一种电化学氢气膜分离器制造技术

本发明专利技术提供一种电化学氢气膜分离器，包括：燃料电池组件和导线，所述燃料电池组件的阳极和阴极通过所述导线短接；所述燃料电池组件包括阳极集流板、阳极极板、阳极垫圈、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极垫圈、阴极极板和阴极集流板，本发明专利技术主要利用在燃料电池阳极和阴极处连接导线形成外部短路，通过提高阳极和阴极之间气体压力差或者提高操作温度改变热力学可逆电势，进而产生电压推动力，从而在不加外部电源的情况下，起到完成氢气从阳极向阴极自发分离的效果。气从阳极向阴极自发分离的效果。气从阳极向阴极自发分离的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学氢气膜分离器


[0001]本专利技术涉及氢气分离
，具体而言，尤其涉及一种电化学氢气膜分离器。

技术介绍

[0002]随着氢能产业在我国能源结构中地位越发重要，氢气分离纯化受到科学和工业界广泛关注。膜分离技术因能耗低、设备简单、占地面积小等优点，是目前科技前沿研究热点之一。传统的膜分离技术是以压力差作为驱动力，气体分子主要以溶解
‑
扩散方式在多孔膜孔隙中传递，这种技术的瓶颈是气体的渗透性和选择性无法兼顾，难以突破传统膜分离Robeson上限，而且贫氢气体的分离需要高压力差，易压溃分离膜。
[0003]电化学方法分离氢气具有高选择性、高效率(尤其对贫氢混合气)、产氢纯度高等优点，是一种具有发展潜力的新型氢气膜分离技术。根据专利201911384959.9介绍，现有的电化学分离氢气技术(俗称电化学氢泵)是通过外加电压/电流，促使阳极发生氢氧化反应、阴极发生氢还原反应，进而完成氢气和混合气体的分离。而电化学氢泵技术面临的主要挑战是需要外加电压驱动反应，系统越放大所需要的能耗越高。

技术实现思路

[0004]根据上述提出传统电化学氢泵需提供额外电压，模块组装工程化放大后带来高能耗的技术问题，而提供一种电化学氢气膜分离器。通过在燃料电池阳极和阴极连接导线使其外部短路，再通过提高工作温度或者改变阳极阴极间气体压差进而形成热力学电压推动力，在不加外部电源的情况下完成氢气从阳极向阴极的自发分离过程。本专利技术为氢气分离纯化提供新的技术储备，加快电化学法氢气膜分离的发展。本专利技术采用的技术手段如下：
[0005]一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，包括：燃料电池组件和导线，所述燃料电池组件的阳极和阴极通过所述导线短接；所述燃料电池组件包括阳极集流板、阳极极板、阳极垫圈、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极垫圈、阴极极板和阴极集流板，所述阳极集流板、所述阳极极板、所述阳极垫圈、所述阳极气体扩散层、所述膜电极、所述阴极气体扩散层、所述阴极垫圈、所述阴极极板和所述阴极集流板在燃料电池中依次排布。
[0006]进一步的，所述导线采用银丝、铜丝、铁丝及其混合线。
[0007]进一步的，所述膜电极包括气体扩散层、催化层、质子交换膜，所述催化层包括催化剂和电极粘结剂；所述催化层中，粘结剂的比例为5
‑
60wt％。
[0008]进一步的，所述气体扩散层，采用炭纸、炭毡、镍网、镍毡、钛网或钛毡中的至少一种。
[0009]进一步的，所述催化剂可为Pt黑、Pt/C、Pt合金或Pt合金/C至少其中一种；
[0010]所述电极粘结剂可使用聚四氟乙烯(PTFE)、全氟磺酸树脂、聚苯并咪唑、聚芳基哌啶、磺化聚芳基聚合物或者磷酸化聚芳基聚合物中的至少一种。
[0011]进一步的，所述催化层中，粘结剂的比例为5
‑
35wt％。
[0012]进一步的，所述质子交换膜可为全氟磺酸质子交换膜、磷酸掺杂聚苯并咪唑质子
交换膜、磷酸掺杂聚芳基哌啶质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚苯乙烯质子交换膜、磷酸化聚苯乙烯质子交换膜、磷酸化聚全氟联苯质子交换膜中的至少一种。
[0013]本专利技术还提供了一种电化学分离氢气的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
[0014](1)准备燃料电池组件；
[0015](2)通过导线将燃料电池阳极和阴极连接；
[0016](3)在燃料电池的阳极端通入待分离混合气，在燃料电池的阴极端通吹扫气，设置燃料电池温度，调节燃料电池阳极侧背压。
[0017]进一步的，所述温度为100
‑
160℃；所述吹扫气为氮气。
[0018]进一步的，所述背压为0
‑
0.15Mpa。
[0019]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0020]1、本专利技术提供的一种电化学氢气膜分离器，是一种自驱动的分离器，相比于现有电化学分离氢气技术需要外接电源，本专利技术通过在燃料电池的阳极和阴极连接导线形成外部短路，使其在不加外部电源的情况下，通过电化学反应完成氢气从阳极向阴极的自发分离，实现分离氢气的“自驱动”，相比较于传统电化学氢泵技术，该技术大幅度降低能耗，而且设备简单、占地面积小。
[0021]2、本专利技术提供的一种电化学氢气膜分离器，通过导线短接，氢气在阳极发生氢氧化反应产生氢质子和电子，质子通过内部质子交换膜传导到阴极，电子通过外部导线传导到阴极，质子和电子在阴极处结合发生氢还原反应生成氢气。其他气体几乎不通过致密的质子交换膜，因此该技术分离氢气选择性高。
[0022]3、本专利技术提供的一种电化学氢气膜分离器，可以通过在一定范围内提高操作温度或者阳极阴极之间的气体压差，可以提升热力学电压进而提高氢气分离推动力，因此该技术的氢气渗透率可控。
[0023]4、本专利技术提供的电化学氢气膜分离器中，催化层中粘结剂占比5％～35％时，分离氢气的渗透率和选择性相对较好，其中当PTFE占比为15wt％时，分离氢气的渗透率和选择性均最高。因为电极粘结剂可以优化催化层的结构，使催化层变得更稳定。当PTFE含量太少时，粘结电极和均匀分散的作用减弱，但当PTFE含量太多时，催化层变得更加厚重，会堵塞催化剂的活性位点，导致传质阻力增加，氢气分离效果变差。
[0024]5、本专利技术电化学氢气膜分离器中，在燃料电池组件阴极处通吹扫气，可以提供传输氢气的推动力，将生成的氢气更快传导到阴极，有利于反应正向进行。
[0025]基于上述理由本专利技术可在氢气分离技术等领域广泛推广。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术一种电化学氢气膜分离器的原理图。
[0028]图2为本专利技术一种电化学氢气膜分离器的燃料电池组件示意图。
[0029]图3为本专利技术一种电化学氢气膜分离器的测试平台示意图。
[0030]图4为本专利技术一种电化学氢气分离器在阳极和阴极是否加导线后分离氢气的气体渗透率和选择性图表。
[0031]图5为本专利技术一种电化学氢气分离器在不同PTFE占比下分离氢气的渗透率和选择性图表。
[0032]图6为本专利技术一种电化学氢气膜分离器在不同温度下分离氢气的气体渗透率和选择性图表。
[0033]图7为本专利技术一种电化学氢气膜分离器在不同阳极背压下分离氢气的气体渗透率和选择性图表。
[0034]图中：1、膜电极；2、阳极气体扩散层；3、阴极气体扩散层；4、阳极垫圈；5、阴极垫圈；6、阳极极板；7、阴极极板；8、阳极集流板；9、阴极集流板；10、转子流量计；11、质量流量计；12、温度控制仪；13、燃料电池组件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，包括：燃料电池组件和导线，所述燃料电池组件的阳极和阴极通过所述导线短接；所述燃料电池组件包括阳极集流板、阳极极板、阳极垫圈、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极垫圈、阴极极板和阴极集流板，所述阳极集流板、所述阳极极板、所述阳极垫圈、所述阳极气体扩散层、所述膜电极、所述阴极气体扩散层、所述阴极垫圈、所述阴极极板和所述阴极集流板在燃料电池中依次排布。2.根据权利要求1所述的一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，所述导线采用银丝、铜丝、铁丝及其混合线。3.根据权利要求1所述的一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，所述膜电极包括气体扩散层、催化层、质子交换膜，所述催化层包括催化剂和电极粘结剂；所述催化层中，粘结剂的比例为5
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60wt％。4.根据权利要求3所述的一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，所述气体扩散层，采用炭纸、炭毡、镍网、镍毡、钛网或钛毡中的至少一种。5.根据权利要求4所述的一种电化学氢气膜分离器，其特征在于，所述催化剂可为Pt黑、Pt/C、Pt合金或Pt合金/C至少其中一种；所述电极粘结剂可使用聚四氟乙烯(PTFE)、全氟磺酸树脂、聚苯并咪唑、聚芳基哌啶、磺化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，赵云，付金辰，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：