氢燃料电池车尾氢消除装置的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池车技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池车尾氢消除装置。


背景技术：

2.随着氢能经济的发展，氢燃料电池技术也得到了大力的发展。氢燃料电池以纯氢作为燃料，氧气作为氧化剂，在催化剂的作用下氢气在阳极发生氧化反应，氧气在阴极发生还原反应，将储存在氢气中的化学能转化为电能进行发电，其反应产物只有水，是一种非常清洁的发电技术。近些年随着煤矿智能化的不断发展，氢燃料电池车正在逐步向煤矿等生产场景应用。氢燃料电池车在运行过程中不可避免的会有少量的氢气通过尾气管排放。目前常见的稀释排放处理方法通过降低排放氢气的浓度，使排放的气体中氢气的的浓度低于排放浓度标准，但是并没有真正减少氢气的排放量，在相对密闭的矿井空间中存在爆炸风险(氢气的爆炸极限为4％-75％)。
3.因此为了保证氢燃料电池车在矿井下的安全使用，需要对氢燃料电池车尾气中的残余氢气进行处理。相关技术中采用负载催化剂的尾氢消除装置消除尾气中残余氢气，通过制备多条通孔或者其他一些复杂结构来增加催化剂与尾气的接触面积，导致尾氢消除装置的结构比较复杂。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种结构简单、除氢效率高的氢燃料电池车尾氢消除装置。
5.本发明实施例的氢燃料电池车尾氢消除装置包括：壳体，所述壳体内设有依次连通的第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述壳体上开设有进气口和出气口，所述进气口与所述第一腔室连通，所述出气口与所述第三腔室连通；气体分配壳，所述气体分配壳位于所述第一腔室内并与所述进气口连通，所述气体分配壳内限定出气体分配腔，所述气体分配壳的侧壁为多孔壁面；气体分流装置，所述气体分流装置位于所述气体分配腔内，所述气体分流装置包括若干气体分流盘，若干所述气体分流盘在进气方向上间隔排布；催化剂，所述催化剂填充在所述第一腔室位于所述气体分配壳外侧的部分中，以及所述第三腔室内。
6.本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置在壳体的气体入口处形成气体分配腔，气体分配腔中设置由若干气体分流盘组成的气体分流装置，气体分流装置的设置改变了气体流场，极大的增加了尾气与催化剂的接触面积，使尾气气流能够更加充分地、快速地、均匀地与填充的催化剂接触，提高了除氢效率。尾气经过第一腔室中的催化剂的第一轮催化氧化后在第二腔室的空腔中重新混合，随后进入第三腔室，第三腔室中填充的催化剂进一步将尾气中残余的氢气进行氧化，使最终排放的到外部的气体中氢气的浓度能够忽略不计，优化了除氢效果。
7.因此，本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置中用于增加催化剂与尾气
的接触面积的结构简单、除氢效率高、除氢效果好。
8.在一些实施例中，所述气体分流盘的朝向所述进气口的侧面向所述进气口方向突出形成弧面。
9.在一些实施例中，若干所述气体分流盘的中心直线重合，且沿所述进气方向延伸。
10.在一些实施例中，靠近所述进气口的气体分流盘的直径小于远离所述进气口的气体分流盘的直径。
11.在一些实施例中，所述气体分配壳为空心圆柱状，所述气体分配壳的中心轴线沿进气方向延伸，所述气体分配壳在其中心轴线上具有第一端和第二端，所述第一端与所述进气口相对且连通，所述第二端具有封板，所述气体分配壳的侧壁为多孔结构。
12.在一些实施例中，所述进气口和所述出气口在第一方向上相对，所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室在所述第一方向上依次排布。
13.在一些实施例中，所述壳体内还包括出气腔，所述出气腔位于所述第三腔室与所述出气口之间。
14.在一些实施例中，氢燃料电池车尾氢消除装置包括位于所述壳体内的第一多孔盘、第二多孔盘和第三多孔盘，所述第一多孔盘位于所述第一腔室和所述第二腔室之间，所述第二多孔盘位于所述第二腔室和所述第三腔室之间，所述第三多孔盘位于所述第三腔室和所述出气腔之间。
15.在一些实施例中，所述壳体包括依次连接的顶盖、前段主体、后段主体和底盖，所述第一多孔盘位于所述前段主体和所述后段主体之间，所述第三多孔盘位于所述后段主体和所述底盖之间，所述第二多孔盘位于所述后段主体内。
16.在一些实施例中，所述后段主体的内壁面上设有限位部，所述第二多孔盘的一侧与所述限位部的靠近所述出气口的一侧相抵，所述第二多孔盘的另一侧与填充于所述第三腔室内的催化剂相抵而限位。
附图说明
17.图1是本发明实施例中的氢燃料电池车尾氢消除装置的结构示意图。
18.图2是本发明实施例中的氢燃料电池车尾氢消除装置的内部结构示意图。
19.图3是本发明实施例中的气体分流装置的结构示意图。
20.图4是本发明实施例中第一多孔盘的结构示意图。
21.图5是无气体分流装置的尾氢消除装置的流场仿真图。
22.图6是有气体分流装置的尾氢消除装置的流场仿真图。
23.附图标记：
24.氢燃料电池车尾氢消除装置100、壳体1、第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13、进气口14、出气口15、出气腔16、顶盖101、前段主体102、后段主体103、底盖104、限位部105、气体分配壳2、气体分配腔21、封板22、气体分流装置3、气体分流盘31、连接杆32、第一多孔盘41、第二多孔盘42、第三多孔盘43。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考
附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.下面根据图1-图4描述本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置100，氢燃料电池车尾氢消除装置100包括壳体1、气体分配壳2、气体分流装置3和催化剂，
27.壳体1内设有依次连通的第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13，壳体1上开设有进气口14和出气口15，进气口14与第一腔室11连通，出气口15与第三腔室13连通，第二腔室12位于第一腔室11和第三腔室13之间。
28.气体分配壳2位于第一腔室11内并与进气口14连通，气体分配壳2内限定出气体分配腔21，气体分配壳2的侧壁为多孔壁面。气体分流装置3位于气体分配腔21内，气体分流装置3包括若干气体分流盘31，若干气体分流盘31在进气方向上间隔排布。催化剂填充在第一腔室11位于气体分配壳2外侧的部分中，以及第三腔室13内。
29.氢燃料电池车的尾气从进气口14进入壳体1内，首先进入位于第一腔室11内的气体分配壳2限定出的气体分配腔21中，在气体分配腔21中，与气体分流装置3的气体分流盘31接触，气体分流盘31改变了气流方向，使尾气可以均匀地通过气体分配壳2侧壁上的通孔进入第一腔室11，与填充在气体分配壳2外侧的第一腔室11中的催化剂接触，发生催化氧化反应，然后进入第二腔室12中，而后进入第三腔室13中与填充在第三腔室13中的催化剂接触，残余的氢气继续进行催化氧化反应而被消耗，处理后的气体最后从出气口15排出。
30.本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置在壳体的气体入口处形成气体分配腔，气体分配腔中设置由若干气体分流盘组成的气体分流装置，气体分流装置的设置改变了气体流场，极大的增加了尾气与催化剂的接触面积，使尾气气流能够更加充分地、快速地、均匀地与填充的催化剂接触，提高了除氢效率。尾气经过第一腔室中的催化剂的第一轮催化氧化后在第二腔室的空腔中重新混合，随后进入第三腔室，第三腔室中填充的催化剂进一步将尾气中残余的氢气进行氧化，使最终排放的到外部的气体中氢气的浓度能够忽略不计，优化了除氢效果。
31.因此，本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置中用于增加催化剂与尾气的接触面积的结构简单、除氢效率高、除氢效果好。
32.下面根据图1-图4描述本发明一个具体实施例中的氢燃料电池车尾氢消除装置100，氢燃料电池车尾氢消除装置100包括壳体1、气体分配壳2、气体分流装置3和催化剂。
33.如图1所示，壳体1包括顶盖101、前段主体102、后段主体103和底盖104。前段主体102、后段主体103均为筒状结构，顶盖101、前段主体102、后段主体103和底盖104依次首位相连。可选地，可以采用连接螺栓将相邻的两者相连。进气口14设在顶盖101上，出气口15设在底盖104上。进气口14和出气口15在第一方向上相对，第一方向为尾气的流通方向(如图2中的箭头所示)。第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13在第一方向上依次排布。
34.顶盖101和前段主体102共同限定出了第一腔室11，第二腔室12和第三腔室13位于后段主体103中。本实施例中，如图2所示，壳体1中还包括由底盖104限定出的出气腔16，出气腔16位于第三腔室13的下游，位于第三腔室13和出气口15之间，用于连通第三腔室13和出气口15。
35.如图2所示，本实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置100包括位于壳体1内的第一多孔盘41、第二多孔盘42和第三多孔盘43。第一多孔盘41位于第一腔室11和第二腔室12之间，第一多孔盘41上的众多通孔连通第一腔室11和第二腔室12，且第一多孔盘41的通
孔直径小于第一腔室11中填充的催化剂颗粒的直径，第一多孔盘41用于限制第一腔室11中填充的催化剂，并连通第一腔室11和第二腔室12。
36.第二多孔盘42位于第二腔室12和第三腔室13之间。第二多孔盘42上的众多通孔连通第二腔室12和第三腔室13，且第二多孔盘42的通孔直径小于第三腔室13中填充的催化剂颗粒的直径，第二多孔盘42用于限制第三腔室13中填充的催化剂，并连通第二腔室12和第三腔室13。
37.第三多孔盘43位于第三腔室13和出气腔16之间。第三多孔盘43上的众多通孔连通第三腔室13和出气腔16，且第三多孔盘43的通孔直径小于第三腔室13中填充的催化剂颗粒的直径，第三多孔盘43用于限制第三腔室13中填充的催化剂，并连通第三腔室13和出气腔16。
38.第一多孔盘41、第二多孔盘42和第三多孔盘43的结构可参考图4。
39.如图2所示，第一多孔盘41位于前段主体102和后段主体103之间，第三多孔盘43位于后段主体103和底盖104之间。第二多孔盘42位于后段主体103内，用于在后段主体103内分离出第二腔室12和第三腔室13。
40.为了限制第一多孔盘41、第二多孔盘42和第三多孔盘43在第一方向上的位置，在本实施例中，如图1所示，第一多孔盘41夹设在前段主体102和后段主体103之间，第三多孔盘43夹设在后段主体103和底盖104之间。
41.具体地，如图1和图2所示，顶盖101的后端、前段主体102的前后两端、后段主体103的前后两端、底盖104的前段均设有法兰结构。顶盖101的后端法兰与前段主体102的前端法兰相连，第一多孔盘41夹设在前段主体102的后端法兰和后段主体103的前端之间，通过连接螺栓连接。第三多孔盘43夹设在后段主体103的后端法兰和底盖104的前端法兰之间，通过连接螺栓连接。因此固定了第一多孔盘41和第三多孔盘43的位置。
42.如图2所示，后段主体103的内壁面上设有限位部105，第二多孔盘42的一侧与限位部105的靠近出气口15的一侧相抵，第二多孔盘42的另一侧与填充于第三腔室13内的催化剂相抵而限位，也就是说，第二多孔盘42在朝向进气口14的方向上被限位部105限位，在朝向出气口15的方向上被第三腔室13内的催化剂挤压固定。
43.需要说明的是，本发明实施例中的氢燃料电池车尾氢消除装置100的顶盖101、前段主体102、后段主体103和底盖104之间的连接可以选择以螺栓的方式进行连接，也可以选择以卡箍的方式进行连接，这里不做限制，两种方式均为方便拆卸的设计。
44.此外，第一多孔盘41、第二多孔盘42、第三多孔盘43与壳体1之间的安装方式也可以为其他，优选采用方便拆卸的方式。
45.由于相关技术一般是通过将催化剂涂覆在尾氢消除装置中气体流动的通道内，因此由于气体环境复杂导致的催化剂中毒失活后，很难对尾氢消除装置中的催化剂进行更换，催化剂的更换成本也较高。
46.本发明实施例提供的氢燃料电池车尾氢消除装置100的壳体1方便拆装，壳体1不同部分连接处通过螺栓或者卡箍进行固定，当催化剂发生失活时，只需拆开壳体1，将失活催化剂从取出，重新填充新的催化剂即可，催化剂方便更换，解决了相关技术中的尾氢消除装置催化剂更换困难的问题。
47.气体分配壳2位于第一腔室11内，本实施例中，如图2所示，气体分配壳2为空心圆
柱状，气体分配壳2的中心轴线沿进气方向延伸，与第一方向相同。气体分配壳2在其中心轴线上具有第一端和第二端，气体分配壳2的第一端与壳体1的进气口14相对且连通，气体分配壳2的第二端处设有封板22，气体分配壳2的侧壁为多孔结构。
48.如图3所示，本实施例中的气体分流装置3位于气体分配壳2的气体分配腔21中，气体分流装置3包括三个气体分流盘31，三个气体分流盘31在第一方向上间隔设置，且中心轴线重合，均沿进气方向(第一方向)延伸。
49.为了连接三个气体分流盘31，如图3所示，气体分流装置3还包括连接杆32，连接杆32的一端与封板22相连，另一端朝向进气口14方向延伸，三个气体分流盘31均套设在连接杆32上并与其相互固定。
50.气体分流盘31改变进入气体分配腔21中的气流方向，使尾气可以均匀的流向第一腔室11中填充的催化剂。
51.进一步地，如图2和图3所示，气体分流盘31的朝向进气口14的侧面向进气口14方向突出形成弧面，弧面的设计能够使气体分流盘31更顺畅地进行引流，将尾气均匀地向四周发散，使尾气分散后从气体分配壳2侧壁上的孔隙进入第一腔室11中与催化剂接触。
52.更进一步地，靠近进气口14的气体分流盘31的直径小于远离进气口14的气体分流盘31的直径，以起到更好的分流效果。
53.本实施例中的氢燃料电池车尾氢消除装置100在运行过程中，含氢尾气首先从进气口14通入气体分配腔21中，当尾气经过气体分流装置3时发生分流，气体分流装置3的气体分流盘31改变了尾气的流动方向，使尾气均匀地流向前段主体102中填充的催化剂中，极大地增加了尾气与催化剂的接触面积，提高了除氢效率。尾气经过第一腔室11后在第二腔室12中重新混合，随后进入第三腔室13，第三腔室13中填充的催化剂进一步将尾气中残余的氢气进行氧化，使最终排放的到外部的气体中氢气的浓度能够忽略不计。
54.发明人对通过fluent软件对有无气体分流装置3的尾氢消除装置100的流场均进行了分析，结果如图5和图6所示。可以观察到，与没有设置无气体分流装置3的尾氢消除装置100的流场相比，有气体分流装置3的尾氢消除装置100的流场中显示尾气与催化剂的接触面积明显增加。
55.本实施例通过在气体分流腔21内设计一种多级锥形结构的气体分流装置3来改变气体流动方向，增加气体催化剂的接触面积。此外，在壳体1设计了多个腔室，并在多个腔室中进行催化剂的填充，可以进一步的催化为氧化的氢气，进一步提高除氢效率。
56.当氢燃料电池运行过程中产生的水蒸气对催化剂的活性有影响，可以在第一腔室11中填充分子筛进行除水，除水后的尾气经第二腔室12，随后在第三腔室13中由催化剂催化氧化消除。
57.综上所述，本发明实施例氢燃料电池车尾氢消除装置100带来的有益技术效果：简化了催化尾氢消除装置的结构，降低了装置的制备成本；增加了催化剂与尾气的接触面积，延长了该装置在极端气体环境下的使用寿命；装置容易拆卸，催化剂方便更换。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
59.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
62.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
63.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，包括：壳体，所述壳体内设有依次连通的第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述壳体上开设有进气口和出气口，所述进气口与所述第一腔室连通，所述出气口与所述第三腔室连通；气体分配壳，所述气体分配壳位于所述第一腔室内并与所述进气口连通，所述气体分配壳内限定出气体分配腔，所述气体分配壳的侧壁为多孔壁面；气体分流装置，所述气体分流装置位于所述气体分配腔内，所述气体分流装置包括若干气体分流盘，若干所述气体分流盘在进气方向上间隔排布；催化剂，所述催化剂填充在所述第一腔室位于所述气体分配壳外侧的部分中，以及所述第三腔室内。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述气体分流盘的朝向所述进气口的侧面向所述进气口方向突出形成弧面。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，若干所述气体分流盘的中心直线重合，且沿所述进气方向延伸。4.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，靠近所述进气口的气体分流盘的直径小于远离所述进气口的气体分流盘的直径。5.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述气体分配壳为空心圆柱状，所述气体分配壳的中心轴线沿进气方向延伸，所述气体分配壳在其中心轴线上具有第一端和第二端，所述第一端与所述进气口相对且连通，所述第二端具有封板，所述气体分配壳的侧壁为多孔结构。6.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述进气口和所述出气口在第一方向上相对，所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室在所述第一方向上依次排布。7.根据权利要求1或6所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述壳体内还包括出气腔，所述出气腔位于所述第三腔室与所述出气口之间。8.根据权利要求7所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，包括位于所述壳体内的第一多孔盘、第二多孔盘和第三多孔盘，所述第一多孔盘位于所述第一腔室和所述第二腔室之间，所述第二多孔盘位于所述第二腔室和所述第三腔室之间，所述第三多孔盘位于所述第三腔室和所述出气腔之间。9.根据权利要求8所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述壳体包括依次连接的顶盖、前段主体、后段主体和底盖，所述第一多孔盘位于所述前段主体和所述后段主体之间，所述第三多孔盘位于所述后段主体和所述底盖之间，所述第二多孔盘位于所述后段主体内。10.根据权利要求9所述的氢燃料电池车尾氢消除装置，其特征在于，所述后段主体的内壁面上设有限位部，所述第二多孔盘的一侧与所述限位部的靠近所述出气口的一侧相抵，所述第二多孔盘的另一侧与填充于所述第三腔室内的催化剂相抵而限位。

技术总结
本发明公开了一种氢燃料电池车尾氢消除装置，包括壳体、气体分配壳、气体分流装置和催化剂，本发明提供的氢燃料电池车尾氢消除装置在壳体的气体入口处形成气体分配腔，气体分配腔中设置由若干气体分流盘组成的气体分流装置，气体分流装置的设置改变了气体流场，极大的增加了尾气与催化剂的接触面积，使尾气气流能够更加充分地、快速地、均匀地与填充的催化剂接触，提高了除氢效率。尾气经过第一腔室中的催化剂的第一轮催化氧化后在第二腔室的空腔中重新混合，随后进入第三腔室，第三腔室中填充的催化剂进一步将尾气中残余的氢气进行氧化，使最终排放的到外部的气体中氢气的浓度能够忽略不计，优化了除氢效果。优化了除氢效果。优化了除氢效果。


技术研发人员：杨鑫 张亦凡 石林鑫 刘霄 郭鑫
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/5/30