[发明专利]一种燃料电池氢气纯化管路、方法及系统

说明书

本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及一种燃料电池氢气纯化管路、方法及系统。本发明采用3D打印技术将甲烷化催化剂打印到管路内壁，以该纯化管路取代现行的甲烷化反应器，可以大大强化反应的传热和传质速率，在传质、传热、恒温等方面都优于传统的反应器；利用该纯化管路结构可实现反应热量的高效传递，实现甲烷化反应在接近于恒温条件下进行，避免形成热点，造成催化剂失活，减少安全隐患。另外，该纯化管路放大工艺简单、可操作性强，可以根据工况负荷的需要灵活设计反应器模块的数量。本发明采用3D打印技术还具有节省材料，降低成本，节省生产周期的优势，可真正实现数字化、智能化加工。

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及一种燃料电池氢气纯化管路、方法及系统。

背景技术

氢能是未来最理想的一种清洁能源之一。氢燃料电池汽车以氢气为燃料，能量转化效率高，清洁零排放，是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。然而氢燃料电池汽车的推广目前仍然困难重重，其中一个关键难题是氢燃料电池电极的CO中毒问题，作为氢燃料电池汽车的“心脏”，燃料电池电极极易被CO和CO₂杂质气体毒化。现阶段，氢气主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的水蒸汽重整、水煤气变换反应等，通常含有0.5％～2％的微量CO和CO₂。但是，用于燃料电池的H₂中CO含量应低于10ppm，SAE J-2719和ISO/PDTS14687-2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。

目前，氢气纯化技术主要分为物理纯化技术和化学纯化技术。物理纯化技术是利用H₂与杂质之间的物理性质差异来除去杂质，包括：变压吸附法(PSA)，高温扩散(HTD)法，低温扩散(LTD)法，以及溶剂吸收法等。这些物理纯化技术虽然已经比较完善，但需要复杂而笨重的设计。化学纯化技术通过化学氧化反应除去低等级氢中的杂质，包括：低温变换(LTS)技术，选择性氧化(PROX)技术等。微通道反应器除杂技术是一种新兴的氢气中微量杂质脱出技术，但是，现有技术中甲烷化催化剂采用固定床进行装填，反应过程大量放热，如果安装换热系统，造成设备繁杂庞大，如过温度控制不好，热量容易积累，造成催化剂失活，需要频繁更换催化剂，影响氢气纯化效果。

微量CO及CO₂分离是传统变压吸附提氢的“短板”，要想达到CO≤0.2ppm，CO₂≤2ppm的要求(GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》)，就需要同时将燃料氢气中含量要求不高的N₂和Ar等杂质一并脱除至很低的水平，结果就是损失了氢气收率，导致燃料氢气成本升高，同时还难以解决原料气组分波动和吸附剂长期运行性能下降所导致的燃料氢气品质不稳定的潜在风险。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中通过甲烷化反应进行氢气提纯的反应过程中容易造成热量积累，催化剂易失活等缺陷，从而提供一种燃料电池氢气纯化管路、方法及系统。

为此，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种燃料电池氢气纯化管路，所述纯化管路内壁采用3D打印技术打印有甲烷化催化剂层。

可选的，所述甲烷化催化剂层具有蜂窝结构；

可选的，所述甲烷化催化剂层打印的图案为空心正方形，空心四角星形，齿轮形，空心圆形，六角星形，十字形，四角星形或三角星形。

可选的，所述甲烷化催化剂层的厚度为0.5-5mm，管路内径为1-2cm。

本发明还提供一种燃料电池氢气纯化纯化方法，包括如下步骤，将氢气通过上述的纯化管路，进行甲烷化反应，得到纯化后的氢气。

可选的，所述甲烷化反应的温度为150-300℃，压力为1-4MPa，氢气流速100-300mL/min。