CN101335360B - 连续输氢设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体增压提纯设备，特别是一种用于35MPa氢气增压提纯的连续输氢设备，解决传统的有油机械式氢压缩机存在的输出气体中含油、影响燃料电池的正常工作等问题，以及无油机械式压缩机存在运动部件的磨损问题。设备由第一级增压系统、第二级增压系统、热交换装置组成；压力为1～2MPa的普纯氢(纯度＜99％)在经过第一级增压系统和第二级增压系统后其压力被增至35MPa，而纯度＞99.999％，在氢气增压和液体循环的过程中，控制与数据采集系统对温度、压力、流量数据进行采集与处理，对系统中各类阀门的开关状态进行控制。本发明具有自动化程度高、测量参数全面、能源利用效率高、使用便捷、高效、使用安全、维护方便、投资省、噪音小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体增压提纯设备，特别是一种用于35MPa氢气增压提纯的连续输氢设备。
背景技术
随着氢燃料电池和电动汽车研究开发的迅速发展，氢源技术及氢能基础设施的研究和建设已引起发达国家的高度关注。安全经济的氢气储运技术是氢能利用推向实用化、产业化的关键。现有的氢气储存技术包括高压储氢、液氢储存、金属氢化物储氢、低温吸附储氢、纳米碳管高压吸附储氢以及有机液体氢化物储氢等。其中，高压储氢是最普通和最直接的储氢方式。高压储氢可在常温下使用，通过阀门的调节就可以直接将氢气释放出，具有结构简单、充装速度快等优点，已成为现阶段氢能储运的主要方式。据今日燃料电池(Fuel Cell Today)网站介绍，截至2005年底，全球加氢站达到115座，其中绝大多数采用高压储氢技术，2004-2005年建设的加氢站中92％采用高压氢气。
因此，有必要发展适应不同输出要求的氢压缩机。传统的机械式氢压缩机分有油和无油两类。前者依靠油来润滑、密封，导致输出气体中含油，极大地影响了燃料电池的正常工作；此外，运动部件长期运行后将不可避免产生磨损，影响系统密封和使用效率。无油机械式压缩机虽然采用自润滑材料等手段避免了氢气污染，但同样不能避免运动部件的磨损问题。
发明内容
为克服传统机械式氢气压缩机存在的上述各种缺点，本发明的目的在于提供一种以可逆金属氢化物为工作介质的氢气压缩机，即35MPa连续输氢设备，解决传统的有油机械式氢压缩机存在的输出气体中含油、影响燃料电池的正常工作等问题，以及无油机械式压缩机存在运动部件的磨损问题。该设备具有如下优点：(1)增压比和输气量的调节范围大，调节方便，通用性高；(2)在增压同时纯化氢气；(3)系统附件少、结构简单、可靠性高、便于维护；(4)无运转部件、无磨损、噪声低；(5)可利用太阳能、废热和低品位热源工作，运行成本低，清洁且节省能源。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明由第一级增压系统、储气瓶、第二级增压系统、第一级热交换系统、第二级热交换系统组成。其中，第一级增压系统由催化脱氧装置、分子筛、止回阀、电动两通阀、电动三通阀、针阀、过滤器、反应床构成。其中，第二级增压系统由止回阀、稳流器、流量计、电动两通阀、电动三通阀、针阀、过滤器、反应床构成。第一级热交换系统和第二级热交换系统分别由热交换装置、液体冷却管、液体加热管、循环泵构成。其中，催化脱氧装置用于脱除低压普纯氢中含有的杂质氧，分子筛用于脱除低压普纯氢中含有的杂质水蒸气，稳流器主要使输出的氢气流更加稳定，过滤器用于防止合金吸氢后产生的微小颗粒随气流而在系统内部流窜，反应床中装有储氢合金，是实现氢气增压和提纯的核心部件。
其中，所述第一级增压系统中反应床所使用的材料为La-Y-Ni-Al合金或者LaNi5基合金或者CaNi5基合金，所述第二级增压系统中反应床所使用的材料为通过石墨或者LaNi5球磨改性后的钒。具体改性过程如下：电解V先经50％HCl溶液清洗，再用水和无水乙醇清洗，最后烘干。将电解V与石墨或LaNi5按(5-20)∶1的质量配比混合置于行星式球磨机中，在Ar气氛中进行有控制的机械球磨，球料比为20∶1，球磨时间为20分钟到3小时，球磨转速在100转/分到200转/分之间。
其中，所述第一级增压系统中，催化脱氧装置的进口端与普纯氢气源相连，其出口端与分子筛进口端相连，分子筛的出口端与止回阀的入口端相连，止回阀的出口端分别与三个电动两通阀的入口端相连，而每个电动两通阀的出口端分别与一个针阀的入口端和一个电动两通阀的入口端相连，其中电动两通阀的出口端通向大气；而针阀的出口端通过过滤器与反应床的气体入口端相连。每个反应床的气体出口端通过过滤器与电动两通阀的入口端相连。三个电动两通阀的出口端并联于一个氢气出口，该氢气出口通过不锈钢钢管与止回阀的入口端相连，止回阀的出口端与储气瓶的入口端相连。
其中，所述第二级增压系统中，止回阀的出口端分别通过电动两通阀和过滤器与第二级的三个反应床的气体入口端相连。第二级中三个反应床的每个气体出口端分别通过过滤器和电动两通阀并联于一个气体出口，该气体出口通过不锈钢管路与针阀的入口端相连，针阀的出口端通过止回阀与稳流器的入口端相连，而稳流器的出口端与流量计的入口端相连，流量计的出口端就是整个增压系统的出口端。
其中，所述第一级热交换系统和第二级热交换系统分别由循环泵、热交换装置、液体循环管路构成，在增压过程中产生的热交换通过热交换系统完成。
其中，所述第一级增压系统中，每个反应床的液路入口端和液路出口端分别与电动三通阀的公共端口相连，而电动三通阀的右端口与第一级热交换系统中的液体冷却循环管路相连，电动三通阀的左端口与第一级热交换系统的液体加热循环管路相连。液体加热循环管路和液体冷却循环管路中充满导热液体，通过循环泵实现液体的循环流动，液体加热循环管路和液体冷却循环管路埋在热交换装置中。
其中，所述第二级增压系统中，每个反应床的液路入口端和液路出口端分别与电动三通阀的公共端口相连，而电动三通阀的右端口与第二级热交换系统中的液体冷却循环管路相连，电动三通阀的左端口与第二级热交换系统的液体加热循环管路相连。液体加热循环管路和液体冷却循环管路中充满导热液体，通过循环泵实现液体的循环流动，液体加热循环管路和液体冷却循环管路埋在热交换装置中。
其中：所述的第一级增压系统、第二级增压系统中以及液体冷却循环系统和液体加热循环系统中的电动三通阀、电动两通阀以及温度传感器、压力变送器与计算机控制及数据采集系统相连。
所述计算机控制与数据采集系统由数据采集模块、电源、计算机、继电器、PLC可编程控制器组成，分为控制部分和数据采集部分；控制部分通过PLC可编程控制器和继电器自动控制第一级增压系统和第二级增压系统中各类电动阀，PLC可编程控制器与计算机相连，由计算机输入参数；数据采集部分由数据采集模块分别获取设备中的压力变送器、温度传感器的信号，然后将信号传输给计算机，由计算机作为信号输出端。
本发明的优点和积极效果为：
1、自动化程度高：本发明采用计算机控制，配以可编程控制器和数据采集模块，可自动控制设备运行和数据采集。
2、测量参数全面：可以精确的跟踪测量合金氢化的反应温度，液路系统的温度变化，氢气输出流量。
3、能源利用效率高：本发明采用了热交换系统，有效提供整个设备的能源利用效率。
4、使用便捷：作为向燃料电池车高压氢瓶充氢的氢供应站，必需提供35MPa以上的高压氢。用贮氢材料作为工作介质，只需调整温度即可实现氢的压缩。
5、高效：由于贮氢材料的选择吸收特性，在通过温度调控使普通纯度的氢被压缩的同时，纯化到99.9999％。因而可以使用普通纯度的氢作原料。氢气的纯度对于燃料电池极为重要，因为燃料电池的电催化剂对杂质颇为敏感，使用高纯度的氢有助于提高电池的工作寿命。而机械式压缩无法实现氢的纯化，必需使用高纯度的氢作原料，或另加纯化工序，但加压过程又有可能使纯度降低。
6、使用安全，维护方便：由于没有运转部件，所以没有磨损，运行安全，无故障运行周期和整体寿命远高于运转式装置。
7、投资省：采用贮氢合金作为工作介质，装置的整体尺寸大为减小，结构大为简化，使投资大幅度减少，维护费用大为降低。
8、噪音小：由于没有运转部件，所以对周边环境基本没有噪音影响。这对设在市区的氢供应站尤为重要。
附图说明
图1为本发明35MPa连续输氢设备的原理框图；
图2为本发明35MPa连续输氢设备的结构示意图；
图3为本发明计算机控制与数据采集系统原理框图。
图中，1第一电动两通阀；2第二电动两通阀；3第三电动两通阀；4第一电动三通阀；5第二电动三通阀；6第四电动两通阀；7第五电动两通阀；8第六电动两通阀；9第三电动三通阀；10第四电动三通阀；11第七电动两通阀；12第八电动两通阀；13第九电动两通阀；14第五电动三通阀；15第六电动三通阀；16第十电动两通阀；17第十一电动两通阀；18第七电动三通阀；19第八电动三通阀；20第十二电动两通阀；21第十三电动两通阀；22第九电动三通阀；23第十电动三通阀；24第十四电动两通阀；25第十五电动两通阀；26第十一电动三通阀；27第十二电动三通阀；28催化脱氧装置；29分子筛；30第一止回阀；31第一泵；32第一针阀；33第一过滤器；34反应床I；35第二过滤器；36第二针阀；37第三过滤器；38反应床II；39第四过滤器；40第三针阀；41第五过滤器；42反应床III；43第六过滤器；44第二泵；45第二止回阀；46储气瓶；47第三止回阀；48第七过滤器；49反应床IV；50第八过滤器；51第三泵；52第九过滤器；53反应床V；54第十过滤器；55第十一过滤器；56反应床VI；57第十二过滤器；58第四泵；59第四针阀；60第四止回阀；61稳流器；62流量计；63第一热交换装置；64第二热交换装置；65第一冷凝器；66第一蒸发器；67第二冷凝器；68第二蒸发器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述：
如图1-2所示，本发明由第一级增压系统、储气瓶、第二级增压系统以及第一级热交换系统和第二级热交换系统组成；催化脱氧装置28的入口与低压普纯氢气源相连，催化脱氧装置28的出口与分子筛29的入口相连，分子筛29的出口与第一止回阀30的入口相连，第一止回阀30的出口与第八电动两通阀12、第五电动两通阀7、第二电动两通阀2的入口相连，其中第二电动两通阀2的出口分别与第一针阀32和第一电动两通阀1的入口相连，第一电动两通阀1的出口直接通向大气。第一针阀32的出口与第一过滤器33的入口相连，第一过滤器33的出口与反应床I 34的气体入口相连，反应床I 34的气体出口与第二过滤器35的入口相连，第二过滤器35的出口与第三电动两通阀3的入口相连。其中，第五电动两通阀7的出口分别与第二针阀36和第四电动两通阀6的入口相连，第四电动两通阀6的出口直接通向大气。第二针阀36的出口与第三过滤器37的入口相连，第三过滤器37的出口与反应床II38的气体入口相连，反应床II38的气体出口与第四过滤器39的入口相连，第四过滤器39的出口与第六电动两通阀8的入口相连。其中，第八电动两通阀12的出口分别与第三针阀40和第七电动两通阀11的入口相连，第七电动两通阀11的出口直接通向大气。第三针阀40的出口与第五过滤器41的入口相连，第五过滤器41的出口与反应床III42的气体入口相连，反应床III42的气体出口与第六过滤器43的入口相连，第六过滤器43的出口与第九电动两通阀13的入口相连。第九电动两通阀13、第六电动两通阀8、第三电动两通阀3的出口并联于第二止回阀45的入口。在第一级增压系统中反应床I(34)的液体入口与第二电动三通阀5的第三端口相连，而第二电动三通阀5的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第二电动三通阀5的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床I(34)的液体出口与第一电动三通阀4的第三端口相连，而第一电动三通阀4的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。在第一级增压系统中反应床II(38)的液体入口与第四电动三通阀10的第三端口相连，而第四电动三通阀10的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第四电动三通阀10的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床II(38)的液体出口与第三电动三通阀9的第三端口相连，而第三电动三通阀9的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。在第一级增压系统中反应床III(42)的液体入口与第六电动三通阀15的第三端口相连，而第六电动三通阀15的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第六电动三通阀15的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床III(42)的液体出口与第五电动三通阀14的第三端口相连，而第五电动三通阀14的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。第一级增压系统中的液体通过第二泵44实现循环，其中部分管道埋于第二热交换装置64的第一蒸发器66中。第一级增压系统中液体加热循环管路中的液体通过第一泵31实现循环，其中部分管道埋于第二热交换装置64的第一冷凝器65中。
第二止回阀45的出口与储气瓶46的入口相连，储气瓶46的出口与第三止回阀47的入口相连，第三止回阀47的出口与第二级增压系统中的第十电动两通阀16、第十二电动两通阀20、第十四电动两通阀24的入口相连，其中，第十电动两通阀16的出口分别与第七过滤器48的入口相连，第七过滤器48的出口与反应床IV(49)的气体入口相连，反应床IV(49)的气体出口与第八过滤器50的入口相连，第八过滤器50的出口与第十一电动两通阀17的入口相连。其中，第十二电动两通阀20的出口分别与第九过滤器52的入口相连，第九过滤器52的出口与反应床V(53)的气体入口相连，反应床V(53)的气体出口与第十过滤器54的入口相连，第十过滤器54的出口与第十三电动两通阀21的入口相连。其中，第十四电动两通阀24的出口分别与第十一过滤器55的入口相连，第十一过滤器55的出口与反应床VI(56)的气体入口相连，反应床VI(56)的气体出口与第十二过滤器57的入口相连，第十二过滤器57的出口与第十五电动两通阀25的入口相连。第十五电动两通阀25、第十三电动两通阀21、第十一电动两通阀17的出口并联于第四针阀59的入口。第四针阀59的出口与第四止回阀60的入口相连，第四止回阀60的出口与稳流器61的入口相连，稳流器61的出口与流量计62的入口相连，流量计62的出口就是整个系统的气体输出口。在第二级增压系统中反应床IV(49)的液体入口与第七电动三通阀18的第三端口相连，而第七电动三通阀18的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第七电动三通阀18的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床IV(49)的液体出口与第八电动三通阀19的第三端口相连，而第八电动三通阀19的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。在第二级增压系统中反应床V(53)的液体入口与第九电动三通阀22的第三端口相连，而第九电动三通阀22的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第九电动三通阀22的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床V(53)的液体出口与第十电动三通阀23的第三端口相连，而第十电动三通阀23的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。在第二级增压系统中反应床VI(56)的液体入口与第十二电动三通阀27的第三端口相连，而第十二电动三通阀27的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第十二电动三通阀27的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床VI(56)的液体出口与第十一电动三通阀26的第三端口相连，而第十一电动三通阀26的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连。第二级增压系统中液体冷却循环管路中的液体通过第四泵58实现循环，其中部分管道埋于第一热交换装置63的第二蒸发器68中。第二级增压系统中液体加热循环管路中的液体通过第三泵51实现循环，其中部分管道埋于第一热交换装置63的第二冷凝器67中。
控制与数据采集系统包括电源、可编程逻辑控制器PLC、数据采集模块、继电器和计算机等。图3为控制与数据采集系统框架图。其中，系统的温度和压力数据分别通过研华的ADAM4017+和ADAM4018数据采集模块，经PLC的RS485通讯端口进入计算机，而开关量信号是通过PLC的DO端口输出，经继电器，控制电动阀1～27(电动两通阀1、2、3、6、7、8、11、12、13、16、17、20、21、24、25；电动三通阀4、5、9、10、14、15、18、19、22、23、26、27；)的开关，系统的控制程序采用LabVIEW软件编制。另外，为安全起见每个反应床均安装有溢流阀和温度开关，其中溢流阀是用于当反应床中的压力大于系统设定的极限压力时，自动打开以泄除压力，防止由于过压而产生爆炸的危险。温度开关则是用于控制液体加热温度，切换加热装置的起动和关闭，防止系统过热。
本发明的工作原理：
如图1所示，通过储氢合金在低温下吸氢、在高温下放氢实现氢气增压，该过程理论依据是Van’t Hoff公式
利用活化状态下储氢合金能够吸收氢气中含有的微量杂质的特性，将氢气纯度由普氢(纯度≤99.0％)提高到纯度≥99.999％。本装置被设计成两级三相结构，保证系统有连续稳定的氢气流输出。所谓两极就是分两步实现氢气增压，氢气经过第一级增压系统实现压力1～2MPa增至10MPa左右，然后氢气进入第二级增压系统实现压力增至35MPa。所谓三相就是每一级中都有三个反应床，保证在任何时刻其中一个反应床处于吸氢状态，一个反应床处于放氢状态，剩下一个反应床处于吸氢饱和等待放氢状态。热媒循环过程中应用了类似于空调的热交换装置，该装置对冷液路进行制冷，对热液路进行加热。充分利用系统剩余热量，提高了能源利用效率。
如图3所示计算机控制与数据采集系统原理图，计算机控制与数据采集系统由PLC可编程控制器(本实施例具体型号为西门子S7-224)、电源、计算机、继电器(本实施例具体型号为欧姆龙MY2NJ)组成，分为控制部分和数据采集部分；控制部分通过可编程控制器PLC和继电器(本实施例具体型号为欧姆龙MY2NJ)自动控制整个系统的电动阀，可编程控制器与计算机相连，由计算机输入参数；数据采集部由ADAM4017+数据采集模块获取设备中的压力变送器和流量计的信号，由ADAM4018数据采集模块获取设备中的温度传感器信号，然后将信号传输给计算机，由计算机作为信号输出端。
本发明的工作过程：
表1所示为连续输氢装置第一级和第二级运行的基本步骤，其中第一级中电动阀随时间的开闭顺序如表2所示，其具体运行过程如下：
第一步，在活化储氢材料之后，反应床I中饱和吸满了氢气。打开第三电动两通阀3、第四电动两通阀6和第八电动两通阀12，同时为获得增压氢，第一电动三通阀4和第二电动三通阀5转向高温水路，加热反应床内的整个储氢合金柱，高温水路的温度为60-90℃，储氢材料置于储氢合金柱中，储氢材料在填充合金柱前，已完成活化，具体活化过程如下：对于第一级增压系统中所使用的材料其活化过程是首先将冶炼获得的合金锭，先机械粉碎成毫米级的颗粒，然后在纯氢气氛下多次充放氢后便可活化；对于第二级增压系统中所使用的材料，其活化过程是将材料在纯氢气氛下多次充放氢。而此时，反应床II正处于吸氢饱和后排出含有高浓度杂质气体阶段，反应床III处于正在吸氢阶段。此时，反应床II和反应床III中第三电动三通阀9、第四电动三通阀10和第五电动三通阀14、第六电动三通阀15通向低温水路，床体处于冷却阶段。由于该步骤只是为了释放反应床II中残留的杂质气体，所以这个过程停留时间极短，大约30s。
第二步，待排出反应床杂质气体之后，第四电动两通阀6关闭，反应床II处于等待状态，床体通冷却水。反应床I仍处于放氢状态，而反应床III则仍处于吸氢状态，其电动两通阀的开闭状态和电动三通阀的导向状态与第一步相同。这个阶段所处的时间相对较长，约10～20min左右。
表1、35MPa连续输氢装置的运行步骤
第三步，待反应床I放氢完毕后，迅速打开第二电动两通阀2，关闭第三电动两通阀3，使床体处于充氢状态，同时第一电动三通阀4、第二电动三通阀5通向冷水端，吸收储氢合金在吸氢过程中所产生的大量热。这时，反应床II中第六电动两通阀8打开，同时第三电动三通阀9、第四电动三通阀10通向热水端，以提高放氢平台压。而反应床III已吸满氢气，但系统中却残留含有高浓度杂质气体的氢气，所以需要关闭第八电动两通阀12，打开第七电动两通阀11，排出气体。此时，反应床III处于低温状态。由于该步骤只是为了吹扫反应床II中残留的杂质气体，所以这个过程停留时间极短，大约30s。
第四步，待排出反应床杂质气体之后，第七电动两通阀11关闭，反应床III处于等待状态，床体通冷却水。反应床I仍处于吸氢状态，而反应床II则处于放氢状态，其电动两通阀的开闭状态和电动三通阀的导向状态与第三步相同。这个阶段所处的时间相对较长，约10～20min左右。
第五步，反应床III中饱和吸满了氢气。打开第一电动两通阀1、第五电动两通阀7和第九电动两通阀13，同时为获得增压氢，第五电动三通阀14和第六电动三通阀15转向高温水路，加热整个储氢合金柱。而此时，反应床I正处于吸氢饱和后，排出含有高浓度杂质气体阶段，反应床II处于正在吸氢阶段。此时，反应床II和反应床III中第一电动三通阀4、第二电动三通阀5和第三电动三通阀9、第四电动三通阀10通向低温水路，床体处于冷却阶段。由于该步骤只是为了吹扫反应床I中残留的杂质气体，所以这个过程停留时间极短，大约30s。
第六步，待排出反应床杂质气体之后，第一电动两通阀1关闭，反应床I处于等待状态，床体通冷却水。反应床III仍处于放氢状态，而反应床II则仍处于吸氢状态，其电动两通阀的开闭状态和电动三通阀的导向状态与第一步相同。这个阶段所处的时间相对较长，约10～20min左右。
不断重复步骤一到步骤六，第一级就产生增压提纯的效果。
表2第一级中电动阀随时间的开闭顺序
注：对于电动两通阀，符号“+”表示阀门为开，符号“-”表示阀门为关；对于三通阀，符号“+”表示阀门干路与热液路相连，符号“-”则表示阀门干路与冷液路相连。
第二级中电动阀随时间的开闭顺序如表3所示，其具体运行过程如下：
表3第二级中电动阀门随时间的开闭顺序
注：对于两通电动阀，符号“+”表示阀门为开，符号“-”表示阀门为关；对于三通阀，符号“+”表示阀门干路与热液路相连，符号“-”则表示阀门干路与冷液路相连。由于第一级和第二级所用的储氢材料不同，导致吸放氢动力学性能的差异，所以第一级和第二级中阀门开闭状态的停留时间并不相同。
第一步，在活化储氢材料之后，反应床IV中饱和吸满了氢气。打开电动两通阀17，同时为获得增压氢，第七电动三通阀18和第八电动三通阀19转向高温油路，加热整个储氢合金柱。而此时，反应床V正处于吸氢饱和状态，反应床VI处于正在吸氢阶段。此时，反应床V和反应床VI中第九电动三通阀22、第十电动三通阀23和第十一电动三通阀26、第十二电动三通阀27通向低温油路，床体处于冷却阶段。这个阶段所处的时间约10～20min左右。
第二步，反应床V中饱和吸满了氢气。打开第十三电动两通阀21，同时为获得增压氢，第九电动三通阀22和第十电动三通阀23转向高温油路，加热整个储氢合金柱。而此时，反应床VI正处于吸氢饱和状态。关闭第十一电动两通阀17，打开第十电动两通阀16，使反应床IV处于正在充氢状态。此时，反应床IV和反应床VI中第七电动三通阀18、第八电动三通阀19和第十一电动三通阀26、第十二电动三通阀27通向低温油路，床体处于冷却阶段。这个阶段所处的时间约10～20min左右。
第三步，反应床VI中饱和吸满了氢气。打开第十五电动两通阀25，同时为获得增压氢，第十一电动三通阀26和第十二电动三通阀27转向高温油路，加热整个储氢合金柱。而此时，反应床IV正处于吸氢饱和状态，反应床V处于正在吸氢阶段。此时，反应床IV和反应床V中第七电动三通阀18、第八电动三通阀19和第九电动三通阀22、第十电动三通阀23通向低温油路，床体处于冷却阶段。这个阶段所处的时间约10～20min左右。
不断重复步骤一到步骤三，第二级就产生了对氢气增压的效果。
实施例
将压力为1MPa，氢气纯度为98％的氢气通过设备入口与整个设备相连。第一级增压系统中，储氢合金柱中充填的合金为La-Y-Ni-Al合金，第一级热交换系统中液体循环加热管路和液体循环冷却管路中所使用的导热介质为水；第二级增压系统中，储氢合金柱中充填的材料为LaNi5球磨改性钒，具体改性过程如下：电解V先经50％HCl溶液清洗，再用水和无水乙醇清洗，最后烘干。将电解V和LaNi5按12∶1的质量配比混合置于行星式球磨机中，在Ar气氛中进行有控制的机械球磨，球料比为20∶1，球磨时间为2小时，球磨转速在100转/分到200转/分之间。第二级热交换系统中液体循环加热管路中和液体循环冷却管路中所使用的导热介质为硅油。电动阀1～27在计算机控制下，确保第一级增压过程中第一步停留时间为30s，第二步停留时间为15min，第三步停留时间为30s，第四步停留时间为15min，第五步停留时间为30s，第六步停留时间为15min；确保第二级增压过程中第一步停留时间为15min，第二步停留时间为15min，第三步停留时间为15min。检测设备输出口的氢气，可以看出其压力为36.534MPa，纯度为为H2≥99.999％，O2(Ar)＝1ppm，N2＝2ppm，CO＝0.2ppm，CO2＝0.4ppm，CH4＝0.2ppm，H2O＝2.6ppm。
Claims (6)
1.连续输氢设备，其特征在于：所述设备由第一级增压系统、第二级增压系统、第一级热交换系统和第二级热交换系统构成；相互连接的第一级增压系统和第二级增压系统分别由三个相连的反应床构成，第一级增压系统中的反应床连有第一级热交换系统，第二级增压系统中的反应床连有第二级热交换系统，第一级增压系统和第二级增压系统之间装有储气瓶，第一级热交换系统和第二级热交换系统中分别设有热交换装置，反应床中装有储氢合金。
2.按照权利要求1所述的连续输氢设备，其特征在于：第一级增压系统中反应床所使用的材料为La-Y-Ni-Al合金或者LaNi5基合金或者CaNi5基合金，第二级增压系统中反应床所使用的材料为通过石墨或者LaNi5球磨改性后的钒。
3.按照权利要求1所述的连续输氢设备，其特征在于：低压普纯氢气源与催化脱氧装置进口端相连，催化脱氧装置出口端与分子筛进口端相连，分子筛出口端连至第一级增压系统的反应床部分；所述低压普纯氢气源的氢气纯度≤99.0％，压力1～2MPa。
4.按照权利要求1所述的连续输氢设备，其特征在于：在第一级增压系统和第二级增压系统的入口和出口装有止回阀。
5.按照权利要求1所述的连续输氢设备，其特征在于：
第一级增压系统由催化脱氧装置、分子筛、第一至二止回阀、第一至九电动两通阀、第一至六电动三通阀、第一至三针阀、第一至六过滤器、反应床I、反应床II和反应床III构成；所述第一级增压系统中，催化脱氧装置的入口与低压普纯氢气源相连，催化脱氧装置的出口与分子筛的入口相连，分子筛的出口与第一止回阀的入口相连，第一止回阀的出口分别通过管路与第八电动两通阀、第五电动两通阀、第二电动两通阀的入口相连，其中第二电动两通阀的出口分别通过管路与第一针阀和第一电动两通阀的入口相连，第一电动两通阀的出口直接通向大气；第一针阀的出口与第一过滤器的入口相连，第一过滤器的出口与反应床I的气体入口相连，反应床I的气体出口与第二过滤器的入口相连，第二过滤器的出口与第三电动两通阀的入口相连；其中，第五电动两通阀的出口分别通过管路与第二针阀和第四电动两通阀的入口相连，第四电动两通阀的出口直接通向大气；第二针阀的出口与第三过滤器的入口相连，第三过滤器的出口与反应床II的气体入口相连，反应床II的气体出口与第四过滤器的入口相连，第四过滤器的出口与第六电动两通阀的入口相连；其中，第八电动两通阀的出口分别通过管路与第三针阀和第七电动两通阀的入口相连，第七电动两通阀的出口直接通向大气；第三针阀的出口与第五过滤器的入口相连，第五过滤器的出口与反应床III的气体入口相连，反应床III的气体出口与第六过滤器的入口相连，第六过滤器的出口与第九电动两通阀的入口相连；第九电动两通阀、第六电动两通阀、第三电动两通阀的出口并联于第二止回阀的入口；
第二级增压系统由第三至四止回阀、稳流器、流量计、第十至十五电动两通阀、第七至十二电动三通阀、第四针阀、第七至十二过滤器、反应床IV、反应床V和反应床VI构成；第二止回阀的出口与储气瓶的入口相连，储气瓶的出口与第三止回阀的入口相连，第三止回阀的出口与第二级增压系统中的第十电动两通阀、第十二电动两通阀、第十四电动两通阀的入口相连，其中，第十电动两通阀的出口与第七过滤器的入口相连，第七过滤器的出口与反应床IV的气体入口相连，反应床IV的气体出口与第八过滤器的入口相连，第八过滤器的出口与第十一电动两通阀的入口相连；其中，第十二电动两通阀的出口与第九过滤器的入口相连，第九过滤器的出口与反应床V的气体入口相连，反应床V的气体出口与第十过滤器的入口相连，第十过滤器的出口与第十三电动两通阀的入口相连；其中，第十四电动两通阀的出口与第十一过滤器的入口相连，第十一过滤器的出口与反应床VI的气体入口相连，反应床VI的气体出口与第十二过滤器的入口相连，第十二过滤器的出口与第十五电动两通阀的入口相连；第十五电动两通阀、第十三电动两通阀、第十一电动两通阀的出口并联于第四针阀的入口；第四针阀的出口与第四止回阀的入口相连，第四止回阀的出口与稳流器的入口相连，稳流器的出口与流量计的入口相连，流量计的出口就是整个系统的气体输出口；
所述低压普纯氢气源的氢气纯度≤99.0％，压力1～2MPa；
所述第一级增压系统中，反应床I的液体入口与第二电动三通阀的第三端口相连，而第二电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第二电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床I的液体出口与第一电动三通阀的第三端口相连，而第一电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；在第一级增压系统中，反应床II的液体入口与第四电动三通阀的第三端口相连，而第四电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第四电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床II的液体出口与第三电动三通阀的第三端口相连，而第三电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；在第一级增压系统中，反应床III的液体入口与第六电动三通阀的第三端口相连，而第六电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第六电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床III的液体出口与第五电动三通阀的第三端口相连，而第五电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；液体加热循环管路和液体冷却循环管路中充满导热液体，通过循环泵实现液体的循环流动，液体加热循环管路和液体冷却循环管路埋在热交换装置中；
所述第二级增压系统中，反应床IV的液体入口与第七电动三通阀的第三端口相连，而第七电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第七电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床IV的液体出口与第八电动三通阀的第三端口相连，而第八电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；在第二级增压系统中，反应床V的液体入口与第九电动三通阀的第三端口相连，而第九电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第九电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床V的液体出口与第十电动三通阀的第三端口相连，而第十电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；在第二级增压系统中，反应床VI的液体入口与第十二电动三通阀的第三端口相连，而第十二电动三通阀的第二端口与液体冷却循环管路相连，而第十二电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，反应床VI的液体出口与第十一电动三通阀的第三端口相连，而第十一电动三通阀的第一端口与液体加热循环管路相连，其第二端口与液体冷却循环管路相连；液体加热循环管路和液体冷却循环管路中充满导热液体，通过循环泵实现液体的循环流动，液体加热循环管路和液体冷却循环管路埋在热交换转置中；
每个反应床中液体出口各自与一个电动三通阀的第三端口相连；每个反应床中液体入口各自与一个电动三通阀的第三端口相连。
6.按照权利要求1所述的连续输氢设备，其特征在于：第一级增压系统、第二级增压系统中设置的电动阀以及温度传感器、压力变送器与计算机控制及数据采集系统相连；所述计算机控制与数据采集系统由数据采集模块、电源、计算机、继电器、可编程控制器组成，分为控制部分和数据采集部分；控制部分通过可编程控制器和继电器自动控制第一级增压系统和第二级增压系统中各类电动阀，可编程控制器与计算机相连，由计算机输入参数；数据采集部分由数据采集模块分别获取设备中的压力变送器、温度传感器的信号，然后将信号传输给计算机，由计算机作为信号输出端。
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