利用電化學電池生產和提供凈化的氣體的方法
【專利說明】利用電化學電池生產和提供凈化的氣體的方法
[0001 ] 本專利申請在35 U.S.C.§ 120規定下要求在2013年6月28日提交的美國臨時申請N0.61/840，843的優先權，該申請的全部內容在此并入作為參考。
技術領域
[0002]本發明的實施例涉及電化學電池，更具體地，涉及利用電化學電池用于氣體凈化、監控和/或用于提供凈化的氣體的方法。
【背景技術】
[0003]氫已經成為傳統能源如化石燃料的一種可行的替換，用于一系列的技術，包括(例如)運輸交通工具、便攜式電源和固定式電力生產。氫作為能源載體的成功商業化及“氫經濟”的長期可持續性可能部分地取決于氫操縱(manipulat1n)和管理系統(例如，EHC)及氫分配系統(例如，分配站)的效率和成本效益。
[0004]氫氣的用戶可能對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、高級烴、3、(:1、8匕取、￥(^8、!120、!1010、!10)0!1、冊3、鹵代化合物和例如顆粒物(particulates)。因此，消費者可以要求供應商提供凈化的氫氣，并且在某些情況下，以滿足或超過某一閾值的供應的氫氣的純度。氫氣的供應商和經銷商通常在輸送之前通過分析氫氣的組成來保證供應的氫的純度，例如使用，裝置如氣相色譜儀、質譜儀、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，供應商然后可以為消費者提供對于這些或其他化合物的分析的證書，用于氫氣的供應。雖然這些分析方法可能對于在集中的氫生產設施的質量控制以確保氫純度是有用的，但這些方法對于在例如氫加氣站(hydrogen fueling stat1ns)或氫傳輸站的使用來說可能極為昂貴。然而，在集中的設施生產的氫在運輸到使用點(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、監控氫氣的純度，并確保由供應商輸送給消費者的氫氣的純度的閾值水平。而且，對于氫生產系統如天然氣蒸汽-甲烷重整器和例如電解槽，可能需要有成本效益的質量控制和監控。本發明的實施例可以著手解決一個或多個上述問題。
【發明內容】
[0005]根據一個實施例，一種生產滿足預定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括通過電化學氫栗傳輸一定數量的氫氣混合物，其中該電化學氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質膜;通過將氫氣從陽極經電解質膜傳輸到陰極，從氫氣混合物中分離一定數量的氫氣；從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預定的純度閾值；以及生成證書(producing a certificate):收集的氫氣具有至少基本上等于預定的純度閾值的純度。
[0006]本發明的各個實施例可以包括一個或多個以下方面:該方法可以進一步包括從陽極去除來自氫氣混合物的一定數量的非氫氣，電解質膜阻止該非氫氣穿過該電解質膜到陰極；該方法可以進一步包括將收集的氫氣輸送給消費者;預定的純度閾值可以超過約99%氫;預定的純度閾值可以小于約300ppm的非氫氣;并且預定的純度閾值可以小于約50ppm的非氫氣。
[0007]在本發明的另一個實施例中，一種提供滿足預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量的氫氣混合物引入到電化學氫栗，其中該電化學氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質膜;將氫氣混合物從陽極引導到電解質膜；使氫氣穿過電解質膜到陰極;基本上阻止非氫氣穿過電解質膜;從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預定的純度閾值；以及將收集的氫氣與第二數量的氫氣混合物混合，其中該混合產生第三數量的氫氣混合物，該第三數量的氫氣混合物具有至少滿足預定的純度閾值的純度水平。
[0008]本發明的各個實施例可以包括一個或多個以下方面:該方法可以進一步包括提供保證(war ran ty ):第三數量的氫氣混合物具有至少基本上等于預定的純度閾值的純度;該方法可以進一步包括將第三數量的氫氣輸送給消費者;第一數量的氫氣混合物和第二數量的氫氣混合物可能最初兩者都是來源于氫氣混合物源，并且當該第一數量引入到電化學氫栗時，該第一數量和第二數量可以被分離，且該第一數量和第二數量可以通過混合而重新匯合(rejoined);收集的氫氣可以與第二數量的氫氣混合物混合，并且被基本上阻止穿過電解質膜的非氫氣可以不與該第二數量的氫氣混合物混合;可以將與第二數量的氫氣混合物混合的收集的氫氣輸送給消費者;預定的純度閾值可以超過約99%氫；電化學氫栗可以經配置以在超過約2，000psi的壓力下運行；電化學氫栗可以經配置以在超過約5，000psi的壓力下運行;并且電化學氫栗可以經配置以在超過約10，000psi的壓力下運行。
[0009]在另一個實施例中，一種提供滿足預定的純度閾值的氫氣的方法，可以包括提供一定數量的氫氣;將第一部分該一定數量的氫氣轉移到電化學氫栗，其中該電化學氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質膜;將第一部分氫氣從陽極引導到電解質膜；使第一部分氫氣穿過電解質膜到陰極;基本上阻止在第一部分中的非氫氣穿過電解質膜；以及將穿過電解質膜的第一部分氫氣再引入到沒有轉移到電化學氫栗的第二部分氫氣。
[0010]本發明的各個實施例可以包括一個或多個以下方面:運行電化學氫栗所需要的電壓可以隨著被基本上阻止穿過電解質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膜的非氫氣的量的函數，并且可以校準電化學氫栗以檢測轉移到該電化學氫栗的第一部分氫氣是否降到純度的預定水平以下;該方法可以進一步包括將穿過電解質膜的第一部分氫氣及沒有轉移到電化學氫栗的第二部分氫氣輸送給消費者；電化學氫栗可以進一步包括控制器，且該方法可以進一步包括如果控制器檢測到轉移到電化學氫栗的氫氣降到純度的預定水平以下，停止輸送第一部分氫氣給消費者;該方法可以進一步包括生成保證:輸送給消費者的氫氣具有至少基本上等于預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量的氫氣發送到測量裝置，其中該測量裝置經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氫栗的陽極發送到測量裝置；電化學氫栗可以經配置以在超過約2，000psi的壓力下運行；電化學氫栗可以經配置以在超過約5，000psi的壓力下運行;并且電化學氫栗可以經配置以在超過約10，000psi的壓力下運行。
[0011]在另一個示例性實施例中，一種提供滿足預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量的氫氣混合物引入到電化學氫栗，其中該電化學氫栗包括陽極、陰極及位于陽極和陰極之間的電解質膜;將氫氣混合物從陽極引導到電解質膜;使氫氣穿過電解質膜到陰極;基本上阻止非氫氣穿過電解質膜;從陰極收集氫氣，其中收集的氫氣至少滿足預定的純度閾值；以及提供保證:收集的氫氣具有至少基本上等于預定的純度閾值的純度。
[0012]本發明的各個實施例可以包括一個或多個以下方面:電化學氫栗可以經配置以在超過約5，000psi的壓力下運行；并且電化學氫栗可以經配置以在超過約10，000psi的壓力下運行。
[0013]實施例額外的目的和優點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，或者可以通過該實施例的實踐而得知。通過在所附的權利要求中具體指出的要素及組合將實現并獲得實施例的目的和優點。
[0014]應該理解的是，前述的一般說明及以下詳細說明兩者都僅為示例性和解釋性的，而不是對所要求保護的本發明的限制。
[0015]附圖包含在本說明書中并構成說明書的一部分，示出本發明的實施例，并與說明書一起，用以解釋本發明的原理。
【附圖說明】
[0016]圖1示出了根據本發明實施例的示例性電化學電池的爆炸圖。
[0017]圖2A示出了根據本發明實施例的示例性凈化方法。
[0018]圖2B示出了根據本發明實施例的示例性凈化方法。
[0019]圖3A示出了根據本發明實施例的用于監控氫氣的純度的示例性方法。
[0020]圖3B示出了根據本發明實施例的用于監控氫氣的純度的示例性方法。