CN105826582A - 一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法 - Google Patents

一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法 Download PDF

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Abstract

一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法，涉及气体压缩技术。压缩装置设有进气系统、阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、压缩气体储罐、直流电源；进气系统通过阳极集流板与阳极相连，气体经加湿后输入到阳极内；阳极和阴极分别压合在阳离子交换膜的两个侧面，阴极和阳极之间接入直流电源；压缩气体储罐通过阴极集流板与阴极相连，压缩气体储罐与阴极集流板和阳离子交换膜组成密闭空间；阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、直流电源构成单电池。压缩方法：制备三合一膜电极；将进气系统通过阳极集流板与阳极相连；开启进气系统，在阳极通入混合气体，加湿；在阴极和阳极之间通入直流电，即在储罐中得混合气体。

Description

一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法
技术领域
本发明涉及气体压缩技术，具体是涉及一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法。
背景技术
制冷空调领域中采用的氟利昂类制冷剂对臭氧层的破坏作用及温室效应，使得人们必须寻找新的替代制冷剂。氨是目前广泛使用的一种替代制冷剂，具有廉价易得、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、流动阻力小、泄漏时易发现等优点，且对大气的臭氧层无破坏作用。氨气在常温下加压至700～800KPa，气态的氨就会液化成无色的液体，液氨气化时吸热，使环境温度降低，因此氨是一种优良的制冷剂。氨气压缩机是空调制冷循环系统的核心部件，作为关键核心技术的压缩机技术，它的研发和创新具有举足轻重的重要作用。同时，氨也是一种重要的化工原料，用于制造氨水、氮肥、硝酸、铵盐、纯碱等，广泛应用于轻工、化工、制药、纺织等领域。为便于储存和运输，通常是将氨气加压或液化成液氨，储存在氨气瓶或液氨储罐中。目前氨气等气体的压缩都是采用机械式压缩的方式，常用的有离心式压缩机、往复式活塞压缩机和螺杆式压缩机。传统的机械式气体压缩机普遍存在着能耗高、效率低、噪音大、故障率高等缺点，气体还可能受到润滑油的污染，因此，氨气等制冷剂的压缩技术迫切需要革新。
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。氢气的电化学压缩装置类似于质子交换膜燃料电池，B.Rohland、S.A.Grigoriev、LucianoZanderighi等人的研究组都曾从事过电化学式氢气压缩的研究工作。专利WO03/075379A3公开了一种电化学的方法压缩氢气，此方法将电池串联，经过多级压缩，压缩出的气体压力可以达到12,000磅/平方英寸。
AhemedAbdull等人通过一种聚合物电解质氢泵从氢气、二氧化碳、水蒸气的混合气体提纯氢气，其中回收氢气的纯度大于99.99％。单级实验操作时，在能量效率为50％的情况下，氢气的回收率为65％，多级分离操作时，在能量效率为75％的情况下，氢气可以回收90％，并通过设计新型的多级分离操作，在能量效率高于90％的情况下，氢的气回收率达到98％。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种电化学式的气体压缩装置。
本发明的另一目的在于提供一种电化学式的气体压缩方法。
所述电化学式的气体压缩装置设有进气系统、阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、压缩气体储罐、直流电源；
所述进气系统通过阳极集流板与阳极相连，气体经加湿后输入到阳极内；阳极和阴极分别压合在阳离子交换膜的两个侧面，阴极和阳极之间接入直流电源；压缩气体储罐通过阴极集流板与阴极相连，用于存储压缩后的气体，压缩气体储罐与阴极集流板和阳离子交换膜组成一个密闭的空间；所述阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、直流电源构成一个单电池。
所述进气系统包括氢气储罐、氨气储罐、连接的气体管路、阀门、气体混合器和加湿器。
所述阳极包含催化层和气体扩散层，催化层可用铂、镍、钯、钌等金属为催化剂，优选为铂。阳极气体扩散层由多孔材料构成，如钛网或者经过疏水处理的碳布、碳纸等。
所述阴极包含催化层和气体扩散层，催化层可用铂、镍、钯、钌等金属为催化剂，优选为铂。气体扩散层由多孔材料构成，如钛网或者碳布、碳纸等，阴极的气体扩散层可以不做疏水处理。
所述阳离子交换膜可采用羧酸型阳离子交换膜或磺酸型阳离子交换膜，使用前需将阳离子交换膜浸泡于氨水中进行转型处理，将阳离子交换膜中的阳离子转化为铵型。
所述一种电化学式的气体压缩装置可以包含一个单电池，也可以由若干个单电池串联起来与进气系统和气体压缩储罐相连，增加单电池的数量可以提高压缩效率和缩短压缩的时间。
所述电化学式的气体压缩方法，包括以下步骤：
1)制备三合一膜电极；
2)将进气系统通过阳极集流板与阳极相连，压缩气体储罐通过阴极集流板与阴极相连，压缩气体储罐与阴极集流板、阳离子交换膜以及连接的气体管路、阀门构成一个密闭空间；
3)开启进气系统，在阳极通入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，并用加湿器加湿；
4)在阴极和阳极之间通入直流电，即在压缩气体储罐中获得高压的氨气与氢气的混合气体。
在步骤1)中，所述制备三合一膜电极的具体方法可为：
先制备阳极、阴极，然后分别将阳极、阴极压合到阳离子交换膜的两个侧面，制作方法类似于质子交换膜燃料电池膜电极的制备；或
将催化剂涂敷于阳离子交换膜的两个侧面，再与扩散层压合。
在步骤3)中，所述氨气与氢气的混合气体中氨气与氢气可任意比例混合，优选氨气和氢气的体积比为2∶1；所述加湿的相对湿度可为10％～100％。
在步骤4)中，所述直流电的电压可为0.05～0.7V。
该压缩方法可在室温下操作，也可加热升温操作。升温后可加快气体压缩的速率。
本发明将常压的氢气与氨气的混合气体用电化学的方法进行压缩，得到高压的氢气与氨气的混合气体，目前尚未有文献报道。压缩后的氨气和氢气的混合气体可作为非共沸混合制冷剂，也可以进一步提纯得到纯净的高压氨气。本发明提供的电化学式的气体压缩装置及压缩方法，比传统的机械式氨气压缩机更可靠、高效、节能；该系统没有移动部件，因而不会产生振动和噪音，也不会排放温室气体；能富集、分离、提纯、压缩氨气,在制冷空调、化工制药、环保等领域都有着广泛的用途。
附图说明
图1为所述电化学式的气体压缩装置的结构组成示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
参见图1，所述电化学式的气体压缩装置实施例设有进气系统1、阴极2、阳极3、阳离子交换膜4、阳极集流板5、阴极集流板6、压缩气体储罐7、直流电源8。所述进气系统1通过阳极集流板5与阳极3相连，气体经加湿后输入到阳极3内；阳极3和阴极2分别压合在阳离子交换膜4的两个侧面，阴极2和阳极3之间接入直流电源8；压缩气体储罐7通过阴极集流板6与阴极2相连，用于存储压缩后的气体，压缩气体储罐7与阴极集流板6和阳离子交换膜4组成一个密闭的空间；所述阴极2、阳极3、阳离子交换膜4、阳极集流板5、阴极集流板6、直流电源8构成一个单电池。
在图1中，标记P表示阀门。
所述进气系统包括氢气储罐、氨气储罐、连接的气体管路、阀门、气体混合器和加湿器。
所述阳极包含催化层和气体扩散层，催化层可用铂、镍、钯、钌等金属为催化剂，优选为铂。阳极气体扩散层由多孔材料构成，如钛网或者经过疏水处理的碳布、碳纸等。
所述阴极包含催化层和气体扩散层，催化层可用铂、镍、钯、钌等金属为催化剂，优选为铂。气体扩散层由多孔材料构成，如钛网或者碳布、碳纸等，阴极的气体扩散层可以不做疏水处理。
所述阳离子交换膜可采用羧酸型阳离子交换膜或磺酸型阳离子交换膜，使用前需将阳离子交换膜浸泡于氨水中进行转型处理，将阳离子交换膜中的阳离子转化为铵型。
所述一种电化学式的气体压缩装置可以包含一个单电池，也可以由若干个单电池串联起来与进气系统和气体压缩储罐相连，增加单电池的数量可以提高压缩效率和缩短压缩的时间。
以下给出电化学式的气体压缩方法实施例：
实施例1
催化层选用铂催化剂，气体扩散层选用钛网，阳离子交换膜选用膜。将催化层涂敷在气体扩散层上，分别制作阴极和阳极，再将阴极、阳极和阳离子交换膜三者压合在一起制备三合一膜电极，制备方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2cm×2cm。将膜电极与集流板、直流电源结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入常压(1个大气压)的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为2∶1，开启阀门，调节相对湿度为10％RH，设置操作温度为20℃，直流电源的电压为0.05V，10min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为271.3KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例2
催化层选用镍为催化剂制备，气体扩散层选用疏水处理后的碳布，阳离子交换膜选用磺化聚醚醚酮膜。将催化层涂敷在气体扩散层上，分别制备阴极、阳极，再将阴极、阳极和阳离子交换膜三者热压在一起制备三合一膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2cm×2cm。将膜电极与集流板、直流电源结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为1∶2，开启阀门，调节相对湿度为30％RH，设置操作温度为30℃，直流电源的电压为0.15V，10min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为235.2KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例3
催化层选用钯为催化剂制备，阳极扩散层选用疏水处理后的碳纸，阳极扩散层选用未经疏水处理的碳纸，阳离子交换膜选用膜。将催化层涂敷于气体扩散层上，分别制备阴极、阳极，再将阴极、阳极和阳离子交换膜三者热压制备膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2cm×2cm。将膜电极与集流板、直流电源结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入常压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为3∶2，开启阀门，调节相对湿度为50％RH，设置操作温度为40℃，直流电源的电压为0.3V，10min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为294KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例4
用与实施例1相同的方法，不同的是在进气系统中输入常压(1个大气压)的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为3∶1，调节相对湿度为80％RH，设置操作温度为50℃，直流电源的电压为0.45V。10min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为328.4KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例5
用与实施例1相同的方法，不同的是1个大气压的氨气与氢气的混合气体以1∶3的比例进入单电池，调节相对湿度为100％RH，设置操作温度为70℃，直流电源的电压为0.7V。10min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为239.8KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例6
催化层选用铂催化剂，扩散层选用疏水处理后的碳纸，阳离子交换膜选用膜。
将催化层涂敷于膜的两个侧面，再与阴极扩散层，阳极扩散层压合在一起制备三合一膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2.5cm×2.5cm。将膜电极与集流板、直流电源结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为2∶1，开启阀门，调节相对湿度为70％RH。设置操作温度为70℃，直流电源的电压为0.5V，20min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为801.6KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例7
催化层选用铂催化剂，扩散层选用疏水处理后的碳纸，阳离子交换膜选用膜
将催化层涂敷气体扩散层上，分别制备阴极、阳极，再将阴极、阳极和阳离子交换膜三者热压在一起制备三合一膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2.5cm×2.5cm。将膜电极与集流板结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为1∶1，开启阀门，调节相对湿度为30％RH。设置操作温度为50℃，直流电源的电压为0.6V，20min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为706.6KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例8
催化层选用铂催化剂，扩散层选用疏水处理后的碳纸，阳离子交换膜选用苯乙烯-二乙烯苯-甲基丙烯酸三元共聚物的均相阳离子交换膜。将催化层涂敷于膜的两个侧面，再与阴极扩散层，阳极扩散层压合在一起制备三合一膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2.5cm×2.5cm。将膜电极与集流板结合组装成单电池，按图1所示组装好气体压缩装置。在进气系统中输入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为1∶1，开启阀门，调节相对湿度为70％RH，设置操作温度为70℃，直流电源的电压为0.5V，15min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为436.6KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。
实施例9
催化层选用铂为催化剂制备，阳极扩散层选用疏水处理后的碳纸，阳极扩散层选用未经疏水处理的碳纸，阳离子交换膜选用膜。将催化层涂敷于气体扩散层上，分别制备阴极、阳极，再将阴极、阳极和阳离子交换膜三者热压在一起制备膜电极，制作方法与质子交换膜燃料电池的膜电极相同。膜电极的活性面积为2.5cm×2.5cm。将膜电极与集流板直流电源结合组装成单电池，并按照相同的方法制作三个单电池，串联在一起，然后按图1所示与进气系统和压缩气体储罐相连，组装好气体压缩装置。在进气系统中输入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，氨气与氢气的体积比为2∶1，开启阀门，调节相对湿度为70％RH。设置操作温度为70℃，直流电源的电压为0.5V，5min后检测压缩气体储罐中的压力和组成，测得储罐中的压力为823.3KPa,其中氨气与氢气的体积比为2∶1。

Claims (10)

1.一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于设有进气系统、阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、压缩气体储罐、直流电源；
所述进气系统通过阳极集流板与阳极相连，气体经加湿后输入到阳极内；阳极和阴极分别压合在阳离子交换膜的两个侧面，阴极和阳极之间接入直流电源；压缩气体储罐通过阴极集流板与阴极相连，用于存储压缩后的气体，压缩气体储罐与阴极集流板和阳离子交换膜组成一个密闭的空间；所述阴极、阳极、阳离子交换膜、阳极集流板、阴极集流板、直流电源构成一个单电池。
2.如权利要求1所述一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于所述进气系统包括氢气储罐、氨气储罐、连接的气体管路、阀门、气体混合器和加湿器。
3.如权利要求1所述一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于所述阳极包含催化层和阳极气体扩散层，催化层用铂、镍、钯或钌为催化剂，优选为铂；阳极气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用钛网、经疏水处理的碳布或经疏水处理的碳纸。
4.如权利要求1所述一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于所述阴极包含催化层和阴极气体扩散层，催化层用铂、镍、钯或钌为催化剂，优选为铂；阴极气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用钛网、碳布或碳纸。
5.如权利要求1所述一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于所述阳离子交换膜采用羧酸型阳离子交换膜或磺酸型阳离子交换膜。
6.如权利要求1所述一种电化学式的气体压缩装置，其特征在于所述一种电化学式的气体压缩装置包括至少一个单电池，或由至少2个单电池串联与进气系统和气体压缩储罐相连。
7.一种电化学式的气体压缩方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备三合一膜电极；
2)将进气系统通过阳极集流板与阳极相连，压缩气体储罐通过阴极集流板与阴极相连，压缩气体储罐与阴极集流板、阳离子交换膜以及连接的气体管路、阀门构成一个密闭空间；
3)开启进气系统，在阳极通入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，并用加湿器加湿；
4)在阴极和阳极之间通入直流电，即在压缩气体储罐中获得高压的氨气与氢气的混合气体。
8.如权利要求7所述一种电化学式的气体压缩方法，其特征在于在步骤1)中，所述制备三合一膜电极的具体方法为：
先制备阳极、阴极，然后分别将阳极、阴极压合到阳离子交换膜的两个侧面，制作方法类似于质子交换膜燃料电池膜电极的制备；或
将催化剂涂敷于阳离子交换膜的两个侧面，再与扩散层压合。
9.如权利要求7所述一种电化学式的气体压缩方法，其特征在于在步骤3)中，所述氨气与氢气的混合气体中氨气与氢气按任意比例混合，优选氨气和氢气的体积比为2∶1；所述加湿的相对湿度可为10％～100％。
10.如权利要求7所述一种电化学式的气体压缩方法，其特征在于在步骤4)中，所述直流电的电压为0.05～0.7V。
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