浓缩氢同位素的装置和方法制造方法及图纸

公开了一种电化学氢同位素浓缩装置。所述装置包括待浓缩的所述氢同位素的入口流股。所述装置还包括电化学电池，所述电化学电池包括包含所述氢同位素的氢核素的氢核素交换膜，与所述入口流股流体连通的所述氢核素交换膜的第一侧面上阳极，所述氢核素交换膜的第二侧面上的阴极，和所述阳极和所述阴极之间的电路连接。所述装置进一步包括两个出口流股：与所述阴极流体连通的氢同位素的第一出口流股，和与所述阳极流体连通的贫乏所述氢同位素的第二出口流股。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】浓缩氢同位素的装置和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求享有2016年9月9日提交的美国临时专利申请序列号62/385,787的优先权，该专利申请公开内容以其整体结合于本文中作为参考。
技术介绍
氢的同位素，包括氘和氚，可用于各种商业和工业方法中，从而有利地改进各种产品，包括食品和营养产品，农产品，半导体，光纤类，光电子类等的性质。虽然强烈希望将这些同位素包括于许多产品和方法中，但这种用途通常会受到所述同位素的相对稀缺性的阻碍。因此，对于再循环这些同位素或另外地以高纯度纯化含这些同位素的流体从而使其能够在其被使用的所述过程中使用或再使用的新方法和设备仍存需要。
技术实现思路
本文公开了一种电化学氢同位素浓缩装置。所述装置包括包含待浓缩的所述氢同位素的入口流股。所述装置还包括电化学电池，所述电化学电池包括包含所述氢同位素的氢核素(hydron)的氢核素交换膜，所述氢核素交换膜第一侧面上与入口流股流体连通的阳极，所述氢核素交换膜第二侧面上的阴极，和所述阳极和所述阴极之间的电路连接。所述装置进一步包括两个出口流股：与所述阴极流体连通的第一出口流股，所述第一出口流股包含浓缩的氢同位素，和与所述阳极流体连通的第二出口流股，所述第二出口流股包含来自贫乏所述氢同位素的入口流股的流体。本文公开了一种生产高纯度氢同位素产品的方法。所述方法包括电化学膜方法，其中所有包含组分的常规水都使用包含氢的同位素的重水进行预处理。本文还公开了浓缩氢同位素的方法。所述方法包括将包含待浓缩的氢同位素的流体输送至电化学电池的阳极，所述电化学电池包括包含所述氢同位素的氢核素的氢核素交换膜，所述氢核素交换膜第一侧面上的阳极，所述氢核素交换膜第二侧面上的阴极，和所述阳极和所述阴极之间的电路连接。与所述阴极流体连通的第一流股被除去，所述第一流股包含浓缩的氢同位素。与所述阳极流体连通的第二流股被除去，所述第二流股包含输送至耗尽所述氢同位素的所述阳极的流体。在一些实施方式中，包含所述氢同位素的水能够递送至所述氢核素交换膜。在一些实施方式中，在将所述待浓缩的流体输送到所述阳极之前，可以使所述氢核素交换膜与包含所述氢同位素的水接触。在前述实施方式中的任何一个或组合中，能够在将所述待浓缩的流体输送到所述阳极的同时，将包含所述氢同位素的水输送到所述氢核素交换膜。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述氢核素交换膜能够包含氢交换载体材料和包含所述氢同位素的水。在前述实施方式中的任何一个或组合中，所述水能够包含预定原子分数的所述氢同位素。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述预定原子分数的所述同位素能够构造成生产目标氢同位素纯度的所述第一出口流股。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述装置能够进一步包括与所述氢核素交换膜流体连通的包含所述氢同位素的水源。在一些实施方式中，所述水源能够包括与所述氢核素交换膜流体连通的液态水流回路。在一些实施方式中，所述水源能够包括与所述入口流股流体连通的加湿器。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述氢核素交换膜能够包含离聚物。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述离聚物能够包含含有磺酸盐基团的含氟聚合物。在前述实施方式的任一个或组合中，所述装置能够进一步包括与所述第一出口流股流体连通的除湿器。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述氢同位素能够包含氘。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述氢同位素能够包含氚。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述装置能够包括电化学电池的堆叠。在前述实施方式中的任一个或组合中，所述第一出口流股能够电化学压缩至高于大气压的压力。在前述实施方式的任一个或组合中，包含所述氢同位素的水被再循环或回收。结合所述附图，根据以下对本专利技术的详细描述，本专利技术的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。附图说明其他特征、优点和细节仅以举例说明的方式在以下实施方式的详细描述中呈现，详细描述参考所述附图，其中：图1是氢浓缩装置的示意图。图2是具有包含供给于氢核素交换膜的氢同位素的液态水的氢浓缩装置的示意图；和图3是具有包含供给于氢核素交换膜的氢同位素的水蒸气的氢浓缩装置的示意图。具体实施方式以下将会阐述装置、组件、系统和/或方法的非限制性的示例实施方式的详细描述。在整个多个附图中可以使用相应的参考标号指示相同或相应的部件和特征。现在参考图1，一个示例性实施方式显示的是氢同位素浓缩装置10。如图1所示，所述装置10包括电化学电池，所述电化学电池包括具有在其相对侧面上的阳极14和阴极16的氢核素交换膜12，和连接所述阳极和所述阴极的电路18。具有阳极14和阴极16的所述氢核素交换膜12也能够称为膜电极组件或MEA。其他组件能够与所述MEA相关联，如阳极侧和阴极侧流场结构(flowfieldstructure)(未显示)，其为过程液体或气体提供流体流动路径。这些结构通常远离所述MEA设置，而所述MEA和流场结构安装于框架组件(未显示)中，以提供与所述MEA接触的流体流动的空间。具有集成电源20的电源或其他电子组件(例如，电子控制单元或ECU)连接到所述电路18从而向所述电化学电池提供电力或控制。在运行中，所述电化学电池接收包含待浓缩的所述氢同位素(nH2，其中n如上所述)的入口流股22。在一些实施方式中，所述入口流股22能够，例如在用过的(spent)过程气体再循环流股中，包含至少一种其他气体组分(例如，氮，氩，一氧化碳，二氧化碳；在图1中仅为了便于参考标识为氮)。在一些实施方式中，所述入口流股能够是含有待除去(即，增加所述氢同位素的浓度)的杂质的氢同位素供给流股。在一些实施方式中，所述入口流股能够含有纯氢同位素或已满足纯度规格的氢同位素，并且所述电化学电池用于提供较高压力的氢同位素(即，增加所述氢同位素浓度的另一种形式)。所述电化学电池作为隔膜(separator)进行运行，其中来自施加于所述电极(阳极14和阴极16)的所述电源20的电流驱动氢离子(氢核素)从阳极侧穿过所述氢核素交换膜12到所述阴极侧，而同时入口流股22中的其他组分则保留于阳极侧。氢在所述阳极14处被电离，由所述电路18获得所释放的电子。所述电离的氢穿过所述氢核素交换膜12到达所述阴极侧，在那里它与所述阴极16处的电子结合成氢同位素从而形成出口流股24。所述阳极侧的氢耗尽气体形成出口流股26，其能够根据其特性/性质被排出，完全或部分地再循环回到入口流股16，或进行进一步处理，再循环或重新使用，作为出口流股26排出。阳极14和阴极16能够由适于进行所需电化学反应(例如，氢气解离)的催化材料制成。合适的催化材料包括，但不限于，铂，钯，铑，碳，金，钽，钨，钌，铱，锇，其合金等，以及前述材料的组合。阳极14和阴极16位于所述氢核素交换膜12附近，并优选与所述氢核素交换膜12接触，并且能够由包含吸附于多孔基材上的离散催化颗粒的结构限定。所述催化颗粒在基材上的粘附可以通过任何方法，包括但不限于，喷涂(spraying)，浸涂(dipping)，涂布(painting)，吸取(imbibing)，气相沉积(vapordepositing)，前述方法的组合等完成。可替代地，所述催化颗粒可以直接沉积于质子交换膜12的相对侧面上或沉积于载体元件(未显示)上。所述氢核素交换膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学氢同位素浓缩装置，包括：包含待浓缩的氢同位素的入口流股；电化学电池，包括包含所述氢同位素的氢核素的氢核素交换膜，与所述入口流股流体连通的所述氢核素交换膜的第一侧面上的阳极，所述氢核素交换膜的第二侧面上的阴极，和所述阳极和所述阴极之间的电路连接；与所述阴极流体连通的第一出口流股，所述第一出口流股包含浓缩的氢同位素；和与所述阳极流体连通的第二出口流股，包含来自贫乏所述氢同位素的所述入口流股的流体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.09 US 62/385,7871.一种电化学氢同位素浓缩装置，包括：包含待浓缩的氢同位素的入口流股；电化学电池，包括包含所述氢同位素的氢核素的氢核素交换膜，与所述入口流股流体连通的所述氢核素交换膜的第一侧面上的阳极，所述氢核素交换膜的第二侧面上的阴极，和所述阳极和所述阴极之间的电路连接；与所述阴极流体连通的第一出口流股，所述第一出口流股包含浓缩的氢同位素；和与所述阳极流体连通的第二出口流股，包含来自贫乏所述氢同位素的所述入口流股的流体。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述氢核素交换膜包含氢交换载体材料和包含所述氢同位素的水。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述水包含预定原子分数的所述氢同位素。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述预定原子分数的所述同位素构造成产生所述第一出口流股的目标氢同位素纯度。5.根据权利要求2～4中任一项所述的装置，进一步包含与所述氢核素交换膜流体连通的包含所述氢同位素的水源。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述水源包含与所述氢核素交换膜流体连通的液态水流回路。7.根据权利要求5所述的装置，其中所述水源包含与所述入口流股流体连通的加湿器。8.根据权利要求1～7中任一项所述的装置，其中所述氢核素交换膜包含离聚物。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述离聚物包含含有磺酸盐基团的含氟聚合物。10.根据权利要求1～9中任一项所述的装置，进一步包含与所述第一出口流股流体连通...

【专利技术属性】
技术研发人员：达里尔·勒德洛，格雷格·赫斯勒尔，特伦特·莫尔特尔，
申请(专利权)人：斯凯瑞有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US