CN114502821B - 用于电化学氢压缩的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电化学氢压缩的方法，其包括以下步骤：(100)提供相对湿度RH为100％的氢气，(200)提供相对湿度RH为100％的惰性气体，(300)混合经润湿的氢气和经润湿的惰性气体，(400)在阳极处电化学氧化氢气，(500)将通过氧化获得的质子以及至少一部分的经润湿的惰性气体通过膜输送，和(600)在阴极(5)处电化学还原质子以形成氢。
Description
现有技术
本发明涉及用于电化学氢压缩的方法和装置。
从现有技术，例如从WO 03/021006 A1已知用于电化学压缩氢的方法，由此产生具有如此高压力的氢，以使得该压力足以填充氢罐。在电化学压缩或压缩中，氢气在阳极氧化。产生的质子穿过膜并在阴极处重新还原成分子氢。驱动力是施加的电流强度(电压)。换句话说，电子将氢从低压侧(阳极)驱动到高压侧(阴极)，其中氢流量与施加的电流强度成正比。为了保持该膜的质子传导性，必须将膜润湿。然而，穿过该膜的质子携带水分子穿过膜（这被称为电渗拖拽），因此膜中的水分被贫化。然而，为了防止膜变干，在阳极侧将氢气的相对湿度调节到100％是不够的。氢气与水蒸气的过饱和也不可能在膜的所有区域中实现。
发明公开
本发明根据权利要求1解决了该问题并提供用于电化学压缩氢的方法，其中膜持久地被足够的水蒸气润湿。
为此，该方法首先包括提供相对湿度RH为100％的氢气和提供相对湿度RH为100％的惰性气体的步骤。相对湿度在此被理解为是指气体被水蒸气的饱和度。相对湿度可以对于特定压力和特定温度根据马格努斯公式来确定。例如，对于惰性气体(氮气或氦气)/水系统根据马格努斯公式得出以下值： N2/H2O在60℃和30 bar的阳极压力下：约4 g H2O/kgN2。He/H2O在60℃和30 bar的阳极压力下：约30 g H2O/kg N2。
氢气可以在此由电化学压缩上游的任意工艺，例如由上游的电解、由化学工艺例如蒸汽裂解或仅由氢罐来提供。然后例如在润湿装置中用水蒸气对氢气进行润湿，以获得氢气的相对湿度RH。
也将惰性气体润湿，其中各种任意的惰性气体或两种或更多种惰性气体的各种任意混合物，特别是氮气可以用作惰性气体。
在随后的步骤中，将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体混合。由此，不仅氢气被稀释，而且来自非反应性惰性气体的水分也到达该膜，特别是也到达该膜的阳极侧处和该膜的阳极侧中，从而发生膜的额外润湿。这有效地防止了该膜在电化学压缩氢的过程中变干。
因此，氢气在阳极处电化学氧化，通过氧化获得的质子以及任选至少一部分的经润湿的惰性气体通过膜输送，并且质子在阴极处电化学还原以形成氢，而该膜的水分不明显贫化，这是由于水蒸气和因此携带水分的惰性气体，其将水分带到阳极处或阳极中和因此也带到膜处。该膜的阳极侧因此始终存在高浓度的水分，因此即使当穿透膜的质子携带水蒸气穿过膜，膜也永不变干，因此始终保持良好的质子传导性。该方法是简单的，无需大量技术支出即可实施，并且能够以高效率持久良好地电化学压缩氢。
从属权利要求涉及本发明的有利扩展方案和实施方式。
根据一个有利的扩展方案，经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合以99:1至1:99的基于体积的混合比进行。在此，经润湿的惰性气体的比例越高，则膜的润湿速率也越高，由此可以实现持久良好的质子传导性和因此该方法的高效率。因此，特别有利的是10:90至40:60的基于体积的混合比，特别是20:80的基于体积的混合比。
为了进一步提高该方法的效率，其有利地包括将氢气压力和/或惰性气体压力调节到1至50巴，优选25至40巴的目标压力的步骤。在此，这是指在经润湿的氢气与经润湿的惰性气体混合之前为相应气体所调节到的压力。
鉴于该方法的成本降低，进一步有利地设置，惰性气体在被输送到阳极之后循环，并在润湿到100％的相对湿度RH之后重新用于与进一步的氢气混合，所述进一步的氢气已达到100％的相对湿度RH。这意味着任选地分离出惰性气体，尤其是通过循环管线输送回阳极侧。在那里，它既可以储存，也可以通过重新润湿和与经润湿的氢气混合而立即再使用。
进一步有利地，此外将水与在阴极处产生的氢分离。因此，氢也可以高纯度形式获得。
此外，可以将水与存在于阴极处的氢和/或存在于阴极处的惰性气体中例如通过水分离器分离和循环。循环意味着被分离的水被重新用于润湿氢气和/或惰性气体并且为此例如通过循环管线供应到阳极侧，特别是氢气和/或惰性气体的润湿装置。
为了简化惰性气体的输送，特别是通过膜的输送，对于输送经润湿的惰性气体而言所需的机械能优选由在阴极处产生的氢来提供。
可以在此特别有利地提供能量，这通过该方法包括使在阴极处产生的氢膨胀，特别是在膨胀涡轮机中膨胀的步骤来实现。通过氢的膨胀，可以例如通过运行膨胀涡轮机来产生机械能，该机械能可用于输送惰性气体。
根据本发明也还描述了用于电化学氢压缩的装置。该装置在此被设计成其能够实施上述根据本发明的电化学氢压缩方法。
根据本发明的装置包括：
- 用于电化学氧化氢气的阳极，
- 用于输送通过氧化获得的质子的膜，
- 用于将质子电化学还原为氢的阴极，
- 第一润湿装置，其用于将要供应到阳极的氢气润湿到100％的相对湿度RH，
- 第一氢供应管线，其用于将氢供应到第一润湿装置，
- 第二润湿装置，其用于将要供应到阳极的惰性气体润湿到100％的相对湿度RH，
- 第一惰性气体供应管线，其用于将惰性气体供应到第二润湿装置，
- 混合装置，其用于将经润湿的惰性气体和经润湿的氢气混合，
- 第二氢供应管线，其用于将经润湿的氢气供应到混合装置，
- 第二惰性气体供应管线，其用于将经润湿的惰性气体供应到混合装置，和
- 混合气体供应管线，其用于将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合物供应到阳极。
阳极、膜和阴极也被称为EHC单元(电化学-氢-压缩单元)。在此，阳极位于低压侧，阴极位于高压侧。在阳极和阴极之间存在质子传导膜。
第一润湿装置和第二润湿装置不在细节上受限，并且被设计成其对氢气和惰性气体相应施加水蒸气，以使得氢气和惰性气体的相对湿度RH达到100％。混合装置也不在细节上受限，例如可以包括节流阀或混合阀。因此可以非常简单地调节到经润湿的氢气与经润湿的惰性气体的基于体积的所需混合比，其优选为10:90％至40:60％，特别是20:80％。
根据本发明的装置的特征在于持久高效率，这是通过使膜由于相对湿度RH为100％的经润湿的惰性气体与相对湿度RH为100％的氢气混合而始终很好润湿来产生的。
为根据本发明的方法呈现的优点、有利效果和扩展方案也用于根据本发明的装置。因此，关于根据本发明的装置的说明，也补充地参考根据本发明的方法。
还有利地，该装置包括至少一个压缩装置和/或节流阀和/或泵，其用于将氢气压力和/或惰性气体压力调节到1至50巴的目标压力，从而可以实现特别高的效率。
为了进一步提高该装置的效率，其还有利地包括水分离器，其用于将水与在阴极处产生的氢分离。由此，一方面可以获得高纯度氢，另一方面可以循环水。
为了特别有效地循环水，该装置还有利地包括水循环管线，其用于将水从阴极输送到第一润湿装置和/或第二润湿装置中。此外，还可以设置阳极废气管线，其将未穿过膜的惰性气体排出并且将其例如供应到第二润湿装置。
还有利地，该装置包括膨胀装置，其用于产生用于输送经润湿的惰性气体的机械能。该膨胀装置在此可以特别有利地被设计为膨胀涡轮机，其将膨胀能高效地转化为机械能。
附图简述
下文中，参照附图详细描述本发明的实施例。图中：
图1是说明根据第一实施方案的电化学氢压缩方法的方法步骤的工艺图示；以及
图2是根据第二实施方案的用于电化学氢压缩的装置的示意图。
本发明的实施方案
在图中仅示出了本发明的基本特征。为清楚起见，已省略所有其余特征。此外，相同的附图标记表示相同的部件。
从图1可以看出，该方法基本包括六个方法步骤。
在第一方法步骤100中，提供相对湿度RH为100％的氢气。该氢气可以在此例如来自氢罐，或来自产氢反应设备，例如电解装置。该氢气然后例如在润湿装置中用水蒸气达到100％的相对湿度。
在也可与第一方法步骤100并行运行的第二方法步骤200中，提供相对湿度RH为100％的惰性气体。各种惰性气体以及两种或更多种惰性气体的混合物都是可行的。特别优选地使用氮气作为惰性气体。惰性气体也可以在润湿装置中润湿。
在第三方法步骤300中，将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体混合。为此，将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体导入混合装置，其在最简单的情况下包括节流阀或混合阀。
然后将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合气体引入EHC单元，其中进行以下方法步骤：
- 400：在阳极处电化学氧化氢气；
- 500：将通过氧化获得的质子通过质子传导膜输送；和
- 600：在阴极处电化学还原质子以形成氢。
通过将相对湿度RH为100％的经润湿的氢气和相对湿度RH为100％的经润湿的惰性气体混合，使EHC单元的膜保持持久湿润，从而使该方法的特征在于同样持久高且有效的可行性。
图2示出了根据第二实施方案的用于电化学压缩氢的装置1。装置1适用于进行图1中说明性示出的方法。
装置1包括EHC单元2，其包括用于电化学氧化氢气的阳极3、用于输送通过氧化获得的质子的膜4和用于电化学还原将质子以形成氢的阴极5。EHC单元与电压源(未显示)连接，其中通过所得的电流强度产生使质子穿过膜的驱动力。电流强度越高，则穿过膜的质子越多，在阴极处产生的氢越多。
装置1还包括第一润湿装置6，其用于将要供应到阳极3的氢气润湿到100％的相对湿度RH。在此，设置第一氢供应管线7，以例如从氢供给器8 (其例如是氢罐)将氢供应到第一润湿装置6。
另外，设置第二润湿装置9，其用于将供应到阳极3的惰性气体润湿到100％的相对湿度RH。第一惰性气体供应管线10在此将惰性气体例如从惰性气体罐11供应到第二润湿装置9。
装置1还包括混合装置12，其包括例如节流阀或混合阀，用于混合经润湿的惰性气体和经润湿的氢气，其中第二氢供应管线13被设置用于将经润湿的氢气供应到混合装置12，并且第二惰性气体供应管线14被设置用于将经润湿的惰性气体供应到混合装置12。
然后将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合物通过混合气体供应管线15经由阳极入口16供应到阳极3。
在阴极5处产生的氢仍可能含有残留水。在阴极处获得的氢-水混合物可以通过阴极废气管线17从阴极5排出并例如供应到水分离器18。
在水分离器18中，将氢-水混合物分离成纯氢和水，其中例如可以将氢供应到储氢装置(未示出)。被分离的水可以例如通过水循环管线21供应到第二润湿装置9。作为替代或除此之外，被分离的水也可以供应到第一润湿装置6。
没有穿过膜4的惰性气体可以通过阳极废气管线22重新供应到第二润湿装置9并且因此循环。
在第一氢供应管线7和第一惰性气体供应管线10中，可以设置压缩装置，例如各一个泵19、20，它们用于将氢气压力和惰性气体压力调节到1至50巴的目标压力。
此外，该装置可以包括膨胀装置(未示出)，例如膨胀涡轮机，其用于产生用于输送经润湿的惰性气体的机械能。该膨胀装置可以例如布置在阴极废气管线17中。
由于在混合装置12中混合经润湿的惰性气体和经润湿的氢气和供应相对湿度RH为100％的所得混合气体，膜4可以特别在阳极侧保持湿润，以使得EHC单元2显示出持久高性能，并且质子可以很好地穿过膜并在阴极处重新还原。
Claims (13)
1.用于电化学氢压缩的方法，其包括以下步骤：
-提供相对湿度RH为100％的氢气，
-提供相对湿度RH为100％的惰性气体，
-混合(300)经润湿的氢气和经润湿的惰性气体，
-在阳极处电化学氧化(400)氢气，
-将通过氧化获得的质子通过膜输送(500)，和
-在阴极(5)处电化学还原(600)质子以形成氢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合以99:1至1:99的基于体积的混合比进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其包括将氢气压力和/或惰性气体压力调节到1至50巴的目标压力的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中惰性气体在被输送到阳极(3)之后循环，并在润湿到100％的相对湿度RH之后重新用于与进一步的氢气混合，所述进一步的氢气已达到100％的相对湿度RH。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括将水与在所述阴极(5)处获得的氢分离的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括将被分离的水循环并将被分离的水供应到要润湿的氢气和/或惰性气体。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中用于输送经润湿的惰性气体的机械能由在阴极(5)处产生的氢提供。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括使在所述阴极(5)处产生的氢膨胀的步骤。
9.用于电化学氢压缩的装置(1)，其包括：
-用于电化学氧化氢气的阳极(3)，
-用于输送通过氧化获得的质子的膜(4)，
-用于将质子电化学还原为氢的阴极(5)，
-第一润湿装置(6)，其用于将要供应到阳极的氢气润湿到100％的相对湿度RH，
-第一氢供应管线(7)，其用于将氢供应到第一润湿装置(6)，
-第二润湿装置(9)，其用于将要供应到阳极(3)的惰性气体润湿到100％的相对湿度RH，
-第一惰性气体供应管线(10)，其用于将惰性气体供应到第二润湿装置(9)，
-混合装置(12)，其用于将经润湿的惰性气体和经润湿的氢气混合，
-第二氢供应管线(13)，其用于将经润湿的氢气供应到混合装置(12)，
-第二惰性气体供应管线(14)，其用于将经润湿的惰性气体供应到混合装置(12)，和
-混合气体供应管线(15)，其用于将经润湿的氢气和经润湿的惰性气体的混合物供应到阳极(3)。
10.根据权利要求9所述的用于电化学氢压缩的装置(1)，其还包括用于将氢气压力和/或惰性气体压力调节到1至50巴的目标压力的至少一个压缩装置和/或节流阀和/或泵(19、20)。
11.根据权利要求9或10所述的用于电化学氢压缩的装置(1)，其还包括用于将水与在所述阴极(5)处产生的氢分离的水分离器(18)。
12.根据权利要求9或10所述的用于电化学氢压缩的装置(1)，其还包括用于将水从阴极(5)输送到第一润湿装置(6)和/或第二润湿装置(9)中的水循环管线(21)。
13.根据权利要求9或10所述的用于电化学氢压缩的装置(1)，其还包括用于产生用于输送经润湿的惰性气体的机械能的膨胀装置。
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