电化学压缩气态氢的方法和系统技术方案

用于电化学压缩氢气的方法和系统。在一个实施例中，该系统包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括聚合物电解质膜(PEM)、阳极和阴极。第一和第二气体扩散介质分别邻近阴极和阳极定位。加湿膜紧邻第二气体扩散介质定位在与阳极相对的侧上。水源与加湿膜连接，氢气供给源与第二气体扩散介质连接。包括背压调节器的氢气收集器连接至第一气体扩散介质。定位在MEA的相对侧上的隔膜连接至电源。在使用中，氢气以电化学方式泵送穿过MEA并且被收集在氢气收集器中。PEM由加湿膜保持适当潮湿，加湿膜将水释放到第二气体扩散介质中。释放到第二气体扩散介质中。释放到第二气体扩散介质中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学压缩气态氢的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月31日申请的美国临时申请No.63/002,614的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]联邦资助的研究或开发
[0004]本专利技术是依据美国能源部授予的名称为“先进电化学氢气压缩机(Advanced Electrochemical Hydrogen Compressor)”的DOE DE
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EE0007647合作协议在政府支持下进行的。美国政府对本专利技术拥有一定的权利。

技术介绍

[0005]本专利技术总体上涉及用于压缩气态氢的方法和系统，并且更具体地涉及用于电化学压缩气态氢的方法和系统。此外，本专利技术还涉及新的电化学电池和用于制造这种电化学电池的方法、以及这种电化学电池的部件和它们的制造方法。
[0006]由于各种原因，包括但不限于日益增长的环境问题，在过去的几年中，为化石燃料提供可接受的能量替代物的努力已经受到相当大的关注。已经做出很多努力的一个领域是开发氢燃料电池。氢燃料电池对化石燃料的燃烧提出了有吸引力的替代方案，因为氢燃料电池能够简单地通过使用氢气和氧气作为反应物来发电，其中水是燃料电池运行的副产物。因为氧气大量地自然存在于空气中，所以向燃料电池提供氧气可与向燃料电池供应空气一样简单。另一方面，氢气并不大量地自然存在于空气中；因此，大多数燃料电池联接至某种氢气供应罐，在该氢气供应罐中储存一定体积的氢气以供燃料电池使用。
[0007]限制氢燃料电池在某些应用中的使用的因素之一是在短时间段内填充或再填充氢存储罐的困难。例如，美国汽车制造商已经在氢气燃料电池电动车辆(FCEV)的研究和开发中投入了大量资源。然而，为了能够广泛使用FCEV，需要高效氢气加燃料站的基础设施。为了快速地将氢气从加燃料站分配到FCEV储箱，氢气必须在加燃料站中被压缩到非常高的压力，例如至少875bar。
[0008]一种用于压缩气态氢的技术是使用机械式气体压缩机。然而，不幸的是，机械式气体压缩机往往具有高资本成本、高维护成本和差的可靠性。此外，机械式气体压缩机趋于产生显著的噪音和热量。此外，由机械式气体压缩机产生的压缩氢气通常含有少量来自压缩机的泵油和其他污染物。这种油和其他污染物在压缩氢气中的存在是不利的，因为其降低了燃料电池接收污染氢气的性能。最重要的是，即使是单个机械式氢气压缩机的故障成本也非常高，因为它需要维修压缩机所在的加燃料站。
[0009]另一种压缩气态氢的技术是使用电化学氢气压缩机。电化学氢气压缩机的示例公开于美国的专利申请(公开号为US 2004/0211679 A1，专利技术人Wong等人)，其公布于2004年10月28日，并且其全部内容以引用方式结合于本文。更具体地，根据该公布的申请，公开了用于氢气的电化学压缩的装置和方法。该装置被称为包括膜电解质电池组件(MEA)，该膜电解质电池组件包括夹住该MEA的平面气体分配板，该组件通过端板保持在一起，该端板具有互补的外围凹槽以用于安置端板与MEA之间的中间密封件，该阳极侧上的端板还包括氢气
供应入口，并且该阴极侧上的端板还包括压缩氢气出口。本专利技术公开了单电池和多电池组件。多电池组件包括多个这样的与并联的气体端口串联电连接的单电池，使得来自每个独立的电池的出口的压缩氢气被连接，其中每个电池与串联的相邻电池电隔离。
[0010]电化学氢气压缩机的其他示例和/或与电化学氢气压缩机相关的信息可在以下文献中找到，所有这些文献通过引用以其全部内容并入本文：2018年10月23日颁布的专利技术人Blanchet等人的专利号为10,109,880B2的美国专利；2006年2月7日颁布的专利技术人Barbir等人的专利号为6,994,929B2的美国专利；公开于2017年12月13日、申请公开号为EP 3254747A1的欧洲专利申请；以及Nordio等人的“电化学氢气压缩机的实验和建模研究(Experimental and modelling study of an electrochemical hydrogen compressor)”(《化学工程学报》，出版号369:432
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442(2019))。
[0011]对于使用质子交换膜(PEM)作为膜电极组件的一部分的类型的电化学氢气压缩机，必须解决的一个问题是质子交换膜的适当加湿。换句话说，如果质子交换膜在其操作期间未维持在适当加湿状态，则其将不能适当地起作用。不幸的是，电化学氢气压缩机的质子交换膜的适当加湿的维持通过以下事实变得更加困难：当压缩机运行时，不仅氢离子(即，质子)被输送穿过质子交换膜，而且水分子也被输送穿过质子交换膜。此外，基于PEM的电化学氢气压缩机中的水管理特别难以维持在高差动操作压力下，因为水从高压阴极到低压阳极的液压渗透与差动压力成比例，导致必要的水被迫离开MEA。因此，为了补偿前述质子交换膜的水损失，必须向质子交换膜连续添加水以保持其加湿。通常，这通过在氢气输送至电化学氢气压缩机之前加湿氢气的供应(例如，通过在氢气输送至电化学氢气压缩机之前使氢气鼓泡通过一定体积的水)来实现。然而，这样的方法不仅增加了成本，而且还涉及与在一定压力、温度和流动下的加湿相关联的复杂性，并且通常不会导致足够的加湿以使得能够压缩到实践中期望的压力类型。
[0012]可能感兴趣的其他文件可包括以下各项，所有这些文献通过引用以其全部内容并入本文：2020年2月11日颁布的专利技术人Stone等人的专利号为10,557,691B2的美国专利；2017年3月14日颁布的专利技术人Mittelstedt等人的专利号为9,595,727B2的美国专利；2017年8月8日颁布的专利技术人Mittelstedt等人的专利号为9,728,802B2的美国专利；2013年10月8日颁布的专利技术人Mittelstedt等人的专利号为8,551,670B2的美国专利；2011年5月24日颁布的专利技术人Mittelstedt等人的专利号为7,947,405B2的美国专利；2004年11月2日颁布的专利技术人为Cropley等人的专利号为6,811,905的美国专利；2002年12月31日颁布的专利技术人LaConti等人的专利号为6,500,319的美国专利。

技术实现思路

[0013]根据本专利技术的一个方面，提供了一种电化学装置，该电化学装置包括：(a)聚合物电解质膜，阳极聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面；以及(d)水管理装置，该水管理装置连接至该阳极或该阴极，用于向该阳极或该阴极输送水，该水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体的，该阳极或该阴极定位在该水管理装置与该聚合物电解质膜之间。可替代地，在另一个实施例中，该水管理装置可以是导电的。
[0014]在本专利技术的更详细的特征中，该电化学装置可还包括阳极气体扩散介质，该阳极
气体扩散介质可限定阳极室，该阳极室可与该阳极流体连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学装置，包括：(a)聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)阳极，所述阳极联接至所述聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，所述阴极联接至所述聚合物电解质膜的第二面；以及(d)水管理装置，所述水管理装置联接至所述阳极或所述阴极，以用于向所述阳极或所述阴极输送水，所述水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体的，所述阳极或所述阴极定位在所述水管理装置与所述聚合物电解质膜之间。2.如权利要求1所述的电化学装置，还包括阳极气体扩散介质，所述阳极气体扩散介质限定了阳极室，所述阳极室与所述阳极流体连通，所述阳极气体扩散介质定位在所述水管理装置的至少一部分与所述阳极之间。3.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述水管理装置的整体与所述阳极间隔开。4.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置具有平面形状。5.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置具有非平面的形状。6.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置由单一的整体材料组成。7.如权利要求6所述的电化学装置，其中，所述水管理装置是固体聚合物电解质膜。8.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括多个层和/或材料。9.如权利要求8所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括具有多个孔的载体和设置在所述载体的孔内的固体聚合物电解质。10.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括固体聚合物电解质。11.如权利要求10所述的电化学装置，其中，所述固体聚合物电解质包括下列中的至少一项：聚乙烯、具有共聚物的聚乙烯
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聚苯乙烯嵌段、聚苯乙烯、聚砜、聚亚苯基、聚苯醚、聚(亚芳基)、聚(亚芳基吡啶鎓)、聚(二甲基哌啶鎓氢氧化物)、聚(二甲基氢氧化铵)、磺化聚苯乙烯、磺化聚砜、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚(二苯甲酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)、磺化聚(亚芳基醚酮)、磺化聚(亚芳基硫醚)、磺化聚(醚酰胺)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚(酞嗪酮醚)、全氟磺酸、聚(偏二氟乙烯)及其组合或混合物。12.如权利要求1所述的电化学装置，还包括阳极气体扩散介质，所述阳极气体扩散介质限定了阳极室，所述阳极室具有相对的第一面和第二面，所述第一面与所述阳极接触，所述第二面与所述水管理装置接触。13.如权利要求12所述的电化学装置，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙吉德，
申请(专利权)人：普拉格能源公司，
类型：发明
国别省市：