用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置的製作方法

2023-06-01 16:43:51 5

專利名稱：用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種變壓吸附提純氫的裝置，特別是一種用於燃料電池供氫的一 步變壓吸附純化氫的裝置，屬於能源和氣體分離技術領域。
背景技術：
燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的裝置，具有發電 效率高、環保等優點，是新能源研究開發的主要方向之一。其燃料為純氫或富氫 氣體，氧化劑則採用氧氣或空氣，由於氫能不是一次能源，體積能量密度較低， 運輸和存儲都有很大的困難，其獲得需要一定的工藝過程，因而必須通過其它方 式來製取氫氣，對於燃料電池來說，研究現場制氫尤為重要。目前，使用較多的 制氫方法為重整轉化法制氫，其中蒸汽重整製取的氫氣濃度最高，經過蒸汽重整 以及變換反應後，其組成為60%-70%H2、 C02、 CH4、 CO以及其它組分，而由於磷 酸型燃料電池和質子交換膜燃料電池的鉑電極對CO的吸附作用大於對&的吸附 作用，造成C0吸附在電極上而H2不能發生電化學反應，毒化電極，因此需要進 一步將C0的濃度脫除至10X 10—6以下，從而不影響電池的使用壽命。 目前，常用的CO脫除方法有
(1) C0甲烷化技術使C0與H2發生反應生成CH4，該方法最大的特點是不必 引入其它的氣體進入選擇性氧化體系中，直接與H2發生反應即可除去C0，但反應 lmolC0需要消耗3mol的H2，並且由於富氫氣體中含有的0)2也會與仏發生反應，從 而導致大量的H2被消耗掉。
(2) 選擇性氧化使用高選擇性的催化劑，使C0優先被吸附氧化，達到對 C0深度脫除的目的，反應中C0的氧化和H2的氧化是競爭反應，因此研究的重點在 於開發高選擇性的催化劑，然而CO發生氧化反應需要引入空氣，由於N2的進入降 低了H2的濃度，影響電池的效率。
(3) 膜分離利用金屬鈀(Pd)及其合金可以選擇性地讓H2分子通過，阻 斷其它一切氣體通過，該法可以獲得較高濃度的H2，但存在的問題是Pd膜成本較高，並且在一定的溫度下會發生相轉變，引起晶格的變化，導致膜變脆變裂，另 外，由於C0在膜上的化學吸附會使H2的滲透性能發生下降，影響H2的收率。
(4)變壓吸附(PSA)法利用混合氣體中某一組分在吸附劑上的平衡吸附
量在不同壓力下的差異進行加壓吸附和減壓脫附，達到氣體分離的目的，其優點
是原料適用範圍廣；能一次性去除氫氣中多種雜質成分，工藝流程簡單；處理範 圍大，啟動方便；能耗小、操作費用低；設備穩定性好、自動化程度高、安全可 靠；吸附劑壽命長，並且對環境無汙染。
已有技術中，專利申請號為00131994.9，名稱為用於生產氫的變壓吸附方法 的發明專利採用的裝置中，設置了吹掃罐和平衡罐用於吸附塔的吹掃和加壓，裝 置比較複雜，成本較高。

發明內容
為了克服已有技術的不足和缺陷，本發明提供了一種用於燃料電池供氫的一 步變壓吸附純化氫的裝置，採用變壓吸附技術，吸附塔中按照從下到上的順序依 次裝填A1A、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑， 一步實現H2的提濃，在脫除 CO的同時，能夠同時脫除CH4、 C02、 &0等雜質，採用兩塔處理氣體，同時進行 加壓吸附和減壓脫附，即其中一塔在進行加壓吸附的過程時，另一塔進行減壓脫 附，使產品氣體源源不斷輸出，可連續生產H2供燃料電池使用。
本發明是通過以下技術方案實現的-
本發明包括第一吸附塔，第二吸附塔，第一三通接頭，第二三通接頭，第三 三通接頭，第四三通接頭，第一壓力表，第二壓力表，第一換向閥，第二換向閥， 第三換向閥，第四換向閥，第五換向閥，第六換向閥，原料氣罐，真空泵，氫收集罐。
原料氣罐出口分別與第二換向閥和第五換向閥的一端連接，第二換向閥的另 一端通過第二三通接頭分別與第一吸附塔的下埠和第三換向閥的一端連接，第 五換向閥的另一端通過第四三通接頭分別與第二吸附塔的下埠和第六換向閥 的一端連接，第三換向閥和第六換向閥的另一端均與真空泵入口連接，真空泵出 口與大氣連通，第一吸附塔的上埠通過第一三通接頭的一端與第一換向閥的一 端連接，第二吸附塔的上埠通過第三三通接頭的一端與第四換向閥的一端連 接，第一換向閥與第四換向閥的另一端均與氫收集罐連接，氫收集罐出口連接燃
4料電池系統，第一壓力表與第二壓力表分別安裝在第一三通接頭和第三三通接頭 內用於測量吸附塔的壓力，在第一吸附塔和第二吸附塔內均按照從下到上的順序 裝填Al203、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，富氫氣體通過變壓吸附裝置時， 三種吸附劑可以一步除去CO、 CH4、 C02和H20，無需經過其他歩驟即可提供高純 H2供燃料電池使用。 吸附過程
過程一原料氣由原料氣罐輸出，經第二換向閥和第二三通接頭進入第一吸 附塔加壓吸附，第三換向閥關閉，產品氣經過第一三通接頭和第一換向閥進入氫 收集罐；與此同時第四換向閥和第五換向閥關閉，第六換向閥打開，第二吸附塔 經第四三通接頭和第六換向閥與真空泵連通實現減壓脫附。
過程二第二換向閥和第一換向閥繼續打開，關閉第三換向閥，第一吸附塔 繼續進行吸附；打開第四換向閥，關閉第五換向閥和第六換向閥，第二吸附塔實 現充壓過程。
過程三第二換向閥和第一換向閥關閉，第三換向閥打開，第一吸附塔經第 二三通接頭和第三換向閥與真空泵連通實現減壓脫附。與此同時原料氣由原料氣 罐輸出，經第五換向閥和第四三通接頭進入第二吸附塔加壓吸附，第六換向閥關 閉，產品氣經過第三三通接頭通過第四換向閥進入氫收集罐。
過程四第五換向閥和第四換向閥繼續打開，關閉第六換向闊，第二吸附塔 繼續進行吸附；打開第一換向閥，關閉第二換向閥和第三換向閥，第一吸附塔實 現充壓過程。
本發明的有益效果
採用兩塔進行變壓吸附，加壓吸附和減壓吸附同時進行，能夠連續輸出氣體。 一步法處理雜質氣體，大大縮短了提純過程，操作簡單，能耗低。能夠提供高純 度的H"直接通入燃料電池發生原電池反應。


圖中卜第一吸附塔，2-第二吸附塔，3-第一三通接頭，4-第一壓力表，5-第一換向閥，6-第二換向閥，7-第二三通接頭，8-第三換向閥，9-第二壓力表， IO-第三三通接頭，11-第四換向閥，12-第四三通接頭，13-第五換向閥，14-第 六換向閥，15-原料氣罐，16-真空泵，17-氫收集罐。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步描述如圖l所示，本發明的裝
置包括第一吸附塔l，第二吸附塔2，第一三通接頭3，第一壓力表4，第一換向 閥5，第二換向閥6，第二三通接頭7，第三換向閥8，第二壓力表9，第三三通 接頭10，第四換向閥11，第四三通接頭12，第五換向閥13，第六換向閥14， 原料氣罐15，真空泵16，氫收集罐17，原料氣罐15內充填富氫氣體，六個換 向閥均採用二位二通氣動控制換向閥。
原料氣罐15出口分別與第二換向閥6和第五換向閥13的一端連接，第二換 向閥6的另一端通過第二三通接頭7分別與第一吸附塔1的下埠和第三換向闊 8的一端連接，第五換向閥13的另一端通過第四三通接頭12分別與第二吸附塔 2的下埠和第六換向閥14的一端連接，第三換向閥8和第六換向閥14的另一 端均與真空泵16入口連接，真空泵16出口與大氣連通，第一吸附塔l的上埠 通過第一三通接頭3的一端與第一換向閥5的一端連接，第二吸附塔2的上埠 通過第三三通接頭10的一端與第四換向閥11的一端連接，第一換向閥5與第四 換向閥11的另一端均與氫收集罐17連接，氫收集罐17出口連接燃料電池系統， 第一壓力表4與第二壓力表9分別安裝在第一三通接頭3和第三三通接頭10內 用於測量吸附塔的壓力，在第一吸附塔1和第二吸附塔2內均按照從下到上的順 序裝填Al203、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，A1A用來吸附H20，活性炭吸 附C02和CH4，分子篩採用5A型吸附C0。
吸附過程
過程一原料氣由原料氣罐15輸出，經第二換向閥6和第二三通接頭7進 入第一吸附塔1加壓吸附，第三換向閥8關閉，產品氣經過第一三通接頭3和第 一換向閥5進入氫收集罐17;與此同時第四換向閥11和第五換向閥13關閉， 第六換向闊14打開，第二吸附塔2經第四三通接頭12和第六換向閥14與真空 泵16連通實現減壓脫附,雜質氣體在真空泵16出口處釋放。
過程二第二換向閥6和第一換向閥5繼續打開，關閉第三換向閥8，第一 吸附塔l繼續進行吸附；打開第四換向閥ll，關閉第五換向閥13和第六換向閥 14，第二吸附塔2實現充壓過程。
過程三第二換向閥6和第一換向閥5關閉，第三換向閥8打開，第一吸附塔1經第二三通接頭7和第三換向閥8與真空泵16連通實現減壓脫附，雜質氣 體在真空泵16出口處釋放。與此同時原料氣由原料氣罐15輸出，經第五換向閥 13和第四三通接頭12進入第二吸附塔2加壓吸附，第六換向閥14關閉，產品 氣經過第三三通接頭10通過第四換向閥11進入氫收集罐17。
過程四第五換向閥13和第四換向閥11繼續打開，關閉第六換向閥14， 第二吸附塔2繼續進行吸附；打開第一換向閥5，關閉第二換向閥6和第三換向 閥8，第一吸附塔1實現充壓過程。
本發明吸附裝置的加壓吸附的壓力控制在0-0. 5MPa，溫度在80-15(TC之間， 減壓脫附的壓力控制在0-0. lMPa負壓範圍內，得到的氫氣中C0含量低於10X l(T。
為了增加&的產量，本發明還可以採用四塔或六塔或多塔進行處理。
權利要求
1.一種用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置，包括第一吸附塔(1)，第二吸附塔(2)，第一三通接頭(3)，第一壓力表(4)，第一換向閥(5)，第二換向閥(6)，第二三通接頭(7)，第三換向閥(8)，第二壓力表(9)，第三三通接頭(10)，第四換向閥(11)，第四三通接頭(12)，第五換向閥(13)，第六換向閥(14)，原料氣罐(15)，真空泵(16)，氫收集罐(17)；其特徵在於原料氣罐(15)出口分別與第二換向閥(6)和第五換向閥(13)的一端連接，第二換向閥(6)的另一端通過第二三通接頭(7)分別與第一吸附塔(1)的下埠和第三換向閥(8)的一端連接，第五換向閥(13)的另一端通過第四三通接頭(12)分別與第二吸附塔(2)的下埠和第六換向閥(14)的一端連接，第三換向閥(8)和第六換向閥(14)的另一端均與真空泵(16)入口連接，真空泵(16)出口與大氣連通，第一吸附塔(1)的上埠通過第一三通接頭(3)的一端與第一換向閥(5)的一端連接，第二吸附塔(2)的上埠通過第三三通接頭(10)的一端與第四換向閥(11)的一端連接，第一換向閥(5)與第四換向閥(11)的另一端均與氫收集罐(17)連接，氫收集罐(17)出口連接燃料電池系統，第一壓力表(4)與第二壓力表(9)分別安裝在第一三通接頭(3)和第三三通接頭(10)內。
2. 根據權利要求1所述的用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置， 其特徵是所述的第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)內均按照從下到上的順序裝 填A1A、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，分子篩採用5A型。
3. 根據權利要求1所述的用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置， 其特徵是所述的第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)加壓吸附的壓力控制在 0-0.5MPa，溫度控制在80-15(TC之間，減壓脫附的壓力控制在0-0. lMPa負壓範 圍內。
4. 根據權利要求1所述的用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝 置，其特徵是所述的第一換向閥(5)，第二換向閥(6)，第三換向閥(8)， 第四換向閥(11)，第五換向閥(13)，第六換向閥(14)均採用二位二通氣動 控制換向閥。
全文摘要
用於燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置，屬於能源和氣體分離技術領域，本發明包括兩個吸附塔，四個三通接頭，兩個壓力表，六個換向閥，原料氣罐，真空泵，氫收集罐。在第一吸附塔和第二吸附塔內均按照從下到上的順序裝填Al2O3、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，富氫氣體通過變壓吸附裝置時，三種吸附劑可以一步除去CO、CH4、CO2和H2O。採用兩塔進行變壓吸附，加壓吸附和減壓脫附同時進行，能夠連續輸出H2，本發明採用一步法處理雜質氣體，大大縮短了提純過程，使CO的含量低於10×10-6，操作簡單，能耗低。能夠提供高純度的H2，直接供燃料電池使用。
文檔編號H01M8/04GK101582514SQ20091005375
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者磊 代, 明 李, 胡鳴若, 顧安忠 申請人:上海交通大學