电化学电池和处理含氢气体流的方法技术

一种电化学电池或者电化学电池堆，该电池或堆中的每个电池至少包括：膜电极组件（MEA），所述MEA至少包括阳极、阴极和它们之间的阴离子交换膜；用于在第一压力下引入氢的阳极半电池的入口，用于在第二压力下转移氢的阴极半电池的出口，以及用于向电池提供所需的功率的装置。在一实施例中，氢的纯化和压缩通过使用以下反应途径来发生：公式（I）和公式（II）。AEM阳极H2+2OH

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学电池和处理含氢气体流的方法


[0001]本专利技术涉及电化学电池和处理含氢气体流的方法，可选地，还涉及通过利用一电化学电池或多个堆叠设置的电化学电池来处理含氢气体流的方法，其中该电池或电池堆可用于例如纯化和压缩氢气、用于从气体流中检测出氢气、以及用于发电。

技术介绍

[0002]氢气可以多种方式使用，例如用作工业原料或者作为长期储能的一种方式。一些应用，例如车辆中的燃料电池，需要高压（例如350bar或700bar）；而在某些应用中，还可能需要更高压。所储存的氢气必须干燥，因为残留的水分会损坏设备组件、降低效率或产生其他负面影响。
[0003]作为一种长期储能或短期储能的方式，氢气的应用越来越普遍。氢气可用于现有的天然气管道中以提供热量，还可在用于燃料电池时提供电力。而且，氢气也有许多工业应用。
[0004]电解槽是一种通过分解水来产生氢气和氧气的设备，其一般采用阴离子交换膜（AEM）、质子交换膜（PEM）和碱性这三大目前可用的电解水技术之一。其他的电解水技术（比如固体氧化物）亦是可用的。
[0005]如WO2011/004343中所公开的，氢气可以通过碳氢化合物产生，或者以环保的方式电解而得。最好是开发“绿色”氢气，以取代对化石燃料的依赖。
[0006]惯常使用机械方式和非机械方式压缩氢气，但会存在多个问题，例如机械压缩所需的能量、压缩机中的油/润滑剂对氢气的污染以及所需的预干燥等。此外还需考虑其他因素，例如压缩机的电源和成本。
[0007]PEM电化学压缩过程中，低压氢气与水反应，分解成水合氢离子和电子，水合氢离子穿过膜后重新结合形成氢气和水。PEM技术涉及以下反应：PEM阳极H2+2H2O
→
2H3O
+
+2e
‑
PEM阴极2H3O
+
+2e
‑
→
H2+2H2O在PEM电化学压缩技术中，水存在于阴极——这与采用本专利技术方法的反应途径有根本区别。所以，尽管氢气可以在PEM电化学电池中压缩，但它本身是潮湿的，因此不纯，故而在储存之前，必须在PEM电化学压缩中使用干燥剂。
[0008]此外，PEM的酸性环境意味着必须使用铂族金属（PGM）催化剂和昂贵的金属/涂层（例如钛）。由于种种原因，使得氢气未能被广泛应用。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是，提供用于电化学压缩和纯化氢气的装置和方法。
[0010]根据本专利技术提供的电化学电池，其包括：阳极半电池，其具有入口，用于在第一压力下接收氢；阴极半电池，其具有出口，用于在第二压力下传输氢；
将所述阳极半电池和所述阴极半电池分隔开的膜电极组件(MEA)；以及电源；其中所述MEA至少包括：阳极电极；阴极电极；和阳极电极和阴极电极之间的阴离子交换膜（AEM）。
[0011]本文中，术语“电池”用于指代电化学电池；“堆”通常被认为是指多个电池，但是该术语也可用于描述电池堆内的单个电池或整个电池堆。
[0012]本文中，就阴离子交换膜而言，术语“潮湿”、“水合”和“加湿”可互换使用。
[0013]本文中，湿度与水分传感器可互换使用，意指能够检测出是否有水的一切传感器。
[0014]本文中，术语“阳极”和“阴极”可与“阳极半电池”和“阴极半电池”互换使用。
[0015]本文中，术语“阴离子交换膜”（AEM）可用于任何离子交换材料，其具有阴离子交换特性，也具有或不具有阳离子交换特性（例如通过KOH掺杂PBI基材料或混合的阳离子和阴离子聚合物和/或官能团添加的钾离子）。额外的阳离子基团可能参与或不参与其中一个或两个半反应。
[0016]本文中，术语“压缩”虽然通常是指压力的增加，然而在一些实施例中，可能需要降低压力，因此术语“压缩”可以与“减压”同义使用。电化学电池可称为压缩机，但这不排除电池仅作为传感器或纯化装置的情况。
[0017]本文中，术语“目的地”是指纯化和/或压缩氢气的任何最终用途（例如但不限于补给燃料或储存）。
[0018]本文未示出包含温度和压力调节装置、阀门、接线等的设备平衡（BOP）。本文也没有描述电源到一或多个电化学电池的连接——由于氢气通常需要处于高压下，且高于单个电池压缩机所能达到的压力，因此可以将一或多个电池（该多个电池构成电池堆）串联使用。需要指出的是，在一个压缩机中可以使用一或多个堆。此外，如果杂质浓度高于某一水平，则可能需要多个电池。
[0019]根据本专利技术第二实施例提供的电化学电池组件，其包括基本上如上所述的至少第一电化学电池和第二电化学电池，该第一电化学电池和第二电化学电池堆叠设置，其中，第一电化学电池的阴极半电池的出口与第二电化学电池的阳极半电池的入口流体连通。
[0020]本文中，术语“电池级”是指一个或多个电池，其中进入阳极的氢气的压力彼此基本相似，并且一个级中的每个电池或电池堆的阴极出口组合成下一级中的每个电池或电池堆的阳极输入。每个级可以并联连接，串联连接，或者串、并联组合连接。
[0021]在压缩流体时，通常的做法是进行多级压缩。这同样可以应用于电化学压缩。在本专利技术一实施例中，可以通过在每个级具有一或多个电池来实现多级压缩，如上所述。氢气以第一压力进入第一级中的一或多个电池的阳极，第一级中的一或多个电池的一或多个阴极的出口组合且处于第二压力下。第一级的处于第二压力的阴极出口通常是第二级中的一或多个阳极半电池的输入，或者，如果只有一级压缩/纯化，则该出口的输出被储存。
[0022]可以想象将每一级的电池或电池堆平行设置，或者作为节省空间的一种方式，与虑及多级的将管和BOP串联成多级。附图中描绘了各种设置。可以设置用于分离和/或隔离每个电池的装置。
[0023]一般地，对于每组电池或压缩级，施加到电池或电池堆的电流总和与下一组电池或压缩级基本相同。如果一级中每个电池的压差与另一级的不同，则在每一级穿过膜所需的电流会发生变化。更高的压差需要更高的电流密度以克服氢的反向扩散（交叉）。然而，这可能会导致较低的法拉第效率。附图中会说明该实施例。
[0024]纯化与压缩通常会同时进行。在这样的实施例中，第二压力高于第一压力。（每个）阴极出口都可以使用已知的任何用于调节压力的装置，使得氢气在升高的压力下离开阴极出口。在替代实施例中，可能需要对氢气进行减压，并且可以相应地设置用于调节压力的装置。
[0025]在具有单个电池或电池堆的AEM压缩机中，氢气以第一压力进入第一电池的阳极半电池，并且氢气在第一阴极半电池中被加压至第二压力。第二压力下的氢气流从第一阴极半电池被输送至第二电池的阳极半电池。氢气在第二阴极半电池中被加压至第三压力，依此类推；在一连串的电池中，压力逐渐升高，例如P1<P2<P3<P4等。可以预计到，阴极半电池的压力高于前一电池的阳极，并且其中所含的氢气比相应的阳极中的氢气更纯。
[0026]AEM结构本质上与PEM不同，因为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学电池，其特征在于，包括：阳极半电池，其具有入口，用于在第一压力下接收氢；阴极半电池，其具有出口，用于在第二压力下传输氢；和膜电极组件（MEA），用于分离所述阳极半电池和所述阴极半电池；电源；其中所述MEA至少包括：阳极电极；阴极电极；和所述阳极电极和所述阴极电极之间的阴离子交换膜（AEM）。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，包括至少一个阳极出口。3.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其特征在于，还包括压力调节装置，其位于以下任一或多个处：所述阳极半电池的入口；所述阴极半电池的出口；如果存在所述阳极半电池的出口，则为所述阳极半电池的出口。4.根据权利要求3所述的电化学电池，其特征在于，所述阴极半电池的出口处的压力调节装置用于在使用中将所述阴极半电池中的气压保持在大于所述阳极半电池中的气压。5.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述MEA还包含一种或多种催化剂。6.根据权利要求5所述的电化学电池，其特征在于，所述催化剂不是铂族金属。7.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述MEA还包括以下中的任何一种或多种：阳极气体扩散层（GDL）；阴极GDL；在阳极和/或阴极侧的微孔层（MPL）；阳极和/或阴极侧的水处理膜；阳极和/或阴极侧的膜支撑件。8.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述AEM包括复合膜。9.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述AEM掺杂有OH
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源。10.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，包括离聚体，其在所述AEM的阴极侧和所述AEM的阳极侧中的至少一个上。11.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述MEA在所述AEM的阳极侧或阴极侧中的至少一个上不含离聚体和/或不含粘合剂。12.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述AEM包括吸湿颗粒。13.根据权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述吸湿颗粒以浓度梯度排列，其浓度在AEM的阴极侧更高。14.根据前述权利要求从属于权利要求3时的任一项所述的电化学电池，其特征在于，压力调节装置用于在使用中将电池两端的压差保持在1
‑
1000巴的范围内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其特征在于，包括耦接到所述阴极半电池的出口的湿度传感器。16.根据权利要求1至15中任一项所述的电化学电池，其特征在于，包括输出装置，用于可连...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬贾斯图，
申请(专利权)人：因纳普特公司，
类型：发明
国别省市：