[发明专利]一种制备高压氢气的电化学氢泵

说明书

本发明涉及一种制备高压氢气的多级电化学氢泵，所述一种制备高压氢气的多级电化学氢泵是由包括紧固端板和紧固螺杆、绝缘板、电极板、分隔固定板、气液传输板、膜电极组件等构成。分隔固定板与气液传输板形成气室组件，其内孔空间直接作为气室，减少了死体积，增大了安全性；增大了与膜电极接触面积，给膜电极最好的支撑，同时降低了欧姆阻抗，提高了氢泵的效能；多级电化学氢泵是由多个氢泵串联而成，实现逐级增压。结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，可以大幅度降低成本，同时使组装工序和要求相对简单易于控制。该技术适用范围宽，小至便携式移动氢气增压设备，大至固定式氢气加氢站等使用，也可用于高纯度氢气提纯设备。

技术领域

本发明涉及制氢设备技术领域，特别是涉及一种制备高压氢气的电化学氢泵。

背景技术

目前充分利用自然能和氢能是实现碳减排，应对化石能源枯竭的最优选择。利用氢能就要解决氢气的生产、储存、运输、利用等几大环节的关键问题。

氢多以气体状态存在，在储存和运输过程中，氢气要被压缩成高压氢气或液化成液态氢。氢气被压缩成高压氢气的方法主要是靠机械能反复做功将氢气压缩，然后储存在高压气瓶中，不仅增压设备庞大，工作过程要消耗大量能量、噪音大、增压泵往返运动也会造成密封件磨损导致漏气，更为重要的是当氢气被压缩到一定高压后，压缩因子增大，难以进一步压缩，同时要消耗更大能量。

目前可以用电化学氢泵替代常用的往复式机械增压装置，与后者相比，电化学氢泵有紧凑、升压效率高、由于没有机械动作部分，因此无需维护、几乎没有噪声等诸多优点。电化学氢泵基本是由质子传导膜分开的两个气室构成，质子传导膜两侧辅有电化学催化剂，在外接直流电时处于正极气室内的低压氢气在电催化作用下解离成质子通过质子传导膜传至负极气室重新生成高压氢气，如公式(1)所示。

E＝(RT/2F)ln(P₂/P₂)+ir (1)

在(1)式中，E为施加于氢泵两侧的直流电压(V)，R为气体常量(8.3145J/K·mol)，T为氢泵内的温度(K)，F为法拉第常量(96485C/mol)，P₁表示正极侧压力(Pa)，P₂表示负极侧压力(Pa)，i表示电流(A)，r表示电池总电阻(Ω)。

当温度和电流、总电阻不变时，施加的直流电压越大，氢气压力增高的倍数越大，这个倍数的增加是趋于电压值的自然常数次方的，增压效果剧增。

日本松下公司在电化学氢泵做了一些工作，在中国专利110552014A中主要描述了单级增压中对膜的强支撑结构，在中国专利111082091A中主要描述了多单元氢泵结构，在日本专利666751B1、6719054B2、6719075B1、2020117782A等中，所描述的多单元氢泵结构都是采用所施加的电压为串联模式，而进入各单元氢泵的低压氢气都为联通在一起(同一公共管道，气体压力一致)的并联模式，从多组氢泵出来的高压氢气也都为连通在一起(同一公共管道，气体压力一致)的并联模式的，这样的结构只能提高高压氢气的生成量，并没有使氢气压力成级数倍增大。

发明内容

基于此，有必要针对目前的制氢设备所存在的增压过程耗能高、噪音大、效率低的问题，提供一种制备高压氢气的电化学氢泵。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种制备高压氢气的电化学氢泵，包括固连为一体的固定端板、绝缘板、电极板、分隔固定板、气液传输板和膜电极组件，所述气液传输板固定连接于所述分隔固定板后形成气室组件；所述固定端板、所述绝缘板和所述电极板数量均为两个且相对设置，由外至内依次为所述固定端板、所述绝缘板和所述电极板；所述气室组件数量均为多个，所述气室组件设置于两个所述电极板之间，任意两个相邻所述气室组件之间设置有一个所述膜电极组件。