CN110171805A - 一种氢气纯化装置及其纯化氢气效率的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢气纯化装置，包括装有储氢合金粉末的储氢器，储氢器一端连接有入口管道，储氢器另一端连接有出口管道，储氢器设有热交换装置。当混有杂质气体的氢气原料通过入口管道进入储氢器时，氢气被储氢器内的储氢合金粉末吸收；当停止氢气原料进入储氢器时，将储氢器内的气体慢慢通过出口管道排出，先排出的气体中杂质气体的含量较高，随后慢慢排放纯度渐高的氢气。本发明简化了氢气纯化装置的复杂度，减小氢气纯化装置的占用空间，且其操作条件温和、安全性高、适用范围广泛。本发明还公开了一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法，通过计算杂质的含量从而得到纯氢的纯化效率，并提升了氢气的纯化效率的检测精度。

Description

一种氢气纯化装置及其纯化氢气效率的检测方法
技术领域
本发明涉及氢气纯化领域，特别涉及一种氢气纯化装置及其纯化氢气效率的检测方法。
背景技术
氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼领域都有着极为重要的应用价值。氢气是无色并且密度比空气小的气体，氢气作为一种十分重要的工业原料和一种洁净的能源，随着科学技术的飞速发展，各行各业对氢气的纯度都提出了越来越高的要求。
目前的工业氢气主要来自化石燃料或煤制氢，钢铁或化工行业的副产氢等。工业氢以满足工业生产的要求为目标，一般通过变压吸附方式净化得到所需的氢气，考虑到应用需求指标、收率以及投资运行成本等综合因素，该法对于杂质的脱除不够全面，脱除深度一般难以满足燃料电池用高纯氢气的要求，变压吸附技术还需要复杂的且有针对性的脱除杂质工艺，另一方面，工业氢气所含杂质种类复杂，根据原料气源的不同，杂质含量也有很大区别，特别对于一些弱吸附杂质，如N2、Ar、O2、CO等，常规变压吸附无法很好的脱除。
目前常用的氢气提纯技术主要有低温分离技术、钯膜分离技术、变压吸附技术、催化脱氧及分子筛等技术。低温分离技术的产氢纯度仅98％左右，钯膜分离技术对原料气中的杂质含量要求很严，催化脱氧及分子筛技术仅适用于电解水产氢等场合，但电解水装置往往体积较大，不适合移动。变压吸附技术需要复杂的且有针对性的脱除杂质工艺，方可实现5N纯度的氢气输出，如果要达到6N纯度的氢气输出，还需要额外配套装置，全套装置体积庞大、重量大，不适合大规模使用。
而现有技术中常用氢气传感器检测氢气浓度含量，但是氢气传感器仅适用于检测氢气浓度含量，并不适用于检测纯氢纯度，且其检测精度也有待提高，对于一些高纯度氢气的检测，氢气传感器显然难以达到要求。故对于纯化氢气效率的检测，在目前也有待研发。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种氢气纯化装置及其纯化氢气效率检测方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种氢气纯化装置，包括装有储氢合金粉末的储氢器，储氢器一端连接有入口管道，储氢器另一端连接有出口管道，储氢器设有热交换装置。以上技术方案中，当混有杂质气体的氢气原料通过入口管道进入储氢器时，封闭出口管道，此时热交换装置对储氢器起到冷却作用，从而氢气被储氢器的储氢合金粉末吸收，而杂质气体仍气态存在于储氢器内；当停止氢气原料进入储氢器时，热交换装置对储氢器起到加热作用，被储氢器的储氢合金粉末吸收的氢气在加热过程中慢慢释放，且储氢器内的气体慢慢通过出口管道排出，随着加热过程的进行，最先排出的气体中杂质气体的含量较高，排放过程中杂质气体越来越少，随后慢慢排放纯度渐高的氢气，当氢气的纯度到的预定值时，收集出口管道排放的氢气，即收集到达到要求范围纯度的氢气。通过以上技术方案可以制得纯氢，且其纯化方法和工艺流程简单实用，成本较低且提升了纯氢的纯度，且简化了氢气纯化装置的复杂度，使得氢气纯化装置占用的体积空间小，且其操作条件温和、安全性高、适用范围广泛。
储氢器内还设有导气管，导气管一端与入口管道连接，导气管另一端与出口管道连接，混有杂质气体的氢气原料通过入口管道进入导气管，并封闭出口管道，此时热交换装置对储氢器起到冷却作用，氢气原料从导气管内扩散并填充至储氢器各个空间，氢气被吸附在储氢器的储氢合金粉末上，而杂质气体仍气态存在于存氢器内；封闭入口管道并开通出口管道，热交换装置对储氢器起到加热作用，储氢器内的气体通过导气管进入出口管道并排出。导气管的设置方便了气体的流通性，提升了本发明的氢气纯化装置的工作效率。
储氢合金是一类能够可逆地吸收和释放氢气的材料，在一定温度下，储氢合金可以吸收氢气合成金属氢化物，加热升温后，金属氢化物又能够释放氢气还原为储氢合金。这种储氢合金可以重复利用，而且储氢能力很强，单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，因此采用储氢合金研制的设备体积可以十分小巧轻便。利用储氢合金对氢原子有特殊的亲和力，和对其他气体杂质择优排斥的特性，可以使提纯后的氢纯度高于99.99％以上。这种氢气纯化方法，设备小巧、成本低廉、操作简便、安全稳定，具有十分重要的社会效益和经济意义。
作为优选，出口管道分别连接有用于排放含有杂质气体的混合气体的第一出口管道、用于排放纯氢的第二出口管道。以上技术方案中，当停止氢气原料进入储氢器时，热交换装置对储氢器起到加热作用，并先将储氢器内的气体慢慢通过第一出口管道排出，随着加热过程的进行，最先排出的气体中杂质气体的含量较高，排放过程中杂质气体越来越少，随后慢慢排放纯度渐高的氢气，当氢气的纯度到的预定值时，将储氢器内的气体切换至第二出口管道排出，收集第二出口管道排放的氢气，即收集到达到要求范围纯度的氢气。通过第一出口管道、第二出口管道可以方便地分别收集杂质气体浓度较高的气体和纯氢。
作为优选，入口管道设有第一气阀，第一出口管道设有第二气阀，第二出口管道设有第三气阀。以上技术方案中，关闭第二气阀和第三气阀，并打开第一气阀，从而混有杂质气体的氢气原料通过入口管道进入储氢器，此时热交换装置对储氢器起到冷却作用，从而氢气被吸附在储氢器的储氢合金粉末上。关闭第一气阀，保持第三气阀关闭并打开第二气阀，此时热交换装置对储氢器起到加热作用，从而储氢器内的气体慢慢通过第一出口管道排出，随着加热过程的进行，最先排出的气体中杂质气体的含量较高，排放过程中杂质气体越来越少，随后慢慢排放纯度渐高的氢气，当氢气的纯度到的预定值时，保持第一气阀关闭，并关闭第二气阀以及打开第三气阀，从而将储氢器内的气体切换至第二出口管道排出，收集第二出口管道排放的氢气，即收集到达到要求范围纯度的氢气。通过第一气阀、第二气阀和第三气阀，可以方便地控制氢气原料的排放和杂质气体的排放以及纯氢的收集。
作为优选，入口管道还设有用于检测杂质气体浓度的第一传感器；第一出口管道还设有用于检测杂质气体浓度的第二传感器。以上技术方案中，第一传感器用于检测原料氢气中杂质气体的浓度，第二传感器用于检测通过第一出口管道的杂质气体浓度，通过比对第一传感器和第二传感器的检测值，可以方便地得出本发明的氢气纯化装置的氢气纯化效率。当第二传感器检测到的杂质气体含量低于预设值时，即此时氢气纯度达到要求值，保持第一气阀关闭，并关闭第二气阀以及打开第三气阀，从而将储氢器内的气体切换至第二出口管道排出，收集第二出口管道排放的氢气，即收集到达到要求范围纯度的氢气。氢气原料中一般含有CO、NO、H2S、CO2等杂质气体，则第一传感器和第二传感器均包括分别用于检测CO、NO、H2S、CO2气体的CO传感器、NO传感器、H2S传感器和CO2传感器。
作为优选，入口管道还设有第一流量计，第一出口管道还设有第二流量计，第二出口管道还设有第三流量计。以上技术方案中，通过第一流量计可以测得原料氢气的瞬时流量和累计流量，通过第二流量计可测得第一出口管道排出气体的瞬时流量和累计流量，通过第三流量计可得第二出口管道排出纯氢的瞬时流量和累计流量。通过第一流量计、第二流量计和第三流量计可以方便地分别对原料氢气、第一出口管道排出的气体和纯氢的流量进行检测。根据第一流量计的瞬时流量F1、第一传感器的瞬时计数S1求得经过时间T1后的杂质气体的总流量Z1，根据第二流量计的瞬时流量F2、第二传感器的瞬时计数S2求得经过时间T2后的杂质气体的总流量Z2，再结合第一流量计的累计流量V，可以求得第二出口管道内氢气的纯度η，当第二出口管道内氢气的纯度η达到预定值时，关闭第二气阀并打开第三气阀，从而纯氢通过第二管道排出。
作为优选，热交换装置包括设在储氢器***的热交换水套、分别与热交换水套连接的热水箱和冷水箱，热水箱和冷水箱分别通过热水管和冷水管与热交换水套连接，热水管和冷水管上分别设有第一循环水泵和第二循环水泵，热水管和冷水管还分别设有第一水阀和第二水阀。以上技术方案中，当混有杂质气体的氢气原料通过入口管道进入储氢器时，关闭第一水阀并打开第二水阀，此时冷水箱和热交换水套通过第二循环水泵进行冷水循环，从而对储氢器进行冷却作用，从而提升了储氢器的吸氢效果。当停止氢气原料进入储氢器时，关闭第二水阀并打开第一水阀，此时热水箱和热交换水套通过第一循环水泵进行热水循环，从而对储氢器进行加热循环，从而储氢器内的杂质伴随着逐渐增加的氢气通过出口管道排出。热水箱内设有用于对水加热的加热装置，冷水箱内设有用于对水冷却的冷却装置，加热装置和冷却装置可以采用本领域技术人员能够想到的常规技术手段且不是本发明需要公开的必要技术，故在本说明书不展开描述。
作为优选，储氢器内还设有导热翅片。以上技术方案中，导热翅片提升了储氢器内储氢合金粉末的热交换性能，从而提升了储氢器的吸氢以及放氢效率，从而提升了本发明的氢气纯化效率。
作为优选，入口管道还设有进气总阀，出口管道设有出气总阀。以上技术方案中，进气总阀用于控制氢气原料的总开关，出气总阀用于控制通过储氢器排出的气体的总开关。进气总阀和出气总阀降低了第一气阀、第二气阀以及第三气阀出现漏气或其他意外发生带来不良影响。当第一气阀发生漏气时，立即关闭进气总阀；当第二气阀或第三气阀发生漏气时，立即关闭出气总阀。
一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法，包括以下步骤：
S1、关闭出气总阀并打开进气总阀和第一气阀，以及关闭第一水阀和第一循环水泵并打开第二水阀和第二循环水泵，并得到第一流量计的瞬时流量F1、第一传感器的瞬时计数S1；
S2、经过时间T1，关闭进气总阀或第一气阀，得到第一流量计的累计流量V0，并根据第一流量计的瞬时流量F1、第一传感器的瞬时计数S1求得经过时间T1后流经第一流量计的杂质气体的总量Z0，
S3、打开出气总阀和第二气阀，以及关闭第二水阀和第二循环水泵并打开第一水阀和第一循环水泵，得到第二流量计的瞬时流量F2、第二传感器的瞬时计数S2；
S4、经过时间T2，得到第二流量计的累计流量V1，根据第二流量计的瞬时流量F2、第二传感器的瞬时计数S2求得经过时间T2后流经第二流量计的杂质气体的总量Z1，
S5、求得氢气的纯化效率η，
以上技术方案中，通过计算技术杂质的含量并得到氢气原料中的氢气量和第一出口管道中排出的氢气量，从而计算得到纯氢的纯化效率，并提升了纯氢的纯化效率的检测精度。
作为优选，当第一出口管道内杂质气体含量不高于预定值时，关闭第二气阀并打开第三气阀，从而纯氢通过第二出口管道排出，否则返回S2步骤。以上技术方案中，使得纯氢从第二出口管道排出并收集，并使得杂质气体含量不符要求的气体从第一管道排出。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明的一种氢气纯化装置简单实用，成本较低，提升了氢气纯化效率，并能够得到氢气的纯化效率，从而可以制得预设要求的纯氢；且本发明的一种氢气纯化装置简化了氢气纯化装置的复杂度，使得氢气纯化装置占用的体积空间小，且其操作条件温和、安全性高、适用范围广泛；
2、本发明的一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法通过计算杂质气体含量从而得到纯氢的纯化效率，并提升了纯氢的纯化效率的检测精度。
附图说明
图1是本发明一种氢气纯化装置的结构示意图；
图2是本发明一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法的流程示意图。
图中：1、储氢器，11、储氢合金粉末，12、导气管，12、导热翅片，2、入口管道，21、第一气阀，22、第一传感器，23、第一流量计，24、进气总阀，3、出口管道，31、第一出口管道，311、第二气阀，312、第二传感器，313、第二流量计，32、第二出口管道，321、第三气阀，322、第三流量计，33、出气总阀，4、热交换水套，5、热水箱，51、热水管，52、第一循环水泵，53、第一水阀，6、冷水箱，61、冷水管，62、第二循环水泵，63、第二水阀，7、显示器。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-2所示，一种氢气纯化装置，包括装有储氢合金粉末11的储氢器1，储氢器1一端连接有入口管道2，储氢器1另一端连接有出口管道3，储氢器1设有热交换装置。
本实施例中，出口管道3分别连接有用于排放杂质气体含量较高的混合气体的第一出口管道31、用于排放纯氢的第二出口管道32。
本实施例中，入口管道2设有第一气阀21，第一出口管道31设有第二气阀311，第二出口管道32设有第三气阀321。
本实施例中，入口管道2还设有用于检测杂质气体浓度的第一传感器22；第一出口管道31还设有用于检测杂质气体浓度的第二传感器312。
本实施例中，入口管道2还设有第一流量计23，第一出口管道31还设有第二流量计313，第二出口管道32还设有第三流量计322。
本实施例中，热交换装置包括设在储氢器1***的热交换水套4、分别与热交换水套4连接的热水箱5和冷水箱6，热水箱5和冷水箱6分别通过热水管51和冷水管61与热交换水套4连接，热水管51和冷水管61上分别设有第一循环水泵52和第二循环水泵62，热水管51和冷水管61还分别设有第一水阀53和第二水阀63。
本实施例中，储氢器1内还设有导热翅片12。储氢器1内还设有导气管12，导气管12一端与入口管道2连接，导气管另一端与出口管道3连接
本实施例中，入口管道2还设有进气总阀24，出口管道3设有出气总阀33。第二出口管道32还设有用于显示氢气纯化效率的显示器7，通过显示器工作人员可以方便地读取本发明的氢气纯化装置纯化氢气的效率。
本实施例还提供了一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法，包括以下步骤：
S1、关闭出气总阀33并打开进气总阀24和第一气阀21，以及关闭第一水阀53和第一循环水泵52并打开第二水阀63和第二循环水泵62，并得到第一流量计23的瞬时流量F1、第一传感器22的瞬时计数S1；
S2、经过时间T1，关闭进气总阀24或第一气阀21，得到第一流量计23的累计流量V0，并根据第一流量计23的瞬时流量F1、第一传感器22的瞬时计数S1求得经过时间T1后流经第一流量计23的杂质气体的总量Z0，
S3、打开出气总阀33和第二气阀311，以及关闭第二水阀63和第二循环水泵62并打开第一水阀53和第一循环水泵52，得到第二流量计313的瞬时流量F2、第二传感器312的瞬时计数S2；
S4、经过时间T2，得到第二流量计313的累计流量V1，根据第二流量计313的瞬时流量F2、第二传感器312的瞬时计数S2求得经过时间T2后流经第二流量计313的杂质气体的总量Z1，
S5、求得氢气的纯化效率η，
本实施例中，当第二传感器312的瞬时计数S2低于预定值时，关闭第二气阀311并打开第三气阀321，从而纯氢通过第二出口管道32排出，否则返回S3步骤。所述的预定值为0.001％，第二传感器312用于检测杂质气体含量，当第二传感器312检测值低于0.001％时，通过第二出口管道32排出的纯氢的纯度可高达99.999％。
本实施例中，纯氢的纯度通过计算杂质气体含量并进一步计算得到纯氢的纯度值，提升了计算精度和准确度，通过本发明制得的纯氢的纯度高达99.999％，本发明的氢气纯化装置的纯化方法和工艺流程简单实用，成本较低且提升了纯氢的纯度。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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发明和简化描述，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发明的限制。此外，如出现术语“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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“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发明中的具体含义。
在不改变本发明的创造内容下进行简单的置换均视为相同的创造。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氢气纯化装置，其特征在于：包括装有储氢合金粉末(11)的储氢器(1)，储氢器(1)一端连接有入口管道(2)，储氢器(1)另一端连接有出口管道(3)，储氢器(1)设有热交换装置。
2.根据权利要求1所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：出口管道(3)分别连接有用于排放含有杂质气体的混合气体的第一出口管道(31)、用于排放纯氢的第二出口管道(32)。
3.根据权利要求2所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：入口管道(2)设有第一气阀(21)，第一出口管道(31)设有第二气阀(311)，第二出口管道(32)设有第三气阀(321)。
4.根据权利要求2或3所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：入口管道(2)还设有用于检测杂质气体浓度的第一传感器(22)；第一出口管道(31)还设有用于检测杂质气体浓度的第二传感器(312)。
5.根据权利要求4所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：入口管道(2)还设有第一流量计(23)，第一出口管道(31)还设有第二流量计(313)，第二出口管道(32)还设有第三流量计(322)。
6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：热交换装置包括设在储氢器(1)***的热交换水套(4)、分别与热交换水套(4)连接的热水箱(5)和冷水箱(6)，热水箱(5)和冷水箱(6)分别通过热水管(51)和冷水管(61)与热交换水套(4)连接，热水管(51)和冷水管(61)上分别设有第一循环水泵(52)和第二循环水泵(62)，热水管(51)和冷水管(61)还分别设有第一水阀(53)和第二水阀(63)。
7.根据权利要求6所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：储氢器(1)内还设有导热翅片(12)。
8.根据权利要求1或2或3或5或7所述的一种氢气纯化装置，其特征在于：入口管道(2)还设有进气总阀(24)，出口管道(3)设有出气总阀(33)。
9.一种根据权利要求8所述的氢气纯化装置的纯化氢气效率检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、关闭出气总阀(33)并打开进气总阀(24)和第一气阀(21)，以及关闭第一水阀(53)和第一循环水泵(52)并打开第二水阀(63)和第二循环水泵(62)，并得到第一流量计(23)的瞬时流量F1、第一传感器(22)的瞬时计数S1；
S2、经过时间T1，关闭进气总阀(24)或第一气阀(21)，得到第一流量计(23)的累计流量V0，并根据第一流量计(23)的瞬时流量F1、第一传感器(22)的瞬时计数S1求得经过时间T1后流经第一流量计(23)的杂质气体的总量Z0，
S3、打开出气总阀(33)和第二气阀(311)，以及关闭第二水阀(63)和第二循环水泵(62)并打开第一水阀(53)和第一循环水泵(52)，得到第二流量计(313)的瞬时流量F2、第二传感器(312)的瞬时计数S2；
S4、经过时间T2，得到第二流量计(313)的累计流量V1，根据第二流量计(313)的瞬时流量F2、第二传感器(312)的瞬时计数S2求得经过时间T2后流经第二流量计(313)的杂质气体的总量Z1，
S5、求得氢气的纯化效率η，
10.根据权利要求9所述的一种氢气纯化装置纯化氢气效率的检测方法，其特征在于：当第二传感器(312)的瞬时计数S2低于预定值时，关闭第二气阀(311)并打开第三气阀(321)，从而纯氢通过第二出口管道(32)排出，否则返回S3步骤。
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