CN116322943A - 用于除去气态流中的氢/氧的系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于去除气流中的氢/氧的化合器，所述化合器包括：能够容纳气态流的管道，该管道适于将气态流输送至催化活性结构（CAS），该CAS：与大部分气态流接触，具有壳体和入口，该入口连接到管道，以及出口，用于在再结合后除去气态流；和第二管道，其连接到CAS的出口，用于将气态流输送离开化合器。在本发明的第二实施例中，CAS容纳在电化学电池内。

Description

用于除去气态流中的氢/氧的系统

技术领域

本发明涉及用于在至少包含一些氧的气流中去除氢的装置和方法。本发明旨在与来自电解器的含氧输出一起使用，但不必限于此。

背景技术

氢具有很多用途，从能量储存到化肥生产。氢可以从许多来源获得，这些来源通常被赋予颜色。灰色氢来自天然气或石油等化石燃料。蓝色氢通过与灰色氢相似的碳捕获技术获得。绿色氢是在没有碳排放情况下获得的，通常通过利用可再生能源和电解器来实现。其中一些来源，如蓝色来源和灰色来源，由于明显的原因是不可取的。因此，需要能够以可靠和可持续的方式生产氢。

电解器是用电化学方法分解水来产生氢和氧的装置。电解器通常属于目前可用的三种主要技术之一，即阴离子交换膜（AEM），质子交换膜（PEM）和液体碱性系统。液体碱性系统是一个多世纪以来已知的最成熟的技术。PEM系统也已经建立，并已经商用了数十年。AEM电解器是一种相对较新的技术。其他技术例如固体氧化物电解也是可行的。

操作电解器在压力下产生氢是可能的，特别是AEM系统。在压力下操作的结果是潜在的氢交叉。如果发生或存在点火源，则包含氧的流中存在氢气尤其令人担忧。

目前，降低风险的方法有很多种，例如通过确保出口处充分通风来减少氢水平超过潜在危险限值的可能性。其他选择包括在较低的阴极压力下操作，这对所使用的压缩系统提出了更高的要求，或者使用更厚的膜。改变这些参数可能会对电解器或更广泛系统的效率产生负面影响。

在PEM电解器中，已经有文献记载了将再结合体散布在整个膜中。但这可能降低总体效率，并不适用于所有电化学装置。由于阳极电位和较高的pH值，文献中公开的这种方法不适用于使用AEM的电化学装置。因此，发现AEM电化学装置需要一种新的方法。

氢和氧可以在各种情况下混合。这可能是有问题的，因为在氢氧混合物中，氢在4％至75％（体积）的范围内是可燃的。氢在18.3％和59％（体积）范围时这种混合物能够在氧中引爆。本发明可以应用于任何这样的情况，以确保可能超过危险阈值的混合物的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的装置和方法，用于在至少包含一些氧的气态流中去除氢。

根据本发明的一个实施例，提供了一种化合器装置，用于在使用中去除主要由氧组成的主气流中的杂质氢，或者相反，所述化合器装置包括：

催化活性结构（CAS），其包含具有入口和出口的壳体；

第一管道和排气管，所述第一管道连接到所述入口，用于将所述主气流输送入所述壳体以使所述主气流从所述入口流到所述出口，所述排气管用于将所述主气流输送离开所述壳体；

所述CAS还包括结构元件，所述结构元件包括能操作以将氢和氧结合而形成水的催化材料，所述结构元件位于所述壳体内，部分地位于所述入口和所述出口之间，并横跨所述壳体的横截面的绝大部分，使得在使用中，所述主气流流过所述壳体。

本文所用的术语“管”、“管道”用于包括但不限于管道系统，所述管道系统包括由各种材料如铜、不锈钢、聚合物/塑料和铝制成的管路。管道或管路是指覆盖气体或流体的传输的任何和所有装置。

本文所用的术语“气流”和“气态流”用于包括至少包含氢和氧的任何气态流。或者，也可以使用术语“流体”。根据流的性质，应该可以通过其他适当的方法来清楚其他可能的杂质。气态物可以包含与气体任意组合的蒸气和/或液体。在优选的应用中，水是最可能的。

本文所用的术语“入口”和“出口”用于包括更传统的入口/出口，例如通向或来自壳体的管道。另外，该两个术语还用于包括流体从系统的该部分进入或离开的任何位置或装置。

本文所用的术语“催化活性结构”（CAS）用于包括但不限于因催化剂的存在而具有催化活性的任何表面或结构。这样的表面包括膜、布、结构或等同物。优选的实施方案是催化床反应器、催化转化器、催化燃烧器或其他名称。

在本文中，所指的氢/氧用于包括氧或氢的存在，这取决于化合器的应用。在具有电解器的优选应用中使用的化合器可用于从来自阳极的主要含氧的流中去除氢，或从来自阴极的主要含氢的流中去除任何可能存在的氧。通常，气态流的少数成分会被去除。

本文所用的术语“燃烧”用于包括但不限于氢和氧的再结合（复合）。燃烧可与其他术语如再结合可互换使用。一般来说，在优选的应用中指的是氢的去除，相对于氧，它会是少量的氢。

本文所用的术语“除雾器”和“除沫器”可互换使用。垫的使用并不一定是为了限制除雾器的几何形状。

在本发明的优选实施例中，CAS容纳在基本封闭的壳体中，唯一的入口是通过本文所述的入口管和出口管。周围空气或其他流体不能能渗透到壳体中。

本发明旨在利用包含氢和氧的气态流来工作。优选地，气态流中的主要成分是氧或氢。更优选地，杂质（或“少数”）气体占气态流的0.1％－50％，更优选为0.1％－20％，甚至更优选为0.1％－10％。在正常工作期间，预计该比例在0.01％至5％之间。例如，组合物包含90％的氧气和10％的氢气，99.9％的氧气和0.1％的氢气，以及两者之间的任何范围；反之亦然。为了完全去除杂质气体，假定只有氢和氧，该组成受限于反应的化学计量。在一些情况下，杂质气体可能超过50％，尽管这种情况是不期望的。

通过改变组分（如催化剂），本发明可适于在各种温度下工作。在优选实施例中，温度高于室温（20℃）且低于120℃；更优选地，温度在60℃与110℃之间；仍更优选地，温度在70℃和100℃之间，以大约90℃为中心。值得注意的是，由于反应的放热性质、可选的隔绝状态以及环境温度的变化，CAS的温度可能会更高。这样的测量可以用来指示不正确的操作。

在一些实施例中，为了使CAS重新组合气体，可能需要存在最低水平的杂质气体。一优选实施例提供了用于供给发生再结合所需数量的气体的装置。这种装置包括气体再循环，或在化合器之前使用贮存器，或二者的组合。

在一实施例中，化合器下游的气态流可以再循环。再循环可以是自动的，也可以由下游的氢/氧传感器控制，该传感器在氢/氧升高的情况下激活再循环。其他传感器，诸如温度或湿度传感器，可作为氢/氧传感器的替代来使用和校准。

在氢气是杂质气体的另一实施例中，可以设想金属氢化物或其他适合吸附杂质的材料存在于CAS处或之前。当氢吸附到金属氢化物上时，可以减轻杂质的排放，直到氢化物吸附达到峰值。可以通过氢化物的热循环或压力循环来释放氢。这种循环可以基于运行时间，并以预定的间隔进行，或者利用上文所述的在化合器的下游的传感器来触发释放吸附的氢的方法。

在使用金属氢化物作为氢储器的实施例中，降低压力来触发吸附氢的释放。对于具有热调节的实施例，增加温度来触发吸附氢的释放。

氢和氧重新结合/再结合的产物是水。过量的水可能会导致CAS溢流。反应的放热性质可减轻溢流情况，因为温度升高会导致多余的水蒸发。在本发明的一个实施例中，利用如上所述的基于预定的循环或所用传感器的阈值间歇再结合，可以有助于水管理。间歇性的再结合允许通过蒸发或其他方式从CAS中除去产生的水，同时仍确保在输出中的安全成分。

相反，根据应用中的杂质气体，可以提供用于氧气的贮存器。

无论所采用的是氢贮存器还是氧贮存器，可以设想贮存器可以与CAS或不同的部件连接。另外，贮存器可容纳在化合器内或所述化合器的上游。在另一个实施例中，贮存器可以在化合器的下游，并且提供用于在吸附气体的释放被触发时再循环气体的装置。

在一些实施例中，通过化合器同时实现去除和检测。在适当的情况下，对于提供了用于检测的装置的实施例而言，提及气体的去除还应包括提及对所述气体的检测。

在本发明的优选实施方案中，整个气态流被引导与CAS接触。这可以通过让CAS穿过气体混合物流经的路径的绝大部分横截面（如果不是全部的话）来实现，如图所示。

在优选实施例中，化合器与电化学装置组合使用，更优选与电解器组合使用，还更优选与AEM电解器组合使用。这种电化学装置通常使用水箱或类似的东西。这种水箱一般具有用于除去气体的出口。气态流通常是氧气且含氢和水等少量杂质。

在上述应用中，可以设想将除雾器设置在水箱上。可以设想，本文要求保护的化合器可以与这样的除雾器串联使用，其可根据催化剂的性质而设置在之前或之后。或者，化合器可以结合到除雾器壳体中，或者与除沫器本身相结合。

在一实施例中，连接到复合器/CAS的除雾器可以兼作阻火器和除雾器。在启动和关闭过程中可能发生的受限、低流量条件下的复合，存在弱爆燃的可能性，该弱爆燃可能会完全发展为爆燃，因此需要至少在复合器的入口处安装上具有阻火器。阻火器优选是微孔烧结材料，这样它也可以除雾/凝聚水，并防止水直接引入CAS/反应器室。一个这样的实施例将烧结金属聚结过滤器连接到CAS室的入口，以确保启动和关闭时的安全性和系统弹性。

可以设想，复合器装置可以与除雾器联接，CAS可以位于除沫器的上游、除沫器的下游、或与除沫器组合。还可以设想除沫器位于CAS的侧面，这意味着在CAS的上游和下游都有一个除沫器。

这些实施例与其他实施例一样，阻火器兼做除沫器，下面将进一步描述这种双重作用的除雾器/阻火器的组成。

另一个安全考虑因素是增加静电放电事件的部件弹性，这可能发生在水饱和气体流过金属壳体/连接器时。为了避免这个问题，可以设想将聚合物涂层应用到包括CAS的反应器室的任何或所有内部金属表面上。这将保证即使在由于不适当的接地或接地故障而导致部件充电的情况下，反应器腔室内也不会发生任何放电。

虽然设想任何涂层可以是疏水的或亲水的，但在优选的实施方案中，聚合物涂层或等同物是亲水的。另一个实施例可以设想包括多个涂层，其具有在金属衬底上的绝缘衬底/底漆层，以及沉积在底漆层上的后续导电和/或亲水涂层——用作抗静电层的亲水和/或导电层。所述涂层可以在CAS上、装置的其余部分上或两者之上。

在另一应用中，化合器可位于阴极出口上，用于除去氢出口中存在的任何氧，干燥器用于除去任何存在的水或通过再结合产生的水。

虽然在许多实施例中设想从主要含氧的流中除去氢，反过来说，本发明的化合器装置可用于从主要含氢的流中除去氧。与其他实施例一样，可以在干燥器的下游设置用于干燥的装置以处理通过再结合产生的水。

虽然设想CAS可以是任何适当的催化活性表面，但在优选实施例中，CAS是催化燃烧器。CAS可具有金属泡沫作为结构骨架，或聚合物膜，或其他合适的结构。CAS也可以存在于结构和/或壳体的壁上的聚合物涂层中。这样的实施例可以是支撑在氧化铝结构上的PTFE涂层铂，或其合适的替代物。

同时设想CAS将在不引入环境空气或其他气体的情况下工作。在一些实施例中，优选引入环境空气。这有助于确保完全再结合。环境空气可以在下游引入以稀释已处理的气态流。

可以设想，在CAS中使用多种催化剂用于再结合。铂和钯以及它们的合金都能起作用。这种催化剂的例子包括Pd/Al₂O₃和PtCo合金。

在优选的实施例中，使用不含PGM的催化剂，例如但不限于金属合金、陶瓷、硫属化合物、磷族元素化合物（pnictogenides）、有机金属化合物、其他金属络合物。一些例子包括Ni合金。任何好的氢氧化反应催化剂（例如NiLa）都可以使用。

无论使用何种催化剂，反应如下：

2H₂+ O₂→2H₂O

无论从气态流中除去的是氢还是氧，该反应都是相同的。该反应会一直进行到任一反应物耗尽为止。

化合器相对于除雾器或其他干燥部件的位置取决于催化剂的性质和偏好。如上所示，反应中会产生水。有些催化剂亲水，在潮湿条件下工作得更好。相反，有些催化剂疏水，喜欢更干燥的环境。担体（support）本身也可以是亲水的或疏水的。当产生水时，预期疏水性首选。CAS可以位于干燥器或除雾器之前或之后，这取决于催化剂的优选特性。由于液态水的存在可能会因为存在多余的产物（也称为溢流）而抑制反应速率，因此优选提供用于除去（产生的/多余的）水的部件，例如但不限于用于抽干水的部件，或例如用于蒸发所述水的加热或化学预处理的部件。

在优选实施例中，CAS和除雾器适于共用壳体，CAS设置在除沫器的上方或下方，或者组合到除沫器中。可以设置用于间隔的部件以分离壳体内的两层，或者CAS可以接触除沫器。或者，如上所述，除沫器和CAS可以组合。这种组合可能需要如上所述的不同的阻火器。在使用氢化物进行氢储存的实施例中，氢化物也可以放置在除雾器上或在除雾器中。

可以设想，各种载体可以与任何催化剂（不限于上述那些）一起使用以形成CAS。优选地，担体应具有：机械稳定性；热稳定性；高表面积，以及耐水性和耐腐蚀性。这种担体的示例包括：炭黑，金属氧化物（如陶瓷），聚合物膜，金属泡沫（如Ni泡沫），沸石/沸石结构，或金属－有机骨架。可能合适的金属氧化物的示例包括但不限于Pd/SnO₂或Pd/TiO₂。还可以设想可以使用上述的组合。

核－壳模型可以应用于衬底和催化剂中的一种或两种。当应用于衬底时，以Al₂O₃作为核、CeO₂作为壳为例，选择壳用于以下的组合：热稳定性，保水性，耐腐蚀性和耐水性，以及与衬底耐用期限有关的其他性能。关于催化剂，核壳结构允许减少PGM负载，或用于非PGM实施例的其他催化剂。一个示例是具有Pt壳的Co核。

在本发明的实施例中，用于去除氢的部件还适于包括用于检测氢和氧的存在的元件。这可以通过将CAS的温度与通过经验分析获得的预期温度相关联来实现。氢和氧的再结合以及氢化物的形成都是放热反应。可以设想，本发明还可以适于氢或氧传感器以及复合器。可以使用热电偶或其他温度传感部件测量CAS的温度。温度可以与存在的杂质气体的比例相关。流速也也应考虑在内，此外，使用氢化物的实施例也应该考虑这一点。通过测量温度，就有可能确定存在的气体的比例。这种信息可用于通知泄漏或潜在风险，并且同样可用于装置的控制系统中。

需要一种控制/调节CAS反应器温度的部件，以保持安全性，排出物中杂质气体含量的最低阈值，以及降低反应器溢流的可能性。因此，在一些实施例中，使用热传感器/热电偶、加热装置和PID控制器以便将反应器的工作温度调节至预定设定点，从而确保反应效率。此外，对于给定的稳态温度，可以从所述PID控制器中使用的加热器输出数据推导出反应速率，从而推导出排出物杂质气流的含量。增加受加热器控制的温度传感器允许在具有不同组成的阶段启动和关闭复合器，可以在没有气流的情况下维持工作温度以确保自维持温度。此外，加热器减轻了CAS上活化部位的溢流。

或者，可以使用湿度或水传感器，水的量与存在的氢与水的比率成比例/指示。也可以测量质量并进行质量平衡，以计算存在的气体的比例。可以采用计算部件以允许规则的时间间隔进行这一操作。可以使用的另一种传感器是热导率传感器。

虽然可以设想化合器将在基本大气压下使用，但在一些实施例中，壳体可适于处理超过1巴、10巴、或甚至100巴的升高压力。实际上，化合器并不受压力的限制。化合器和其中的CAS应具有足够的尺寸来处理流。

可以设想，本发明可用于多种情况，其中氧和氢都是气态流中的成分。例如但不限于来自氢燃烧发动机的排气。可以使用本发明的其他情况包括氢没有被完全氧化并且出于安全考虑应该将其去除。在优选实施例中，该装置与电解器（更优选地，AEM电解器）结合使用一些电解器使用水箱或液体脱气罐。这种设备通常具有气体出口。在本发明的优选实施例中，CAS将设置成与这种气体出口连通。水箱上的气体出口可以利用除雾器，以及其他已成熟的应用。

在一些实施例中，在CAS附近或之后可以设置用于去除水的排水管或其他部件以防止溢流。可以设想，可以使用阀或其他部件来确保仅去除液体，水可以被引导到水箱以在系统中重复使用。

根据本发明的第二实施例，提供了一种电化学电池，包括：

膜电极组件（MEA），其中所述MEA包含：阳极层，阴极层和位于其间的离子交换膜；

适于在第一压力下工作的阳极隔室；

阴极隔室，该阴极隔室适于在第二压力下工作；以及

电绝缘催化活性结构（CAS），其中所述CAS位于具有相对较低压力的隔室中，并延伸穿过所述隔室的绝大部分横截面，使得在使用中，主气流流过其中。

在本文中，电化学电池旨在包括但不必限于、燃料电池或电化学压缩机。这种装置可以是传统的碱性或PEM，但优选是阴离子交换膜。单个电解池可以用作电解器，或者这种电解池的堆叠可以用作电解器。对于燃料电池和电化学压缩机也是如此。

如本文所述，电化学电池同时具有阳极隔室和阴极隔室。阳极隔室以离子交换膜为起点，向外朝向阳极催化剂和容纳这些部件的隔室延伸。相反地，阴极隔室从所述离子交换膜的另一侧向外延伸，包围容纳阴极的隔室。

虽然可以设想当前描述的实施例将与阴离子交换膜（AEM）或质子交换膜（PEM）一起工作，但在优选实施例中，其为AEM电化学装置。更优选地，它是与干阴极一起工作的AEM电解器。甚至更优选地，相比阳极的实施例，干阴极的实施例中的阴极处于更高的压力下。在第一实施例中描述的化合器也优选用在与干阴极一起工作的AEM电解器的阳极下游。干阴极可以处于任何压力下，但优选在1bar～100bar的范围内，更优选在10bar～50bar的范围内，还更优选在30bar～40bar的范围内，最优选在约35bar的范围内。一些司法管辖区在使用氢时要求较低的上限，例如在日本，观察到的上限为8巴。

相反，如果电化学电池在阳极中的高压下操作，则化合器可以在阴极中。

虽然CAS应该与MEA电绝缘，但是在优选实施例中，无论被安置在哪个隔室，它仍然靠近并邻接电极。CAS与其他组件的电绝缘可通过在一侧或两侧上应用离聚物薄膜，或通过将CAS置于两个超薄膜之间，或二者的组合来实现。

CAS与气体的绝大部分接触的适应性优选为使CAS横跨其所在壳体或隔室的绝大部分横截面积（如果不是全部的话）。

已发现该实施例对阴极动力学有利，特别是对于用干阴极工作的电解器，以及确保膜充分水合。这两个预料不到的优点有助于提高效率以及为电解器增加另一层安全性。此外，它降低了存在与之相关的所有好处的混合电位（mixed potential）的可能性。采用本发明的装置对基于AEM的电化学装置比在PEM电解器中更有益。

可以设想，本发明可用于利用AEM或PEM的可逆燃料电池。在这样的实施例中，阳极对于氧释放和氢的氧化都是活性的，并且将受到混合电位的不利影响。因此，本发明具有上述优点。

在优选的实施例中，阴极隔室基本上是干燥的，没有液体被主动引入其中。这种电化学装置被认为是用干阴极操作。可以设想，CAS可以在其中电化学装置以干阴极操作的阳极隔室中的任何地方使用。或者，化合器可以放置在阳极出口下游的任何地方，其中氢可以存在于主要是氧的流中。当氢在高压下产生时发生交叉，氢由于交叉而存在，这是使用干阴极的好处。

第二实施例可以包括针对第一实施例所讨论的任何和所有可应用的变型和实施例，例如催化剂，CAS，以及温度传感部件的使用和处理信息以确定存在的气体的比例。

CAS可以以多种方式制备，并应取决于所用担体的性质。通常使用催化剂溶液，可选地可使用离聚物溶液以提供与邻接组件的绝缘。将催化剂溶液喷涂在担体上，担体为如上所述的任何合适的结构，如果需要，可施加任选的离聚物溶液。制造MEA的方法是已知的，包括喷涂、涂漆、狭缝式挤压、贴花等。

可以设想，当从阳极隔室向离子交换膜移动时，再结合催化剂可具有浓度增加或降低的浓度梯度。或者，可以设想，CAS可以在整个CAS中具有基本上均匀浓度的催化剂浓度。催化剂的浓度也可以在CAS内变化。

为了将CAS与其他部件如阳极层或MEA电隔离，通常可以使用离聚物层。优选地，离聚物层是超薄膜。

在另一个实施例中，CAS与阳极催化剂层结合以产生混合的催化剂层，该混合的催化剂层在经由下游出口排出之前将交叉氢与释放的氧再结合，所述出口任选地包括除雾器。

根据本发明的另一方面，提供了一种在利用包含氢和氧的主气流的系统中用于从主要含氧的主气流中去除杂质氢或者从主要含氢的主气流中去除杂质氧的方法，该方法包括在所述系统中设置基本上如上所述的化合器装置，使得主气流从入口流过壳体到出口。

本发明中使用的除雾器具有某些优选的结构特征。优选地，除雾器是多孔衬底，其孔径小于100微米，更优选小于50微米，还更优选在1和20微米之间。经表面处理的孔可达亚微米级。

在优选的实施例中，除雾器将是金属泡沫或烧结金属衬底，所选材料与任何潜在的碱性蒸气（即不锈钢，Ni或其合金）兼容，特别避免金属如Zn，Sn，Al及其合金。除雾器衬底也可以是无金属的，例如陶瓷，或烧结陶瓷，例如氧化铝，或碳基的。

孔的分布可以在小范围内，基本上均匀地分布在所需值附近，即大约5微米，或者它可以是针对2种不同孔尺寸选择的双峰分布（其均匀地或通过梯度，例如金属膜过滤器表皮变体－10微米本体和1微米或亚微米表面膜）。具有一个以上的孔径分布或具有其梯度将允许水蒸气的冷凝和随后的毛细作用将液态水拉到较小的孔中。

一旦完全饱和，根据几何形状，多孔介质将通过重力和相变引起的流缓慢地排出。如果除雾器结构基本上连接到CAS壳体，则后一过程（PCI－相变引起的流）是显著的——再结合的热将连续地引起PCI以允许流入的水在冷侧上冷凝，随后在热侧上蒸发/排出。除雾器的主要功能是防止在复合器达到足够高的稳态温度（即70－90℃）之前过早引入水，此时引入或产生的任何水随后蒸发并排出CAS。

除雾器可以安装在CAS/复合器的入口上，以防止上游排气管线冷凝水在系统启动时立即进入反应室，并且并行地利用产生的废热以确保除雾器从不会完全吸收。如果在电解器/系统启动期间CAS产生比引入到流入液中的水更多的水，那么出口上的除雾器可以吸走最初在CAS中产生的液态水，直到它加热到适当的稳定状态。如果确定电解器排气管线水冷凝物是系统中主要和最有害的水源，则将使用更上游的除雾器。

优选地，除雾器位于复合器CAS的上游，在CAS之前除去多余的水以防止溢流。在可选实施例中，除雾器位于CAS的下游，其容纳由复合器产生的水。另一个实施例使用两个除雾器，一个在CAS的上游和一个在下游。

在优选实施例中，可以设想CAS设置在（可移除的、可更换的）筒式壳体中，所述筒适于在催化剂结垢、变性或以其他方式无效时允许更换CAS，而不需要更换整个部件，从而减少维护成本和停机时间。

还可以设想，来自复合器的废热可以用于预热系统的其他区域，或者作为制冷循环的一部分，以用作系统的其他部分的冷却装置。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在将通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：

图1A和图1B分别示意性地示出了根据本发明第一实施例的化合器；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的与除雾器连接的化合器；

图3示意性地示出了根据本发明第二实施例的化合器；

图4A和图4B分别示意性地示出了本发明的各个替换实施例；

图5示意性地示出了根据本发明实施例的利用再循环回路的化合器；

图6示意性地示出了根据本发明实施例的化合器；

图7A和图7B示意性地示出了根据本发明的化合器。

具体实施方式

参考图1A，可以看到壳体3a以及通过入口1a引入待净化气体的管道1。在壳体3a内有CAS4。再结合反应发生在CAS4处，从而除去主要为氧的流中的氢或主要为氢的流中的氧。净化后的气体可以通过出口2a到管道2。此处没有示出用于使气体流动的部件，但本领域普通技术人员应当知道存在该部件。

在图1a所示的实施例中，主要包含氧和一些杂质氢的气流进入入口1a，在那里它接触CAS4。在CAS中，氢与氧结合形成水。用于除去所述水的部件未示出。同样没有示出的是可选的传感器，例如检测温度和/或湿度，用于检测杂质氢浓度等。一个或多个温度传感器通常连接到CAS，而一个或多个湿度传感器通常位于CAS之后不久处（即下游）。

附图的图1B中示出的实施例在许多方面与图1A的实施例类似，但是在壳体3b的几何形状上不同。更一般地，壳体的几何形状可由系统的各种特性和参数来决定，包括例如入口处的压力和/或出口处的期望压力。

如上所述，图1B所示的实施例在大多数其他方面类似于图1A所示的实施例，并且其操作将以类似于上面关于图1A所述的方式进行。

图2A示出了与水箱6结合的本发明的实施例。这种水箱通常与电解器一起使用。在典型的这种电解器布置中，如本领域技术人员所熟知的，电解质从电解组流到水箱6，并在水箱6中循环。对于AEM电解器和其他类型的电解器，离开水箱6中液体的溶解气体可能含有氧和氢的组合。除雾器壳体3c容纳CAS4和除沫器5。气体从水箱6经由入口7a进入壳体3c。CAS4由虚线示出，表示它可以在除沫器5的上方或下方（即上游或下游），这取决于所使用的催化剂是疏水的还是亲水的。如果需要干燥出口，亲水催化剂在再结合后可能需要另外的干燥部件（未示出）。在结合之后，气体经由出口7b离开壳体3c。

除雾器可用于保存电解器内的液位，以降低维护（例如再填充）的频率。这里没有示出到水箱的连接和来自水箱的连接，该水箱与气体的向外流动无关，这种连接对于本领域的普通技术人员来说应该是公知的。

图2B所示的实施例与图2A所示的实施例的不同之处在于，环境空气经由第二入口8引入CAS。风扇可用于引入环境空气或其他气体。如果在压力下工作，可以使用压缩机代替风扇以便向CAS4引入空气。

在图2A和图2B的布置中，含有溶解气体主要是氧气和一些氢气的液体进入水箱6，优选配置为液体脱气罐。溶解气体从液体中除去，并输送到除雾器3c。在壳体3c内，除沫器5可以保持液位，并且CAS4确保只有安全的气体混合物从出口7b排出。

图2A和图2B还可以将除雾器和CAS组合在一起，使得它们是单个组件。另外，该装置可适于包括在除雾器之前和/或之后的复合器，如图7所示，在本实施例中除雾器不具有CAS。图2中的水没有被示出。

在图2A和图2B中，水箱6中的水脱气，气体和水蒸气经由7a进入壳体3c，接着穿过除沫器4然后穿过CAS5，或者穿过CAS5然后穿过除沫器4，该顺序依实施例而定。除雾器和CAS也可以组合使用。被除雾器凝聚的水蒸气通过入口7a流回水箱。对于CAS后带有除雾器的实施例，可以设置旁路（未示出），以允许聚结的水蒸气（绕过CAS）回流到水箱6或排水道中，以防止水浸。壳体3c也可以旋转以防止CAS浸水。

参考附图的图3，示意性地示出了电解池形式的本发明的实施例，其具有壳体3d。在该实施例中，水或电解质通过入口13进入电池的阳极9。MEA 11被示出为与CAS4电隔离（在12处）。在工作中，氢气在电池的阴极10中产生并经由出口15离开。当在压力下工作时，氢气可以从阴极10跨越到阳极9，因此需要除去氢。CAS4用于将交叉的氢与通过水的电解产生的氧结合。然后相对纯的氧气流通过出口14离开阳极9。图3所示的电解池被构造成与干阴极一起工作。

与图3类似，图4A示出了构造成与干阴极一起工作的电解池。二者的区别在于MEA11。在图4A的实施例中，阴离子交换膜15与CAS4紧密接触，并且离聚物层（或薄铸膜）16（通常为超薄膜，其中膜通常为聚合物）将CAS4与阳极层17分开。阴极层18可以位于阴离子交换膜的另一侧。在图4B所示的实施例中，离聚物层16将CAS与离子交换膜分离。

附图的图3、图4A和图4B所示的电解池工作原理如下。电解液通过入口13进入阳极隔室。在阴极隔室10中产生的氢气压力高于阳极隔室9中的氢气压力的情况下发生电解。结果，一些氢可能会跨越到阳极隔室9（其中产生氧）。这种氧和氢的混合物仅存在于阳极隔室中，和/或阳极隔室的下游。位于所述阳极隔室中的CAS4使氧和氢重新结合形成水，从而除去少数杂质气体。

图5所示的实施例在许多方面类似于图1a所示的实施例。在本实施例中，壳体3a具有管道1，该管道1经由入口1a进入；在CAS4之后（即在CAS4的下游），有到管道2的出口2a。在本例中，从管道2分支，有一循环回路，其包括到阀21的进料20a，其中循环回路经由管道20b进入壳体。或者，循环回路还可位于CAS4的上游。本领域技术人员可以设想其他实施例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神的情况下，可以对所描述的实施例进行修改和变化。用于阀21的控制部件未示出。同样没有示出的是用于确保发生完全循环的管道2中的BOP。

图6描述了本发明的另一实施例，类似于参考图1A和图1B描述的实施例，其中使用了氢贮存器22。一般来说，氢贮存器通常是金属氢化物，具有上面公开的配件和替代。在该实施例中，氢贮存器位于CAS4之前（即上游）。图6中没有示出用于触发贮存器22中储备的氢的释放的部件，但是它们在前面有被公开。

结合图5和图6的实施例的实施例的结果可能会是贮存器22在壳体的下游但在再循环开始于20a之前。这将确保任何未重新组合的杂质气体不会被排出或传递到可能出现问题的更下游。

通过引入温度感测部件和计算部件以将检测到的温度校准到在不同比例的杂质气体下的预期温度，任何实施例可以适于作为检测器而不仅仅是化合器来操作。这里没有描述这种部件。可替换地或附加地，可以采用湿度传感器和类似的计算部件。在此重要的是，各种类型的传感器可以构造成允许计算存在的气体的比率，并且使用这种方法与如在此要求保护的化合器相结合的任何变体应该被认为在本发明的范围内。

根据图7A，示出了根据本发明的化合器。来自诸如电解器的设备的气态流进入入口1，该气态流主要包括氢和一些氧以及水/水蒸气。结构50是独立的，或者在另一个实施例中组合了阻火器/除雾器/烧结金属过滤器。水/水蒸气聚结并通过未示出的出水口19、阀等排出，同时水进入排水道或水箱或其他目的地。气体进入包括CAS4的壳体3。在壳体内发生放热复合。连接到壳体的是具有用于测量温度的部件的加热器30。同样没有示出的是与可选PID 或其他控制器的连接，该控制器适于运行加热器以确保CAS保持所需的温度，在交叉/杂质水平低的情况下，启动和关闭期间的加热确保复合器的良好操作。未示出另外的计算部件，该另外的计算部件适于在温度太高时向用户发出警报指示过多的杂质气体。在CAS4之后，处理过的气体经由出口2离开复合器。同样未示出的是部件的可选绝缘和/或聚合物涂层。

图7B在很大程度上反映了图7A，唯一的区别是除雾器/阻火器在CAS4的下游。未示出的是在CAS4的上游和下游都具有除雾器/阻火器的实施例。图7B中的水出口19是可选的，因为可以允许聚结的水离开排气管道2。

出于实用性的原因（不是优选的），一个或多个电解组或电解池可以在除雾器之前和/或之后设置有复合器，如图7所示或根据本发明的另一实施例。在优选实施例中，除雾器和复合器位于水箱上，电解质和产生的带有杂质的气体被传送到该水箱。

所描述的实施例可以被修改或组合以包括在本文中描述的任何特征，例如除沫器是CAS，或添加氢或氧贮存器，或用于下游气体的循环回路。

本发明不限于上述实施例的细节。例如，所使用的语言是指除去含氧流中的氢。相反地，可以使用和重新校准该装置以除去主要以氢为基础的流中的氧。

本发明不限于电解器领域。事实上，它可以在任何应用中用于从包含两种气体的流中检测和除去氢或氧。可以设想，本发明可以适用于各种应用，其中两种气体在一个流中并且可以再结合。当这样的反应是放热反应时，可以以相同的方式调整浓度/比率。可以提供其他装置以除去其他杂质，例如CO2洗涤器。

应注意的是，可能存在其他杂质，在这种情况下也可以提供其他去除、洗涤或检测手段。

本发明不必限于其上保持催化剂的担体。

对于CAS在电化学电池内的实施例，电池本身应被解释为壳体。

本发明并不限于在电化学电池要求保护的实施方案中的阳极或阴极催化剂的位置。

在任何实施例中，具有CAS的复合器旨在放置在诸如但不必限于电解器的装置和排气管道之间。

Claims (24)

1.一种化合器装置，用于在使用中从主要含氧的主气流去除杂质氢或者从主要含氢的主气流去除杂质氧，其特征在于，所述化合器装置包括：

催化活性结构CAS，其包含具有入口和出口的壳体；

第一管道，其连接到所述入口，用于将主气流输送入所述壳体以使该主气流从所述入口流到所述出口；

排气管，用于将所述主气流输送离开所述壳体；

所述CAS还包括结构元件，所述结构元件包括能操作以将氢和氧结合而形成水的催化材料，所述结构元件位于所述壳体内，部分地位于所述入口和所述出口之间，并横跨所述壳体的横截面的绝大部分，使得在使用中，所述主气流流过所述壳体。

2.根据权利要求1所述的化合器装置，其特征在于，所述CAS用于在所述主气流中的杂质气体含量高于预定量时使氢和氧结合以形成水，所述装置还包括补充部件，用于将所述主气流中的杂质气体含量增加至高于所述预定量以确保所述CAS中发生所述主气流中的氢和氧结合。

3.根据权利要求2所述的化合器装置，其特征在于，所述补充部件包括：

用于将所述主气流从所述CAS的下游再循环回其上游的元件；或者

包含杂质气体的贮存器，所述贮存器适于在预定条件下释放所述杂质气体。

4.根据权利要求3所述的化合器装置，其特征在于，所述贮存器是金属氢化物。

5.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述化合器装置构造成同时将杂质气体与所述主气流再结合以形成水，并检测所述杂质气体的存在。

6.根据权利要求5所述的化合器装置，其特征在于，还包括用于检测所述杂质气体的以下一个或多个传感器：

湿度传感器，

温度传感器，

热导传感器。

7.根据权利要求6所述的化合器装置，其特征在于，所述其中所述一个或多个传感器耦接至用于确定所述主气流中存在的杂质气体的量的计算部件。

8.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，该化合器装置耦接除雾器，所述CAS：

位于除沫器的上游，

位于除沫器的下游，或者

与除沫器组合。

9.根据权利要求8所述的化合器装置，其特征在于，所述除雾器还用作阻火器，优选地，所述除雾器连接到所述入口。

10.根据权利要求8或9所述的化合器装置，其特征在于，所述除雾器是微孔材料，优选为以下之一：泡沫或烧结材料，优选泡沫或烧结金属；陶瓷，优选烧结陶瓷；或碳基材料。

11.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述化合器装置还包括用于去除和任选地再循环所产生的液体的部件。

12.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述结构元件包括：炭黑、包括陶瓷的金属氧化物、聚合物膜、金属泡沫、沸石结构或金属有机骨架。

13.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述化合器装置还包括用于将环境空气引入所述主气流的装置。

14.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述催化材料是铂、钯、或其合金。

15.根据前述任一项权利要求所述的化合器装置，其特征在于，所述催化材料是非PGM材料，包括金属合金、陶瓷、硫属化合物、磷族元素化合物、有机金属化合物或其他金属络合物。

16.一种电化学电池，其特征在于，包括：

膜电极组件MEA，其中所述MEA包含：阳极层、阴极层和位于其间的离子交换膜；

适于在第一压力下工作的阳极隔室；

适于在第二压力下工作的阴极隔室；和

电绝缘催化活性结构CAS，其中所述CAS位于具有相对较低压力的隔室中，并延伸穿过所述隔间的绝大部分横截面，使得在使用中，主气流流过其中。

17.根据权利要求16所述的电化学电池，其特征在于，包括以下各项中的任一项：电解器，AEM或PEM，燃料电池，可逆燃料电池或电化学压缩机。

18.根据权利要求16或17所述的电化学电池，其特征在于，包括具有干阴极的AEM电解器。

19.根据权利要求18所述的电化学电池，其特征在于，所述具有干阴极的AEM电解器构造成在高压下与所述干阴极一起工作。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述CAS 通过位于一侧或两侧上的离聚物薄膜或超薄膜或其组合与所述电化学电池的其他部件绝缘。

21.一种在使用包含氢和氧的主气流的系统中用于从主要含氧的主气流中去除杂质氢或者从主要含氢的主气流中去除杂质氧的方法，其特征在于，所述方法包括在所述系统中设置根据权利要求1至15中任一项所述的化合器装置，使得所述主气流从所述入口流经所述壳体至所述出口。

22.根据权利要求21的方法，其特征在于，所述系统包括电化学电池。

23.根据权利要求21或22的方法，其特征在于，所述主气流包含0.4－20％之间的杂质气体。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其特征在于，工作温度在20℃与100℃之间。

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