CN114665132A - 带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统，还包括燃料电池系统、尾气回收利用系统和阀控系统；变压吸附制氧装置和燃料电池系统共用一套消音器、过滤器、空压机和进气流量计。该系统中在发电的同时，变压吸附制氧装置可连续生产纯度90％以上的纯氧，纯氧作为燃料电池阴极工质时，可显著提高燃料电池的功率密度。该系统可实现空气‑氢气与氧气‑氢气模式的切换，来满足工况的变化。该系统的尾气回收利用系统，针对燃料电池阳极尾气，回收了未反应氢气的化学能；针对阴极尾气，分别进行了余热回收、水分回收和氧的回收利用。另外，该系统还收集了变压吸附装置的部分废气，其主要为氮气，用于燃料电池的吹扫。

Description

带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统

技术领域

本发明属于能源技术应用领域，尤其涉及一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池阴极工质通常为空气，但随着工质中氧气浓度的提高，燃料电池发电性能也在逐渐提高。当燃料电池阴极通入纯氧后，在相同工作电压下，电流密度甚至可较原先增加一倍，尤其表现在大电流密度工作时。这一方面是由于富氧条件下，使氧气在电池内具有更高的分压力，导致更快的电化学反应动力学，降低了活化过电位；另一方面，富氧条件将明显改善氧气的传输过程，使浓差极化更小。

阴极在富氧条件下运行，可显著增加电池的单位发电量。但高纯度氧气通常需先经提纯，后储存在高压气瓶中，经货车、火车、船舶等方式运送到应用地点。这包含着高昂的运输费用，且单次可运输的氧气量有限，电池不宜长时间运行。这里将变压吸附制氧技术与质子交换膜燃料电池发电技术结合起来，可以在燃料电池发电的同时同地生产氧气。在纯氧条件下，燃料电池在带动整套制氧系统的同时，仍可发出额外的电量。本发明采用变压吸附制氧技术，该技术最早由Skarstrom等人提出，其基本原理是利用混合气体中不同组分在吸附剂上平衡吸附量、扩散速率的差异以及吸附量随压力升高而增加、随着压力降低而减少的特性，在加压条件下完成混合气体吸附分离过程，降压条件下被吸附的组分从吸附剂中解吸出来，使吸附剂再生，从而实现混合气体各组分的分离以及吸附剂的循环使用。上世纪80年代以来，变压吸附技术在气体分离行业得到了广泛的应用。

变压吸附技术应用于空气分离制氧，通常采用沸石分子筛，该分子筛对于四极矩较大的氮分子具有更高的平衡吸附量，在高压条件下吸附氮气分离出氧气，在低压环境中被吸附的氮气从分子筛中分离，完成解吸，最高可生产93％纯度的氧气。相比于其他制氧技术，如深冷法、膜分离法，变压吸附技术具有技术成熟、能耗低、投资少、占地面小、开机时间短、变负荷能力强等优点，非常适合为燃料电池的发电过程提供氧化剂。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统。该系统中的变压吸附制氧装置可以产出纯度90％以上的高浓度氧气，氧气作为燃料电池阴极工质时，能够显著提高燃料电池的单位发电量。该系统可以实现空气-氢气模式与氧气-氢气模式的切换，当负荷要求较小时，宜采用空气模式；而当负荷要求较大时，纯氧模式更佳。另外该燃料电池系统带有尾气回收系统，电池阳极尾气主要回收未反应氢气的化学能，阴极尾气则包括了余热回收、尾气中水蒸气和氧的回收再利用。此外，该系统带有的变压吸附制氧装置的废气为较高纯度的氮气，可适当进行收集以用于燃料电池的停机吹扫。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统，该系统包括燃料电池系统和阀控系统；所述燃料电池系统包括消音器、过滤器、空压机、进气管路、质子交换膜燃料电池电堆和高压燃料气瓶；所述进气管路上按照进气方向依次设有进气流量计、流量调节阀VF1、截止阀VJ1和减压阀VP1；所述质子交换膜燃料电池电堆的阴极侧的进口设有阴极加湿器和阴极气体加热器；所述质子交换膜燃料电池电堆的阳极侧的进口设有阳极加湿器和阳极气体加热器；所述高压燃料气瓶的出口处设有减压阀VP2；所述进气管路并联有变压吸附制氧装置；所述燃料电池系统与所述变压吸附制氧装置之间连接有尾气回收利用系统；所述尾气回收利用系统用于所述质子交换膜燃料电池电堆阳极尾气回收利用和阴极尾气的回收利用。

进一步讲，本发明中所述变压吸附制氧装置包括由管路连接的稳压罐、冷却器、两个吸附塔和储氧罐，变压吸附工艺采用两塔工艺交替进行吸附和解吸以实现对氧气的提纯。

所述尾气回收利用系统包括阴极尾气回收装置和阳极尾气回收装置；所述阴极尾气回收装置包括换热器HE1、气液分离器和气泵；所述换热器HE1设置在所述减压阀VP1与所述阴极气体加热器之间的管段上，所述换热器HE1的换热出口与所述气液分离器的进口相连，所述气液分离器的出液口分为两路后分别连接至所述阴极加湿器和阳极加湿器，所述气液分离器的出气口通过所述气泵后连接至所述三通接头E，所述气液分离器的出气口与所述气泵的进口之间设有三通电磁阀V11；所述阳极尾气回收装置包括燃烧室和换热器HE2；所述换热器HE2设置在所述减压阀VP2与阳极气体加热器之间的管段上，所述燃烧室分别与所述质子交换膜燃料电池电堆和所述换热器HE2相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

变压吸附制氧技术与燃料电池发电技术相结合，在电池发电的同时，原地生产最高纯度在93％以上的氧气，而无须外界的定期运送补给。纯氧作为燃料电池阴极工质时，能够显著提高燃料电池的发电性能，在满足变压吸附制氧装置的电力需求前提下，可进一步提高电池发电量。另外，该发电装置的对尾气进行了尽可能的回收利用，包括氢回收、余热回收、水分回收、氧气回收和氮气回收等，可进一步节省经济开销，节约能源，减少碳排放。

附图说明

图1是本发明质子交换膜燃料电池发电系统的整体结构示意图。

图中：

1-消音器 2-过滤器 3-空压机

4-进气流量计 5-阴极气体加热器 6-阴极加湿器

7-质子交换膜燃料电池电堆 8-阳极加湿器 9-阳极气体加热器

10-燃烧室 11-高压燃料气瓶 12-稳压罐

13-冷却器 14-吸附塔a 15-吸附塔b

16-氧气浓度传感器 17-储氧罐 18-回气流量计

19-气液分离器 20-气泵 21-氮气罐

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统，该系统包括燃料电池系统、变压吸附制氧装置、尾气回收利用系统和阀控系统。

如图1所示，所述燃料电池系统包括消音器1、过滤器2、空压机3、进气管路、质子交换膜燃料电池电堆7和高压燃料气瓶11；所述进气管路上按照进气方向依次设有进气流量计4、流量调节阀VF1、截止阀VJ1和减压阀VP1；所述质子交换膜燃料电池电堆7的阴极侧的进口设有阴极加湿器6和阴极气体加热器5；所述质子交换膜燃料电池电堆7的阳极侧的进口设有阳极加湿器8和阳极气体加热器9；所述高压燃料气瓶11的出口处设有减压阀VP2。

所述变压吸附制氧装置并联在进气管路上，所述变压吸附制氧装置除了与所述燃料电池系统共用消音器1、过滤器2、空压机3和进气流量计4，还包括由管路连接的稳压罐12、冷却器13、两个吸附塔和储氧罐17。所述稳压罐12的进口通过进气支路与所述进气管路上位于所述进气流量计4和流量调节阀VF1之间的管段贯通；所述进气支路上自所述进气管路至所述稳压罐12的进口依次设有流量调节阀VF2和截止阀VJ2。

如图1所示，本发明中所述变压吸附制氧装置的变压吸附工艺采用两塔工艺交替进行吸附和解吸以实现对氧气的提纯。如图1所示，所述变压吸附制氧装置中包括的两个吸附塔分别为吸附塔a14和吸附塔b15；所述吸附塔a14的塔顶口和所述吸附塔b15的塔顶口之间并联有A和B两路，所述A路上设有单通电磁阀V1和单通电磁阀V2，所述单通电磁阀V1和单通电磁阀V2之间设有三通接头A，所述冷却器13的出口连接至所述三通接头A；所述B路上设有单通电磁阀V3和单通电磁阀V4，所述单通电磁阀V3和单通电磁阀V4之间设有与所述尾气回收利用系统相连的三通接头B；所述吸附塔a14的塔底口和所述吸附塔b15的塔底口之间并联有C、D、E三路，其中：所述C路上设有单通电磁阀V5；所述D路上设有单通电磁阀V8和单通电磁阀V9，所述单通电磁阀V8和单通电磁阀V9之间设有三通接头D，该三通接头D通过氧气管连接至所述储氧罐17的进口，所述氧气管上设有氧气浓度传感器16和三通电磁阀V10，该三通电磁阀V10连接至大气环境；所述储氧罐17的出口通过氧气回路与所述进气管路上位于所述截止阀VJ1和减压阀VP1之间的管段贯通；所述氧气回路上、自所述储氧罐17的出口至所述进气管路依次设有回气流量计18、流量调节阀VF3和截止阀VJ3；所述E路上设有单通电磁阀V6和单通电磁阀V7，单通电磁阀V6和单通电磁阀V7之间设有与所述尾气回收利用系统相连的三通接头E。

本发明中所述的变压吸附制氧装置，采用结构简单的二塔Berlin工艺，在Skarstrom工艺的基础上增加均压步骤，在降低空压机能耗的同时可以提高产品气的回收率。本发明中所述的变压吸附制氧装置最高可连续生产93％浓度的氧气。下面为一个循环内，吸附塔a14和吸附塔b15的工作流程，单个循环内每个吸附塔分别要经历六个过程包括：吸附过程、均压(降压)过程、降压过程、吹扫(解吸)过程、均压(升压)过程、升压过程。

首先在空压机的作用下，环境空气首先经过消音器1，在空气过滤器2中过滤杂质，净化后的气体经截止阀VJ2、流量调节阀VF2进入稳压罐12中。随后，由稳压罐12出口排出，在冷却器13中冷却，已充分冷却的气体进入吸附塔内。

阶段1：吸附塔a14处于吸附过程，吸附塔b15处于吹扫解吸阶段。此时单通电磁阀V1、V4、V8打开，单通电磁阀V2、V3、V5、V9关闭。冷却后的高压混合气，经单通电磁阀V1进入吸附塔a14，此时吸附塔内的压力约为0.2MPa～0.7MPa。在吸附塔a14中，空气中的强吸附组分—氮气被吸附塔中的沸石分子筛吸附；原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔a14的出口排出。若所述的燃料电池系统处于空气-氢气模式时，由处于吸附过程的吸附塔分离出的产品气中的一部分将用作吹扫气，通入处于吹扫(解吸)阶段的吸附塔内，被吸附的氮气脱附，使分子筛实现再生。即：若此时所述燃料电池发电系统处于空气-氢气模式，则打开单通电磁阀V6、V7。由吸附塔a14出口排出的大部分产品气将直接经单通电磁阀V8送入储氧罐17中储存，但在这之前还需先经氧气浓度传感器16检测，纯度未达标的产品气将经由三通电磁阀V10排放到空气中。而另一小部分产品气则作为吸附塔b15的吹扫气，经单通电磁阀V6、V7逆向进入吸附塔b15中，对处于解吸状态的分子筛床层进行清洗。若所述燃料电池系统处于氧气-氢气模式时，电池阴极尾气将作为吹扫气，通入处于吹扫(解吸)阶段的吸附塔内。即：如若此时所述燃料电池发电系统处于氧气-氢气模式，则打开单通电磁阀V7。经吸附塔a14出口排出的产品气将全部输送到储氧罐17中储存。则由储氧罐17直接向所述质子交换膜燃料电池电堆7供氧。在停机前，应保证储氧罐17中储存的氧气应至少能够满足所述燃料电池发电系统下一次的开机启动。所述质子交换膜燃料电池电堆7阴极侧尾气，将作为吹扫气应用于吸附塔b15中分子筛的再生。氧气模式下，所述质子交换膜燃料电池电堆7阴极尾气的氧浓度通常仍可达到70％以上，阴极尾气分别在换热器HE1中回收余热，在气液分离器19中回收水分，随后在气泵20的作用下经过单通电磁阀V7送入吸附塔b15中，对处于解吸状态的分子筛床层进行清洗。另外，从吸附塔b15解吸出的废气将逆向从吸附塔排出，其主要成分为氮气，可适当收集一部分废气以供质子交换膜燃料电池电堆7停机时的吹扫，其余废气经单通电磁阀V4排放到环境中，本发明中变压吸附制氧循环的废气为较高浓度的氮气，通常这部分直接排放到环境，但对于本燃料电池发电系统，可适当的收集这部分废气作为惰性保护气体(图1所示收集至氮气罐21)，可用于质子交换膜燃料电池电堆7的停机吹扫，有利于提高电池的使用寿命。

阶段2：吸附塔a14处于均压(降压)阶段，吸附塔b15处于均压(升压)阶段。在吸附塔a14的分子筛床层接近饱和之前，单通电磁阀V5打开，其他单通电磁阀关闭。此时吸附塔a14完成吸附阶段，而吸附塔b15完成吹扫解吸阶段。随后，吸附塔a14中的一部分气体经单通电磁阀V5进入吸附塔b15，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔a14的压力降低，吸附塔b15的压力升高，回收部分空压机3的机械能和浓度较高的氧气组分。在均压过程中，两个吸附塔a和b均停止进原料气。此时，经空压机3压缩的空气暂时在稳压罐12中储存。

阶段3：吸附塔a14处于降压阶段，吸附塔b15处于升压阶段。当吸附塔a14与吸附塔b15压力较为接近时，结束均压过程，单通电磁阀V5关闭，单通电磁阀V2、V3开启。此时吸附塔a14中的压力仍高于外界环境压力，经单通电磁阀V3向外界排空；吸附塔b15将在空压机的作用下，充压至吸附压力0.2MPa～0.7MPa。

阶段4：吸附塔a14处于吸附过程，吸附塔b15处于吹扫解吸阶段。基本同上述阶段1，两吸附塔互换工作阶段。

阶段5：吸附塔a14处于均压(升压)阶段，吸附塔b15处于均压(降压)阶段。基本同上述阶段2，两吸附塔互换工作阶段。

阶段6：吸附塔a14处于升压阶段，吸附塔b15处于降压阶段。基本同上述阶段3，两吸附塔互换工作阶段。

像这样完成了一个变压吸附的循环周期，两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断的生产氧气。

所述尾气回收利用系统分别与所述燃料电池系统和所述变压吸附制氧装置连接，所述尾气回收利用系统包括阴极尾气回收装置和阳极尾气回收装置用于所述质子交换膜燃料电池电堆7阳极尾气回收利用和阴极尾气的回收利用。

所述阴极尾气回收装置包括换热器HE1、气液分离器19和气泵20；所述换热器HE1设置在所述减压阀VP1与所述阴极气体加热器5之间的管段上，所述换热器HE1的换热出口与所述气液分离器19的进口相连，所述气液分离器19的出液口分为两路后分别连接至所述阴极加湿器6和阳极加湿器8，所述气液分离器19的出气口通过所述气泵20后连接至所述三通接头E，所述气液分离器19的出气口与所述气泵20的进口之间设有三通电磁阀V11，所述三通电磁阀V11连接至大气环境。所述阳极尾气回收装置包括燃烧室10和换热器HE2；所述换热器HE2设置在所述减压阀VP2与阳极气体加热器9之间的管段上，所述燃烧室10分别与所述质子交换膜燃料电池电堆7和所述换热器HE2相连接。

本发明中阳极尾气主要为未反应的氢气，本发明中所述的尾气回收利用系统针对阳极尾气，主要回收其化学能对入口气体进行预热，即阳极出口处布置燃烧室10，通入适量氧气后点燃，释放出来的热量经过换热器HE2用来预热阳极入口气体。针对阴极尾气，回收方式包括阳极尾气的余热回收、水分回收和氧回收三种。所述质子交换膜燃料电池电堆7阴极尾气温度约70-80℃；首先通入换热器HE1中释放余热对阴极入口气体进行初步预热；另外阴极产物中包含一定水分，阴极尾气在加热入口气体后送入气液分离器中将水分分离出并通入加湿器内；对于阴极尾气中氧的回收，若所述燃料电池系统处于空气-氢气模式，阴极尾气首先在换热器HE1中释放出余热以预热阴极入口气体；随后在气液分离器19中分离出水分以补充阴极加湿器6和阳极加湿器8中水的消耗；最后在三通电磁阀V11的控制下排放至大气环境中。于处于空气-氢气模式，产物中的氧含量很少，故也可以不进行回收处理。若所述燃料电池系统处于氧气-氢气模式，产物中氧气的占比通常仍可达到70％以上，则在换热器HE1中完成余热回收，气液分离器19中完成水分回收后，作为吹扫气依次经三通电磁阀V11、气泵20送入处于吹扫(解吸)阶段的吸附塔内，作为吹扫气来使用，使分子筛再生，实现阴极尾气中氧的回收利用，这样一方面可以节省能耗，另一方面可以提高氧的回收率。

本发明中所有的阀门(截止阀VJ1、VJ2和VJ3，流量调节阀VF1、VF2和VF3，减压阀VP1和VP2，单通电磁阀V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8和V9，三通电磁阀V10和V11)构成了阀控系统。通过多个阀门间的切换可以实现该燃料电池发电系统空气-氢气模式和氧气-氢气模式的切换。

空气-氢气模式：截止阀VJ1开启，截止阀VJ3关闭，进入空气-氢气模式。所述燃料电池系统的阴极侧，环境空气首先经过消音器1，经过过滤器2清除杂质，再由无油空压机3加压后，经进气流量计4后，依次送入换热器HE1和阴极气体加热器5中加热。达到设定温度后，阴极气体在阴极加湿器6完成加湿后送入质子交换膜燃料电池电堆7的内部。阳极侧，储存在高压燃料气瓶11中的氢气，经减压阀VP2减压后，依次送入换热器HE2和阳极气体加热器9中加热。满足预设温度的空气在阳极加湿器8中加湿，最后送入质子交换膜燃料电池电堆7的阳极。经过一系列的传热、传质、电化学过程后，阴极、阳极尾气分别从各自出口排出。对于阳极尾气，回收未反应氢气的化学能；对于阴极尾气回收余热和其中的水分。

氧气-氢气模式：截止阀VJ3开启，截止阀VJ1关闭，进入氧气-氢气模式。在上一次运行结束前，需使储氧罐17中保有一定量的高浓氧气，至少能满足该燃料电池发电系统开机时的需要。阴极侧，储存在储氧罐17中的高纯度氧气依次通过回气流量计18、流量调节阀VF3、截止阀VJ3，随后经减压阀VP1减压后，送入换热器HE1、阴极气体加热器5中加热，并在阴极加湿器6中完成加湿，最后进入质子交换膜燃料电池电堆7内部。阴极尾气从质子交换膜燃料电池电堆7阴极出口排出，在换热器HE1进行余热的回收，在气水分离器中完成水分回收。待质子交换膜燃料电池电堆7输出电压达到稳定时，开启变压吸附制氧装置，打开空压机3、流量调节阀VF2、截止阀VJ2。环境空气依次经过消音器1、过滤器2、空压机3、进气流量计4，后经过流量调节阀VF2、截止阀VJ2进入稳压罐12中稳压，并在冷却器13中冷却，随后进入变压吸附制氧装置。变压吸附制氧装置刚开始运行时产品气纯度较低，无法达到所述燃料电池发电系统的工作要求，为此在储氧罐入口前安放氧浓度传感器，当产品气纯度较低时，这部分气体将由三通电磁阀V10排放到空气中。随着制氧循环的重复进行，产品气纯度逐渐升高，通常需要5-10分钟的时间可使产品气氧气纯度达到90％。另外，打开气泵20，使已经完成余热回收、水分回收的阴极尾气作为吹扫气，通入处于吹扫解吸阶段的吸附塔，以实现阴极尾气的氧回收。阳极侧与空气-氢气模式时相同。最后在停机前，还需应保证储氧罐17中的氧气能至少满足所述燃料电池发电系统下一次的开机启动时的需要。

通过三个截止阀的开启和关闭状态，可以实现本发明燃料电池发电系统常用的几种使用情形，包括：

1)截止阀VJ1开启，截止阀VJ2和VJ3关闭，所述燃料电池发电系统为空气-氢气模式，此时空气作为质子交换膜燃料电池电堆7内电化学反应的氧化剂，变压吸附制氧系统不工作，适合较低负荷的长期运行。

2)截止阀VJ3开启，截止阀VJ1和VJ2关闭，所述燃料电池发电系统为氧气-氢气模式，此时氧化剂完全来自储氧罐先前已储存好的氧气，适合短时间的高负荷运行。

3)截止阀VJ3和VJ2开启，截止阀VJ1关闭，所述燃料电池发电系统为氧气-氢气模式，变压吸附制氧装置同时为质子交换膜燃料电池电堆7供氧，适合长时间的高负荷运行。

4)截止阀VJ1和VJ2开启，截止阀VJ3关闭，所述燃料电池发电系统为空气-氢气模式，变压吸附制氧装置同样开始工作，适合储氧罐内氧气不足时边发电边补充氧气。

实施例1

燃料电池发电系统为空气-氢气模式，变压吸附系统不工作，适合小负荷下的长期运行。开启截止阀VJ1、关闭截止阀VJ2和VJ3。阴极侧，空气首先经过消音器1，在过滤器2中过滤杂质，过滤后的空气在空压机3中压缩，后依次经过进气流量计4、流量调节阀VF1、截止阀VJ1和减压阀VP1。在换热器HE1中吸收阴极尾气的热量，随后送入阴极气体加热器5中充分加热，满足预设温度的空气在阴极加湿器6中加湿，最后送入质子交换膜燃料电池电堆7的阴极。阳极侧，储存在高压燃料气瓶11中的氢气，经减压阀VP2减压后，在燃烧室10中吸收阳极尾气燃烧后的热量，随后经过换热器HE2送入阳极气体加热器9中充分加热，达到预设温度的氢气在阳极加湿器8中加湿，最后送入质子交换膜燃料电池电堆7的阳极。经过一系列的传质、电化学过程后，阴极、阳极尾气分别从各自出口排出。阴极尾气先是送入换热器HE1释放余热加热入口气体，后在气液分离器19中分离出水分以补充阴极加湿器6和阳极加湿器8，最后在三通电磁阀V11的控制下将尾气排放至环境中。阳极尾气则是送入燃烧室10内点燃，放出热量加热阳极入口气体，随后排放至环境中。

实施例2

燃料电池发电系统为氧气-氢气模式，氧化剂完全来自储氧罐17先前已储存好的纯氧，适合短时间的高负荷运行。开启截止阀VJ3、关闭截止阀VJ1和VJ2，储存在储氧罐17中的高纯度氧气依次经过回气流量计18、流量调节阀VF3、截止阀VJ3，随后通过减压阀VP1减压。减压后的氧气，在换热器HE1中吸收阴极尾气的热量，随后送入阴极气体加热器5中充分加热，满足预设温度的空气在阴极加湿器6中加湿，最后送入质子交换膜燃料电池电堆7的阴极。阳极侧，储存在高压燃料气瓶11中的氢气，经减压阀VP2减压后，在燃烧室10中吸收阳极尾气燃烧后的热量，随后经过换热器HE2送入阳极气体加热器9中充分加热，达到预设温度的氢气在阳极加湿器8中加湿，最后送入质子交换膜燃料电池电堆7的阳极。经过一系列的传质、电化学过程后，阴极、阳极尾气分别从各自出口排出。阴极尾气先是送入换热器HE1释放余热加热入口气体，后在气液分离器19中分离出水分以补充阴极加湿器6和阳极加湿器8，最后在三通电磁阀V11的控制下将尾气排放至环境中。阳极尾气则是送入燃烧室10内点燃，放出热量加热阳极入口气体，随后排放至环境中。

实施例3

燃料电池发电系统为氧气-氢气模式，变压吸附制氧装置同时生产纯氧，适合长时间的高负荷运行。起初同实施例2一致，阴极侧依旧先使用上一次工作时在高压储氧罐17中已储存好的高浓度氧气作为质子交换膜燃料电池电堆7的氧化剂。当燃料电池发电量达到稳定后，燃料电池开始为变压吸附制氧系统供电，打开截止阀VJ2。空气首先经过消音器1，在过滤器2中过滤杂质，过滤后的空气在空压机3中压缩，后依次经过进气流量计4、流量调节阀VF2、截止阀VJ2，送入稳压罐12中稳压，随后送入冷却器13，冷却完毕的高压空气通向吸附塔。调节阀门V1，使已经在换热器HE1中完成余热回收，在气液分离器19中完成水分回收的阴极尾气，在气泵20的作用下通入处于吹扫再生阶段的吸附塔内，实现分子筛的再生。处于吸附阶段的吸附塔分离出的全部产品气，需先经过氧气浓度传感器16检测，待氧气浓度达到设定要求后方可通入储氧罐17中，否则将在三通阀V10的控制下排放到环境中。变压吸附系统的废气部分将储存在储氮罐21中，用于质子交换膜燃料电池电堆7的停机吹扫，待氮气储存后废气将直接排放到环境中。另外，在停机之前，应保证储氧罐17中储存的氧气应至少能够满足所述燃料电池发电系统下一次的开机启动。

实施例4

燃料电池发电系统为空气-氢气模式，变压吸附制氧装置同时生产纯氧，适合储氧罐内氧气不足时边发电边补充氧气。起初同实施例1一致，当燃料电池发电量达到稳定后，燃料电池开始为变压吸附制氧系统供电，打开截止阀VJ2。空气首先经过消音器1，在过滤器2中过滤杂质，过滤后的空气在空压机3中压缩，后依次经过进气流量计4、流量调节阀VF2、截止阀VJ2，送入稳压罐12中稳压，随后送入冷却器13，冷却完毕的高压空气通向吸附塔。处于吸附阶段的吸附塔分离出的一部分产品气，通入处于吹扫再生阶段的吸附塔内，实现分子筛的再生。另一部产品气，需先经过氧气浓度传感器16检测，待氧气浓度达到设定要求后方可通入储氧罐17中，否则将在三通电磁阀V10的控制下排放到环境中。变压吸附制氧装置的废气部分将储存在储氮罐21中，用于质子交换膜燃料电池电堆7的停机吹扫，待氮气储存后废气将直接排放到环境中。

综上，本发明所述的带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统在发电的同时可连续生产纯度90％以上的高浓度氧气，氧气作为燃料电池阴极工质时，能够显著提高燃料电池的单位发电量。该系统可以实现空气-氢气模式与氧气-氢气模式的切换，当负荷要求较小时，宜采用空气模式；而当负荷要求较大时，纯氧模式更佳。另外该燃料电池系统带有尾气回收系统，针对电池阳极尾气，主要回收未反应氢气的化学能；针对阴极尾气的回收，则包括了余热回收、尾气中水蒸气和氧的回收再利用。此外，该系统带有的变压吸附制氧装置的废气为较高纯度的氮气，可适当进行收集用于燃料电池的停机吹扫。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统，该系统包括燃料电池系统和阀控系统；所述燃料电池系统包括消音器(1)、过滤器(2)、空压机(3)、进气管路、质子交换膜燃料电池电堆(7)和高压燃料气瓶(11)；所述进气管路上按照进气方向依次设有进气流量计(4)、流量调节阀VF1、截止阀VJ1和减压阀VP1；所述质子交换膜燃料电池电堆(7)的阴极侧的进口设有阴极加湿器(6)和阴极气体加热器(5)；所述质子交换膜燃料电池电堆(7)的阳极侧的进口设有阳极加湿器(8)和阳极气体加热器(9)；所述高压燃料气瓶(11)的出口处设有减压阀VP2；

其特征在于：

所述进气管路并联有变压吸附制氧装置；所述燃料电池系统与所述变压吸附制氧装置之间连接有尾气回收利用系统；所述尾气回收利用系统用于所述质子交换膜燃料电池电堆(7)阳极尾气回收利用和阴极尾气的回收利用。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于，所述变压吸附制氧装置包括由管路连接的稳压罐(12)、冷却器(13)、两个吸附塔和储氧罐(17)，变压吸附工艺采用两塔工艺交替进行吸附和解吸以实现对氧气的提纯。

3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于，所述稳压罐(12)的进口通过进气支路与所述进气管路上位于所述进气流量计(4)和流量调节阀VF1之间的管段贯通；所述进气支路上自所述进气管路至所述稳压罐(12)的进口依次设有流量调节阀VF2和截止阀VJ2；

所述的两个吸附塔分别记为吸附塔a(14)和吸附塔b(15)；

所述吸附塔a(14)的塔顶口和所述吸附塔b(15)的塔顶口之间并联有A和B两路，所述A路上设有单通电磁阀V1和单通电磁阀V2，所述单通电磁阀V1和单通电磁阀V2之间设有三通接头A，所述冷却器(13)的出口连接至所述三通接头A；所述B路上设有单通电磁阀V3和单通电磁阀V4，所述单通电磁阀V3和单通电磁阀V4之间设有与所述尾气回收利用系统相连的三通接头B；

所述吸附塔a(14)的塔底口和所述吸附塔b(15)的塔底口之间并联有C、D、E三路，其中：所述C路上设有单通电磁阀V5；所述D路上设有单通电磁阀V8和单通电磁阀V9，所述单通电磁阀V8和单通电磁阀V9之间设有三通接头D，该三通接头D通过氧气管连接至所述储氧罐(17)的进口，所述氧气管上设有氧气浓度传感器(16)和三通电磁阀V10；所述储氧罐(17)的出口通过氧气回路与所述进气管路上位于所述截止阀VJ1和减压阀VP1之间的管段贯通；所述氧气回路上、自所述储氧罐(17)的出口至所述进气管路依次设有回气流量计(18)、流量调节阀VF3和截止阀VJ3；所述E路上设有单通电磁阀V6和单通电磁阀V7，单通电磁阀V6和单通电磁阀V7之间设有与所述尾气回收利用系统相连的三通接头E。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于，所述尾气回收利用系统包括阴极尾气回收装置和阳极尾气回收装置；

所述阴极尾气回收装置包括换热器HE1、气液分离器(19)和气泵(20)；所述换热器HE1设置在所述减压阀VP1与所述阴极气体加热器(5)之间的管段上，所述换热器HE1的换热出口与所述气液分离器(19)的进口相连，所述气液分离器(19)的出液口分为两路后分别连接至所述阴极加湿器(6)和阳极加湿器(8)，所述气液分离器(19)的出气口通过所述气泵(20)后连接至所述三通接头E，所述气液分离器(19)的出气口与所述气泵(20)的进口之间设有三通电磁阀V11；

所述阳极尾气回收装置包括燃烧室(10)和换热器HE2；所述换热器HE2设置在所述减压阀VP2与阳极气体加热器(9)之间的管段上，所述燃烧室(10)分别与所述质子交换膜燃料电池电堆(7)和所述换热器HE2相连接。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于，所述三通电磁阀V10和所述三通电磁阀V11均分别连接至大气环境。

6.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于，所有的截止阀、流量调节阀、减压阀、单通电磁阀和三通电磁阀构成了所述的阀控系统。

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