一种氢纯化、储存和增压一体化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种氢纯化、储存和增压一体化系统及方法，来自于工业生产的氢气进入金属氢化物反应器中，在可调冷热源供给于换热器的热流介质作用下，反应器中的储氢合金或储氢单金属发生吸氢反应，实现氢气的纯化与固态储存，同时利用系统中由低压级金属氢化物反应器放氢反应或由储氢能力差异而产生的储存在氢气储罐的低压级高纯氢气，实现反应器中尾气残留的净化吹扫；上级反应器通过放氢反应提供压力较低的氢气，用于下级反应器发生吸氢反应，实现氢气的多级增压；利用不同储氢合金或储氢单金属的PCT特性，通过改变反应器的反应温度，实现不同压力氢气的按需产出与利用。现不同压力氢气的按需产出与利用。现不同压力氢气的按需产出与利用。

【技术实现步骤摘要】
一种氢纯化、储存和增压一体化系统及方法


[0001]本专利技术属于氢气净化除杂、安全储存和多级增压领域，涉及一种氢纯化、储存和增压一体化系统及方法。

技术介绍

[0002]氢气，作为21世纪最具潜力的新能源，因其能量密度高、尾气零污染受到世界各国的关注和重视。
[0003]在这其中，针对不同的氢应用对象，研究了多种氢储存方式。现存的氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类：高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。其中固态储氢主要分为物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物储氢、直接水解制氢等。各种储氢技术都在发展，各有优缺点。(吴朝玲,李永涛，李媛.氢气储存和运输[M].化学工业出版社,2020.)
[0004]上述储氢技术中，目前使用较为广泛的是高压气态储氢技术，高压气态储氢是在常温下将气态的氢压缩至高压状态而储存在储氢容器中。目前的高压氢气瓶的压力规格主要有15、 35、70MPa三种，其中15MPa的应用相对广泛，其使用的钢制储氢气瓶制造技术成熟，但低压状态的氢气会导致庞大的气瓶体积和质量，单位储氢密度小，储氢效率低。35MPa和70MPa 主要用于移动交通工具如汽车、无人机等。其次是低温液态储氢技术，是指将氢气液化后储存在绝热效果良好的容器中，同时最好应附有相应的制冷设施，减少液氢的气化。虽然在储氢密度上优势远远大于高压气态储氢，液氢密度约为标况氢气密度的850倍，但在液氢的制取和储存上要求极高，需要消耗大量的能源(低温与超导,2019,47(06):21
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29.)。最后是固态储氢技术，指利用储氢材料吸附氢气的能力实现氢气的固态储存，体积储氢密度大但质量储氢密度较低，且吸放氢速率受传热特性的限制。
[0005]现如今，不同氢储存装置对于不同氢应用对象在不同用氢条件下需满足不同氢气纯度和压力需求，需设置各式各样的加氢场所，制定不同安全标准规范，并配备专门的安全维护人员及设施，且用户需针对需求选择特定加氢场所，缺少普遍适用性，管理方面相对冗杂。

技术实现思路

[0006]为解决现有部分氢储存技术中储氢压力高、储氢密度低、储氢设备占地大、用户氢需求与氢供给能力不匹配等问题，本专利技术的目的是提供一种氢纯化、储存和增压一体化系统及方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种氢纯化、储存和增压一体化系统，包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、氢气储罐、可调冷热源以及气泵；
[0009]其中，第一换热器内设置有第一低压级金属氢化物反应器，第二换热器内设置有第二低压级金属氢化物反应器，第三换热器内设置有中压级金属氢化物反应器，第四换热
器内设置有高压级金属氢化物反应器；
[0010]第一低压级金属氢化物反应器与第二低压级金属氢化物反应器相连，中压级金属氢化物反应器与高压级金属氢化物反应器相连；
[0011]第一低压级金属氢化物反应器、第二低压级金属氢化物反应器、中压级金属氢化物反应器以及高压级金属氢化物反应器的出口均与气泵相连，气泵与氢气储罐相连。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，第一低压级金属氢化物反应器和第二低压级金属氢化物反应器均与氢源相连。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，氢气储罐出口与第一低压级金属氢化物反应器或第二低压级金属氢化物反应器相连。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，第一低压级金属氢化物反应器、第二低压级金属氢化物反应器的出口均经第二三通阀门B'与下游尾气处理工艺装置相连。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，还包括第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵；
[0016]第一换热器的入口与第一循环泵相连，第一循环泵经第二二通阀门B与可调冷热源相连；第二换热器的入口与第二循环泵相连，第二循环泵经第四二通阀门D与可调冷热源相连，第三换热器的入口与第三循环泵相连，第三循环泵经第六二通阀门与可调冷热源相连；第四换热器的入口与第四循环泵相连，第四循环泵经第八二通阀门与可调冷热源相连。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，第一换热器的出口经第一二通阀门与可调冷热源相连，第二换热器的出口经第三二通阀门与可调冷热源相连，第三换热器的出口经第五二通阀门与可调冷热源相连，第四换热器的出口经第七二通阀门与可调冷热源相连。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，第一低压级金属氢化物反应器、第二低压级金属氢化物反应器、中压级金属氢化物反应器、高压级金属氢化物反应器内装有不同吸放氢压力等级的储氢合金或储氢单金属。
[0019]本专利技术进一步的改进在于，储氢合金为镧镍系AB5型LaNi5/MmNi5及其衍生物、钛铁系AB型TiFe及其衍生物或A2B镁基Mg2Ni及其衍生物；储氢单金属为镁、铝、锂或钙。
[0020]一种基于如上所述系统的氢纯化、储存和增压一体化方法，包括如下步骤：
[0021]储存在第一低压级金属氢化物反应器或第二低压级金属氢化物反应器中金属氢化物的氢气，在外界可调冷热源的作用下，发生放氢反应，产生的氢气通入中压级金属氢化物反应器中，在外界可调冷热源的作用下，在中压级金属氢化物反应器发生吸氢反应，剩余未反应的低压氢气储存在氢气储罐中；然后根据下游氢利用需求，设置中压级金属氢化物反应器的反应温度，在外界可调冷热源的作用下，发生放氢反应，实现氢气的压缩，输出中压氢气；
[0022]储存在中压级金属氢化物反应器中的氢气，在外界可调冷热源的作用下，发生放氢反应，产生的氢气通入高压级金属氢化物反应器，在外界可调冷热源的作用下，在高压级金属氢化物反应器发生吸氢反应，剩余未反应的中压氢气，回收储存在氢气储罐中，然后，根据下游氢利用需求，设置高压级金属氢化物反应器的反应温度，在外界可调冷热源的作用下，在高压级金属氢化物反应器中发生放氢反应，输出高压氢气。
[0023]本专利技术进一步的改进在于，氢气进入第一低压级金属氢化物反应器，在外界可调冷热源的作用下，通过第一换热器加热储氢合金或储氢单金属，发生吸氢反应，储存氢气，
第二低压级金属氢化物反应器中的金属氢化物，在外界可调冷热源的作用下，发生放氢反应，产生的氢气经氢气储罐后进入第一低压级金属氢化物反应器，吹扫残留尾气，完成氢纯化和储存工艺。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出利用金属氢化物实现氢气的纯化、储存和增压，由于金属氢化物反应器中的储氢合金或储氢单金属在适当的温度和压力条件下，可以直接与氢气发生可逆反应，生成金属氢化物，并利用金属氢化物的PCT特性，通过设置不同反应温度，实现氢气的低压吸收和高压释放，达到增压的效果。利用金属氢化物储氢，不仅相较于高压气态储氢、低温液态储氢安全性更高、能耗低，设备相对简单，材料价格低廉，而且使用该方法可以获得纯度更高、不同压力的高纯氢气。反应器吸氢过程结束后残余的杂质尾气被抽走，储存在氢气储罐中或另一反应器加热放出的部分氢气用于尾气吹扫，保证放氢时氢气的纯度，获得高纯氢气可供下游氢利用。系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，包括第一换热器(1)、第二换热器(3)、第三换热器(6)、第四换热器(8)、氢气储罐(5)、可调冷热源(10)以及气泵(15)；其中，第一换热器(1)内设置有第一低压级金属氢化物反应器(2)，第二换热器(3)内设置有第二低压级金属氢化物反应器(4)，第三换热器(6)内设置有中压级金属氢化物反应器(7)，第四换热器(8)内设置有高压级金属氢化物反应器(9)；第一低压级金属氢化物反应器(2)与第二低压级金属氢化物反应器(4)相连，中压级金属氢化物反应器(7)与高压级金属氢化物反应器(9)相连；第一低压级金属氢化物反应器(2)、第二低压级金属氢化物反应器(4)、中压级金属氢化物反应器(7)以及高压级金属氢化物反应器(9)的出口均与气泵(15)相连，气泵(15)与氢气储罐(5)相连。2.根据权利要求1所述的一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，第一低压级金属氢化物反应器(2)和第二低压级金属氢化物反应器(4)均与氢源相连。3.根据权利要求1所述的一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，氢气储罐(5)出口与第一低压级金属氢化物反应器(2)或第二低压级金属氢化物反应器(4)相连。4.根据权利要求1所述的一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，第一低压级金属氢化物反应器(2)、第二低压级金属氢化物反应器(4)的出口均经第二三通阀门B'与下游尾气处理工艺装置相连。5.根据权利要求1所述的一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，还包括第一循环泵(11)、第二循环泵(12)、第三循环泵(13)、第四循环泵(14)；第一换热器(1)的入口与第一循环泵(11)相连，第一循环泵(11)经第二二通阀门B与可调冷热源(10)相连；第二换热器(3)的入口与第二循环泵(12)相连，第二循环泵(12)经第四二通阀门D与可调冷热源(10)相连，第三换热器(6)的入口与第三循环泵(13)相连，第三循环泵(13)经第六二通阀门(F)与可调冷热源(10)相连；第四换热器(8)的入口与第四循环泵(14)相连，第四循环泵(14)经第八二通阀门(H)与可调冷热源(10)相连。6.根据权利要求1所述的一种氢纯化、储存和增压一体化系统，其特征在于，第一换热器(1)的出口经第一二通阀门(A)与可调冷热源(10)相连，第二换热器(3)的出口经第三二通阀门(C)与可调冷热源(10)相连，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴震，张早校，杨福胜，杨宇宸，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：