CN115485418A - 电化学压缩气态氢的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于电化学压缩氢气的方法和系统。在一个实施例中，该系统包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括聚合物电解质膜(PEM)、阳极和阴极。第一和第二气体扩散介质分别邻近阴极和阳极定位。加湿膜紧邻第二气体扩散介质定位在与阳极相对的侧上。水源与加湿膜连接，氢气供给源与第二气体扩散介质连接。包括背压调节器的氢气收集器连接至第一气体扩散介质。定位在MEA的相对侧上的隔膜连接至电源。在使用中，氢气以电化学方式泵送穿过MEA并且被收集在氢气收集器中。PEM由加湿膜保持适当潮湿，加湿膜将水释放到第二气体扩散介质中。

Description

电化学压缩气态氢的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月31日申请的美国临时申请No.63/002,614的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
联邦资助的研究或开发
本发明是依据美国能源部授予的名称为“先进电化学氢气压缩机(AdvancedElectrochemical Hydrogen Compressor)”的DOE DE-EE0007647合作协议在政府支持下进行的。美国政府对本发明拥有一定的权利。
背景技术
本发明总体上涉及用于压缩气态氢的方法和系统，并且更具体地涉及用于电化学压缩气态氢的方法和系统。此外，本发明还涉及新的电化学电池和用于制造这种电化学电池的方法、以及这种电化学电池的部件和它们的制造方法。
由于各种原因，包括但不限于日益增长的环境问题，在过去的几年中，为化石燃料提供可接受的能量替代物的努力已经受到相当大的关注。已经做出很多努力的一个领域是开发氢燃料电池。氢燃料电池对化石燃料的燃烧提出了有吸引力的替代方案，因为氢燃料电池能够简单地通过使用氢气和氧气作为反应物来发电，其中水是燃料电池运行的副产物。因为氧气大量地自然存在于空气中，所以向燃料电池提供氧气可与向燃料电池供应空气一样简单。另一方面，氢气并不大量地自然存在于空气中；因此，大多数燃料电池联接至某种氢气供应罐，在该氢气供应罐中储存一定体积的氢气以供燃料电池使用。
限制氢燃料电池在某些应用中的使用的因素之一是在短时间段内填充或再填充氢存储罐的困难。例如，美国汽车制造商已经在氢气燃料电池电动车辆(FCEV)的研究和开发中投入了大量资源。然而，为了能够广泛使用FCEV，需要高效氢气加燃料站的基础设施。为了快速地将氢气从加燃料站分配到FCEV储箱，氢气必须在加燃料站中被压缩到非常高的压力，例如至少875bar。
一种用于压缩气态氢的技术是使用机械式气体压缩机。然而，不幸的是，机械式气体压缩机往往具有高资本成本、高维护成本和差的可靠性。此外，机械式气体压缩机趋于产生显著的噪音和热量。此外，由机械式气体压缩机产生的压缩氢气通常含有少量来自压缩机的泵油和其他污染物。这种油和其他污染物在压缩氢气中的存在是不利的，因为其降低了燃料电池接收污染氢气的性能。最重要的是，即使是单个机械式氢气压缩机的故障成本也非常高，因为它需要维修压缩机所在的加燃料站。
另一种压缩气态氢的技术是使用电化学氢气压缩机。电化学氢气压缩机的示例公开于美国的专利申请(公开号为US 2004/0211679 A1，发明人Wong等人)，其公布于2004年10月28日，并且其全部内容以引用方式结合于本文。更具体地，根据该公布的申请，公开了用于氢气的电化学压缩的装置和方法。该装置被称为包括膜电解质电池组件(MEA)，该膜电解质电池组件包括夹住该MEA的平面气体分配板，该组件通过端板保持在一起，该端板具有互补的外围凹槽以用于安置端板与MEA之间的中间密封件，该阳极侧上的端板还包括氢气供应入口，并且该阴极侧上的端板还包括压缩氢气出口。本发明公开了单电池和多电池组件。多电池组件包括多个这样的与并联的气体端口串联电连接的单电池，使得来自每个独立的电池的出口的压缩氢气被连接，其中每个电池与串联的相邻电池电隔离。
电化学氢气压缩机的其他示例和/或与电化学氢气压缩机相关的信息可在以下文献中找到，所有这些文献通过引用以其全部内容并入本文：2018年10月23日颁布的发明人Blanchet等人的专利号为10,109,880B2的美国专利；2006年2月7日颁布的发明人Barbir等人的专利号为6,994,929B2的美国专利；公开于2017年12月13日、申请公开号为EP3254747A1的欧洲专利申请；以及Nordio等人的“电化学氢气压缩机的实验和建模研究(Experimental and modelling study of an electrochemical hydrogen compressor)”(《化学工程学报》，出版号369:432-442(2019))。
对于使用质子交换膜(PEM)作为膜电极组件的一部分的类型的电化学氢气压缩机，必须解决的一个问题是质子交换膜的适当加湿。换句话说，如果质子交换膜在其操作期间未维持在适当加湿状态，则其将不能适当地起作用。不幸的是，电化学氢气压缩机的质子交换膜的适当加湿的维持通过以下事实变得更加困难：当压缩机运行时，不仅氢离子(即，质子)被输送穿过质子交换膜，而且水分子也被输送穿过质子交换膜。此外，基于PEM的电化学氢气压缩机中的水管理特别难以维持在高差动操作压力下，因为水从高压阴极到低压阳极的液压渗透与差动压力成比例，导致必要的水被迫离开MEA。因此，为了补偿前述质子交换膜的水损失，必须向质子交换膜连续添加水以保持其加湿。通常，这通过在氢气输送至电化学氢气压缩机之前加湿氢气的供应(例如，通过在氢气输送至电化学氢气压缩机之前使氢气鼓泡通过一定体积的水)来实现。然而，这样的方法不仅增加了成本，而且还涉及与在一定压力、温度和流动下的加湿相关联的复杂性，并且通常不会导致足够的加湿以使得能够压缩到实践中期望的压力类型。
可能感兴趣的其他文件可包括以下各项，所有这些文献通过引用以其全部内容并入本文：2020年2月11日颁布的发明人Stone等人的专利号为10,557,691B2的美国专利；2017年3月14日颁布的发明人Mittelstedt等人的专利号为9,595,727B2的美国专利；2017年8月8日颁布的发明人Mittelstedt等人的专利号为9,728,802B2的美国专利；2013年10月8日颁布的发明人Mittelstedt等人的专利号为8,551,670B2的美国专利；2011年5月24日颁布的发明人Mittelstedt等人的专利号为7,947,405B2的美国专利；2004年11月2日颁布的发明人为Cropley等人的专利号为6,811,905的美国专利；2002年12月31日颁布的发明人LaConti等人的专利号为6,500,319的美国专利。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电化学装置，该电化学装置包括：(a)聚合物电解质膜，阳极聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面；以及(d)水管理装置，该水管理装置连接至该阳极或该阴极，用于向该阳极或该阴极输送水，该水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体的，该阳极或该阴极定位在该水管理装置与该聚合物电解质膜之间。可替代地，在另一个实施例中，该水管理装置可以是导电的。
在本发明的更详细的特征中，该电化学装置可还包括阳极气体扩散介质，该阳极气体扩散介质可限定阳极室，该阳极室可与该阳极流体连通，并且该阳极气体扩散介质可定位在该水管理装置的至少一部分与该阳极之间。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置的整体可与该阳极间隔开。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可具有平面形状。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可具有非平面的形状。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可由单一的整体材料组成。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是固体聚合物电解质膜。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可包括多个层和/或材料。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可包括具有多个孔的载体，并且固体聚合物电解质可被布置在该载体的孔内。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可包括固体聚合物电解质。
在本发明的一个更详细的特征中，该固体聚合物电解质可以是不同离聚物之一或其组合，这些离聚物包括但不限于：聚乙烯、具有共聚物的聚乙烯-聚苯乙烯嵌段、聚苯乙烯、聚砜、聚亚苯基、聚苯醚、聚(亚芳基)、聚(亚芳基吡啶鎓)、聚(二缩水甘油基哌啶鎓氢氧化物)、聚(二甲基氢氧化铵)、磺化聚苯乙烯、磺化聚砜、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚(二苯甲酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)、磺化聚(亚芳基醚酮)、磺化聚(亚芳基硫醚)、磺化聚(醚酰胺)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚(酞嗪酮醚)、全氟磺酸以及聚(偏二氟乙烯)。
在本发明的更详细的特征中，电化学装置可还包括阳极气体扩散介质，该阳极气体扩散介质可限定阳极室，该阳极室可具有相对的第一面和第二面，该第一面可与该阳极接触，并且该第二面可与该水管理装置接触。
在本发明的更详细的特征中，该阳极气体扩散介质可由导电的多孔材料的单层组成。
在本发明的更详细的特征中，该阳极气体扩散介质可包括多个层，并且该多个层中的每层可包括一种或多种导电多孔材料。
在本发明的更详细的特征中，该聚合物电解质膜、该阳极和该阴极可一起形成膜电极组件，该电化学装置可还包括环形密封件，且该环形密封件可绕该膜电极组件安装。
在本发明的更详细的特征中，该聚合物电解质膜、该阳极和该阴极可一起形成膜电极组件，该电化学装置可还包括第一隔膜和第二隔膜，该第一隔膜和该第二隔膜各自可为导电的，该第一隔膜和该第二隔膜可位于该膜电极组件的相对侧上，且该第二隔膜可位于该膜电极组件与该水管理装置之间。
在本发明的更详细的特征中，电化学装置可是电化学氢气压缩机。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可联接至该阳极，以用于向其该阳极送水，并且该阳极可定位在该水管理装置与该聚合物电解质膜之间。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可联接至该阴极，以用于向该阴极输送水，并且该阴极可定位在该水管理装置与该聚合物电解质膜之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种电化学装置，该电化学装置包括：(a)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一和第二面；(b)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面；(d)第一水管理装置，该第一水管理装置联接至该阳极，用于向该阳极输送水，该第一水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体的，该阳极被定位在该第一水管理装置与该聚合物电解质膜之间；以及(e)第二水管理装置，该第二水管理装置联接至该阴极，以用于将水输送至该阴极，该第二水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体，该阴极被定位在该第二水管理装置与该聚合物电解质膜之间。可替代地，在另一个实施例中，该第一水管理装置和/或该第二水管理装置可以是导电的。
根据本发明的又另一方面，提供了一种电化学装置，该电化学装置包括：(a)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，该的阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面；以及(d)水管理装置，该水管理装置联接至该阳极或该阴极，用于向该阳极或该阴极输送水，该水管理装置是可渗透液体且基本上不可透过气体的，该水管理装置包括相对的第一面和第二面，该水管理装置的该第一面的第一部分与该阳极或该阴极直接接触，该水管理装置的该第一面的第二部分与该水管理装置的该第一面间隔开。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是导电的。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可包括固体聚合物电解质，该固体聚合物电解质可分散一种或多种类型的导电材料。
在本发明的更详细的特征中，导电材料可包括一种或多种类型的导电颗粒。
在本发明的更详细的特征中，导电材料可包括一种或多种类型的非颗粒导电材料。
在本发明的更详细的特征中，电化学装置还可包括阳极气体扩散介质，该阳极气体扩散介质可限定阳极气体室，该阳极气体室可与该阳极流体连通，并且该阳极气体扩散介质可定位在该水管理装置的该第一面的该第二部分和该阳极之间。
在本发明的更详细的特征中，电化学装置可还包括阳极流体扩散介质，该阳极流体扩散介质可限定阳极液体室，该阳极液体室可具有相对的第一面和第二面，并且该阳极液体室的该第一面可与该水管理装置的该第二面接触。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可具有带有多个峰和谷的波状形状。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可由单层构成。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可包括多个层。
在本发明的更详细的特征中，电化学装置可以是电化学氢气压缩机。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可被联接至该阳极，以用于向该阳极输送水，并且该水管理装置的第一面的第一部分可与该阳极直接接触。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可被联接到该阴极，以用于向该阴极输送水，并且该水管理装置的第一面的第一部分可与该阴极直接接触。
根据本发明的又另一方面，提供了一种电化学装置，该电化学装置包括(a)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面；(c)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面；(d)第一水管理装置，该第一水管理装置联接至该阳极，以用于向该阳极输送水，该第一水管理装置是可渗透液体的且基本上不可透过气体的，该第一水管理装置包括相对的第一面和第二面，该第一水管理装置的该第一面的第一部分与该阳极直接接触，该第一水管理装置的该第一面的第二部分与该第一水管理装置的该第一面间隔开；以及(e)第二水管理装置，该第二水管理装置联接至该阴极，以用于向该阴极输送水，该第二水管理装置是可渗透液体的且基本上不可透过气体的，该第二水管理装置包括相对的第一面和第二面，该第二水管理装置的该第一面的第一部分与该阴极直接接触，该第二水管理装置的该第一面的第二部分与该第二水管理装置的该第一面间隔开。
根据本发明的又另一方面，提供了一种用于电化学压缩氢气的系统，该系统包括(a)电化学氢气压缩机，该电化学氢气压缩机包括(i)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面，(ii)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面，(iii)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面，其中该聚合物电解质膜、该阳极和该阴极一起形成膜电极组件，(iv)阳极气体扩散介质，该阳极气体扩散介质限定了与该阳极处于流体连通的阳极室，该阳极气体扩散介质具有相对的第一面和第二面，该第一面面向该阳极，(v)阴极气体扩散介质，该阴极气体扩散介质限定与该阴极流体连通的阴极室，该阴极气体扩散介质具有相对的第一面和第二面，该第一面面向所述阴极，(vi)水管理装置，该水管理装置是可渗透液体的且基本上不可透过气体的，该水管理装置与该阳极气体扩散介质的该第二面接触，以及(vii)第一导电隔膜和第二导电隔膜，第一导电隔膜和第二导电隔膜位于膜电极组件的相对侧上，并且电联接至膜电极组件；(b)低压氢气供应源，该低压氢气供应源适配成包含处于相对低压的氢气，该低压氢气供应源联接至该阳极气体扩散介质，以便将氢气输送到该阳极气体扩散介质；(c)高压氢气收集器，该高压氢气收集器适配成包含相对高压下的氢气，该高压氢气收集器联接至该阴极气体扩散介质，以从便该阴极气体扩散介质接收氢气；(d)水源，该水源被适配成用于容纳一定体积的水，该水源被联接至该水管理装置上，以便向该水管理装置输送水；以及(e)电源，该电源被适配于电联接至第一隔膜和第二隔膜。或者，在另一实施例中，水管理装置可与阴极气体扩散介质的第二面接触，或者可存在两个水管理装置，其中两个水管理装置中的一个可与阳极气体扩散介质的第二面接触，并且两个水管理装置中的另一个可与阴极气体扩散介质的第二面接触。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是不导电的。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是导电的。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于电化学压缩氢气的系统，该系统包括(a)电化学氢气压缩机，该电化学氢气压缩机包括(i)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面，(ii)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面，(iii)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面，其中该聚合物电解质膜、该阳极和该阴极一起形成膜电极组件，(iv)阴极气体扩散介质，该阴极气体扩散介质限定了与该阴极处于流体连通的阴极室，该阴极气体扩散介质具有相对的第一面和第二面，该第一面面向该阴极，(v)水管理装置，该水管理装置联接至该阳极，以用于向该阳极输送水，该水管理装置是可渗透液体的且基本上不可透过气体的，该水管理装置的至少一部分与该阳极间隔开，该水管理装置至少部分地限定了在其面向该阳极的一侧上的第一空间和在其远离该阳极的另一侧上的第二空间，以及(vi)第一导电隔膜和第二导电隔膜，第一导电隔膜和第二导电隔膜位于膜电极组件的相对侧上，并且电联接至膜电极组件；(b)低压氢气供应源，该低压氢气供应源被适配成包含相对低压下的氢气，该低压氢气供应源联接至该第一空间，以便将氢气输送至其中；(c)高压氢气收集器，该高压氢气收集器适配成包含相对高压下的氢气，该高压氢气收集器联接至该阴极气体扩散介质，以便从该阴极气体扩散介质接收氢气；(d)水源，该水源适配成容纳一定体积的水，该水源联接至该第二空间，以便向该第二空间输送水；以及(e)电源，该电源适配于电联接至该第一隔膜和该第二隔膜。可替代地，在另一个实施例中，该水管理装置可联接至该阴极，或者可存在两个水管理装置，其中这两个水管理装置中的一个可联接至该阳极，并且这两个水管理装置中的另一个可联接至该阴极。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是导电的。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是不导电的。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置的第一部分可与该阳极相接触，并且该水管理装置的第二部分可与该阳极间隔开。
在本发明的更详细的特征中，所有的该水管理装置可与该阳极间隔开。
根据本发明的又另一方面，提供了一种用于电化学压缩氢气的系统，该系统包括(a)电化学氢气压缩机，该电化学氢气压缩机包括(i)聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面，(ii)阳极，该阳极联接至该聚合物电解质膜的第一面，(iii)阴极，该阴极联接至该聚合物电解质膜的第二面，其中该聚合物电解质膜、该阳极和该阴极共同形成膜电极组件，(iv)阴极气体扩散介质，该阴极气体扩散介质限定了与该阴极处于流体连通的阴极室，该阴极气体扩散介质具有相对的第一面和第二面，该第一面面向该阴极，(v)水管理装置，该述水管理装置是不导电的、可渗透液体的，且基本上不可透过气体的，该水管理装置定位成与该阳极流体连通，以及(vi)第一导电隔膜和第二导电隔膜，第一和第二导电隔膜位于膜电极组件的相对侧上，并且电联接至膜电极组件；(b)低压氢气供应源，该低压氢气供应源被适配成包含相对低压下的氢气，该低压氢气供应源被联接到该阳极上，以便将氢气输送到该阳极；(c)高压氢气收集器，该高压氢气收集器被适配成包含相对高压下的氢气，该高压氢气收集器联接至该阴极气体扩散介质，以便从该阴极气体扩散介质接收氢气；(d)水源，该水源被适配成用于容纳一定体积的水，该水源被联接到该水管理装置上，以便向该水管理装置输送水；以及(e)电源，该电源适配于电联接至第一隔膜和第二隔膜。可替代地，在另一个实施例中，该水管理装置可被定位成与该阴极处于流体连通，或者可存在两个水管理装置，其中这两个水管理装置之一可被定位成与该阳极处于流体连通，并且这两个水管理装置中的另一个可被定位成与该阴极处于流体连通。
在本发明的更详细的特征中，该系统可还包括阳极气体扩散介质，并且该阳极气体扩散介质可被定位在该阳极与该水管理装置之间。
在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是平面的。在本发明的更详细的特征中，该水管理装置可以是非平面的。
根据本发明的又另一方面，提供了一种用于压缩氢气的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供上述系统中的任意一个以及(b)操作该系统。
根据本发明的又另一方面，提供了一种制造膜电极组件的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供聚合物电解质膜的平面件；(b)然后，将铂-碳喷涂到聚合物电解质膜的平面件的两个主要表面的每个面上；(c)然后，将气体扩散介质施涂到喷涂的聚合物电解质膜的两个暴露表面的每个面上；以及(d)然后将聚酰亚胺/热塑性衬垫施加至该气体扩散介质/涂覆的聚合物电解质膜。
本发明的另外的目的、连同方面、特征以及优点将部分地在以下说明中进行阐述，并且部分地将从说明中变得清楚或可通过本发明的实践来了解。在说明书中，参考了附图，附图形成其一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了用于实施本发明的各种实施例。实施例将被足够详细地描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解的是，可利用其他实施例并且可在不脱离本发明的范围的情况下进行结构改变。因此，以下详细说明不应被视为限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求书最佳地限定。
附图说明
由此并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。这些附图不一定按比例绘制，并且为了说明的目的，某些部件可以具有尺寸过小和/或尺寸过大。在附图中，相同的参考标号表示相同的零件：
图1是根据本发明的用于电化学压缩气态氢的系统的第一实施例的部分截面的简化示意图；以及
图2是替代图1的系统中所示的电化学氢气压缩机的电化学氢气压缩机的简化示意图。
具体实施方式
本发明涉及基于聚合物电解质膜(PEM)的电化学氢气压缩机(EHC)堆设计的开发，该EHC堆设计采用水管理(或加湿)膜来保持对PEM的无源水供给。当将氢气从环境压力电化学压缩至1bar至2000bar以上的压力时，PEM的水管理对于维持稳定的不间断EHC性能是必不可少的。
现在参见图1，示出了用于电化学压缩气态氢的系统的第一实施例的部分截面的简化示意图，该系统是根据本发明构造的并且总体上由参考数字11表示。对于理解本发明并不关键的系统11的细节可从图1或从本文伴随的描述中省略，或可在本文描述或以简化的方式在图1中示出。
系统11可包括电化学氢气压缩机13。电化学氢气压缩机13又可包含固体聚合物电解质膜(PEM)15(在本领域中也称为质子交换膜)。聚合物电解质膜15优选是无孔的、离子导电的、不导电的、液体可渗透的并且基本上不透气的膜。聚合物电解质膜15可由均相全氟磺酸(PFSA)聚合物组成或包含均相全氟磺酸(PFSA)聚合物。该PFSA聚合物可以通过四氟乙烯和全氟乙烯基醚磺酸的共聚形成。参见例如1966年11月1日颁布的发明人Connolly等人的专利号为3,282,875的美国专利；1984年9月11日颁布的发明人Ezzell等人的专利号为4,470,889的美国专利；1984年10月23日颁布的发明人Ezzell等人的专利号为4,478,695的美国专利；以及2002年12月10日颁布的发明人Cisar等人的专利号为6,492,431的美国专利，所有这些文献通过引用以其全部内容并入本文。
PFSA聚合物电解质膜的商业实施例是由The Chemours Company FC，LLC(Fayetteville,NC)像
Figure BDA0003918100380000111
挤压制造PFSA聚合物膜。
聚合物电解质膜15可以是连续薄膜或薄片形式的大致呈平面的整体结构。在本实施例中，当从上方或下方观察时，聚合物电解质膜15也可为大致呈圆形或圆盘形状。此外，当从上方或下方观察时，电化学氢气压缩机13的总体形状可大致对应于聚合物电解质膜15的形状。但是，聚合物电解质膜15以及电化学氢气压缩机13并不局限于大致呈圆形或圆盘状，例如也可以为矩形等其他的形状。
电化学氢气压缩机13可还包括阳极17和阴极19。阳极17和阴极19可沿聚合物电解质膜15的两个相对的主面定位。在本实施例中，阳极17示出为沿聚合物电解质膜15的底面定位，阴极19示出为沿聚合物电解质膜15的顶面定位；然而，应当理解，阳极17和阴极19的位置可以颠倒，使得阴极19沿聚合物电解质膜15的底面定位，以及阳极17沿聚合物电解质膜15的顶面定位。虽然图1中未示出，但是阳极17可包括阳极电催化剂层和阳极载体，并且阴极19可包括阴极电催化剂层和阴极载体。阳极17和阴极19可与基于PEM的电化学电池中常规使用的阳极和阴极的类型相似或相同，并且具体地，可由在此通过引用并入的不同文件中所公开的类型的阳极和阴极组成或包括这些阳极和阴极。
聚合物电解质膜15、阳极17和阴极19的组合可统称为膜-电极组件(MEA)20。
电化学氢气压缩机13可还包括MEA密封件21。MEA密封件21可以大致呈环形或框架状结构，以不透流体的方式安装在MEA20的外周周围，并且与该外周略微重叠，该密封件可由离子不传导、电不传导、无孔、且基本上不透流体的材料组成或包括该材料。在一些情况下，MEA20和MEA密封件21可以形成组合组件，并且MEA密封件21可使得MEA20能够承受几百或更高千牛(例如，400kN)的高夹紧载荷，由此提供对压力和热循环的耐受性。制造MEA20和MEA密封件21的组合组件的一种方式是(i)提供聚合物电解质膜(例如，
Figure BDA0003918100380000112
挤压制造PFSA聚合物膜)的平面件；(ii)然后，将铂-碳喷涂到平面聚合物电解质膜的两个主要表面的每面上；(iii)然后，将气体扩散介质施涂到喷涂的聚合物电解质膜的两个暴露表面的每面上；以及(iv)然后，将聚酰亚胺/热塑性衬垫施加(例如，通过热压)到上述气体扩散介质/涂覆的聚合物电解质膜上。上述气体扩散介质可包括，例如，多孔烧结矿或如下所述的其他合适的气体扩散介质。
电化学氢气压缩机13可还包括气体扩散介质31和气体扩散介质33。可限定与阴极19流体连通的阴极室的气体扩散介质31，可包括与阴极19接触的第一面32-1，并且还可包括远离阴极19的相对面32-2。气体扩散介质33可限定与阳极17流体连通的阳极室，该气体扩散介质可包括与阳极17接触的第一面34-1，并且还可包括远离阳极17的相对面34-2。如下面将进一步讨论的，凹陷区域35可被设置在气体扩散介质33的第一面34-1中以接收导电隔膜。
气体扩散介质31和气体扩散介质33可由能够接收和分布一定量气体的任何一种或多种类型的尺寸稳定的、导电的、化学惰性的多孔材料构成，或者包括任何一种或多种类型的尺寸稳定的、导电的、化学惰性的多孔材料。气体扩散介质31和气体扩散介质33可由、可包括或可类似基于PEM的电化学电池中常规使用的类型的气体扩散介质和/或通过引用并入本文的文件中公开的气体扩散介质组成，此类气体扩散介质包括但不限于：碳纤维纸、碳布、金属网、金属筛网、金属涂覆的聚合物网、穿孔金属板以及烧结的金属颗粒板。从材料的角度来看，气体扩散介质31和气体扩散介质33可由包括但不限于碳、钼、铌、锇、铼、不锈钢、钽、钛、钨以及锆的材料制成或包括这些材料。
在一个实施方式中，气体扩散介质31和气体扩散介质33中的每个可由以下一种或多种组成或包括以下一种或多种：碳纤维纸、碳布、金属网、金属网、金属涂覆的聚合物网、穿孔金属板、烧结的金属颗粒板或前述的组合。尽管气体扩散介质31和气体扩散介质33中的每个在图1中显示为单层，但是应当理解，气体扩散介质31和气体扩散介质33中的一个或两个可包括多个层和/或材料，并且多个层的组成层可在尺寸、组成上或其他方面彼此相似或不相似。气体扩散介质31和气体扩散介质33不需要在尺寸和/或组成上彼此相同。例如，在一个实施例中，气体扩散介质31可包括两种不同类型的气体扩散介质的堆叠组合，如碳纤维纸和烧结的金属颗粒薄板或以下两种或更多种的一些其他组合：碳纤维纸、碳布、金属网、金属筛网、金属涂覆的聚合物网、穿孔金属板、烧结的金属颗粒板。相比之下，气体扩散介质33可包括一层或多层烧结的金属颗粒片。气体扩散介质33的一个或多个部分可用疏水材料(如聚四氟乙烯)处理，以使水在与阳极17的界面处的汇集最小化。
电化学氢气压缩机13可还包括气体扩散介质框架41。气体扩散介质框架41可以是大致呈环形或框架状结构体，以不透流体的方式围绕气体扩散介质31的外围安装。框架41可与常规地用于基于PEM的电化学电池中的类型的框架类似或相同，该框架可由一种或多种尺寸稳定的、化学惰性的、离子不传导的和电不传导的材料组成或包括这些材料。框架41可以是非多孔的且基本上流体不可渗透的，除了框架41可包括流体端口43，该流体端口43从框架41的内周边45-1径向地向外延伸至框架41的外周边45-2。可替代地，流体端口43可轴向延伸出框架41。如下文将进一步讨论的，一定长度的管47可流体地联接至流体端口43，使得可在阴极19处产生的氢气可通过流体端口43从气体扩散介质31流入管47中。
电化学氢气压缩机13可还包括气体扩散介质框架51。气体扩散介质框架51可以是大致呈环形或框架状结构体，以不透流体的方式安装在气体扩散介质33的外围周围。框架51可与在基于PEM的电化学电池中常规使用的类型的框架类似或相同，可由一种或多种尺寸稳定的、化学惰性的、离子不传导的和电不传导的材料组成或包括这些材料。框架51可以是非多孔的且基本上流体不可渗透的，除了框架51可包括从框架51的内周边55-1径向向外延伸到框架51的外周边55-2的流体端口53。可替代地，流体端口53可轴向延伸出框架51。如下文将进一步讨论的，一段管道57可流体联接至流体端口53，使得氢气可通过流体端口53从管道57输送至气体扩散介质33。框架51还可被成形为包括用于接收导电分隔体的凹陷区域59。
电化学氢气压缩机13可还包括隔膜61。隔膜61可与基于PEM的电化学电池中常规使用的类型的隔膜类似或相同，可以是以流体密封的方式安装在气体扩散介质31和框架41顶部上的导电的、尺寸稳定的、化学惰性结构。
电化学氢气压缩机13可还包括隔膜71。隔膜71可与基于PEM的电化学电池中常规使用的类型的隔膜类似或相同，可以是以流体密封的方式设置在气体扩散介质框架51的区域59内和气体扩散介质33的区域35内的导电的、尺寸稳定的、化学惰性结构。
电化学氢气压缩机13可还包括水管理或加湿膜81。如下文将进一步讨论的，加湿膜81可用于向存在于气体扩散介质33内的氢气供应水蒸气。加湿膜81可以是非多孔的、液体可渗透的、基本上不透气的结构，该加湿膜81可包括第一面82-1和第二面82-2。第一面82-1可与气体扩散介质33的面34-2直接接触。
根据一个实施例，加湿膜81可以与膜31(专利号为,595,727的美国专利和/或专利号为8,551,670的美国专利所述的膜)类似或相同。因此，加湿膜81可由固体聚合物电解质组成或包括固体聚合物电解质，颗粒状或非颗粒状导电材料分散在该固体聚合物电解质中。适合用作该固体聚合物电解质的材料的示例可包括所有离聚物，例如但不限于磺化的芳香族化合物、阴离子交换膜、或任何亲水性膜，其可能具有明显的吸水性，因此具有高透水性。或者说，合适的材料可包括(i)含有金属盐的聚合物组合物；(ii)含有电解质的聚合物凝胶；以及(iii)离子交换树脂。更具体地，固体聚合物电解质可以是，例如，阳离子交换离聚物膜，其中阳离子交换基团可以是，但不限于，-SO3-、-SO2NH+、-PO32-、或-CO2-，或可以是，例如，阴离子交换离聚物膜，其中阴离子交换基团可以是，但不限于，-NH2+。具体示例可包括但不限于以下：聚乙烯、具有共聚物的聚乙烯-聚苯乙烯嵌段、聚苯乙烯、聚砜、聚亚苯基、聚亚苯基氧化物、聚(亚芳基)、聚(亚芳基吡啶鎓)、聚(二脂基哌啶鎓氢氧化物)、聚(二甲基氢氧化铵)、磺化聚苯乙烯、磺化聚砜、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚(二苯甲酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)、磺化聚(亚芳基醚酮)、磺化聚(亚芳基硫醚)、磺化聚(醚酰胺)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚(酞嗪酮醚)、全氟磺酸、聚(偏二氟乙烯)以及其混合物或组合。用作固体聚合物电解质的优选材料是全氟磺酸(PFSA)膜，诸如可商购的像NAFION7 PFSA聚合物。可用于替代NAFION7 PFSA的材料的示例公开于美国的专利申请(公开于2006年8月17日，公开号为US 2006/0183011 A1，发明人Mittelstedt等人)，并且其全部内容以引用方式并入本文。
适合用作加湿膜81的分散的导电颗粒的材料的示例可包括但不限于炭黑、金属颗粒(例如，铌颗粒、钼颗粒、钛颗粒或其组合)、负载型金属颗粒及其组合。适合用作加湿膜81的分散的、非颗粒的导电材料的材料的示例可包括高纵横比导电材料，例如碳纳米管、碳纳米纤维、金属纳米线或其组合。特别适合用于加湿膜81的碳纳米管可具有约0.20nm至约100nm，优选地约0.4nm至约80nm，更优选地约0.5nm至60nm，并且甚至更优选约0.50nm至50nm的直径。此外，特别适合用于加湿膜81的碳纳米管可具有约0.50μm至约200μm的长度，并且可具有在约5至约1，000，000范围内的纵横比(即，长度/直径)。此外，特别适合用于加湿膜81的碳纳米管可以是非官能化的或可包括一个或多个官能团，诸如但不限于-COOH、-PO4-、-SO3H、-SH、-NH2、叔胺、季胺、-CHO、-OH、-NO2以及–PO32-。此外，特别适合用于加湿膜81的碳纳米管可包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其组合。特别适合用于加湿膜81的碳纳米纤维可以是非官能化的或可包括一个或多个官能团，诸如但不限于-COOH、-PO4-、-SO3H、-SH、-NH2、叔胺、季铵、-CHO、-OH、-NO2以及–PO32-。加湿膜81可通过在离聚物处于悬浮形式时将导电材料添加到离聚物中并且然后干燥悬浮液来制备。
根据另一个实施例，加湿膜81可缺少上述导电颗粒或导电非颗粒材料并且可不导电。这在加湿膜81通常不位于隔膜61与71之间的本实施例中可以是优选的。
如上所述，加湿膜81优选地基本上是不透气的和透液体的。因此，加湿膜81可基本上防止存在于气体扩散介质33内的氢气通过向下行进通过加湿膜33从气体扩散介质33逸出。同时，并且也许更重要的是，加湿膜81可用于通过允许输送至加湿膜81的液态水向上芯吸穿过膜81并且被释放到气体扩散介质33中来对存在于气体扩散介质33内的氢气进行加湿，其中然后可对存在于气体扩散介质33中的氢气进行加湿。(由于气体扩散介质33中水的丰度，高浓度的水可能阻碍氢气进入阳极17的孔。这可以通过用疏水材料(诸如聚四氟乙烯)处理阳极17来缓解，该疏水材料允许氢气和水两者进入阳极17的孔)。
尽管加湿膜81在图1中被示为单个整体层，但是应当理解，加湿膜81可包括多个层和/或材料，并且多个层的组成层可在尺寸、组成上或其他方面彼此相似或不相似。例如，除了上述材料之外，加湿膜81可包括多孔载体，其设计成为加湿膜81提供具有改善的尺寸稳定性，加湿膜81被热压到多孔载体的孔中。适用于此目的的多孔载体的示例是常规已知的和/或包括在通过引用并入本文的一个或多个文献中。可替代地，加湿膜81可以与以上针对MEA20和MEA密封件21所讨论的方式类似的方式联接至密封材料。这样的布置对于可获得非常高的差压(例如，至少5000psi)的系统可能是期望的，但对于可获得较低的差压(例如，低于5000psi)的系统可能不需要。可替代地，加湿膜81可包括用像NAFION7 PFSA聚合物的材料浸渍的类碳滤纸的材料。
电化学氢气压缩机13可还包括加湿膜框架85。加湿膜框架85可以是大致呈环形或框架状结构，以液密方式安装在加湿膜81的周边周围。框架85可与基于PEM的电化学电池中常规使用的类型的框架类似或相同，可由一种或多种尺寸稳定的、化学惰性的、离子不传导的和电不传导的材料组成或包括这些材料。框架85可以是无孔的且基本上流体不可渗透的，除了框架85可包括从框架85的内周88-1径向向外延伸到框架85的外周88-2的流体端口87。可替代地，流体端口87可轴向延伸出框架85。如下文将进一步讨论的，一定长度的管89可流体联接至流体端口87，使得水可通过端口87从管89输送到加湿膜81。在另一实施例(未示出)中，替代用框架85围绕加湿膜81，框架85可围绕多孔介质，并且加湿膜81可被定位在多孔介质和气体扩散介质33之间。因此，通过框架85输送的水会进入多孔介质，然后从多孔介质进入加湿膜81。多孔介质在构造和组成上可与气体扩散介质31和33相似。
电化学氢气压缩机13可还包括密封件91。密封件91可以是化学惰性的、电和离子传导或不传导的、无孔的、液体不可渗透的且气体不可渗透材料的，密封件91可沿加湿膜81的面82-2设置。以这种方式，密封件91可用于防止水通过面82-2从加湿膜81逸出。
系统11可另外包括低压氢气供应源101。低压氢气供应源101进而可包括容器102，该容器102用于在相对低的压力下保持一定量的氢气。例如，相对低的压力可以是从大气压(或亚大气压)至1000bar或更大，优选地从3bar至200bar，更优选地从10bar至150bar。一段管道103可在一端流体联接至容器102并且可在相对端流体联接开/关气体阀105。开/关气体阀105继而可流体联接至管道57。以这种方式，当开/关气体阀105打开时，氢气可从容器102流向气体扩散介质33。
系统11可另外包括高压氢气收集器111。高压氢气收集器111又可包括容器112，该容器112用于在相对高压下保持一定量的氢气。例如，该相对高的压力可以是从大气压至范围从1bar至2000bar或更大，优选地从10bar至1000bar，更优选地从40bar至875bar的压力。一段管道113可在一端流体连接到容器112，并且可在相对端流体联接至背压调节阀115。背压调节阀115又可流体联接至管47。以此方式，氢气可从气体扩散介质31流向容器112并且可在大的压力下保持在容器112中。
系统11可还包括水源121。水源121又可包括设置在容器122内的一定量的水。一段管道123可在一端流体地联接至水源121，并且可在相对端流体地联接至泵125。泵125又可流体地联接至管道89。以这种方式，水可从容器122供应至加湿膜81。
系统11可还包括电源131。电源131(其可以是电池或其他电源)可具有电联接至隔膜71的正极端子133，并且可具有电联接至隔膜61的负极端子135。可提供接通/断开开关137，以允许电路被选择性地断开和闭合。在一个实施例中，系统11可在小于或等于3VDC下并且在5A/cm2或更高下运行。
在使用中，可以闭合开/关开关137，可以打开开/关气体阀105，并且可以致动泵125。前述内容致使氢气从容器102流入气体扩散介质33中，并且致使水从容器122被输送至加湿膜81。存在于气体扩散介质33内的氢气然后可以电化学方式泵送穿过MEA20而进入气体扩散介质31中，从该气体扩散介质然后可从气体扩散介质31流入容器112中，用于在高压下储存。与此同时，水可从加湿膜81连续地释放到气体扩散介质33中，并且可用于对存在于气体扩散介质33内的氢气进行加湿，从而在聚合物电解质膜15工作时保持其被适当地水合。
电化学氢气压缩机13可在约0℃至150℃范围内的温度下运行，优选地在约40℃至100℃范围内，更优选地在约60℃至95℃范围内。电化学氢气压缩机13可具有约1cm2至约2000cm2或更大的有效面积，优选地约50cm2至约1500cm2，以及更优选地约300cm2至1250cm2。
应当理解，尽管系统11在图1中示出为具有单个电化学氢气压缩机13，但系统11可包括多个可串联或以其他方式连接的电化学氢气压缩机13。
另外，应当理解，尽管系统11在图1中显示为具有位于聚合物电解质膜13阳极侧的加湿膜81，但可通过将加湿膜定位在聚合物电解质膜13的阴极侧或通过将第一加湿膜定位在聚合物电解质膜13的阳极侧和第二加湿膜定位在聚合物电解质膜13的阴极侧来修改系统11。此外，尽管系统11在图1中示出为具有与MEA20间隔开的加湿膜81，但是可修改系统11使得加湿膜81与MEA20直接接触。此外，应当理解，阴极氢气可构造为死端或流通。此外，阳极和阴极可设计成具有或不具有边缘集合。
现参考图2，示出了电化学氢气压缩机13替代电化学氢气压缩机的简化示意图，替代电化学氢气压缩机根据本发明构造并且总体上由参考标号213表示。电化学氢气压缩机213的对理解本发明并不关键的细节可从图2或本文附随的描述中省略，或者可在本文描述或在图2中以简化的方式示出。例如，为了简单起见，电化学氢气压缩机213中包括的许多结构元件(例如但不限于，框架、隔膜、密封件等)未在图2中示出和/或在此不讨论或在此以简化的方式讨论。
电化学氢气压缩机213可包括MEA215。MEA215可与电化学氢气压缩机13的MEA20类似或相同。
电化学氢气压缩机213可还包括加湿膜217。加湿膜217可在组成上与电化学氢气压缩机13的加湿膜81相似；然而，虽然电化学氢气压缩机13的加湿膜81可大致呈平面，但是电化学氢气压缩机213的加湿膜217可具有波浪形或波浪形形状，并且可被成形为包括多个峰和谷。例如，加湿膜217的一个或多个部分(诸如部分219-1、部分219-2、部分219-3和部分219-4)可与MEA215直接接触，而加湿膜217的一个或多个其他部分(诸如部分221-1、部分221-2、部分221-3、部分221-4和部分221-5)可与MEA215间隔开并且不与MEA215直接接触。(在另一个实施例(未示出)中，整个加湿膜217可与MEA215间隔开。)不希望局限于加湿膜217的任何具体操作理论，本发明人相信，加湿膜217的波浪形或起伏形状可以是有利的，因为其与MEA215直接接触的部分能够向MEA215供应相对较大量的水，而其与MEA215间隔开的部分可用于使MEA215被水浸没最小化。
因为加湿膜217的部分与MEA215直接接触，并且因为加湿膜217优选地位于电联接至电源(未示出)的隔膜(未示出)之间，所以加湿膜217优选地包括上文结合加湿膜81讨论的类型的导电颗粒和/或导电非颗粒材料。
由于其起伏形状，加湿膜217可至少部分地限定其上方的一个或多个空间和其下方的一个或多个空间。优选地，加湿膜217被成形为使得加湿膜217上方的组合空间体积大约等于加湿膜217下方的组合空间体积；然而，加湿膜217不需要如此成形。
电化学氢气压缩机213还可包括气体扩散介质231。可在组成上和/或尺寸上与气体扩散介质31相似或相同的气体扩散介质231可直接定位在MEA215上，并且可用于接收在MEA215的阴极侧(在本实施例中，阴极侧是上侧)处产生的氢气。
电化学氢气压缩机213可还包括多种气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5。气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5在组成上可彼此相似或相同，并且在组成上可与气体扩散介质33相似或相同。气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5可定位在位于加湿膜217和MEA215之间的对应形状的空间内，并且可用于接收已经从低压氢气供应源供应的氢气。
电化学氢气压缩机213可还包括多个流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4。流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4可在组成上彼此相似或相同，并且可在组成上与气体扩散介质33相似或相同。流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4可被定位在加湿膜217下方的对应形状的空间内，并且可用来接收已经从水源供应的水。
如可以理解的，因为，在本实施例中，气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5被示出为彼此流体地不同，来自低压氢气供应的氢气优选地通过某种歧管结构供应至气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5中的每个。以类似的方式，因为，在本实施例中，流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4被示出为彼此流体地不同，来自水源的水优选地通过某种歧管结构供应到流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4中的每个。
电化学氢气压缩机213可以以在许多方面类似于上述用于电化学氢气压缩机13的方式来使用。更具体地，在相对低的压力下的氢气可从氢气供应源输送至气体扩散介质233-1至气体扩散介233-5，并且水可从水源输送至流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4。然后，流体扩散介质235-1至流体扩散介质235-4中的水可通过加湿膜217被吸收，并且然后通过加湿膜217释放到气体扩散介质233-1至气体扩散介质233-5中，其中水可用于加湿存在于其中的氢气。加湿的氢气然后可在MEA 215处电化学反应，并且从MEA 215输出的氢气可被引导通过气体扩散介质231，并且然后收集在具有背压调节器的氢气收集器中。
应当理解，尽管电化学氢气压缩机213在图2中被示出为具有位于MEA215的阳极侧上的加湿膜217，但是可通过将加湿膜定位在MEA215的阴极侧上或者通过将第一加湿膜定位在MEA215的阳极侧上以及将第二加湿膜定位在MEA215的阴极侧上来修改电化学氢气压缩机213。
可适用于本发明的一个或多个实施例的一些益处、特征、和优点可包括以下各项：
本发明允许氢气的连续电化学压缩，消除了对机械压缩机的需要。申请人已经通过使用在高电流密度下操作并利用先进PEM和整体水管理膜的电化学氢气压缩机堆证明了高效率。本发明将提供具有在大于875bar下连续输送氢的能力的基于PEM的堆。
本发明的电化学氢气压缩机已经设计有选择性可渗透的水管理膜(“WaMM”)，该膜解决了低成本、更高效率和改进的耐久性的商业化的障碍。
电化学氢气压缩机(EHC)是不具有移动部件的固态装置。固态装置提供稳健且免维护的操作，从而使停机时间最小化。
WaMM是EHC中的静止项目，其提供氢气的连续电化学压缩所需的水。WaMM是聚合物电解质膜和导电或非导电选择性渗透膜。
WaMM提供电化学处理所需的水，允许这些系统在最佳压力、温度和电流密度下连续运行。在一些情况下，WaMM提供了比通过外部加湿(例如，使气体鼓泡通过一定体积的水)能够提供的高达六倍的加湿。
选择性渗透的WaMM以消除膜降解和失效的主要因素的方式操作。WaMM在除氧环境中操作以防止自由基物种攻击聚合物和磺酸基团。
WaMM供应足以电化学操作包括低成本芳香族膜的多种聚合物的水。
交叉切割技术：WaMM是实际的交叉切割技术，提供了大量电化学处理所需的精确加湿。
本发明可用于各种不同的设置中，包括但不限于以下：(i)燃料电池；(ii)电解槽-WaMM可在通过电解或其他手段产生氢气之后立即提供氢气压缩所需的水，从而提供单滑动件产生和压缩溶液；(iii)在压力下的家庭/道路燃料补给机-H2为家庭提供通过使得家庭燃料补给机可接近而降低其化石燃料消耗的机会；(iv)氢气纯化/分离-WaMM使氢气分离和纯化在缺乏足够水分含量的气体中成为可能(例如，储存/天然气应用)；(v)氢气循环(制冷)；(vi)H2传感器应用-WaMM通过提供该过程所需的湿气允许检测组分气体中的氢气；以及(vii)发电(可逆的)。
在封闭系统中的水管理最困难。WaMM是在变化的操作参数(Pi，Po，Ti，A，H2Od)下的完整水管理解决方案。
当前技术的使用导致催化剂溢流或膜脱水，这两者都降低了电化学过程的效率。WaMM提供了在反应位置所需的精确量的水。
大多数常规膜经历高电渗阻力(EOD)，其携带水的速度比加湿能够提供的水的速度快六倍。WaMM通过提供电化学工艺所需的水分和电渗透阻力来防止膜的干燥。
电流膜技术对操作电流密度具有限制。WaMM通过提供增加质量传输和热管理控制所需的水，允许系统在更高的电流密度下操作。
在一个实施例中，WaMM可根据需要用于单独的电池冷却，以从电化学工艺中去除废热。在另一实施例中，整个堆冷却可由WaMM管理。
WaMM是半刚性结构，其提供在高压差下操作的耐久性和强度。
在一个实施例中，WaMM是强到足以在电化学氢气压缩机的可变径向和轴向负载下操作的膜。
WaMM的有效区域被密封在单个电池内，允许安全且受控的电化学过程。
虽然本发明已经在氢气的电化学压缩的背景下进行了描述，但本发明还可用于从包括氢气的气体混合物中分离和压缩氢气。类似地，它可用于电化学压缩或分离其他组分，包括但不限于氧气、氨、一氧化碳和二氧化碳。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求中限定的本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种电化学装置，包括：
(a)聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；
(b)阳极，所述阳极联接至所述聚合物电解质膜的第一面；
(c)阴极，所述阴极联接至所述聚合物电解质膜的第二面；以及
(d)水管理装置，所述水管理装置联接至所述阳极或所述阴极，以用于向所述阳极或所述阴极输送水，所述水管理装置是不导电的、可渗透液体、且基本上不可透过气体的，所述阳极或所述阴极定位在所述水管理装置与所述聚合物电解质膜之间。
2.如权利要求1所述的电化学装置，还包括阳极气体扩散介质，所述阳极气体扩散介质限定了阳极室，所述阳极室与所述阳极流体连通，所述阳极气体扩散介质定位在所述水管理装置的至少一部分与所述阳极之间。
3.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述水管理装置的整体与所述阳极间隔开。
4.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置具有平面形状。
5.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置具有非平面的形状。
6.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置由单一的整体材料组成。
7.如权利要求6所述的电化学装置，其中，所述水管理装置是固体聚合物电解质膜。
8.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括多个层和/或材料。
9.如权利要求8所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括具有多个孔的载体和设置在所述载体的孔内的固体聚合物电解质。
10.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括固体聚合物电解质。
11.如权利要求10所述的电化学装置，其中，所述固体聚合物电解质包括下列中的至少一项：聚乙烯、具有共聚物的聚乙烯-聚苯乙烯嵌段、聚苯乙烯、聚砜、聚亚苯基、聚苯醚、聚(亚芳基)、聚(亚芳基吡啶鎓)、聚(二甲基哌啶鎓氢氧化物)、聚(二甲基氢氧化铵)、磺化聚苯乙烯、磺化聚砜、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚(二苯甲酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)、磺化聚(亚芳基醚酮)、磺化聚(亚芳基硫醚)、磺化聚(醚酰胺)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚(酞嗪酮醚)、全氟磺酸、聚(偏二氟乙烯)及其组合或混合物。
12.如权利要求1所述的电化学装置，还包括阳极气体扩散介质，所述阳极气体扩散介质限定了阳极室，所述阳极室具有相对的第一面和第二面，所述第一面与所述阳极接触，所述第二面与所述水管理装置接触。
13.如权利要求12所述的电化学装置，其中，所述阳极气体扩散介质由单层导电多孔材料构成。
14.如权利要求12所述的电化学装置，其中，所述阳极气体扩散介质包括多个层，所述多个层中的每层包括一种或多种导电多孔材料。
15.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述聚合物电解质膜、所述阳极以及所述阴极一起形成膜电极组件，并且其中，所述电化学装置还包括环形密封件，所述环形密封件绕所述膜电极组件安装。
16.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述聚合物电解质膜、所述阳极和所述阴极一起形成膜电极组件，所述电化学装置还包括第一隔膜和第二隔膜，其中，所述第一隔膜和所述第二隔膜各自是导电的，并且其中，所述第一隔膜和所述第二隔膜定位在所述膜电极组件的相对侧上，其中，所述第二隔膜定位在所述膜电极组件与所述水管理装置之间。
17.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电化学装置是电化学氢气压缩机。
18.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括第一水管理装置和第二水管理装置，其中，所述第一水管理装置联接至所述阳极，以用于将水输送至所述阳极，其中，所述第一水管理装置是不导电的、可渗透液体的、且基本上不可透过气体的，其中，所述阳极定位在所述第一水管理装置和所述聚合物电解质膜之间，其中，所述第二水管理装置联接至所述阴极，以用于将水输送至所述阴极，其中，所述第二水管理装置是不导电的、可渗透液体的，且基本上不透气的，并且其中，所述阴极定位在所述第二水管理装置和所述聚合物电解质膜之间。
19.一种电化学装置，包括：
(a)聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；
(b)阳极，所述阳极联接至所述聚合物电解质膜的第一面；
(c)阴极，所述阴极联接至所述聚合物电解质膜的第二面；以及
(d)水管理装置，所述水管理装置联接至所述阳极或所述阴极，以用于向所述阳极或所述阴极输送水，所述水管理装置是可渗透液体的且基本上不可透过气体的，所述水管理装置包括相对的第一和第二面，所述水管理装置的所述第一面的第一部分与所述阳极或所述阴极直接接触，所述水管理装置的所述第一面的第二部分与所述水管理装置的所述第一面间隔开。
20.如权利要求19所述的电化学装置，其中，所述水管理装置是导电的。
21.如权利要求20所述的电化学装置，其中，所述水管理装置包括固体聚合物电解质，一种或多种类型的导电材料分散在所述固体聚合物电解质中。
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