催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统和方法，该方法包括：含

【技术实现步骤摘要】
催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统和方法


[0001]本专利技术涉及催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统，以及一种使用该系统的纯化方法
。

技术介绍

[0002]目前我国示范运行的燃料电池加氢站，即使采用体积分数
≥99.999
％的高纯氢气，一氧化碳的体积分数不能保证
≤0.2
μ
mol/mol
的要求
(
如表1所示
)。
如果通过变压吸附将
CO
纯化制
0.2ppm
以下，存在产品氢气收率过低，纯化成本增加的问题，亟需新型纯化技术提供廉价的燃料电池车用氢气
。
[0003]纯氢
、
高纯氢组分与燃料电池用氢要求对比
[0004][0005]针对某甲醇弛放气组成
H
2 84
％
、N
2 14
％
、CO 0.67
％
、CO
2 0.03
％
、
甲烷
0.04
％
、Ar 0.87
％进行氢气回收
。
采用穿透的膜分离与
PSA
技术存在气体纯度不高难以满足燃料电池车用氢气纯化或者纯度高时氢气回收率过低的问题
。
[0006]金属储氢合金已经在燃料电池车用氢气储运及纯化中有所应用，但是由于其对
S、CO
等杂质敏感，目前主要用于
99.9
％
H2向更高纯度的氢气纯化中
。
[0007]现有技术主要是用了变压吸附
(PSA)
纯化技术，变压吸附
(PSA)
的原理是利用气体组分在多孔材料上吸附特性的差别及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯
。
变压吸附的基本过程有：吸附
、
降压吸附剂再生及升压
。
变压吸附制氢过程中常用吸附剂有：活性炭
、
分子筛和硅胶等
。
变压吸附法能一次去除多种杂质
、
原料气适用范围广的特点
。
对于制备高纯气体而言，产品气的纯度与产品的回收率是逆相关的，再追求高纯度的产品氢气的同时，必然会降低氢气的回收率
。
[0008]目前我国示范运行的燃料电池加氢站，即使采用体积分数
≥99.999
％的高纯氢气，一氧化碳的体积分数不能保证
≤0.2
μ
mol/mol
的要求
。
如果通过变压吸附将
CO
纯化制
0.2ppm
以下，存在产品氢气收率过低的问题
。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种能够在高氢气回收率的情况下获得满足燃料电池车用氢气的纯化方法，本专利技术的方法无
/
极低氢气消耗，突破了传统
PSA
氢气纯化的纯度与回收率的矛盾，以较低成本实现了氢气中
CO
脱除
。
[0010]工业纯氢
、
高纯氢
CO
杂质含量无法满足燃料电池用氢要求，需要进行深度
CO
脱除
。
在化石基氢气气源中
CO
杂质最为常见，目前氢气中
CO
脱除用
PSA
及
TSA
方法，装置及运行成本较高，亟待开发经济可行的
CO
脱除方法
。
[0011]CO
吸收法中
Cu(I)
吸附
CO
后需要在高温下再生，本专利技术拟开发一种无需高温再生，且能够连续化运行同时能够很容易实现
CO
脱除不消耗氢的方法，本专利技术首次提出，不采用吸附法脱除，而是使
CO
转变成容易脱除且对燃料电池影响较小的
CO2，然后气体进入金属储氢合金将惰性的
N2、Ar
及微量
CO2、CH4去除获得高纯度氢气，由于
CO2分子尺寸比氢气大，亲碱性基，采用活性炭
、
分子筛
、MOFS
及其改性物可以很容易的实现脱除
。
这将于工业应用具有极高的价值
。
[0012]为进一步证实本申请人的理论可行性，本申请人进行了如下实验，对比了催化法脱除
CO
在惰性气氛
He
与
H2气氛下比较，具体结果见图1，由图1可以看出在同样温度
、
压力
、
空速条件
(25C
，
1bar
，
1200h
‑1)
下，通入1％
CO+H2与通入1％
CO+He
其的穿透时间相同，说明催化氧化剂只与
CO
发生了反应，而与
H2反应生成
H2O
，如果产生
H2O
则催化氧化剂会因为
H2消耗了其
O
原子而使
CO
脱除的穿透时间缩短
。
[0013]为了进一步证明催化氧化剂未与氢气反应生成
H2O
，在催化单元尾气端接入露点仪，监测出口氢气的露点，结果如图2所示，可以看出气体露点在～
60C
，与测试的钢瓶原料气露点一致，进一步证明催化氧化过程中催化剂未与
H2发生生成
H2O
的副反应
。
[0014]根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供一种催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统，该系统包括：
[0015]催化单元，用于将含
CO
的高纯氢气中的一氧化碳转化为二氧化碳和
/
或甲烷；
[0016]金属储氢合金单元，用于吸收从催化单元获得的中间产品气中的氢气且去除杂质气
。
[0017]优选地，该系统还包括：换热单元和
/
或吸附单元
。
[0018]优选地，所述换热单元用于将所述从催化单元获得的中间产品气进行冷却或用于催化剂加热再生或金属储氢单元加热放氢
。
[0019]优选地，所述吸附单元用于将所述从催化单元获得的中间产品气进行吸附以脱除
CO2和
/
或
H2O。
[0020]优选地，该系统包括多个并联连接的催化与金属储氢合金耦合纯化单元，每个所述耦合纯化单元包括：所述催化单元
、
所述换热单元和所述金属储氢合金单元；在一个耦合纯化单元完成工作后切换至下一个耦合纯化单元，完成工作的耦合纯化单元进行清洗和
/
或再生和
/
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统，其特征在于，该系统包括：催化单元，用于将含
CO
的高纯氢气中的一氧化碳转化为二氧化碳和
/
或甲烷；金属储氢合金单元，用于吸收从催化单元获得的中间产品气中的氢气且去除杂质气
。2.
根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括：换热单元和
/
或吸附单元；其中，所述换热单元用于将所述从催化单元获得的中间产品气进行冷却或用于催化剂加热再生或金属储氢单元加热放氢；其中，所述吸附单元用于将所述从催化单元获得的中间产品气进行吸附以脱除
CO2和
/
或
H2O。3.
根据权利要求2所述的系统，其中，该系统包括多个并联连接的催化与金属储氢合金耦合纯化单元，每个所述耦合纯化单元包括：所述催化单元
、
所述换热单元和所述金属储氢合金单元；在一个耦合纯化单元完成工作后切换至下一个耦合纯化单元，完成工作的耦合纯化单元进行清洗和
/
或再生和
/
或换剂
。4.
根据权利要求2所述的系统，其中，该系统包括多个并联连接的催化与金属储氢合金耦合纯化单元，每个所述耦合纯化单元包括：所述催化单元
、
所述吸附单元和所述金属储氢合金单元，在一个耦合纯化单元完成工作后切换至下一个耦合纯化单元，完成工作的耦合纯化单元进行清洗和
/
或再生和
/
或换剂
。5.
根据权利要求1‑4中任意一项所述的系统，其中，在各个单元的进料管线和
/
或出料管线上均设置控制阀门
。6.
一种催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的方法，其特征在于，该方法在催化与金属储氢合金耦合纯化高纯氢气的系统中进行，该方法包括：含
CO
的高纯氢气进入催化单元，所述原料中的
CO
转化为二氧化碳和
/
或甲烷；获得中间产品气；所述中间产品气可选地进入换热单元和
/
或吸附单元后进入金属储氢合金单元，产品气中的氢气被吸收杂质气被去除
。7.
根据权利要求6所述的方法，其中，所述高纯氢气中氢气含量高于
80
体积％，
CO
含量为
0.00002
‑
15
体积％，其他气体组成为0‑
19.99998
体积％；所述催化单元应用的催化剂在室温下能够完全将
CO
转化成
CO2，且所述催化剂与
CO
的反应速率较与
H2的反应速率之比不小于
100
，优选所述催化剂与
CO
的反应速率与
H2的反应速率之比为
100
‑
∞
：
1。8.
根据权利要求6‑7中任意一项所述的方法，其中，所述催化单元的催化剂为催化氧化催化剂和
/
或甲烷化催化剂；优选地，所述催化氧化催化剂为
Cu
氧化物
、Zn
氧化物
、Mn
氧化物
、Fe
氧化物
、Cr
氧化物
、V
氧化物
、Al
氧化物
、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玮，杨康，冯仰敏，何广利，郭秀盈，刘聪敏，翟俊香，
申请(专利权)人：国家能源集团氢能科技有限责任公司北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：