燃料电池车辆的废气净化方法和燃料电池车辆的废气净化系统技术方案

用于燃料电池车辆的废气净化方法，包括：预备一个用于燃料电池车辆的废气净化系统，该废气净化系统包含一种除甲烷催化剂以促进甲烷向氢和一氧化碳的转化。所述除甲烷催化剂包含包括铑、铂和钯的至少一种的催化组分。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及净化燃料电池车辆的废气的方法和系统。更具体地说，本专利技术涉及净化废气的方法和系统，其中，在低温条件下除去含于来自燃料电池组的废气中的甲烷。
技术介绍
近年来，人们希望燃料电池车辆(FCV)尽可能早地付诸实用，因为环境问题和能源问题日益在全球范围内引起人们的注意。在燃料电池车辆中，氢和氧彼此反应而产生电能并且释放二氧化碳(CO2)和水(H2O)。除了CO2和H2O以外，从利用汽油作燃料的燃料电池车辆的燃料电池组等还释放氢(H2)和甲烷(CH4)。当然，如果应用催化剂，H2甚至在低温下也较容易燃烧并可作为H2O排放。同时，CH4是除了CO2之外的一种典型的温室效应气体。一分子CH4带来的地球变暖效应相当于大致二十分子CO2的效应。所以，必须尽可能地控制CH4向大气的排放。作为从废气中除去CH4的技术，催化燃烧法是已知的，其中在氧过量的所谓贫条件下通过应用催化剂而燃烧并除去CH4。此外，人们还想到改善催化剂以便减少废气中的CH4的方法。就压缩天然气(CNG)车辆废气的净化问题，人们已研究了除去废气中的CH4的催化剂。具体地说，有人研究了一种三用(three-way)催化剂的应用，公开了甚至在约400℃的较低温度条件下仍有效地除去CH4的技术(“Hanaki，Sekiba，Ishii，Okada和Ishizawa；日本汽车工程师协会论文集(Collected Papers of Society of Automotive Engineersof Japan，Inc.)，Vol.27，No.2，1996年4月(9634549)”)。该方法利用贵金属催化剂，控制废气的空气/燃料比大约在化学计量条件下，据说有效地净化含较少水分的内燃机废气。
技术实现思路
然而，应用催化燃烧法燃烧和除去预定量的CH4(例如，90％或更高的除去效率)，通常要求等于/高于600℃的高温。在燃料电池车辆中为了实现上述这样的高温，必须充分利用热交换器等。在提供热交换器等的情况下，净化废气的系统将会复杂化，自然就会降低燃料电池车辆的效率，于是，燃料电池车辆在燃料消耗和成本方面竞争力就更小。另外，在使用三用催化剂的情况下，共存的水分显著抑制催化剂的除CH4性能，所以可以想像，难于对燃料电池组的废气(它含特别大量水分)直接应用三用催化剂。此外，尚未发现通过利用三用催化剂的方法将CH4转化为什么组分。因此，对燃料电池车辆的适用性是未知的。鉴于前述事实，本专利技术的一个目的是提供一种甚至在低温范围内仍有效地除去含于燃料电池车辆废气中的甲烷的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种用于燃料电池车辆的废气净化系统，其中，在低温范围内有效地除去含特别大量水分的燃料电池组废气中所含的甲烷。按本专利技术一个方面，提供了用于燃料电池车辆的废气净化方法，它包括预备用于燃料电池车辆的废气净化系统，该废气净化系统包括一种用于促进甲烷向氢和一氧化碳转化的除甲烷催化剂，所述除甲烷催化剂包含包括铑、铂和钯中至少一种的第一催化组分，其中将导入放置了除甲烷催化剂的区域中的废气的氧过量率ζ设定在50％～98％的范围内，氧过量率ζ由下式(1)定义ξ=CO2CCH4×2+CH2×0.5×100---(1)]]>其中，CO2是氧的浓度，CCH4是甲烷的浓度，而CH2是氢的浓度。按本专利技术另一方面，提供了用于燃料电池车辆的废气净化系统，它包含一种除甲烷催化剂，该除甲烷催化剂包含包括铑、铂和钯中至少一种的第一催化组分。附图简述附图说明图1示出了甲烷去除率与供给到放置了除甲烷催化剂的区域的气体温度之间的关系，图2示出了甲烷去除率与除甲烷催化剂负载的铂浓度之间的关系，图3示出了甲烷去除率与除甲烷催化剂的钡含量之间的关系，图4A是一个两级废气净化系统的示意图，图4B是一个两级废气净化系统的示意图，图4C是一个一级废气净化系统的示意图，图5示出了甲烷去除率与供给到除甲烷催化剂的废气的氧过量率之间的关系，图6示出了残余氢的含量与供给到放置在两级废气净化系统的下游的催化剂的气体之氧过量率之间的关系，图7示出了残余二氧化碳的含量与供给到放置在两级废气净化系统的下游的催化剂的气体之氧过量率之间的关系，以及图8是显示本专利技术的整体蜂窝状催化剂的结构的透视图，以及显示部分催化剂的部分剖视图。实施本专利技术的最佳方式为了更详细地描述本专利技术，将参照下文的附图阐释本专利技术的优选虽然本专利技术的废气净化系统用于净化燃料电池组的废气，但对其中装备的燃料电池没有特定的限制。具体地说，本专利技术的废气净化系统可适用于装备了各种燃料电池如聚合物电解质燃料电池(PEFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料电池车辆，只要废气中存在甲烷(CH4)即可。可以说，在各种燃料电池中，聚合物电解质燃料电池是优选的，因为聚合物电解质燃料电池可在常温下活化，微型化和减轻重量。本专利技术的废气净化系统不但可适用于纯粹含义的燃料电池车辆(它仅装备了燃料电池作为动力源)，还适用于兼有燃料电池与锂电池或者兼有燃料电池与内燃机的混合式车辆。所以，本专利技术的“燃料电池车辆”包括这两类车辆。对于燃料电池组的结构没有特别的限制。在利用空气作为燃料电池的氧化剂的情况下，燃料电池组的废气中除了含有氮(N2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)以外，通常还含少量的甲烷(CH4)、氢(H2)和氧(O2)。本专利技术的废气净化系统的特征在于，它包含用于净化燃料电池的废气的除甲烷催化剂。至于除甲烷催化剂中的催化组分，使用铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)。可组合使用这些组分的两种或三种。由于这些金属有效地活化甲烷，所述除甲烷催化剂可以脱除废气中的甲烷至极低浓度，甚至在低温下。应注意，在用作除甲烷催化剂的铂、铑和钯中，钯是优选的，因为钯的低温氧化活性优异。在利用催化燃烧法通过应用催化剂在氧过量的条件下燃烧和除去甲烷的情况下(该方法迄今一直被用来除去废气中的甲烷)，必须通过提供氧供应装置而强行增大氧的量以便获得氧过量的条件。此外，难于脱除甲烷至低浓度，除非将除甲烷催化剂加热到不低于600℃。就这一点来说，如果应用本专利技术的废气净化系统，甚至可以在低温(例如400℃)下极其有效地除去甲烷，因为通过控制废气中的氧过量率在一定范围内而进一步增强了贵金属的甲烷活化作用。因此，与需要将除甲烷催化剂加热到高温的常规方法相比，可以简化废气净化系统并降低它的生产成本。此外，还可以减轻废气净化系统的重量并且改善安装了本专利技术的废气净化系统的燃料电池车辆的燃料消耗。在本专利技术中，“除甲烷催化剂”表示用于除去含于来自燃料电池组的废气中的甲烷的催化剂，而对它的形式没有特别限制。催化组分例如钯可直接负载在燃料电池组的废气所流过的区域上。不过，考虑到催化剂的性能、耐久性等的改善，优选催化组分呈负载于载体上的状态负载在燃料电池组的废气所流过的区域上。可使用各种载体，包括氧化铝(A12O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化镁(MgO)和二氧化铈(CeO2)。其中，氧化铝是优选的。在该情况下，上述载体可单独使用，或者将它们的两种或多种组合使用。氧化铝可适当地选自各种晶态，例如γ-Al2O3、η-Al2O3等。如果负本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池车辆的废气净化方法，它包括：预备用于燃料电池车辆的废气净化系统，该废气净化系统包括一种用于促进甲烷向氢和一氧化碳转化的除甲烷催化剂，所述除甲烷催化剂包含包括铑、铂和钯中至少一种的第一催化组分，其中将导 入放置除甲烷催化剂的区域中的废气的氧过量率ζ设定在５０％～９８％的范围内，氧过量率ζ由下式（１）定义：＊＊＊（１）　其中，Ｃ↓［Ｏ２］是氧的浓度，Ｃ↓［ＣＨ４］是甲烷的浓度，而Ｃ↓［Ｈ２］是氢的浓度。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：关场彻，赤间弘，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]