CN105473497A - 利用电化学电池生产和提供净化的气体的方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，一种生产满足预定的纯度阈值的氢气的方法，可以包括通过电化学氢泵传输一定数量的氢气混合物，其中电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；通过将氢气从阳极经电解质膜传输到阴极，从氢气混合物中分离一定数量的氢气；从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及生成证书：收集的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。

Description

利用电化学电池生产和提供净化的气体的方法
本专利申请在35U.S.C.§120规定下要求在2013年6月28日提交的美国临时申请No.61/840,843的优先权，该申请的全部内容在此并入作为参考。
技术领域
本发明的实施例涉及电化学电池，更具体地，涉及利用电化学电池用于气体净化、监控和/或用于提供净化的气体的方法。
背景技术
氢已经成为传统能源如化石燃料的一种可行的替换，用于一系列的技术，包括（例如）运输交通工具、便携式电源和固定式电力生产。氢作为能源载体的成功商业化及“氢经济”的长期可持续性可能部分地取决于氢操纵（manipulation）和管理系统（例如，EHC）及氢分配系统（例如，分配站）的效率和成本效益。
氢气的用户可能对在气体中可能存在的潜在污染物（potentialpollutants）敏感，如CO、CO2、N2、He、Ar、O2、CH4、高级烃、S、Cl、Br、Hg、VOCs、H2O、HCHO、HCOOH、NH3、卤代化合物和例如颗粒物（particulates）。因此，消费者可以要求供应商提供净化的氢气，并且在某些情况下，以满足或超过某一阈值的供应的氢气的纯度。氢气的供应商和经销商通常在输送之前通过分析氢气的组成来保证供应的氢的纯度，例如使用，装置如气相色谱仪、质谱仪、电离检测器和红外光谱仪。基于使用这些装置记录的气体组成的分析测量，供应商然后可以为消费者提供对于这些或其他化合物的分析的证书，用于氢气的供应。虽然这些分析方法可能对于在集中的氢生产设施的质量控制以确保氢纯度是有用的，但这些方法对于在例如氢加气站（hydrogenfuelingstations）或氢传输站的使用来说可能极为昂贵。然而，在集中的设施生产的氢在运输到使用点（thepointofuse）的期间有可能受到污染。因此，需要一种有成本效益的方法，用于净化氢气、监控氢气的纯度，并确保由供应商输送给消费者的氢气的纯度的阈值水平。而且，对于氢生产系统如天然气蒸汽-甲烷重整器和例如电解槽，可能需要有成本效益的质量控制和监控。本发明的实施例可以着手解决一个或多个上述问题。
发明内容
根据一个实施例，一种生产满足预定的纯度阈值的氢气的方法，可以包括通过电化学氢泵传输一定数量的氢气混合物，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；通过将氢气从阳极经电解质膜传输到阴极，从氢气混合物中分离一定数量的氢气；从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及生成证书（producingacertificate）：收集的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
本发明的各个实施例可以包括一个或多个以下方面：该方法可以进一步包括从阳极去除来自氢气混合物的一定数量的非氢气，电解质膜阻止该非氢气穿过该电解质膜到阴极；该方法可以进一步包括将收集的氢气输送给消费者；预定的纯度阈值可以超过约99%氢；预定的纯度阈值可以小于约300ppm的非氢气；并且预定的纯度阈值可以小于约50ppm的非氢气。
在本发明的另一个实施例中，一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，可以包括将含有氢气和非氢气的一定数量的氢气混合物引入到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；将氢气混合物从阳极引导到电解质膜；使氢气穿过电解质膜到阴极；基本上阻止非氢气穿过电解质膜；从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及将收集的氢气与第二数量的氢气混合物混合，其中该混合产生第三数量的氢气混合物，该第三数量的氢气混合物具有至少满足预定的纯度阈值的纯度水平。
本发明的各个实施例可以包括一个或多个以下方面：该方法可以进一步包括提供保证（warranty）：第三数量的氢气混合物具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度；该方法可以进一步包括将第三数量的氢气输送给消费者；第一数量的氢气混合物和第二数量的氢气混合物可能最初两者都是来源于氢气混合物源，并且当该第一数量引入到电化学氢泵时，该第一数量和第二数量可以被分离，且该第一数量和第二数量可以通过混合而重新汇合（rejoined）；收集的氢气可以与第二数量的氢气混合物混合，并且被基本上阻止穿过电解质膜的非氢气可以不与该第二数量的氢气混合物混合；可以将与第二数量的氢气混合物混合的收集的氢气输送给消费者；预定的纯度阈值可以超过约99%氢；电化学氢泵可以经配置以在超过约2,000psi的压力下运行；电化学氢泵可以经配置以在超过约5,000psi的压力下运行；并且电化学氢泵可以经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
在另一个实施例中，一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，可以包括提供一定数量的氢气；将第一部分该一定数量的氢气转移到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；将第一部分氢气从阳极引导到电解质膜；使第一部分氢气穿过电解质膜到阴极；基本上阻止在第一部分中的非氢气穿过电解质膜；以及将穿过电解质膜的第一部分氢气再引入到没有转移到电化学氢泵的第二部分氢气。
本发明的各个实施例可以包括一个或多个以下方面：运行电化学氢泵所需要的电压可以随着被基本上阻止穿过电解质膜的非氢气的量的增加而增加；电压的增加可以是被基本上阻止穿过电解质膜的非氢气的量的函数，并且可以校准电化学氢泵以检测转移到该电化学氢泵的第一部分氢气是否降到纯度的预定水平以下；该方法可以进一步包括将穿过电解质膜的第一部分氢气及没有转移到电化学氢泵的第二部分氢气输送给消费者；电化学氢泵可以进一步包括控制器，且该方法可以进一步包括如果控制器检测到转移到电化学氢泵的氢气降到纯度的预定水平以下，停止输送第一部分氢气给消费者；该方法可以进一步包括生成保证：输送给消费者的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度；该方法可以包括将一定量的第一部分该一定数量的氢气发送到测量装置，其中该测量装置经配置以测量氢气的纯度水平；可以将该一定量的第一部分从电化学氢泵的阳极发送到测量装置；电化学氢泵可以经配置以在超过约2,000psi的压力下运行；电化学氢泵可以经配置以在超过约5,000psi的压力下运行；并且电化学氢泵可以经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
在另一个示例性实施例中，一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，可以包括将含有氢气和非氢气的一定数量的氢气混合物引入到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；将氢气混合物从阳极引导到电解质膜；使氢气穿过电解质膜到阴极；基本上阻止非氢气穿过电解质膜；从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及提供保证：收集的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
本发明的各个实施例可以包括一个或多个以下方面：电化学氢泵可以经配置以在超过约5,000psi的压力下运行；并且电化学氢泵可以经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
实施例额外的目的和优点将部分地在以下说明中陈述，并且将部分地从说明中显而易见，或者可以通过该实施例的实践而得知。通过在所附的权利要求中具体指出的要素及组合将实现并获得实施例的目的和优点。
应该理解的是，前述的一般说明及以下详细说明两者都仅为示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图包含在本说明书中并构成说明书的一部分，示出本发明的实施例，并与说明书一起，用以解释本发明的原理。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的示例性电化学电池的爆炸图。
图2A示出了根据本发明实施例的示例性净化方法。
图2B示出了根据本发明实施例的示例性净化方法。
图3A示出了根据本发明实施例的用于监控氢气的纯度的示例性方法。
图3B示出了根据本发明实施例的用于监控氢气的纯度的示例性方法。
图4示出了根据本发明实施例的用于监控一定数量的氢气的纯度的示例性方法。
图5示出了根据本发明实施例的示意性描绘示例性净化或监控方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照如下所述的及在附图中示出的本发明的示例性实施例。只要有可能，在所有的附图中将使用相同的附图标号来指示相同或类似的部分。
虽然在此是参考电化学氢泵的说明性实施例来说明本发明，但应该理解的是，本发明的装置和方法可以采用各种类型的电化学电池，包括，但不限定于，任何合适的氢压缩机、燃料电池、电解槽（electrolysiscells）、氢净化器和氢膨胀机（hydrogenexpanders）。本领域普通技术人员及使用在此提供的启示的技术人员将认识到额外的修改、应用、实施例和等同物全部落在本发明的范围内。因此，不应认为该发明受限于前述的或以下说明。
从本发明参照附图的以下说明中，本发明的其他特征和优点及潜在的应用对本领域技术人员来说将变得显而易见。
电化学电池是通常用于从化学反应产生电流或利用电流引发化学反应的装置。燃料电池把燃料（例如，氢、天然气、甲醇、汽油等）的化学能和氧化剂（例如，空气或氧）转换成电并产生热和水。基本的电化学电池包括带负电荷的阳极、带正电荷的阴极及被称为电解质的离子传导材料。
电解槽本质上是反向运行的燃料电池。当施加外部电势时，通过将水分解成氢气和氧气，基本的电解槽能够作为氢发生器（hydrogengenerator）。氢燃料电池或电解槽的基本技术能够应用于电化学氢操纵，如，电化学氢压缩、净化或膨胀。
电化学氢压缩机（electrochemicalhydrogencompressor,EHC），例如，能够用于选择性地将氢从电池的一侧传输到另一侧。在这个方式下运行的EHC有时被称为电化学氢泵（electrochemicalhydrogenpumps,EHP），并且为了本发明的目的可以互换使用术语EHP和EHC。当在第二电极积累的氢局限于有限空间（confinedspace）时，电化学电池压缩氢或提升该有限空间内的压力。能够基于电池设计来限制单个电池能够产生的最大的压力或流速。在某些实施例中，合适的EHC可以在更高的压力，例如，在超过约2,000psi、超过约5,000psi或超过约10,000psi的压力下运行。
在一个示例性实施例中，一种用于监控和确保氢纯度的方法可以包括EHP或EHC的使用。如上面讨论的，这些装置采用质子传导膜作为电化学电池的一部分，并且该膜可以只允许质子（即氢离子）和水穿过。通过只允许氢离子和水穿过，可以物理上阻止其他的化合物穿过该膜。因此，氢气供应商可能能够使用这个技术以从氢气中去除污染物，以监控氢气中污染物的存在，从而确保供应给消费者的氢气的某一水平纯度。如在这里所用的，“氢气”可以包括满足预定的纯度阈值的氢（净化的氢气）、与一定数量的杂质混合的氢气，或者疑似有一定数量的杂质的氢气或潜在地与一定数量的杂质混合的氢气。进一步地，“氢气混合物”可以包括与一定数量的杂质混合的氢气，或者疑似有一定数量的杂质的氢气或潜在地与一定数量的杂质混合的氢气。“污染物”可以包括任何非氢气、液体或固体。
图1描述了根据本发明的示例性实施例的电化学电池100的分解侧视图。电化学电池100包括阳极110、阴极120及设置于阳极110和阴极120之间的电解质膜130。同时，电解质膜130、阳极110和阴极120可以形成膜电极组件（MEA）140。
电解质膜130可以使阳极110与阴极120电绝缘。电解质膜130可以是任何合适的膜，例如包括，质子交换膜（PEM）。电解质膜130可以由纯聚合物膜或复合膜形成，该复合膜可以包括，例如，嵌入聚合物基体中的二氧化硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐和磷酸锆。电解质膜130对质子可以是能够透过的但可以不传导电子。阳极110和阴极120可以包括含有催化剂的多孔碳电极。该催化剂材料，例如，铂或任何其他合适的材料，可以加速氧与氢的反应。
电化学电池100可以进一步包括两个双极板150、160。双极板150、160可以作为支撑板、导体，为氢提供到相应的电极表面的通道并为被压缩的氢的去除提供通道。双极板150、160还可以包括冷却流体（即，水、乙二醇或水乙二醇混合物）的进入通道。双极板可以由铝、钢、不锈钢、钛、铜、镍铬合金、石墨或任何其他的导电材料或材料的组合制成。双极板150、160可以在电化学堆（未显示）中从相邻的电池分离电化学电池100。例如，多个电化学电池100可以是串联连接，以形成多级（multi-stage）EHC；或者并联堆叠，以形成单级（single-stage）EHC。
在操作中，根据示例性实施例，可以将氢气经过双极板150供应到阳极110。可以将电势施加在阳极110和阴极120之间，其中在阳极110的电势大于在阴极120的电势。在阳极110的氢可以被氧化，导致氢分成电子和质子。然后可以将氢质子电化学传输或“泵送”穿过PEM130到阴极120，而电子在PEM130附近改道（rerouted）。传输的质子和改道的电子在阴极120被还原以形成氢。随着越来越多的氢在阴极120形成，该氢可以在有限空间内被压缩和加压。
因此，如上所述，EHP或EHC可以采用质子传导膜作为电化学电池的一部分，该质子传导膜可以只允氢离子和水穿过。其他的化合物，例如，污染物，可以被物理上阻止穿过该膜。因此，可以将这个技术用于净化氢。同样的，通过使用电化学电池技术，氢供应商可以能够确保供应的氢气的纯度，并且供应商或消费者可以能够监控氢气的供应的污染物。
在示例性实施例中，可以将EHP或EHC用于净化氢气。如在图2A中所示，氢供应商210可以产生一定数量的氢气，该氢气可能含有一种或多种污染物。可以产生氢气的供应，例如，使用任何合适的蒸汽甲烷重整器、化石烃（fossilhydrocarbon）重整器、可再生烃重整器、电解槽、乙醇重整器、生物质重整器、煤的气化、核动力水分解、光电化学系统、光生物学系统或太阳能热化学系统。在某些实施例中，供应商210可能已经具有包含在任何合适的容器，例如，管、罐、管线或瓶中的一定数量的氢气或氢液体（hydrogenliquid），并且这个氢可以具有未知的、疑似的或已知的污染物的掺合料（admixture）。
为了确保供应给消费者的氢气的纯度，氢气和潜在污染物的掺合料可以穿过EHP220，步骤211。气体掺合料可以在任何生产之后的时刻，例如，在生产后立即或在一段储存时间后穿过EHP220。如上面讨论的，EHP220包括电解质膜并且经配置以只允许质子，即，氢离子和水分子穿过。因此，只有氢和水将被允许从EHP220的阳极侧穿过到EHP220的阴极侧。在气体掺合料中存在的污染物将从EHP220分离出并去除，步骤221。虽然在图2A、2B中的示例性实施例只显示一个EHP220，但可以包括任何合适数量的EHP。例如，多个EHP能够被并联或串联布置。此外，每个EHP可以包括单个电化学电池或堆叠布置的多个电化学电池。
如在步骤222中所示，可以将在EHP220的阴极侧收集的净化的氢输送给氢消费者230。可以在任何净化之后的时刻，例如，在净化后立即或在一段储存时间后将氢气输送给消费者230，尽管减少净化和输送之间的时间可以减少再污染的可能性。消费者230可以将输送的氢使用于任何合适的用途，例如包括，用于分配给燃料电池交通工具（例如，在加燃料或传输站）、使用燃料电池交通工具、使用固定式燃料电池应用（例如，备用发电机、家用电力系统）、便携式燃料电池应用、制造（例如，半导体、电子、冶金的制造）或其他的商品氢气用户（例如，实验室、化学合成）。氢气的供应商210可以包括大规模生产商及供应给零售经销商（例如，在加燃料或传输站）、工业品和商品制造商或用户，或者氢的单个用户的批发经销商。氢气的消费者230可以包括化石燃料和可再生烃燃料两者的精炼厂、零售经销商，例如，加气站、工业品制造商或用户，或氢的单个用户。在某些实施例中，供应商210和消费者230可以是相同的实体，例如，零售商或制造可以生产它自己的氢气用于其自身的消耗。
进一步地，如在图2B中所示，在某些实施例中，一部分氢可以绕开EHP220而不是在步骤211穿过EHP220。例如，一部分氢可以遵循步骤212并可以从氢供应商210直接传给氢消费者230。在这种实施例中，来自供应商210的一定数量的氢可以被分解成至少两个部分，一个遵循步骤211穿过EHP220的部分和一个遵循步骤212绕开EHP220的部分。氢的两个部分可以在到达消费者230之前在步骤222重新汇合。在某些实施例中，氢遵循步骤212的部分可以小于氢遵循步骤211的部分，而在某些实施例中，氢遵循步骤212的部分可以基本上等于大于氢遵循步骤211的部分。在某些实施例中，指向（directedtowards）步骤211和/或212的氢的量可以随着时间而变化，例如，该量可以随着时间手动或自动地调整。例如，在某些实施例中，每个部分的大小可以响应于系统（例如，电压、消耗、寿命、效率）或穿过EHP220的流体（例如，含量、压力、温度、流速等）的测量参数而变化，或者响应于供应商或消费者（例如，消费者需求等）的特征而变化。在某些实施例中，图2B的方法在一段时间内可以被调整成类似于图2A的方法且没有氢可以指向步骤212。
在某些实施例中，图2B的方法可以提供一种替代的净化方法。如关于图2A所述，氢供应商210可以净化氢气穿过EHP220的部分。当穿过EHP220的净化的氢与氢绕开EHP220的部分在步骤222再混合时，该部分氢气的混合可能导致氢气满足纯度的阈值水平。
在某些实施例中，氢气的供应商210可以使用上述图2A、2B的净化方法，以便确保输送给消费者230的氢气满足预定的纯度阈值。这种阈值可以通过工业标准，例如，CGA-5.3、SAEJ2719和ISO14687-2设置，或者例如可以至少部分取决于消费者230的需求。氢纯度水平可以超过99%纯度，并且在某些情况下，可以超过99.9%纯度。总杂质可以小于400ppm，并且在某些情况下，可以小于100或小于10ppm。
在某些实施例中，供应商210可以使用EHP220用于氢净化作为做一些担保或保证的方法，例如，通过给消费者230关于输送的氢的纯度水平的合同协议或证书。如在这里使用的，保证可以包括任何明示的、暗示的、书面的、口头的、因情况而异的、有限的、完全的或其他合适的保证。如在这里使用的，证书可以包括一致性、符合性、适应性、分析性、准确性的证书或者任何其他合适的证书或它们的组合。这种证书可以证明或保证气体的任何合适的参数、测量、特性或质量（例如，专业或工业)，例如，含量（例如，气体、水分或粒子）、组成的确定性、完整性、复杂性、纯度水平、与一种或多种标准或规范的符合性。进一步地，证书能够证明混合（blending）的方法、实验室分析的类型和用于准备气体混合物的参考标准及例如使用期限。因此，使用EHP净化一定数量的氢气的方法可以为供应商210提供有成本效益的方法，例如，合同性保证由供应商210输送给消费者230的氢气的纯度的方法，或者生产和提供满足预定的纯度阈值的氢气供应的方法。
在另一个实施例中，EHP可以用于监控一定数量的氢气的纯度。如在图3A中所示，供应商310可以产生一定数量的氢气，该氢气可以含有一种或多种污染物。可以产生氢气的供应，例如，使用任何合适的蒸汽甲烷重整器、化石烃重整器、可再生烃重整器、电解槽、乙醇重整器、生物质重整器、煤的气化、核动力水分解、光电化学系统、光生物学系统或太阳能热化学系统。在某些实施例中，供应商310可能已经具有包含在任何合适的容器，例如，管、罐、管线或瓶中的一定数量的氢气或氢液体，并且这个氢可以具有未知的、疑似的或已知的污染物的掺合料。
可以将氢气输送给氢消费者330。为了确保氢供应的纯度，有潜在污染物的一部分氢气可以穿过EHP320，步骤311、321。该部分氢气在任何生产之后的时刻，例如，在生产后立即或在一段储存时间后穿过EHP220。此外，该部分气体可以在将氢气输送给消费者330之前或期间穿过EHP320并且可以是随机的、规则的或连续的监控过程的部分。例如，在某些实施例中，供应线路可以用于直接将氢气输送给消费者330，并且在输送之前和/或期间可以将一部分气体再引导到EHP320。在某些实施例中，可以将一部分气体再引导到EHP320，而氢气在被输送给消费者330之前被分配到容器中。在还有其他的实施例中，打算用来（intendedfor）输送给消费者330的气体的容器可以被随机取样并且气体的样品部分穿过EHP320。在某些实施例中，可以将EHP320安装在氢气的滑流（slip-stream）中。如上面讨论的，EHP320包括只允许质子，即，氢离子，和水分子穿过的电解质膜。
如上面的有关图2的实施例所讨论的，只有氢和水分子将被允许从EHP320的阳极侧穿过到EHP320的阴极侧。虽然在图3中的示例性实施例只显示一个EHP，但可以包括任何合适数量的EHP。例如，多个EHP能够被并联或串联布置以监控氢气纯度。此外，每个EHP可以包括单个电化学电池或堆叠布置的多个电化学电池。在这个配置中，运行用作监控器的EHP320所需要的电压可以随着在阳极侧上污染物积累而增加。在阳极的清除（purge）和电压上升到特定的水平之间的时间可以是污染物的数量的函数或与者污染物的数量成比例。EHP监控器的校准能够提前完成以检测污染物的预定水平或者可以在原位（in-situ）通过为EHP监控器提供已知纯度水平的一定数量的氢而完成，用于与源流（sourcestream）比较。
在穿过EHP320之后，可以将氢气再引入到给消费者330的氢气的供应，步骤322。然而，当在氢气的供应中检测到污染物时和/或当纯度水平被确定为低于预定阈值时，则可以停止输送氢气给消费者330，步骤325。在某些实施例中，例如，其中使用供应线路将气体输送给消费者330或者输送到用于输送给消费者330的容器的那些实施例中，在氢气中检测到污染物可以停止流经供应线路的氢气。例如，在输送系统中可以包括一个或多个流体控制阀以控制流经供应线路的氢气。在某些实施例中，在输送系统中可以包括控制器324，并且控制器324可以经配置以自动地停止输送气体（例如，关闭该流体控制阀）给消费者330。在某些实施例中，信号可以为供应商310或消费者330指示检测到污染物，例如，视觉或听觉信号。在某些实施例中，该系统可以是手动的，并且供应商310在感知到该信号之后可以手动地停止供应氢给消费者330。
在监控过程完成后或者当监控过程发生时，已经监控过纯度的氢可以与氢气的供应重新汇合并输送给氢消费者330，步骤322。可以在任何监控之后的时刻，例如，在监控后立即、在监控的期间或在一段储存时间后将氢气输送给消费者330，尽管减少监控和输送之间的时间可以减少再污染的可能性。
在图3B中示出另一个监控实施例。图3B的实施例可以以与图3A的方式类似的方式运行，除了可以将在步骤321转移到EHP320的有潜在污染物的一部分氢气在步骤323发送到纯度测量装置340之外。在这个实施例中，通过步骤323，可以将在步骤321引导到EHP320的所有或一些气体进一步地引导到测量装置340。可以将发送到测量装置340的气体发送到EHP320，但不穿过EHP320，或者在某些实施例中，在气体穿过EHP320之前或之后，可以将该气体发送到测量装置340。例如，发送到测量装置340的气体在穿过EHP320之后可以从阴极侧被接收且可以含有较低浓度的污染物，或者可以从EHP320的阳极侧被接收，而无需穿过EHP320且可以含有相对于阴极侧的较高浓度的污染物。
测量装置340可以包括任何合适的装置，例如包括，气相色谱仪、质谱仪、红外光谱仪、离子迁移光谱仪、声表面波传感器、光学光谱仪或任何合适的分析仪器。测量装置340可以经配置以测量氢气的纯度。例如，测量装置340可以识别在氢气中存在的那些组成部分的成分和相对的量，或者测量装置340可以只测量消费者330可能敏感的一种或多种特定污染物的量，或者测量装置340可以识别相对于所有存在的非氢污染物的氢的量。基于这些测量，测量装置340可以经配置以确定氢气的纯度。
进一步地，在某些实施例中，基于通过测量装置340进行的测量和EHP320的一种或多种参数，例如，电流、电压、压力、温度、气体流速或任何其他合适的参数，可以计算出有潜在污染物的氢气的纯度。在某些实施例中，例如，通过测量装置340或控制器324，可以执行这种计算。此外，在某些实施例中，基于一种或多种这些参数，能够校准或调整测量装置340和/或使用的计算。因此，可以包括一个或多个额外的测量装置以便测量EHP320的任何合适的参数，例如，压力计、温度计或其他合适的装置。
在将氢气发送到测量装置340及进行纯度测量后，该氢气可以通过EHP320和/或再引入到为消费者330提供的氢气的供应，步骤322。在某些实施例中，可以清除或排出（vented）发送到测量装置340的气体且该气体可以不穿过EHP320或者再引入到提供给消费者330的氢气的供应。
在某些实施例中，当测量装置340在氢气的供应中检测到污染物时，或者当它检测到纯度水平低于预定阈值时，则可以停止输送氢气给消费者330，步骤325。在某些实施例中，例如，其中使用供应线路将气体输送给消费者330或者输送到用于输送给消费者330的容器的那些实施例中，在氢气中检测到污染物可以停止流经供应线路的氢气。例如，在输送系统中可以包括一个或多个流体控制阀以控制流经供应线路的氢气。在某些实施例中，在输送系统中可以包括控制器324，并且控制器324可以经配置以自动地停止输送气体（例如，关闭流体控制阀）给消费者330。例如，测量装置340可以通过（例如）无线连接或硬连接，操作性地耦合到控制器324并且可以连续地或定期地将测量读数传达到控制器324。在某些实施例中，信号可以为供应商310或消费者330指示检测到污染物，例如，视觉或听觉信号。在某些实施例中，该系统可以是手动的，并且供应商310在感知到该信号之后可以手动地停止供应氢给消费者330。
图3B的实施例可以提供优于在氢的源流中直接地简单测量污染物的优点。例如，如果发送到测量装置340的氢气已经穿过EHP320并起源于EHP320的阳极侧，污染物的浓度可以更高。这种配置可以允许使用较不敏感的测量装置，其可以是更便宜的，提供了成本效益。因此，与在引入到EHP320之前直接测量有潜在污染物的氢供应的浓度相比，使用这个配置可以实现更便宜和更简单的氢气纯度的监控。
图4的流程图提供了示例性监控方法410的步骤的视觉排列形式（visualarrangement），类似于关于图3A、3B的上述示例性实施例。
消费者可以将输送的氢使用于任何合适的用途，例如包括，用于分配给燃料电池交通工具（例如，在加燃料或传输站）、使用燃料电池交通工具的用途、使用固定式燃料电池应用（例如，备用发电机、家用电力系统）的用途、便携式燃料电池应用、制造（例如，半导体、电子、冶金的制造），或其他的商品氢气用户（例如，实验室、化学合成）。氢气的供应商可以包括大规模生产商及供应给零售经销商（例如，在加燃料或传输站）、工业品和商品制造商或用户，或者氢的单个用户的批发经销商。氢气的消费者可以包括化石燃料和可再生烃燃料两者的精炼厂、化石燃料和可再生烃燃料两者的精炼厂、零售经销商，例如，加气站、工业品制造商或用户，或氢的单个用户。在某些实施例中，供应商和消费者可以是相同的实体，例如，零售商或制造可以生产它自己的氢气用于其自身的消耗。
在某些实施例中，氢气的供应商可以使用上述监控方法以确保输送给消费者的氢气满足预定的纯度阈值。这种阈值可以通过工业标准，例如，CGA-5.3、SAEJ2719和ISO14687-2设置，或者例如可以至少部分取决于消费者的需求，或任何其它的规范。氢纯度水平可以超过99%纯度，并且在某些情况下，可以超过99.9%纯度。总杂质可以小于400ppm，例如，小于300ppm、小于200ppm、小于100ppm、小于50ppm和小于10ppm。在某些实施例中，供应商可以使用EHP用于氢监控作为做一些担保或保证的方法，例如，通过给消费者关于输送的氢的纯度水平的合同协议或证书。因此，使用EHP监控一定数量的氢气的纯度的方法可以为供应商提供有成本效益的方法，例如，合同性保证由供应商输送给消费者的氢气的纯度的方法，或者生产和提供满足预定的纯度阈值的氢气供应的方法。
图5的方法示出了可能在任何合适的净化或监控系统，例如，在那些在图2A、2B、3和4中所描述的系统发生的事件的流程图。如在步骤410中所示，供应商可以具有一定数量的氢气。可以产生该一定数量的氢气，例如，使用任何合适的蒸汽甲烷重整器、化石烃重整器、可再生烃重整器、电解槽、乙醇重整器、生物质重整器、煤的气化、核动力水分解、光电化学系统、光生物学系统或太阳能热化学系统。在某些实施例中，供应商可能已经具有包含在任何合适的容器，例如，管、罐、管线或瓶中的一定数量的氢气或氢液体，并且这个氢可以具有未知的、疑似的或已知的污染物的掺合料。
为了确保供应给消费者的氢气的纯度，有潜在污染物的一些或所有氢气可以穿过EHP，步骤411和420。如上面讨论的，该EHP包括电解质膜并经配置以只允许质子，即，氢离子，和水分子穿过。因此，只有氢和水将被允许从EHP的阳极侧穿过到EHP的阴极侧。任何在气体掺合料中存在的污染物将从EHP被分离出并去除，步骤421。虽然在图5中的示例性实施例只显示一个EHP，但可以包括任何合适数量的EHP。例如，多个EHP能够被并联或串联布置。此外，每个EHP可以包括单个电化学电池或堆叠布置的多个电化学电池。通过使所有或一部分该一定数量的氢气穿过EHP，该一定数量的氢气可以被净化、监控纯度，或两者兼有。
一旦被净化和/或监控，氢气可以准备好输送给消费者。基于在步骤420期间发生的监控和/或净化，氢供应商可以生成证书，步骤440。这种证书可以包括一致性、符合性、适应性、分析性、准确性的证书或者任何其他合适的证书或它们的组合。示例性证书可以证明或保证气体的任何合适的参数、测量、特性或质量（例如，专业或工业)，例如，含量（例如，气体、水分或粒子）、组合的确定性、完整性、复杂性、纯度水平、与一种或多种标准或规范的符合性。进一步地，证书能够证明混合的方法、实验室分析的类型和用于准备气体混合物的参考标准及例如使用期限。在某些实施例中，供应商可以使用EHP做一些担保或保证，例如，通过证书或其他的合同协议，例如，在步骤440，给消费者关于输送的氢的纯度水平。示例性保证可以包括任何明示的、暗示的、书面的、口头的、因情况而异的、有限的、完全的或其他合适的保证。例如，在步骤440生成的证书可以证明从EHC收集并准备好提供给消费者的氢，或者提供给消费者的氢，具有至少基本上等于预定的纯度阈值的参数，例如，纯度的水平。能够设置纯度的阈值，例如，根据任何合适的规范、工业标准或者例如根据消费者的需求。
氢供应商然后可以向氢消费者供应有保证的纯度的氢气，步骤422、423、430。氢供应商可以物理上为氢消费者提供证书，或者这种证书可以口头提供，或者可以暗示。证书可以合并作为氢供应商和氢消费者之间书面的、明示的、暗示的、一次性的或不间断的（ongoing）合同协议的一部分，且可以包括任何合适的保证、担保或证书。证书可以在氢气的输送之前、期间或之后提供给消费者，或者，如果供应商和消费者之间存在不间断的供应关系，证书可以在氢的每次输送、氢的所有输送之前、期间或之后提供，或者定期地在不间断的氢输送过程中提供。
消费者可以将输送的氢用于任何合适的用途，例如包括，用于分配给燃料电池交通工具（例如，在加燃料或传输站）、使用燃料电池交通工具的用途、使用固定式燃料电池应用（例如，备用发电机、家用电力系统）、便携式燃料电池应用的用途、制造（例如，半导体、电子、冶金的制造），或其他的商品氢气用户（例如，实验室、化学合成）。氢气的供应商可以包括大规模生产商及供应给零售经销商（例如，在加燃料或传输站）、工业品和商品制造商或用户，或者氢的单个用户的批发经销商。氢气的消费者可以包括化石燃料和可再生烃燃料两者的精炼厂、化石燃料和可再生烃燃料两者的精炼厂、零售经销商，例如，加气站、工业品制造商或用户，或氢的单个用户。在某些实施例中，供应商消费者可以是相同的实体，例如，零售商或制造可以生产它自己的氢气用于其自身的消耗。
在某些实施例中，氢气的供应商可以使用上述方法和证书以确保输送给消费者的氢气满足预定的纯度阈值。这种阈值可以通过工业标准，例如，CGA-5.3、SAEJ2719和ISO14687-2设置，或者可以至少部分取决于消费者的需求或例如任何其他的规范。氢纯度水平可以超过99%纯度，并且在某些情况下，可以超过99.9%纯度。总杂质可以小于400ppm，例如，小于300ppm、小于200ppm、小于100ppm、小于50ppm和小于10ppm。在某些实施例中，供应商可以使用EHP用于氢监控作为做一些担保或保证的方法，例如，通过给消费者关于输送的氢的纯度水平的合同协议或证书。因此，使用EHP监控一定数量的氢气的纯度的方法可以为供应商提供有成本效益的方法，例如，合同性保证由供应商输送给消费者的氢气的纯度的方法，或者生产和提供满足预定的纯度阈值的氢气供应的方法。
上述实施例的应用可以有助于氢气纯度的有成本效益的净化、监控、质量控制和保证。
本发明的许多特征和优点从详细的说明书中是显而易见的，并因此，所附的权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有本发明的这些特征和优点。进一步地，由于本领域技术人员将很容易地想到许多修改和变化，因此不希望本发明受到所示出和描述的确切结构和操作的限制，并因此，所有合适的修改和等同物可以被诉诸于落入本发明的范围内。
此外，本领域技术人员将理解的是，这个发明所基于的概念可以很容易地用作设计其他的结构、方法和系统的基础，用于实现本发明的多个目的。因此，不应认为权利要求受限于前述的说明。

Claims (30)

1.一种生产满足预定的纯度阈值的氢气的方法，包括：
通过电化学氢泵传输一定数量的氢气混合物，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；
通过将氢气从阳极经电解质膜传输到阴极，从氢气混合物中分离一定数量的氢气；
从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及
生成证书：收集的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括：
从阳极去除来自氢气混合物的一定数量的非氢，电解质膜阻止该非氢穿过该电解质膜到阴极。
3.权利要求1所述的方法，进一步包括：
将收集的氢气输送给消费者。
4.权利要求1所述的方法，其中预定的纯度阈值超过约99%氢。
5.权利要求1所述的方法，其中预定的纯度阈值小于约300ppm的非氢。
6.权利要求1所述的方法，其中预定的纯度阈值小于约50ppm的非氢。
7.一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，包括：
将含有氢气和非氢的第一数量的氢气混合物引入到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；
将氢气混合物从阳极引导到电解质膜；
使氢气穿过电解质膜到阴极；
基本上阻止非氢穿过电解质膜；
从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值，以及
将收集的氢气与第二数量的氢气混合物混合，其中该混合产生第三数量的氢气混合物，该第三数量的氢气混合物具有至少满足预定的纯度阈值的纯度水平。
8.权利要求7所述的方法，进一步包括：
提供保证：第三数量的氢气混合物具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
9.权利要求7所述的方法，进一步包括：
将第三数量的氢气输送给消费者。
10.权利要求7所述的方法，其中第一数量的氢气混合物和第二数量的氢气混合物最初两者都是来源于氢气混合物源，并且其中当该第一数量引入到电化学氢泵时，第一数量和第二数量被分离，且该第一数量和第二数量通过混合重新汇合。
11.权利要求7所述的方法，其中收集的氢气与第二数量的氢气混合物混合，并且被基本上阻止穿过电解质膜的非氢气不与该第二数量的氢气混合物混合。
12.权利要求11所述的方法，其中将与第二数量的氢气混合物混合的收集的氢气输送给消费者。
13.权利要求7所述的方法，其中预定的纯度阈值超过约99%氢。
14.权利要求7所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约2,000psi的压力下运行。
15.权利要求7所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约5,000psi的压力下运行。
16.权利要求7所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
17.一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，包括：
提供一定数量的氢气；
将第一部分该一定数量的氢气转移到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；
将第一部分氢气从阳极引导到电解质膜；
使第一部分氢气穿过电解质膜到阴极；
基本上阻止在第一部分中的非氢穿过电解质膜；以及
将穿过电解质膜的第一部分氢气再引入到没有转移到电化学氢泵的第二部分氢气。
18.权利要求17所述的方法，其中运行电化学氢泵所需要的电压随着被基本上阻止穿过电解质膜的非氢的量的增加而增加。
19.权利要求18所述的方法，其中电压的增加是被基本上阻止穿过电解质膜的非氢的量的函数，并且校准电化学氢泵以检测转移到该电化学氢泵的第一部分氢气是否降到纯度的预定水平以下。
20.权利要求17所述的方法，进一步包括：
将穿过电解质膜的第一部分氢气及没有转移到电化学氢泵的第二部分氢气输送给消费者。
21.权利要求20所述的方法，其中电化学氢泵还包括控制器且该方法进一步包括：
如果控制器检测到转移到电化学氢泵的第一部分氢气降到纯度的预定水平以下，停止输送氢气给消费者。
22.权利要求21所述的方法，进一步包括：
生成保证：输送给消费者的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
23.权利要求17所述的方法，进一步包括：
将一定量的第一部分该一定数量的氢气发送到测量装置，其中该测量装置经配置以测量氢气的纯度水平。
24.权利要求23所述的方法，其中将该一定量的第一部分从电化学氢泵的阳极发送到测量装置。
25.权利要求17所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约2,000psi的压力下运行。
26.权利要求17所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约5,000psi的压力下运行。
27.权利要求17所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
28.一种提供满足预定的纯度阈值的氢气的方法，包括：
将含有氢气和非氢气的一定数量的氢气混合物引入到电化学氢泵，其中该电化学氢泵包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的电解质膜；
将氢气混合物从阳极引导到电解质膜；
使氢气穿过电解质膜到阴极；
基本上阻止非氢气穿过电解质膜；
从阴极收集氢气，其中收集的氢气至少满足预定的纯度阈值；以及
提供保证：收集的氢气具有至少基本上等于预定的纯度阈值的纯度。
29.权利要求28所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约5,000psi的压力下运行。
30.权利要求26所述的方法，其中电化学氢泵经配置以在超过约10,000psi的压力下运行。
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