CN113531382A - 一种氢气纯化和储存的一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于能源利用技术领域，尤其涉及一种氢气纯化和储存的一体化装置。本申请提供了一种氢气纯化和储存的一体化装置，包括：容器、储氢材料模块、压力检测器、控制器和阀门；储氢材料模块置于至容器中，并在容器中形成气体通道；容器设有气体进口和气体出口；压力检测器与容器连接；压力检测器与控制器连接；阀门分别与气体进口和气体出口连接，阀门与控制器连接，控制器通过阀门控制气体进口和气体出口的开启或关闭。本申请提供了一种氢气纯化和储存的一体化装置，将氢气纯化过程和储存过程结合成一个过程，可以减少系统的体积和成本，简化系统的控制，使系统更加节能高效。

Description

一种氢气纯化和储存的一体化装置
技术领域
本申请属于能源利用技术领域，尤其涉及一种氢气纯化和储存的一体化装置。
背景技术
氢气是实现零碳排放的理想能源载体，尤其是通过电解水制取的氢气。这个过程通常采用碱性电解、质子交换膜电解和高温固体氧化物电解。随后，电解得到的氢气被运输或者储存起来，以在不同地点和/或不同时间使用。在运输或者储存之前，氢气通常需要进行纯化，因为电解过程中产生的氢气通常含有水蒸气、氮气、二氧化碳等杂质，有时还会含有氧气。氢气通常以压缩、液化或化学/物理结合的形式储存和运输。这些储存方法的有效实现需要高纯度的氢气，且许多氢气的应用也需要高纯度的氢气。例如ISO14687 I/D和II/D中规定：对于燃料电池汽车使用的氢气，水和氧气的含量均要低于5ppm。这意味着，电解产生的氢气需要经过干燥和纯化，才能用于储存和使用。干燥和纯化的结果是，在氢气变得适合储存和使用之前，会损失一定量的氢气(限制了电解过程的氢气产率)，同时增加了设备的成本。因此，传统的氢气处理过程复杂且低效。
因此，研发一种结构简单且高效的可同时纯化和储存氢气的装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种氢气纯化和储存的一体化装置，能有效解决现有氢气处理方法中存在的复杂低效的技术缺陷。
本申请第一方面提供了一种氢气纯化和储存的一体化装置，包括：
容器、储氢材料模块、压力检测器、控制器和阀门；
所述储氢材料模块置于至所述容器中，并在所述容器中形成气体通道；
所述容器设有气体进口和气体出口；
所述压力检测器与所述容器连接；所述压力检测器与所述控制器连接；
所述阀门分别与所述气体进口和所述气体出口连接，所述阀门与所述控制器连接，所述控制器通过所述阀门控制所述气体进口和所述气体出口的开启或关闭。
具体的，本申请所述阀门为现有常规的可开启或关闭气体进口和气体出口的阀门。压力检测器实时监测容器中的压力，控制器可根据压力检测器反馈的压力信息，控制阀门开启或关闭气体进口和气体出口。
进一步的，当气体从气体进口通入容器中，气体中的氢气被储氢材料模块中的储氢材料吸收而储存在储氢材料中，非氢气的气体如O2、N2和CO2等杂质气体被收集在容器中，压力检测器检测容器压力并将压力信息反馈至控制器，控制器判断压力信息超过预设值后，控制器控制阀门打开气体出口，从而将非氢气的气体配方，进而实现氢气与杂质气体的分离纯化，以及氢气的储存，显著提高现有氢气处理的效率。
另一实施例中，所述控制器可以为时间控制器，所述阀门与所述时间控制器连接，所述时间控制器通过所述阀门控制所述气体进口和所述气体出口的开启或关闭。
另一实施例中，所述储氢材料模块中的储氢材料选自固态储氢材料或/和液态储氢材料。
具体的，氢气可与固态储氢材料结合以将氢气储存在容器中；氢气可与液态储氢材料结合以将氢气储存在容器中。
另一实施例中，所述固态储氢材料选自稀土系合金、钛锰系合金、钛铁系合金、镁系合金和石墨烯材料中的一种或多种；所述液态储氢材料为甲基环己烷、乙基咔唑和二苄基甲苯中的一种或多种液态有机氢载体(LOHC)。
具体的，根据实际氢气混合物的温度，选自合适的储氢材料，当氢气混合物温度较高，可以选择高温工作的固态储氢材料，如镁系合金。此时，掺杂其它气体的氢气混合物可以直接通入所述一体化装置，不需要经热交换装置来进行预冷。当然，也可以选择工作温度较低的固态储氢合金，如稀土系合金、钛锰系合金和钛铁系合金。此时，则需要增加热交换装置以将氢气混合物冷却至储氢材料吸氢时所需要的温度。
另一实施例中，所述储氢材料模块在所述容器中形成可让气体通过的通道。
具体的，所述容器的形状可以为任意现状，如管状、矩形体。
具体的，所述储氢材料模块可为不规则状、球状、类球状、块状、矩形体等形状，所述储氢材料模块无序的置于在所述容器中，以形成可让气体通过的通道；所述储氢材料模块也可以为具有可让气体通过的缝隙的密实结构，如在容器中层叠设置，以使储氢材料模块在容器中设有气道。
另一实施例中，还包括冷却通道和冷却剂；所述冷却剂通过所述冷却通道，使得所述冷却剂与所述储氢材料模块进行热交换，对所述储氢材料模块进行冷却。
另一实施例中，所述冷却通道设置在所述容器的内部，所述冷却剂通过所述冷却通道，使得所述冷却剂直接与储氢材料模块进行热交换。
另一实施例中，所述冷却通道设置在所述容器的外表面，吸收所述储氢材料模块释放的热量。
另一实施例中，还包括增压装置，所述增压装置与所述气体进口管道连接。
具体的，所述增压装置用于确保通入本申请一体化装置的气体的压力与所述储氢材料吸氢时所需要的压力相匹配。如果通入本申请一体化装置的气体的压力在进入一体化装置之前已经达到了相应的要求，则可能不需要增压装置。
另一实施例中，还包括预冷装置，所述预冷装置与所述气体进口管道连接。
具体的，所述预冷装置用于确保通入本申请一体化装置的气体的温度与所述储氢材料吸氢时所要求的温度相匹配。如果通入本申请一体化装置的气体的温度在进入一体化装置之前已经达到了相应的要求，则可能不需要预冷装置。
另一实施例中，还包括缓冲罐和循环泵，所述气体出口与所述缓冲罐的进口连接，所述缓冲罐的出口通过所述循环泵与所述气体进口连接。
具体的，所述缓冲罐和所述循环泵用于收集本申请一体化装置排放的气体后重新通入容器中，以对排放的气体的微量氢气进行二次吸收和储存，从而提高氢气的产量和纯度。
可见，本申请第二方面提供了一种固体氧化物电解池系统，包括高温固体氧化物电解池(SOEC)电解水制取氢气装置和所述一体化装置；所述SOEC电解水制取氢气装置的阴极出口与所述一体化装置的气体进口连接。
另一实施例中，所述固体氧化物电解池系统还包括热交换装置和增压装置；所述SOEC电解水制取氢气装置的阴极出口通过所述热交换装置和所述增压装置与所述一体化装置的气体进口连接；其中，所述热交换装置包括回热器或/和冷凝器。
本申请所述的氢气纯化和储存的一体化装置适用于任何一种电解水制取氢气的电解池，例如SOEC、质子交换膜电解池(PEMWE)、碱性电解池(AEC)以及任何一种混合或者其它形式的水电解池。此外，本申请的一体化装置也适用于其它需要纯化和储存氢气的制氢过程或者系统，比如蒸汽-甲烷重整过程。
本申请的目的针对现有技术氢气处理方法中存在的复杂低效的问题。因此，本申请提供的一种氢气纯化和储存的一体化装置，储氢材料模块内的储氢材料选择性地与氢气结合并储存其中，储氢材料吸氢后逐渐变得饱和，混合气体中积聚的杂质气体越来越多，混合气体中的氢气也逐渐被吸收，容器内的气体压力开始慢慢上升。当容器内达到一定压力和/或已经运行一定时间时，阀门控制气体进口关闭而气体出口将打开，从而将杂质气体排出。本申请的一体化装置能实现氢气与杂质气体的分离纯化，以及氢气的储存，显著提高现有氢气处理的效率，避免了现有技术中氢气储存时添加的专用纯化系统，从而减小了氢气纯化和储存设备的总体积和成本。此外，通过将氢气纯化和氢气储存过程结合在一个简单的装置中，可以使该过程更加节能高效，简化系统的控制，使系统更加节能高效。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请提供的氢气纯化和储存的一体化装置的结构示意图；
图2为本申请提供的储氢材料模块置于在容器的一种结构示意图；
图3为本申请提供的储氢材料模块置于在容器的另一种结构示意图；
图4为本申请提供的氢气纯化和储存的一体化装置的另一种结构示意图；
图5为本申请提供的一体化装置应用在SOEC系统的结构示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种氢气纯化和储存的一体化装置，用于解决现有处理氢气的技术中存在的处理流程复杂且低效的技术缺陷。
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
其中，以下实施例所用原料或试剂均为市售或自制。
请参阅图1～图3，图1为本申请提供的氢气纯化和储存的一体化装置的结构示意图，图2为本申请提供的储氢材料模块置于在容器的一种结构示意图；图3为本申请提供的储氢材料模块置于在容器的另一种结构示意图。本申请提供的一种氢气纯化和储存的一体化装置，包括：容器1、储氢材料模块2、压力检测器、控制器和阀门3；储氢材料模块2置于至容器1中，并在容器1中形成气体通道；容器1设有气体进口1A和气体出口1B；压力检测器与容器1连接；压力检测器与控制器连接；阀门3分别与气体进口1A和气体出口1B连接，阀门3与控制器连接，控制器通过阀门3控制气体进口1A和气体出口1B的开启或关闭。
本申请实施例的储氢材料模块2中的储氢材料为现有的可吸收和储存氢气的材料；压力检测器为现有常规的用于检测密闭容器中压力的设备；控制器为现有常规的可接受压力检测器的压力信息，判读压力信息并发出指令控制阀门开或关的设备；阀门3为现有常规的可与管道进行开或关的设备。
使用时，氢气混合物A从气体进口1A通入容器1中，随着氢气混合物的不断通入容器1中，氢气被储氢材料模块2内的储氢材料选择性地吸收从而从氢气混合物中被移除，而其它杂质则以气态形式留在容器1内不断积累。故而，容器1内混合气体中的氢气浓度不断降低。这个过程可以认为是氢气的储存阶段。随着储氢材料模块2内的储氢材料吸氢后逐渐变得饱和，混合气体中积聚的杂质气体越来越多，混合气体中的氢气也逐渐被稀释，容器1内的气体压力开始慢慢上升。当容器1内达到一定压力和/或已经运行一定时间时，阀门3控制气体进口1A关闭而气体出口1B将打开，从而将杂质气体B排出。本申请的一体化装置能实现氢气与杂质气体的分离纯化，以及氢气的储存，显著提高现有氢气处理的效率。
进一步的，储氢材料模块2内的储氢材料选自固态储氢材料或/和液态储氢材料。氢气可与固态储氢材料结合以将氢气储存在容器中；氢气可与液态储氢材料结合以将氢气储存在容器中。
进一步的，固态储氢材料可以选自稀土系合金、钛锰系合金、钛铁系合金、镁系合金和石墨烯材料中的一种或多种；所述液态储氢材料为甲基环己烷、乙基咔唑和二苄基甲苯中的一种或多种液态有机氢载体(LOHC)。根据实际氢气混合物A的温度，选自合适的储氢材料，当氢气混合物A温度较高，可以选择高温工作的固态储氢材料，如Mg系合金。此时，掺杂其它气体的氢气混合物A可以直接通入所述一体化装置，不需要经热交换装置来进行预冷。当然，也可以选择工作温度较低的固态储氢合金，如稀土系合金、钛锰系合金和钛铁系合金。此时，则需要增加热交换装置以将含氢混合气体冷却至储氢材料吸氢时所需要的温度。
进一步的，储氢材料模块2在1容器中形成可让气体通过的通道。容器1的形状可以为任意现状，如管状、矩形体。
具体的，容器1的形状可以为任意现状，如管状、矩形体。
具体的，储氢材料模块可为不规则状、球状、类球状、块状、矩形体等形状，储氢材料模块2无序的置于在容器1中，以形成可让气体通过的通道；储氢材料模块2也可以为具有可让气体通过的缝隙的密实结构，如在容器中层叠设置，以使储氢材料模块2在容器中设有气道。请参阅图2和图3，图2即为柱状的储氢材料模块2间隔设置在容器1中，图3为储氢材料模块2层叠设置在容器1中。
请参阅图4，图4为为本申请提供的氢气纯化和储存的一体化装置的另一种结构示意图，本申请的一体化装置还可以包括缓冲罐4和循环泵5，气体出口1B与缓冲罐4的进口连接，缓冲罐4的出口通过循环泵5与气体进口1A连接。缓冲罐4用于收集本申请一体化装置排放的气体后重新通入容器1中，以对排放的气体的微量氢气进行二次吸收和储存，从而提高氢气的产量和纯度。
请参阅图5，图5为本申请提供的一体化装置应用在SOEC系统的结构示意图，本申请的一体化装置可应用于SOEC系统制得的氢气混合物A的纯化和储存中。
如图5所示，本申请的一体化装置还包括冷却装置；还包括冷却通道和冷却剂；冷却剂通过冷却通道，使得冷却剂与储氢材料模块2进行热交换，用于吸收储氢材料模块2吸氢时释放的热量，对所述储氢材料模块进行冷却。冷却剂可为现有常规的冷却剂，如冷水等介质，冷却通道可为现有常规的冷却通道。
进一步的，冷却通道设置在容器1的内部，冷却剂通过冷却通道，使得冷却剂直接与储氢材料模块2进行热交换。
进一步的，冷却通道设置在容器1的外表面，吸收储氢材料模块2释放的热量，用于对储氢材料模块2进行冷却。
本申请的一体化装置还包括增压装置6，增压装置6与气体进口1A管道连接。增压装置用于确保通入本申请一体化装置的气体的压力与储氢材料模块2内的储氢材料吸氢时所需要的压力相匹配。如果通入本申请一体化装置的气体的压力在进入一体化装置之前已经达到了相应的要求，则可能不需要增压装置6。
本申请的一体化装置还包括预冷装置，预冷装置与气体进口1A管道连接。预冷装置用于确保通入本申请一体化装置的气体的温度与储氢材料模块2内的储氢材料吸氢时所要求的温度相匹配。如果通入本申请一体化装置的气体的温度在进入一体化装置之前已经达到了相应的要求，则可能不需要预冷装置。
如图5所示，本申请的SOEC系统包括SOEC电解水制取氢气装置10，在外加直流电源的作用下，大部分蒸汽在SOEC电解水制取氢气装置10内发生了氧化还原反应产生氢气和氧气。氧气从SOEC电解水制取氢气装置10的阳极输出，氢气则从阴极输出。一般水蒸气不会完全反应，所以阴极输出的氢气往往会含有一定量的水蒸气。此外，由于电堆泄露、系统泄露或者输入蒸汽含有杂质等问题，氢气中还可能会混有N2和CO2。掺杂其它气体的氢气混合物从阴极出来后，检测输出的氢气混合物的温度，若氢气混合物的温度过高，则通过回热器9和冷凝器8对氢气混合物预冷；检测输出的氢气混合物的压力是否满足储氢材料模块2内储氢材料吸氢时所需要的压力，若氢气混合物的压力过低无法达到储氢材料吸氢时所需要的压力，则将氢气混合物通过增压装置6进行加压，然后输进容器1。氢气混合物的氢气与储氢材料选择性结合，同时，将冷却剂通入冷却通道7中，冷却剂带走储氢材料模块2吸氢时释放的热量。因此，氢气被储氢材料模块2中储氢材料吸收，从而实现氢气的储存，而N2、CO2和O2等杂质气体B则不与储氢材料模块2中储氢材料结合，故而达到了分离氢气与其它杂质气体的目的。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢气纯化和储存的一体化装置，其特征在于，包括：
容器、储氢材料模块、压力检测器、控制器和阀门；
所述储氢材料模块置于至所述容器中，并在所述容器中形成气体通道；
所述容器设有气体进口和气体出口；
所述压力检测器与所述容器连接；所述压力检测器与所述控制器连接；
所述阀门分别与所述气体进口和所述气体出口连接，所述阀门与所述控制器连接，所述控制器通过所述阀门控制所述气体进口和所述气体出口的开启或关闭。
2.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述储氢材料模块中的储氢材料选自固态储氢材料或/和液态储氢材料。
3.根据权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述固态储氢材料选自稀土系合金、钛锰系合金、钛铁系合金、镁系合金和石墨烯材料中的一种或多种；所述液态储氢材料为甲基环己烷、乙基咔唑和二苄基甲苯中的一种或多种液态有机氢载体。
4.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述控制器为时间控制器，所述阀门与所述时间控制器连接，所述时间控制器通过所述阀门控制所述气体进口和所述气体出口的开启或关闭。
5.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，还包括缓冲罐和循环泵，所述气体出口与所述缓冲罐的进口连接，所述缓冲罐的出口通过所述循环泵与所述气体进口连接。
6.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，还包括冷却通道和冷却剂；所述冷却剂通过所述冷却通道，使得所述冷却剂与所述储氢材料模块进行热交换，对所述储氢材料模块进行冷却。
7.根据权利要求6所述的一体化装置，其特征在于，所述冷却通道设置在所述容器的内部。
8.根据权利要求6所述的一体化装置，其特征在于，所述冷却通道设置在所述容器的外表面。
9.一种固体氧化物电解池系统，其特征在于，包括SOEC电解水制取氢气装置和权利要求1～8任意一项所述的一体化装置；
所述SOEC电解水制取氢气装置的阴极与所述一体化装置的气体进口连接。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物电解池系统，其特征在于，还包括热交换装置和增压装置；
所述SOEC电解水制取氢气装置的阴极通过所述热交换装置和所述增压装置与所述一体化装置的气体进口连接；其中，所述热交换装置包括回热器或/和冷凝器。
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