CN115818574A - 一种自热式氢气纯化装置及纯化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自热式氢气纯化装置及纯化系统，包括：纯化器组件、纯化膜片、供热组件及纯氢收集板，纯化器组件包括纯化器本体；纯化器本体的内部开设有容纳腔，纯化膜片密封连接于容纳腔的内壁，并将容纳腔分隔成进气腔和出气腔，用于粗氢的纯化，供热组件包括燃烧板，燃烧板连接于出气腔的内壁，并与纯化膜片相抵接，且燃烧板的内部开设有燃烧腔，用于供氢气与空气混合并发生燃烧反应，以使得燃烧反应后的热量传递至纯化膜片，纯氢收集板内置于出气腔，且纯氢收集板的内部开设有与出气腔相连通的收集腔，用于收集经纯化膜片纯化后的氢气。本发明能解决因通过外部供热的方式对纯化膜片加热，所导致的装置适用性差的问题。

Description

一种自热式氢气纯化装置及纯化系统

技术领域

本发明涉及氢气纯化技术领域，尤其涉及一种自热式氢气纯化装置及纯化系统。

背景技术

采用钯膜分离技术可以获得只含10^－9级杂质的超高纯度氢气，是目前制备超高纯度氢气的最佳方案。

例如申请号为：CN200810218798.1的中国发明专利，名称为：一种采用电加热生产高纯度氢气的膜分离装置，通过电加热丝对装置进行加热，此方法易造成钯合金膜温度分布不均匀，膜内由于温差产生热应力，导致钯膜破损。同时，电加热方法功耗较高，使用高品位能源加热的方式经济性差。再例如申请号为：CN200910038194.3的中国发明专利，名称为：一种采用电加热生产高纯度氢气的膜分离装置，在流通框架四周加工微尺度通道，利用高温气体流过通道对钯膜进行加热，由于钯膜工作最佳温度为400℃，因此对气体温度要求高，满足要求的高温气体不易获得，在低温装置体系下使用受限。

因此，亟需一种自热式氢气纯化装置及纯化系统，用于解决现有技术中因需通过外部供热对钯合金膜进行加热，从而导致适用性差的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种自热式氢气纯化装置及纯化系统，解决现有技术中因需通过外部供热对钯合金膜进行加热，从而导致适用性差的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种自热式氢气纯化装置，包括：

纯化器组件，包括纯化器本体；所述纯化器本体的内部开设有容纳腔；

纯化膜片，所述纯化膜片密封连接于所述容纳腔的内壁，并将所述容纳腔分隔成进气腔和出气腔，用于粗氢的纯化；

供热组件，包括燃烧板，所述燃烧板连接于所述出气腔的内壁，并与所述纯化膜片相抵接，且所述燃烧板的内部开设有燃烧腔，用于供氢气与空气混合并发生燃烧反应，以使得燃烧反应后的热量传递至所述纯化膜片；

纯氢收集板，所述纯氢收集板内置于所述出气腔，且所述纯氢收集板的内部开设有与所述出气腔相连通的收集腔，用于收集经所述纯化膜片纯化后的氢气。

进一步的，所述燃烧腔与所述出气腔相连通。

进一步的，所述燃烧板开设有多个第一贯穿孔，多个所述第一贯穿孔沿所述燃烧板的表面均匀分布，所述供热组件还包括多个进气管，所述进气管与所述第一贯穿孔一一对应设置，并插设于所述第一贯穿孔，所述进气管的周壁还开设有至少一个与所述燃烧腔相连通的第一导气孔。

进一步的，所述燃烧板还开设有与所述燃烧腔相连通的第一进氢口、第一进气口及第一出气口，所述供热组件还包括多个导气管，多个所述导气管均匀分布于所述燃烧腔，并相互连通，且所述导气管经所述第一进气口与外部相连通，所述导气管的周壁还开设有至少一个第二导气孔。

进一步的，所述燃烧腔经所述第一贯穿孔与所述收集腔相连通，且所述收集腔内的气压大于所述燃烧腔内的气压。

进一步的，还包括导热板，所述导热板设置于所述纯化膜片和所述燃烧板之间，并与所述纯化膜片和所述燃烧板均相抵接，且所述导热板相对所述第一贯穿孔开设有多个第二贯穿孔。

进一步的，所述纯化器本体开设有第二进氢口和第二出气口，所述纯化器组件还包括多个第一导流片，多个所述第一导流片相互平行且间隔设置，并连接于所述容纳腔的内壁，相邻的两个所述第一导流片之间形成有导向流道，所述导向流道相对所述第二贯穿孔设置，并与所述第二进氢口和第二出气口均相连通。

进一步的，所述纯化器组件还包括至少一个第二导流片，所述第二导流片呈弧形，并连接于所述容纳腔的内壁，所述第二导流片的一端相对所述第二进氢口设置，并将流经所述第二进氢口的气体分隔成至少两股气流，所述第二导流片的另一端与一所述第一导流片相连接，用于将至少两股气流倒入所述导向流道内。

进一步的，所述纯化器组件还包括至少一个第三导流片，所述第三导流片呈弧形，并连接于所述容纳腔的内壁，所述第三导流片的一端与一所述第一导流片相连接，所述第三导流片的另一端相对所述第二出气口设置，并将流经所述导向流道的气体合流后经所述第二出气口排出。

本发明的技术方案还提供一种自热式氢气纯化系统，包括多个如上任一项所述的自热式氢气纯化装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：纯化膜片内置于纯化器本体的容纳腔内，纯化膜片与容纳腔的内壁密封连接，用于将容纳腔分隔为供粗氢进入的进气腔和供纯氢输出的出气腔，且进入进气腔内的粗氢经钯合金等纯化膜片后被纯化，其中燃烧板内开设有用于供氢气和空气混合并发生无火焰的燃烧反应，且燃烧板与纯化膜片相抵接，用于将燃烧后产生的热量传递至纯化膜片，以形成纯化器的自热，同时出气腔内还设置有用于收集纯化后的氢气的收集板，将纯化后的氢气收集在收集腔内备用。相比于现有技术，通过氢气于空气在燃烧腔内发生无火焰燃烧，并将产生的热量通过接触式传递至纯化膜片上，以提高钯合金等纯化膜片对氢气的提纯进度，来实现通过装置本身燃烧产热对钯合金等纯化膜片加热的目的，从而解决因通过外部供热的方式对纯化膜片加热，所导致的装置适用性差的问题。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种自热式氢气纯化结构的三维爆炸结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的纯化器本体的三维结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的供热组件的三维结构示意图；

图4是本发明实施例所提供的一种自热式氢气纯化系统的三维结构示意图；

图5是本发明实施例所提供的一种自热式氢气纯化系统的三维爆炸结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1至图3，本发明提供了一种自热式氢气纯化装置1，包括：纯化器组件11、用于粗氢纯化的纯化膜片12、用于为纯化膜片12供热的供热组件13，以及纯氢收集板14，纯化器组件11包括纯化器本体111；纯化器本体111的内部开设有容纳腔，纯化膜片12密封连接于容纳腔的内壁，并将容纳腔分隔成进气腔和出气腔，用于粗氢的纯化，供热组件13包括燃烧板131，燃烧板131连接于出气腔的内壁，并与纯化膜片12相抵接，且燃烧板131的内部开设有燃烧腔132，用于供氢气与空气混合并发生燃烧反应，以使得燃烧反应后的热量传递至纯化膜片12，纯氢收集板14内置于出气腔，且纯氢收集板14的内部开设有与出气腔相连通的收集腔，用于收集经纯化膜片12纯化后的氢气。

本装置中，纯化膜片12内置于纯化器本体111的容纳腔内，纯化膜片12与容纳腔的内壁密封连接，用于将容纳腔分隔为供粗氢进入的进气腔和供纯氢输出的出气腔，且进入进气腔内的粗氢经钯合金等纯化膜片12后被纯化，其中燃烧板131内开设有用于供氢气和空气混合并发生无火焰的燃烧反应，且燃烧板131与纯化膜片12相抵接，用于将燃烧后产生的热量传递至纯化膜片12，以形成纯化器的自热，同时出气腔内还设置有用于收集纯化后的氢气的收集板，将纯化后的氢气收集在收集腔内备用。

可以理解，相比于现有技术，通过氢气于空气在燃烧腔132内发生无火焰燃烧，并将产生的热量通过接触式传递至纯化膜片12上，以提高钯合金等纯化膜片12对氢气的提纯进度，来实现通过装置本身燃烧产热对钯合金等纯化膜片12加热的目的，从而解决因通过外部供热的方式对纯化膜片12加热，所导致的装置适用性差的问题。

进一步地，本装置中纯化膜片12为钯合金膜片，金属钯及钯合金膜对氢气具有独特的选择渗透性，良好的机械和热稳定性，且理论上非氢气体无法透过钯膜，同时，氢在钯膜中的溶解是一个自发放热的过程，溶解度会随着温度的降低而升高。钯膜在高于300℃温度范围内使用时为α相，当温度从300℃逐渐降低时，氢的溶解度随之增大，β相开始形成。由于α相和β相具有不同的晶胞参数，当钯膜经过数次氢气吸附/脱附或者升温/降温循环，晶体结构就会在α相和β相之间反复变化，将会导致钯膜产生扭曲甚至断裂，称之为“氢脆现象”，从而破坏钯膜的完整性和致密性，使其无法进行氢气的分离与纯化，因此采用钯膜进行氢气分离与纯化时，其工作温度一般要求高于300℃，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不作过多阐述。

如图2所示，纯化器组件11还包括多个第一导流片112，至少一个连接于纯化器本体111的第二导流片113，以及至少一个连接于纯化器本体111的第三导流片114。

其中，纯化器本体111开设有第二进氢口1111和第二出气口1112，多个第一导流片112相互平行且间隔设置，并连接于容纳腔的内壁，相邻的两个第一导流片112之间形成有导向流道1113，并与第二进氢口1111和第二出气口1112均相连通。

可以理解，经第二进氢口1111进入进气腔内的粗氢在多个第一导流片112的导流作用下，均匀的分布于进气腔内，从而增加粗氢气体与纯化膜片12之间的接触面积，提高纯化效率，同时使得未被纯化的粗氢由第二出气口1112排出别收集，其中，第一导流片112之间为均布导流片，优选间隙为2～4mm。纯化膜片12为钯合金膜且为矩形膜状，优选材质为PdAg、PdCu或PdAgAuNi合金，优选厚度为30～80μm，工作温度400～450℃。

其中作为一种实施方式，第二导流片113呈弧形，并连接于容纳腔的内壁，第二导流片113的一端相对第二进氢口1111设置，并将流经第二进氢口1111的气体分隔成至少两股气流，第二导流片113的另一端与一第一导流片112相连接，用于将至少两股气流倒入导向流道1113内。

可以理解，为了使得经第二进氢口1111进入进气氢内部的气体均匀的流入多个导向流道1113内，呈弧形的第二导流片113起到分流的作用。

其中作为另一种实施方式，第三导流片114呈弧形，并连接于容纳腔的内壁，第三导流片114的一端与一第一导流片112相连接，第三导流片114的另一端相对第二出气口1112设置，并将流经导向流道1113的气体合流后经第二出气口1112排出。

可以理解，为了使得流经多个导向流道1113且未被纯化的粗氢气体被合流，并从第二出气口1112被回收利用，呈弧形的第二导流片113起到汇流的作用。

其中作为一种实施方式，燃烧腔132与出气腔相连通。

可以理解，出气腔内经纯化后的氢气可以进入燃烧腔132，使得在完成粗氢纯化的过程中部分纯化后的氢气也可以进入燃烧腔132内与空气进行混合燃烧，用于持续加热纯化膜片12，实现自热式供热。

其中作为一种较佳的实施方式，如图3所示，燃烧板131开设有多个第一贯穿孔，多个第一贯穿孔沿燃烧板131的表面均匀分布，供热组件13还包括多个进气管133，进气管133与第一贯穿孔一一对应设置，并插设于第一贯穿孔，进气管133的周壁还开设有至少一个与燃烧腔132相连通的第一导气孔。

可以理解，经纯化膜片12纯化后的氢气通过多个第一贯穿孔进入收集腔内，同时多个第一导气孔与燃烧腔132相连通，使得在纯化过程中，一部分经纯化膜片12纯化后的氢气通过第一导气孔进入燃烧腔132内，供燃烧反应的发生，使得纯化膜片12被不断加热并维持在比较恒定的温度范围内，有利于氢气的纯化。

其中，如图1及图3所示，燃烧板131还开设有与燃烧腔132相连通的第一进氢口134、第一进气口135及第一出气口136，供热组件13还包括多个导气管137，多个导气管137均匀分布于燃烧腔132，并相互连通，且导气管137经第一进气口135与外部相连通，导气管137的周壁还开设有至少一个第二导气孔。

可以理解，为了提高氢气的利用率，多个导向管将进入燃烧腔132内的空气进行导流，使其均匀布置于燃烧腔132内，且燃烧后的混合气体由第一出气口136排入大气中。

具体的，燃烧板131内部结构为中空腔体，内部均匀填充有颗粒状γ-Al2O3-碳纳米管(CNT)为载体的负载型Pt催化剂，其中进气管133的多孔壁为空心圆环结构，优选材质为粉末烧结不锈钢，孔径尺寸50～100μm，且用于对空气导流的导气管137优选材质为粉末烧结不锈钢，孔径尺寸150～200μm。

其中作为一种较佳的实施方式，燃烧腔132经第一贯穿孔与收集腔相连通，且收集腔内的气压大于燃烧腔132内的气压。

可以理解，粗氢气体进入进气腔内，并经纯化膜片12的纯化后仍然处于加压状态，其压力值约为0.6～1MPa，而燃烧腔132内因与外界相连通，其压力大小为零，同时，收集腔内设有加压设备，使得收集腔内的气体压力稳定维持在0.6～1MPa，则经纯化膜片12纯化后的纯氢可以经燃烧腔132进入收集腔内，而燃烧腔132内燃烧后的混合气体却无法进入收集腔。

具体的，纯氢收集板14的一侧为隔板、另一侧为敞开面，周边由封条组成框架，并开设有超纯氢气出口，其中敞开面与燃烧腔132相对应，将经过钯合金膜、第一贯穿孔以及第二贯穿孔的超纯氢气汇集后，经过位于封条位置的超纯氢气出口排出。

如图1所示，本装置还包括导热板15，导热板15设置于纯化膜片12和燃烧板131之间，并与纯化膜片12和燃烧板131均相抵接，且导热板15相对第一贯穿孔开设有多个第二贯穿孔。

可以理解，导热板15与纯化膜片12和燃烧板131均相抵接，用于将燃烧反应产生的热量均匀的传递至纯化膜片12上，同时，通过设置第二贯穿孔，使得气体的分布更加均匀，有利于气体的流动，其中，导向流道1113、第一贯穿孔、第二贯穿孔、进气管133及导流管的设置，可用于使得氢气均匀分布于进气腔和燃烧腔132，同时使得空气均匀分布于燃烧腔132，从而提高氢气纯化的效率，此处导热板15为超薄均温板，超薄均温板依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元，优选厚度1.5～2.0mm，外壳材质优选无氧铜，内部优选100～150目高温烧结铜丝网，优选萘、汞或钾为工作介质，采用激光焊或扩散焊方法焊接为一体。

进一步地，本装置中纯化器本体111、纯化膜片12、导热板15、燃烧板131及纯氢收集板14依次堆叠，采用真空钎焊或扩散焊焊接一体，真空钎焊优选镍基钎料，钎焊温度1000～1040℃；扩散焊优选温度830～845℃，压力2.0～2.5MPa，此处不作过多阐述。

更进一步地，本装置在使用时分为启动预热阶段和纯化阶段，在启动预热阶段，分别经第一进氢口134和第一进气口135向燃烧腔132内通入氢气和空气，使得氢气和空气在燃烧腔132内在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应并发热，其间产生的燃烧尾气经第一出气口136排出，当纯化膜片12达到预设定温度后，第一进氢口134关闭，第二进氢口1111开启，待纯化的氢气通入进气腔内，经纯化后的氢气通过纯化膜片12少部分的纯氢进入燃烧室内继续与空气混合，用于供热，大部分的纯氢进入收集腔内，被集中收集和排出，而未经纯化的氢气则从第二出气口1112被重新收集和回收利用。

还进一步地，纯氢收集板14的一侧为隔板，一侧位敞开面，周边由封条组成框架，敞开面与催化燃烧单元相对应，将经过钯合金膜、超薄均温板透气孔以及催化板透气孔的超纯氢气汇集后，经过位于封条位置的超纯氢气出口排出。

请参阅图4及图5，本发明还提供了一种自热式氢气纯化系统，包括多个自热式氢气纯化装置1。

可以理解，自热式氢气纯化系统包括多个自热式氢气纯化装置1依次堆叠组成，并通过真空钎焊或扩散焊焊接而成。

进一步地，如图4及图5所示，一种自热式氢气纯化系统还包括第一封头2、第二封头3、第三封头4、第四封头5、第五封头6及第六封头7，其中第一封头2作为启动氢气封头，且第一封头2与多个第一进氢口134相连通，用于在启动预热阶段往燃烧腔132内通入氢气，第二封头3作为超纯氢气的出口，第二封头3与多个收集腔的内部均相连通，第三封头4作为燃烧腔132内尾气排出的出口，且第三封头4与多个燃烧腔132的内部均相连通，第四封头5作为未被纯化的粗氢的回收出口，且第四封头5与多个进气腔的内部均相连通，第五封头6作为空气进入燃烧腔132内的进气口，且第五封头6与多个燃烧腔132的内部均相连通，第六封头7作为待纯化的粗氢的进气口，且第六封头7与多个进气腔的内部均相连通。

本发明的具体工作流程，纯化膜片12内置于纯化器本体111的容纳腔内，纯化膜片12与容纳腔的内壁密封连接，用于将容纳腔分隔为供粗氢进入的进气腔和供纯氢输出的出气腔，且进入进气腔内的粗氢经钯合金等纯化膜片12后被纯化，其中燃烧板131内开设有用于供氢气和空气混合并发生无火焰的燃烧反应，且燃烧板131与纯化膜片12相抵接，用于将燃烧后产生的热量传递至纯化膜片12，以形成纯化器的自热，同时出气腔内还设置有用于收集纯化后的氢气的收集板，将纯化后的氢气收集在收集腔内备用。相比于现有技术，通过氢气于空气在燃烧腔132内发生无火焰燃烧，并将产生的热量通过接触式传递至纯化膜片12上，以提高钯合金等纯化膜片12对氢气的提纯进度，来实现通过装置本身燃烧产热对钯合金等纯化膜片12加热的目的，从而解决因通过外部供热的方式对纯化膜片12加热，所导致的装置适用性差的问题。

使用者在使用时，首先是启动预热阶段，分别经第一进氢口134和第一进气口135向燃烧腔132内通入氢气和空气，使得氢气和空气在燃烧腔132内在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应并发热，其间产生的燃烧尾气经第一出气口136排出，当纯化膜片12达到预设定温度后，然后进入纯化阶段，第一进氢口134关闭，第二进氢口1111开启，待纯化的氢气通入进气腔内，经纯化后的氢气通过纯化膜片12少部分的纯氢进入燃烧室内继续与空气混合，用于供热，大部分的纯氢进入收集腔内，最后被集中收集和排出，而未经纯化的氢气则从第二出气口1112被重新收集和回收利用。

进一步地，利用氢气与空气在催化剂表面发生催化燃烧反应提供热量，通过导热板15相变传热带来的的超高导热性，将热量快速高效均匀地传递于与导热板15紧密接触的钯合金膜上，膜内温度分布均匀，降低由于热应力导致钯膜破裂的风险，大大提高纯化器热稳定性及可靠性。使用氢气催化燃烧供热，纯化器启动后，通过自热式氢气纯化装置1自身产生的部分超纯氢气燃烧来提供热量来实现热平衡，无需外部电加热或高温流体加热，能量利用率高，提高了在不同环境下的适用范围。通过自热式氢气纯化装置1模块化设计，装配而成的纯化系统结构紧凑，集成度高，可以根据不同的氢气处理量需求选择不用数量的纯化单元组合，使用灵活，应用范围广。

通过上述结构，能用于解决现有技术中因需通过外部供热对钯合金膜进行加热，从而导致适用性差的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自热式氢气纯化装置，其特征在于，包括：

纯化器组件，包括纯化器本体；所述纯化器本体的内部开设有容纳腔；

纯化膜片，所述纯化膜片密封连接于所述容纳腔的内壁，并将所述容纳腔分隔成进气腔和出气腔，用于粗氢的纯化；

供热组件，包括燃烧板，所述燃烧板连接于所述出气腔的内壁，并与所述纯化膜片相抵接，且所述燃烧板的内部开设有燃烧腔，用于供氢气与空气混合并发生燃烧反应，以使得燃烧反应后的热量传递至所述纯化膜片；

纯氢收集板，所述纯氢收集板内置于所述出气腔，且所述纯氢收集板的内部开设有与所述出气腔相连通的收集腔，用于收集经所述纯化膜片纯化后的氢气。

2.根据权利要求1所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述燃烧腔与所述出气腔相连通。

3.根据权利要求2所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述燃烧板开设有多个第一贯穿孔，多个所述第一贯穿孔沿所述燃烧板的表面均匀分布，所述供热组件还包括多个进气管，所述进气管与所述第一贯穿孔一一对应设置，并插设于所述第一贯穿孔，所述进气管的周壁还开设有至少一个与所述燃烧腔相连通的第一导气孔。

4.根据权利要求3所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述燃烧板还开设有与所述燃烧腔相连通的第一进氢口、第一进气口及第一出气口，所述供热组件还包括多个导气管，多个所述导气管均匀分布于所述燃烧腔，并相互连通，且所述导气管经所述第一进气口与外部相连通，所述导气管的周壁还开设有至少一个第二导气孔。

5.根据权利要求3所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述燃烧腔经所述第一贯穿孔与所述收集腔相连通，且所述收集腔内的气压大于所述燃烧腔内的气压。

6.根据权利要求3所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，还包括导热板，所述导热板设置于所述纯化膜片和所述燃烧板之间，并与所述纯化膜片和所述燃烧板均相抵接，且所述导热板相对所述第一贯穿孔开设有多个第二贯穿孔。

7.根据权利要求6所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述纯化器本体开设有第二进氢口和第二出气口，所述纯化器组件还包括多个第一导流片，多个所述第一导流片相互平行且间隔设置，并连接于所述容纳腔的内壁，相邻的两个所述第一导流片之间形成有导向流道，所述导向流道相对所述第二贯穿孔设置，并与所述第二进氢口和第二出气口均相连通。

8.根据权利要求7所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述纯化器组件还包括至少一个第二导流片，所述第二导流片呈弧形，并连接于所述容纳腔的内壁，所述第二导流片的一端相对所述第二进氢口设置，并将流经所述第二进氢口的气体分隔成至少两股气流，所述第二导流片的另一端与一所述第一导流片相连接，用于将至少两股气流倒入所述导向流道内。

9.根据权利要求7所述的自热式氢气纯化装置，其特征在于，所述纯化器组件还包括至少一个第三导流片，所述第三导流片呈弧形，并连接于所述容纳腔的内壁，所述第三导流片的一端与一所述第一导流片相连接，所述第三导流片的另一端相对所述第二出气口设置，并将流经所述导向流道的气体合流后经所述第二出气口排出。

10.一种自热式氢气纯化系统，其特征在于，包括多个权利要求1至9中任一项所述的自热式氢气纯化装置。

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