一种尾气处理装置及氢燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及汽车技术领域，更具体地说，涉及一种尾气处理装置及氢燃料电池系统。


背景技术：

2.目前，在氢燃料电池系统中，电堆排放的气体内混有一定数量的氢气与氧气。在现有技术中，燃料电池系统对尾排中的剩余燃料并没有较好的处理方式，一般为混合后直接排放。这种排放方式依赖于燃料电池系统的气体流量需要进行稀释，而稀释气体流量会加重空气压缩机的负担，削弱燃料电池系统性能。采用这种方式排放的氢燃料电池系统的尾气中，氢气与氧气的具体的浓度由电堆与氢燃料电池系统的特性而决定，但普遍集中在氢气的浓度为2％～6％(体积浓度)、氧气的浓度为8％～12％(体积浓度)的区间内。值得注意的是，氢气在空气中的爆炸极限为4％～75.6％(体积浓度)，由此部分燃料电池系统排放的尾气遇火源会直接爆炸，存在安全隐患。
3.因此，如何降低燃料电池系统排放的尾气中的氢气浓度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种尾气处理装置，以在降低燃料电池系统排放的尾气中的氢气浓度；
5.本发明的另一目的在于提供一种具有上述尾气处理装置的氢燃料电池系统。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种尾气处理装置，包括：
8.进气管道，设置有尾气进口，且所述进气管道内形成有增速腔；
9.分离管道，具有分离腔，所述分离腔与所述增速腔连通，且所述分离管道的内径大于所述进气管道的内径；
10.催化反应管组，具有供氢气和氧气反应的反应腔，且所述反应腔与所述分离腔连通。
11.可选地，在上述尾气处理装置中，还包括设置于所述催化反应管组与所述分离管道之间的第三排气管道，且所述第三排气管道的第一端与所述催化反应管组的反应腔连通，所述第三排气管道的第二端与所述分离腔连通。
12.可选地，在上述尾气处理装置中，所述进气管道套设于所述第三排气管道的外部，且所述进气管道的管壁与所述第三排气管道的管壁围设而成所述增速腔。
13.可选地，在上述尾气处理装置中，所述第三排气管道的第二端伸入所述分离腔内部。
14.可选地，在上述尾气处理装置中，所述催化反应管组包括第一排气管道和与所述第一排气管道相连通的第二排气管道，且所述第一排气管道具有增压减速腔，所述第二排
气管道的内腔为所述反应腔，所述第二排气管道的一端设置有与所述反应腔连通的气体出口。
15.可选地，在上述尾气处理装置中，所述第一排气管道的第一端与所述第三排气管道的第一端连通，所述第一排气管道的第二端与所述第二排气管道连通，且在所述第一排气管道的第一端至第二端的方向上所述第一排气管道的内径逐渐增大。
16.可选地，在上述尾气处理装置中，所述第二排气管道内设置有多道环形管道，相邻环形管道之间形成有供气体流出的环形间隙。
17.可选地，在上述尾气处理装置中，所述第二排气管道内设置有多个用于固定所述环形管道的固定件。
18.可选地，在上述尾气处理装置中，所述进气管道设置有沿所述进气管道的周向切线方向延伸的延伸管，所述尾气进口设置在所述延伸管上。
19.一种氢燃料电池系统，包括尾气处理装置，所述尾气处理装置为如上任一项所述的尾气处理装置。
20.本发明提供的尾气处理装置，混合有氢气和氧气的尾气由设置在进气管道的尾气进口排入至进气管道的增速腔内，以增加尾气在增速腔内的流速，实现液态水和气体的分层，由于分离管道的分离腔与增速腔相连通，且分离管道的内径大于进气管道的内径，使得气流在进入分离腔内流速降低，液态水与气体间相互作用力减小，在重力作用下，液态水向下聚集，氢气和氧气的混合气体向上流出，由分离腔进入催化反应管组的反应腔，以使得氢气和氧气发生反应。
21.与现有技术相比，本发明提供的尾气处理装置，通过进气管道的增速腔与分离管道的分离腔相配合，实现了液态水与气体的分离，分离后的氢气和氧气的混合气体进入反应腔发生氢气和氧气的化学反应，从而降低了尾气中的氢气浓度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的尾气处理装置的轴侧图；
24.图2为本发明实施例提供的尾气处理装置的正视图；
25.图3为图2中的a-a剖面图；
26.图4为本发明实施例提供的尾气处理装置的左视图；
27.图5为本发明实施例提供的尾气处理装置的俯视图；
28.图6为本发明实施例提供的尾气处理装置的仰视图。
29.其中，100为进气管道，101为尾气进口，102为增速腔，103为延伸管， 200为分离管道，201为液体出口，202为分离腔，300为催化反应管组，301 为第一排气管道，302为增压减速腔，303为第二排气管道，304为环形管道， 305为固定件，306为气体出口，400为第三排气管道，401为气体进口。
具体实施方式
30.本发明的核心在于提供一种尾气处理装置，以在降低燃料电池系统排放的尾气中的氢气浓度；
31.本发明的另一核心在于提供一种具有上述尾气处理装置的氢燃料电池系统。
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.如图1至图3所示，本技术实施例公开了一种尾气处理装置，包括进气管道100、分离管道200和催化反应管组300。
34.其中，进气管道100设置有尾气进口101，且进气管道100内形成有增速腔102，用以增加尾气在进气管道100内的流速，使尾气内部的液体水向外围聚集，实现气体和液态水分层。需要说明的是，尾气进口101与尾气排放设备连接，具体地，尾气排放设备可以为燃料电池排放设备，排放的尾气中以氢气、氧气和液态水为主，由于液态水会附着在催化剂表面，减少与气体接触的面积，降低氢气和氧气的催化反应效率，因此，在进行氢气和氧气催化反应前，需先将液态水分离出来。
35.进一步地，分离管道200具有分离腔202，且分离腔202与增速腔102连通。为了保证液态水与气体间相互作用力减小，实现液态水与气体的分离，分离管道200的内径大于进气管道100的内径。需要说明的是，分离管道200 的内径指的是分离腔202腔体的内径，进气管道100的内径指的是增速腔102 腔体的内径。当气体和液体水在增速腔102内完成分层后，进入分离腔202，由于流道的水力半径增大，气流减速，使得液态水与气体间相互作用力减小，液态水在重力作用下，向下聚集，气体由于密度较轻向上流出，进入催化反应管组300，实现气体和液态水的分离。
36.为了保证氢气和氧气在催化剂作用下能够充分反应，催化反应管组300 具有供氢气和氧气反应的反应腔，且反应腔与分离腔202连通。当氢气和氧气由分离腔202流入反应腔内后，在催化剂作用下，发生化学反应，生成液态水，从而降低了尾气中氢气的浓度。需要说明的是，由于催化剂可以在表面吸附气体分子，并降低氢气和氧气反应时所需的活化能，使氢气和氧气的反应可以在常温下进行，并且氢气和氧气反应时会放出大量的热量，使得氢气和氧气反应生成的液态水汽化吸热变为水蒸气，随剩余的气体一起排出反应腔外。具体地，本实施例中所公开的催化剂一般可以采用锰、锌或铜的金属氧化物，当然催化剂也可以采用碳载铂颗粒，具体催化剂的种类需由本领域相关技术人员根据实际情况采用。
37.本发明提供的尾气处理装置，混合有氢气和氧气的尾气由设置在进气管道100的尾气进口101排入至进气管道100的增速腔102内，以增加尾气在增速腔102内的流速，实现液态水和气体的分层，由于分离管道200的分离腔202与增速腔102相连通，且分离管道200的内径大于进气管道100的内径，使得气流在进入分离腔202内流速降低，液态水与气体间相互作用力减小，在重力作用下，液态水向下聚集，氢气和氧气的混合气体向上流出，由分离腔202进入催化反应管组300的反应腔，以使得氢气和氧气发生反应。
38.与现有技术相比，本发明提供的尾气处理装置，通过进气管道100的增速腔102与分离管道200的分离腔202相配合，实现了液态水与气体的分离，分离后的氢气和氧气的混
合气体进入反应腔使得氢气和氧气发生反应，从而降低了尾气中的氢气浓度。
39.进一步地，为了使得氢气和氧气能够顺畅的由分离管道200的分离腔202 流入催化反应管组300的反应腔，如图3和图4所示，在一具体实施例中，催化反应管组300与分离管道200之间设置有第三排气管道400，为了方便理解，将第三排气管道400的两端分别定义为第一端和第二端，且第三排气管道400的第一端与催化反应管组300的反应腔连通，第三排气管道400的第二端与分离腔202连通。由于氢气和氧气的密度较轻，易向上聚集，由此第三排气管道400的第二端与分离腔202顶面(图3视角)连通，且催化反应管组300位于分离管道200的上方。当气体和液态水在分离腔202分离后，液态水向下聚集，而由氢气和氧气组成的混合气体由分离管道200的分离腔 202流入第三排气管道400，通过第三排气管道400进入催化反应管组300的反应腔，进行氢气和氧气的催化反应。
40.具体地，进气管道100套设于第三排气管道400的外部，且进气管道100 的管壁与第三排气管道400的管壁围设而成增速腔102。需要说明的是，增速腔102为进气管道100的内壁与第三排气管道400的外壁所围成的第一环形通道，以保证尾气进入增速腔102时，气体流速增加，使得内部的液态水向外围聚集，实现气体和液态水的分层。
41.如图3所示，为了防止液态水与气体由第三排气管道400一起进入催化反应管组300的反应腔，影响氢气和氧气在反应腔内的反应效率，在一具体实施例中，第三排气管道400的第二端伸入分离腔202内部一段预设距离，且在预设距离范围内，第三排气管道400的外壁与分离管道200的内壁围成第二环形通道，且第一环形通道与第二环形通道连通，本领域相关技术人员可以理解的是，第二环形通道越长，使得液态水和气体的分离程度越高，同时聚集在第二环形通道顶部的气体越多，无法由气体进口401进入第三排气管道400，并流入催化反应管组300的反应腔内；第二环形通道越短，使得液态水和气体的分离程度越低，同时聚集在第二环形通道顶部的气体越少，部分气体会伴随有液态水由气体进口401进入第三排气管道400，并流入催化反应管组300的反应腔内，具体的第二环形通道长度需由本领域相关技术人员根据实际情况确定。
42.进一步地，在一具体实施例中，如图3所示，催化反应管组300包括第一排气管道301和与第一排气管道301相连通的第二排气管道303。其中，第一排气管道301具有增压减速腔302，第二排气管道303的内腔为反应腔，且增压减速腔302与反应腔连通，第二排气管道303的一端设置有与反应腔连通的气体出口306。
43.具体地，第一排气管道301的第一端与第三排气管道400的第一端连通，第一排气管道301的第二端与第二排气管道303连通，且在第一排气管道301 的第一端至第二端的方向上第一排气管道301的内径逐渐增大，以形成增压减速腔302。当氢气和氧气的混合气体由气体进口401进入第三排气管道400 后，通过第三排气管道400流入第一排气管道301的增压减速腔302内，由于第一排气管道301的第一端至第二端的方向上第一排气管道301的内径逐渐增大，使气流流速减小，增加了在反应腔与催化剂表面接触时间，同时增大了气流的静压，并且增加了单位面积上与催化剂表面接触的分子数量，从而提高了氢气与氧气的催化反应效率。
44.进一步地，如图3和图5所示，在一具体实施例中，第二排气管道303 内设置有多道环形管道304，相邻环形管道304之间形成有供气体流出的环形间隙，且第二排气管道303内设置有多个用于固定环形管道304的固定件305，具体地，固定件305分为上下两排，呈十字
状穿设于环形管道304中，用于固定环形管道304。需要说明的是，相邻环形管道304之间形成的环状间隙，保证了气体由环形间隙顺畅排出，同时也使得气体和催化剂接触更加充分均匀，反应效果更佳。
45.进一步地，为了方便进气管道100与尾气排放设备连接，在一具体实施例中，进气管道100设置有沿进气管道100的周向切线方向延伸的延伸管103，尾气进口101设置在延伸管103上，尾气排放设备通过延伸管103与进气管道100连接。
46.本发明实施例还公开了一种氢燃料电池系统，包括尾气处理装置，该尾气处理装置为如上实施例公开的尾气处理装置，因此兼具上述尾气处理装置的所有技术效果，本文在此不再赘述。
47.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。