燃料电池用氢气的纯化系统及纯化方法技术方案

本发明专利技术涉及氢气纯化领域，公开了一种燃料电池用氢气的纯化系统及纯化方法，该系统包括：顺序连通的催化单元、换热单元和电化学氢泵；其中，所述催化单元用于脱除含氢原料气中的CO和CO2，得到粗氢气；所述换热单元用于将所述粗氢气进行换热和水饱和，得到饱和气体；所述电化学氢泵，用于在充电状态下将所述饱和气体进行分离提纯，得到纯化的氢气。本发明专利技术提供的燃料电池用氢气的纯化系统能够对含氢原料气进行有效纯化，即能够在满足燃料电池用氢品质(氢气纯度≥99.97％以上)的前提下，显著提高氢气的收率。高氢气的收率。高氢气的收率。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用氢气的纯化系统及纯化方法


[0001]本专利技术涉及氢气纯化
，具体涉及一种燃料电池用氢气的纯化系统及纯化方法。

技术介绍

[0002]目前我国示范运行的燃料电池加氢站，燃料电池用氢标准满足：H2≥99.97％、CO2≤2ppm、CO≤0.2ppm、CH4≤2ppm、O2≤5ppm、H2O≤5ppm、N2≤100ppm。工业纯氢、高纯氢气中CO杂质的含量均无法满足燃料电池用氢要求，需要进行深度CO脱除。目前氢气中脱除CO的方法主要为PSA及TSA方法，装置及运行成本较高。
[0003]且如果通过变压吸附将高纯氢气中的CO纯化至0.2ppm以下，又存在产品氢气收率过低，纯化成本增加的问题。因此亟需提供一种新型纯化技术以满足燃料电池用氢品质。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术对氢气进行纯化时，存在氢气收率过低，纯化成本增加的问题，提供一种燃料电池用氢气的纯化系统及纯化方法，该系统能够在保证氢气纯度≥99.97％以上，即满足燃料电池用氢品质的同时，显著提高氢气的收率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种燃料电池用氢气的纯化系统，该系统包括：顺序连通的催化单元、换热单元和电化学氢泵；其中，
[0006]所述催化单元用于脱除含氢原料气中的CO和CO2，得到粗氢气；
[0007]所述换热单元用于将所述粗氢气进行换热和水饱和，得到饱和气体；
[0008]所述电化学氢泵，用于在充电状态下将所述饱和气体进行分离提纯，得到纯化的氢气。
[0009]本专利技术第二方面提供一种燃料电池用氢气的纯化方法，该方法包括：将含氢原料气中的CO和CO2进行催化脱除，得到粗氢气；然后将所述粗氢气引入换热单元中进行换热和水饱和，得到饱和气体；然后将所述饱和气体引入电化学氢泵中，在所述电化学氢泵充电过程中将所述饱和气体进行分离提纯，获得纯化的氢气。
[0010]通过上述技术方案，本专利技术提供的燃料电池用氢气的纯化系统能够对含氢原料气进行有效纯化，即能够在满足燃料电池用氢品质(氢气纯度≥99.97％以上)的前提下，显著提高氢气的收率。例如采用本专利技术实施例1的纯化系统及方法对含氢原料气进行纯化时，在满足燃料电池用氢品质即氢气纯度为99.999％时，氢气的收率达到90％，而采用对比例3即变压吸附的纯化系统及方法对含氢原料气进行纯化时，在在满足燃料电池用氢品质即氢气纯度为99.99948％时，氢气的回收率仅为60.02％；并且本专利技术提供的纯化方法工艺流程简单，可靠性高，操作方便，易于实施，纯化成本低。
附图说明
[0011]图1为本专利技术一种优选实施方式的燃料电池用氢气的纯化方法的工艺流程图。
[0012]附图标记说明
[0013]1、催化单元 2、换热单元 3、电化学氢泵
具体实施方式
[0014]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0015]现有技术通常采用变压吸附单元即多个变压吸附罐对含氢原料气进行变压吸附以脱除杂质气体，从而获得纯净的氢气；但在利用变压吸附获得纯净氢气的同时会导致氢气的收率过低。为了解决上述问题，本专利技术的专利技术人在研究中发现，通过先将含氢原料气通入催化单元，在甲烷化催化剂的作用下将含氢原料气中的CO和CO2转化为对电堆无损害的CH4后得到粗氢气，然后将所述粗氢气通入换热单元中进行换热和水饱和，得到饱和气体，最后通过电化学氢泵将饱和气体中呈惰性且较难脱除的弱极性气体分子如N2、Ar、He、CH4等进行进一步纯化，从而得到满足燃料电池车用氢气标准的氢气。
[0016]如前所述，本专利技术第一方面提供一种燃料电池用氢气的纯化系统，该系统包括：顺序连通的催化单元、换热单元和电化学氢泵；其中，
[0017]所述催化单元用于脱除含氢原料气中的CO和CO2，得到粗氢气；
[0018]所述换热单元用于将所述粗氢气进行换热和水饱和，得到饱和气体；
[0019]所述电化学氢泵，用于在充电状态下将所述饱和气体进行分离提纯，得到纯化的氢气。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，优选地，所述电化学氢泵包括气体入口、杂质气体出口和氢气出口，其中，所述气体入口用于向所述电化学氢泵引入所述饱和气体，所述杂质气体出口用于排出所述分离提纯得到的杂质气体，所述氢气出口用于排出所述纯化的氢气。本专利技术中，所述气体入口和杂质气体出口设置在电化学氢泵的阳极上，所述氢气出口设置在电化学氢泵的阴极上。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，优选地，所述催化单元内装填有甲烷化催化剂用于将含氢原料气中的CO和CO2转化为CH4。本专利技术中，通过设置催化单元将含氢原料气中的CO和CO2转化为CH4，能够有效防止CO和CO2进入电化学氢泵中，避免CO和CO2对催化层的毒化作用。
[0022]在本专利技术的一些实施例中，优选地，所述甲烷化催化剂包括载体以及负载在所述载体上的活性组分，以所述甲烷化催化剂的总重量为基准，所述载体的含量为20
‑
95wt％，所述活性组分的含量为5
‑
80wt％。
[0023]本专利技术对所述载体和活性组分的选择范围较宽，优选地，所述载体选自Al2O3、SiO2和ZrO2中的至少一种，所述活性组分选自Ni、Co、Cu、Fe和Mo中的至少一种。
[0024]本专利技术对所述电化学氢泵的结构没有特别的限定，优选地，所述电化学氢泵包括阳极、阴极和质子交换膜。
[0025]本专利技术对所述阳极或阴极的结构没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，优选地，所述阳极或阴极包括气体扩散层和催化层。
[0026]本专利技术对所述质子交换膜的选择范围较宽，优选地，所述质子交换膜为Nafion膜或PBI膜。
[0027]本专利技术对所述催化层没有特别的限定，优选地，所述催化层由Pt催化剂或Pt
‑
Rh催化剂构成。
[0028]在本专利技术中，所述换热单元用于将所述粗氢气与水接触进行换热和水饱和，使其满足电化学氢泵所需的饱和气体，并使所述饱和气体的温度满足电化学氢泵充电时所需气体温度。在本专利技术中，水对粗氢气具有换热、增湿的作用。本专利技术对所述换热单元所采用的设备没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，只要能够起到水饱和及换热降温的作用即可。本专利技术中，电化学氢泵充电时所需气体温度优选为60
‑
160℃。
[0029]根据本专利技术一种优选的实施方式，所述燃料电池用氢气的纯化系统包括：顺序连通的催化单元、换热单元和电化学氢泵，其中，所述电化学氢泵包括阳极、阴极和质子交换膜，所述阳极或阴极均由气体扩散层和催化层构成，所述阳极上设置气体入口和杂质气体出口，所述阴极上设置氢气出口。通过采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用氢气的纯化系统，其特征在于，该系统包括：顺序连通的催化单元、换热单元和电化学氢泵；其中，所述催化单元用于脱除含氢原料气中的CO和CO2，得到粗氢气；所述换热单元用于将所述粗氢气进行换热和水饱和，得到饱和气体；所述电化学氢泵，用于在充电状态下将所述饱和气体进行分离提纯，得到纯化的氢气。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电化学氢泵包括气体入口、杂质气体出口和氢气出口，其中，所述气体入口用于向所述电化学氢泵引入所述饱和气体，所述杂质气体出口用于排出所述分离提纯得到的杂质气体，所述氢气出口用于排出所述纯化的氢气。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述催化单元内装填有甲烷化催化剂用于将含氢原料气中的CO和CO2转化为CH4。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述甲烷化催化剂包括载体以及负载在所述载体上的活性组分，以所述甲烷化催化剂的总重量为基准，所述载体的含量为20
‑
95wt％，所述活性组分的含量为5
‑
80wt％。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述载体选自Al2O3、SiO2和ZrO2中的至少一种；优选地，所述活性组分选自Ni、Co、Cu、Fe和Mo中的至少一种。6.根据权利要求1
‑
5中任意一项所述的系统，其中，所述电化学氢泵包括阳极、阴极和质子交换膜；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秀盈，翟俊香，刘聪敏，何广利，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：