氢气回收设备和操作方法
【专利说明】氢气)回收设备和操作方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请是 2013 年 5 月 31 日递交的标题为"Hydrogen Recycling Apparatus and Method of Operation"的序列号为61/829, 478的美国临时申请的非临时申请，其内容以引 用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本文所公开的主题涉及用于从主要由氢气组成的气流中的污染物中分离氢气的 电化学系统，且尤其涉及一种用于从含有一氧化碳（"C0"）污染物的混合物中分离氢的系 统。
【背景技术】
[0004] 聚合物电极膜（"PEM"）系统使用电化学工艺来使氢气与其他元素或化合物分离。 PEM系统的一个示例是电解电池堆栈，其将水分解成氢气和氧气。另一类型的PEM系统可 以用来从由氢气和其他化合物（例如〇) 2、0)、队等）组成的气流中分离氢气。这些类型的 PEM系统可以适合于使用氢气作为工艺流体的用途，例如，热处理操作，其中，热处理在氢气 氛中进行。
[0005] PEM系统典型地由以电学上串联布置的多个电池组成。各个电池由聚合物膜构成， 阳极和阴极布置在相对两侧上。当PEM系统用于处理诸如在前述热处理操作的应用中的废 气流时，当在被送至PEM电池中的电极的氢气中存在可感知浓度的一氧化碳（"C0"）时，可 停止操作。氢气被吸附在催化剂上，然后有效地阻止电池的操作。当一氧化碳（"C0"）被 送至电化学氢栗或压缩机的阳极时，热力学预测一部分CO将参与与水（其由于PEM水合作 用是可用的）的平衡反应，然后形成CO 2。典型地，在实践中，该反应非常慢，电极催化剂由 于CO被快速失活。
[0006] -些现有技术的系统尝试通过在高温下操作来加速CO的氧化以解决该问题。这 通常需要备用的高温膜。通常探寻的另一方法是升高电池电压。当升高电池电压时，通过 外部电源在阳极处驱动CO的氧化，消耗水，且在阴极处形成氢气（"H 2"）。该方法在某种 程度上有效。典型地，在一些种类的脉冲或波函数中瞬时地应用高电压。然而，在任何时候 升高施加到电池的电压，则升高了功率消耗。
[0007] 使电压脉冲（pulse)到高压还产生其他问题。由于电压在电化学氢气压缩机中被 较高地驱动，尽管在阳极处的CO的氧化被促进，然而更多的氢气被氧化。换言之，栗速率增 大。得到的电流的一部分将去氧化氢气而另一部分将去氧化C0。因此如果氢气栗或压缩机 正在操作且电压较高地脉冲，则在阳极上氢气的存在几乎充当牺牲材料的作用，防止CO的 氧化而有利于氢气的氧化。
[0008] 因此，尽管现有的PEM系统适于它们的预期目的，然而仍然需要改进，尤其提供 PE：M系统中的改进，在该系统中，在较低的功率消耗水平和/或较低的操作温度下，氢气与 CO分离。
【发明内容】
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了操作电化学电池堆栈的方法。该方法包括将反应 气体送至电池堆栈。反应气体到电池堆栈中的至少一个电池的流动被停止。向至少一个电 池施加的电压增大。响应于电压增大超过阈值或经过合适的时段，启动反应气体到至少一 个电池的流动。结合附图，根据以下描述，这些和其他优点和特征将变得明显。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供了系统。该系统包括反应气体的源。反应气体包括 氢气和一氧化碳。提供了具有阳极和阴极的电化学电池。具有催化剂的阳极被配置成在操 作期间将反应气体的至少第一部分转化成二氧化碳，具有催化剂的阴极被配置成在操作期 间将反应气体的至少第二部分转化成氢气。控制器可操作地被联接到反应气体的源，该控 制器被配置成停止反应气体到电化学电池的流动以及响应于电压增大超过阈值持续预定 的时间量而重新启动反应气体的流动。
【附图说明】
[0011] 被视为本发明的主题在说明书的结束时的权利要求书中特别指出和明确地保护。 结合附图，从以下具体描述中，本发明的前述和其他特征以及优点是明显的，其中：
[0012] 图1是具有根据本发明的实施方式的氢气回收设备的热处理工艺的示意图；
[0013] 图2是图1的根据本发明的实施方式的氢气回收设备的示意图；
[0014] 图3是图2的氢气回收设备的电池内的反应的示意图；
[0015] 图4是用于从气流中的污染物中分离氢气的流程图；
[0016] 图5是图2的氢气回收设备的电池内的电流密度和电压的图解；以及
[0017] 图6是用于操作燃料电池的另一工艺的流程图。
[0018] 参考附图通过实施例，详细描述解释了本发明的实施方式以及特征和优点。
【具体实施方式】
[0019] 本发明的实施方式提供了从包括污染物（例如，CO)的气流中分离氢气的优点。本 发明的实施方式提供了复原电化学电池中的催化剂以允许在高CO浓度下操作电化学电池 的优点。本发明的另外的实施方式提供了允许在具有CO的气流上操作燃料电池的优点。
[0020] 现参考附图1，示出了示例性工艺20,其具有电化学氢气回收装置22。工艺20典 型地包括大容量的氢气存储系统24和大容量的氮气存储系统26。来自存储系统24、存储 系统26的气体被结合到气流控制面板28上的歧管。气流控制面板28被配置成将期望的 体积的气体混合物流动至工艺装置，例如，炉30。在工艺装置为炉30的情况下，待热处理的 材料从第一辊32送入炉30,在炉中材料在主要为氢气的气氛中被处理。在示例性实施方式 中，在炉30内的气氛是约99 %的氢气。材料离开炉30然后被收集在材料辊34上。
[0021] 工艺废气36离开炉30。在现有技术的系统中，该含有约IOOppm的CO和余量的 氢气的工艺废气被排放到大气中。在示例性实施方式中，该工艺废气36借助导管38、导管 40被导入氢气回收设备22。如下文中更详细的讨论，氢气回收设备从CO中分离出氢气，然 后通过导管42将所分离的氢气流回到气流控制面板28。C0(-部分CO目前已经被转化成 CO2)通过导管44被转移到气流36,在该气流处其被排放到大气中。
[0022] 现转到图2至图3,示出了氢气回收设备22。设备22包括电化学电池堆栈46。 电池堆栈46包括多个以串联或并联布置的电池48。各个电池48包括聚合物电极膜组件 ("MEA"）50。电极膜组件50包括质子交换膜52和在质子交换膜52的相对两侧处设置的 电极（阳极54和阴极56)。如所示出的，阳极54和阴极56两者被定位成在电池的活性区 域内通过质子交换膜52离子连通。活性区域被定义成，电池的氢与气流分离以在阴极上产 生氢气以及在阳极上产生〇) 2的区域。
[0023] 质子交换膜52可以包括电解质，该电解质在电化学电池的操作条件下优选是固 体。可以制造膜52的有用材料包括质子导电离聚物和离子交换树脂。可用作质子导电材 料的离子交换树脂包括烃类型的树脂和氟碳类型的树脂。氟碳类型的树脂通常呈现出优 异的对卤素、强酸和碱引起的氧化的抗性。一类具有磺酸基官能团的氟碳类型的树脂是 NAFION?树脂（从E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，Del.可以购买）〇
[0024] 阳极54和阴极56由适于进行所需的电化学反应（例如，氢气的分离）的催化材料 制成。用于阳极54和阴极56的合适的催化材料包括但不限于铂、钯、铑、碳、金、钽、钨、钌、 铱、锇、其合金等、以及前述材料的组合。阳极54和阴极56被定位成相邻于它们对应的质 子交换膜52且优选地与它们对应的质子交换膜52接触，阳极54和阴极56被包括吸附在 多孔基材上的离散的催化颗粒的结构限定。催化颗粒至基材的粘附可以通过包括但不限于 以下方法中的任一方法：喷雾、浸渍、涂装、吸液、气相沉积、前述方法的组合等。可替选地， 催化颗粒可以直接沉积在质子交换膜52的相对两侧上或支撑膜上。
[0025] 应该理解，各个电池48可包括现有技术中已知的另外的部件。这些另外的部件可 包括气体扩散层、流场