CN102376964A - 一种产生和储存氢气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用来对金属氢化物氢气储器(13)充气的方法和装置。本发明包括在PEM电解电池中产生氢气(1)，将氢气输送到金属氢化物储器，并用氢气对所述金属氢化物储器充气。为了获得不含水杂质的氢气，氢气首先在至少1兆帕的第一压力下传输，然后使用压力调节装置(11)将该压力降至低于所述第一压力的第二指定压力，所述第二压力是对所述金属氢化物储器充气的压力。

Description

一种产生和储存氢气的方法和装置

技术领域

本发明涉及用来产生和储存氢气、特别是用于为燃料电池提供氢气源的方法和装置，所述方法包括以下步骤：在PEM电解电池中产生氢气，将所述氢气输送到金属氢化物储器，对所述金属氢化物储器供应氢气。 

背景技术

使用金属氢化物，例如基于分别具有AB2或AB5结构的LaNi或TiZr的合金进行储氢的方法是一种人们已知的用来为燃料电池之类的消耗装置提供氢气源的方法。但是，金属氢化物对液态水或蒸气态的水都极为敏感。通过电解产生的氢气通常都含有一部分的水，必须先除去这些水，然后才能将所述氢气输送到金属氢化物储器。 

例如从美国专利第US 5,964,089号的图3了解到，可以使用液态水分离器、冷凝盘管和化学干燥器来除去所述一部分的水。为了完全地除去任何液体，这些元件需要具有宽大的尺寸。本发明的一个目的是以更简单更节省空间的方式实现接近完全的去除。 

发明内容

为此，本发明方法的特征是首先在至少1兆帕绝对压力的第一压力下输送氢气，在下文中所有的压力数据均为绝对压力，然后使用压力调节装置将压力降低到指定的小于所述第一压力的第二压力，所述第二压力是施加于所述金属氢化物储器的供给压力。另外，本发明的装置包括PEM电解电池、金属氢化物氢气储器和连接这些元件的导管，该装置的特征是，所述压力调节装置与所述导管结合成为整体。 

本发明基于以下现象：饱和水蒸气分压取决于温度，但是如果包含水蒸气的混合物的气压增大，饱和水蒸气分压大体保持恒定。在电解的时候，有可能通过控制电压之类的参数，直接在电极处，在高压条件下产生氢气，特别是当使用聚合物电解质薄膜(PEM)电解电池的时候尤为如此。通常的电解温度为60℃，于是乎，如果在大约0.1兆帕压力下产生氢气，则对于100个气体分子，其中包含20个水分子，如果在大约1兆帕的压力下产生氢气，则对于100个气体分子，包含2个水分子。另一方面，在开始充气的时候，所述金属氢化物氢气储器的反压约为0.1千帕，该反压会在充气过程中增大。如果输送入所述金属氢化物储器的氢气-水混合物是在0.1兆帕条件下生成的，则所述金属氢化物很快就会被破坏。 

第一压力下的气体混合物优选缺少水分子，无论该气体混合物是在高压条件下生成的或者是后来进行的压缩，而在第二压力下，即储器的反压之下，该气体混合物仍然利用了该低水分子含量。 

可以有益地添加其它的脱水装置，例如化学吸收器形式的水蒸气分离器。由于PEM电解电池产生的 水蒸气总量很少，因此更换所述化学吸收器的时间间隔很长。另外，还可以整体化地采用液态水分离器，例如冷凝器，其通过将水分冷却至等于或低于常温的温度而发挥作用。由于采用的高的第一压力，使得水分含量很低，因此由于结冰造成系统堵塞的风险可以忽略不计。所述液态水分离器具有气体收集区和液体收集区，液体收集区包括用来控制液体排放装置的液面传感器，所述液体排放装置包括减压器和阀门。可以将收集的液体排掉或者再循环到一个或多个电解池中。由此可以保证连续操作。 

根据本发明，所述压力调节装置，特别是减压阀，可以优选地是一种压力保持阀，该压力保持阀将其入口侧的压力保持在至少1兆帕的第一压力，与其出口侧的第二压力实际上无关。 

另外，整体化设置了位于所述PEM电解电池和所述压力调节装置之间的第一压敏开关作为安全装置，以检查PEM电解电池是否产生了特定的最低压力；如果未产生所述特定的最低压力，则认为系统出现故障，关闭整个系统。整体化设置位于所述压力调节装置和金属氢化物储器之间的第二压敏开关，当达到所述储器的特定背压的时候，关停电解，所述特定的背压取决于充气水平。 

附图说明

结合附图，通过以下关于优选实施方式的描述，可以清楚地了解本发明的上述目的、特征和优点和其它的目的、特征和优点。 

图1显示了本发明的原理。 

图2显示本发明一个实施方式的方块图。 

图3显示压力调节阀的剖面图。 

优选实施方式详述 

根据图1，在PEM电解池1的层叠堆中(图中为了简化起见显示了单个电解池)，阴极室2和阳极室3被聚合物电解质薄膜(PEM)4分隔。向所述阳极室3中加入操作用水。所述室包括提供有直流电的电极，由此在室3内的阳极处产生氧气，在室2内的阴极处产生氢气，氢气是电解池1有用的产物。氢气在至少1兆帕、优选2.5-4兆帕的压力下生成，在此压力下，极少会有水蒸气随着氢气一起逸出。在此情况下，阴极室2中极少会出现杂质水分。 

第一导管5在所述初始高压下将几乎不含任何水分的氢气从该室2输送到压力调节装置11，在所述的实施例中，所述压力调节装置11是减压阀。所述装置11的出口与第二导管12相连，所述第二导管12在减小的压力下将氢气输送到金属氢化物储器13，在该储器处对氢气进行化学储存。该金属氢化物储器13产生反压，在开始充气的时候，该反压通常为0.1兆帕，在充气结束的时候，该反压为2兆帕。优选在全部的充气阶段中，通过所述压力调节装置11保持在所述第一导管5中的第一压力与所述第二导管12中的第二压力之间的压力差。因此，氢气在达到装置11之前的状态优选在高于充气所需的压力下保持恒 定，由此将水含量保持在接近于零。 

如果PEM电解池1输送的压力不足以输送几乎不含水的氢气，则可以采用在出口导管5中使用压缩器的结构。在经过该压缩机之后，气流适度干燥。 

图2显示本发明一个实施方式的方块图。包括室2和室3以及PEM4的电解池1经由泵18与储水容器17相连，所述泵18用来在电子控制装置19的控制下加入待分解的水，所述泵18经由控制线路20与所述电子控制装置19相连。通过回水管线21将水与反应产物氧气一起泵送通过所述阳极室3，返回储水容器17。电源通过电源装置22控制，控制装置19馈给电源装置22信号。管组控制线路23用来控制示为电解池1的电解质层叠堆。 

所述储水容器17具有供水入口25和水平面传感器26，所述水平面传感器26经由控制线路27与电子控制装置19相连。其还包括氧气出口28。 

通过所述第一导管5从阴极室2逸出的仍然包含痕量水蒸气的氢气首先在散热器32中冷却至常温，由此使得残余水分的一部分冷凝，然后引向水收集容器33。容器33的上部任选地在常温下冷却，优选使用珀尔帖元件进行冷却。甚至也可能在0℃冷却。由于采用的高的第一压力，使得水分含量很低，因此由于结冰造成系统堵塞的风险可以忽略不计。 

在容器33的下部，收集液态水，使用液面传感器34对水平面进行控制，当达到某一水平面的时候，所述液面传感器34会激活一个电磁阀35。在容器33和阀35之间插入一个减压装置36，这是因为在容器33中，阴极室2的高压仍然存在。容器33排出的水经由再循环线路37再循环到储水容器17，或者经由清除线路38将水清除到环境中。 

离开容器33的氢气经由导管(仍标记为第一导管5)通过安全阀43，然后进入本领域已知的化学吸收器44，用以对氢气进行最终的脱水，所述安全阀43在例如比第一压力高0.3兆帕的条件下打开。离开化学吸收器44的氢气通过压敏开关45，如果所述第一压力降至低于第一阈值，例如2-2.5兆帕的时候，所述压敏开关会向所述控制装置19发送信号。如果在某一起始阶段之后，压力降至低于该阈值的水平，则认为该系统发生了泄漏故障，控制装置19将会关停该系统。 

然后导管5引向压力调节装置11，此时仍然处于阴极室3的第一压力下。所述压力调节装置11将压力降至金属氢化物储器13瞬时所需的压力。该装置11可以采用多种结构，优选的实施例使用减压阀，参见以下图3。 

所述装置11的出口是第二导管12，该第二导管12将处于第二压力的氢气引导到金属氢化物储器13。压敏开关48对导管12中的压力进行检查，以获知充气步骤的终点，将此信息输送给控制装置19，然后关停该系统。如上文所述，随着充气的进行，储器13的背压升高，该背压还取决于储器的温度。出于这个原因，在第一次关停之后，温度会下降，这也会导致背压降低，结果是开关48会使系统重新启动，这种次序可能会出现数次。 

按照所述实施例向第二导管12中插入导管冲洗阀49，用来在长时间未使用之后进行受控制的冲洗。所述金属氢化物储器13可拆卸地与导管12连接，以便在完全充气之后进行替换。装配传感器50检测金属氢化物储器13与导管12的正确组装，就此向控制装置19发送信号。 

图3的结构是一种基础类型的背压阀。导管5连接于氢气入口55，导管12连接于氢气出口56。这些端口55和56设置在汽缸体57之内，其中活塞58滑动性地设置在孔内，受到螺旋弹簧59的压力，直至活塞58前表面内的密封件60撞击到凸面的凸缘65上，所述凸面的凸缘65经由管子66与出口56连通，与此同时，在凸缘65周围、受到汽缸体57和活塞58限制的空间经由管子67与入口55连通。由此，在凸缘65和密封件60之间形成圆环形的密封区域68。活塞58的相反表面经由孔69与周围环境相连通，由此对活塞的背侧施加常压压力。在管子66和67之间存在着较高的第一压力和较低的第二压力之间的压力差，上述两种压力一起使得活塞58对抗弹簧59的作用力而上升，由此打开元件60和65之间的间隙，该间隙作为阻塞门，氢气通过该阻塞门，在第二压力下通入导管12。所述第二压力由金属氢化物储器13及其充气状态来决定。 

1PEM电解电池 

2阴极室 

3阳极室 

4聚合物电解质薄膜(PEM) 

5第一导管 

11压力调节装置 

12第二导管 

13金属氢化物储器 

17储水容器 

18泵 

19电子控制装置 

20控制线路 

21回水线路 

22电源装置 

23层叠堆控制线路 

25供水进口 

26水平面传感器 

27控制线路 

28氧气出口 

32散热器 

33水收集容器 

34液面传感器 

35阀门 

36减压器 

37再循环线路 

38清除线路 

43安全阀 

44化学吸收器 

45压敏开关 

48压敏开关 

49导管冲洗阀 

50装配传感器 

55氢气入口 

56氢气出口 

57汽缸体 

58活塞 

59弹簧 

60密封件 

65凸面凸缘 

66管子 

67管子 

68密封区域 

69孔 

Claims (11)

1.一种对金属氢化物氢气储器(13)进行充气的方法，所述方法包括以下步骤：在PEM电解电池(1)中产生氢气，将氢气输送到所述金属氢化物储器，用氢气对所述金属氢化物储器进行充气，其特征是，氢气首先在至少1兆帕的第一压力下进行输送，然后使用压力调节装置(11)将该压力降至低于所述第一压力的第二指定压力，所述第二压力是对所述金属氢化物储器(13)进行充气的压力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气是在所述第一压力下直接在PEM电解电池(1)中产生的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，氢气在到达所述压力调节装置(11)之前，被引导通过脱水装置(32，33，44)。

4.一种装置，用来根据权利要求1-3中任一项所述产生和储存氢气，所述装置包括PEM电解电池(1)，金属氢化物氢气储器(13)和连接这些元件的导管(5，12)，其特征是，压力调节装置(11)与所述导管(5，12)成为一整体。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述PEM电解电池(1)使用聚合物电解质薄膜PEM(4)。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述压力调节装置(11)是压力保持阀，所述压力保持阀将其入口侧(55)的压力保持在至少1兆帕的第一压力，所述第一压力与所述压力保持阀出口侧(56)的第二压力相独立。

7.如权利要求4-6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述PEM电解电池(1)和压力调节装置(11)之间的导管(5)与水蒸气分离器成为一整体，该水蒸气分离器是化学吸收器(44)。

8.如权利要求4-7中任一项所述的装置，其特征在于，在所述PEM电解电池(1)和压力调节装置(11)之间的导管(5)与液体分离器成为一整体进行操作，该液体分离器通过冷却(32，33)进行冷凝。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述液体冷凝分离器(33)包括液体收集区，该液体收集区包括用来控制液体排放装置的液面传感器(34)，所述液体排放装置包括减压器(36)和阀门(35)。

10.如权利要求4-9中任一项所述的装置，其特征在于，压敏开关(45)与位于所述PEM电解电池(1)和压力调节装置(11)之间的导管(5)相连，用来在所述第一压力降至低于第一阈值的时候发出信号。

11.如权利要求4-10中任一项所述的装置，其特征在于，压敏开关(48)与位于所述压力调节装置(11)和金属氢化物储器(13)之间的导管(12)相连，用来在所述第二压力高于第二阈值的时候发出信号。

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