利用電化學(xué)電池生產(chǎn)和提供凈化的氣體的方法
【專利說明】利用電化學(xué)電池生產(chǎn)和提供凈化的氣體的方法
[0001 ] 本專利申請(qǐng)?jiān)?5 U.S.C.§ 120規(guī)定下要求在2013年6月28日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/840，843的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部內(nèi)容在此并入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例涉及電化學(xué)電池，更具體地，涉及利用電化學(xué)電池用于氣體凈化、監(jiān)控和/或用于提供凈化的氣體的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]氫已經(jīng)成為傳統(tǒng)能源如化石燃料的一種可行的替換，用于一系列的技術(shù)，包括(例如)運(yùn)輸交通工具、便攜式電源和固定式電力生產(chǎn)。氫作為能源載體的成功商業(yè)化及“氫經(jīng)濟(jì)”的長期可持續(xù)性可能部分地取決于氫操縱(manipulat1n)和管理系統(tǒng)(例如，EHC)及氫分配系統(tǒng)(例如，分配站)的效率和成本效益。
[0004]氫氣的用戶可能對(duì)在氣體中可能存在的潛在污染物(potentialpollutants)敏感，如0)、0)2、吣、1^^廣02、014、高級(jí)烴、3、(:1、8匕取、￥(^8、!120、!1010、!10)0!1、冊(cè)3、鹵代化合物和例如顆粒物(particulates)。因此，消費(fèi)者可以要求供應(yīng)商提供凈化的氫氣，并且在某些情況下，以滿足或超過某一閾值的供應(yīng)的氫氣的純度。氫氣的供應(yīng)商和經(jīng)銷商通常在輸送之前通過分析氫氣的組成來保證供應(yīng)的氫的純度，例如使用，裝置如氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、電離檢測器和紅外光譜儀。基于使用這些裝置記錄的氣體組成的分析測量，供應(yīng)商然后可以為消費(fèi)者提供對(duì)于這些或其他化合物的分析的證書，用于氫氣的供應(yīng)。雖然這些分析方法可能對(duì)于在集中的氫生產(chǎn)設(shè)施的質(zhì)量控制以確保氫純度是有用的，但這些方法對(duì)于在例如氫加氣站(hydrogen fueling stat1ns)或氫傳輸站的使用來說可能極為昂貴。然而，在集中的設(shè)施生產(chǎn)的氫在運(yùn)輸?shù)绞褂命c(diǎn)(the point of use)的期間有可能受到污染。因此，需要一種有成本效益的方法，用于凈化氫氣、監(jiān)控氫氣的純度，并確保由供應(yīng)商輸送給消費(fèi)者的氫氣的純度的閾值水平。而且，對(duì)于氫生產(chǎn)系統(tǒng)如天然氣蒸汽-甲烷重整器和例如電解槽，可能需要有成本效益的質(zhì)量控制和監(jiān)控。本發(fā)明的實(shí)施例可以著手解決一個(gè)或多個(gè)上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種生產(chǎn)滿足預(yù)定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括通過電化學(xué)氫栗傳輸一定數(shù)量的氫氣混合物，其中該電化學(xué)氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質(zhì)膜;通過將氫氣從陽極經(jīng)電解質(zhì)膜傳輸?shù)疥帢O，從氫氣混合物中分離一定數(shù)量的氫氣；從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預(yù)定的純度閾值；以及生成證書(producing a certificate):收集的氫氣具有至少基本上等于預(yù)定的純度閾值的純度。
[0006]本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下方面:該方法可以進(jìn)一步包括從陽極去除來自氫氣混合物的一定數(shù)量的非氫氣，電解質(zhì)膜阻止該非氫氣穿過該電解質(zhì)膜到陰極；該方法可以進(jìn)一步包括將收集的氫氣輸送給消費(fèi)者;預(yù)定的純度閾值可以超過約99%氫;預(yù)定的純度閾值可以小于約300ppm的非氫氣;并且預(yù)定的純度閾值可以小于約50ppm的非氫氣。
[0007]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供滿足預(yù)定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括將含有氫氣和非氫氣的一定數(shù)量的氫氣混合物引入到電化學(xué)氫栗，其中該電化學(xué)氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質(zhì)膜;將氫氣混合物從陽極引導(dǎo)到電解質(zhì)膜；使氫氣穿過電解質(zhì)膜到陰極;基本上阻止非氫氣穿過電解質(zhì)膜;從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預(yù)定的純度閾值；以及將收集的氫氣與第二數(shù)量的氫氣混合物混合，其中該混合產(chǎn)生第三數(shù)量的氫氣混合物，該第三數(shù)量的氫氣混合物具有至少滿足預(yù)定的純度閾值的純度水平。
[0008]本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下方面:該方法可以進(jìn)一步包括提供保證(war ran ty ):第三數(shù)量的氫氣混合物具有至少基本上等于預(yù)定的純度閾值的純度;該方法可以進(jìn)一步包括將第三數(shù)量的氫氣輸送給消費(fèi)者;第一數(shù)量的氫氣混合物和第二數(shù)量的氫氣混合物可能最初兩者都是來源于氫氣混合物源，并且當(dāng)該第一數(shù)量引入到電化學(xué)氫栗時(shí)，該第一數(shù)量和第二數(shù)量可以被分離，且該第一數(shù)量和第二數(shù)量可以通過混合而重新匯合(rejoined);收集的氫氣可以與第二數(shù)量的氫氣混合物混合，并且被基本上阻止穿過電解質(zhì)膜的非氫氣可以不與該第二數(shù)量的氫氣混合物混合;可以將與第二數(shù)量的氫氣混合物混合的收集的氫氣輸送給消費(fèi)者;預(yù)定的純度閾值可以超過約99%氫；電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約2，000psi的壓力下運(yùn)行；電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約5，000psi的壓力下運(yùn)行;并且電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約10，000psi的壓力下運(yùn)行。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供滿足預(yù)定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括提供一定數(shù)量的氫氣;將第一部分該一定數(shù)量的氫氣轉(zhuǎn)移到電化學(xué)氫栗，其中該電化學(xué)氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質(zhì)膜;將第一部分氫氣從陽極引導(dǎo)到電解質(zhì)膜；使第一部分氫氣穿過電解質(zhì)膜到陰極;基本上阻止在第一部分中的非氫氣穿過電解質(zhì)膜；以及將穿過電解質(zhì)膜的第一部分氫氣再引入到?jīng)]有轉(zhuǎn)移到電化學(xué)氫栗的第二部分氫氣。
[0010]本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下方面:運(yùn)行電化學(xué)氫栗所需要的電壓可以隨著被基本上阻止穿過電解質(zhì)膜的非氫氣的量的增加而增加；電壓的增加可以是被基本上阻止穿過電解質(zhì)膜的非氫氣的量的函數(shù)，并且可以校準(zhǔn)電化學(xué)氫栗以檢測轉(zhuǎn)移到該電化學(xué)氫栗的第一部分氫氣是否降到純度的預(yù)定水平以下;該方法可以進(jìn)一步包括將穿過電解質(zhì)膜的第一部分氫氣及沒有轉(zhuǎn)移到電化學(xué)氫栗的第二部分氫氣輸送給消費(fèi)者；電化學(xué)氫栗可以進(jìn)一步包括控制器，且該方法可以進(jìn)一步包括如果控制器檢測到轉(zhuǎn)移到電化學(xué)氫栗的氫氣降到純度的預(yù)定水平以下，停止輸送第一部分氫氣給消費(fèi)者;該方法可以進(jìn)一步包括生成保證:輸送給消費(fèi)者的氫氣具有至少基本上等于預(yù)定的純度閾值的純度;該方法可以包括將一定量的第一部分該一定數(shù)量的氫氣發(fā)送到測量裝置，其中該測量裝置經(jīng)配置以測量氫氣的純度水平；可以將該一定量的第一部分從電化學(xué)氫栗的陽極發(fā)送到測量裝置；電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約2，000psi的壓力下運(yùn)行；電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約5，000psi的壓力下運(yùn)行;并且電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約10，000psi的壓力下運(yùn)行。
[0011]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種提供滿足預(yù)定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括將含有氫氣和非氫氣的一定數(shù)量的氫氣混合物引入到電化學(xué)氫栗，其中該電化學(xué)氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質(zhì)膜;將氫氣混合物從陽極引導(dǎo)到電解質(zhì)膜;使氫氣穿過電解質(zhì)膜到陰極;基本上阻止非氫氣穿過電解質(zhì)膜;從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預(yù)定的純度閾值；以及提供保證:收集的氫氣具有至少基本上等于預(yù)定的純度閾值的純度。
[0012]本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下方面:電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約5，000psi的壓力下運(yùn)行；并且電化學(xué)氫栗可以經(jīng)配置以在超過約10，000psi的壓力下運(yùn)行。
[0013]實(shí)施例額外的目的和優(yōu)點(diǎn)將部分地在以下說明中陳述，并且將部分地從說明中顯而易見，或者可以通過該實(shí)施例的實(shí)踐而得知。通過在所附的權(quán)利要求中具體指出的要素及組合將實(shí)現(xiàn)并獲得實(shí)施例的目的和優(yōu)點(diǎn)。
[0014]應(yīng)該理解的是，前述的一般說明及以下詳細(xì)說明兩者都僅為示例性和解釋性的，而不是對(duì)所要求保護(hù)的本發(fā)明的限制。
[0015]附圖包含在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，示出本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起，用以解釋本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0016]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性電化學(xué)電池的爆炸圖。
[0017]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性凈化方法。
[0018]圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性凈化方法。
[0019]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于監(jiān)控氫氣的純度的示例性方法。
[0020]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于監(jiān)控氫氣的純度的示例性方法。