[发明专利]氢气提纯装置及方法

说明书

本发明提供一种氢气提纯装置，包括催化反应器，催化反应器包括燃烧层和与燃烧层相邻的选择性氧化层；燃烧层设置有催化燃烧催化剂，选择性氧化层设置有一氧化碳选择性氧化催化剂；燃烧层设置有燃料入口和燃烧层氧化气体入口；选择性氧化层设置有氢气入口、选择性氧化层氧化气体入口和氢气出口。本发明还提供使用上述氢气提纯装置提纯氢气的方法。本发明的氢气提纯装置结构紧凑，氢气提纯效率/体积比高，可作为在氢气应用点的氢气原位提纯装置‑作为车载氢气纯化装置、家用燃料电池热电联产(CHP)氢气纯化装置或加氢站氢气纯化装置，允许灵活使用氢燃料，可降低运营成本，提高燃料电池动力系统的可靠性和效率，并长时间连续供电。

技术领域

本发明涉及氢气提纯领域，具体涉及一种小型低等级氢气原位提纯装置和方法。

背景技术

氢能可以利用多种一次能源清洁高效地产生电能和热能，是21世纪能源的关键解决方案。氢能具有零排放能量转换及发电的特性，目前正被设计用于包括汽车、固定电源、航空航天和电子消费品在内的一系列应用场景。未来氢能及燃料电池的发展目标包括：(1)降低成本；(2)实现燃料供应的灵活性；(3)实现系统高效集成；(4)具有优秀的可靠性和耐用性；(5)加强基础建设；(6)理解并遵守关于燃料电池选址、保险和认证的政府法律规章制度。

氢能不是像煤炭和天然气那样的一次能源，而是一种能量载体，它由基于不同的常规一次能源的现有能源系统产生。长远来看，可再生能源将成为氢能生产的最重要的来源。再生氢、由核能产生氢以及由化石能源的能量转化体系产生氢配合对二氧化碳排放的捕获和安全封存，几乎是完全无碳的氢气生产路径。目前，各种氢气生产方式产生的氢包含的杂质主要是一氧化碳(CO)，也可能存在痕量的硫化物(主要是H₂S)、二氧化碳、碳氢化物、惰性气体、微粒、水和氧气。

CO是H₂在质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用中最主要的杂质之一，它会阻断Pt催化剂中的活性位点，并使燃料电池催化剂中毒。研究认为，用于PEMFC的H₂中CO含量应低于10ppm。SAE J-2719和ISO/PDTS 14687-2将“燃料电池级氢”的最低纯度定义为99.99％(如果考虑氦，则为99.97％)，允许总杂质少于100ppm，包括少于5ppm(通常是1-3ppm)的氧气、少于5ppm(通常是1-3ppm)的水和少于100ppb的CO。用于生产H₂的水煤气变换(WGS)反应器的出口CO浓度为0.1至1.0％，变压吸附(PSA)技术可以达到SAE/ISO提出的大多数H₂杂质标准，但可能会使H₂成本增加20％。实现H₂中超低CO浓度对H₂生产提出了重大挑战，导致“燃料电池级氢气”的高昂成本，而高昂的氢气成本已被认为是燃料电池实际应用中的障碍之一。