一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置及方法，该装置包括双转子电机部分和催化反应部分，燃料电池尾气进入尾气混合通道，利用尾气的动能推动风扇转子旋转，与风扇转子一体的转子永磁体产生旋转的磁场，异步感应电动机驱动搅拌棒总成以混沌转速旋转，搅拌棒末端安装有催化剂层，与尾气发生低温催化燃烧反应；电子控制单元通过搅拌棒末端的加热层，控制催化反应温度，从而提高反应效率，使催化反应完全并将催化反应部分的水变为水蒸气，且反应后的尾气中不含氢气。本发明催化反应效率高、催化反应完全，不需要单独的水气分离装置就可进行水汽分离，不需要额外动力来源，且排入空气中的尾气中不含氢气，对环境无影响。

权利要求

1.一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，包括桶状外壳(19)，外壳(19)内部同轴设置尾气混和管道(4)，尾气混和管道(4)与燃料电池(1)可通断连通；

所述尾气混和管道(4)尾部设有催化反应进气口(15)，内部固定风扇转子(6)，外部固定集电环组(11)，风扇转子(6)外端部固定转子永磁体(7)；尾气混和管道(4)与外壳(19)之间固定搅拌棒总成(14)，搅拌棒总成(14)由异步感应电动机驱动；外壳(19)内部固定发电机线圈(10)；

所述发电机线圈(10)与电机控制器(17)连接，集电环组(11)与电机控制器(17)连接，电机控制器(17)与电子控制单元(18)连接；

所述搅拌棒总成(14)处的外壳(19)周向上设有排气通道(27)，排气通道(27)尾部设置催化反应排气口(23)，内部设有相互接触的永磁铁(22)和回位弹簧(24)；外壳(19)周向上设有温度传感器(26)，上端设有氢气流量传感器(25)，氢气流量传感器(25)、温度传感器(26)均与电子控制单元(18)连接。

2.根据权利要求1所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述搅拌棒总成(14)末端为三层结构，由内向外依次为电磁铁(30)、加热层(31)和催化剂层(32)。

3.根据权利要求2所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述集电环组(11)包括第一集电环(42)、第二集电环(43)、第三集电环(44)和第四集电环(45)。

4.根据权利要求3所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述第二集电环(43)和第三集电环(44)分别与电磁铁电源线(40)连接。

5.根据权利要求3所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述第一集电环(42)和第四集电环(45)分别与加热线圈电源线(41)连接。

6.根据权利要求1所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述异步感应电动机为双转子电机系统的异步感应电动机，由电动机线圈(9)和转子永磁体(7)组成。

7.根据权利要求6所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，其特征在于，所述双转子电机系统由电动机线圈(9)、发电机线圈(10)和转子永磁体(7)组成。

8.一种根据权利要求1-7任意一项权利要求所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置的处理方法，其特征在于，以催化反应的最佳温度为控制目标，对催化反应系统进行预热；搅拌棒总成(14)以混沌转速旋转搅拌，进行催化反应；检测催化反应是否含有氢气，如果含有氢气，则搅拌棒总成(14)仍以混沌转速进行搅拌，催化反应继续进行，如果不含有氢气，则进行排气。

9.根据权利要求8所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理方法，其特征在于，催化反应时，催化反应系统为封闭空间。

10.根据权利要求8所述的基于智能控制的车用燃料电池尾气处理方法，其特征在于，催化反应时，电子控制单元(18)由接收的温度信息，控制催化反应处于最佳反应温度下。

说明书

一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池尾气处理技术领域，具体涉及一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置及方法。

背景技术

[0002] 燃料电池目前主要采用质子交换膜，具有高效、清洁、对环境友好等优点，但就目前技术而言，氢气的利用率难以达到100％，未参加反应的氢气随尾气被排放掉；阳极侧产生杂质，在排出过程中也会导致氢气排放，因此需采取氢气尾气排放处理。目前燃料电池尾气处理主要采用尾氢稀释法、催化燃烧法和微通道催化燃烧法。催化燃烧法是目前应用比较广泛的一种方法，使氢气在催化反应器内与空气发生低温无火焰燃烧，去除率95％，但氢气处理量较小，反应器体积较大，反应后需单独的水气分离装置进行水汽分离；由于阳极采用脉冲式排放，阳极尾气电磁阀打开瞬间会有大量氢气排出，需要加装缓冲装置，使得氢气持续不断的流进催化反应器，而缓冲装置需较大的体积空间；由于燃料电池排气量和环境温度的变化，催化反应完全需要一定的温度、空速，需对这些变量进行控制。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置及方法，可处理的气体量大，催化反应速率高，不需要单独的水气分离装置进行水汽分离，不需要加装缓冲装置，体积空间小，且不需要额外电源。

[0004] 本发明是采用以下技术方案实现上述技术目的的。

[0005] 一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，包括桶状外壳，外壳内部同轴设置尾气混和管道，尾气混和管道与燃料电池可通断连通；

[0006] 所述尾气混和管道尾部设有催化反应进气口，内部固定风扇转子，外部固定集电环组，风扇转子外端部固定转子永磁体；尾气混和管道与外壳之间固定搅拌棒总成，搅拌棒总成由异步感应电动机驱动；外壳内部固定发电机线圈；

[0007] 所述发电机线圈与电机控制器连接，集电环组与电机控制器连接，电机控制器与电子控制单元连接；

[0008] 所述搅拌棒总成处的外壳周向上设有排气通道，排气通道尾部设置催化反应排气口，内部设有相互接触的永磁铁和回位弹簧；外壳周向上设有温度传感器，上端设有氢气流量传感器，氢气流量传感器、温度传感器均与电子控制单元连接。

[0009] 上述技术方案中，所述搅拌棒总成末端为三层结构，由内向外依次为电磁铁、加热层和催化剂层。

[0010] 上述技术方案中，所述集电环组包括第一集电环、第二集电环、第三集电环和第四集电环。

[0011] 上述技术方案中，所述第二集电环和第三集电环分别与电磁铁电源线连接。

[0012] 上述技术方案中，所述第一集电环和第四集电环分别与加热线圈电源线连接。

[0013] 上述技术方案中，所述异步感应电动机为双转子电机系统的异步感应电动机，由电动机线圈和转子永磁体组成。

[0014] 上述技术方案中，所述双转子电机系统由电动机线圈、发电机线圈和转子永磁体组成。

[0015] 一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理方法，其特征在于，以催化反应的最佳温度为控制目标，对催化反应系统进行预热；搅拌棒总成以混沌转速旋转搅拌，进行催化反应；检测催化反应是否含有氢气，如果含有氢气，则搅拌棒总成仍以混沌转速进行搅拌，催化反应继续进行，如果不含有氢气，则进行排气。

[0016] 进一步，催化反应时，催化反应系统为封闭空间。

[0017] 进一步，催化反应时，电子控制单元由接收的温度信息，控制催化反应处于最佳反应温度下。

[0018] 本发明的有益效果为：

[0019] (1)本发明由氢气流量传感器实时监测催化反应部分的氢气含量，当不含有氢气时，才进行排气，排入空气中的尾气不含氢气，解决尾气排入空气中少量氢气可能存在的安全隐患及对环境不可预测的影响。

[0020] (2)本发明利用排气动能推动风扇转子旋转，与风扇转子一体的转子永磁体产生旋转的磁场，进而为整个装置提供电能，无需额外电源。

[0021] (3)本发明可根据燃料电池排气量和环境温度的不同，对反应空速、反应温度进行控制，具体为：由异步感应电动机驱动搅拌棒总成以混沌转速旋转改变空速使催化反应完全；由温度传感器实时监测反应部分的温度，由电子控制单元控制加热层维持催化反应部分的温度，防止系统排气后温度下降，导致环境温度降低，影响反应效率。

[0022] (4)本发明催化反应和电加热层产生的热量足以使尾气中的水全部以气态形式排出系统，不必增加气液分离装置。

[0023] (5)本发明催化剂层设置在搅拌棒总成末端，可增加催化反应空速，同时搅拌棒总成采用混沌方式旋转，使反应气体与催化剂层充分接触，增加催化反应效率。

附图说明

[0024] 图1为本发明一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置的结构示意图；

[0025] 图2为本发明一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置的催化反应系统结构示意图；

[0026] 图3为本发明一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置搅拌棒供电系统的示意图。

[0027] 其中：1-燃料电池，2-阴极排气管道，3-阳极排气管道，4-尾气混和管道，5-第一风扇转子轴承，6-风扇转子，7-转子永磁体，8-第二风扇转子轴承，9-电动机线圈，10-发电机线圈，11-集电环组，12-第一搅拌棒轴承，13-第二搅拌棒轴承，14-搅拌棒总成，15-催化反应进气口，17-电机控制器，18-电子控制单元，19-外壳，20-阴极电磁阀，21-阳极电磁阀，22-永磁铁，23-催化反应排气口，24-回位弹簧，25-氢气流量传感器，26-温度传感器，27-排气通道，30-电磁铁，31-加热层，32-催化剂层，40-电磁铁电源线，41-加热线圈电源线，42-第一集电环，43-第二集电环，44-第三集电环，45-第四集电环。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0029] 如图1所示，一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置，包括燃料电池1、阴极排气管道2、阳极排气管道3、尾气混和管道4、第一风扇转子轴承5、风扇转子6、转子永磁体7、第二风扇转子轴承8、电动机线圈9、发电机线圈10、集电环组11、第一搅拌棒轴承12、第二搅拌棒轴承13、搅拌棒总成14、催化反应进气口15、电机控制器17、电子控制单元18、外壳19、阴极电磁阀20和阳极电磁阀21；其中尾气混和管道4位于外壳19内部，尾气混和管道4、外壳19均为桶状结构，且尾气混和管道4与外壳19同轴设置。尾气混合通道4分别通过阳极排气通道3、阴极排气通道2与燃料电池1相连通，阳极排气通道3中设置阳极电磁阀21，阴极排气通道2中设置阴极电磁阀20。风扇转子6通过第一风扇转子轴承5和第二风扇转子轴承8固定在尾气混和通道4内部，集电环组11固定在尾气混和通道4外部，尾气混和通道4的尾部设有催化反应进气口15。转子永磁体7固定在风扇转子6外端部，两者为一整体结构。搅拌棒总成14通过第一搅拌棒轴承12和第二搅拌棒轴承13固定在尾气混和管道4外部和外壳19之间，搅拌棒总成14尾部安装电动机线圈9，电动机线圈9与电机控制器17连接，电动机线圈9、发电机线圈10和转子永磁体7组成双转子电机系统，搅拌棒总成14由双转子电机系统的异步感应电动机驱动旋转，异步感应电动机由电动机线圈9和转子永磁体7组成；第二搅拌棒轴承13通过支撑筋与外壳19固定。发电机线圈10固定在外壳19内部，通过导线与电机控制器17连接。电子控制单元18和电机控制器17通过导线相连接，电机控制器17通过导线和集电环组11相连接。电子控制单元18通过导线分别与阳极电磁阀21、阴极电磁阀20相连接。

[0030] 外壳19内部以支撑筋为界，左半部分为催化反应部分，主要包括搅拌棒总成14和催化反应系统；右半部分为双转子电机部分，包括风扇转子6、转子永磁体7、电动机线圈9、发电机线圈10、集电环组11、电机控制器17、电子控制单元18。

[0031] 如图2所示，一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置的催化反应系统，包括永磁铁22、催化反应排气口23、回位弹簧24、氢气流量传感器25、温度传感器26和排气通道27；排气通道27均布在外壳19周向上，可根据尾气排放量设置一个或多个。永磁铁22和回位弹簧24设置在排气通道27中，永磁铁22与回位弹簧24接触，催化反应排气口23设置在排气通道27尾部，与外界空气相通。外壳19周向上设置温度传感器26，外壳19上端设置氢气流量传感器25，氢气流量传感器25、温度传感器26分别和电子控制单元18用导线连接。

[0032] 如图3所示，一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理装置的搅拌棒供电系统，搅拌棒总成14末端为三层结构，由内向外依次为电磁铁30、加热层31、催化剂层32；集电环组11由第一集电环42、第二集电环43、第三集电环44、第四集电环45组成，四个集电环分别和电机控制器17用导线相连接。电磁铁30的电磁铁电源线40分别和第二集电环43、第三集电环44相连接，加热层31的加热线圈电源线41分别和第一集电环42、第四集电环45相连接。

[0033] 一种基于智能控制的车用燃料电池尾气处理过程为：

[0034] S1：燃料电池1开始工作，电子控制单元18控制阴极电磁阀20打开、阳极排气阀21关闭，阴极排气进入尾气混合通道4，阴极排气推动风扇转子6旋转，转子永磁体7随之旋转，为双转子电机部分提供旋转的磁场，发电机线圈10产生电能输送给电机控制器17；阴极排气通过催化反应进气口15进入催化反应部分。

[0035] S2：电子控制单元18通过温度传感器26传递的电信号判断催化反应部分的温度，通过电机控制器17，使得第一集电环42和第四集电环45形成电源控制加热层31产生热量；催化反应初始时，催化反应系统内部气体为常温，若此时打开阳极排气阀21，氢气进入尾气混合通道4，进而进入催化反应部分，因环境温度过低，催化剂层32上的催化剂活性不强，导致催化反应不能完全进行，因此以催化反应的最佳温度为控制目标(催化反应的最佳温度由实验获取，再置于电子控制单元18中)，对催化反应系统进行预热。

[0036] S3：控制单元18控制阴极电磁阀20、阳极排气阀21均打开，阳极排气和阴极排气在尾气混合通道4中混合，混合气推动风扇转子6旋转，转子永磁体7随之旋转，为双转子电机部分提供旋转的磁场，发电机线圈10产生电能输送给电机控制器17；混合气通过催化反应进气口15进入催化反应部分。

[0037] S4：电子控制单元18控制电机控制器17不给第二集电环43和第三集电环44通电，电磁铁30没有通电，无法形成磁场，不能推动永磁铁22；在回位弹簧24的弹力作用下，排气通道27关闭，催化反应部分形成封闭的反应空间。

[0038] S5：电子控制单元18控制电机控制器17，使得异步感应电动机驱动搅拌棒总成14以混沌转速进行旋转改变空速，使进入催化反应部分的混合气和搅拌棒的催化剂层32充分接触，使反应充分进行。

[0039] S6：温度传感器26检测催化反应部分的温度，将温度转化成电信号传递给电子控制单元18，通过电机控制器17，使得第一集电环42和第四集电环45形成电源控制加热层31产生热量，维持催化反应部分处于最佳反应温度下。

[0040] S7：在加热层31和催化反应产生的热量下，催化反应生成的水以气态形式存在于催化反应部分；氢气流量传感器25检测催化反应部分顶部氢气含量，如果不含有氢气，可由电子控制单元18通过电机控制器17使得第二集电环43和第三集电环44形成电源控制电磁铁30通电，并形成NS级，在旋转过程中，当靠近永磁铁22时，同级相斥，克服回位弹簧24弹力，打开催化反应排气口23，进行排气，并为下一次工作循环做准备。如果含有氢气，则不能打开催化反应排气口23(第二集电环43和第三集电环44不通电)，搅拌棒总成14以混沌转速继续进行搅拌，使催化反应继续进行。

[0041] S8：反应连续进行且催化反应部分内无氢气剩余、温度合适，则循环执行S3-S7，直至燃料电池1停止工作。

[0042] 以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。