TW202313453A - 用於氫氣回收之系統和方法 - Google Patents

Abstract

一種用於氫氣回收之系統包括：一乾燥器，其具有可流體連接至一氫氣產生器之一氫氣出口的一入口；一使用氫氣之裝置，其具有流體連接至該乾燥器之一乾燥氫氣出口的一入口；及一或多個導管，其將來自該乾燥器之一濕氫氣出口及該使用氫氣之裝置之一不純氫氣排出出口流體連接至該乾燥器之該入口。

Description

用於氫氣回收之系統和方法

本發明大體上係關於化學生產，且更具體言之，係關於用於氫氣回收之系統。

相關申請案之交互參考

本申請案主張2021年7月14日提交之名為「ELECTROLYZER SYSTEM WITH HYDROGEN RECOVERY」之美國臨時申請案第63/221,664號之優先權，該美國臨時申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。

氫氣為一種常見的氣體，具有許多工業用途，諸如石油精煉、金屬處理、食品加工及氨生產。儘管氫氣很豐富，且可由多種可再生及不可再生能源形成，但氫氣在空氣中的可燃性使得氫氣難以儲存及運輸。因此，氫氣通常不適合在集中式設施處進行大規模生產，以便隨後在較大地理區域進行分配。相反，氫氣通常在其生產地點處或附近使用。

將氫氣生產與其最終工業用途放在一起可能會帶來與設備佔據面積、安全性及資源可用性相關的挑戰。因此，仍然需要可在佔據面積小的設備中經濟高效地實行的氫氣產生，該些設備適合於在廣泛範圍的位置中安全實施，包括在資源受限區域中安全實施。

本文中提供一種用於氫氣回收之系統。該系統包含：乾燥器，其包含可流體地連接或可操作地連接至氫氣產生器之入口；及使用氫氣之應用，其包含流體連接至乾燥器之乾燥氫氣出口的入口及流體連接至乾燥器之入口之出口。在一些具體實例中，該氫氣產生器包含電解器堆疊。在較佳具體實例中，乾燥器之入口流體連接至氫氣產生器。

在一些具體實例中，該系統包含一或多個泵。在一些態樣中，泵中之各者包含流體連接至使用氫氣之應用之入口及流體連接至乾燥器之入口之出口。在一些額外態樣中，該乾燥器進一步包含流體連接至一或多個泵中之至少一者之入口的濕氫氣出口。

在一些具體實例中，該系統包含一或多個增濕器。在一些態樣中，一或多個增濕器中之各者包含入口及出口，該出口流體連接至一或多個泵。

在一些具體實例中，該系統包含純化器。在一些態樣中，該純化器包含流體連接至乾燥器之乾燥氫氣出口之入口、及流體連接至使用氫氣之應用之入口之出口。

在一些具體實例中，該系統進一步包含至少一個氧氣感測器。

在一些具體實例中，該乾燥器進一步包含流體連接至乾燥器之入口之濕氫氣出口。

在一些具體實例中，該系統進一步包含摻合槽。在一些態樣中，該摻合槽包含流體連接至使用氫氣之應用之出口之入口。

本文中進一步提供用於產生且回收氫氣之方法。該方法包含將濕氫氣流自氫氣產生器提供至乾燥器之入口、將乾燥氫氣流自乾燥器之第一出口輸出至使用氫氣之應用、將淨化濕氫氣流自乾燥器之第二出口提供至乾燥器之入口，及將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口。在一些具體實例中，該氫氣產生器包含電解器堆疊。

在一些具體實例中，將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口可藉由一或多個泵來實現。

在一些具體實例中，該方法進一步包含在將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口之前，對來自使用氫氣之應用之排出氫氣流進行增濕。

在一些具體實例中，該方法進一步包含在將乾燥氫氣流自乾燥器之第一出口輸出至使用氫氣之應用之前，純化來自乾燥器之第一出口之乾燥氫氣流。在一些態樣中，該純化係經由純化器來實現。在一些例示性具體實例中，該方法進一步包含對來自純化器之出口之淨化濕氫氣流進行增濕。

在一些具體實例中，該方法進一步包含在將來自使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流提供至乾燥器之入口之前，組合來自使用氫氣之應用之排出氫氣流與來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流。在一些態樣中，該組合係經由摻合槽來實現。在一些其他態樣中，該方法進一步包含在將來自使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流提供至乾燥器之入口之前，對經組合的來自使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流進行增濕。

本文中提供用於在氫氣產生系統中回收氫氣之系統。本發明之系統通常包含氫氣產生器、乾燥器，及使用氫氣之應用。使用氫氣之應用可為任一使用氫氣之裝置或製程，諸如浮法玻璃爐、金屬爐，或需要氫氣之其他製程裝置。在一些具體實例中，該系統可包含複數個使用氫氣之應用。一旦氫氣由使用氫氣之應用使用，排出氫氣即循環回至該系統中，以用於純化及進一步使用，藉此增加該系統之總效率。

該氫氣產生器可包含能夠產生氫氣之任一裝置或系統。該氫氣產生器可包含電解器堆疊、蒸汽甲烷重整器、甲烷熱解系統、電漿重整系統，或所屬技術領域中已知的用於產生氫氣之其他裝置及系統。在一些具體實例中，本發明之系統可包含多於一個氫氣產生器。

較佳地，該氫氣產生器包含電解器堆疊。該電解器堆疊可為所屬技術領域中已知的能夠自水產生氫氣之任一電解器堆疊。通常，該電解器堆疊包含流體連接至水源（例如，自來水、蒸餾水等）之入口，其可用於接收水。該電解器堆疊進一步包含流體連接至乾燥器之入口之出口。濕氫氣流自電解器出口流動至乾燥器之入口。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，自電解器流動之濕氫氣之水分含量將取決於電解器之參數、氫氣流之壓力、氫氣流之溫度，及相較於該系統之總壓的濕氫氣之分壓。作為一非限制性實例，濕氫氣流在40℃下離開電解器堆疊，濕氫氣之水分含量可為約2 mol%。下文且在美國申請案第17/101,232號中較詳細地描述用於本發明之系統中之較佳電解器堆疊，該美國申請案名為「ELECTROCHEMICAL DEVICES, MODULES, AND SYSTEMS FOR HYDROGEN GENERATION AND METHODS OF OPERATING THEREOF」且在2020年11月23日提交，該申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。

該乾燥器可用於使水與濕氫氣流分離，藉此形成乾燥氫氣流。適於使濕氫氣流乾燥之乾燥器係所屬技術領域中具有通常知識者所眾所周知的，且可包括所屬技術領域中已知的除濕器或其他熱交換器。該乾燥器包含能夠流體地連接或可操作地連接至氫氣產生器之入口，及流體連接至使用氫氣之應用之出口。在較佳具體實例中，該入口流體地連接及/或可操作地連接至氫氣產生器。流體連接至使用氫氣之應用之出口可用於將乾燥氫氣流遞送至使用氫氣之應用；因此，該出口包含乾燥氫氣。在一些具體實例中，該系統可包含並聯連接之複數個乾燥器。

該乾燥器可進一步包含可用於自乾燥器遞送淨化濕氫氣流之第二出口。該淨化濕氫氣流可流體連接至乾燥器之入口、泵、摻合槽，或該系統中之另一單元。

該系統可進一步包含純化器以自氫氣移除更多水及其他雜質，藉此提供經純化氫氣流。該純化器可包含可流體連接至乾燥器之出口之入口。該純化器可進一步包含流體連接至使用氫氣之應用之入口之第一出口。來自純化器之第一出口包含經純化氫氣。該純化器可進一步包含第二出口，其流體連接至摻合槽、泵、增濕器及/或需要濕氫氣流之另一製程單元。該純化器之第二出口包含淨化濕氫氣流。在一些具體實例中，該系統可包含複數個並聯連接之純化器。該純化器可包括變壓吸附純化器、鈀擴散器、PEM電解器純化器、矽膠乾燥劑純化器，或所屬技術領域中已知的其他氫氣純化方法。在較佳具體實例中，該純化器包含變壓吸附純化器。

該系統可進一步包含一或多個泵，以在氫氣進入乾燥器之入口之前，增加來自使用氫氣之應用之氫氣排出流之壓力。該一或多個泵可為可用於增加氫氣之壓力的所屬技術領域中已知的泵或壓縮器。較佳地，一或多個泵包含電化泵，諸如安置於陽極與陰極之間的質子交換膜。該泵可產生濕氫氣流及淨化水流。

該系統可進一步包含一或多個增濕器。另外，一些電化氫氣泵及乾燥器可需要經增濕氫氣以用於適當功能。該些增濕器可用於在將氫氣循環回至乾燥器之入口中之前，將水添加至來自使用氫氣之應用之氫氣排出流。較佳地，一或多個增濕器流體連接至諸如電化氫氣泵之一或多個泵。每一增濕器可包含入口及出口。該增濕器之入口可流體連接至純化器、來自該應用之排出氫氣流，或包含乾燥或經純化氫氣流之另一製程單元。該增濕器之出口包含濕氫氣。該增濕器之出口可流體連接至泵、乾燥器之入口，或需要濕氫氣流之另一製程單元。

該系統可進一步包含氧氣感測器。該氧氣感測器可用於偵測氫氣流中之氧氣之濃度。該氧氣感測器可以可操作地連接至閥門及控制器，其中當偵測到氧氣之異常含量時，控制器可自動關閉閥門以停止氣流。替代地或另外，可淨化、洗滌富氧氣體流或將其排放至環境，以自該系統移除氧氣。在一些具體實例中，該系統可包含定位在整個系統中之複數個氧氣感測器，以監測氧氣流動通過該系統。

該系統可進一步包含摻合槽。該摻合槽可用於將各種氫氣流組合成均質流。摻合槽通常係所屬技術領域中已知的，且可包括靜態混合器、在線混合器、混合槽等。該摻合槽可包含一入口，其流體連接至來自使用氫氣之應用之排出氫氣流、來自乾燥器之淨化濕氫氣流、來自純化器之淨化濕氫氣流，及/或另一製程單元。該摻合槽之出口可流體連接至增濕器、泵，或另一製程單元。在一些具體實例中，該系統可包含複數個摻合槽。

現將在下文參看展示例示性具體實例之附圖更全面地描述該些系統。然而，前文可以許多不同形式體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性具體實例。除非另外規定，否則所有流體流可流動通過導管（例如，管道及/或歧管）。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，閥門、感測器及其他儀器可包括在本文中所描述之系統中之任一者中。

在以下說明書中，電化學裝置、模組及系統之各種態樣係在氫氣自水及電之電化電解的上下文中描述，其中單獨通風的機櫃區段（亦即，空間）用於電解（亦即電解器堆疊位置）、氧氣處理及氫氣處理。此組態藉由將氧氣及氫氣處理裝備分離成單獨通風的空間，以降低洩漏氧氣與氫氣之間的混合及放熱反應之可能性來增加系統安全。

然而，除非另外規定或自上下文明確，否則應理解，本文中所描述之各種不同裝置、模組或系統中之任何一或多者可另外或替代地用於各種不同電化製程中之任一或多者中，其中較低壓力反應物為至產生較高壓力產物之電化製程之輸入。舉例而言，除非指示相反意圖，否則本文中所描述之各種不同裝置、模組及系統中之任一或多者可用於在電化學方面泵送氫氣，此可適用於再循環氫氣以增加化學程序之總產率。作為一較特定實例，作為以下各者中所描述之各種系統及方法中之任一或多者的部分，本文中所描述之各種不同裝置、模組及系統中之任一或多者可用於產生氫氣及/或再循環氫氣以用於氨合成：2020年11月23日提交之名為「SYSTEMS AND METHODS OF AMMONIA SYNTHESIS」之美國專利申請案第17/101,224號；及2020年11月23日提交之名為「ELECTROCHEMICAL DEVICES, MODULES, AND SYSTEMS FOR HYDROGEN GENERATION AND METHODS OF OPERATING THEREOF」之美國專利申請案第17/101,232號；及2020年11月23日提交之名為「MODULAR SYSTEMS FOR HYDROGEN GENERATION AND METHODS OF OPERATING THEREOF」之美國專利申請案第17/101,251號，以上申請案中之各者之全部內容係以引用之方式併入本文中。

現參考圖1A及圖1B，用於產生氫氣之系統100可包括電化模組102及至少一個機櫃104。至少一個機櫃104可界定第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c，其各自彼此隔離，除第二體積106b中之電化模組102與第一體積106a及第三體積106c中之裝備之間的流體連接以外。雖然圖1A中展示具有三個經隔離體積（106a，106b，106c）之一個機櫃（亦即，外殼）104，但應注意，可替代地使用各自含有三個經隔離體積中之一者或兩者之兩個或三個分離機櫃104。若使用單個機櫃104，則鄰近的經隔離體積藉由機櫃104之內壁或分隔區105a、105b彼此隔離。舉例而言，第一內壁105a可使第一體積106a與第二體積106b分離，且第二內壁105b可使第二體積106b與第三體積106c分離。如本文中所使用，若一個體積中之氣體除了藉由指定流體導管（例如，管道或歧管）之外不能進入另一體積，則兩個體積彼此隔離，該些指定流體管道連接兩個體積且經組態以在兩個體積之間提供氣體或液體。在一個具體實例中，體積106a、106b及106c中之各者藉由分離的專用通風裝備而單獨通風，如將在下文更詳細地描述。

電化模組102可包括電解器模組，諸如基於質子交換膜（proton exchange membrane；PEM）之電解器模組。模組102可包括一或多個電化堆疊200，諸如一或多個基於PEM之電解器堆疊。模組102亦可包括複數個第一流體連接器110a、110b（共同地稱作複數個第一流體連接器110a、110b，且個別地稱作第一流體連接器110a及第一流體連接器110b），及第二流體連接器112。如在下文更詳細地描述，電化模組102可安置於第二體積106b中（例如，在第一體積106a與第三體積106c之間），且經由複數個第一流體連接器110a、110b與第一體積106a中之水迴路114流體連通，且經由第二流體連接器112與第三體積106c中之氫氣迴路116流體連通。電化模組102、水迴路（其包括氧氣處理裝備）114及氫氣迴路116成在一或多個機櫃104內彼此隔離的各別的體積106b、106a、106c之此分隔，可促進在空間上緊湊的佔據面積內安全地產生商業規模數量的氫氣。此可適用於使用系統100以在空間有限之設施處產生氫氣，及/或將系統100運送至遠端安裝位點等等。另外或替代地，亦如在下文更詳細地描述，電化模組102與機櫃104內之水迴路114及氫氣迴路116中之各者之間的連接性，可包括促進安裝、維護及修復之模組化。

在使用中，如在下文更詳細地描述，水及電可經提供至電化堆疊200，其中水中之一些可在電化學方面經電解以形成氫氣（例如，氫離子自電解器電解槽之陽極側經由擴散通過PEM電解質至PEM電解器電解槽之陰極側）。舉例而言，水迴路114可為可致動的，以經由第一流體耦接件將經純化水自機櫃104之第一體積106a遞送至機櫃104之第二體積106b中之電化堆疊200。當經純化水移動通過電化堆疊200時，經遞送至電化堆疊200之電力可將經純化水中之至少一些之質子移動通過PEM電解質以形成氫氣。藉由經純化水之電解形成於電解槽之陽極側上的氧氣連同過多的經純化水，可自第二體積106b中之電化堆疊200返回至第一體積106a中之水迴路114。另外或替代地，藉由電解形成在電化堆疊200中之氫氣，可自機櫃104之第二體積106b中之電化堆疊200的陰極側移動至機櫃104之第三體積106c中之氫氣迴路116。因此，就氧氣及氫氣存在於第二體積106b內之程度而言，電化堆疊200單獨地管理此等氣流，且將此等氣流引導至機櫃104之不同部分（亦即，經隔離體積），以相較於氧氣及氫氣在同一封閉體積內經處理之組態，降低氧氣與氫氣無意混合以形成可燃混合物之可能性。

一般而言，水迴路114可視情況包括儲集器（例如，水槽）118，其經由各別的流體導管在分離器120與泵122之間流體連通。在某些實施中，儲集器118可耦接至外部水源（例如，水管，圖中未示），以接收適於滿足電化堆疊200之需求的供水。儲集器118與外部水源之間的連接可在機櫃104外部進行，以促進系統100連接至工業用水供應，且在一些情況下，降低在外部水源與儲集器118之間的連接中發生洩漏之情況下損壞第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之一或多者中之裝備的可能性。應瞭解，水迴路114可包括適用於管理流動通過系統100之水之屬性的各種不同類型的裝備中之任一者。作為一實例，水迴路114可包括適用於純化製程水之過濾或其他處理裝備，以降低污染物之濃度，該些污染物可能會隨時間推移降低其他構件（例如，電化堆疊200）之效能。另外或替代地，水迴路114可包括熱交換器（圖中未示），其與儲集器118、分離器120或泵122中之一或多者熱連通，以管理各構件之溫度及/或管理流動通過各構件之水之溫度。

泵122可經由饋送導管124與電化堆疊200流體連通，該饋送導管124自第一體積106a中之泵122延伸至電化模組102之第一流體連接器110a。饋送導管124可延伸通過第一體積106a與第二體積106b之間的壁105a。在使用中，泵122可經供電，以沿著自第一體積106a延伸至第二體積106b之饋送導管124自儲集器118移動經純化水，且將其移動至第二體積106b中之電化堆疊200中。因此，泵122可用於將經純化水遞送至第二體積106b，同時與第二體積106b及第三體積106c中之各者中之裝備分隔。泵122之此分隔可有利於降低由泵122在操作期間產生的熱量可充當用於含氫混合物之點燃源的可能性等等。舉例而言，在第二體積106b及/或第三體積106c中發生氫氣洩漏之情況下，可點燃氫氣–空氣混合物可在第二體積106b及/或第三體積106c中無意形成。繼續此實例，使泵122與第二體積106b及第三體積106c分隔，因此可降低可在可偵測到可點燃氫氣–空氣混合物且該系統安全地關機之前發生點燃之可能性。

在一些實施中，水迴路114可包括再循環迴路126，其在第一流體連接器110b與分離器120之間流體連通。藉由與第一流體連接器110b流體連通，再循環迴路126可接收來自電化堆疊200之陽極部分的基本上由水及氧氣組成的出射流。再循環迴路126之至少一部分可自第二體積106b延伸穿過壁105b至第一體積106a，以將水流及氧氣自第二體積106b中之電化堆疊200引導至第一體積106a中之分離器120。藉由將氧氣攜載至與第二體積106b分隔之第一體積106a中之分離器120，再循環迴路126可降低自電化模組102流動之過多水中之氧氣可無意逸出至第二體積106b及/或第三體積106c中，以與氫氣形成可點燃混合物之可能性。

分離器120可為適於將氧氣與自電化模組102移動通過再循環迴路126之回流中之過多水分離的各種不同類型的氣體–液體分離器中之任何一或多者。舉例而言，分離器120可包含乾燥器、冷凝器或藉由重力將氧氣與過多水分離之另一裝置，其中過多水沿著分離器120之底部部分沈降，且氧氣沿著分離器120之頂部部分彙集。更一般而言，分離器120可用於在不使用電力或可另外充當系統100中之潛在點燃源之移動部分之情況下將氧氣與過多水分離。藉由分離器120彙集之氧氣可自第一體積106a導出，以排放至機櫃104之外部的環境，或用作設備之另一部分的處理氣體。作為實例而非限制，藉由分離器120彙集之氧氣可使用抽吸泵或吹風機自分離器120移除。藉由分離器120彙集之過多水可經引導至儲集器118，以再次循環通過電化堆疊200。亦即，更一般而言，分離器120可在遠離第二體積106b及第三體積106c中之氫氣相關裝備的位置處自機櫃104移除氧氣，同時促進有效地使用水以形成氫氣。

一般而言，氫氣迴路116可彙集藉由第二體積106b中之電化堆疊200形成的含氫產物流，且使用與第一體積106a及第二體積106b分隔之裝備來處理此產物流。在此上下文中，處理該產物流可包括自產物流移除水分以產生實質上純的氫氣。亦即，自氫氣移除水分可降低水分干擾一或多個下游製程之可能性，其中此干擾可能包括下游裝備之退化。此外，或替代地，鑒於與系統100之安全性及能量對氫氣效率相關聯之考量，處理氫氣迴路116中之產物流可能需要很少或不需要能量，同時回收由電化堆疊200產生之全部或實質上全部（例如，大於約99%）的氫氣。

在一些實施中，氫氣迴路116可包括彼此流體連通之產物導管128及乾燥器130。更具體言之，產物導管128可延伸通過第二體積106b與第三體積106c之間的壁105b。產物導管128可與乾燥器130之入口部分132及電化模組102之第二流體連接器112流體連通。因此，在使用中，基本上由氫氣及水（例如，水蒸汽）組成之產物流可經由第二流體連接器112及產物導管128，自電化堆疊200之陽極側移動至乾燥器130之入口部分132。相較於自電化堆疊200之陽極部分至再循環迴路126中之出射流中之氧氣與過多水之混合物，該產物流可處於更高壓力下。為了降低氫氣洩漏至第三體積106c中之可能性，產物導管128與第二流體連接器112及乾燥器130中之各者之間的連接可包括氣密性密封。

乾燥器130可為例如變壓吸附（pressure swing adsorption；PSA）系統、變溫吸附（temperature swing adsorption；TSA）系統，或混合PSA-TSA系統。乾燥器130可包括一或多個吸水材料床，該吸水材料諸如活性碳、二氧化矽、沸石或氧化鋁。當基本上由氫氣及水組成之產物混合物自乾燥器130之入口部分132移動通過至出口部分134時，可藉由在吸水材料床中吸附水或氫氣而自產物混合物移除水之至少一部分。若吸附氫氣，則在變壓及/或變溫週期期間將該氫氣移除至出口導管138中。若吸附水，則在變壓及/或變溫週期期間將該水移除至泵導管140中。在一些情況下，藉由乾燥器130實行之吸附可為被動的，且不添加可另外充當可點燃含氫混合物之點燃源的熱量或電。然而，在此類情況下，與由電化堆疊200流體連通之乾燥器130產生的背壓相關的考量可限制乾燥器130之大小，且因此，可限制該乾燥器自產物流移除水分之單程效率。

至少鑒於與乾燥器130之單程效率相關的此類考量，氫氣迴路116可進一步或替代地包括在乾燥器130之出口部分134與入口部分132之間流體連通的氫氣泵136，以將用於額外遍次之氫氣與水之產物混合物再循環通過乾燥器130。舉例而言，乾燥器130可將經乾燥氫氣自乾燥器130之出口部分134引導至出口導管138，該出口導管138將經乾燥氫氣引導至機櫃104之外部的環境中之下游製程或儲存器。此外或替代地，乾燥器130可將產物流之尚未經充分乾燥之一部分，自乾燥器130之出口部分134引導至與氫氣泵136流體連通之泵導管140。在某些情況下，沿著泵導管140移動之產物混合物中的水之至少一部分可在到達氫氣泵136之前自產物混合物冷凝出來，且在與泵導管140流體連通之除濕機142中彙集。在除濕機142中冷凝之此類水分可經彙集及/或引導至機櫃104之外部的環境。

氫氣泵136可為例如電化泵。如在此上下文中所使用，電化泵應理解為包括安置於陽極與陰極之間的質子交換膜（亦即，PEM電解質）。氫氣泵136可產生質子，該些質子可自陽極移動通過質子交換膜至陰極，以形成經加壓氫氣。因此，此電化泵可特別適用於在氫氣迴路116內再循環氫氣，此係至少因為由電化泵提供之電化泵送經由泵導管140將經遞送至氫氣泵136之混合物中的氫氣與水分離，同時亦對經分離氫氣加壓以促進將經加壓氫氣移動至乾燥器130之入口部分132。

替代地，氫氣泵136可包含另一氫氣泵送及/或分離裝置，諸如隔膜壓縮器或吹風機或金屬–氫化物分離器（例如，其選擇性地吸附氫氣），其可與電化氫氣泵組合使用或替代該電化氫氣泵使用。在一個具體實例中，可使用氫氣泵送及/或再加壓之複數個階段。各階段可包含隔膜壓縮器或吹風機、電化泵或金屬–氫化物分離器中之一或多者。在一個實施中，該些階段可在級聯（亦即，串聯）組態中及/或可定位於分離殼體中。

在某些實施中，氫氣泵136可與除濕機142流體連通，其中氫氣泵136中之與氫氣分離的水可經彙集及/或引導至機櫃104之外部的環境。另外或替代地，藉由氫氣泵136形成之經加壓氫氣可沿著在氫氣泵136與乾燥器130之入口部分132之間流體連通的回收迴路144經引導（例如，經由與產物導管128中之產物流混合），以將經加壓氫氣再循環至乾燥器130。除了其他優點之外，以此方式將經加壓氫氣再循環通過乾燥器130促進藉由僅單個導管（例如，出口導管138）使氫氣移動出機櫃104，此相較於使用多個出口點，可縮減潛在的故障模式。

在一些實施中，第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之各者內之獨立通風及/或強制對流，可適用於降低在各別的體積中形成可點燃含氫混合物之可能性。此外或替代地，強制對流可促進控制第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c之圍封環境中的溫度。舉例而言，此溫度控制可適用於降低各各別的體積中之裝備可變為點燃源及/或可能過早地發生故障之可能性。

因此，系統100可包括複數個氣體移動器146a、146b、146c（共同地稱作複數個氣體移動器146a、146b、146c，且個別地稱作氣體移動器146a、氣體移動器146b及氣體移動器146c）。除非另外規定或自上下文明確，複數個氣體移動器146a、146b、146c可包括各種不同類型的風扇（例如，淨化風扇）、吹風機或壓縮器中之任一或多者。在某些實施中，至複數個氣體移動器146a、146b、146c中之各者之供電電路可經評定為1級2區操作，經根據國家消防協會（National Fire Protection Association；NFPA）70®、國家電氣規範®（National Electric code®；NEC）、Articles 500-503,2020所規定，其全部內容以引用之方式併入本文中。在此類實施中，複數個氣體移動器146a、146b、146c中之各者可安置於機櫃104內。替代地，複數個氣體移動器146a、146b、146c中之各者可安裝在機櫃104外部（例如，安裝至機櫃之頂部或側壁），以降低熱量或電火花充當用於第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c之內容物的無意的點燃源之可能性。

一般而言，氣體移動器146a可與第一體積106a流體連通，氣體移動器146b可與第二體積106b流體連通，且氣體移動器146c可與第三體積106c流體連通。舉例而言，複數個氣體移動器146a、146b、146c中之各者可在機櫃104之外部的環境與第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中的對應一者之間流體連通，且可經組態以使機櫃104之各別的體積單獨地通風。另外或替代地，複數個氣體移動器146a、146b、146c中之各者可用於相對於機櫃104之外部的環境在第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中的對應一者中形成負壓。舉例而言，此負壓可能適用於將來自環境之空氣抽吸至第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中，以降低洩漏至第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之任何氫氣可在與機櫃104相關聯之溫度及壓力下，以高於氫氣–-空氣混合物之較低點燃限制的濃度累積的可能性。此外或替代地，第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之負壓可降低可點燃的含氫混合物可自機櫃104逸出之可能性。在某些情況下，機櫃104可經絕緣，以促進將第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之一或多個構件維持在適於操作電化堆疊200之溫度範圍（例如，在約60℃與約80℃之間）內。

雖然複數個氣體移動器146a、146b、146c可適用於降低不安全條件在第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中形成之可能性，但應瞭解，此等體積中之一或多者可另外或替代地包括區域等級構件。在此類情況下，對應的體積可能不通風。

在某些實施中，系統100可包括控制器148，其至少與第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之一或多個構件電通信。一般而言，控制器148可包括一或多個處理器及其上儲存有指令之非暫時性電腦可讀儲存媒體，該些指令用於使一或多個處理器控制系統100之各種態樣中之任一或多者的起動、操作或關機中之一或多者，以促進安全且有效的操作。舉例而言，控制器148可包括用於第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之一或多個構件的一或多個嵌入式控制器。另外或替代地，控制器148可至少與電化堆疊200及電源150電通信。繼續此實例，控制器148可在偵測到異常條件之情況下中斷電化堆疊200之電力。此外或替代地，控制器148可在起動協定（例如，淨化第一體積106a、第二體積106b及/或第三體積106c）之後將電力提供至電化堆疊200，以降低點燃機櫃104中之含氫混合物之可能性。

在一些實施中，機櫃104可界定第四體積106d，且控制器148可安置於第四體積106d中，同時與本文中經描述為安置於第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之一或多者中的各種不同構件中之一或多者進行無線或有線通信。第四體積106d通常可鄰近於第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c而定位，以作為安裝、起動、常規操作、維護或修復中之一或多者之部分，促進進行及/或中斷電氣連接。因此，例如，第四體積106d可沿著機櫃104之頂部部分及/或沿著機櫃104之後部部分著安置，其中兩個位置均提供對第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之各者的有用接入，同時遠離可用於分別提供對第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c之接入的第一門152a、第二門152b及第三門152c。此外或替代地，第四體積106d在控制器148安置在其中之情況下，可藉由機櫃104之頂部105c或後壁與第一體積106a、第二體積106b及/或第三體積106c中之各者流體地隔離，以降低在安裝、起動、常規操作、關機、維護或修復期間，將控制器148暴露於可能會危害控制器148之操作的一或多個製程流體的可能性。

雖然第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c已經描述為具有由複數個氣體移動器146a、146b及146c提供之負壓，但第四體積106d可相對於第四體積106d之外部之環境與可用於在第四體積106d中產生正壓之風扇154流體連通，以控制第四體積106d內之控制器148及/或其他構件之溫度。此外或替代地，雖然第四體積106d已經描述為容納控制器148，但應瞭解，第四體積106d可容納用於系統100之所有控制件及功率電子件，此可適用於降低此等構件中之一或多者的無意的發火花或過熱可點燃第一體積106a、第二體積106b或第三體積106c中之一或多者中之含氫混合物之可能性。

在某些實施中，此外或替代地，控制器148可監測第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之一或多個環境條件，以促進在異常條件導致損壞系統100及/或接近系統100之區域之前採取一或多個矯正措施。詳言之，鑒於可由機櫃104內存在可點燃含氫混合物引起之潛在損壞，系統100可包括複數個氣體感測器158a、158b、158c（共同地稱作複數個氣體感測器158a、158b、158c，且個別地稱作氣體感測器158a、氣體感測器158b及氣體感測器158c）。複數個氣體感測器158a、158b、158c中之各者可包括各種不同類型的氫氣感測器中之任一或多者，諸如光纖感測器、電化氫氣感測器、薄膜感測器等等中之一或多者。為了促進穩固偵測機櫃104內之氫氣，氣體感測器158a可安置於第一體積106a中，氣體感測器158b可安置於第二體積106b中，且氣體感測器158c可安置於第三體積106c中。複數個氣體感測器158a、158b、158c中之各者可經校準以偵測低於氫氣之點燃限制的氫氣濃度位準，以促進在可能發生點燃事件之前採取矯正措施。為此，控制器148可與複數個氣體感測器158a、158b、158c中之各者電通信，且控制器148之非暫時性電腦可讀儲存媒體可在其上儲存有用於基於一信號使控制器148之一或多個處理器中斷機櫃104中之電源150與裝備之間的電通信之指令，該信號係自複數個氣體感測器158a、158b、158c中之一或多者接收且指示危險的氫氣濃度。另外或替代地，自複數個氣體感測器158a、158b、158c中之一或多者接收之信號可指示氫氣濃度之快速增加。

雖然控制器148可適用於相對於機櫃104中之可能危險的條件而採取矯正措施，但系統100可另外或替代地包括適用於在爆炸情況下減輕對系統100之損壞及/或減輕系統附近之損壞的一或多個安全特徵。舉例而言，系統100可包括至少與機櫃104之第三體積106c流體連通的釋壓閥160。釋壓閥160可為在第三體積106c中之預定臨限壓力下自行打開之機械閥。在一些情況下，預定臨限壓力可為由經加壓氫氣洩漏至第三體積106c中引起之壓力增加。替代地，預定臨限壓力可為與快速壓升相關聯之高壓，該快速壓升與含氫混合物之燃燒相關聯。在每一狀況下，釋壓閥160可將第三體積106c之內容物排放至環境以減輕可另外發生之損壞。

一般而言，機櫃104內之構件可諸如沿著機櫃104之一或多個表面連接至來自機櫃104之外部的位置之外部資源。無需人員打開機櫃104，此類連接可促進系統100之安裝。此外或替代地，對於構件之另外相當的配置，在機櫃104之外部進行的連接可在第一體積106a、第二體積106b及第三體積106c中之各者中的構件之間提供額外間隔。此又可適用於向經訓練人員提供對機櫃104內之構件的較佳接入。此外或替代地，沿著機櫃104之一或多個外表面連接構件可提供關於安全之優勢。舉例而言，電接點156可安置於機櫃104之外表面上（例如，沿著機櫃104之界定第四體積106d的外表面），且電接點156可至少與電化堆疊200經由控制器148電通信。繼續此實例，電接點156可以可釋放地可接合地與定位於機櫃104之外部上的電源150電通信（例如，經由接觸器或熔斷器）。在斷開功能產生電火花之情況下，電火花定位於機櫃104之外部且通常遠離可無意地在第一體積106a、第二體積106b及/或第三體積106c中形成之潛在可點燃的含氫氣體混合物。

在已經描述了適用於在小的佔據面積內安全地產生氫氣之系統100之整個佈局的某些態樣之情況下，現在關注電化模組102自身之特定特徵，其可促進單獨地管理電化模組102中之水及氣體，以在系統100之操作期間提供額外或替代安全性及/或促進系統100之安裝、維護及/或修復，因此縮減與此類事件相關聯之停工時間。

現參考圖2A至圖2C，電化堆疊200可包括共同地界定用於產生氫氣之兩個完整的電化電解槽之第一膜電極組件（membrane electrode assembly；MEA）201、第二膜電極組件（MEA）202及雙極板204。電化堆疊200亦可包括第一端板206及第二端板208，其可將第一MEA 201、第二MEA 202及雙極板204包夾成彼此接觸，且將流體流引導至電化堆疊200中及將流體流引導至該電化堆疊之外。雖然電化堆疊200經描述為包括兩個完整的電解槽—單個雙極板及兩個MEA，但應瞭解，此僅為解釋及說明之清楚起見。更一般而言，應理解，電化堆疊200可包括任何數目個MEA及雙極板，其適用於滿足圖1A及圖1B中所展示之系統100的氫氣產生需求，同時在經加壓氫氣與流動通過電化堆疊200之較低壓力水及氧氣之間維持分離。亦即，除非另外規定或自上下文明確，否則電化堆疊200可包括多於一個雙極板、單個MEA及/或多於兩個MEA。此外或替代地，雖然電化堆疊200經展示為包括與第一MEA 201接觸之第一端板206及與第二MEA 202接觸之第二端板208，但應瞭解，此再次為了清晰且有效的描述。亦即，在一些情況下，雙極板204之例項可安置於第一端板206與第一MEA 201之間及/或安置於第二端板208與第二MEA 202之間，而不脫離本發明之範圍。

一般而言，第一MEA 201及第二MEA 202可彼此相同。舉例而言，第一MEA 201可包括陽極210a、陰極212a，及其間的質子交換膜（例如，PEM電解質）214a。類似地，第二MEA 202可包括陽極210b、陰極212b，及其間的質子交換膜214b。陽極210a、210b可各自包含接觸膜之陽極催化劑（亦即，電極）及視情況選用之陽極流體擴散層。陰極212a、212b可各自包含接觸膜之陰極催化劑（亦即，電極）及視情況選用之陰極氣體擴散層。陽極電極可包含任何合適的陽極催化劑，諸如銥層。陽極流體擴散層246可包含多孔材料、網狀物或織物，諸如多孔鈦片材或多孔碳片材。陰極電極可包含任何合適的陰極催化劑，諸如鉑層。陰極氣體擴散層可包含多孔碳。其他貴金屬催化劑層亦可用於陽極及/或陰極電極。電解質可包含任何合適的質子交換（例如，氫離子傳送）聚合物膜，諸如由具有化學式C ₇HF ₁₃O ₅S ^.C ₂F ₄之基於磺化四氟乙烯之氟聚合物–共聚物構成之Nafion®膜。

雙極板204可安置於第一MEA 201之陰極212a與第二MEA 202之陽極210b之間。一般而言，雙極板204可包括基板222、陽極墊片224及陰極墊片226。基板222具有彼此相對的陽極（亦即，水）側228及陰極（亦即，氫氣）側230。陽極墊片224可固定至基板222之陽極側228，且陰極墊片226可固定至基板222之陰極側230。陽極墊片224及陰極墊片226在基板222之相對側上的此固定定位可促進形成兩個密封件，其始終相對於彼此且相對於第一MEA 201及第二MEA 202置放在雙極板204之任一側上。該些墊片圍繞定位於雙極板204之各別的相對側228、230上之主動區域（亦即，陽極（例如，水）流場234及陰極（例如，氫氣）流場240）形成雙重密封件。此外或替代地，在其中電化堆疊在雙極板204之兩個例項之間包括MEA之例項的情況下，陽極墊片224及陰極墊片226可沿著MEA之主動區域形成雙重密封件。因此，更一般而言，應瞭解，陽極墊片224及陰極墊片226可與電化堆疊中之一或多個MEA形成密封接合，以隔離電極堆疊內之流動，且因此，降低經加壓氫氣可與離開電化堆疊之水流及氧氣流無意混合以在圖1A及圖1B中所展示之系統100中產生可燃的氫氣–氧氣混合物之可能性。

基板222可由各種不同類型的材料中之任一或多者形成，該些材料係導電的、導熱的，且具有適於承受在使用期間沿著基板222之陰極側230流動的氫氣之高壓的強度。因此，例如，基板222可至少部分地由經塑化石墨或碳複合物中之一或多者形成。此外或替代地，基板222可有利地由適於在基板222之陽極側228上承受長時間暴露於水之一或多種材料形成。因此，在一些情況下，基板222之陽極側228可包括導電的氧化抑制劑塗層，其實例包括鈦、氧化鈦、氮化鈦或其組合。氧化抑制劑通常可至少沿著基板222之陽極側228之在電化堆疊200的操作期間暴露於水之彼等部分延伸。亦即，氧化抑制劑可至少沿著陽極墊片224內部之陽極流場234在基板222之陽極側228上延伸。在一些實施中，氧化抑制劑可沿著複數個陽極埠（亦即，水升管開口）232延伸，該些陽極埠自基板222之陽極側228延伸至陰極側230。氧化抑制劑亦可定位於陽極氣室235中，該些陽極氣室235在基板222之陽極側上將陽極部分232連接至陽極流場234。

陰極環密封件237可在基板之陽極側228上定位於各陰極埠（亦即，氫氣升管開口）238周圍，如圖2B中所展示。陰極環密封件237防止氫氣在基板222之陽極側228上洩漏出來至陽極流場234中。相比之下，陽極環密封件233可在基板222之陰極側230上定位於各一或多個陽極埠232周圍。舉例而言，如圖2C中所展示，兩個陽極埠232係由共同陽極環密封件233環繞，以防止水在基板222之陰極側上流入至陰極流場240中。

陽極流場234包括和流動通道236分離之複數個筆直及/或彎曲的肋狀件235，該流動通道236經定向以在複數個陽極埠232中之至少一些之間引導液體（例如，經純化水），諸如可適用於在圖2A中所展示之組態中沿著第二MEA 202之陽極210b均勻地分配經純化水。陽極墊片224可沿著基板222之陽極側228圍繞陽極流場234及複數個陽極埠232，以限制經純化水沿著陽極210b移動的移動。亦即，基板222之陽極側228可經由陽極墊片224與第二MEA 202之陽極210b密封接合，使得陽極通道236定位於該陽極側與該陽極之間。在由電化堆疊200外部之源（例如，圖1B中所展示之水迴路114之泵122）提供之壓力下，自第一流體連接器110a提供之液體沿著陽極通道236流動，自複數個陽極埠232之一個例項經引導橫跨第二MEA 202之陽極210b至複數個陽極埠232之另一例項，其中液體（例如，剩餘的水及氧氣）可藉由另一第一流體連接器110b自電化堆疊200經引導出來。

另外，基板222可包括複數個陰極埠（亦即，氫氣升管開口）238，其各自自基板222之陽極側228延伸至陰極側230。基板222之陰極側230可包括陰極流場240。陰極流場240包括和陰極流動通道242分離之複數個筆直及/或彎曲的肋狀件241，該陰極流動通道242經定向以將氣體（例如，氫氣）引導朝向複數個陰極埠238，諸如可適用於在圖2A中所展示之組態中引導沿著第一MEA 201之陰極212a形成的經加壓氫氣。陰極氣室239可定位於各別的陰極埠238與陰極流場240之間。陰極墊片226可沿著基板222之陰極側230圍繞陰極流場240、陰極氣室239及複數個陰極埠238，以限制經加壓氫氣沿著陰極212a之移動。舉例而言，基板222之陰極側230可經由陰極墊片226與第一MEA 201之陰極212a密封接合，使得陰極流動通道242係經界定於第一MEA 201之陰極212a與基板222之陰極側230之間。沿著陰極212a形成之氫氣之壓力可使氫氣沿著陰極通道242之至少一部分且朝向陰極埠238移動，該些陰極埠238定位成與陰極入口埠在對角線上相對。經加壓氫氣可藉由第二流體連接器112自陰極埠238及電化堆疊200流出，以由如圖1B中所展示之氫氣迴路116來處理。

基板222之陽極側228上之陽極墊片224及基板222之陰極側230上之陰極墊片226可具有不同形狀（如圖2B及圖2C中所展示）。舉例而言，陽極墊片224可在基板222之陽極側228上在複數個陽極埠232與複數個陰極埠238之間延伸。換言之，陽極墊片224在一個橫向側上環繞陽極埠232及陽極流場234，但在其經圍繞區域外部離開陰極部分238。因此，在已安裝位置中，陽極墊片224可使陽極流與陰極流流體地隔離。

相比之下，基板222之陰極側230上之陰極墊片226不在複數個陽極埠232與複數個陰極埠238之間延伸。換言之，陰極墊片226環繞陽極埠232、陰極部分238及陰極流場240。實情為，陽極環密封件233在基板222之陰極側230上使陽極部分232與陰極埠238及陰極流場240隔離。

在一個組態中，陽極流場234及陰極流場240可具有相同形狀（儘管在基板222之相對側上），以沿著第一MEA 201及第二MEA 202提供相同的主動區域。因此，結合在一起，應瞭解，陽極墊片224與陰極墊片226之間的形狀差異連同陽極環密封件之定位以及陽極流場234及陰極流場240之相同形狀可產生不同的密封區域。此等不同的密封區域彼此互補以促進使沿著陽極通道236之較低壓力的經純化水流與沿著陰極通道242流動之經加壓氫氣流體地隔離，同時仍然允許各流動移動通過電化堆疊200且最終沿著不同通道離開電化堆疊200。

在某些實施中，陰極流場240可經塑形，使得陰極流場240之最小限界矩形係正方形的。如此上下文中所使用，術語「最小限界矩形」應被理解為由陰極流場240之最大x尺寸及y尺寸界定的最小矩形。複數個陰極埠238每基板222可包括兩個陰極埠，其相對於最小限界矩形（例如，在最小限界矩形內）定位於彼此在對角線上相對的拐角中。其他兩個在對角線上相對的拐角缺少陰極埠238。在最小限界矩形係正方形的情況下，陰極埠238相對於最小限界矩形之對角定位可促進經加壓氫氣沿著整個陰極流場240在對角線上流動，同時使較大餘量的基板222材料在強度上抵抗所容納的內部氫氣壓力。替代地，基板222可為矩形。複數個陰極埠238置放成遠離基板222之邊緣，使得複數個陰極埠238中之各者在複數個陰極埠238中之各別一者與基板222之最近邊緣之間藉由基板222之材料很好地增強。

鑒於沿著陰極通道242之經加壓氫氣流與沿著陽極通道236之水流及氧氣流之間的較大壓力差，電化堆疊200可包括安置於陽極通道236中，且視情況安置在第二MEA 202之陽極210b的陽極電極與基板222之陽極側228（例如，陽極肋狀件235）之間的陽極流體擴散層。陽極流體擴散層246之多孔材料通常可准許水及氧氣流動通過陽極通道236，而不會顯著增加通過陽極通道236之流動限制，同時在基板222之陽極側228上提供結構支撐，以抵抗可由基板222之相對側上之壓力差產生的收縮。出於清晰說明起見，僅沿著一個陽極通道236展示多孔材料246。然而，應理解，在某些實施中，多孔材料246可安置於所有陽極通道236內部。

作為一額外或替代安全措施，電化堆疊200可包括安置於第一MEA 201、第二MEA 202、雙極板204、第一端板206及第二端板208周圍之外殼248，如圖2A中所展示。更具體言之，外殼248可由適用於吸附一或多種材料之力的一或多種材料形成，該一或多種材料在故障事件（例如，在經加壓氫氣之力下的故障及/或由無意的含氫混合物之爆炸引起的故障）之情況下可能會彈出。作為一實例，外殼248可包括金屬或芳族聚醯胺（例如，Kevlar®）纖維中之一或多者。

在描述了電化堆疊200之各種特徵後，現在關注用以由水及電形成經加壓氫氣作為輸入之電化堆疊200的操作之描述。詳言之，如圖2A中所展示，電場E（亦即，電壓）可自圖1B中所展示之電源150橫跨電化堆疊200（亦即，在端板206與208之間）施加。雙極板204可電連接彼此串聯之第一MEA 201及第二MEA 202，使得電解可在第一MEA 201及第二MEA 202處進行，以形成經加壓氫氣流，該經加壓氫氣流經維持成與較低壓力水及氧氣流體地隔離，除藉由質子交換膜214a及質子交換膜214b進行質子交換以外。

經純化水（例如，來自圖1B中所展示之水迴路114）可經由如圖1B中所展示之電化模組102之第一流體連接器110a而經引入至電化堆疊200中。在電化堆疊200內，經純化水可沿著延伸通過雙極板204以及其他構件之入口通道216流動，以將經純化水引導至第一MEA 201之陽極210a及第二MEA 202之陽極210b。在橫跨第一MEA 201之陽極210a及陰極212a施加電場E之情況下，經純化水可沿著陽極210a分解成質子（H ⁺）及氧氣。質子（H ⁺）可自陽極210a移動通過質子交換膜214a至陰極212a。在陰極212a處，質子（H ⁺）可彼此組合以沿著陰極212a形成經加壓氫氣。藉由類似製程，經加壓氫氣亦可沿著第二MEA 202之陰極212b形成。藉由第一MEA 201及第二MEA 202中之各者形成的經加壓氫氣流可彼此組合，且經由延伸通過雙極板204以及其他構件之兩個氫氣排出通道218流出電化堆疊200，以最終將經加壓氫氣自電化模組102之第二流體連接器112引導出來，且將其引導朝向氫氣迴路116以用於處理（如圖1B中所展示且如上文所論述）。沿著陽極210a及陽極210b之氧氣流及水流可彼此組合，且經由出口陽極埠232及延伸通過端板206以及其他構件之出口通道220流出電化堆疊200，以將此水流及氧氣流自電化模組102之第一流體連接器110b引導出來，且將其引導朝向水迴路114以用於處理（如圖1B中所展示且如上文所論述）。

如上文所論述，雙極板204可與第一MEA 201之陰極212a及第二MEA之陽極210b密封接合，以促進使沿著第一MEA 201之陰極212a形成的經加壓氫氣與沿著第二MEA 202之陽極210b流動的水及氧氣分離。此分離適用於降低經加壓氫氣自電化堆疊200洩漏之可能性，且因此，除了系統100之模組化之任何一或多個態樣（在圖1A及圖1B中展示）之外或代替該一或多個態樣，在藉由電解安全地產生工業規模數量的氫氣方面亦可為適用的。另外或替代地，如在下文關於圖3A及圖3B更詳細地描述，藉由雙極板204促進之經密封接合可促進拆卸電化模組102（例如，以修復、維護及/或替換電化堆疊200），且在圖1A中所展示之機櫃104附近濺出水的可能性較低。

現參考圖3A及圖3B，電化模組102可包括液體管理區段302及氣體管理區段304，其可沿著界面305彼此可拆卸地固定（例如，使用夾具、螺栓或其組合），以促進安裝、維護及/或修復。舉例而言，氣體管理區段304可自液體管理區段302移除，而無需斷開第一流體連接器110a、110b處之水連接。相較於需要移除水連接之設施，自液體管理區段302移除氣體管理區段304之能力，可縮減執行與安裝、維護及/或修復相關的機械操作所需之時間。此外或替代地，因為水連接可保持完好，所以水在圖1A中所展示之機櫃104周圍的無意分散係不大可能的。

一般而言，液體管理區段302可包括流體連接至各別的入口水歧管306a及出口水歧管306b之複數個第一流體連接器110a、110b。複數個第一流體連接器110a、110b中之各者可與各別的歧管306a、306b流體連通。又，歧管306a、306b可包括可固定至氣體管理區段304之各別的液體連接件310a、310b（例如，O形環及/或管），以經由第一流體連接器110a及液體連接件310a將經純化水遞送至氣體管理區段304，且經由第一流體連接器110b及液體連接件310b接收陽極輸出水流及氧氣流。歧管306a、306b可包含中空塑膠或金屬框。液體管理區段302可包括支撐件，諸如支腿308或基座類型支撐件。

諸如不鏽鋼板之視情況選用之分離器板309可定位於液體管理區段302之頂部上，使得各別的液體連接件310a、310b延伸通過分離器板。舉例而言，各別的液體連接件310a、310b可包含分離器板309中之由各別的O形環環繞之孔。

現參考圖2A以及圖3A及圖3B，電化模組102之氣體管理區段304可包括電化堆疊200、收集板312及第二流體連接器112。因此，換言之，液體管理區段302及氣體管理區段304可沿著低壓水連接件110a、110b而可彼此分離，而無需干擾與經加壓氫氣流出電化模組102相關聯之高壓連接件112，且因此，與重複地中斷及重新建立高壓連接相關聯之故障模式不存在於電化模組102中。收集板312可垂直於連接器110a、110b及112之方向定向（例如，在圖3A中之頁面之外）。

圖4A及圖4B說明本發明之例示性系統。現參考圖4A，系統400包括自水420產生氫氣之電解器堆疊402。電解器堆疊可為本文中所描述之任一電解器堆疊。經輸出濕氫氣422經引導至乾燥器406，其可為本文中所描述之任一乾燥器。該乾燥器自氫氣移除水，從而產生視情況經引導至純化器408之乾燥氫氣流426。純化器408自氫氣移除額外的水及其他雜質（例如，氧氣、氮氣、碳氫化合物、氬氣等），且將經純化氫氣流430提供至利用經純化氫氣430之使用氫氣之應用410。使用氫氣之應用410可為任一使用氫氣之裝置或製程，諸如浮法玻璃爐、金屬爐，或需要氫氣之其他製程裝置。使用氫氣之應用410可產生排出氫氣432，其可經引導至摻合槽412以再循環回至系統400中，或其可經發送至輸出氣流442。輸出氣流442可將排出氫氣引導至洗滌器、使用排出氫氣之另一製程，或其可經排放至環境。可提供氧氣感測器416以判定排出氫氣流432之氧氣含量。另外，該系統可視情況進一步包括閥門及其他儀器，使得若偵測到氧氣或其他雜質，則排出氣體432可經引導遠離系統400，且不再循環。摻合槽412可用於混合排出氫氣流432、來自純化器408之淨化氣體流428，及來自乾燥器406之淨化氣體流424。淨化氣體流424及淨化氣體流428可各自含有高濃度的水。此形成經摻合氣流434，其經引導至增濕器，從而形成經增濕氣流436。經增濕氣流436經引導至氫氣泵404，其產生淨化水流438及濕氫氣流440。氫氣泵404可為本文中所描述之任一氫氣泵。接著藉由將濕氫氣流440引導至乾燥器406，而將該濕氫氣流再循環至系統400中。濕氫氣流440可在進入如圖4A中所展示之乾燥器406之前與濕氫氣流422重新組合，或濕氫氣流440可單獨地進入乾燥器406。

用於氫氣泵404之功率電子件與用於電解器堆疊402之電源可為相似的，且以模組化方式製成以用於在線服務。氫氣泵404可在恆定電壓模式中操作，使得其在存在氫氣時清除氫氣。在另一具體實例中，氫氣泵404可在恆定的化學計量模式下操作，其中至氫氣泵404之輸入流經量測或估計，使得可在適當化學計量位準下設定電流。

氫氣泵堆疊可能夠將濕氫氣流440重新加壓至與濕氫氣流422相同的壓力。在一個具體實例中，可使用級聯的氫氣泵404來縮減損耗氫氣之分率。替代地，壓縮器或擴展器可包括在該系統中以增加或減小氫氣之壓力。

系統400可進一步包括熱交換器以增加或減小氫氣之溫度。適合用於本發明之系統中之熱交換器對於所屬技術領域具有通常知識者係眾所周知的。詳言之，熱交換器可定位於摻合槽412下游，且可用於增加經摻合氣流434之溫度。經摻合氣流434之溫度可增加至對於氫氣泵之運行係最佳的溫度。在較佳具體實例中，經摻合氣流434之增加之溫度可為自約60℃至約80℃。

現參考圖4B，系統401包括自水420產生氫氣之電解器堆疊402。電解器堆疊可為本文中所描述之任一電解器堆疊。經輸出濕氫氣422經引導至乾燥器406，其可為本文中所描述之任一乾燥器。該乾燥器自氫氣移除水，從而產生視情況經引導至純化器408之乾燥氫氣流426。純化器408自氫氣移除額外水及其他雜質，且將經純化氫氣流430提供至利用經純化氫氣430之使用氫氣之應用410。使用氫氣之應用410可為任一使用氫氣之裝置或製程，諸如浮法玻璃爐、金屬爐，或需要氫氣之其他製程裝置。使用氫氣之應用410可產生排出氫氣432，其可經引導至增濕器414。經增濕氫氣流436a接著可經引導至氫氣泵404a，其產生淨化水流438a及濕氫氣流440。淨化水流438a較佳地為液體流且可含有低含量的氫氣。此外，來自純化器408之淨化氣體流428經引導至增濕器414。淨化氣體流428可含有高濃度的水。經增濕氫氣流436b接著經引導至氫氣泵404b，其產生淨化水流438b及濕氫氣流440。淨化水流438b較佳地為液體流且可含有低含量的氫氣。再此外，來自乾燥器406之淨化氣體流424經引導至一或多個氫氣泵404c及/或一或多個增濕器414。淨化氣體流424可含有高濃度的水。

本文中進一步提供用於回收氫氣之方法。可使用本發明之任一系統執行該些方法。該方法通常包含將濕氫氣流自電解器提供至乾燥器之入口、將乾燥氫氣流自乾燥器之第一出口輸出至使用氫氣之應用、將淨化濕氫氣流自乾燥器之第二出口提供至乾燥器之入口，及將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口。

該方法可進一步包含藉由使用一或多個泵將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口。該一或多個泵可為本文中所描述之任一泵；較佳地，該泵為電化氫氣泵，諸如安置於陽極與陰極之間的質子交換膜。

該方法進一步包含在將排出氫氣流自使用氫氣之應用提供至乾燥器之入口之前對來自使用氫氣之應用之排出氫氣流進行增濕。該增濕可經由增濕器實現，該增濕器包括本文中所描述或所屬技術領域中具有通常知識者已知的任一增濕器。該方法可進一步包含在將來自使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流提供至乾燥器之入口之前，對經組合的來自使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流進行增濕。

該方法可進一步包含純化來自乾燥器之第一出口之乾燥氫氣流。該純化可經由純化器實現，該純化器包括本文中所描述的或所屬技術領域中已知的任一純化器。該純化可包含自純化器之第一出口輸出經純化氫氣流。該純化可用於自純化器中之出口產生經純化氫氣流。該純化可在將乾燥氫氣流自乾燥器之第一出口輸出至使用氫氣之應用之前進行。該方法可進一步包含藉由使用增濕器對來自純化器之出口之淨化濕氫氣流進行增濕。

該方法可進一步包含組合來自使用氫氣之應用之排出氫氣流與來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流。另外，該方法亦可進一步包含組合來自使用氫氣之應用之排出氫氣流、來自乾燥器之第二出口之淨化濕氫氣流及來自純化器之第二出口之淨化濕氫氣流。該組合可藉由使用本文中所描述之或所屬技術領域中具有通常知識者已知之摻合槽來實現。

如本文中所使用，「濕氫氣」係指水飽和的氫氣。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，濕氫氣中之水的量及/或濃度將取決於濕氫氣之溫度及壓力。

如本文中所使用，「乾燥氫氣」係指具有約10 ppm或更小的水含量之氫氣。舉例而言，乾燥氫氣可具有約10 ppm、約9 ppm、約8 ppm、約7 ppm、約6 ppm、約5 ppm、約4 ppm、約3 ppm、約2 ppm、約1 ppm或小於約1 ppm的水含量。較佳地，乾燥氫氣具有約5 ppm或更小的水含量。

如本文中所使用，「經純化氫氣」係指以mol %計純度至少約99.99%的氫氣。在一些具體實例中，經純化氫氣係以mol %計純度可為99.999%。類似地，如本文中所使用之「不純氫氣」係指尚未經純化且不符合如上文所闡述之「經純化氫氣」的定義之氫氣。

本文中所提及之所有文獻特此以全文引用之方式併入。除非另外明確陳述或自本文明確，否則對單數項目之引用應理解為包括複數項目，且反之亦然。除非另外陳述或自上下文明確，否則語法連詞意欲表達結合從句、語句、詞語及其類似者之任何及所有分離及結合組合。因此，術語「或」通常應理解為意謂「及/或」，且術語「及」通常應理解為意謂「及/或」。

除非本文中另外指示，否則本文中之值的範圍之敍述並不意欲為限制性的，實情為個別地指代屬於該範圍內之任何及所有值，且此範圍內之各分離值經併入至本說明書中，如同其在本文中個別地列舉一般。詞語「約」、「大約」等等當伴隨數值時，應被理解為包括所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解之任何偏差，以令人滿意地用於預期目的。值及/或數值之範圍在本文中僅作為實例提供，且不構成對所描述具體實例之範圍的限制。任何及所有實例或例示性語言（「例如」、「諸如」等等）之使用僅僅預期為較佳闡明該些具體實例，且不對彼等具體實例之範圍造成限制。本說明書中之語言不應解釋為指示任何未主張之要素對於實踐經揭示具體實例而言必不可少。

以上系統、裝置、方法、製程等等可以適於本文中所描述之控制、資料擷取及資料處理之硬體、軟體或其任一組合中實現。此包括在一或多個微處理器、微控制器、嵌入微控制器、可程式化數位信號處理器或其他可程式化裝置或處理電路系統以及內部及/或外部記憶體中實現。此亦可或替代地包括一或多個特殊應用積體電路、可程式化閘陣列、可程式化陣列邏輯構件或任何其他裝置或可經組態以處理電子信號之裝置。應進一步瞭解，上文所描述的製程或裝置之實現可包括使用諸如C之結構化程式設計語言創造之電腦可執行程式碼，諸如C++之物件導向式程式設計語言，或任何其他高等級或低等級程式設計語言（包括組合語言、硬體描述語言以及資料庫程式設計語言以及技術），其可經儲存、編譯或解釋以在上述裝置中之一者上運行，以及處理器之異質組合、處理器結構或不同硬體以及軟體之組合。同時，處理可分佈在諸如上文所描述的各種系統之裝置上，或所有功能性可整合至中專用獨立裝置中。所有此類排列及組合意欲在本發明之範圍內。

本文中所揭示之具體實例可包括電腦程式產品，其包含電腦可執行程式碼或電腦可用程式碼，其在一或多個計算裝置上執行時執行上文所描述之控制系統的步驟中之任一者及/或全部。該程式碼可以非暫時性方式儲存於電腦記憶體中，該電腦記憶體可為程式執行之記憶體（諸如與處理器相關聯之隨機存取記憶體），或諸如磁碟驅動器之儲存裝置、快閃記憶體或任何其他光學、電磁、磁性、紅外光或其他裝置或裝置之組合。在另一態樣中，上文所描述之控制系統中之任一者可在攜載電腦可執行程式碼及/或來自其之任何輸入或輸出之任何合適的傳輸或傳播媒體中實施。

除非明確地提供不同含義或以其他方式自上下文明確，否則本文中所描述之實施之方法步驟意欲包括使得執行此類方法步驟之任何合適的方法，此與所附申請專利範圍之專利性一致。因此，例如，執行步驟X包括用於使諸如遠端使用者、遠端處理資源（例如，伺服器或雲端電腦）或機器之另一方執行步驟X的任何合適的方法。類似地，執行步驟X、Y及Z可包括引導或控制此類其他個人或資源之任一組合執行步驟X、Y及Z以獲得此類步驟之益處的任何方法。因此，除非明確地提供不同含義或以其他方式自上下文明確，否則本文中所描述之實施之方法步驟意欲包括使一或多個其他當事方或實體執行該些步驟之任何合適的方法，此與所附申請專利範圍之專利性一致。此類當事方或實體無需在任何其他當事方或實體之引導或控制下，且無需位於特定管轄內。

應瞭解，上文所描述之方法及系統作為實例而非限制加以闡述。多個變化、添加、省略及其他修改對於所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見。另外，除非明確地需要特定次序或以其他方式自上下文明確，否則本說明書及以上圖式中之方法步驟的次序或呈現不意欲需要執行所敍述步驟之此次序。因此，雖然已經展示且描述特定具體實例，但所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見，可在不脫離本發明之範圍之情況下在其中做出各種形式及細節上之改變及修改。

100:系統 102:電化模組 104:機櫃 105a:內壁或分隔區 105b:內壁或分隔區 105c:頂部 106a:第一體積 106b:第二體積 106c:第三體積 106d:第四體積 110a:第一流體連接器 110b:第一流體連接器 112:第二流體連接器 114:水迴路 116:氫氣迴路 118:儲集器 120:分離器 122:泵 124:饋送導管 126:再循環迴路 128:產物導管 130:乾燥器 132:入口部分 134:出口部分 136:氫氣泵 138:出口導管 140:泵導管 142:除濕機 144:回收迴路 146a:氣體移動器 146b:氣體移動器 146c:氣體移動器 148:控制器 150:電源 152a:第一門 152b:第二門 152c:第三門 154:風扇 156:電接點 158a:氣體感測器 158b:氣體感測器 158c:氣體感測器 160:釋壓閥 200:電化堆疊 201:第一膜電極組件 202:第二膜電極組件 204:雙極板 206:端板 208:端板 210a:陽極 210b:陽極 212a:陰極 212b:陰極 214a:質子交換膜 214b:質子交換膜 216:入口通道 218:氫氣排出通道 220:出口通道 222:基板 224:陽極墊片 226:陰極墊片 228:陽極側 230:陰極側 232:陽極埠 233:陽極環密封件 234:陽極流場 235:肋狀件 236:陽極通道 237:陰極環密封件 238:陰極埠 239:陰極氣室 240:陰極流場 241:肋狀件 242:陰極流動通道 246:陽極流體擴散層 248:外殼 302:液體管理區段 304:氣體管理區段 305:界面 306a:入口水歧管 306b:出口水歧管 308:支腿 309:分離器板 310a:液體連接件 310b:液體連接件 312:收集板 400:系統 401:系統 402:電解器堆疊 404:氫氣泵 404a:氫氣泵 404b:氫氣泵 404c:氫氣泵 406:乾燥器 408:純化器 410:使用氫氣之應用 412:摻合槽 414:增濕器 416:氧氣感測器 420:水 422:濕氫氣流 424:淨化氣體流 426:乾燥氫氣流 428:淨化氣體流 430:經純化氫氣流 432:排出氫氣 434:經摻合氣流 436:經增濕氣流 436a:經增濕氫氣流 436b:經增濕氫氣流 438:淨化水流 438a:淨化水流 438b:淨化水流 440:濕氫氣流 442:輸出氣流 E:電場

[圖1A]為包括機櫃及電化模組之系統的透視圖。

[圖1B]為圖1A之系統之方塊圖，其表示電化模組與該機櫃中之水迴路及氫氣迴路之連接。

[圖2A]為圖1A及圖1B之系統之電化模組的電化堆疊之示意性表示。

[圖2B]為圖2A之電化堆疊之雙極板的陽極側之俯視圖。

[圖2C]為圖2B之雙極板之陰極側的俯視圖。

[圖3A]為圖1A及圖1B之系統之電化模組的透視圖，該電化模組經展示為具有電化模組之展示為彼此耦接之液體管理區段及氣體管理區段。

[圖3B]為圖1A及圖1B之系統之電化模組的部分分解視圖，該電化模組經展示為具有電化模組之彼此解除耦接之液體管理區段及氣體管理區段。

[圖4A]及[圖4B]為本發明之例示性系統之方塊圖。

各個圖式中之類似參考符號指示類似元件。

100:系統

102:電化模組

104:機櫃

105a:內壁或分隔區

105b:內壁或分隔區

105c:頂部

106a:第一體積

106b:第二體積

106c:第三體積

106d:第四體積

114:水迴路

116:氫氣迴路

146a:氣體移動器

146b:氣體移動器

146c:氣體移動器

152a:第一門

152b:第二門

152c:第三門

154:風扇

156:電接點

160:釋壓閥

Claims (23)

1. 一種用於氫氣回收之系統，其包含： 一乾燥器，其包含可流體連接至一氫氣產生器之一入口； 一使用氫氣之應用，其包含流體連接至該乾燥器之一乾燥氫氣出口的一入口、及流體連接至該乾燥器之該入口的一出口。
2. 如請求項1之系統，其進一步包含一或多個泵。
3. 如請求項2之系統，該一或多個泵中之各者包含流體連接至該使用氫氣之應用之一入口、及流體連接至該乾燥器之該入口的一出口。
4. 如請求項2之系統，其進一步包含一或多個增濕器。
5. 如請求項4之系統，該一或多個增濕器中之各者包含一入口及一出口，該出口流體連接至該一或多個泵。
6. 如請求項2之系統，其進一步包含一純化器。
7. 如請求項6之系統，該純化器包含流體連接至該乾燥器之該乾燥氫氣出口之一入口、及流體連接至該使用氫氣之應用之該入口之一出口。
8. 如請求項1之系統，其進一步包含至少一個氧氣感測器。
9. 如請求項1之系統，該乾燥器進一步包含流體連接至該乾燥器之該入口之一濕氫氣出口。
10. 如請求項3之系統，該乾燥器進一步包含流體連接至該一或多個泵中之至少一者之該入口的一濕氫氣出口。
11. 如請求項1之系統，其進一步包含一摻合槽。
12. 如請求項11之系統，該摻合槽包含流體連接至該使用氫氣之應用之該出口之一入口。
13. 如請求項1之系統，其中該氫氣產生器包含一電解器堆疊。
14. 一種用於回收氫氣之方法，該方法包含：  將一濕氫氣流自一氫氣產生器提供至一乾燥器之一入口； 將一乾燥氫氣流自該乾燥器之一第一出口輸出至一使用氫氣之應用； 將一淨化濕氫氣流自該乾燥器之一第二出口提供至該乾燥器之該入口；及 將一排出氫氣流自該使用氫氣之應用提供至該乾燥器之該入口。
15. 如請求項14之方法，其中將該排出氫氣流自該使用氫氣之應用提供至該乾燥器之該入口係藉由一或多個泵實現。
16. 如請求項14之方法，其進一步包含在將該排出氫氣流自該使用氫氣之應用提供至該乾燥器之該入口之前，對來自該使用氫氣之應用之該排出氫氣流進行增濕。
17. 如請求項14之方法，其進一步包含在將該乾燥氫氣流自該乾燥器之該第一出口輸出至該使用氫氣之應用之前，純化來自該乾燥器之該第一出口之該乾燥氫氣流。
18. 如請求項17之方法，其中該純化係經由一純化器實現。
19. 如請求項18之方法，其進一步包含對來自該純化器之一出口之一淨化濕氫氣流進行增濕。
20. 如請求項14之方法，其進一步包含在將來自該使用氫氣之應用之該排出氫氣流及來自該乾燥器之該第二出口之該淨化濕氫氣流提供至該乾燥器之該入口之前，組合來自該使用氫氣之應用之該排出氫氣流與來自該乾燥器之該第二出口之該淨化濕氫氣流。
21. 如請求項20之方法，其中該組合係經由一摻合槽實現。
22. 如請求項20之方法，其進一步包含在將來自該使用氫氣之應用之該排出氫氣流及來自該乾燥器之該第二出口之該淨化濕氫氣流提供至該乾燥器之該入口之前，對經組合的來自該使用氫氣之應用之排出氫氣流及來自該乾燥器之該第二出口之該淨化濕氫氣流進行增濕。
23. 如請求項14之方法，其中該氫氣產生器包含一電解器堆疊。

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