專利名稱：用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變壓吸附提純氫的裝置，特別是一種用于燃料電池供氫的一 步變壓吸附純化氫的裝置，屬于能源和氣體分離技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具有發(fā)電 效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是新能源研究開(kāi)發(fā)的主要方向之一。其燃料為純氫或富氫 氣體，氧化劑則采用氧氣或空氣，由于氫能不是一次能源，體積能量密度較低， 運(yùn)輸和存儲(chǔ)都有很大的困難，其獲得需要一定的工藝過(guò)程，因而必須通過(guò)其它方 式來(lái)制取氫氣，對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，研究現(xiàn)場(chǎng)制氫尤為重要。目前，使用較多的 制氫方法為重整轉(zhuǎn)化法制氫，其中蒸汽重整制取的氫氣濃度最高，經(jīng)過(guò)蒸汽重整 以及變換反應(yīng)后，其組成為60%-70%H2、 C02、 CH4、 CO以及其它組分，而由于磷 酸型燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池的鉑電極對(duì)CO的吸附作用大于對(duì)&的吸附 作用，造成C0吸附在電極上而H2不能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，毒化電極，因此需要進(jìn) 一步將C0的濃度脫除至10X 10—6以下，從而不影響電池的使用壽命。 目前，常用的CO脫除方法有
(1) C0甲烷化技術(shù)使C0與H2發(fā)生反應(yīng)生成CH4，該方法最大的特點(diǎn)是不必 引入其它的氣體進(jìn)入選擇性氧化體系中，直接與H2發(fā)生反應(yīng)即可除去C0，但反應(yīng) lmolC0需要消耗3mol的H2，并且由于富氫氣體中含有的0)2也會(huì)與仏發(fā)生反應(yīng)，從 而導(dǎo)致大量的H2被消耗掉。
(2) 選擇性氧化使用高選擇性的催化劑，使C0優(yōu)先被吸附氧化，達(dá)到對(duì) C0深度脫除的目的，反應(yīng)中C0的氧化和H2的氧化是競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，因此研究的重點(diǎn)在 于開(kāi)發(fā)高選擇性的催化劑，然而CO發(fā)生氧化反應(yīng)需要引入空氣，由于N2的進(jìn)入降 低了H2的濃度，影響電池的效率。
(3) 膜分離利用金屬鈀(Pd)及其合金可以選擇性地讓H2分子通過(guò)，阻 斷其它一切氣體通過(guò)，該法可以獲得較高濃度的H2，但存在的問(wèn)題是Pd膜成本較高，并且在一定的溫度下會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，引起晶格的變化，導(dǎo)致膜變脆變裂，另 外，由于C0在膜上的化學(xué)吸附會(huì)使H2的滲透性能發(fā)生下降，影響H2的收率。
(4)變壓吸附(PSA)法利用混合氣體中某一組分在吸附劑上的平衡吸附
量在不同壓力下的差異進(jìn)行加壓吸附和減壓脫附，達(dá)到氣體分離的目的，其優(yōu)點(diǎn)
是原料適用范圍廣；能一次性去除氫氣中多種雜質(zhì)成分，工藝流程簡(jiǎn)單；處理范 圍大，啟動(dòng)方便；能耗小、操作費(fèi)用低；設(shè)備穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、安全可 靠；吸附劑壽命長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
已有技術(shù)中，專利申請(qǐng)?zhí)枮?0131994.9，名稱為用于生產(chǎn)氫的變壓吸附方法 的發(fā)明專利采用的裝置中，設(shè)置了吹掃罐和平衡罐用于吸附塔的吹掃和加壓，裝 置比較復(fù)雜，成本較高。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供了一種用于燃料電池供氫的一 步變壓吸附純化氫的裝置，采用變壓吸附技術(shù)，吸附塔中按照從下到上的順序依 次裝填A(yù)1A、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑， 一步實(shí)現(xiàn)H2的提濃，在脫除 CO的同時(shí)，能夠同時(shí)脫除CH4、 C02、 &0等雜質(zhì)，采用兩塔處理氣體，同時(shí)進(jìn)行 加壓吸附和減壓脫附，即其中一塔在進(jìn)行加壓吸附的過(guò)程時(shí)，另一塔進(jìn)行減壓脫 附，使產(chǎn)品氣體源源不斷輸出，可連續(xù)生產(chǎn)H2供燃料電池使用。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明包括第一吸附塔，第二吸附塔，第一三通接頭，第二三通接頭，第三 三通接頭，第四三通接頭，第一壓力表，第二壓力表，第一換向閥，第二換向閥， 第三換向閥，第四換向閥，第五換向閥，第六換向閥，原料氣罐，真空泵，氫收集罐。
原料氣罐出口分別與第二換向閥和第五換向閥的一端連接，第二換向閥的另 一端通過(guò)第二三通接頭分別與第一吸附塔的下端口和第三換向閥的一端連接，第 五換向閥的另一端通過(guò)第四三通接頭分別與第二吸附塔的下端口和第六換向閥 的一端連接，第三換向閥和第六換向閥的另一端均與真空泵入口連接，真空泵出 口與大氣連通，第一吸附塔的上端口通過(guò)第一三通接頭的一端與第一換向閥的一 端連接，第二吸附塔的上端口通過(guò)第三三通接頭的一端與第四換向閥的一端連 接，第一換向閥與第四換向閥的另一端均與氫收集罐連接，氫收集罐出口連接燃
4料電池系統(tǒng)，第一壓力表與第二壓力表分別安裝在第一三通接頭和第三三通接頭 內(nèi)用于測(cè)量吸附塔的壓力，在第一吸附塔和第二吸附塔內(nèi)均按照從下到上的順序 裝填A(yù)l203、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，富氫氣體通過(guò)變壓吸附裝置時(shí)， 三種吸附劑可以一步除去CO、 CH4、 C02和H20，無(wú)需經(jīng)過(guò)其他歩驟即可提供高純 H2供燃料電池使用。 吸附過(guò)程
過(guò)程一原料氣由原料氣罐輸出，經(jīng)第二換向閥和第二三通接頭進(jìn)入第一吸 附塔加壓吸附，第三換向閥關(guān)閉，產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)第一三通接頭和第一換向閥進(jìn)入氫 收集罐；與此同時(shí)第四換向閥和第五換向閥關(guān)閉，第六換向閥打開(kāi)，第二吸附塔 經(jīng)第四三通接頭和第六換向閥與真空泵連通實(shí)現(xiàn)減壓脫附。
過(guò)程二第二換向閥和第一換向閥繼續(xù)打開(kāi)，關(guān)閉第三換向閥，第一吸附塔 繼續(xù)進(jìn)行吸附；打開(kāi)第四換向閥，關(guān)閉第五換向閥和第六換向閥，第二吸附塔實(shí) 現(xiàn)充壓過(guò)程。
過(guò)程三第二換向閥和第一換向閥關(guān)閉，第三換向閥打開(kāi)，第一吸附塔經(jīng)第 二三通接頭和第三換向閥與真空泵連通實(shí)現(xiàn)減壓脫附。與此同時(shí)原料氣由原料氣 罐輸出，經(jīng)第五換向閥和第四三通接頭進(jìn)入第二吸附塔加壓吸附，第六換向閥關(guān) 閉，產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)第三三通接頭通過(guò)第四換向閥進(jìn)入氫收集罐。
過(guò)程四第五換向閥和第四換向閥繼續(xù)打開(kāi)，關(guān)閉第六換向闊，第二吸附塔 繼續(xù)進(jìn)行吸附；打開(kāi)第一換向閥，關(guān)閉第二換向閥和第三換向閥，第一吸附塔實(shí) 現(xiàn)充壓過(guò)程。
本發(fā)明的有益效果
采用兩塔進(jìn)行變壓吸附，加壓吸附和減壓吸附同時(shí)進(jìn)行，能夠連續(xù)輸出氣體。 一步法處理雜質(zhì)氣體，大大縮短了提純過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，能耗低。能夠提供高純 度的H"直接通入燃料電池發(fā)生原電池反應(yīng)。
圖中卜第一吸附塔，2-第二吸附塔，3-第一三通接頭，4-第一壓力表，5-第一換向閥，6-第二換向閥，7-第二三通接頭，8-第三換向閥，9-第二壓力表， IO-第三三通接頭，11-第四換向閥，12-第四三通接頭，13-第五換向閥，14-第 六換向閥，15-原料氣罐，16-真空泵，17-氫收集罐。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述如圖l所示，本發(fā)明的裝
置包括第一吸附塔l，第二吸附塔2，第一三通接頭3，第一壓力表4，第一換向 閥5，第二換向閥6，第二三通接頭7，第三換向閥8，第二壓力表9，第三三通 接頭10，第四換向閥11，第四三通接頭12，第五換向閥13，第六換向閥14， 原料氣罐15，真空泵16，氫收集罐17，原料氣罐15內(nèi)充填富氫氣體，六個(gè)換 向閥均采用二位二通氣動(dòng)控制換向閥。
原料氣罐15出口分別與第二換向閥6和第五換向閥13的一端連接，第二換 向閥6的另一端通過(guò)第二三通接頭7分別與第一吸附塔1的下端口和第三換向闊 8的一端連接，第五換向閥13的另一端通過(guò)第四三通接頭12分別與第二吸附塔 2的下端口和第六換向閥14的一端連接，第三換向閥8和第六換向閥14的另一 端均與真空泵16入口連接，真空泵16出口與大氣連通，第一吸附塔l的上端口 通過(guò)第一三通接頭3的一端與第一換向閥5的一端連接，第二吸附塔2的上端口 通過(guò)第三三通接頭10的一端與第四換向閥11的一端連接，第一換向閥5與第四 換向閥11的另一端均與氫收集罐17連接，氫收集罐17出口連接燃料電池系統(tǒng)， 第一壓力表4與第二壓力表9分別安裝在第一三通接頭3和第三三通接頭10內(nèi) 用于測(cè)量吸附塔的壓力，在第一吸附塔1和第二吸附塔2內(nèi)均按照從下到上的順 序裝填A(yù)l203、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，A1A用來(lái)吸附H20，活性炭吸 附C02和CH4，分子篩采用5A型吸附C0。
吸附過(guò)程
過(guò)程一原料氣由原料氣罐15輸出，經(jīng)第二換向閥6和第二三通接頭7進(jìn) 入第一吸附塔1加壓吸附，第三換向閥8關(guān)閉，產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)第一三通接頭3和第 一換向閥5進(jìn)入氫收集罐17;與此同時(shí)第四換向閥11和第五換向閥13關(guān)閉， 第六換向闊14打開(kāi)，第二吸附塔2經(jīng)第四三通接頭12和第六換向閥14與真空 泵16連通實(shí)現(xiàn)減壓脫附,雜質(zhì)氣體在真空泵16出口處釋放。
過(guò)程二第二換向閥6和第一換向閥5繼續(xù)打開(kāi)，關(guān)閉第三換向閥8，第一 吸附塔l繼續(xù)進(jìn)行吸附；打開(kāi)第四換向閥ll，關(guān)閉第五換向閥13和第六換向閥 14，第二吸附塔2實(shí)現(xiàn)充壓過(guò)程。
過(guò)程三第二換向閥6和第一換向閥5關(guān)閉，第三換向閥8打開(kāi)，第一吸附塔1經(jīng)第二三通接頭7和第三換向閥8與真空泵16連通實(shí)現(xiàn)減壓脫附，雜質(zhì)氣 體在真空泵16出口處釋放。與此同時(shí)原料氣由原料氣罐15輸出，經(jīng)第五換向閥 13和第四三通接頭12進(jìn)入第二吸附塔2加壓吸附，第六換向閥14關(guān)閉，產(chǎn)品 氣經(jīng)過(guò)第三三通接頭10通過(guò)第四換向閥11進(jìn)入氫收集罐17。
過(guò)程四第五換向閥13和第四換向閥11繼續(xù)打開(kāi)，關(guān)閉第六換向閥14， 第二吸附塔2繼續(xù)進(jìn)行吸附；打開(kāi)第一換向閥5，關(guān)閉第二換向閥6和第三換向 閥8，第一吸附塔1實(shí)現(xiàn)充壓過(guò)程。
本發(fā)明吸附裝置的加壓吸附的壓力控制在0-0. 5MPa，溫度在80-15(TC之間， 減壓脫附的壓力控制在0-0. lMPa負(fù)壓范圍內(nèi)，得到的氫氣中C0含量低于10X l(T。
為了增加&的產(chǎn)量，本發(fā)明還可以采用四塔或六塔或多塔進(jìn)行處理。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置，包括第一吸附塔(1)，第二吸附塔(2)，第一三通接頭(3)，第一壓力表(4)，第一換向閥(5)，第二換向閥(6)，第二三通接頭(7)，第三換向閥(8)，第二壓力表(9)，第三三通接頭(10)，第四換向閥(11)，第四三通接頭(12)，第五換向閥(13)，第六換向閥(14)，原料氣罐(15)，真空泵(16)，氫收集罐(17)；其特征在于原料氣罐(15)出口分別與第二換向閥(6)和第五換向閥(13)的一端連接，第二換向閥(6)的另一端通過(guò)第二三通接頭(7)分別與第一吸附塔(1)的下端口和第三換向閥(8)的一端連接，第五換向閥(13)的另一端通過(guò)第四三通接頭(12)分別與第二吸附塔(2)的下端口和第六換向閥(14)的一端連接，第三換向閥(8)和第六換向閥(14)的另一端均與真空泵(16)入口連接，真空泵(16)出口與大氣連通，第一吸附塔(1)的上端口通過(guò)第一三通接頭(3)的一端與第一換向閥(5)的一端連接，第二吸附塔(2)的上端口通過(guò)第三三通接頭(10)的一端與第四換向閥(11)的一端連接，第一換向閥(5)與第四換向閥(11)的另一端均與氫收集罐(17)連接，氫收集罐(17)出口連接燃料電池系統(tǒng)，第一壓力表(4)與第二壓力表(9)分別安裝在第一三通接頭(3)和第三三通接頭(10)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置， 其特征是所述的第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)內(nèi)均按照從下到上的順序裝 填A(yù)1A、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，分子篩采用5A型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置， 其特征是所述的第一吸附塔(1)和第二吸附塔(2)加壓吸附的壓力控制在 0-0.5MPa，溫度控制在80-15(TC之間，減壓脫附的壓力控制在0-0. lMPa負(fù)壓范 圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝 置，其特征是所述的第一換向閥(5)，第二換向閥(6)，第三換向閥(8)， 第四換向閥(11)，第五換向閥(13)，第六換向閥(14)均采用二位二通氣動(dòng) 控制換向閥。
全文摘要
用于燃料電池供氫的一步變壓吸附純化氫的裝置，屬于能源和氣體分離技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明包括兩個(gè)吸附塔，四個(gè)三通接頭，兩個(gè)壓力表，六個(gè)換向閥，原料氣罐，真空泵，氫收集罐。在第一吸附塔和第二吸附塔內(nèi)均按照從下到上的順序裝填A(yù)l<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、活性炭、分子篩三種選擇性吸附劑，富氫氣體通過(guò)變壓吸附裝置時(shí)，三種吸附劑可以一步除去CO、CH<sub>4</sub>、CO<sub>2</sub>和H<sub>2</sub>O。采用兩塔進(jìn)行變壓吸附，加壓吸附和減壓脫附同時(shí)進(jìn)行，能夠連續(xù)輸出H<sub>2</sub>，本發(fā)明采用一步法處理雜質(zhì)氣體，大大縮短了提純過(guò)程，使CO的含量低于10×10<sup>-6</sup>，操作簡(jiǎn)單，能耗低。能夠提供高純度的H<sub>2</sub>，直接供燃料電池使用。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101582514SQ20091005375
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者磊 代, 明 李, 胡鳴若, 顧安忠 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)