一种燃料电池车的氢气品质保障系统的制作方法

本发明燃料电池车氢气品质保障系统属于燃料电池领域，涉及氢气除杂纯化分离技术和消除氢气反应器处理技术，尤其涉及变压吸附装置与消除氢气反应器装置。

背景技术：

据不完全统计，2018年中国汽车的碳排放量将接近20亿吨，如何降低碳排放量已成为目前人们日益关注的焦点。作为传统汽车的替代，氢气燃料电池车能够真正实现零碳排放的目标，是解决汽车尾气碳排放问题的最有效途径。因此，氢气的生产技术和提纯技术是实现氢气燃料电池车应用的基础。

目前工业生产氢气的方法已日趋成熟，主要的煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢和工业副产气制氢等技术已陆续投产，但制得的氢气因其纯度不达标而无法用于氢气燃料电池。为进一步提纯氢气，变压吸附法、低温分离法、金属膜扩散法和金属氢化物分离法被深入研究。

目前采用的吸附循环，得到的高纯氢(99.99％)收率很低、工艺复杂、投资和能耗都较高，无法达到经济实用的要求；即使在低成本条件下生产出适合氢气燃料电池使用的氢气，在储存、运输、加氢等环节，氢气也容易被环境中的气体污染。因此，需要一种设备简单、效率更高、投资能耗更低的方法保证氢气的纯度。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种燃料电池车的氢气品质保障系统，主要包括两个吸附器(体积为0.1l～10l)、一个消除氢气反应器、若干条管线、多个阀门、控制仪表、分析仪表及控制装置；本装置通过两个吸附器连续交替变压吸附，从原料气中将氢气和其他杂质分离并将氢气用于燃料电池，杂质气处理排空，从而节约氢气提纯成本，简化提纯技术，得到符合燃料电池车使用的氢气。

本发明提供的技术方案是：

一种燃料电池车的氢气品质保障系统，主要包括两个吸附器ta和tb(体积为0.1l～10l)、一个消除氢气反应器r1、若干条管路、管路上设有多个阀门及压力表；其中：

1)两个同样的吸附器，内装对co、co2和h2s等杂质气体吸附量大且分离效率高的吸附剂；

所述吸附剂对co、co2和h2s等杂质气体吸附力比对氢气吸附力更大，包括但不限于活性炭、丝光沸石、a型/x型/y型分子筛、zsm-5和hzsm-5沸石类吸附剂。

2)若干条管线，分别为原料气进气管路f-in、吸附尾气管路f-out、空气进气管路a-in、燃烧尾气放空管路a-out、冲洗气管路h-b和电池供氢管路h-out；

3)多个阀门、仪表设置及控制过程。

以两个吸附器ta和tb(体积为0.1l～10l)为中心，吸附器底端通过自动阀门连接原料气进气管路f-in和吸附尾气管路f-out，吸附器顶端连接冲洗气管路h-b和电池供氢管路h-out。原料气进气管路f-in前端连接原料气来源，吸附尾气管路f-out连接消除氢气反应器r1处理尾气，冲洗气管路h-b连接两个吸附器用于交替冲洗吸附装置，电池供氢管路h-out末端进入本装置之外的氢气燃料电池。消除氢气反应器r1连接空气进气管路a-in，顶端连接燃烧尾气放空管路a-out。

原料气进气管路f-in上设有压力表pg1和自动阀v-1、v-2。原料气(原料气为从氢气储罐或加氢装置出来的氢气以及含有co、co2和h2s等杂质气体的混合物，其中氢气的含量占总体积的99％～99.999％，压力为20mpa～30mpa)经过压力表pg1和自动阀v-1、v-2，分别进入吸附器ta、吸附器tb。压力表pg1测量并显示原料气进气压力；自动阀v-1、v-2根据时序步骤进行开关、控制系统中原料气的流向；

吸附尾气管路f-out上设有自动阀v-3、v-4、压力表pg3和调节阀v-10；由吸附器ta、tb出来的气体，经过自动阀v-3、v-4、压力表pg3和调节阀v-10进入消除氢气反应器r1；自动阀v-3、v-4根据时序步骤开关、控制系统气体流向；压力表pg3测量并显示吸附尾气压力；调节阀v-10可根据设定的开度进行调节，来控制吸附尾气管路f-out的流量和系统压力。

冲洗气管路h-b上设有自动阀v-6和手动阀v-5；冲洗气管路h-b连接吸附器ta和吸附器tb顶端，冲洗气经过自动阀v-6和手动阀v-5由吸附器ta进入吸附器tb或由吸附器tb进入吸附器ta，自动阀v-6根据时序步骤开关、控制系统气体流向。本发明中冲洗气管路h-b上分别设置自动阀和手动阀，其作用是：自动阀v-6按照时序开关，手动阀v-5用于停车检修使用。

电池供氢管路h-out上设有自动阀门v-7、v-8、氢气纯度分析系统aic、压力表pg2和调节阀v-9；由吸附器ta和吸附器tb顶端出来的高纯度氢气，经过自动阀v-7和v-8、氢气纯度分析系统aic、压力表pg2和调节阀v-9进入氢气燃料电池；自动阀v-7和v-8根据时序步骤进行开关、控制系统中高纯氢气的流向；氢气纯度分析系统aic实时测量并记录原料气中的氢气纯度以及多种杂质的含量；压力表pg2测量并显示空气的压力；调节阀v-9可根据设定的开度进行调节，来控制电池供氢管路h-out的流量和系统压力；吸附器无需进行压力平衡，而是直接将吸附器内的部分高纯氢气用于燃料电池供氢系统。

本装置具有自动控制功能，可以在设定好的时序、流量下自动运行。

上述变压吸附分离氢气与杂质气的装置在工作时，通过在两个吸附器(ta和tb)内重复进行变压吸附循环，从氢气与杂质气的混合气中将氢气提纯分离；两个吸附器内均装有能选择性吸附co、co2和h2s等杂质气体的吸附剂；所述吸附剂对co、co2和h2s等杂质气体的吸附力比对氢气的吸附力更大，包括但不仅限于于活性炭、丝光沸石、a型/x型/y型分子筛、zsm-5和hzsm-5沸石类吸附剂；一个工作周期内，每个吸附器均经历如下过程(以下描述以吸附器ta为例)：

吸附(a)：打开自动阀v1，原料气从吸附器ta(体积为0.1l～10l)底部进入吸附器，在压力为20mpa～30mpa的条件下，原料气中的co、co2和h2s等杂质气体被专用吸附剂吸附，吸附时间为4h～8h，而高纯氢气与其他极微量的气体等未被吸附的组分作为产品气从吸附器ta顶端排出，通过自动阀v7和调节阀v9去燃料电池。部分高纯氢气通过手动阀v5和自动阀v6用于吹扫吸附器tb，吹扫时间为t1的一部分，具体时间根据吸附器ta和tb的体积(体积为0.1l～10l)确定。

放气(d)：关闭自动阀v1，高纯氢气通过自动阀v7和调节阀v9去燃料电池。当降至一定压力后，关闭自动阀v7。

排空(e)：打开自动阀v3和调节阀v10，吸附器ta(体积为0.1l～10l)的剩余气体进入消氢反应器r1。

冲洗(p)：打开手动阀v5和自动阀v6，吸附器tb(体积为0.1l～10l)中的部分高纯氢气用于吹扫吸附器ta，吹扫气体和ta中的杂质气体通过自动阀v3和调节阀v10进入消除氢气反应器r1。

充压(i)：打开自动阀v1，原料气进入吸附器ta，压力升至20mpa～30mpa。

吸附器tb同样经过上述吸附和脱附的过程。两个吸附器相互配合，整个吸附循环分为若干步骤，循环切换时间为4h～8h。

本发明同时提供了一种如上所述的吸附器。当上述吸附器单独应用于加氢过程时，可将氢气中的杂质气体进一步吸附过滤，保证氢气品质。吸附器内的吸附剂需要在使用4h～8h后进行再生，以此保证吸附器多次循环利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种燃料电池车的氢气品质保障系统，主要包括两个吸附器(体积为0.1l～10l)、一个消除氢气反应器、若干条管线、多个阀门、压力表、氢气纯度分析系统及控制装置；本发明在工作时，通过两个吸附器连续变温-变压吸附，有效分离了氢气和co、co2和h2s等杂质气体，使得氢气的纯度更高，大大节省了氢气的提纯费用；本发明系统投资少，能耗低、分离效率高、产量高、回收的氢气纯度高。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的一种燃料电池车的氢气品质保障系统流程图，用于氢气和co、co2和h2s等杂质气体分离；

图中：ta为吸附器a；tb为吸附器b；r1为消除氢气反应器；f-in为原料气进气管路；f-out为吸附尾气管路；a-in为空气进气管路；a-out为燃烧尾气放空管路；h-b为冲洗气管路；h-out为电池供氢管路；aic为氢气纯度分析系统；pg1、pg2、pg3为压力表；v-1、v-2、v-3、v-4、v-6、v-7、v-8为自动阀；v-5为手动阀；v-9、v-10为调节阀。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种燃料电池车的氢气品质保障系统，主要包括两个吸附器ta和tb(体积为0.1l～10l)、一个消除氢气反应器r1、若干条管路、多个阀门、压力表及氢气纯度分析系统aic；本装置通过两个吸附器连续交替变温吸附，从原料气中将氢气和其他杂质分离，使得氢气的纯度更高，大大节省了氢气的提纯费用，分离后的氢气进入燃料电池使用。

在具体实施时，可通过如图1所示的两个吸附器装置来实现氢气和co、co2和h2s等杂质气体分离。如图1所示，本发明主要由两台吸附器(ta和tb)、六条管路(f-in、f-out、a-in、a-out、h-b、h-out)及其上的阀门和仪表组成，仪表与控制系统相连接。本装置具有自动控制功能，可以在设定好的时序、流量下自动运行。

f-in是原料气进气管路。原料气经过压力表pg1和自动阀v1或v2分别进入吸附器ta和tb。压力表pg1测量并显示原料气进气压力；自动阀v1和v2根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向。

f-out是吸附尾气管路。由吸附器ta和tb底端出来的气体，经过自动阀v3和v4、压力表pg3和调节阀v10进入消除氢气反应器r1。自动阀v3和v4根据时序步骤控制吸附器ta和tb的开关；压力表pg3测量并显示吸附尾气压力；调节阀v10控制吸附尾气的流量。

a-in是空气进气管路。该管路的作用是：通入空气，进一步稀释氢气，防止氢气浓度过高而导致爆炸。

a-out是燃烧尾气放空管路。

h-b是冲洗气管路。冲洗气经过手动阀v5和自动阀v6分别进入吸附器ta和tb。自动阀v6根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向。

h-out是电池供氢管路。氢气经过自动阀v7和v8、压力表pg2、调节阀v9和氢气纯度分析系统aic进入燃料电池系统。自动阀v7和v8根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；压力表pg2测量并显示吸附尾气压力；氢气纯度分析系统aic实时测量并记录吸附后的氢气纯度；调节阀v9控制氢气的流量。

上述两台吸附器ta和tb在工作时，两台吸附器中均装有能选择性吸附co、co2和h2s等杂质气体的吸附剂。两吸附器按照表1所示的psa分离循环系统的时序表自动运行，可以将f-in进口的原料气中的氢气和co、co2和h2s等杂质气体进行有效分离，得到合格的高纯氢气产品。原料气为从氢气源出来的氢气与co、co2和h2s等杂质气体的混合物，其中氢气的含量为99％～99.999％，压力为20mpa～30mpa。原料气经过吸附器底部自动阀v1和v2进入吸附器ta和tb在，吸附尾气即杂质气通过氢气冲洗从吸附器底端f-out排出，部分高纯氢气在压力为10mpa～30mpa之间的情况下直接输出，进入h-out电池供氢管路用于氢气燃料电池。

两个吸附器按照表1所示的psa分离循环时序表交替工作从而达到分离氢气和co、co2和h2s等杂质气体的目的。每个周期中各吸附器分别要经历吸附、放气、冲洗排空和充压四个步骤。在表1的psa分离循环时序表中，ta和tb在分别对应吸附器a和b；t1、t2、t3和t4分别对应步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的运行时间，且t1＝t3，t2＝t4；a表示吸附、d表示放气、e表示排空、p表示冲洗、i表示充气；●表示在对应的步骤时，阀门为开。

表1图1所示psa分离循环系统的时序表及对应的阀门开关表。

下面以其中一个吸附器ta为例，对psa分离循环各步骤进行简要描述：

吸附(a)：打开自动阀v1，原料气从吸附器ta(体积为0.1l～10l)底部进入吸附器，在压力为20mpa～30mpa的条件下，原料气中的co、co2和h2s等杂质气体被专用吸附剂吸附，吸附时间为4h～8h，而高纯氢气与其他极微量的气体等未被吸附的组分作为产品气从吸附器ta顶端排出，通过自动阀v7和调节阀v9去燃料电池。部分高纯氢气通过手动阀v5和自动阀v6用于吹扫吸附器tb，吹扫时间为t1的一部分，具体时间根据吸附器ta和tb的体积(体积为0.1l～10l)确定。

放气(d)：关闭自动阀v1，高纯氢气通过自动阀v7和调节阀v9去燃料电池。当降至一定压力后，关闭自动阀v7。

排空(e)：打开自动阀v3和调节阀v10，吸附器ta(体积为0.1l～10l)的剩余气体进入消氢反应器r1。

冲洗(p)：打开手动阀v5和自动阀v6，吸附器tb(体积为0.1l～10l)中的部分高纯氢气用于吹扫吸附器ta，吹扫气体和ta中的杂质气体通过自动阀v3和调节阀v10进入消氢反应器r1。

充压(i)：打开自动阀v1，原料气进入吸附器ta，压力升至20mpa～30mpa。

至此，此吸附器完成了一个完整的吸附-再生循环过程，并为下一个循环过程做好了准备。每个吸附器交替进行以上各步骤，从而得到满足规格的氢气产品气。

本发明还提供一种如上所述的吸附器在加氢过程中的应用。在加氢阶段，氢气通过吸附器后进入氢气燃料电池车的氢气储存系统，有效避免了加氢过程中加氢枪接口处空气对氢气的污染。本吸附器在使用4h～8h之后需进行更换，且被更换的吸附器可以经过再生后循环使用。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以内权利要求书界定的范围为准。