一种电化学纯化系统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系统以及一种含杂质气体的纯化方法。

背景技术

氢燃料电池尤其是车用氢燃料电池对氢气品质要求严格，对于所有制备方式出来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CO

然而，现有的电化学氢气纯化装置在运行一段时间后存在着能耗增大的缺陷，使得氢气提纯的成本显著增加，不利于工业化生产。

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系统，通过电化学纯化单元、电力变换单元和电压监控单元的相互配合，能够根据降低系统的能耗。

本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的所述的纯化系统在含杂质气体的纯化领域中的应用。

本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的一种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：

一种电化学纯化系统，包括：

电化学纯化单元，其包括以并联的方式相连接的至少两个电化学纯化堆，所述电化学纯化堆包括相对设置的阳极极板和阴极极板；相对设置在所述阳极极板和所述阴极极板之间的阳极电极和阴极电极；设置在所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜；设置在所述阳极极板和所述阳极电极之间的阳极气体扩散层；以及设置在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；

与所述电化学纯化单元相连接的电力变换单元，所述电力变换单元用于实现所述电化学纯化堆之间电力供给的变换；以及

与所述电化学纯化单元相连接的电压监控单元，所述电压监控单元用于实现对所述电化学纯化单元运行期间电压的监控。

本申请的发明人在研究中发现，含杂质气体中的杂质气体(例如氢气气源中的杂质气体)会影响电化学纯化系统的能耗，因此，与传统纯化类似，电化学纯化系统也需要进行再生。进一步地，本申请的发明人还发现，可以根据电化学纯化单元的电压变化确定电化学纯化系统再生的时机。与此同时，为保证装置的连续运行，可以使用多个并联的电化学纯化堆，以实现在工作-再生-工作之间的切换。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述纯化系统还包括增湿单元和/或散热单元，所述增湿单元和/或所述散热单元与所述电化学纯化单元相连接，其中，所述增湿单元用于提高进入到所述电化学纯化单元的原料气的湿度，所述散热单元用于维持所述电化学纯化单元中的电化学纯化堆的温度在40℃～90℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述纯化系统还包括控制单元，所述控制单元与所述电化学纯化单元相连接，并任选地与所述电力变换单元、所述电压监控单元、所述增湿单元和所述散热单元中的至少一个单元相连接，以对各个单元实现自动化控制；优选地，所述控制单元为PLC控制单元。

本发明所采用的上述电化学纯化堆，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。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述阳极极板的内部设置有流道，且所述流道内设置有至少一个凸台；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或矩形。

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。

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。

在本发明的一些优选的实施方式中，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；优选地，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。

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/cm

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/cm

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，所述电化学纯化堆外侧还包括相对设置的至少一组阳极端板和阴极端板。

为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：

一种上述任一项实施方式所述的纯化系统在含杂质气体的纯化领域中的应用。

在本发明的一些优选的实施方式中，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。

为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：

一含杂质气体的纯化方法，其利用上述任一项实施方式所述的纯化系统进行，其中，所述纯化系统的电化学纯化单元包括第一电化学纯化堆和第二电化学纯化堆，所述纯化方法包括下述步骤：

S1.将含杂质气体通入所述第一电化学纯化堆中，通过所述电力变换单元对所述第一电化学纯化堆供给电力，并通过所述电压监控单元监控所述第一电化学纯化堆的电压；

S2.当所述第一电化学纯化堆的运行电压的增幅超过10mV-50mV时，通过所述电力变换单元将电力供给到第二电化学纯化堆，并通过所述电压监控单元监控所述第二电化学纯化堆的电压，同时清洗所述第一电化学纯化堆；

S3.当所述第二电化学纯化堆的运行电压的增幅超过10mV-50mV时，通过所述电力变换单元将电力供给到第一电化学纯化堆，并通过所述电压监控单元监控所述第一电化学纯化堆的电压，同时清洗所述第二电化学纯化堆；

任选地，S4.重复进行步骤S2和S3。

在本发明的一些优选的实施方式中，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；优选地，所述杂质的体积含量为0.1％～30％。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述电化学纯化单元的运行条件包括：电化学纯化堆的温度为40℃～90℃；所述含杂质气体的相对湿度为50％-100％。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2和S3中，采用高纯氢气进行所述清洗。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述高纯氢气的纯度为99.99％以上。

本发明的有益效果至少在于：

其一，本发明所提供的电化学纯化系统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。

其二，相对于采用单个的电化学纯化堆，本发明所提供的电化学纯化系统能够使耗能降低6％以上。

附图说明

图1是本发明实施例1的电化学纯化系统的结构示意图。

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。

本发明中，氢气收率＝产品气(纯氢)流量/原料气(杂质与氢气混合气)中的氢气流量；能耗＝外加能耗/产品气(纯氢)量。

实施例1

本实施例所采用的电化学纯化单元包括两个相同的电化学纯化堆，其中，电化学纯化堆包括阳极端板、阴极端板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，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。

对各部件的具体尺寸和材质选择如下：

有效面积25cm

本实施例所采用的电化学纯化系统，包括：

如上所述的电化学纯化单元；

与电化学纯化单元相连接的电力变换单元；

与电化学纯化单元相连接的电压监控单元；

与电化学纯化单元相连接的增湿单元和散热单元；

与电化学纯化单元、电力变换单元、电压监控单元、增湿单元和散热单元相连接的PLC控制单元；以及

配套的管线以及阀门(0-0、0-1、0-2、1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3)。

所处理的原料气除H

处理过程包括：

步骤一：第一电化学纯化堆开始纯化原料气，第二电化学纯化堆备用，同时，采用电压监测单元监测第一电化学纯化堆的电压。此时，阀门0-0、阀门1-1、阀门1-2及阀门1-3开启，阀门2-1、阀门2-2及阀门2-3关闭。原料气从阀门1-1进入第一电化学纯化堆，杂质气体从阀门1-2流掉，在外加电源的作用下，获得的高纯氢气从阀门1-3出去。

步骤二：大约500s后，当第一电化学纯化堆的电压增幅达到40mV，将阀门1-1、阀门1-2及阀门1-3关闭，阀门2-1、阀门2-2及阀门2-3开启，使第二电化学纯化堆开始进行纯化运行，同时，采用电压监测单元监测第二电化学纯化堆的电压。原料气从阀门2-1进去第二电化学纯化堆，杂质气体从阀门2-2流掉，获得的高纯氢气从阀门2-3汇集。在第二电化学纯化堆进行纯化的同时，连接第一电化学纯化堆的阀门0-1开启，通入一定量的高纯氢气，清洗第一电化学纯化堆，恢复第一电化学纯化堆的纯化效果。

步骤三：大约500s后，当第二电化学纯化堆的电压增幅达到40mV，将阀门2-1、阀门2-2及阀门2-3关闭，阀门1-1、阀门1-2及阀门1-3开启，使第二电化学纯化堆开始进行纯化运行，同时，采用电压监测单元监测第二电化学纯化堆的电压。原料气从阀门1-1进入第一电化学纯化堆，杂质气体从阀门1-2流掉，在外加电源的作用下，获得的高纯氢气从阀门1-3出去。在第二电化学纯化堆进行纯化的同时，连接第一电化学纯化堆的阀门0-2开启，通入一定量的高纯氢气，清洗第二电化学纯化堆，恢复第二电化学纯化堆的纯化效果。

步骤四：重复进行步骤二和步骤三，运行1.5h后，统计生产每千克的氢气所需的能耗和氢气收率，列于表1中。

实施例2

与实施例1基本相同，不同之处仅在于采用的原料气中杂质气体为：25％N

对比例1

与实施例1基本相同，不同之处仅在于纯化过程中一直运行第一电化学纯化堆。运行1.5h后，统计生产每千克的氢气所需的能耗和氢气收率，列于表1中。

对比例2

与实施例2基本相同，不同之处仅在于纯化过程中一直运行第一电化学纯化堆。运行1.5h后，统计生产每千克的氢气所需的能耗和氢气收率，列于表1中。

表1

上表中，“-”表示无此项数据。

根据表1中的数据可知，相对于对比例1，采用本发明实施例1的技术方案能够使得耗能降低6.06％；相对于对比例2，采用本发明实施例2的技术方案能够使得耗能降低23％。

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。