一种级联式储氢与氢气纯化一体化系统及运行方法与流程

1.本发明涉及氢气存储纯化的技术领域，特别涉及一种级联式储氢与氢气纯化一体化系统及运行方法。


背景技术：

2.氢气是一种重要的工业原料，由于其无碳、燃烧热值高的特性，被认为是21世纪最具前景的清洁能源之一。各行各业对氢气的需求量也越来越大，氢气的储运也成为了制约行业规模的重要因素。
3.目前，市场上的氢气中含有不可忽略的杂质，这些杂质会影响使用的效果，因此需要对氢气进行纯化处理。氢气纯化的技术很多，低温液化分离法、psa变压吸附法、金属氢化物分离法、膜分离法、催化纯化等都是常用的方法。
4.但是现有技术对于氢气存储和提纯难以实现一体化，系统存在结构复杂、制造成本和能耗高、氢气纯度不够等问题。
5.其中利用储氢合金实现氢气的储运是一种发展较为成熟的方法，其具有储氢密度大、可快速充/放氢、运输方便等优点。该储氢方法的特性决定了其既可适用于间歇性也可适用于连续性使用的场合，因此有很大的应用空间。
6.而储氢合金在适当温度和压力条件下能与氢气发生可逆反应生成金属氢化物，基于此特性采用金属氢化物分离法实现氢气纯化。该方法能够产出99.9999％的高纯度氢气，且操作简单，耗能低，是获取高纯度氢气的常用方法之一。
7.本发明中，将固态储氢和金属氢化物分离提纯氢气的方法结合起来，形成级联式储氢与氢气纯化一体化系统。


技术实现要素：

8.本发明目的在于提供一种级联式储氢与氢气纯化一体化系统及运行方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
9.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
10.首先本发明提供一种级联式储氢与氢气纯化一体化系统，其包括：多个储存罐、抽气管路和非纯氢管路，多个储存罐通过带有通气阀的管道依次串联，多个储存罐包括分别位于首尾的首储存罐和尾储存罐、设置于两者之间的若干个中储存罐，所述储存罐均设置有排气口，所述首储存罐的排气口安装有排空阀，所述尾储存罐连接有出气阀；在所述储存罐内设有固态储氢材料，所述储存罐设有加热装置；抽气管路的进口与若干个中储存罐、尾储存罐的排气口相连，抽气管路的出口与首储存罐相连，非纯氢管路与若干个中储存罐、尾储存罐中的至少一个相连。
11.本级联式储氢与氢气纯化一体化系统的有益效果是：在使用时，打开若干个中储存罐、尾储存罐之间的通气阀，通过非纯氢管路给若干个中储存罐和尾储存罐提供非纯氢气，此时的储存罐内部的温度均较低，非纯氢气进入中储存罐和尾储存罐内，固态储氢材料
会发生吸氢反应，氢气被吸附到固态储氢材料进而被存储于中储存罐和尾储存罐内，而氢气内含有的杂质则以气体的形式存在于罐内，杂质气体在罐内累积，使得罐内压力升高至大于预设值时，通过抽气管路将中储存罐和尾储存罐内的杂质气体抽入至首储存罐，再次纯化，避免造成氢气浪费，在这个过程中，通过排空阀排出系统内部杂质气体；而当需要用氢气时，就通过加热装置对储存罐加热，同时关闭抽气管路，打开首储存罐与中储存罐之间的通气阀、及出气阀，当温度升至大于预设值时，固态储氢材料就开始发生脱氢反应，释放出氢气，释放的氢气依次流经各个储存罐，氢气每经过一个存储罐就被纯化一次，通过最后的尾储存罐排出的即为纯氢；使用一套系统完成了氢气与杂质气体的纯化，实现氢气的储存，简化了系统，减少了设备的体积和成本，节约了能耗。
12.作为上述技术方案的进一步改进，若干个中储存罐、尾储存罐的排气口均有排气阀。
13.本方案通过排气阀来控制中储存罐和尾储存罐内杂质气体的排出，当需要排出杂质气体时，打开排气阀，而在输出氢气或者储运氢气时，关闭排气阀。
14.作为上述技术方案的进一步改进，在所述抽气管路与首储存罐之间设置有所述排气阀。
15.本方案也通过排气阀来控制杂质气体进入首储存罐，同时在输出氢气或者储运氢气时，避免氢气进入抽气管路。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述储存罐内设有温度传感器。温度传感器用于实时监测储存罐内部的温度。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述储存罐内设有压力传感器。压力传感器用于实时监测储存罐内部的压力。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述抽气管路包括有真空泵。
19.本方案通过真空泵将中储存罐和尾储存罐内的杂质气体抽入至首储存罐内，提高效率。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述排空阀的出口连接有排空泵。
21.本方案还设置了排空泵来将首储存罐内的杂质气体排出系统外。
22.作为上述技术方案的进一步改进，所述非纯氢管路设置有进气阀。
23.本方案通过进气阀来控制非纯氢管路对中储存罐和尾储存罐的加非纯氢。
24.作为上述技术方案的进一步改进，还包括控制器，所述控制器用于接收所述压力传感器和温度传感器的信号、而控制所有的阀门、泵。压力传感器与温度传感器监测数据实时返回到控制器中，泵和阀门受到控制器控制。
25.作为上述技术方案的进一步改进，非纯氢管路与靠近首储存罐的中储存罐相连，在非纯氢供给时，可实现多次纯化。
26.本发明还提供一种用于上述的级联式储氢与氢气纯化一体化系统的运行方法，具体步骤如下：
27.当储存罐内部温度较低时，开启若干个中储存罐、尾储存罐之间的通气阀，非纯氢管路来的非纯氢气进入中储存罐、尾储存罐内，氢气被吸附到固态储氢材料进而被存储在存储罐内，而杂质气体在储存罐内累积到设定量，抽气管路将杂质气体抽至首储存罐内，再次纯化，并定期开启排空阀；
28.当要用氢气时，对储存罐加热，打开出气阀和所有通气阀，当温度大于预设值时，固态储氢材料发生脱氢反应，释放出氢气，释放的氢气依次流经各个储存罐，氢气每经过一个存储罐就再被纯化一次，通过尾储存罐的出气阀排出的即为纯氢。
29.本发明的有益效果是：本系统将纯化和储存两个步骤结合，简化了系统，减少了设备的体积和成本，节约了能耗，可以根据需求设置储存罐的个数，即可以根据需求对氢气多次纯化，提高了氢气的纯度。
附图说明
30.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
31.图1是本发明所提供的级联式储氢与氢气纯化一体化系统，其一实施例的系统示意图。
具体实施方式
32.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等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。
34.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
35.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
36.参照图1，本发明的级联式储氢与氢气纯化一体化系统作出如下实施例：
37.如图1所示，本实施例的级联式储氢与氢气纯化一体化系统包括多个储存罐、抽气管路500和非纯氢管路600。
38.其中多个储存罐通过管道依次串联在一起，相邻两个储存罐之间的管道均安装有通气阀100，而多个储存罐包括了分别位于首部的首储存罐200、位于尾部的尾储存罐300、位于首储存罐200与尾储存罐300之间的若干个中储存罐400。
39.并且储存罐均设有排气口，而所述首储存罐200的排气口连接有排空阀210。
40.而尾储存罐300连接了出气阀310。
41.抽气管路500设置有进口和出口，抽气管路500的进口同时与若干个中储存罐400、尾储存罐300的排气口相连，而抽气管路500的出口就与首储存罐200相连。
42.其中非纯氢管路600与若干个中储存罐400、尾储存罐300中至少一个相连，本实施的非纯氢管路600与其中一个中储存罐400连接，在其他实施例中，非纯氢管路600可与多个储存罐400、又或者与尾储存罐300连接。
43.本实施例中的非纯氢管路600与靠近首储存罐200的中储存罐400相连，在非纯氢供给时，可实现多次纯化。
44.在每个所述储存罐内部均设置有固态储氢材料，固态储氢材料中主要的合金材料可以是ab5、ab2、ab型等储氢合金，每一种储氢材料有各自的反应温度和压力，储氢容量有所不同，下文举出分别采用lani5和采用mgh2作为储氢合金材料的两个实施例。
45.在每个储存罐中均设置有加热装置，加热装置用于对储存罐内部进行加热。
46.本实施例的若干个中储存罐400和尾储存罐300中的排气口均安装有排气阀700，通过排气阀700来控制中储存罐400和尾储存罐300内杂质气体的排出，当需要排出杂质气体时，打开排气阀700，而在输出氢气或者储运氢气时，关闭排气阀700。
47.以及在所述抽气管路500和首储存罐200之间也连接有所述排气阀700，通过排气阀700来控制杂质气体进入首储存罐200，同时在输出氢气或者储运氢气时，避免氢气进入抽气管路500。
48.具体地，本实施例的抽气管路500包括真空泵510，本实施例通过真空泵510将中储存罐400和尾储存罐300内的杂质气体抽入至首储存罐200内，提高效率。
49.非纯氢管路600安装有进气阀610，通过进气阀610来控制非纯氢管路600对中储存罐400和尾储存罐300的加非纯氢。
50.所述排空阀210的出口连接排空泵211，本实施例设置了排空泵211来将首储存罐200内的杂质气体排出系统外。
51.在每个储存罐内部均安装有温度传感器800和压力传感器900，压力传感器900用于实时监测储存罐内部的压力，温度传感器800用于实时监测储存罐内部的温度。
52.本实施例还包括有还包括控制器，所述控制器用于接收所述压力传感器900和温度传感器800的信号、而控制上述的阀门、泵和加热装置。压力传感器900与温度传感器800监测数据实时返回到控制器中，泵、阀门和加热装置受到控制器控制。
53.在使用时，打开若干个中储存罐400、尾储存罐300之间的通气阀100，通过非纯氢管路600给若干个中储存罐400和尾储存罐300提供非纯氢气，此时的储存罐内部的温度均较低，非纯氢气进入中储存罐400和尾储存罐300内，固态储氢材料会发生吸氢反应，氢气被吸附到固态储氢材料进而被存储于中储存罐400和尾储存罐300内，而氢气内含有的杂质则以气体的形式存在于罐内，杂质气体在罐内累积，使得罐内压力升高至大于预设值时，通过抽气管路500将中储存罐400和尾储存罐300内的杂质气体抽入至首储存罐200，再次纯化，避免造成氢气浪费，在这个过程中，通过排空阀210排出系统内部杂质气体。
54.而当需要用氢气时，就通过加热装置对储存罐加热，同时关闭抽气管路500，打开首储存罐200与中储存罐400之间的通气阀100、及出气阀310，当温度升至大于预设值时，固态储氢材料就开始发生脱氢反应，释放出氢气，释放的氢气依次流经各个储存罐，氢气每经过一个存储罐就被纯化一次，通过最后的尾储存罐300排出的即为纯氢；使用一套系统完成了氢气与杂质气体的纯化，实现氢气的储存，简化了系统，减少了设备的体积和成本，节约了能耗。
55.本实施例还提供一种用于上述的级联式储氢与氢气纯化一体化系统的运行方法，具体步骤如下：
56.当储存罐内部的温度降至较低时，开启若干个中储存罐400、尾储存罐300之间的
所有通气阀100，打开进气阀610，非纯氢管路600来的非纯氢气输入至中储存罐400和尾储存罐300内，氢气就被吸附到固态储氢材料，而被存储于中储存罐400和尾储存罐300内，而杂质气体在中储存罐400和尾储存罐300内累积，使得罐内压力升高，当储存罐内压力大于预设值时，打开排气阀700，抽气管路500将杂质气体抽入至首储存罐200内，再次纯化，需要定期开启首储存罐200的排空阀210以及时排出系统内部杂质气体。
57.当需要用氢气时，通过加热装置对储存罐进行加热，关闭排气阀700，打开出气阀310和所有通气阀100，当温度大于预设值时，则固态储氢材料就会发生脱氢反应，释放出氢气，释放的氢气就依次流经各个储存罐，氢气每经过一个存储罐就被纯化一次，通过尾储存罐300的出气阀310排出的即为纯氢。
58.当系统运行时，温度传感器800和压力传感器900实时监测罐内的温度t和压力p，得到的数据实时返回到控制器中。
59.实施例1：采用lani5作为储氢合金材料，其储氢容量为1.37wt％，当温度高于25℃时，开始释放出氢气。
60.当温度传感器800监测到的罐内温度t低于预设值时，即t＜t
l
，开启进气阀610，此时非纯氢气进入到储存罐内，由于温度较低lani5发生吸氢反应，氢气被吸附到固态储氢材料进而存储在存储罐内，而氢气内含有的杂质如o2、n2、co2等则以气体的形式存在于罐内，杂质气体在罐内累积，使得罐内压力升高，当压力传感器900检测到储存罐内压力大于预设值时，即p＞po，打开所有的排气阀700，此时，中储存罐400、尾储存罐300内部氢气和杂质气体的混合气体进入到首储存罐200，在首储存罐200内部再次发生氢气纯化，避免造成氢气的浪费。同时，需要定期开启排空阀210来及时排出系统内部杂质气体。
61.当需要使用氢气时，对储存罐加热，当温度大于预设值时，即t＞25℃时，固态储氢材料开始发生脱氢反应，释放出氢气。此时，关闭所有的排气阀700和排空阀210，开启所有的通气阀100和出气阀310，释放的氢气依次流经各个储存罐，即氢气被纯化多次，最终通过出气阀310排出。
62.实施例2：采用mgh2作为储氢合金材料，其储氢容量为7.6wt％，当温度高于400℃时，开始释放出氢气。
63.当温度传感器800监测到的罐内温度t低于预设值时，即t＜t
l
，开启进气阀610，此时非纯氢气进入到储存罐内，由于温度较低mgh2发生吸氢反应，氢气被吸附到固态储氢材料进而存储在存储罐内，而氢气内含有的杂质如o2、n2、co2等则以气体的形式存在于罐内，杂质气体在罐内累积，使得罐内压力升高，当压力传感器900检测到储存罐内压力大于预设值时，即p＞po，打开所有的排气阀700，此时，中储存罐400、尾储存罐300内部氢气和杂质气体的混合气体进入到首储存罐200，在首储存罐200内部再次发生氢气纯化，避免造成氢气的浪费。同时，需要定期开启排空阀210来及时排出系统内部杂质气体。
64.当需要使用氢气时，对储存罐加热，当温度大于预设值时，即t＞400℃时，固态储氢材料开始发生脱氢反应，释放出氢气。此时，关闭所有的排气阀700和排空阀210，开启所有的通气阀100和出气阀310，释放的氢气依次流经各个储存罐，即氢气被纯化多次，最终通过出气阀310排出。
65.针对不同的固态储氢材料，预设不同的压力和温度阈值。
66.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施
例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。