專(zhuān)利名稱(chēng)：一種產(chǎn)生和儲(chǔ)存氫氣的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來(lái)產(chǎn)生和儲(chǔ)存氫氣、特別是用于為燃料電池提供氫氣源的方法和裝置，所述方法包括以下步驟在PEM電解電池中產(chǎn)生氫氣，將所述氫氣輸送到金屬氫化物儲(chǔ)器，對(duì)所述金屬氫化物儲(chǔ)器供應(yīng)氫氣。
背景技術(shù)：
使用金屬氫化物，例如基于分別具有AB2或AB5結(jié)構(gòu)的LaNi或TWr的合金進(jìn)行儲(chǔ)氫的方法是一種人們已知的用來(lái)為燃料電池之類(lèi)的消耗裝置提供氫氣源的方法。但是， 金屬氫化物對(duì)液態(tài)水或蒸氣態(tài)的水都極為敏感。通過(guò)電解產(chǎn)生的氫氣通常都含有一部分的水，必須先除去這些水，然后才能將所述氫氣輸送到金屬氫化物儲(chǔ)器。例如從美國(guó)專(zhuān)利第US 5，964，089號(hào)的圖3 了解到，可以使用液態(tài)水分離器、冷凝盤(pán)管和化學(xué)干燥器來(lái)除去所述一部分的水。為了完全地除去任何液體，這些元件需要具有寬大的尺寸。本發(fā)明的一個(gè)目的是以更簡(jiǎn)單更節(jié)省空間的方式實(shí)現(xiàn)接近完全的去除。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明方法的特征是首先在至少1兆帕絕對(duì)壓力的第一壓力下輸送氫氣， 在下文中所有的壓力數(shù)據(jù)均為絕對(duì)壓力，然后使用壓力調(diào)節(jié)裝置將壓力降低到指定的小于所述第一壓力的第二壓力，所述第二壓力是施加于所述金屬氫化物儲(chǔ)器的供給壓力。另外， 本發(fā)明的裝置包括PEM電解電池、金屬氫化物氫氣儲(chǔ)器和連接這些元件的導(dǎo)管，該裝置的特征是，所述壓力調(diào)節(jié)裝置與所述導(dǎo)管結(jié)合成為整體。本發(fā)明基于以下現(xiàn)象飽和水蒸氣分壓取決于溫度，但是如果包含水蒸氣的混合物的氣壓增大，飽和水蒸氣分壓大體保持恒定。在電解的時(shí)候，有可能通過(guò)控制電壓之類(lèi)的參數(shù)，直接在電極處，在高壓條件下產(chǎn)生氫氣，特別是當(dāng)使用聚合物電解質(zhì)薄膜(PEM)電解電池的時(shí)候尤為如此。通常的電解溫度為60°C，于是乎，如果在大約0. 1兆帕壓力下產(chǎn)生氫氣，則對(duì)于100個(gè)氣體分子，其中包含20個(gè)水分子，如果在大約1兆帕的壓力下產(chǎn)生氫氣， 則對(duì)于100個(gè)氣體分子，包含2個(gè)水分子。另一方面，在開(kāi)始充氣的時(shí)候，所述金屬氫化物氫氣儲(chǔ)器的反壓約為0. 1千帕，該反壓會(huì)在充氣過(guò)程中增大。如果輸送入所述金屬氫化物儲(chǔ)器的氫氣-水混合物是在0. 1兆帕條件下生成的，則所述金屬氫化物很快就會(huì)被破壞。第一壓力下的氣體混合物優(yōu)選缺少水分子，無(wú)論該氣體混合物是在高壓條件下生成的或者是后來(lái)進(jìn)行的壓縮，而在第二壓力下，即儲(chǔ)器的反壓之下，該氣體混合物仍然利用了該低水分子含量?？梢杂幸娴靥砑悠渌拿撍b置，例如化學(xué)吸收器形式的水蒸氣分離器。由于PEM 電解電池產(chǎn)生的水蒸氣總量很少，因此更換所述化學(xué)吸收器的時(shí)間間隔很長(zhǎng)。另外，還可以整體化地采用液態(tài)水分離器，例如冷凝器，其通過(guò)將水分冷卻至等于或低于常溫的溫度而發(fā)揮作用。由于采用的高的第一壓力，使得水分含量很低，因此由于結(jié)冰造成系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。所述液態(tài)水分離器具有氣體收集區(qū)和液體收集區(qū)，液體收集區(qū)包括用來(lái)控制液體排放裝置的液面?zhèn)鞲衅?，所述液體排放裝置包括減壓器和閥門(mén)?？梢詫⑹占囊后w排掉或者再循環(huán)到一個(gè)或多個(gè)電解池中。由此可以保證連續(xù)操作。根據(jù)本發(fā)明，所述壓力調(diào)節(jié)裝置，特別是減壓閥，可以?xún)?yōu)選地是一種壓力保持閥， 該壓力保持閥將其入口側(cè)的壓力保持在至少1兆帕的第一壓力，與其出口側(cè)的第二壓力實(shí)際上無(wú)關(guān)。另外，整體化設(shè)置了位于所述PEM電解電池和所述壓力調(diào)節(jié)裝置之間的第一壓敏開(kāi)關(guān)作為安全裝置，以檢查PEM電解電池是否產(chǎn)生了特定的最低壓力；如果未產(chǎn)生所述特定的最低壓力，則認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。整體化設(shè)置位于所述壓力調(diào)節(jié)裝置和金屬氫化物儲(chǔ)器之間的第二壓敏開(kāi)關(guān)，當(dāng)達(dá)到所述儲(chǔ)器的特定背壓的時(shí)候，關(guān)停電解，所述特定的背壓取決于充氣水平。


結(jié)合附圖，通過(guò)以下關(guān)于優(yōu)選實(shí)施方式的描述，可以清楚地了解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。圖1顯示了本發(fā)明的原理。圖2顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的方塊圖。圖3顯示壓力調(diào)節(jié)閥的剖面圖。優(yōu)選實(shí)施方式詳述根據(jù)圖1，在PEM電解池1的層疊堆中(圖中為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)顯示了單個(gè)電解池)， 陰極室2和陽(yáng)極室3被聚合物電解質(zhì)薄膜(PEM)4分隔。向所述陽(yáng)極室3中加入操作用水。 所述室包括提供有直流電的電極，由此在室3內(nèi)的陽(yáng)極處產(chǎn)生氧氣，在室2內(nèi)的陰極處產(chǎn)生氫氣，氫氣是電解池1有用的產(chǎn)物。氫氣在至少1兆帕、優(yōu)選2. 5-4兆帕的壓力下生成，在此壓力下，極少會(huì)有水蒸氣隨著氫氣一起逸出。在此情況下，陰極室2中極少會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)水分。第一導(dǎo)管5在所述初始高壓下將幾乎不含任何水分的氫氣從該室2輸送到壓力調(diào)節(jié)裝置11，在所述的實(shí)施例中，所述壓力調(diào)節(jié)裝置11是減壓閥。所述裝置11的出口與第二導(dǎo)管12相連，所述第二導(dǎo)管12在減小的壓力下將氫氣輸送到金屬氫化物儲(chǔ)器13，在該儲(chǔ)器處對(duì)氫氣進(jìn)行化學(xué)儲(chǔ)存。該金屬氫化物儲(chǔ)器13產(chǎn)生反壓，在開(kāi)始充氣的時(shí)候，該反壓通常為0. 1兆帕，在充氣結(jié)束的時(shí)候，該反壓為2兆帕。優(yōu)選在全部的充氣階段中，通過(guò)所述壓力調(diào)節(jié)裝置11保持在所述第一導(dǎo)管5中的第一壓力與所述第二導(dǎo)管12中的第二壓力之間的壓力差。因此，氫氣在達(dá)到裝置11之前的狀態(tài)優(yōu)選在高于充氣所需的壓力下保持恒定， 由此將水含量保持在接近于零。如果PEM電解池1輸送的壓力不足以輸送幾乎不含水的氫氣，則可以采用在出口導(dǎo)管5中使用壓縮器的結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過(guò)該壓縮機(jī)之后，氣流適度干燥。圖2顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的方塊圖。包括室2和室3以及PEM4的電解池1 經(jīng)由泵18與儲(chǔ)水容器17相連，所述泵18用來(lái)在電子控制裝置19的控制下加入待分解的水，所述泵18經(jīng)由控制線路20與所述電子控制裝置19相連。通過(guò)回水管線21將水與反應(yīng)產(chǎn)物氧氣一起泵送通過(guò)所述陽(yáng)極室3，返回儲(chǔ)水容器17。電源通過(guò)電源裝置22控制，控制裝置19饋給電源裝置22信號(hào)。管組控制線路23用來(lái)控制示為電解池1的電解質(zhì)層疊堆。所述儲(chǔ)水容器17具有供水入口 25和水平面?zhèn)鞲衅魃颍鏊矫鎮(zhèn)鞲衅魃蚪?jīng)由控制線路27與電子控制裝置19相連。其還包括氧氣出口 28。通過(guò)所述第一導(dǎo)管5從陰極室2逸出的仍然包含痕量水蒸氣的氫氣首先在散熱器 32中冷卻至常溫，由此使得殘余水分的一部分冷凝，然后引向水收集容器33。容器33的上部任選地在常溫下冷卻，優(yōu)選使用珀?duì)柼M(jìn)行冷卻。甚至也可能在0°C冷卻。由于采用的高的第一壓力，使得水分含量很低，因此由于結(jié)冰造成系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。在容器33的下部，收集液態(tài)水，使用液面?zhèn)鞲衅?4對(duì)水平面進(jìn)行控制，當(dāng)達(dá)到某一水平面的時(shí)候，所述液面?zhèn)鞲衅?4會(huì)激活一個(gè)電磁閥35。在容器33和閥35之間插入一個(gè)減壓裝置36，這是因?yàn)樵谌萜?3中，陰極室2的高壓仍然存在。容器33排出的水經(jīng)由再循環(huán)線路37再循環(huán)到儲(chǔ)水容器17，或者經(jīng)由清除線路38將水清除到環(huán)境中。離開(kāi)容器33的氫氣經(jīng)由導(dǎo)管(仍標(biāo)記為第一導(dǎo)管5)通過(guò)安全閥43，然后進(jìn)入本領(lǐng)域已知的化學(xué)吸收器44，用以對(duì)氫氣進(jìn)行最終的脫水，所述安全閥43在例如比第一壓力高0. 3兆帕的條件下打開(kāi)。離開(kāi)化學(xué)吸收器44的氫氣通過(guò)壓敏開(kāi)關(guān)45，如果所述第一壓力降至低于第一閾值，例如2-2. 5兆帕的時(shí)候，所述壓敏開(kāi)關(guān)會(huì)向所述控制裝置19發(fā)送信號(hào)。 如果在某一起始階段之后，壓力降至低于該閾值的水平，則認(rèn)為該系統(tǒng)發(fā)生了泄漏故障，控制裝置19將會(huì)關(guān)停該系統(tǒng)。然后導(dǎo)管5引向壓力調(diào)節(jié)裝置11，此時(shí)仍然處于陰極室3的第一壓力下。所述壓力調(diào)節(jié)裝置11將壓力降至金屬氫化物儲(chǔ)器13瞬時(shí)所需的壓力。該裝置11可以采用多種結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的實(shí)施例使用減壓閥，參見(jiàn)以下圖3。所述裝置11的出口是第二導(dǎo)管12，該第二導(dǎo)管12將處于第二壓力的氫氣引導(dǎo)到金屬氫化物儲(chǔ)器13。壓敏開(kāi)關(guān)48對(duì)導(dǎo)管12中的壓力進(jìn)行檢查，以獲知充氣步驟的終點(diǎn)，將此信息輸送給控制裝置19，然后關(guān)停該系統(tǒng)。如上文所述，隨著充氣的進(jìn)行，儲(chǔ)器13的背壓升高，該背壓還取決于儲(chǔ)器的溫度。出于這個(gè)原因，在第一次關(guān)停之后，溫度會(huì)下降，這也會(huì)導(dǎo)致背壓降低，結(jié)果是開(kāi)關(guān)48會(huì)使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，這種次序可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)次。按照所述實(shí)施例向第二導(dǎo)管12中插入導(dǎo)管沖洗閥49，用來(lái)在長(zhǎng)時(shí)間未使用之后進(jìn)行受控制的沖洗。所述金屬氫化物儲(chǔ)器13可拆卸地與導(dǎo)管12連接，以便在完全充氣之后進(jìn)行替換。裝配傳感器50檢測(cè)金屬氫化物儲(chǔ)器13與導(dǎo)管12的正確組裝，就此向控制裝置19發(fā)送信號(hào)。圖3的結(jié)構(gòu)是一種基礎(chǔ)類(lèi)型的背壓閥。導(dǎo)管5連接于氫氣入口 55，導(dǎo)管12連接于氫氣出口 56。這些端口 55和56設(shè)置在汽缸體57之內(nèi)，其中活塞58滑動(dòng)性地設(shè)置在孔內(nèi)，受到螺旋彈簧59的壓力，直至活塞58前表面內(nèi)的密封件60撞擊到凸面的凸緣65上， 所述凸面的凸緣65經(jīng)由管子66與出口 56連通，與此同時(shí)，在凸緣65周?chē)⑹艿狡左w57 和活塞58限制的空間經(jīng)由管子67與入口 55連通。由此，在凸緣65和密封件60之間形成圓環(huán)形的密封區(qū)域68?；钊?8的相反表面經(jīng)由孔69與周?chē)h(huán)境相連通，由此對(duì)活塞的背側(cè)施加常壓壓力。在管子66和67之間存在著較高的第一壓力和較低的第二壓力之間的壓力差，上述兩種壓力一起使得活塞58對(duì)抗彈簧59的作用力而上升，由此打開(kāi)元件60和65 之間的間隙，該間隙作為阻塞門(mén)，氫氣通過(guò)該阻塞門(mén)，在第二壓力下通入導(dǎo)管12。所述第二壓力由金屬氫化物儲(chǔ)器13及其充氣狀態(tài)來(lái)決定。
IPEM電解電池
2陰極室
3陽(yáng)極室
4聚合物電解質(zhì)薄膜
5第一導(dǎo)管
11壓力調(diào)節(jié)裝置
12第二導(dǎo)管
13金屬氫化物儲(chǔ)器
17儲(chǔ)水容器
18泵
19電子控制裝置
20控制線路
21回水線路
22電源裝置
23層疊堆控制線路
25供水進(jìn)口
26水平面?zhèn)鞲衅?br> 27控制線路
28氧氣出口
32散熱器
33水收集容器
34液面?zhèn)鞲衅?br> 35閥門(mén)
36減壓器
37再循環(huán)線路
38清除線路
43安全閥
44化學(xué)吸收器
45壓敏開(kāi)關(guān)
48壓敏開(kāi)關(guān)
49導(dǎo)管沖洗閥
50裝配傳感器
55氫氣入口
56氫氣出口
57汽缸體
58活塞
59彈簧
60密封件
65凸面凸緣
66 管子 67管子

68 密封區(qū)域 69孔
權(quán)利要求
1.一種對(duì)金屬氫化物氫氣儲(chǔ)器(π)進(jìn)行充氣的方法，所述方法包括以下步驟在PEM 電解電池(1)中產(chǎn)生氫氣，將氫氣輸送到所述金屬氫化物儲(chǔ)器，用氫氣對(duì)所述金屬氫化物儲(chǔ)器進(jìn)行充氣，其特征是，氫氣首先在至少1兆帕的第一壓力下進(jìn)行輸送，然后使用壓力調(diào)節(jié)裝置(11)將該壓力降至低于所述第一壓力的第二指定壓力，所述第二壓力是對(duì)所述金屬氫化物儲(chǔ)器(1 進(jìn)行充氣的壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氫氣是在所述第一壓力下直接在PEM電解電池(1)中產(chǎn)生的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，氫氣在到達(dá)所述壓力調(diào)節(jié)裝置(11)之前，被引導(dǎo)通過(guò)脫水裝置(32,33,44) 0
4.一種裝置，用來(lái)根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述產(chǎn)生和儲(chǔ)存氫氣，所述裝置包括PEM 電解電池(1)，金屬氫化物氫氣儲(chǔ)器(1 和連接這些元件的導(dǎo)管(5，12)，其特征是，壓力調(diào)節(jié)裝置(11)與所述導(dǎo)管(5，12)成為一整體。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述PEM電解電池(1)使用聚合物電解質(zhì)薄膜PEM⑷。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述壓力調(diào)節(jié)裝置(11)是壓力保持閥， 所述壓力保持閥將其入口側(cè)(5 的壓力保持在至少1兆帕的第一壓力，所述第一壓力與所述壓力保持閥出口側(cè)(56)的第二壓力相獨(dú)立。
7.如權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在所述PEM電解電池(1)和壓力調(diào)節(jié)裝置(11)之間的導(dǎo)管( 與水蒸氣分離器成為一整體，該水蒸氣分離器是化學(xué)吸收器 G4)。
8.如權(quán)利要求4-7中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在所述PEM電解電池(1)和壓力調(diào)節(jié)裝置(11)之間的導(dǎo)管( 與液體分離器成為一整體進(jìn)行操作，該液體分離器通過(guò)冷卻 (32，33)進(jìn)行冷凝。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述液體冷凝分離器(33)包括液體收集區(qū)， 該液體收集區(qū)包括用來(lái)控制液體排放裝置的液面?zhèn)鞲衅?34)，所述液體排放裝置包括減壓器(36)和閥門(mén)(35)。
10.如權(quán)利要求4-9中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，壓敏開(kāi)關(guān)05)與位于所述PEM 電解電池(1)和壓力調(diào)節(jié)裝置(11)之間的導(dǎo)管( 相連，用來(lái)在所述第一壓力降至低于第一閾值的時(shí)候發(fā)出信號(hào)。
11.如權(quán)利要求4-10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，壓敏開(kāi)關(guān)08)與位于所述壓力調(diào)節(jié)裝置(11)和金屬氫化物儲(chǔ)器(1 之間的導(dǎo)管(1 相連，用來(lái)在所述第二壓力高于第二閾值的時(shí)候發(fā)出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用來(lái)對(duì)金屬氫化物氫氣儲(chǔ)器(13)充氣的方法和裝置。本發(fā)明包括在PEM電解電池中產(chǎn)生氫氣(1)，將氫氣輸送到金屬氫化物儲(chǔ)器，并用氫氣對(duì)所述金屬氫化物儲(chǔ)器充氣。為了獲得不含水雜質(zhì)的氫氣，氫氣首先在至少1兆帕的第一壓力下傳輸，然后使用壓力調(diào)節(jié)裝置(11)將該壓力降至低于所述第一壓力的第二指定壓力，所述第二壓力是對(duì)所述金屬氫化物儲(chǔ)器充氣的壓力。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102376964SQ20101025674
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者楊正, 林繼青, 顧志軍 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司