一种制备高压氢气的电化学氢泵的制作方法

本实用新型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。

技术实现要素：

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。

在其中一个实施例中，所述分隔固定板和所述气液传输板的厚度相同，所述分隔固定板上设置有安装台阶，所述气液传输板上设置有安装凸台，所述安装凸台卡接于所述安装台阶以使所述气液传输板固定于所述分隔固定板。

在其中一个实施例中，所述分隔固定板一侧或两侧设置有凹槽，所述气液传输板厚度等于所述凹槽的深度，所述气液传输板嵌入所述凹槽内并固连于所述分隔固定板；所述分隔固定板上设置有通孔，所述通孔开设于所述凹槽底面。

在其中一个实施例中，相邻两个所述气室组件当中所述分隔固定板上的通孔错位设置。

在其中一个实施例中，所述电极板包括正极板和负极板，靠近所述正极板的所述固定端板上设置有低压氢气入口和低压氢气出口，靠近所述负极板的所述固定端板上设置有高压氢气出口。

在其中一个实施例中，所述气液传输板为多孔导电金属板或多孔导电碳板。

在其中一个实施例中，所述膜电极组件包括由内向外依次布置的质子传导膜、催化层和扩散层。

在其中一个实施例中，所述膜电极组件和所述气液传输板之间设有碳纸或碳毡。

本实用新型的有益效果是：

1、制备高压氢气的电化学氢泵有紧凑、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；

2、采用多孔气液传输板，其内孔空间直接作为气室，减少了多级电化学氢泵气体空间，减少了死体积，增大了安全性，减少了多级氢泵的容积；同时增大了与膜电极接触面积，给膜电极最好的支撑，同时增大了降低了欧姆阻抗，提高了氢泵的效能；

3、将分隔固定板和气液传输板加工成对应匹配的凸凹形状构成组合件，使之共同承受膜电极两侧的压力差，有效支撑膜电极，使之不产生形变，延长膜电极以及氢泵的稳定性和寿命；

4、采用多个氢泵串联而成多级电化学氢泵，电子导电和离子导电依次形成串联，由低压气室到高压气室依次形成串联，提高增压功效，降低能耗；

5、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。应用于便携式移动氢气增压设备以及固定式氢气加氢站等使用，也可用于高纯氢制备设备。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的制备高压氢气的电化学氢泵当中气室组件的结构示意图；

图2为图1当中实施例提供的制备高压氢气的电化学氢泵的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例提供的制备高压氢气的电化学氢泵当中气室组件的结构示意图；

图4为图3当中实施例提供的制备高压氢气的电化学氢泵的结构示意图。

其中：

紧固端板1；螺杆2；绝缘垫3；正极板4；负极板5；分隔固定板6；分隔固定板原板6a；气液传输板7；气室组件6-7；膜电极组件8；通孔9；通孔10；低压氢气入口11，低压氢气出口12；高压氢气出口13。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实用新型提供了一种制备高压氢气的电化学氢泵，通过采用多级电化学氢泵串联模式，即所施加的直流电为串联模式，氢泵内正负极气室也为串联模式，这样可以将氢气压力逐级迅速提高，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，也可用于高纯氢制备设备。

具体的，本实用新型所提供的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，气液传输板固定连接于分隔固定板后形成气室组件，分隔固定板用于支撑气液传输板，并起到密封气液传输板四周的作用，气液传输板为多孔导电板，保证氢气和水通过。气室组件数量均为多个，气室组件设置于两个电极板之间，任意两个相邻气室组件之间设置有一个膜电极组件；两个气室组件和一个膜电极组件构成单级氢泵，多个单级氢泵串联形成多级电化学氢泵，其中电子导电和离子导电依次形成串联，多个气室依次形成串联，实现由低压向高压的逐级增压。固定端板、绝缘板和电极板数量均为两个且相对设置，由外至内依次为固定端板、绝缘板和电极板。

在其中一个实施例中，分隔固定板和气液传输板的厚度相同，分隔固定板上设置有安装台阶，气液传输板上设置有安装凸台，安装凸台卡接于安装台阶以使气液传输板固定于分隔固定板。气室组件形成由安装凸台和安装台阶组成的凹凸结构，能够有效支撑膜电极组件，使得膜电极组件在高压下不产生形变。

在其中一个实施例中，分隔固定板一侧或两侧设置有凹槽，气液传输板厚度等于凹槽的深度，气液传输板嵌入凹槽内并固连于分隔固定板。由于凹槽结构并未贯通分隔固定板，此时需要在分隔固定板上设置通孔，通孔开设于凹槽底面，使得分隔固定板两侧连通，通孔的数量可以为一个也可以为多个。

在其中一个实施例中，相邻两个气室组件当中分隔固定板上的通孔错位设置，错位设置能够使得气液得到充分流动。

在其中一个实施例中，电极板包括正极板和负极板，靠近正极板的固定端板上设置有低压氢气入口和低压氢气出口，靠近负极板的固定端板上设置有高压氢气出口。

在其中一个实施例中，气液传输板为多孔导电金属板或多孔导电碳板，板内的多孔空间作为氢泵的气室，两个相邻膜电极组件之间的多孔空间作为同一气室。

在其中一个实施例中，膜电极组件包括由内向外依次布置的质子传导膜、催化层和扩散层，质子传导膜居中，两侧是催化层，再外两侧是扩散层，扩散层与气液传输板连接，催化层可以直接做到质子传导膜上也可以直接做到扩散层上。

在其中一个实施例中，膜电极组件和气液传输板之间设有碳纸、碳毡或其他常见多孔导电材料，起到增加支撑强度的作用。

基于上述实施例，本实用新型所提供的制备高压氢气的电化学氢泵至少具备以下优点：

1、制备高压氢气的多级电化学氢泵有紧凑、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；

2、采用多孔气液传输板，其内孔空间直接作为气室，减少了多级电化学氢泵气体空间，减少了死体积，增大了安全性，减少了多级氢泵的容积；同时增大了与膜电极接触面积，给膜电极最好的支撑，同时增大了降低了欧姆阻抗，提高了氢泵的效能；

3、将分隔固定板和气液传输板加工成对应匹配的凸凹形状构成组合件，使之共同承受膜电极两侧的压力差，有效支撑膜电极，使之不产生形变，延长膜电极以及氢泵的稳定性和寿命；

4、采用多个氢泵串联而成多级电化学氢泵，电子导电和离子导电依次形成串联，由低压气室到高压气室依次形成串联，提高增压功效，降低能耗；

5、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。应用于便携式移动氢气增压设备以及固定式氢气加氢站等使用，也可用于高纯氢制备设备。

实施例一：

如图1和图2所示，在一侧紧固端板1和绝缘板3以及正极板4上加工出低压氢气入口11和低压氢气出口12，在另一侧紧固端板1和绝缘板3以及负极板5上加工出高压氢气出口13。在紧固端板1和绝缘板3，绝缘板3和电极板4、5之间，正极板4、负极板5和分隔固定板6之间，做好密封。选取与气液传输板7厚度一致的分隔固定板原板6a，加工出具有内置台阶形状6，将气液传输板加工成与其相对应的凸台形状7，如图1所示，凸凹结合形成的分隔固定板-气液传输板组合件对膜电极有效支撑的组合件，使之在高压下不产生形变。按照氢空燃料电池常规做法制备膜电极组件8。

如图2所示，依次组装低压氢气侧的紧固端板1、绝缘板3、正极板4、第一块气室组件6-7、第一片膜电极组件8、第二块气室组件6-7、第二片膜电极组件8、第三块气室组件6-7、第三片膜电极组件8、第四块气室组件6-7、第四片膜电极组件8、第五块气室组件6-7、负极板5、绝缘板3、紧固端板1，最后用螺栓2加以紧固，组装成多级电化学氢泵，本实施例为四级电化学氢泵。

在第一块气室组件6-7内形成第一气室，内部压力为p1；在第二块气室组件6-7内形成第二气室，内部压力为p2；第三块气室组件6-7内形成第三室，内部压力为p3；在第四块气室组件6-7内形成第四气室，内部压力为p4；在第五块气室组件6-7内形成第四气室，内部压力为p5。在外接直流电场作用下，第一气室压力为p1的氢气在第一片膜电极组件8的正极电催化剂作用下解离为质子穿过第一片膜电极组件8中的质子传导膜后再在第一片膜电极组件8另一侧负极电催化剂作用下生成压力为p2的氢气，该氢气经过第二块气室组件6-7内的第二气室到达第二片膜电极组件8的正极电催化剂处解离为质子穿过第二片膜电极组件8中的质子传导膜后再在第二片膜电极组件8另一侧负极电催化剂作用下生成压力为p3的氢气，依次类推，最后在第五气室形成压力为p5的氢气。氢是在氢气-质子-氢气往复变换，导电是在电子导电-质子导电-电子导电往复变换。根据前述公式1：e＝(rt/2f)ln(p2/p2)+ir，在外电场作用下，经过第一个氢泵，氢气压力从p1增加到p2；经过第二个氢泵，氢气压力从p2增加到p3；以此类推，最后增压到p5。由于每次增压过程是指数级别，所以经过多级增压可以到达更高压力。

实施例二：

如图3和图4所示，本实施例与实施例1的区别在于气室组件6-7不同。本实施例中，选取分隔固定板原板6a，在分隔固定板两侧加工出凹台6，并在分隔固定板加工出通孔9、通孔10，将气液传输板加工并嵌入分隔固定板的凹台内。当时用多级氢泵，使用多块分隔固定板时，相邻的分隔固定板上加工出气液通道最好选择错位，以使气液得到充分流动。在保证良好支撑前提下，该气液通道可以为一个也可以为多个。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。