~80℃，待提纯氢气入口和空气入口的气体温度为0~40℃，气体压力为100~250 kpa，气体湿度为20~100% rh。
[0050]
优选地，阳极电极层4、阴极电极层5均采用表面分布有催化剂的多孔碳结构。具体地，采用表面分布催化剂的多孔碳作为基础材料，利用可传导质子的离聚物作为粘结剂，以碳纤维为骨架，构造能够运输气体和质子的多孔电极。
[0051]
优选地，阳极电极层4的催化剂为金属氧化物和铂的复合物，可提高催化剂对co的选择性。示例性地，所述金属氧化物可采用氧化钛（tio）。
[0052]
优选地，阴极电极层5的催化剂为铂或者铂合金等。
[0053]
优选地，控制器进一步包括：用于将阳极电极层4的电位控制在co氧化电位（0.85 v左右）的恒电位仪1，用于将固态电化学反应器的工作温度控制在50~80℃的环境温度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体温度控制在0~40℃的气体温度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体湿度控制在20~100% rh的气体湿度控制器，用于将待提纯氢气入口和空气入口的气体压力控制在100~250 kpa的气压控制器。
[0054]
优选地，该杂质净化装置还包括减压阀11。其中，减压阀11的输出端与固态电化学反应器的待提纯氢气入口连接，控制端与控制器的输出端连接。
[0055]
优选地，该杂质净化装置还包括电流传感器，如图2所示。其中，电流传感器的输入端与阳极电极层4电连接，输出端与阴极电极层5电连接。电流传感器可用于监测co浓度，co浓度越高，形成的电流越大。
[0056]
优选地，该杂质净化装置还包括空压机7。其中，空压机7的输出端与固态电化学反应器的空气入口连接，控制端与控制器的输出端连接。
[0057]
优选地，该杂质净化装置还包括三通阀8。其中，三通阀8的输入端与空压机7的输出端连接，其输出端一与固态电化学反应器的空气入口连接，其输出端二与外部氢燃料电池的空气入口连接。
[0058]
优选地，该杂质净化装置还包括尾排阀9。其中，尾排阀9的输入端与固态电化学反应器的空气出口连接，其输出端与外部氢燃料电池的空气尾排管道连接。
[0059]
实施时，结构如图2所示，含co杂质的氢气进入杂质净化装置的阳极电极层4，空气进入杂质净化装置的阴极电极层5，通过恒电位仪1将阳极电位控制在0.85 v，co在阳极电极层4内被氧化为co2和h

,并生成电子，电子通过外电路和电流传感器2传递到阴极电极层5，h

通过电解质传递到阴极电极层5，在阴极电极层5中与空气中的氧气发生反应，生成水。
反应后，氢气中的co在阳极电极层4被氧化为co2，由提纯后氢气出口（阳极出口）排出，微量的co2对氢燃料电池的性能没有影响，可直接作为燃料使用。
[0060]
结构如图3所示，含co杂质的氢气通过减压阀11进入杂质净化装置的阳极电极层4，空气经过空压机7并由三通阀8进行流量分配，大部分空气进入氢燃料电池电堆，分出一小部分进入杂质净化装置的阴极电极层5，通过恒电位仪1将阳极电位控制在0.85 v，co在阳极电极层4内被氧化为co2和h

，并生成电子，电子通过外电路和电流传感器2传递到阴极电极层5，h

通过电解质传递到阴极电极层5，在阴极电极层5中与空气中的氧气发生反应，生成水。反应后，氢气中的co在阳极电极层4被氧化为co2，除去co的氢气进入燃料电池系统的氢喷设备10，微量的co2对氢燃料电池的性能没有影响，可直接作为燃料使用。
[0061]
与实施例1相比，本实施例提供的杂质净化装置具有如下效果：
[0062]
1、可净化氢气中微量的一氧化碳，避免对燃料电池催化剂造成中毒，降低对氢气纯度的要求，扩大燃料电池的氢气来源，提高燃料电池的发电效率，延长寿命。
[0063]
2、体积小、效率高、装置简单，可在燃料电池汽车上进行在线纯化，作为移动纯化装置进行应用。
[0064]
3、设备简单，适应条件宽泛，利用恒电位仪对阳极电位进行精准控制，防止电位偏差导致的纯化效果低，可耐受较大范围的温度和湿度，对控制的要求较低。
[0065]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。