CN107021455A - 用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池 - Google Patents

用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN107021455A
CN107021455A CN201611198748.2A CN201611198748A CN107021455A CN 107021455 A CN107021455 A CN 107021455A CN 201611198748 A CN201611198748 A CN 201611198748A CN 107021455 A CN107021455 A CN 107021455A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
compressor
electrochemistry
thermal diffusion
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201611198748.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107021455B (zh
Inventor
A.乌茨
D.斯泰纳
K.韦伯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of CN107021455A publication Critical patent/CN107021455A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107021455B publication Critical patent/CN107021455B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0485—Composition of the impurity the impurity being a sulfur compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/146—At least two purification steps in series
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于制造尤其是燃料电池用的氢气的系统（1），该系统具有：能够与天然气重整器（2）相耦联的热扩散装置（3）以及连接在所述热扩散装置（3）之后的电化学的压缩机（4），其中所述热扩散装置（3）通过热扩散来实施所述天然气重整器的氢气和二氧化碳这些气体成分的预分离，并且其中在所述电化学的压缩机（4）中对所述氢气进行压缩。

Description

用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池
技术领域
本发明涉及用于制造尤其是燃料电池用的氢气的系统和方法，以及构造有所述系统或者能够与所述系统相耦联的燃料电池。
背景技术
今天，在世界范围内95%以上的氢气在中心的精炼厂中从对于天然气的重整中产生。吸热的所谓的水煤气变换反应的产物由大约80%的氢气H2和大约20%的二氧化碳CO2以及微量的一氧化碳CO和水蒸汽组成。氢气的大多数用户需要很高质量的纯度大于99.999%的氢气。因此必须耗费地将二氧化碳CO2、一氧化碳和水蒸汽从所述氢气中除去。这要么通过所述水蒸汽和二氧化碳CO2的冷却和冷凝（Auskondensieren）要么通过变压吸附（英语：Pressure swing adsorption，PSA）来进行。
从DE 10 2007 056 267 A1中公开了用于从包含碳氢化合物的给料中获取氢气-及二氧化碳产物的方法和装置。作为所述给料，在此借助于蒸汽重整在作为重整器的变温地（allotherm）点火的反应器中并且借助于随后的水煤气变换来产生主要由氢气和二氧化碳组成的气流作为合成气。
此外，从DE 101 22 016 A1中公开了一种用于生产氢气的装置和一种用于进行变温的蒸汽重整的方法。所述装置在此包括在所定义的温度范围内工作的变温的重整器，该重整器用于将碳氢化合物气体和水转化为氢气和其他的重整器产物、例如一氧化碳和二氧化碳，其中在所述重整器的后面尤其是为了降低一氧化碳份额而连接了特定于反应和温度地经过调整的催化器级（Katalysatorstufen）。为了对所述重整器进行加热，在其紧挨着的附近布置了从锅炉技术中已知的煤气燃烧器。
发明内容
本发明公开了一种用于制造氢气的具有专利权利要求1的特征的系统、一种具有专利权利要求8的特征的燃料电池和一种用于制造氢气的具有专利权利要求9的特征的方法。
相应地提供了一种系统以用于生产尤其是燃料电池用的氢气，该系统具有：
能够与天然气重整器相耦联的热扩散装置，以及连接在所述热扩散装置之后的电化学的压缩机，
其中所述热扩散装置通过热扩散来实施所述天然气重整器的氢气和二氧化碳这些气体成分的预分离，并且其中在所述电化学的压缩机中对所述氢气进行压缩。
此外，提供了一种燃料电池，该燃料电池能够与所述系统相耦联或者构造有所述系统，以用于将由所述系统生产的氢气输送给所述燃料电池。
此外，提供了一种方法以用于通过所述系统来制造氢气，其中所述方法具有以下步骤：
将天然气重整器的生成气体（Produktgas）输送给所述热扩散装置；
通过所述热扩散装置的热扩散来使所述生成气体的氢气和二氧化碳这些气体成分预分离；
将所述经过预分离的气体成分提供给所述电化学的压缩机；并且
使质子从阳极侧经由质子能通过的膜片扩散到所述电化学的压缩机的阴极侧。
本发明提供了一种系统和一种方法，该系统和方法可以生产具有较高纯度的氢气，其中所述氢气尤其适合于在燃料电池中的使用。所述系统和所述方法在此可以通过所述热扩散装置的热扩散来连续地工作。在此，所述系统不必在间歇操作中来运行。此外，所述系统具有紧凑的结构，其中可以放弃活动的部件，例如泵、通风机和阀。通过无磨损和免保养的系统，此外可以显著地提高客户利益。此外，所述系统不仅可以被设置在精炼厂中，而且也可以局部地被设置在加油站处或者直接被设置在运输工具内，并且通过天然气重整器用相应的作为输出气体的生成气体来供给。构造有所述系统的燃料电池可以被集成到运输工具中。此外，所述系统例如可以局部地在现场被设置在加油站处，并且在那里向运输工具的燃料电池供给所需的氢气。在此，尤其可以放弃对在精炼厂所制造的燃料电池用的氢气耗费的运输，并且换而言之可以在现场向多种多样的燃料电池供给在所述系统中所生产的氢气。特别地，如此紧凑地制造的系统例如也可以用在家用技术或者建筑物技术（Gebäudetechnik）等中的燃料电池中。
优选的改进方案是从属权利要求的主题。
在一种按照本发明的实施方式中，所述电化学的压缩机具有反应器，该反应器具有阳极和阴极以及在所述阳极与所述阴极之间所设置的质子能通过的膜片。经由所述质子能通过的膜片在此只能或者基本上只能让质子扩散。此外，所述电化学的压缩机结合所述热扩散装置允许连续地生产氢气、尤其是具有很高纯度的氢气。
在另一种按照本发明的实施方式中，向所述电化学的压缩机的反应器的阴极侧加载预先确定的压力。所述压力在此优选足够高，使得所存在的H2O分子不能穿透或者尽可能微不足道地穿透所述质子能通过的膜片。由此，在所述阴极侧可以获得很高纯度的氢气并且由此提供下述这样的应用方案，所述应用方案要求这样高的纯度。
所述反应器的阴极侧上的压力至少为100 bar，并且例如处于700 bar到1000 bar的范围内。按照应用情况和功能，原则上小于700 bar的压力也是可行的，例如如果要求更小纯度的氢气并且相应地可以存在更多的H2O分子。
在一种按照本发明的实施方式中，向所述阴极和所述阳极加载了能斯特电压。借助于所加载的电压，氢分子可以适当地被裂解并且电离，从而使得质子可以朝所述阴极侧移动穿过所述膜片。所加载的电压相当于由于阴极与阳极之间的压力商数引起的能斯特电压以及通过不同的欧姆电阻引起的电压降。
在一种按照本发明的实施方式中，所述热扩散装置连续地实施所述天然气重整器的氢气和二氧化碳这些气体成分的预分离。由此不必进行间歇操作并且可以连续地生产具有较高纯度的氢气。特别地，具有很大的并且不同的分子量的分子之间的热扩散、例如对于氢气H2和二氧化碳CO2或者水H2O来说特别有效。
在另一种按照本发明的实施方式中，所述系统能够与运输工具、加油站、精炼厂或者建筑物技术的燃料电池相连接，以用于输送由所述系统来生产的氢气。作为运输工具，在此除了机动车、例如轿车、公共汽车、载货车等等之外，飞行器和宇宙飞船以及船舶也都可以配备有所述按照本发明的系统，因为所述系统由于其紧凑的结构类型原则上也适合于此。
特别地，在一种按照本发明的实施方式中，运输工具的、处于加油站处的或者作为建筑物技术的一部分的燃料电池能够与所述系统相耦联或者构造有所述系统，以用于向所述燃料电池输送由所述系统来生产的氢气。
在另一种按照本发明的实施方式中，在向所述电化学的压缩机提供所述经过预分离的气体成分时可以额外地限制一氧化碳CO浓度。为了限制所述压缩机之前的一氧化碳CO浓度，例如可以在所述重整器中设置一氧化碳CO净化级（Reinigungsstufe）。如果在所述重整器和所述处于电化学的压缩机的入口处的热扩散装置之后的一氧化碳CO浓度太高、例如大于100 ppm，那就可以对所述一氧化碳CO浓度进行限制或者限定。例如可以在所述重整器中设置CO净化级，该CO净化级限制所述一氧化碳CO浓度。
附图说明
下面借助于附图来对本发明的其他特征和优点进行解释。附图示出：
图1是用于对重整器的生成气体进行净化的净化系统的按照本发明的一种实施方式的结构的示意图；并且
图2是按照图1的净化系统的电化学的压缩机的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了用于制造氢气的系统1的按照本发明的实施方式的结构的示意图，所述氢气例如可以被输送给燃料电池或者其他装置，所述其他装置要求具有较高纯度的氢气。对于所述系统1来说，在此对重整器、尤其是天然气重整器2的生成气体进行净化。
按照本发明，所述系统1具有热扩散装置3和像在接下来的图2中所示出的那样的电化学的压缩机4。所述电化学的压缩机4在此用于对作为水煤气变换反应中的生成气体的氢气进行净化和压缩。水煤气变换反应在此是一种用于降低合成气体中的一氧化碳份额并且用于生产氢气的方法。
所述系统1与重整器2相耦联。更准确地说，如下面还要解释的那样，所述系统1的热扩散装置3与所述重整器、尤其是天然气重整器2相耦联。
如在图1中所示出的那样，首先借助于所述重整器2从在添加水蒸汽H2O的情况下通过水煤气变换反应而对天然气、更准确地说主要是在所述天然气中所包含的甲烷CH4的重整（Reformierung）中来生产氢气H2和二氧化碳CO2作为气体成分。此外，在此必要时可以进行额外的脱硫，以用于如果存在的话就除去不受欢迎的材料、像例如硫化氢H2S或者类似物。
对于借助于重整器2来得到的气体成分来说，在与重整器2相耦联的热扩散装置3中通过热扩散首先对所述重整器2的这两种气体成分、也就是氢气H2和二氧化碳CO2进行预分离。
所述热扩散装置3具有以下优点：可以较为紧凑地确定所述系统1的尺寸。此外，出现更小的氢气H2损失。此外，借助于所述热扩散装置3，例如与变压吸附（PSA）相比可以进行连续的运行，所述变压吸附在没有热泳（thermophoretisch）的气体分离的情况下只能在间歇操作中来运行。此外，变压吸附（PSA）要求更大的尺寸并且引起氢气H2的更大的损失。
在进行所述热扩散装置3的热扩散时，例如所述重整器2的气体中的、通过热固体来施加的（aufgeprägt）温度梯度引起虽然随机但还是平均定向的粒子运动。在此，较轻的分子流往较热的区域，较重的分子又流往较冷的区域。如在图1中所勾画的那样，在所述热扩散装置3中通过热扩散进行气体分离。
到现在为止，所述热扩散的过程例如用于分离氪、例如86氪和84氪的不同的各向同性（Isotrope）。而在具有很大的并且不同的分子量的分子之间、例如对于氢气H2和二氧化碳CO2或者水H2O来说，所述热扩散的过程还更加有效。
所述热扩散装置3对于按照本发明的系统1来说如在图1中所示出的那样连接在所述电化学的压缩机4的前面，并且在所述电化学的压缩机4的接下来所描述的膜片处引起富氢的气氛。在背面，贫氢的CO2向下流动并且离开所述电化学的压缩机4的反应室。合适的尺寸、对于温度梯度的选择以及所述电化学的压缩机4的可供使用的膜片表面与所述重整器2的体积流量相比，在所述电化学的压缩机4的反应器的出口中引起较小的氢浓度。由此可以使按照本发明的系统1的氢气H2的损失最小化。
使用在图1中的系统中的电化学的压缩机4在结构方面与质子-交换-膜片电解槽或者简称PEM（英语：proton exchange membrane）电解槽相类似。但是，与所述质子-交换-膜片电解槽不同的是，对于所述按照本发明的系统1的电化学的压缩机4来说没有使水分子裂解而是对氢气进行压缩。如在图1中所勾画的那样，可以在所述压缩机4中进行压缩和净化。
为此，如在接下来的图2中所示出的那样，在所述电化学的压缩机4的阳极处使氢分子裂解并且电离。质子穿过所述膜片并且在所述压缩机的阴极处重新组合成氢分子。有待加载的电压相当于由于阴极与阳极之间的压力商数（Druckquotienten）引起的能斯特电压以及通过不同的欧姆电阻引起的电压降。
能斯特电压。
如果在所述重整器2和处于所述电化学的压缩机4的入口处的热扩散装置3之后的一氧化碳CO浓度太高、例如大于100 ppm，那就例如能够可选地在所述重整器2中设置额外的一氧化碳CO净化级，该一氧化碳CO净化级限制或者限定了所述一氧化碳CO浓度。
在图2中示出了上面参照图1所描述的按照本发明的系统的电化学的压缩机4的原理结构。
所述电化学的压缩机4在此具有一反应器5，该反应器具有反应室6。在所述反应器中，作为电极设置了阳极7和阴极8并且设置了布置在所述阳极7与阴极8之间的质子能通过的膜片9、例如质子能通过的聚合物膜片。所述反应室6的阴极侧在此如下面所解释的那样具有预先确定的较高的压力。
所述质子能通过的膜片9在此如此构成，使得仅仅电离的氢原子作为质子可以通过所述膜片来扩散。而二氧化碳CO2和一氧化碳CO则留在所述阳极侧上。
所述质子能通过的膜片9可以在阴极侧例如用由承载在碳上的铂构成的多孔的电极来涂覆并且在阳极侧用金属的或者作为氧化物存在的贵金属、例如铱、钌等来涂覆。向这些电极、也就是所述阳极7和阴极8加载外部的电压。但是，本发明不局限于所述质子能通过的膜片9的设计方案。可以使用每种质子能通过的合适的膜片9，从而仅仅氢原子可以作为质子通过所述膜片9来扩散，而二氧化碳CO2和一氧化碳CO则停留下来并且不朝所述阴极侧扩散。在所述阳极侧向所述反应器5输送所述重整器2的前面借助于热扩散通过所述热扩散装置3预分离的气体成分、也就是所述氢气H2和所述二氧化碳CO2。
预分离的气体在此也可以以较小的浓度具有一氧化碳CO。在此，如前面所描述的那样，仅仅或者基本上仅仅电离的氢原子作为质子通过所述膜片9来扩散。而所述二氧化碳CO2以及如果存在的话一氧化碳CO则停留在所述阳极侧上。
在所述电化学的压缩机4的阳极7处使所述氢分子裂解并且电离。所述质子穿过所述膜片9并且在所述阴极8处重新组合为氢分子。有待加载到所述阳极7和阴极8上的电压如前面所解释的那样例如相当于由于阴极7与阳极8之间的压力商数产生的能斯特电压以及通过不同的欧姆电阻引起的电压降。
所述电化学的压缩机4的反应室6中的阴极侧处于压力之下，其中所述压力在此处于例如100 bar或者700 bar的范围内和更高的范围内、例如处于700 bar到1000 bar的范围内。但是，本发明不局限于所述电化学的压缩机4的阴极侧上的、处于700 bar到1000 bar的范围内的压力。适当地或者足够高地选择所述阴极侧上的压力，从而能够防止或者基本上防止经由所述质子能通过的膜片9将在所述阳极侧上例如存在的H2O分子夹带到所述阴极侧。原则上也可以考虑高于1000 bar的压力。原则上按照功能或者用途，700 bar以下的压力也是可行的。但是优选使用自100 bar起的压力，以用于防止经由所述质子能通过的膜片9将H2O分子夹带到所述阴极侧。
由于所述阴极侧上的适当地较高的压力、例如100 bar或者700 bar以及更高的压力和所述阳极侧上的很小的H2O浓度，经由所述质子能通过的膜片来夹带H2O分子的情况、即所谓的“H2O-拖带（H2O-Drag）”可以忽略不计。在所述电化学的压缩之后，在所述阴极侧上存在很纯的、处于得到提高的压力之下的氢气。
参照图1和2所描述的按照本发明的系统1具有以下优点：可以将二氧化碳CO2和水蒸汽从天然气重整器2的生成气体中除去。此外，能够将用于对所述氢气H2进行干燥的能耗降低到最低限度并且由此作为结果能够实现所述重整器2的从天然气到氢气的总效率的提高。此外，可以放弃活动的部件，像例如泵、通风机、阀等等。此外，可以通过无磨损的并且免保养的按照本发明的系统1来实现得到提高的客户利益。此外，可以提供对例如用于燃料电池的氢气的连续制造，因为通过所述热扩散单元3不需要间歇操作。
尤其通过所述用于将不纯物从生成气体氢气中除去的按照本发明的系统1以及同时对所述氢气的压缩可以将能耗降低到最低限度。随之可以降低装置方面的开销，因为，如前面所解释的那样可以放弃活动的部件并且可以将所述系统在总体上尺寸设计得较小。对于将氢气使用在流动情况中、尤其是使用在燃料电池中来说，天然气重整和氢气的制造可以通过所述按照本发明的系统局部地例如在加油站处、在运输工具等等中进行。
此外，所述按照本发明的系统例如也可以用在中心的天然气重整器、尤其是精炼厂中，用在分散的天然气重整器中、例如用在前面所提到的加油站处，用在家用能量应用情况、例如用于基于燃料电池的力和/或耦合的天然气重整器中，并且用在实验室运行用的重整器中，用在运输工具、例如机动车、飞行器和宇宙飞船、船舶等等中。但是，本发明不局限于所提到的、用于所述按照本发明的系统的使用可行方案和使用领域。原则上，所述按照本发明的系统可以用在每种领域中，在所述每种领域中需要氢气、尤其是具有很高纯度的氢气。
尽管前面借助于优选的实施例完全对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于此，而是能够以多种多样的方式和方法来更改。

Claims (13)

1.用于制造尤其是燃料电池用的氢气的系统（1），该系统具有：
热扩散装置（3），该热扩散装置能够与天然气重整器（2）相耦联；以及
电化学的压缩机（4），该电化学的压缩机连接在所述热扩散装置（3）之后，
其中通过借助于所述热扩散装置（3）而进行的热扩散能够实施所述天然气重整器（2）的氢气和二氧化碳这些气体成分的预分离，并且其中能够在所述电化学的压缩机（4）中对所述氢气进行压缩。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电化学的压缩机（4）具有反应器，该反应器具有阳极（6）和阴极（7）以及在所述阳极（6）与所述阴极（7）之间设置的质子能通过的膜片（9），其中仅仅或者基本上仅仅电离的氢原子或者质子能够经由所述质子能通过的膜片（9）来扩散。
3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，向所述反应器（5）的阴极侧加载预先确定的压力，所述压力足够高，使得所述质子能通过的膜片（9）不能被所存在的H2O分子穿透。
4.按照权利要求2或3中任一项所述的系统，其特征在于，所述反应器（5）的阴极侧上的压力至少为100 bar，并且优选在100 bar到1000 bar的范围内并且尤其在700 bar到1000bar的范围内。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的系统，其特征在于，向所述阴极（8）和所述阳极（7）加载了能斯特电压。
6.按照前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，通过借助于所述热扩散装置（3）而进行的热扩散能够对所述天然气重整器（2）的氢气和二氧化碳这些气体成分实施连续的预分离。
7.按照前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统（1）能够与运输工具、加油站、精炼厂或者建筑物技术的燃料电池相连接，以用于输送由所述系统来生产的氢气，其中所述运输工具尤其是机动车、飞行器和宇宙飞船或者船舶。
8.燃料电池，该燃料电池能够与按照前述权利要求中任一项所述的系统相耦联或者被构造用于将由所述系统（1）生产的氢气输送给所述燃料电池。
9.用于尤其通过按照权利要求1至7中任一项所述的系统来制造氢气的方法，其中所述方法具有以下步骤：
将天然气重整器（2）的生成气体输送给热扩散装置（3）；
通过借助于所述热扩散装置（3）而进行的热扩散来将所述生成气体的氢气和二氧化碳这些气体成分预分离；
将经过预分离的气体成分提供给所述电化学的压缩机（4）；并且
使所述电化学的压缩机（4）中的电离的氢分子或者质子从所述阳极侧经由质子能通过的膜片（9）扩散到所述电化学的压缩机（4）的阴极侧。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述电化学的压缩机（4）的阳极（7）和阴极（8）上加载能斯特电压，以用于使电离的氢分子从所述阳极侧经由所述质子能通过的膜片（9）扩散到所述电化学的压缩机（4）的阴极侧。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，对经由所述质子能通过的膜片（9）扩散的并且重新组合的氢气进行压缩，其中向所述电化学的压缩机（4）的阴极侧加载至少700bar的压力并且尤其是处于700 bar与1000 bar之间的压力。
12.按照权利要求10或者11所述的方法，其特征在于，在燃料电池的阴极侧上输送经过压缩的氢气，尤其是在运输工具内的、家用技术或者建筑物技术的、实验室内的或者加油站处的燃料电池的阴极侧上输送经过压缩的氢气。
13.按照权利要求9至12中任一项所述的方法，其中在向所述电化学的压缩机（4）提供所述经过预分离的气体成分时限制一氧化碳CO浓度，并且其中为了限制所述压缩机（4）之前的一氧化碳CO浓度而优选在所述重整器（2）中设置一氧化碳CO净化级。
CN201611198748.2A 2015-12-22 2016-12-22 用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池 Active CN107021455B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015226447.5 2015-12-22
DE102015226447.5A DE102015226447A1 (de) 2015-12-22 2015-12-22 System und Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Brennstoffzelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107021455A true CN107021455A (zh) 2017-08-08
CN107021455B CN107021455B (zh) 2022-04-05

Family

ID=58993836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611198748.2A Active CN107021455B (zh) 2015-12-22 2016-12-22 用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP6934719B2 (zh)
CN (1) CN107021455B (zh)
DE (1) DE102015226447A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502821A (zh) * 2019-10-16 2022-05-13 罗伯特·博世有限公司 用于电化学氢压缩的方法和装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7149530B2 (ja) * 2018-05-24 2022-10-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法
CN109573946A (zh) * 2018-09-29 2019-04-05 鼎佳能源股份有限公司 氢气回收再利用系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1206689A (zh) * 1997-04-29 1999-02-03 普拉塞尔技术有限公司 用固体电解质膜生产氢气的方法
WO2001071838A2 (de) * 2000-03-18 2001-09-27 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Kombinationsanlage mit einer brennstoffzelle und einem verbrennungsmotor und/oder brenner
CN1522225A (zh) * 2002-02-01 2004-08-18 Hy9公司 电化学发生器
JP2008513336A (ja) * 2004-09-14 2008-05-01 本田技研工業株式会社 水素分離方法及び装置
CN100449841C (zh) * 2001-06-15 2009-01-07 兹特克公司 零排放或低排放和共生产型能量供应站
CN102596798A (zh) * 2009-12-03 2012-07-18 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 与二氧化碳俘获组合的氢气生产方法
US20140272621A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Exxonmobil Research And Engineering Company Integration of Molten Carbonate Fuel Cells for Synthesis of Nitrogen Compounds
CN104577163A (zh) * 2014-12-01 2015-04-29 广东合即得能源科技有限公司 一种氢气发电系统及其发电方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2699836A (en) * 1951-10-15 1955-01-18 Phillips Petroleum Co Separation of gases by diffusion
JP2000247604A (ja) * 1999-02-25 2000-09-12 Toshiba Corp 水素製造装置及び方法
DE10122016A1 (de) 2001-05-07 2002-11-28 Viessmann Werke Kg Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff und Verfahren zur allothermen Dampfreformierung
DE10157737A1 (de) * 2001-11-24 2003-06-05 Bosch Gmbh Robert Brennstoffzellenanlage
JP4278132B2 (ja) * 2003-04-04 2009-06-10 財団法人電力中央研究所 高効率水素製造方法および装置
JP2004311159A (ja) * 2003-04-04 2004-11-04 Central Res Inst Of Electric Power Ind 高圧水素製造方法および装置並びに燃料電池自動車
US7976990B2 (en) * 2005-12-06 2011-07-12 Honda Motor Co., Ltd. High efficiency fuel cell system
DE102007056267A1 (de) 2007-11-22 2009-05-28 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff
US20100266923A1 (en) * 2009-04-15 2010-10-21 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with electrochemical hydrogen pump and method of operating same
DE102013224062A1 (de) * 2013-11-26 2015-05-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren von Wasserstoff
WO2015124183A1 (en) * 2014-02-19 2015-08-27 Htceramix S.A. Method and system for producing carbon dioxide, purified hydrogen and electricity from a reformed process gas feed

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1206689A (zh) * 1997-04-29 1999-02-03 普拉塞尔技术有限公司 用固体电解质膜生产氢气的方法
WO2001071838A2 (de) * 2000-03-18 2001-09-27 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Kombinationsanlage mit einer brennstoffzelle und einem verbrennungsmotor und/oder brenner
CN100449841C (zh) * 2001-06-15 2009-01-07 兹特克公司 零排放或低排放和共生产型能量供应站
CN1522225A (zh) * 2002-02-01 2004-08-18 Hy9公司 电化学发生器
JP2008513336A (ja) * 2004-09-14 2008-05-01 本田技研工業株式会社 水素分離方法及び装置
CN102596798A (zh) * 2009-12-03 2012-07-18 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 与二氧化碳俘获组合的氢气生产方法
US20140272621A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Exxonmobil Research And Engineering Company Integration of Molten Carbonate Fuel Cells for Synthesis of Nitrogen Compounds
CN104577163A (zh) * 2014-12-01 2015-04-29 广东合即得能源科技有限公司 一种氢气发电系统及其发电方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李兴虎: "《电动汽车概论》", 31 August 2005, 北京理工大学出版社 *
蒋国强等: "《氚和氚的工程技术》", 30 November 2007 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502821A (zh) * 2019-10-16 2022-05-13 罗伯特·博世有限公司 用于电化学氢压缩的方法和装置
CN114502821B (zh) * 2019-10-16 2024-04-23 罗伯特·博世有限公司 用于电化学氢压缩的方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6934719B2 (ja) 2021-09-15
CN107021455B (zh) 2022-04-05
JP2017125257A (ja) 2017-07-20
DE102015226447A1 (de) 2017-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6584499B2 (ja) 再循環する洗浄媒体を用いる電解法及び電解装置
CN104220645B (zh) 制造高纯度一氧化碳的装置
JP2002524234A (ja) 電気化学ガス清浄化装置
JP2016513867A5 (zh)
EP2560741A1 (en) Electrochemical carbon monoxide production
JP2012530352A5 (zh)
CN107021455A (zh) 用于制造氢气的系统和方法以及燃料电池
WO2018071818A1 (en) Systems and methods for variable pressure electrochemical carbon dioxide reduction
CN107002256A (zh) 一种制备超高纯度的一氧化碳的方法
US20140332405A1 (en) Hydrogen production process with carbon dioxide recovery
JP2020524212A (ja) 一酸化炭素含有ガス生成物の製造方法及びシステム
JP2019139858A5 (zh)
CN109843791B (zh) 用于获得氢的方法和装置
US9828681B2 (en) Redox device
JP2007270256A (ja) 水素製造装置、水素製造方法および燃料電池発電装置
JP4156884B2 (ja) 水電解水素ガス製造装置
JP2020111492A (ja) 水素製造システム
JP5037878B2 (ja) 選択透過膜型反応器及び水素ガスの製造方法
JP4228144B2 (ja) 固体高分子型水電解水素製造装置
TW495373B (en) A fuel processor, hydrogen-selective metal membrane modules, method of forming the same and a hydrogen purification assembly comprising the same
US20220290312A1 (en) Producing Carbon Monoxide
WO2021014969A1 (ja) 水素精製システム
WO2019181687A1 (ja) 水素製造装置および水素製造方法
JPH1171101A (ja) 高圧改質装置
JP2016184549A (ja) ガス製造装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant