(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010593885.6
(22)申请日 2020.06.28
(71)申请人 鄂尔多斯市国科能源有限公司
地址 017200 内蒙古自治区鄂尔多斯市伊
金霍洛旗阿勒滕习热镇创业大厦A座5
楼
(72)发明人 陈锐
(51)Int.Cl.
C01B 3/58(2006.01)
(54)发明名称氢气提纯装置及方法(57)摘要本发明提供一种氢气提纯装置，包括催化反应器，催化反应器包括燃烧层和与燃烧层相邻的选择性氧化层；燃烧层设置有催化燃烧催化剂，选择性氧化层设置有一氧化碳选择性氧化催化剂；燃烧层设置有燃料入口和燃烧层氧化气体入口；选择性氧化层设置有氢气入口、选择性氧化层氧化气体入口和氢气出口。本发明还提供使用上述氢气提纯装置提纯氢气的方法。本发明的氢气提纯装置结构紧凑，氢气提纯效率/体积比高，可作为在氢气应用点的氢气原位提纯装置‑作为车载氢气纯化装置、家用燃料电池热电联产(CHP)氢气纯化装置或加氢站氢气纯化装置，允许灵活使用氢燃料，可降低运营成本，提高燃料电池动力系统的可靠性和效率，并长时间连续供 电。权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 111732078 A 2020.10.02
C N 111732078
A
1.一种氢气提纯装置，其特征在于，该氢气提纯装置包括催化反应器，所述催化反应器包括燃烧层和与所述燃烧层相邻的选择性氧化层；所述燃烧层设置有催化燃烧催化剂，所述选择性氧化层设置有一氧化碳选择性氧化催化剂；所述燃烧层设置有燃料入口和燃烧层氧化气体入口；所述选择性氧化层设置有氢气入口、选择性氧化层氧化气体入口和氢气出口。
2.根据权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述选择性氧化层设置在所述燃烧层两侧或所述燃烧层设置在所述选择性氧化层一侧或两侧；所述燃烧层包括燃料分布层和氧化气体分布层，所述氧化气体分布层设置在所述燃料分布层两侧，或所述燃料分布层设置在所述氧化气体分布层一侧或两侧；所述氧化气体分布层和燃料分布层通过多孔板连通。
3.根据权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述氢气提纯装置还包括氢气供应管路和氧化气体供应管路；所述燃料入口和氢气入口分别连接所述氢气供应管路；所述燃烧层氧化气体入口和选择性氧化层氧化气体入口分别连接所述氧化气体供应管路；所述氧化气体供应管路中供应空气或氧气。
4.根据权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述选择性氧化层内还设置有耐硫催化剂；所述催化燃烧催化剂包括氧化铝载体和负载在氧化铝载体上的Pt/Pd；所述一氧化碳选择性氧化催化剂包括γ-Al2O3载体和负载在γ-Al2O3载体上的核壳结构纳米颗粒催化剂，所述核壳结构纳米颗粒催化剂为表面覆盖有铂单层的金属M，所述金属M为Ru、Rh、Ir 和Pd中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述氢气入口连接有氢气纯度传感器和流量调节器；所述燃料入口、燃烧层氧化气体入口和选择性氧化层氧化气体入口分别连接有流量调节器；所述燃烧层和所述选择性氧化层之间设置有温度传感器。
6.根据权利要求5所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述氢气纯度传感器为基于固体氧化物燃料电池、
表面等离子体共振、布拉格光纤、镀钯薄膜微镜、镀钯锥形纤维或低温电化学电池技术的氢气纯度传感器。
7.根据权利要求5所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述氢气纯度传感器、流量调节器和温度传感器分别与控制器连接。
8.根据权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，该氢气提纯装置包括一个或两个以上催化反应器；所述一个或两个以上催化反应器相互堆叠在一起。
9.一种氢气提纯方法，其特征在于，该方法使用权利要求1～8中任意一项所述的氢气提纯装置提纯氢气，并包括以下步骤：
使燃料和氧化气体进入所述燃烧层，并使燃料和氧化气体在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧；使温度传感器检测燃烧层和选择性氧化层之间的温度，并将温度信息发送至控制器；
使待纯化的氢气进入所述选择性氧化层；使氢气纯度传感器检测待纯化的氢气浓度，并将氢气纯度信息发送至控制器；
所述控制器根据所述温度信息和氢气纯度信息判断所述选择性氧化层内反应是否处在最适温度范围内，通过控制流量调节器将所述氧化层内反应温度控制在最适温度范围内。
10.根据权利要求9所述的氢气提纯方法，其特征在于，所述通过控制流量调节器将所述氧化层内反应温度控制在最适温度范围内的方法包括：
当所述控制器判断所述选择性氧化层内反应温度低于最适温度时，通过控制流量调节器加大进入燃烧层的燃料和/或氧化气体流量，或者减小进入所述选择性氧化层内的待纯化的氢气流量；
当所述控制器判断所述选择性氧化层内反应温度高于最适温度时，通过控制流量调节器减小进入燃烧层的燃料和/或氧化气体流量，或者增大进入所述选择性氧化层内的待纯化的氢气流量。
氢气提纯装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及氢气提纯领域，具体涉及一种小型低等级氢气原位提纯装置和方法。
背景技术
[0002]氢能可以利用多种一次能源清洁高效地产生电能和热能，是21世纪能源的关键解决方案。氢能具有零排放能量转换及发电的特性，目前正被设计用于包括汽车、固定电源、航空航天和电子消费品在内的一系列应用场景。未来氢能及燃料电池的发展目标包括：(1)降低成本；(2)实现燃料供应的灵活性；(3)
实现系统高效集成；(4)具有优秀的可靠性和耐用性；(5)加强基础建设；(6)理解并遵守关于燃料电池选址、保险和认证的政府法律规章制度。
[0003]氢能不是像煤炭和天然气那样的一次能源，而是一种能量载体，它由基于不同的常规一次能源的现有能源系统产生。长远来看，可再生能源将成为氢能生产的最重要的来源。再生氢、由核能产生氢以及由化石能源的能量转化体系产生氢配合对二氧化碳排放的捕获和安全封存，几乎是完全无碳的氢气生产路径。目前，各种氢气生产方式产生的氢包含的杂质主要是一氧化碳(CO)，也可能存在痕量的硫化物(主要是H2S)、二氧化碳、碳氢化物、惰性气体、微粒、水和氧气。
[0004]CO是H2在质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用中最主要的杂质之一，它会阻断Pt催化剂中的活性位点，并使燃料电池催化剂中毒。研究认为，用于PEMFC的H2中CO含量应低于10ppm。SAE J-2719和ISO/PDTS 14687-2将“燃料电池级氢”的最低纯度定义为99.99％(如果考虑氦，则为99.97％)，允许总杂质少于100ppm，包括少于5ppm(通常是1-3ppm)的氧气、少于5ppm(通常是1-3ppm)的水和少于100ppb的CO。用于生产H2的水煤气变换(WGS)反应器的出口CO浓度为0.1至1.0％，变压吸附(PSA)技术可以达到SAE/ISO提出的大多数H2杂质标准，但可能会使H2成本增加20％。实现H2中超低CO浓度对H2生产提出了重大挑战，导致“燃料电池级氢气”的高昂成本，而高昂的氢气成本已被认为是燃料电池实际应用中的障碍之一。[0005]目前氢气纯化技术主要分为物理纯化技术和化学纯化技术。物理纯化技术是利用H2与杂质之间的物理性质差异来除去杂质，包括：变压吸附法(PSA)，利用吸附剂去除杂质；高
温扩散(High Temperature Diffusion，HTD)法使用金属膜产生高纯度H2，但成本较高；低温扩散(Low temperature diffusion，LTD)使氢气扩散经过聚合物膜从而产生高纯度H2；溶剂吸收法在高压和低温下将CO和CO2溶解到溶剂中，使纯净的H2处于气相状态。这些物理纯化技术已经比较完善，需要复杂而笨重的设计，并且具有较低的功率重量比，适用于大规模氢气纯化，但不适用于在氢气应用点进行小规模氢气纯化。化学纯化技术通过化学氧化反应除去低等级氢中的杂质，包括：低温变换(LTS)技术，通常用于工业规模的制氢工艺，由于反应速率相对较慢，反应器的尺寸和重量必须非常大才能实现明显的转化；选择性氧化(PROX)使用少量氧气来选择性氧化CO，同时消耗最少量的H2，反应速度很快，通过合适的反应器设计和适当的温度控制，它具有最大的应用潜力，可以显著降低系统的整体重量，同时还可以显著降低成本。一氧化碳的选择性氧化是一个多步骤过程，通常遵循Langmuir-
Hinshelwood动力学中CO和O2之间的单位点竞争机制：在第一步中，CO被化学吸附在一个Pt 表面上，同时，一个氧分子必须被吸附在邻近的Pt表面部位，O-O键裂解，氧原子与表面活化的CO分子反应形成二氧化碳。
[0006]目前市售的氢气化学成分差异较大，低等级氢气(CO浓度大于10ppm)无法直接用于PEMFC。另外，由于车用燃料电池的氢燃料需要在加氢站进行加注，这意味着车用燃料电池的氢燃料需要从氢气生产/纯化工厂运输到加氢站，在氢气运输过程中有可能会对H2造成污染，因此即使对于出厂纯度符合PFMFC使用要求的氢气，在加氢站加注到车辆上时纯度也可能不再符合PFMFC使用要求。
发明内容
[0007]本发明的目的是提供一种能够高在应用点进行高效纯化氢气的紧凑型氢气提纯装置和提纯方法。
[0008]技术方案：本发明提供一种氢气提纯装置，包括催化反应器，催化反应器包括燃烧层和与燃烧层相邻的选择性氧化层；燃烧层设置有催化燃烧催化剂，选择性氧化层设置有一氧化碳选择性氧化催化剂；燃烧层设置有燃料入口和燃烧层氧化气体入口；选择性氧化层设置有氢气入口、选择性氧化层氧化气体入口和氢气出口。
[0009]本发明将为选择性氧化提供热量的热源产生部分直接集成到氢气提纯装置内，而非设置在提纯装置外再通过导热部件或导热流体传输到氢气提纯装置内，可大大提高能量利用率，同时最大程度缩小氢气提纯装置的体积，提高氢气纯化效率；将燃烧层和选择性氧化层设置为层状，且选择性氧化层堆叠设置在燃烧层一侧或两侧，有利于将燃烧层中催化燃烧产生的热量高效地传递到选择性氧化层，进一步缩小氢气提纯装置的体积，高效控制选择性氧化层的反应温度。
[0010]优选地，上述选择性氧化层设置在燃烧层两侧或燃烧层设置在选择性氧化层一侧或两侧；燃烧层包括燃料分布层和氧化气体分布层，氧化气体分布层设置在燃料分布层两侧，或燃料分布层设置在氧化气体分布层一侧或两侧；氧化气体分布层和燃料分布层通过多孔板连通。这种结构设计可促进燃料和氧化气体在燃烧层中及时、充分混合，方便通过燃料和氧化气体的混合来控制燃烧层内热量的释放，从而
提高氢气提纯装置的温度控制精确度。
[0011]上述氢气提纯装置还包括氢气供应管路和氧化气体供应管路；燃料入口和氢气入口分别连接氢气供应管路；燃烧层氧化气体入口和选择性氧化层氧化气体入口分别连接氧化气体供应管路；氧化气体供应管路中供应空气或氧气。
[0012]优选地，在选择性氧化层内还设置有耐硫催化剂；上述催化燃烧催化剂可使用现有的可催化燃料(如氢气)进行催化燃烧的催化剂，优选地，催化燃烧催化剂包括氧化铝载体和负载在氧化铝载体上的Pt/Pd；一氧化碳选择性氧化催化剂可使用现有的可选择性催化一氧化碳氧化的催化剂，优选地，一氧化碳选择性氧化催化剂包括γ-Al2O3载体和负载在γ-Al2O3载体上的核壳结构纳米颗粒催化剂，核壳结构纳米颗粒催化剂为表面覆盖有铂单层的金属M，金属M为Ru、Rh、Ir和Pd中的一种或多种；可使用现有的耐硫催化剂。
[0013]为了精确控制选择性氧化层内一氧化碳选择性氧化的反应温度，使氢气入口连接有氢气纯度传感器和流量调节器，氢气纯度传感器用于检测进入到氢气提纯装置内的氢气
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议