CN110526212B - 一种带有鱼骨结构的氢气净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有鱼骨结构的氢气净化装置，其包括与进、排气管相连通的反应容器，反应容器的内腔中设置有与进、排气管相连通并呈鱼骨形排布的氢气管路，该反应容器的内腔中还设有呈鱼骨形排布的散热片，氢气管路与散热片交错设置。本发明其内部采用了鱼骨结构的氢气扩散管路和与之对应的热交换内壁，大大提升了吸放氢时的换热效果，显著提高储氢合金的吸放氢速率鱼骨结构的氢气管路和内壁可分散储氢合金吸放氢时产生的应力，增强装置的承压强度，同时也避免了储氢合金粉末在长时间使用后向装置底部聚集。所以该装置在实际使用中可大大提升氢气的净化效率，而且在使用寿命和安全性上也更有保障。
Description
技术领域
本发明涉及净化设备，具体涉及一种氢气净化装置。
背景技术
氢能作为一种清洁、高效、可持续的二次能源，是未来构建以清洁能源为主的多元能源供给系统的重要载体。氢能的开发与利用技术已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向，也是汽车产业未来发展的战略制高点。在我国政府补贴不退坡的政策推动下，质子交换膜燃料电池汽车产业得到了迅速发展，并已成为氢能商业化应用的先锋。随着燃料电池应用技术的不断突破，应用市场日趋成熟，对氢气的需求量也迅速增加。但质子交换膜燃料电池用氢不同于普通的工业用氢，它对氢气的纯度要求较高，尤其是对氢气中的H2S、NH3、CO、CO2和H2O等有害杂质的含量要求远低于工业用氢，若以上有害杂质得不到有效控制，将毒化燃料电池催化剂，缩短燃料电池的使用寿命。所以，为了保障燃料电池产业的用氢需求，必须对现有工业用氢进行提纯净化。
目前氢气的净化技术主要有低温分离法、PSA变压吸附法、金属氢化物分离法、催化脱氧法、钯金属膜扩散法等。低温吸附法可大量对氢气和含氢尾气进行净化，但存在能耗高且回收氢气纯度低的缺陷；变压吸附法工艺成熟，但由于需要高压运行，对系统安全性要求高，需要增设干燥设备，且存在氢气回收率低的缺点；膜扩散分离法处理量大，适合回收含氢量高于30％的尾气，但该过程操作压力大，净化后的氢气纯度较低；钯金属分离法存在生产成本高，生产量小，有使用范围较窄的缺陷。金属氢化物氢气净化技术由于其高效、节能、运营成本低、稳定性好、易于操作等特点，是一种在多种领域和使用场合具有明显有优势的高新分离方法，成为科学实验研究和工业生产中不可缺少的重要工具和技术手段，也是一种很有发展前途的氢气净化方法。
公开号为CN108328577A，公布日为2018.07.27的，中国发明专利公开了一种氢气纯化器，采用金属氢化物作为氢气的净化介质。该纯化器的核心部件为氢气反应罐，在反应罐的内腔中安装有储氢合金反应床体和换热器。该装置具有装置体积小巧，成本低廉，工艺简单的优点，而且采用了独特的双向进气排气设计可有效抑制储氢合金粉末的单向聚积，相比其他氢气纯化方法有很大优势。但在实际操作中，氢气进入反应罐后需要逐步向储氢合金内部扩散传质，而该装置的储氢合金反应床体是包裹在换热器每根换热水管四周的，所以氢气的扩散传质需要从反应床的两段逐步向内部进行，影响了氢气的扩散速率，降低了氢气的提纯效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有鱼骨结构的氢气净化装置，该装置内部设置了鱼骨结构的氢气扩散管路和与之对应的热交换内壁。该设计主要起到两个方面的有效作用：首先，大大提升了吸放氢时的换热效果，显著提高储氢合金的吸放氢速率；其次，鱼骨结构的氢气管路和内壁可分散储氢合金吸放氢时产生的应力，增强装置的承压强度，同时也避免了储氢合金粉末在长时间使用后向装置底部聚集。所以该装置在实际使用中可大大提升氢气的净化效率，而且在使用寿命和安全性上也更有保障。
本发明在氢气与储氢合金发生反应的装置结构上进行了优化改进，采用了带有鱼骨结构的反应器。不但提高了氢气在储氢合金内部的扩散传质速率，而且在热交换装置方面也进行了独特设计，使氢气的扩散通道与热量的疏导通道间隔交错，合理搭配。该设计充分考虑了储氢合金吸放氢速率和热交换速率成正比的特点，解决了其他氢气净化装置在氢扩散速率和热传导速率方面不匹配，存在热交换瓶颈的问题，大大提升了装置的吸放氢速率，缩短了工艺周期。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种带有鱼骨结构的氢气净化装置，其包括与进、排气管相连通的反应容器，所述反应容器的内腔中设置有与所述进、排气管相连通并呈鱼骨形排布的氢气管路，该反应容器的内腔中还设有呈鱼骨形排布的散热片，所述氢气管路与所述散热片交错设置。
作为优选，所述进气管上自进气端依次连接有进气阀、进气泵、进气截止阀。
作为优选，所述排气管上依次连接有排气截止阀、排气泵、排气换向阀；所述排气换向阀与尾气回收装置相连通。
作为优选，所述反应容器的内腔中设有与所述进气管相连通并不被该反应容器内储氢合金所覆盖的辅助进排气管。
作为优选，所述氢气管路的开孔处以及所述辅助进排气管的开孔处均装有滤网。
作为优选，所述反应容器上装有用于监测其内部压力的压力表。
作为优选，所述压力表上置于所述反应容器内的开孔处装有滤网。
作为优选，所述反应容器采用含内壁和外壁的双层结构，内、外壁之间的夹层中通循环水。
作为优选，所述反应容器的外壁两侧分别通过隔热水管与热水箱和冷水箱相连通。
作为优选，连通所述反应容器外壁与所述热水箱的隔热水管上装有双向循环水泵。
本发明所提供的带有鱼骨结构的氢气净化装置，其具有下述有益效果：
1、改善了氢气进气和排气管路，采用鱼骨形管路设计，进气时可使氢气迅速、均匀地到达反应容器内部不同位置，排气时可使反应容器内的氢气快速排出。
2、反应容器内壁进行了独特设计，采用了鱼骨形分布的散热片，与氢气管路交错搭配，大大提高了氢气扩散速率和热量交换速率的匹配度，解决了其他氢气净化装置在一定程度上存在的热交换瓶颈问题，从而大大提升了反应容器的吸放氢速率。
3、独特设计的内壁散热片，除了提升热交换效果外，还可对反应容器内部的储氢合金起到支撑作用，避免了储氢合金粉在充放氢粉化后向反应容器底部聚集，同时也利于分散储氢合金形变引起的内部应力。
4、对换热装置进行了优化设计，热水箱、冷水箱和隔热水管均进行了隔热设计，使吸氢时放出的热量储存在循环水中，在放氢时可利用该热量对反应容器加热，仅需补充少量热能就可保证整个装置的长期稳定运行，更加节能环保。
5、根据金属氢化物净化氢气的工艺特点，在反应容器内部的上方设置了辅助进排气管，可使未被储氢合金吸收含杂质较多的尾气迅速排除，有利于提高氢气纯度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的带有鱼骨结构的氢气净化装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、进气管；2、进气阀；3、进气泵；4、压力表；5、反应容器；6、滤网；7、反应容器夹层；8、散热片；9、氢气管路；10、隔热水管；11、双向循环水泵；12、热水箱；13、排气截止阀；14、自动控制系统；15、尾气回收装置；16、尾气排气管；17、排气管；18、排气换向阀；19、排气泵；20、冷水箱；21、储氢合金；22、辅助进排气管；23、进气截止阀。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
如图1所示，一种带有鱼骨结构的氢气净化装置，包括氢气净化主体装置、换热装置、自动控制系统14和尾气回收装置15。
氢气净化主体装置包括进气管1、进气阀2、进气泵3、压力表4、反应容器5、滤网6、散热片8、氢气管路9、排气截止阀13、尾气排气管16、排气管17、排气换向阀18、排气泵19、储氢合金21、辅助进排气管22和进气截止阀23。
换热装置包括反应容器夹层7、隔热水管10、双向循环水泵11、热水箱12和冷水箱20。
反应容器5形状可为圆柱形罐体或方形箱体，该反应容器5优选采用含内壁和外壁的双层结构，内、外壁之间的夹层7中通循环水。反应容器5的内、外壁均采用304不锈钢材料制成，内径为150～180mm，优选地为160mm；反应容器5的高度为400～600mm，优选地为500mm；内壁的厚度为3～5mm，优选地为4mm；外壁的厚度为2～3mm，优选地为2mm；内、外壁之间的夹层7的厚度为2～3mm，优选地为3mm。
反应容器5的顶部与进气管1相连通，底部与排气管17相连通。进气管1上自上向下依次装有进气阀2、进气泵3和进气截止阀23。排气管17上自上向下依次装有排气截止阀13、排气泵19和排气换向阀18。排气管17通过排气换向阀18分流为净化气体排气口和尾气排气口，净化气体排气口与用氢设备或储氢容器连接，尾气排气口通过尾气排气管16与尾气回收装置15相连通。
所述反应容器5的内腔中设置有与所述进、排气管1、17相连通并呈鱼骨形排布的氢气管路9。如图1所示，进、排气管1、17沿反应容器5的中心线相连通，从而形成主管路。氢气管路9沿着进、排气管1、17相连通的管路自上至下依次排布，每层的氢气管路9数量相等，氢气管路9与进、排气管1、17相连通的管路之间呈锐角夹角，各个氢气管路9朝向下倾斜，于是使得氢气管路9呈现出鱼骨形排布。
该反应容器5的内腔中还设有呈鱼骨形排布的散热片8，散热片8沿着反应容器5的内壁自上至下依次排布，每层的散热片8数量相等，散热片8与反应容器5的内壁之间呈锐角夹角，各个散热片8向上倾斜，于是使得散热片8呈现出鱼骨形排布，并且所述氢气管路9与所述散热片8交错设置。
储氢合金21填充于反应容器5的内腔和氢气管路9之间，储氢合金21优选为AB5型储氢合金粉，填充重量为25～30kg，优选地为28kg。
所述反应容器5的内腔中设有与所述进气管1相连通并不被该反应容器5内储氢合金21所覆盖的辅助进排气管22，该辅助进排气管22主要用于未被储氢合金吸收的气体快速排放。如图1所示，辅助进排气管22位于反应容器5内腔的上部。
所述反应容器5上装有用于监测其内部压力的压力表4。所述氢气管路9的开孔处以及所述辅助进排气管22的开孔处均装有滤网6。所述压力表4上置于所述反应容器5内的开孔处装有滤网6。滤网6能够有效防止储氢合金粉末进入管路和压力表4中。该滤网6优选为金属滤网。
所述反应容器5的外壁两侧分别通过隔热水管10与热水箱12和冷水箱20相连通。连通所述反应容器5外壁与所述热水箱12的隔热水管10上装有双向循环水泵11，可根据工艺需要控制循环水的流向。热水箱12和冷水箱20具有保温控温功能。
所述氢气净化主体装置、换热装置、尾气回收装置15均与自动控制系统14相连，自动控制系统14可根据检测到的温度、压力及时间信号实现对整个氢气净化装置各阀门和泵体的自动控制。
自动控制系统14通过压力信号和时间信号的检测实现对进气泵3、排气泵19、进气阀2、进气截止阀23、排气截止阀13、排气换向阀18的开关及方向的控制；通过对温度信号的检测实现对双向循环水泵11的启停及方向控制，以及对热水箱12和冷水箱20的温度进行调控保持。
散热片8采用高热导率的金属材料制作，首选铜或铜合金。散热片也可制作成与反应容器壁类似的双层结构，中间通循环水以提高散热效果。在本实施例中散热片8采用金属Cu制作，长80～90mm，优选地长90mm；片厚1～3mm，优选地片厚1mm，与内壁夹角为30～90°，优选地为60°。
氢气管路9采用304不锈钢制作，主管路和顶部辅助进排气管22壁厚2～3mm，优选地为2.5mm。氢气管路9壁厚1～2mm，优选地为1mm。氢气管路9与主管路夹角为30～90°，优选地为60°。
上述有关反应容器5和氢气管路9的尺寸参数、制作材质以及储氢合金21类型仅为示例，而不应当理解为对本发明的任何限制。
反应容器5中散热片8和氢气管路9的位置及结构可进行交换设计，循环水可由进气管1位置接入，由排气管17位置排出；氢气管路9也可按散热结构及位置设计，散热片8设计为中空结构，下方设置多个排气孔，氢气可通过反应容器5的夹层7进入和排出。
上述氢气净化装置，可由上述的单个主体净化装置实现间歇式净化供氢，也可通过两个以上主体净化装置并联实现连续式净化供氢，并联主体净化装置的数量可根据用氢需求量确定。多个主体净化装置并联时可共用进气管和排气管。
两个以上所述氢气净化主体装置并联，且共用进气管1和排气管17，通过控制多个主体净化装置依次连续往复工作，就能实现氢气净化系统的连续供氢，主体净化装置的并联个数视用氢流量而定。
上述氢气净化装置的工艺过程为：
进气管1连接需净化的氢源，排气管17连接储氢容器或用氢设备。
1、系统排空：首先将排气换向阀18向尾气排气管16方向打开，再依次打开排气泵19和排气阀13，将反应容器5抽真空至设定压力值。然后依次关闭排气阀13、排气泵19，关闭排气换向阀18。
2、需净化的氢气充入：依次打开进气阀2、进气泵3、进气截止阀23，使氢气进入反应容器5内。打开进气截止阀23的同时，打开双向循环水泵11，正向抽水，使循环水从冷水箱20经过反应容器壁夹层7到达热水箱12，此过程储氢合金吸氢放热，氢气被选择性地吸收到储氢合金内生成金属氢化物，而杂质气体仍处于气态，被留存在反应容器5的腔体内，吸氢放出的热量被循环水带到热水箱12储存。待自动控制系统14检测到压力表4的压力达到设定值后，关闭进气截止阀23和进气泵3，停止进气。
3、杂质气体的排出：打开排气泵19，排气换向阀18向尾气排气管16方向打开，再打开排气截止阀13，将反应容器腔体内的残余杂质气体排出至尾气回收装置15中。当自动控系统14检测压力表4的气压达到设定负压后，关闭排气截止阀13和排气换向阀18，停止杂质气体的排放。
4、高纯氢气排出：打开双向循环水泵11，反向抽水，将热水箱12的热水经过反应容器壁夹层7抽送至冷水箱20，反应容器5内的金属氢化物被加热，不断释放出氢气，此过程将吸收大量的热，使热水箱12中的热水变为冷水重新回到冷水箱20内。当自动控制系统14检测到压力表4的压力达到设定值后，排气换向阀开向排气管17方向，打开排气泵19和排气截止阀13，储氢合金释放的高纯氢气从排气管17输送至用氢设备或储氢容器。当自动控系统14检测压力表4的压力值达到设定负压后，关闭排气泵19、排气换向阀18和排气截止阀13，停止高纯氢气的排出。
5、重新进入上述的第2步工艺过程，如此循环，可实现氢气的净化过程。两个以上主体净化装置并联时，可实现吸氢和放氢的交替作业，保证高纯氢气的连续输出。
上述带有鱼骨结构的氢气净化装置，其具有下述有益效果：
1、改善了氢气进气和排气管路，采用鱼骨形管路设计，进气时可使氢气迅速、均匀地到达反应容器内部不同位置，排气时可使反应容器内的氢气快速排出。
2、反应容器内壁进行了独特设计，采用了鱼骨形分布的散热片，与氢气管路交错搭配，大大提高了氢气扩散速率和热量交换速率的匹配度，解决了其他氢气净化装置在一定程度上存在的热交换瓶颈问题，从而大大提升了反应容器的吸放氢速率。
3、独特设计的内壁散热片，除了提升热交换效果外，还可对反应容器内部的储氢合金起到支撑作用，避免了储氢合金粉在充放氢粉化后向反应容器底部聚集，同时也利于分散储氢合金形变引起的内部应力。
4、对换热装置进行了优化设计，热水箱、冷水箱和隔热水管均进行了隔热设计，使吸氢时放出的热量储存在循环水中，在放氢时可利用该热量对反应容器加热，仅需补充少量热能就可保证整个装置的长期稳定运行，更加节能环保。
5、根据金属氢化物净化氢气的工艺特点，在反应容器内部的上方设置了辅助进排气管，可使未被储氢合金吸收含杂质较多的尾气迅速排除，有利于提高氢气纯度。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种带有鱼骨结构的立式氢气净化装置，包括与进、排气管相连通的反应容器，其特征在于，所述反应容器的内腔中设置有与所述进、排气管相连通并呈鱼骨形排布的氢气管路，该反应容器的内腔中还设有呈鱼骨形排布的散热片，所述氢气管路与所述散热片交错设置；进、排气管沿反应容器的中心线相连通，形成主管路。
2.根据权利要求1所述的氢气净化装置，其特征在于，所述进气管上自进气端依次连接有进气阀、进气泵、进气截止阀。
3.根据权利要求1所述的氢气净化装置，其特征在于，所述排气管上依次连接有排气截止阀、排气泵、排气换向阀；所述排气换向阀与尾气回收装置相连通。
4.根据权利要求1所述的氢气净化装置，其特征在于，所述反应容器的内腔中设有与所述进气管相连通并不被该反应容器内储氢合金所覆盖的辅助进排气管。
5.根据权利要求4所述的氢气净化装置，其特征在于，所述氢气管路的开孔处以及所述辅助进排气管的开孔处均装有滤网。
6.根据权利要求1所述的氢气净化装置，其特征在于，所述反应容器上装有用于监测其内部压力的压力表。
7.根据权利要求6所述的氢气净化装置，其特征在于，所述压力表上置于所述反应容器内的开孔处装有滤网。
8.根据权利要求1所述的氢气净化装置，其特征在于，所述反应容器采用含内壁和外壁的双层结构，内、外壁之间的夹层中通循环水。
9.根据权利要求8所述的氢气净化装置，其特征在于，所述反应容器的外壁两侧分别通过隔热水管与热水箱和冷水箱相连通。
10.根据权利要求9所述的氢气净化装置，其特征在于，连通所述反应容器外壁与所述热水箱的隔热水管上装有双向循环水泵。
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