CN115181983A - 电化学纯化堆、电化学纯化装置及含杂质气体的纯化方法 - Google Patents

电化学纯化堆、电化学纯化装置及含杂质气体的纯化方法 Download PDF

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何广利
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刘聪敏
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China Energy Investment Corp Ltd
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Abstract

本发明提供一种电化学纯化堆、电化学纯化装置及含杂质气体的纯化方法。电化学纯化堆包括：至少一个阳极极板；至少一个阴极极板；至少一个阳极电极；至少一个阴极电极；至少一个位于所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜；至少一个位于所述阳极极板和所述阳极电极之间的阳极气体扩散层；以及至少一个位于所述阴极极板和所述阴极电极之间的阴极气体扩散层；其中，在所述阳极极板上设置有进气口和出气口，在所述阴极极板上设置有出气口。本发明所提供的电化学纯化堆由于其独特的结构设计，而具有成本低、氢气纯度高、易于操作、纯化快速的优点。

Description

电化学纯化堆、电化学纯化装置及含杂质气体的纯化方法
技术领域
本发明涉及氢气提纯技术领域，具体涉及一种电化学纯化堆、一种电化学纯化装置及一种含杂质气体的纯化方法。
背景技术
氢燃料电池是一种将氢气化学能转化为电能的电池，具有高效、清洁的优点，同时具有广泛的应用前景。氢燃料电池所用氢气来源广泛，例如，可以来源于：煤气化制氢、工业副产氢、甲醇重整、天然气重整、电解水制氢以及生物质制氢等等。但是，由于氢燃料电池尤其是车用氢燃料电池对氢气品质要求严格，因此，对于所有制备方式制得的氢气都需要经过不同方式的提纯，达到燃料电池使用标准(如氮气小于300ppm、CO小于0.2ppm及CO2小于2ppm等)。
目前，工业上常用变压吸附的方式提纯氢气，该技术是采用物理吸附-脱附的方式进行氢气提纯，其缺点是对于氮气、氦气、甲烷等非极性气体含量高的氢气气源，回收率较低；同时，该技术占地面积大。另外，在规模小的氢气提纯方面常用金属钯膜纯化技术，但该技术分离耗能高、透氢量低等缺点。
因此，有必要开发一种新型的高效氢气纯化技术。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种电化学纯化堆，该电化学纯化堆由于其独特的结构设计，而具有成本低、氢气纯度高、易于操作、纯化快速的优点。
本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的电化学纯化装置。
本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的含杂质气体的纯化方法。
为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下：
一种电化学纯化堆，包括：
至少一个阳极极板；
至少一个阴极极板；
至少一个阳极电极；
至少一个阴极电极；
至少一个位于所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜；
至少一个位于所述阳极极板和所述阳极电极之间的阳极气体扩散层；以及
至少一个位于所述阴极极板和所述阴极电极之间的阴极气体扩散层；
其中，在所述阳极极板上设置有进气口和出气口，在所述阴极极板上设置有出气口。
本申请的发明人在研究中发现，通过采用上述电化学纯化堆，可以使氢气在阳极转化为质子和电子，质子可以穿透所述膜到达阴极，并与通过外电路到达阴极的电子相结合，生成氢气。在此过程中，杂质气体无法穿过膜到达阴极。由此，可以实现对含有杂质的氢气的提纯。
根据本发明，本发明可以采取电化学电池的传统的设置方式，即，每组阳极极板和阴极极板相向设置，每组阳极电极和阴极电极相向设置于阳极极板和阴极极板之间，且阳极电极设置在靠近阳极极板的一端，阴极电极设置在靠近阴极极板的一端。
根据本发明，电化学纯化堆中可以包括一个或多个上述组件(即阳极极板、阴极极板等)。当某一组件的数量为多个时，可以按照本领域常规的设置方法进行设置。
根据本发明，所述阳极极板的材质可以是石墨、不锈钢和钛板。
根据本发明，所述阳极极板的厚度可以是0.1mm～10mm，优选为0.1mm～2mm。
根据本发明，所述阴极极板的材质可以是石墨、不锈钢和钛板。
根据本发明，所述阴极极板的厚度可以是0.1mm～10mm，优选为0.1mm～2mm。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极极板的内部设置有流道，且所述流道内至少设置有一个凸台。
在本发明的一些实施方式中，所述流道内设置有两个以上的凸台，相邻两个凸台之间的间隙为凸台在气流方向上的长度的1/10～1/5。
根据本发明，术语“长度”是指最大长度。例如，当凸台构造为半球时，长度是指半球的直径；当凸台构造为梯形时，长度是指下底的长度。
在本发明的一些实施方式中，所述凸台在垂直于气流方向上的高度为所述流道脊背的高度的50％～100％。
在本发明的一些实施方式中，所述凸台在所述阳极极板所在的平面上的投影的形状为圆形和/或矩形。
根据本发明，凸台的设置有利于杂质气体的排出。
根据本发明，所述阴极极板的内部也设置有流道。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极气体扩散层的厚度为1μm～500μm。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极气体扩散层的厚度为10μm～250μm。
在本发明的一些实施方式中，所述阴极气体扩散层的厚度为1μm～300μm。
在本发明的一些实施方式中，所述阴极气体扩散层的厚度为10μm～100μm。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层相同或不同，各自独立地选自碳布、碳纸和钛网。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层为碳纸。
根据本发明，市面上在售的碳布均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
根据本发明，市面上在售的碳纸均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
根据本发明，市面上在售的钛网均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极电极由包括Pt合金催化剂的材料形成。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极电极由包括Pt-Ru合金催化剂的材料形成。
在本发明的一些实施方式中，所述阳极电极中，所述Pt的含量为0.01mg/cm2～0.1mg/cm2。
在本发明的一些实施方式中，所述阴极电极由包括Pt催化剂和/或Pt-Pd合金催化剂的材料形成。
在本发明的一些实施方式中，所述阴极电极中，所述Pt的含量为0.01mg/cm2～0.1mg/cm2。
在本发明的一些实施方式中，所述阴极电极的Pt含量低于所述阳极电极的Pt含量。
根据本发明，所述膜为可以传导氢质子的膜，膜厚度优选为5mm～20mm。
在本发明的一些实施方式中，所述膜选自聚苯咪唑膜、全氟磺酸膜和芳香烃膜。
根据本发明，市面上在售的聚苯咪唑膜均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
根据本发明，市面上在售的全氟磺酸膜均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
根据本发明，市面上在售的芳香烃膜均可以用作本发明的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并获得相当的技术效果。
在本发明的一些实施方式中，所述膜为全氟磺酸膜。
在本发明的一些实施方式中，所述全氟磺酸膜是厚度为5um～30μm，优选为10um～25μm，例如15um。
根据本发明，所述全氟磺酸膜需满足能够在低于100℃下运行的条件。
根据本发明，所述电化学纯化堆可以用于含杂质的氢气的提纯。
为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：
一种电化学纯化装置，包括：
至少一个阳极端板；
至少一个阴极端板；
至少一个位于所述阳极端板和所述阴极端板之间的上述任一项实施方式中所述的电化学纯化堆；以及
分别与所述电化学纯化堆中的所述阳极极板和所述阴极极板相连接的电源。
根据本发明，电源的正极与阳极极板相连接，电源的负极与阴极极板相连接。
在本发明的一些实施方式中，所述电源为直流电源。
在本发明的一些实施方式中，所述电源为可提供低电压、大电流的稳定的直流电源。
根据本发明，具体采用何种电压和电流与待处理的物质的规格有关。
为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：
一种含杂质气体的纯化方法，其在上述任一项实施方式中所述的电化学纯化装置中进行，并包括下述步骤：
S1.打开所述电源；
S2.将含杂质气体通入所述电化学纯化装置中的阳极极板上的进气口。
在本发明的一些实施方式中，所述电化学纯化装置的运行温度为50℃～200℃。
在本发明的一些实施方式中，所述电源为可提供低电压、大电流的稳定的直流电源。
根据本发明，具体采用何种电压和电流与待处理的物质的规格有关。
在本发明的一些实施方式中，所述含杂质气体为含有杂质的氢气，所述杂质包括氮气、甲烷和氩气中的一种或多种。
本发明的有益效果至少在于：本发明所提供的电化学纯化堆、电化学纯化装置及含杂质气体的纯化方法制得的氢气纯度高，纯度可以达到99.9％以上，并且氢气回收率高，收率能够达到95％以上。
附图说明
图1是本发明实施例1的电化学纯化装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1的带有凸台的阴极流道的结构示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
实施例1
本实施例用于说明本发明所提供的电化学纯化堆和电化学纯化装置的结构。
如图1所示，本发明所提供的电化学纯化装置包括阳极端板(未示出)、阴极端板(未示出)以及设置在阴极端板和阴极端板之间的电化学纯化堆和外加电源，其中，电化学纯化堆包括：
一组相向设置的阳极极板和阴极极板；
在阳极极板和阴极极板之间，设置有一组相向设置的阳极电极和阴极电极；
在阳极电极和阴极电极之间，设置有质子交换膜；
在阳极极板和阳极电极之间设置有阳极气体扩散层；
在阴极极板和阴极电极之间设置有阴极气体扩散层；
阳极极板和阴极极板通过电源相连通，具体地，电源的正极与阳极极板相连接，电源的负极与阴极极板相连接，
其中，在阳极极板上设置有进气口和出气口，在阴极极板上设置有出气口。
其中，在阳极极板和阴极极板的内部设置有流道。并且，如图2所示，在所述阳极极板的流道内设置有凸台(凸台构造为长方体，其剖面为长方形，在极板上的投影也为长方形)，相邻两个凸台之间的间隙为凸台在气流方向上的长度的1/8，所述凸台在垂直于气流方向上的高度为所述流道脊背的宽度。
实施例2
本实施例用于说明本发明所提供的含杂质气体的纯化方法。
本实施例采用如实施例1中的电化学纯化装置，并且，对各部件的具体尺寸和材质选择如下：
有效面积25cm2；阳极极板和阴极极板均为石墨板，厚度分别为10mm；阳极电极为Pt-Ru合金催化剂，Pt的含量为0.05mg/cm2；阴极电极为Pt催化剂，Pt的含量为0.03mg/cm2；膜为戈尔全氟磺酸膜，该膜厚度为15um；阳极气体扩散层和阴极气体扩散层均为日本东丽碳纸，阳极气体扩散层的厚度为250um，阴极气体扩散层的厚度为100um。
待处理的原料气除H2外还包括杂质气体，以体积比计，杂质气体含量为2％N2、0.08％CH4以及0.78％Ar。
电化学纯化装置的运行温度为70℃，运行电流为0.5A/cm2。
启动电化学纯化装置(即接通电源)，并将待处理的原料气通入到设置在阳极极板上的进气口，从设置在阳极极板上的出气口得到杂质气体，从设置在阴极极板的出气口得到产品气H2。
利用气相色谱分析得到的产品气纯度，结果表明产品气中，N2含量为67ppm，CH4含量为84ppm，Ar含量小于300ppm，余量为H2。可见，所得产品气满足车用氢燃料电池的氢气品质要求。
用质量流量计测量制得的产品气，并利用公式计算：收率＝产品气(纯氢气)/原料气(含杂质的氢气)，计算得出，产品气收率约为97％。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种电化学纯化堆，包括：
至少一个阳极极板；
至少一个阴极极板；
至少一个阳极电极；
至少一个阴极电极；
至少一个位于所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜；
至少一个位于所述阳极极板和所述阳极电极之间的阳极气体扩散层；以及
至少一个位于所述阴极极板和所述阴极电极之间的阴极气体扩散层；
其中，在所述阳极极板上设置有进气口和出气口，在所述阴极极板上设置有出气口。
2.根据权利要求1所述的电化学纯化堆，其特征在于，所述阳极极板的内部设置有流道，且所述流道内至少设置有一个凸台；优选地，所述流道内设置有两个以上的凸台，相邻两个凸台之间的间隙为凸台在气流方向上的长度的1/10～1/5，和/或所述凸台在垂直于气流方向上的高度为所述流道脊背的高度的50％～100％；更优选地，所述凸台在所述阳极极板所在的平面上的投影的形状为圆形和/或矩形。
3.根据权利要求1或2所述的电化学纯化堆，其特征在于，所述阳极气体扩散层的厚度为1μm～500μm，优选为10μm～250μm；和/或所述阴极气体扩散层的厚度为1μm～300μm，优选为10μm～100μm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电化学纯化堆，其特征在于，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层相同或不同，各自独立地选自碳布、碳纸和钛网，优选为碳纸。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电化学纯化堆，其特征在于，
所述阳极电极由包括Pt合金催化剂，优选地Pt-Ru合金催化剂的材料形成，更优选地，所述阳极电极中，所述Pt的含量为0.01mg/cm2～0.1mg/cm2；和/或
所述阴极电极由包括Pt催化剂和/或Pt-Pd合金催化剂的材料形成，优选地，所述阴极电极中，所述Pt的含量为0.01mg/cm2～0.1mg/cm2；
进一步优选地，所述阴极电极的Pt含量低于所述阳极电极的Pt含量。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电化学纯化堆，其特征在于，所述膜选自聚苯咪唑膜、全氟磺酸膜和芳香烃膜，优选为全氟磺酸膜。
7.一种电化学纯化装置，包括：
至少一个阳极端板；
至少一个阴极端板；
至少一个位于所述阳极端板和所述阴极端板之间的权利要求1～6中任一项所述的电化学纯化堆；以及
分别与所述电化学纯化堆中的所述阳极极板和所述阴极极板相连接的电源；
优选地，所述电源为直流电源。
8.一种含杂质气体的纯化方法，其在权利要求7所述的电化学纯化装置中进行，并包括下述步骤：
S1.打开所述电源；
S2.将含杂质气体通入所述电化学纯化装置中的阳极极板上的进气口。
9.根据权利要求8所述的纯化方法，其特征在于，所述电化学纯化装置的运行温度为50℃～200℃。
10.根据权利要求8或9所述的纯化方法，其特征在于，所述含杂质气体为含有杂质的氢气，所述杂质包括氮气、甲烷和氩气中的一种或多种。
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