CN101582514B - 用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，属于能源和气体分离技术领域，本发明包括两个吸附塔，四个三通接头，两个压力表，六个换向阀，原料气罐，真空泵，氢收集罐。在第一吸附塔和第二吸附塔内均按照从下到上的顺序装填Al2O3、活性炭、分子筛三种选择性吸附剂，富氢气体通过变压吸附装置时，三种吸附剂可以一步除去CO、CH4、CO2和H2O。采用两塔进行变压吸附，加压吸附和减压脱附同时进行，能够连续输出H2，本发明采用一步法处理杂质气体，大大缩短了提纯过程，使CO的含量低于10×10-6，操作简单，能耗低。能够提供高纯度的H2，直接供燃料电池使用。

Description

用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置
技术领域
本发明涉及一种变压吸附提纯氢的装置，特别是一种用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，属于能源和气体分离技术领域。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的装置，具有发电效率高、环保等优点，是新能源研究开发的主要方向之一。其燃料为纯氢或富氢气体，氧化剂则采用氧气或空气，由于氢能不是一次能源，体积能量密度较低，运输和存储都有很大的困难，其获得需要一定的工艺过程，因而必须通过其它方式来制取氢气，对于燃料电池来说，研究现场制氢尤为重要。目前，使用较多的制氢方法为重整转化法制氢，其中蒸汽重整制取的氢气浓度最高，经过蒸汽重整以及变换反应后，其组成为60％-70％H2、CO2、CH4、CO以及其它组分，而由于磷酸型燃料电池和质子交换膜燃料电池的铂电极对CO的吸附作用大于对H2的吸附作用，造成CO吸附在电极上而H2不能发生电化学反应，毒化电极，因此需要进一步将CO的浓度脱除至10×10-6以下，从而不影响电池的使用寿命。
目前，常用的CO脱除方法有：
(1)CO甲烷化技术：使CO与H2发生反应生成CH4，该方法最大的特点是不必引入其它的气体进入选择性氧化体系中，直接与H2发生反应即可除去CO，但反应1molCO需要消耗3mol的H2，并且由于富氢气体中含有的CO2也会与H2发生反应，从而导致大量的H2被消耗掉。
(2)选择性氧化：使用高选择性的催化剂，使CO优先被吸附氧化，达到对CO深度脱除的目的，反应中CO的氧化和H2的氧化是竞争反应，因此研究的重点在于开发高选择性的催化剂，然而CO发生氧化反应需要引入空气，由于N2的进入降低了H2的浓度，影响电池的效率。
(3)膜分离：利用金属钯(Pd)及其合金可以选择性地让H2分子通过，阻断其它一切气体通过，该法可以获得较高浓度的H2，但存在的问题是Pd膜成本较高，并且在一定的温度下会发生相转变，引起晶格的变化，导致膜变脆变裂，另外，由于CO在膜上的化学吸附会使H2的渗透性能发生下降，影响H2的收率。
(4)变压吸附(PSA)法：利用混合气体中某一组分在吸附剂上的平衡吸附量在不同压力下的差异进行加压吸附和减压脱附，达到气体分离的目的，其优点是原料适用范围广；能一次性去除氢气中多种杂质成分，工艺流程简单；处理范围大，启动方便；能耗小、操作费用低；设备稳定性好、自动化程度高、安全可靠；吸附剂寿命长，并且对环境无污染。
已有技术中，专利申请号为00131994.9，名称为用于生产氢的变压吸附方法的发明专利采用的装置中，设置了吹扫罐和平衡罐用于吸附塔的吹扫和加压，装置比较复杂，成本较高。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，采用变压吸附技术，吸附塔中按照从下到上的顺序依次装填Al2O3、活性炭、分子筛三种选择性吸附剂，一步实现H2的提浓，在脱除CO的同时，能够同时脱除CH4、CO2、H2O等杂质，采用两塔处理气体，同时进行加压吸附和减压脱附，即其中一塔在进行加压吸附的过程时，另一塔进行减压脱附，使产品气体源源不断输出，可连续生产H2供燃料电池使用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括第一吸附塔，第二吸附塔，第一三通接头，第二三通接头，第三三通接头，第四三通接头，第一压力表，第二压力表，第一换向阀，第二换向阀，第三换向阀，第四换向阀，第五换向阀，第六换向阀，原料气罐，真空泵，氢收集罐。
原料气罐出口分别与第二换向阀和第五换向阀的一端连接，第二换向阀的另一端通过第二三通接头分别与第一吸附塔的下端口和第三换向阀的一端连接，第五换向阀的另一端通过第四三通接头分别与第二吸附塔的下端口和第六换向阀的一端连接，第三换向阀和第六换向阀的另一端均与真空泵入口连接，真空泵出口与大气连通，第一吸附塔的上端口通过第一三通接头的一端与第一换向阀的一端连接，第二吸附塔的上端口通过第三三通接头的一端与第四换向阀的一端连接，第一换向阀与第四换向阀的另一端均与氢收集罐连接，氢收集罐出口连接燃料电池系统，第一压力表与第二压力表分别安装在第一三通接头和第三三通接头内用于测量吸附塔的压力，在第一吸附塔和第二吸附塔内均按照从下到上的顺序装填Al2O3、活性炭、分子筛三种选择性吸附剂，富氢气体通过变压吸附装置时，三种吸附剂可以一步除去CO、CH4、CO2和H2O，无需经过其他步骤即可提供高纯H2供燃料电池使用。
吸附过程
过程一：原料气由原料气罐输出，经第二换向阀和第二三通接头进入第一吸附塔加压吸附，第三换向阀关闭，产品气经过第一三通接头和第一换向阀进入氢收集罐；与此同时第四换向阀和第五换向阀关闭，第六换向阀打开，第二吸附塔经第四三通接头和第六换向阀与真空泵连通实现减压脱附。
过程二：第二换向阀和第一换向阀继续打开，关闭第三换向阀，第一吸附塔继续进行吸附；打开第四换向阀，关闭第五换向阀和第六换向阀，第二吸附塔实现充压过程。
过程三：第二换向阀和第一换向阀关闭，第三换向阀打开，第一吸附塔经第二三通接头和第三换向阀与真空泵连通实现减压脱附。与此同时原料气由原料气罐输出，经第五换向阀和第四三通接头进入第二吸附塔加压吸附，第六换向阀关闭，产品气经过第三三通接头通过第四换向阀进入氢收集罐。
过程四：第五换向阀和第四换向阀继续打开，关闭第六换向阀，第二吸附塔继续进行吸附；打开第一换向阀，关闭第二换向阀和第三换向阀，第一吸附塔实现充压过程。
本发明的有益效果：
采用两塔进行变压吸附，加压吸附和减压吸附同时进行，能够连续输出气体。一步法处理杂质气体，大大缩短了提纯过程，操作简单，能耗低。能够提供高纯度的H2，直接通入燃料电池发生原电池反应。
附图说明
图中1-第一吸附塔，2-第二吸附塔，3-第一三通接头，4-第一压力表，5-第一换向阀，6-第二换向阀，7-第二三通接头，8-第三换向阀，9-第二压力表，10-第三三通接头，11-第四换向阀，12-第四三通接头，13-第五换向阀，14-第六换向阀，15-原料气罐，16-真空泵，17-氢收集罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：如图1所示，本发明的装置包括第一吸附塔1，第二吸附塔2，第一三通接头3，第一压力表4，第一换向阀5，第二换向阀6，第二三通接头7，第三换向阀8，第二压力表9，第三三通接头10，第四换向阀11，第四三通接头12，第五换向阀13，第六换向阀14，原料气罐15，真空泵16，氢收集罐17，原料气罐15内充填富氢气体，六个换向阀均采用二位二通气动控制换向阀。
原料气罐15出口分别与第二换向阀6和第五换向阀13的一端连接，第二换向阀6的另一端通过第二三通接头7分别与第一吸附塔1的下端口和第三换向阀8的一端连接，第五换向阀13的另一端通过第四三通接头12分别与第二吸附塔2的下端口和第六换向阀14的一端连接，第三换向阀8和第六换向阀14的另一端均与真空泵16入口连接，真空泵16出口与大气连通，第一吸附塔1的上端口通过第一三通接头3的一端与第一换向阀5的一端连接，第二吸附塔2的上端口通过第三三通接头10的一端与第四换向阀11的一端连接，第一换向阀5与第四换向阀11的另一端均与氢收集罐17连接，氢收集罐17出口连接燃料电池系统，第一压力表4与第二压力表9分别安装在第一三通接头3和第三三通接头10内用于测量吸附塔的压力，在第一吸附塔1和第二吸附塔2内均按照从下到上的顺序装填Al2O3、活性炭、分子筛三种选择性吸附剂，Al2O3用来吸附H2O，活性炭吸附CO2和CH4，分子筛采用5A型吸附CO。
吸附过程
过程一：原料气由原料气罐15输出，经第二换向阀6和第二三通接头7进入第一吸附塔1加压吸附，第三换向阀8关闭，产品气经过第一三通接头3和第一换向阀5进入氢收集罐17；与此同时第四换向阀11和第五换向阀13关闭，第六换向阀14打开，第二吸附塔2经第四三通接头12和第六换向阀14与真空泵16连通实现减压脱附，杂质气体在真空泵16出口处释放。
过程二：第二换向阀6和第一换向阀5继续打开，关闭第三换向阀8，第一吸附塔1继续进行吸附；打开第四换向阀11，关闭第五换向阀13和第六换向阀14，第二吸附塔2实现充压过程。
过程三：第二换向阀6和第一换向阀5关闭，第三换向阀8打开，第一吸附塔1经第二三通接头7和第三换向阀8与真空泵16连通实现减压脱附，杂质气体在真空泵16出口处释放。与此同时原料气由原料气罐15输出，经第五换向阀13和第四三通接头12进入第二吸附塔2加压吸附，第六换向阀14关闭，产品气经过第三三通接头10通过第四换向阀11进入氢收集罐17。
过程四：第五换向阀13和第四换向阀11继续打开，关闭第六换向阀14，第二吸附塔2继续进行吸附；打开第一换向阀5，关闭第二换向阀6和第三换向阀8，第一吸附塔1实现充压过程。
本发明吸附装置的加压吸附的压力控制在0-0.5MPa，温度在80-150℃之间，减压脱附的压力控制在0-0.1MPa负压范围内，得到的氢气中CO含量低于10×10-6。
为了增加H2的产量，本发明还可以采用四塔或六塔或多塔进行处理。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，包括第一吸附塔(1)，第二吸附塔(2)，第一三通接头(3)，第一压力表(4)，第一换向阀(5)，第二换向阀(6)，第二三通接头(7)，第三换向阀(8)，第二压力表(9)，第三三通接头(10)，第四换向阀(11)，第四三通接头(12)，第五换向阀(13)，第六换向阀(14)，原料气罐(15)，真空泵(16)，氢收集罐(17)；其特征在于：原料气罐(15)出口分别与第二换向阀(6)和第五换向阀(13)的一端连接，第二换向阀(6)的另一端通过第二三通接头(7)分别与第一吸附塔(1)的下端口和第三换向阀(8)的一端连接，第五换向阀(13)的另一端通过第四三通接头(12)分别与第二吸附塔(2)的下端口和第六换向阀(14)的一端连接，第三换向阀(8)和第六换向阀(14)的另一端均与真空泵(16)入口连接，真空泵(16)出口与大气连通，第一吸附塔(1)的上端口通过第一三通接头(3)的一端与第一换向阀(5)的一端连接，第二吸附塔(2)的上端口通过第三三通接头(10)的一端与第四换向阀(11)的一端连接，第一换向阀(5)与第四换向阀(11)的另一端均与氢收集罐(17)连接，氢收集罐(17)出口连接燃料电池系统，第一压力表(4)与第二压力表(9)分别安装在第一三通接头(3)和第三三通接头(10)内；在第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)内均按照从下到上的顺序装填Al2O3、活性炭、分子筛三种选择性吸附剂；第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)加压吸附的压力控制在0-0.5MPa，温度控制在80-150℃之间，减压脱附的压力控制在0-0.1MPa负压范围内。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，其特征是所述的分子筛采用5A型。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池供氢的一步变压吸附纯化氢的装置，其特征是所述的第一换向阀(5)，第二换向阀(6)，第三换向阀(8)，第四换向阀(11)，第五换向阀(13)，第六换向阀(14)均采用二位二通气动控制换向阀。
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