CN107302101A - 电化学式的氨气压缩装置及压缩方法 - Google Patents

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Abstract

电化学式的氨气压缩装置及压缩方法，涉及气体压缩。电化学式的氨气压缩装置设有进气系统、单电池、压缩气体储存装置、外接直流电源等部分。单电池的结构类似于质子交换膜燃料电池的单电池，设有阳极流场板、阴极流场板、膜电极、密封装置、固定装置；其中膜电极为核心部件，设有阳极、阴极及阳离子交换膜。压缩方法简单易行，先制作膜电极并对其充电，再组装压缩装置，将单电池的阳极与进气系统相连并输入常压的、加湿后的氨气，在单电池两端加直流电压，经过一段时间后，即可在阴极得到高压的氨气。可以直接对纯氨气进行压缩，与传统的机械压缩装置相比，所采用的压缩装置及压缩方法具有高效、节能、无污染、无噪音等优点。

Description

电化学式的氨气压缩装置及压缩方法
技术领域
本发明涉及气体压缩，尤其是涉及电化学式的氨气压缩装置及压缩方法。
背景技术
氨气是一种重要的工业原料，在医药、化肥、国防、轻工业方面均有着广泛用途,是制造氮肥、硝酸、炸药、医药、火箭液体燃料、合成纤维等的主要化工原料。此外在制冷、空调领域，由于氨易液化的特性，它也是一种常用的制冷剂，因为氨气压缩后得到液氨，液氨在气化后能吸收大量的热，使环境温度降低。
在氨气的生产与利用中，储存和运输都是非常关键的环节，在对气体进行储存与运输时，为便利起见，一般都需要先将其进行压缩。气体压缩的技术可分为传统的机械式压缩与电化学式压缩，前者是物理方法，后者则是电化学的方法。机械式压缩技术发展较早，也较为成熟，但存在着能源浪费、效率低、噪音大、气体易被污染以及容易发生故障等一系列缺点，而新兴的电化学式的气体压缩技术节能、无污染、无噪音，相比机械式压缩技术，具有明显优势。
电化学式的气体压缩的原理，主要基于燃料电池技术，其装置结构也类似于质子交换膜燃料电池装置，以单电池及其中的膜电极为核心。以电化学式的氢气压缩技术为例，其原理如下：在阳极通入常压的、加湿过的氢气，然后在单电池两端外加直流电压，加湿过的氢气在阳极被氧化为水合氢离子，水合氢离子在外加电压的作用下不断地通过质子交换膜，在阴极还原成氢气，由于氢离子只能单向通过质子交膜从阳极到达阴极，而不能逆向地从阴极到达阳极，在密封的情况下，阴极的氢气密度越来越大，最终在阴极得到高压的氢气。
近20年来，电化学式的氢气压缩技术的研究已经较为成熟，许多研究机构及企业都对此项技术进行了不遗余力的开发，并在实际应用中取得了良好的效果。德国的Strobel等人采用为质子交换膜，设计了一套实验室使用的以质子交换膜燃料电池为核心部件的电化学氢气压缩装置；挪威的Thomassen等人则以聚苯并咪唑(PBI)为质子交换膜，以质子交换膜燃料电池为核心部件设计了一套电化学式的氢泵装置，而且可以对含有氢气的混合气体进行压缩与分离；荷兰的HyET公司则成功地将电化学式的压缩氢气的设备商业化。
目前电化学式的气体压缩装置和方法，文献报道仅见对氢气，或者对氢气和氨气混合气体进行压缩的报道，未见对纯氨气进行压缩的报道。中国专利CN105826582A公开了一种电化学式的气体压缩装置及其压缩方法，可将氨气及氢气的混合气体进行压缩；美国的Ye Tao等人以膜为质子交换膜，以贵金属铂为催化剂，制作质子交换膜燃料电池的单电池作为核心部件，设计了一套与专利CN105826582A类似的电化学式的氨气压缩装置，研究了它在闭合回路中的性能，并利用电分析手段探索了压缩过程中氨气传导的机理及动力学。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术缺陷，提供一种新型的电化学式的氨气压缩装置及压缩方法。
所述电化学式的氨气压缩装置，设有进气系统、单电池、压缩气体储存装置、外接直流电源；
所述进气系统设有氨气气源、控温加湿器，所述氨气气源与控温加湿器之间通过气体管路及阀门相连接并与单电池阳极相连；
所述单电池设有阳极流场板、阴极流场板、膜电极、密封装置、固定装置成，其中膜电极设有阳极、阴极和阳离子交换膜；
所述压缩气体储存装置，通过气体管路与单电池的阴极流场板相连，用于储存压缩后的气体；
所述膜电极、密封装置、阴极流场板与压缩气体储存装置共同组成一个密闭的空间。
所述外接直流电源的两极与单电池的两极分别相连，共同构成闭合电路。
所述膜电极中的阳极包含阳极催化层和气体扩散层，所述阳极催化层的活性物质为储氢合金，所述储氢合金包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔材料包括但不限于泡沫镍、铜网、钛网等。
所述膜电极中的阴极包含阴极催化层和气体扩散层，所述阴极催化层的活性物质为氢氧化镍或储氢合金构成，阴极催化层的活性物质包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系储氢合金；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔材料包括但不限于泡沫镍、铜网、钛网等。
所述膜电极中的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等。
所述电化学式的氨气压缩装置包括至少1个单电池，或由至少2个单电池串联，并通过气体管路与进气系统和压缩气体储存装置相连，且与外接直流电源共同构成闭合电路。
所述电化学式的氨气压缩方法，包括以下步骤：
1)配制阳极催化层和阴极催化层的浆料；
在步骤1)中，所述配制阳极催化层和阴极催化层的浆料的方法可将活性物质、导电剂、粘结剂混合均匀，配制成浆料；所述阳极催化剂的浆料中活性物质为储氢合金，储氢合金包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系；所述阴极催化剂的浆料中活性物质为氢氧化镍或者储氢合金，包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系储氢合金；所述阳极或阴极催化剂的浆料中，导电剂选自镍粉、碳粉、乙炔黑、石墨粉、镉粉、锌粉、钴锌合金粉、钴粉等中的至少一种，所述粘结剂为能将活性物质和导电剂粘合在一起的物质，包括但不限于溶液，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素等高分子化合物的溶液或乳液；所述活性物质与导电剂的质量比可为(6～9)∶1。
2)制备阳极和阴极；
在步骤2)中，所述制备阳极和阴极的方法可将步骤1)配制的阳极、阴极催化层浆料分别涂覆于阳极、阴极的气体扩散层上，干燥后得到阳极和阴极；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔金属材料包括且不限于泡沫镍、铜网、钛网等。
3)制备三合一膜电极；
在步骤3)中，所述制备三合一膜电极的方法可将步骤2)制得的阴极和阳极分别置于阳离子交换膜的两侧，热压后得三合一膜电极；所述热压的压力可为0.5～6MPa，热压的温度可为120～150℃，热压的时间可为3～8min。
4)将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电；
在步骤4)中，所述电解池的电解液为氢氧化钠或氢氧化钾的浓溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍；所述充电的电流密度可为20～100mAh/g，充电的时间可为2～8h。
5)将充好电的膜电极装入阳极流场板与阴极流场板之间，与单电池的其它部件共同组装，并用固定装置固定；将进气系统与单电池阳极相连，压缩气体储存装置与单电池阴极相连；
6)开启进气系统，控制系统的温度和湿度，通入常压的、经过加湿的氨气；接好外接直流电源与单电池之间的电路，在单电池的阴极和阳极之间加上直流电压后，即可在压缩气体储存装置中获得高压的氨气。
在步骤6)中，所述直流电压可为0.05～3.5V。
压缩氨气时可将进气系统中的氨气，以及单电池加热，以提高压缩效率。
本发明的有益效果是：
本发明所采用的电化学式的氨气压缩法，比传统的机械压缩法更加节能、高效、环保，不会产生噪音和污染气体；
本发明所采用的电化学式的氨气压缩法，可以直接对纯氨气进行压缩。
目前已报道的电化学式的气体压缩方法，膜电极催化层的活性物质一般采用贵金属铂，成本高昂，而本发明的膜电极催化层的活性物质则采用价格较低的储氢合金等材料，大大降低了成本。
附图说明
图1为本发明所述电化学式的氨气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作进一步的说明和描述。
参见图1，所述电化学式的氨气压缩装置实施例设有进气系统、单电池、压缩气体储存装置、外接直流电源。
所述进气系统设有氨气气源1、流量计2、控温加湿器3，各部件之间用气体管路及阀门相连接，并与单电池阳极相连。
所述单电池设有阳极流场板4、阴极流场板8、膜电极及密封装置、固定装置，其中膜电极由阳极5、阳离子交换膜6、阴极7经过热压而得到三合一的结构，并嵌入单电池中，用固定装置固定。
所述压缩气体储存装置为一储罐9，用于储存压缩后的气体，其一端通过气体管路及阀门与单电池阴极相连，另一端通过气体管路及阀门与外界相连。
所述膜电极、阴极流场板4与压缩气体储存装置9共同组成一个密闭的空间。
所述外接直流电源10的两极与单电池的两极分别相连，共同构成闭合电路。
在图1中，标记P表示阀门，标记G表示压力表。
以下给出具体实施例。
实施例1
配制含有活性物质镧镍合金粉末、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯溶液的浆料，其中镧镍合金粉末、乙炔黑的质量比为8∶1；将配制好的浆料分别涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于115质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为7cm×7cm的膜电极，热压压力为0.8MPa，温度为120℃，热压时间为5min。将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为50mA·g-1，充电时间为5h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。打开进气系统，将操作温度设置为常温(25℃)，相对湿度设为100％，外接直流电源的电压设为3V，40min后测得压缩气体储存装置中的压力为675.4kPa，其中氨气的含量为85.3％，氢气的含量为5.5％，水蒸汽的含量为9.2％。
实施例2
配制含有活性物质镧镍钴合金粉末、导电剂铜粉、粘结剂聚四氟乙烯乳液的浆料，其中镧镍钴合金粉末、铜粉的质量比为6∶1；将配制好的浆料分别涂覆在钛网上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于117质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为4cm×4cm的膜电极，热压压力为0.5MPa，温度为135℃，热压时间为8min。将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为20mA·g-1，充电时间为8h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。打开进气系统，将操作温度设置为60℃，相对湿度设为100％，外接直流电源的电压设为3.5V，40min后测得压缩气体储存装置中的压力为387.3kPa，其中氨气的含量为86.7％，氢气的含量为6.3％，水蒸汽的含量为7％。
实施例3
配制含有活性物质储氢合金MmNi3.73Co0.74Mn0.41Al0.19(其中Mm为混合稀土)粉末、导电剂Vulcan XC-72碳粉、粘结剂丁苯橡胶溶液的阳极、阴极浆料，其中储氢合金粉末、碳粉的质量比为9∶1；将配制好的浆料分别涂覆在碳纸上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于115质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为7cm×7cm的膜电极，热压压力为2MPa，温度为150℃，热压时间为3min。将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，充电电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为100mA·g-1，充电时间为2h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。打开进气系统，将操作温度设置为常温(25℃)，相对湿度设为100％，外接直流电源的电压设为3V，40min后测得压缩气体储存装置中的压力为502.6kPa，其中氨气的含量为87.1％，氢气的含量为6.1％,水蒸汽的含量为6.8％。
实施例4
配制含有活性物质储氢合金MmNi3.73Co0.74Mn0.41Al0.19(其中Mm为混合稀土)粉末、导电剂Vulcan XC-72碳粉、粘结剂溶液的阳极、阴极浆料，其中储氢合金粉末、碳粉的质量比为8∶1将配制好的浆料分别涂覆在碳纸上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于115质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为7cm×7cm的膜电极，热压压力为6MPa，温度为140℃，热压时间为4min。将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为80mA·g-1，充电时间为4h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。打开进气系统，将操作温度设置为60℃，相对湿度设为60％，外接直流电源的电压设为3V，30min后测得压缩气体储存装置中的压力为588.9kPa，其中氨气的含量为85.2％，氢气的含量为9.2％,水蒸汽的含量为5.6％。
实施例5
配制含有活性物质储氢合金MmNi3.73Co0.74Mn0.41Al0.19(其中Mm为混合稀土)粉末、导电剂镍粉、粘结剂聚偏氟乙烯溶液的阳极、阴极浆料，其中储氢合金粉末、镍粉的质量比为7∶1；将配制好的浆料分别涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于羧酸功能化的聚苯乙烯质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为7cm×7cm的膜电极，热压压力为1MPa，温度为135℃，热压时间为5min。按此法制作两块膜电极，将它们放入电解池中，分别对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为50mA·g-1，充电时间为5h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成两组单电池，按照图1组装气体压缩装置，并将两组单电池的气路串联，电路并联。打开进气系统，将操作温度设置为60℃，相对湿度设为60％，外接直流电源的电压设为3V，30min后测得压缩气体储存装置中的压力为911.2kPa，其中氨气的含量为82.3％，氢气的含量为7.9％，水蒸汽的含量为9.8％。
实施例6
配制含有活性物质储氢合金MmNi3.73Co0.74Mn0.41Al0.19(其中Mm为混合稀土)粉末、导电剂锌粉、粘结剂溶液的阳极、阴极浆料，其中储氢合金粉末、锌粉6∶1；将配制好的浆料分别涂覆在铜网上，在80℃下真空干燥，分别制作膜电极的阳极、阴极；将阳极、阴极分别置于磺酸功能化的聚苯乙烯质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为7cm×7cm的膜电极，热压压力为3MPa，温度为145℃，热压时间为3min。将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为50mA·g-1，充电时间为5h。充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。打开进气系统，将操作温度设置为70℃，相对湿度设为60％，外接直流电源的电压设为2.5V，30min后测得压缩气体储存装置中的压力为516.7kPa，其中氨气的含量为84.0％，氢气的含量为8.1％，水蒸汽的含量为7.9％。。
实施例7
(1)配制含有活性物质镧镍钴合金粉末、导电剂碳粉、粘结剂聚四氟乙烯乳液的浆料，其中镧镍钴合金粉末、碳粉的质量比为7∶1；将配制好的浆料分别涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，制作成膜电极的阳极；(2)配制含有氢氧化镍粉末、导电剂碳粉、粘结剂聚四氟乙烯乳液的浆料，其中镧镍钴合金粉末、碳粉的质量比为7∶1；将配制好的浆料分别涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，制作成膜电极的阴极；(3)将阳极、阴极分别置于117质子交换膜的两侧，用热压法压制成活性面积为4cm×4cm的膜电极，热压压力为0.8MPa，温度为135℃，热压时间为6min。(4)将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电，电解池的电解液为6mol·L-1氢氧化钾溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍正极，充电电流密度为60mA·g-1，充电时间为3h。(5)充电完毕后取出，与阳极流场板、阴极流场板及密封装置、固定装置一同组装成单电池，并按照图1组装气体压缩装置。(6)打开进气系统，将操作温度设置为80℃，相对湿度设为80％，外接直流电源的电压设为0.05V，50min后测得压缩气体储存装置中的压力为543.3kPa，其中氨气的含量为85.6％，氢气的含量为7.3％，水蒸汽的含量为7.1％。

Claims (10)

1.电化学式的氨气压缩装置，其特征在于设有进气系统、单电池、压缩气体储存装置、外接直流电源；
所述进气系统设有氨气气源、控温加湿器，所述氨气气源与控温加湿器之间通过气体管路及阀门相连接并与单电池阳极相连；
所述单电池设有阳极流场板、阴极流场板、膜电极、密封装置、固定装置，其中膜电极设有阳极、阴极和阳离子交换膜；
所述压缩气体储存装置，通过气体管路与单电池的阴极流场板相连，用于储存压缩后的气体。
2.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述膜电极、密封装置、阴极流场板与压缩气体储存装置共同组成一个密闭的空间。
3.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述外接直流电源的两极与单电池的两极分别相连，共同构成闭合电路。
4.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述膜电极中的阳极包含阳极催化层和气体扩散层，所述阳极催化层的活性物质为储氢合金，所述储氢合金包括但不限于稀土系、钛系、镁系，优选稀土系；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔材料包括但不限于泡沫镍、铜网、钛网。
5.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述膜电极中的阴极包含阴极催化层和气体扩散层，所述阴极催化层的活性物质为氢氧化镍或储氢合金构成，阴极催化层的活性物质包括但不限于稀土系、钛系、镁系，优选稀土系储氢合金；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔材料包括但不限于泡沫镍、铜网、钛网。
6.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述膜电极中的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。
7.如权利要求1所述电化学式的氨气压缩装置，其特征在于所述电化学式的氨气压缩装置包括至少1个单电池，或由至少2个单电池串联，并通过气体管路与进气系统和压缩气体储存装置相连，且与外接直流电源共同构成闭合电路。
8.电化学式的氨气压缩方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配制阳极催化层和阴极催化层的浆料；
2)制备阳极和阴极；
3)制备三合一膜电极；
4)将制作好的膜电极放入电解池中，对其阳极进行充电；
5)将充好电的膜电极装入阳极流场板与阴极流场板之间，与单电池的其它部件共同组装，并用固定装置固定；将进气系统与单电池阳极相连，压缩气体储存装置与单电池阴极相连；
6)开启进气系统，控制系统的温度和湿度，通入常压的、经过加湿的氨气；接好外接直流电源与单电池之间的电路，在单电池的阴极和阳极之间加上直流电压后，即可在压缩气体储存装置中获得高压的氨气。
9.如权利要求8所述电化学式的氨气压缩方法，其特征在于在步骤1)中，所述配制阳极催化层和阴极催化层的浆料的方法是将活性物质、导电剂、粘结剂混合均匀，配制成浆料；所述阳极催化剂的浆料中活性物质为储氢合金，储氢合金包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系；所述阴极催化剂的浆料中活性物质为氢氧化镍或者储氢合金，包括但不限于稀土系、钛系、镁系等，优选稀土系储氢合金；所述阳极或阴极催化剂的浆料中，导电剂选自镍粉、碳粉、乙炔黑、石墨粉、镉粉、锌粉、钴锌合金粉、钴粉等中的至少一种，所述粘结剂为能将活性物质和导电剂粘合在一起的物质，包括但不限于溶液，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素等高分子化合物的溶液或乳液；所述活性物质与导电剂的质量比可为(6～9)︰1。
10.如权利要求8所述电化学式的氨气压缩方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备阳极和阴极的方法可将步骤1)配制的阳极、阴极催化层浆料分别涂覆于阳极、阴极的气体扩散层上，干燥后得到阳极和阴极；所述气体扩散层由多孔材料构成，所述多孔材料可采用碳布、碳纸或多孔金属材料，多孔金属材料包括且不限于泡沫镍、铜网、钛网；
在步骤3)中，所述制备三合一膜电极的方法可将步骤2)制得的阴极和阳极分别置于阳离子交换膜的两侧，热压后得三合一膜电极；所述热压的压力可为0.5～6MPa，热压的温度可为120～150℃，热压的时间可为3～8min；
在步骤4)中，所述电解池的电解液为氢氧化钠或氢氧化钾的浓溶液，负极为膜电极的阳极，正极为氢氧化镍；所述充电的电流密度可为20～100mAh/g，充电的时间可为2～8h；
在步骤6)中，所述直流电压可为0.05～3.5V。
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