CN117125674A - 电化学方式分离氢气方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电化学方式分离氢气方法和装置，所述方法包括步骤：对待分离混合气体使用润湿介质进行润湿，并对待分离混合气体进行预设温度的升温；在进入设有膜电极的氢泵前将待分离混合气体进行增压至预设压力，并将进入氢泵的待分离混合气体控制为预设流量；在膜电极的阳极气体扩散层对待分离混合气体进行分散和混合；通过接通了直流电源的膜电极，在膜电极的阴极电催化剂层分离出待分离混合气体中的产品氢气；通过与膜电极的阴极气体扩散层连接的产气管段收集产品氢气；本发明能够有效地避免膜材料被压溃情况的出现，进而也就有效地提高了氢气分离工作的稳定性。

Description

电化学方式分离氢气方法和装置

技术领域

本发明涉及氢气分离提纯领域，特别涉及电化学方式分离氢气方法和装置。

背景技术

利用现有天然气管道运输混氢天然气可以实现氢能规模化应用，即在现有天然气管道体系中掺入一定浓度的氢气，形成氢气-天然气混合气体来进行运输的技术。根据用户的需求，氢气-天然气混合气体既可以作为燃料直接使用，也可以在管道下游分离出氢气使用。

电化学方法作为一种广泛使用氢气分离手段，利用质子交换膜两侧电势差作为动力分离氢气，其优势在于，对于混合气体中氢气组分含量没有特别要求，理论上含氢量5-20％vol的混合气都可以使用。同时，电化学分离方法可以代替传统的机械增压装置，它具有结构紧凑、升压效率高、无噪声无污染等优点。

电化学方法分离氢气的核心部件是氢泵单元，其基本结构包括直流电源、外部电路和膜电极；其中，膜电极又包含阳极气体扩散层、阳极电催化剂层、阴极气体扩散层、阴极电催化剂层和质子交换膜。

作为现有技术，专利文献CN111742081A中公开了一种电化学式氢泵单元，其特征在于：具备电解质膜、与两个主面接触的电催化剂层、与电催化剂层接触的两个气体扩散层以及在在阳极电催化剂层和阴极电催化剂层间施加电压的电压施加器，该装置包括了多个单元氢泵结构，所施加的电压为串联模式，在3个氢泵单元间实现逐级增压，其优点在于可以实现产品氢气增压的目的，同时有较高的气体生成量。

发明人经过研究发现，上述现有技术中的氢气分离技术至少存在以下缺陷：

当高压氢气逐级进入下一个氢泵单元时，容易出现膜被压溃的情况，从而导致装置失去效用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提高氢气分离工作的效率和稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电化学方式分离氢气方法，包括步骤：

对待分离混合气体使用润湿介质进行润湿并对所述待分离混合气体进行预设温度的升温；

在进入设有膜电极的氢泵前将所述待分离混合气体进行增压至预设压力，并将进入所述氢泵的所述待分离混合气体控制为预设流量；

在所述膜电极的阳极气体扩散层对所述待分离混合气体进行分散和混合，并在所述膜电极的阳极电催化剂层转化为氢离子；通过接通了直流电源的所述膜电极，在所述膜电极的阴极电催化剂层还原出所述待分离混合气体中的产品氢气；

通过与所述膜电极的阴极气体扩散层连接的产气管段收集所述产品氢气。

优选的，在本发明中，还包括：

通过与所述膜电极的阳极气体扩散层连接的回收管段收集剩余气体。

优选的，在本发明中，所述润湿介质包括：

纯度为99％以上的甲醇蒸汽。

优选的，在本发明中，所述预设温度的取值范围包括：80℃-90℃。

优选的，在本发明中，所述预设压力的取值范围包括：

0.6Mpa-1.2Mpa。

在本发明的另一面，还提供了一种电化学方式分离氢气装置，用于实施上述电化学方式分离氢气方法，包括：

待分离混合气体通过进气管段经润湿器润湿后进入换热器升温，然后经真空泵增压后通过流量调节阀进行调整流量，然后进入设有膜电极的氢泵；所述氢泵用于通过氧化和还原反应分离出所述待分离混合气体中的产品氢气。

优选的，在本发明中，所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极电催化剂层、质子交换膜、阴极电催化剂层和阴极气体扩散层；

所述阳极气体扩散层用于对所述待分离混合气体进行分散和混合；膜电极接通直流电源后，待分离混合气体进入阳极电催化剂层发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜到达阴极电催化剂层发生还原生成产品氢气；所述阴极气体扩散层用于暂存所述产品氢气。

优选的，在本发明中，还包括：

氢气收集部件，通过与阴极气体扩散层连接的产气管段收集所述产品氢气。

优选的，在本发明中，还包括：

余气回收部件，通过与所述阳极气体扩散层连接的回收管段收集剩余气体。

优选的，在本发明中，所述质子交换膜包括全氟磺酸离子交换膜。

优选的，在本发明中，根据所述质子交换膜的有效工作面积确定所述氢泵的直流电源的电流密度。

优选的，在本发明中，还包括设于所述阳极气体扩散层和所述真空泵之间的回流管段；

所述回流管段用于当所述质子交换膜的渗余侧的工作压力不稳定时，将所述待分离混合气体回引至所述真空泵。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

通过以上方案可知，本发明中氢泵的膜电极设有直流电源，并且在待分离混合气体进入氢泵前对其进行了润湿和升温，这样，就能够在仅使用单级氢泵的情况下也能获得较高的氢气回收压力和氢气回收率；此外，由于本发明中，无需在氢泵的膜电极中进行高压的加压，因此，膜材料两侧的压差较小，能够有效地避免膜材料被压溃情况的出现，进而也就有效地提高了氢气分离工作的稳定性。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中所述电化学方式分离氢气方法的步骤示意图；

图2是本发明中所述膜电极的结构示意图；

图3是本发明中所述电化学方式分离氢气方法的又一步骤示意图；

图4是本发明中所述电化学方式分离氢气装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

实施例一

为了有效的提高氢气分离工作的效率和稳定性，如图1所示，在本发明实施例中提供了一种电化学方式分离氢气方法，包括步骤：

S11、对待分离混合气体使用润湿介质进行润湿并对所述待分离混合气体进行预设温度的升温；

本发明实施例中首先通过润湿器使用润湿介质对待分离混合气体(如，混氢天然气)进行了润湿，这样也就会使得膜电极中的质子交换膜在工作过程中能够得到有效的润湿，进而也就会提高氢离子的通过效率。优选的，本发明实施例中，润湿介质可以是纯度为99％以上的甲醇蒸汽。

此外，在本发明实施例中，还使用换热器对待分离混合气体进行升温，来提升混合气体的反应状态。优选的，本发明实施例中，可以是将待分离混合气体升温至80-90℃。

S12、在进入设有膜电极的氢泵前将所述待分离混合气体进行增压至预设压力，并将进入所述氢泵的所述待分离混合气体控制为预设流量；

本发明实施例采用的是设有膜电极的氢泵，为了提高气体穿过质子交换膜的效率，本发明实施例对待分离混合气体进行了适度的加压，具体可以是通过真空泵将待分离混合气体增压至0.6-1.2Mpa。然后再通过流量调节阀来控制进入所述氢泵的待分离混合气体的流量为与氢泵的工作能力适配。

S13、在所述膜电极的阳极气体扩散层对所述待分离混合气体进行分散和混合；

如图2所示，本发明实施例中的膜电极的结构为：阳极气体扩散层21、阳极电催化剂层22、质子交换膜23、阴极电催化剂层24和阴极气体扩散层25。

进入膜电极的待分离混合气体首先会均匀的扩散在阳极气体扩散层21进而达到均布状态。

S14、通过接通了直流电源的所述膜电极，在所述膜电极的阳极电催化剂层和阴极电催化剂层通过氧化和还原反应，分离出所述待分离混合气体中的产品氢气；

本发明实施例中的膜电极采用直流电源供电，其工作原理具体是：

膜电极接通直流电源后，待分离混合气体进入阳极电催化剂层22发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜23到达阴极电催化剂层24发生还原生成氢气，(即，产品氢气)。

本发明实施例中的膜电极包含阳极气体扩散层21(碳棒，用于导电加混合气体)、阳极电催化剂层22、阴极气体扩散层25、阴极电催化剂层24和质子交换膜23，质子交换膜23分为渗透侧和渗余侧，渗余侧一端处在电源阳极室，与阳极电催化剂层22接触，阳极氧化获得的氢离子由此进入质子交换膜23；渗透侧一端处在电源阴极室，与阴极电催化剂层24接触，透过氢离子生成氢气产品气体。

S15、通过与所述膜电极的阴极气体扩散层连接的产气管段收集所述产品氢气。

生成的产品氢气会在阴极气体扩散层25扩散后在阴极室富集积聚，压力逐渐升高，然后通过产气管段后可被收集至氢气收集部件，如储氢瓶中进行储存，或，吸附在储氢合金中。

本发明实施例中氢泵的膜电极设有直流电源，并且在待分离混合气体进入氢泵前对其进行了润湿和升温，这样，就能够在仅使用单级氢泵的情况下也能获得较高的氢气回收压力和氢气回收率；此外，由于本发明中，无需在氢泵的膜电极中进行高压的加压，因此，膜材料两侧的压差较小，能够有效地避免膜材料被压溃情况的出现，进而也就有效地提高了氢气分离工作的稳定性。

实施例二

如图3所示，在实施例一的基础上，优选的，在本发明实施例中，还可以包括用于回收甲烷等不发生反应的剩余气体的步骤，具体的：

S16、通过与阳极气体扩散层连接的回收管段收集剩余气体。

待分离混合气体进入阳极气体扩散层21后，其中的甲烷等部分燃料气无法通过质子交换膜23，通过与阳极气体扩散层21连接的回收管段可以将这些无法发生反应的剩余气体进行收集。

优选的，在本发明实施例中，还可以进一步的包括应对工作压力不稳定的附加步骤，具体的：

S17、通过回流管段，在质子交换膜23的渗余侧的工作压力不稳定时，将待分离混合气体回引至真空泵。

本发明实施例中，待分离混合气体(即，混氢天然气)进入膜电极，通过阳极气体扩散层21使其达到均布状态，接通直流电源后进入阳极电催化剂层22发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜23到达阴极电催化剂层24发生还原生成氢气，甲烷等燃料气直接进入回收装置进行回收；

膜电极中质子交换膜23的渗余侧为低压侧，工作过程中需稳定在合适的工作压力，以保证氢气组分反应不间断并具有合适的反应速率；同时，反应剩余的甲烷等剩余气体进入余气回收部件回收利用；质子交换膜23的渗透侧为高压侧，产品氢气被压缩后收集至储氢瓶中储存或吸附在储氢合金中。

本发明实施例中进行润湿和加温的目的是将待分离混合气体提前预处理，针对本发明实施例中的全氟磺酸离子交换膜，可以通入浓度为99％以上、流量为100ml/min的甲醇蒸汽进入混合气体，使其达到润湿效果；通过换热器对混合气体加热，控制混合气体的温度范围优选为80-90℃，在此条件下，混合气体能够达到最佳反应状态；

在增压时，可以将待分离混合气体通入真空泵增压至0.6-1.2Mpa，然后通过流量调节阀调节混合气体流量至0.5-0.8m3/min；

本发明实施例中直流电源的电流密度可以根据质子交换膜有效工作面积来确定，本发明实施例中可以设置为600mA/cm2；

当渗余侧工作压力不稳定时，可将混合气体自阳极室引一条回流管段至真空泵循环输送至膜电极重复发生反应，同时关闭通入余气回收部件的管段阀门，直至阳极室压力回复正常。

实施例三

如图4所示，本发明实施例还提供了一种电化学方式分离氢气装置，用于实施实施例一或实施例二中电化学方式分离氢气方法，包括进气管段01、润湿器02、换热器03、真空泵04、流量调节阀05和氢泵06；

待分离混合气体通过进气管段01经润湿器02润湿后进入换热器03升温，然后经真空泵04增压后通过流量调节阀05进行调整流量，然后进入设有膜电极的氢泵06；氢泵06用于分离出待分离混合气体中的产品氢气。

优选的，在本发明中，还可以包括氢气收集部件07，用于通过与阴极气体扩散层25连接的产气管段08收集产品氢气。

优选的，在本发明中，还可以包括余气回收部件09，用于通过与阳极气体扩散层21连接的回收管段10收集剩余气体。

优选的，在本发明中，还包括设于阳极气体扩散层21(或阳极室)和真空泵04之间的回流管段11；

所述回流管段11用于当所述质子交换膜23的渗余侧的工作压力不稳定时，将所述待分离混合气体回引至所述04。

本发明实施例中首先通过润湿器02使用润湿介质对待分离混合气体进行了润湿，这样也就会使得膜电极中的质子交换膜23在工作过程中能够得到有效的润湿，进而也就会提高氢离子的通过效率。优选的，本发明实施例中，润湿介质可以是纯度为99％以上的甲醇蒸汽。在实际应用中，本发明实施例中的质子交换膜23具体可以是全氟磺酸离子交换膜。

此外，在本发明实施例中，还使用换热器03对待分离混合气体进行升温，来提升混合气体的反应状态。优选的，本发明实施例中，可以是将待分离混合气体升温至80-90℃。

本发明实施例采用的是设有膜电极的氢泵06，为了提高气体穿过质子交换膜23的效率，本发明实施例对待分离混合气体进行了适度的加压，具体可以是通过真空泵04将待分离混合气体增压至0.6-1.2Mpa。然后再通过流量调节阀05来控制进入氢泵06的待分离混合气体的流量为与氢泵06的工作能力适配。

如图2所示，本发明实施例中的膜电极的结构具体为：阳极气体扩散层21、阳极电催化剂层22、质子交换膜23、阴极电催化剂层24和阴极气体扩散层25。

进入膜电极的待分离混合气体首先会均匀的扩散在阳极气体扩散层21进而达到均布状态。

膜电极接通直流电源后，待分离混合气体进入阳极电催化剂层22发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜23到达阴极电催化剂层24发生还原生成氢气，(即，产品氢气)。

本发明实施例中的膜电极包含阳极气体扩散层21(碳棒，用于导电加混合气体)、阳极电催化剂层22、阴极气体扩散层25、阴极电催化剂层24和质子交换膜23，质子交换膜23分为渗透侧和渗余侧，渗余侧一端处在电源阳极室，与阳极电催化剂层22接触，阳极氧化获得的氢离子由此进入质子交换膜23；渗透侧一端处在电源阴极室，与阴极电催化剂层24接触，透过氢离子生成氢气产品气体。

优选的，在本发明实施例中，可以根据质子交换膜23的有效工作面积确定氢泵的直流电源的电流密度。

生成的产品氢气会汇集在阴极气体扩散层25，通过产气管段08后可被收集至氢气收集部件07中，如，可以是在储氢瓶中进行储存，或，吸附在储氢合金中。

优选的，在本发明实施例中，还可以包括用于回收甲烷等不发生反应的剩余气体的回收管段10，即，通过与阳极气体扩散层21连接的回收管段10收集剩余气体至余气回收部件09。

待分离混合气体进入阳极气体扩散层21后，其中的甲烷等部分燃料气无法通过质子交换膜，通过与阳极气体扩散层21连接的回收管段10可以将这些无法发生反应的剩余气体进行收集。

优选的，在本发明实施例中，还可以进一步的包括应对工作压力不稳定的通过回流管段11，具体的：

通过回流管段11，在质子交换膜23的渗余侧的工作压力不稳定时，将待分离混合气体回引至真空泵04；比如，当气体压力过高时，可以通过关闭回收管段10上的止逆阀并开启回流管段11上的止逆阀，来使待分离混合气体进入回流管段11再次进入真空泵04循环，直至压力恢复正常。

本发明实施例中，待分离混合气体(即，混氢天然气)进入膜电极，通过气体扩散层使其达到均布状态，接通直流电源后进入阳极电催化剂层发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜到达阴极电催化剂层发生还原生成氢气，甲烷等燃料气直接进入回收装置进行回收；

膜电极中质子交换膜的渗余侧为低压侧，工作过程中需稳定在合适的工作压力，以保证氢气组分反应不间断并具有合适的反应速率；同时，反应剩余的甲烷等剩余气体进入余气回收部件回收利用；渗透侧为高压侧，产品氢气被压缩后收集至储氢瓶中储存或吸附在储氢合金中。

本发明实施例中进行润湿和加温的目的是将待分离混合气体提前预处理，针对本发明实施例中的全氟磺酸离子交换膜，可以通入浓度为99％以上、流量为100ml/min的甲醇蒸汽进入混合气体，使其达到润湿效果；通过换热器对混合气体加热，控制混合气体的温度范围优选为80-90℃，在此条件下，混合气体能够达到最佳反应状态；

在增压时，可以将待分离混合气体通入真空泵增压至0.6-1.2Mpa，然后通过流量调节阀调节混合气体流量至0.5-0.8m3/min；

本发明实施例中直流电源的电流密度可以根据质子交换膜有效工作面积来确定，本发明实施例中可以设置为600mA/cm2；

当渗余侧工作压力不稳定时，可将混合气体自阳极室引一条回流管段至真空泵循环输送至膜电极重复发生反应，同时关闭通入余气回收部件的管段阀门，直至阳极室压力回复正常。

综上所述，本发明实施例中氢泵的膜电极设有直流电源，并且在待分离混合气体进入氢泵前对其进行了润湿和升温，这样，就能够在仅使用单级氢泵的情况下也能获得较高的氢气回收压力和氢气回收率；此外，由于本发明中，无需在氢泵的膜电极中进行高压操作，因此，膜材料两侧的压差较小，能够有效地避免膜材料被压溃情况的出现，进而也就有效地提高了氢气分离工作的稳定性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种电化学方式分离氢气方法，其特征在于，包括步骤：

对待分离混合气体使用润湿介质进行润湿并对所述待分离混合气体进行预设温度的升温；

在进入设有膜电极的氢泵前将所述待分离混合气体进行增压至预设压力，并将进入所述氢泵的所述待分离混合气体控制为预设流量；

在所述膜电极的阳极气体扩散层对所述待分离混合气体进行分散和混合；

通过接通了直流电源的所述膜电极，在所述膜电极的阳极电催化剂层和阴极电催化剂层通过氧化和还原反应，分离出所述待分离混合气体中的产品氢气；

通过与所述膜电极的阴极气体扩散层连接的产气管段收集所述产品氢气。

2.根据权利要求1所述的电化学方式分离氢气方法，其特征在于，还包括：

通过与所述膜电极的阳极气体扩散层连接的回收管段收集剩余气体。

3.根据权利要求1所述的电化学方式分离氢气方法，其特征在于，所述润湿介质包括：

纯度为99％以上的甲醇蒸汽。

4.根据权利要求1所述的电化学方式分离氢气方法，其特征在于，所述预设温度的取值范围包括：

80℃-90℃。

5.根据权利要求1所述的电化学方式分离氢气方法，其特征在于，所述预设压力的取值范围包括：

0.6Mpa-1.2Mpa。

6.一种电化学方式分离氢气装置，用于实施权1至权5中所述电化学方式分离氢气方法，其特征在于，包括：

待分离混合气体通过进气管段经润湿器润湿后进入换热器升温，然后经真空泵增压后通过流量调节阀进行调整流量，然后进入设有膜电极的氢泵；所述氢泵用于通过氧化和还原反应分离出所述待分离混合气体中的产品氢气。

7.根据权利要求6所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极电催化剂层、质子交换膜、阴极电催化剂层和阴极气体扩散层；

所述阳极气体扩散层用于对所述待分离混合气体进行分散和混合；膜电极接通直流电源后，待分离混合气体进入阳极电催化剂层发生氧化反应，生成氢离子通过质子交换膜到达阴极电催化剂层发生还原生成产品氢气；所述阴极气体扩散层用于暂存所述产品氢气。

8.根据权利要求7所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，还包括：

氢气收集部件，通过与阴极气体扩散层连接的产气管段收集所述产品氢气。

9.根据权利要求7所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，还包括：

余气回收部件，通过与所述阳极气体扩散层连接的回收管段收集剩余气体。

10.根据权利要求7所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，所述质子交换膜包括全氟磺酸离子交换膜。

11.根据权利要求7所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，根据所述质子交换膜的有效工作面积确定所述氢泵的直流电源的电流密度。

12.根据权利要求7所述的电化学方式分离氢气装置，其特征在于，还包括设于所述阳极气体扩散层和所述真空泵之间的回流管段；

所述回流管段用于当所述质子交换膜的渗余侧的工作压力不稳定时，将所述待分离混合气体回引至所述真空泵。