带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术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

【技术实现步骤摘要】
带有变压吸附制氧装置的质子交换膜燃料电池发电系统


[0001]本技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。本技术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。r/>[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本技术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
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氢气模式与氧气
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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。
[0006]为了解决上述技术问题，本技术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。
[0007]进一步讲，本技术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。
[0008]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。
[0009]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0010]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
[0011]图1是本技术质子交换膜燃料电池发电系统的整体结构示意图。
[0012]图中：
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消音器
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过滤器
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空压机
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进气流量计
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阴极气体加热器
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阴极加湿器
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质子交换膜燃料电池电堆
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阳极加湿器
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阳极气体加热器
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燃烧室
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高压燃料气瓶
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稳压罐
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冷却器
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吸附塔a
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吸附塔b
[0018]16
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氧气浓度传感器
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储氧罐
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回气流量计
[0019]19
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气液分离器
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气泵
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氮气罐
具体实施方式
[0020]下面结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世学，钱志广，岳利可，王金山，梅书雪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：