电化学电池和处理含氢气体流的方法与流程

1.本发明涉及电化学电池和处理含氢气体流的方法，可选地，还涉及通过利用一电化学电池或多个堆叠设置的电化学电池来处理含氢气体流的方法，其中该电池或电池堆可用于例如纯化和压缩氢气、用于从气体流中检测出氢气、以及用于发电。


背景技术：

2.氢气可以多种方式使用，例如用作工业原料或者作为长期储能的一种方式。一些应用，例如车辆中的燃料电池，需要高压（例如350bar或700bar）；而在某些应用中，还可能需要更高压。所储存的氢气必须干燥，因为残留的水分会损坏设备组件、降低效率或产生其他负面影响。
3.作为一种长期储能或短期储能的方式，氢气的应用越来越普遍。氢气可用于现有的天然气管道中以提供热量，还可在用于燃料电池时提供电力。而且，氢气也有许多工业应用。
4.电解槽是一种通过分解水来产生氢气和氧气的设备，其一般采用阴离子交换膜（aem）、质子交换膜（pem）和碱性这三大目前可用的电解水技术之一。其他的电解水技术（比如固体氧化物）亦是可用的。
5.如wo2011/004343中所公开的，氢气可以通过碳氢化合物产生，或者以环保的方式电解而得。最好是开发“绿色”氢气，以取代对化石燃料的依赖。
6.惯常使用机械方式和非机械方式压缩氢气，但会存在多个问题，例如机械压缩所需的能量、压缩机中的油/润滑剂对氢气的污染以及所需的预干燥等。此外还需考虑其他因素，例如压缩机的电源和成本。
7.pem电化学压缩过程中，低压氢气与水反应，分解成水合氢离子和电子，水合氢离子穿过膜后重新结合形成氢气和水。pem技术涉及以下反应：pem阳极h2 2h2o
→
2h3o

2e-pem阴极2h3o

2e-→
h2 2h2o在pem电化学压缩技术中，水存在于阴极——这与采用本发明方法的反应途径有根本区别。所以，尽管氢气可以在pem电化学电池中压缩，但它本身是潮湿的，因此不纯，故而在储存之前，必须在pem电化学压缩中使用干燥剂。
8.此外，pem的酸性环境意味着必须使用铂族金属（pgm）催化剂和昂贵的金属/涂层（例如钛）。由于种种原因，使得氢气未能被广泛应用。


技术实现要素：

9.本发明的目的是，提供用于电化学压缩和纯化氢气的装置和方法。
10.根据本发明提供的电化学电池，其包括：阳极半电池，其具有入口，用于在第一压力下接收氢；阴极半电池，其具有出口，用于在第二压力下传输氢；
将所述阳极半电池和所述阴极半电池分隔开的膜电极组件(mea)；以及电源；其中所述mea至少包括：阳极电极；阴极电极；和阳极电极和阴极电极之间的阴离子交换膜（aem）。
11.本文中，术语“电池”用于指代电化学电池；“堆”通常被认为是指多个电池，但是该术语也可用于描述电池堆内的单个电池或整个电池堆。
12.本文中，就阴离子交换膜而言，术语“潮湿”、“水合”和“加湿”可互换使用。
13.本文中，湿度与水分传感器可互换使用，意指能够检测出是否有水的一切传感器。
14.本文中，术语“阳极”和“阴极”可与“阳极半电池”和“阴极半电池”互换使用。
15.本文中，术语“阴离子交换膜”（aem）可用于任何离子交换材料，其具有阴离子交换特性，也具有或不具有阳离子交换特性（例如通过koh掺杂pbi基材料或混合的阳离子和阴离子聚合物和/或官能团添加的钾离子）。额外的阳离子基团可能参与或不参与其中一个或两个半反应。
16.本文中，术语“压缩”虽然通常是指压力的增加，然而在一些实施例中，可能需要降低压力，因此术语“压缩”可以与“减压”同义使用。电化学电池可称为压缩机，但这不排除电池仅作为传感器或纯化装置的情况。
17.本文中，术语“目的地”是指纯化和/或压缩氢气的任何最终用途（例如但不限于补给燃料或储存）。
18.本文未示出包含温度和压力调节装置、阀门、接线等的设备平衡（bop）。本文也没有描述电源到一或多个电化学电池的连接——由于氢气通常需要处于高压下，且高于单个电池压缩机所能达到的压力，因此可以将一或多个电池（该多个电池构成电池堆）串联使用。需要指出的是，在一个压缩机中可以使用一或多个堆。此外，如果杂质浓度高于某一水平，则可能需要多个电池。
19.根据本发明第二实施例提供的电化学电池组件，其包括基本上如上所述的至少第一电化学电池和第二电化学电池，该第一电化学电池和第二电化学电池堆叠设置，其中，第一电化学电池的阴极半电池的出口与第二电化学电池的阳极半电池的入口流体连通。
20.本文中，术语“电池级”是指一个或多个电池，其中进入阳极的氢气的压力彼此基本相似，并且一个级中的每个电池或电池堆的阴极出口组合成下一级中的每个电池或电池堆的阳极输入。每个级可以并联连接，串联连接，或者串、并联组合连接。
21.在压缩流体时，通常的做法是进行多级压缩。这同样可以应用于电化学压缩。在本发明一实施例中，可以通过在每个级具有一或多个电池来实现多级压缩，如上所述。氢气以第一压力进入第一级中的一或多个电池的阳极，第一级中的一或多个电池的一或多个阴极的出口组合且处于第二压力下。第一级的处于第二压力的阴极出口通常是第二级中的一或多个阳极半电池的输入，或者，如果只有一级压缩/纯化，则该出口的输出被储存。
22.可以想象将每一级的电池或电池堆平行设置，或者作为节省空间的一种方式，与虑及多级的将管和bop串联成多级。附图中描绘了各种设置。可以设置用于分离和/或隔离每个电池的装置。
23.一般地，对于每组电池或压缩级，施加到电池或电池堆的电流总和与下一组电池或压缩级基本相同。如果一级中每个电池的压差与另一级的不同，则在每一级穿过膜所需的电流会发生变化。更高的压差需要更高的电流密度以克服氢的反向扩散（交叉）。然而，这可能会导致较低的法拉第效率。附图中会说明该实施例。
24.纯化与压缩通常会同时进行。在这样的实施例中，第二压力高于第一压力。（每个）阴极出口都可以使用已知的任何用于调节压力的装置，使得氢气在升高的压力下离开阴极出口。在替代实施例中，可能需要对氢气进行减压，并且可以相应地设置用于调节压力的装置。
25.在具有单个电池或电池堆的aem压缩机中，氢气以第一压力进入第一电池的阳极半电池，并且氢气在第一阴极半电池中被加压至第二压力。第二压力下的氢气流从第一阴极半电池被输送至第二电池的阳极半电池。氢气在第二阴极半电池中被加压至第三压力，依此类推；在一连串的电池中，压力逐渐升高，例如p1《p2《p3《p4等。可以预计到，阴极半电池的压力高于前一电池的阳极，并且其中所含的氢气比相应的阳极中的氢气更纯。
26.aem结构本质上与pem不同，因为它是穿过膜的羟基阴离子oh-而不是水合氢离子（溶剂化质子）。故而，因运行机制不同，新产生的问题亦必须得以克服。反应如下：aem阳极h2 2oh-→
2h2o 2e-aem阴极2h2o 2e-→
h2 2oh-基于aem结构的电化学压缩不需要进一步干燥，因为在压缩氢的同时会并行地消耗水；故而，相比当前已知的方法，本发明具有明显的优势。
27.这种反应途径与pem根本不同，且与电化学领域普遍认为的氢必须分裂成两个氢离子的理念相反。
28.可以看出，在aem结构中电化学压缩的氢气是干燥的。由于水在阳极反应中产生并在阴极反应中被消耗掉，因此基本干燥的氢气可以从第一电池进入第二电池，依此类推。优选地，mea适于保留水，且具有本文所述的水处理方式。
29.在pem结构中，需要铂或铂族金属（pgm）作为阳极和阴极的催化剂。在本发明的aem电化学压缩中，可以使用pgm催化剂，但不需要pgm催化剂来使系统在本质上更可持续。可以使用任何已知的用于析氢反应（her）和/或氢氧化反应（hor）的催化剂，本发明对催化剂不做限制。阳极催化剂和阴极催化剂可以相同或者不同。
30.mea可以不含离聚体和/或不含粘合剂。或者，它可以同时具有离聚体和粘合剂两者或其中之一。在一个实施例中，mea包括具有导电晶须的基底和溅射于其上的薄催化剂层以使表面积最大化并且最小化对催化剂的需求。密切接触大表面积会减小对离聚体的需求。
31.阴离子交换膜可以是具有所需特性的任何膜。所需特性主要包括高离子电导率、低透气性、高机械强度和亲水性。然而，膜也可以是复合膜。复合膜包含吸湿性颗粒的无机填料（例如纳米颗粒的粘土，例如但不限于蒙脱石），或者有机填料（例如但不限于通过静电纺丝产生的任何离聚体纳米颗粒或纤维或其组合）。离聚体可以是阴离子离聚体。
32.膜可以具有聚合物主链，其带有亲水的无机和/或有机填料。亲水特性锁水，并有助于确保高压下的氢气保持干燥。聚合物可以是聚苯并咪唑（pbi），优选地，其被改性以增加其耐碱性和/或共价结合正电荷，但本发明对此不做限制。另外，与通过共价结合正电荷
（例如季铵盐）和/或通过中和酸性氢（例如pbi中的吡咯氢）获得的离子交换容量相比，使用但不限于高浓度碱性溶液（例如koh），膜可以掺杂有过量的oh-。oh-源可以是任何形式，但优选是水性的。
33.当电化学压缩氢气时，必须考虑跨膜的压差，如果太高，膜或其他部分可能会被损坏。增加膜的机械强度可能会降低其在其他方面（例如离子电导率）的性能。单个电池中的压差没有理论上的限制，但实际上由于各部分的完整性和交换而存在限制。每个电池的压力增加在1巴至2000巴之间，更优选地在1巴至1000巴之间。压差可以在10巴至500巴、10巴至100巴、10巴至80巴、20巴至50巴、30巴至40巴的范围内。aem电化学压缩机确保电池堆中每个电池增加约35巴。
34.尽管电化学压缩机可以使用通过任何已知方式（例如蒸汽转化）产生的氢来工作，但优选使用绿色氢源。为了实现这一点，优选入口流是来自电解器的出口流，更优选地，来自aem电解器的出口流。可能存在致污物，但应仅限于水和氧气。其他致污物（如果存在）不应存在抑制催化剂的可能，这不包括一氧化碳等物质。其他致污物可能与oh-发生反应，例如含有不同于oh-的阴离子的酸或盐。在允许使用气态酸的情况下可能会出现某些情况，例如co2、so3、no3等，这些是允许的，因为催化剂的抑制是暂时的，因为它们可以在反应的阳极侧转化为酸性形式，其中羟基离子被消耗，从而去除了酸。在压缩来自蒸汽转化的氢气的实施例中，应去除其中的致污物。
35.本发明既加压又提纯氢气；任何允许的致污物都不会越过第一半电池。水应保持与膜结合，在阴极产生的oh-迁移到阳极，随后被阳极反应耗尽。通过电渗阻力可以将一些水与oh-一起从阴极传输到阳极。所提供的电流决定了穿过膜的水通量的大小和方向。
36.可以以dc、ac、脉冲电流或反向脉冲电流的形式提供电力。然而，在一优选实施例中，电源是直流、脉冲电流或反向脉冲中的任何一种。反向脉冲的好处是当电流暂时反向时，会清除电极上的抑制剂（poisons）。
37.每个电池中的膜都必须保持足够的湿润。阳极反应中产生的水即是用于此目的，同时根据膜的特性来选择膜。产生的水应足以保持膜的水分，而不会淹没阴极或在氢气阴极流中被汽提。为了抑制/防止出现不希望的水运动，本发明使用了处理/管理水的装置并在此进行公开。
38.例如，可以使用微孔层（mpl），其多孔性足以在让氢移动的同时防止水在任一方向上穿过mpl。此外，膜可以具有亲水性组分，保持水膜结合，但可用于阴极反应。
39.虽然mea可能由阳极、阴离子交换膜和阴极组成，但通常可以有更多的层。在一侧或两侧可以单独或组合地包括以下任何一项或多项。气体扩散层（gdl）可以存在于阴极和阳极之一或两者上。如果存在gdl，mea的结构为：阳极gdl、阳极催化剂层、膜、阴极催化剂层、阴极gdl。在另一实施例中，可以使用mpl。mpl一般只位于阴极侧，但也可以只位于阳极侧，或者如果使用一个以上的mpl，则它们可以在阴极侧和阳极侧。mpl可以相同或者不同；根据孔隙率和疏水特性来选择mpl。水处理膜也可用于阳极侧和/或阴极侧，下文将进一步进行讨论。
40.mpl可以位于每个电池的膜上，可位于仅一个或一些膜的阴极侧上。或者，mpl也可以在阳极侧，或者在阳极侧和阴极侧。进一步地，如果使用mpl，则电池堆中不同位置的mpl可以具有不同的特性，例如其在更后面的电池中更具疏水性。最后一个或多个电池中的mpl
的疏水性更强，以防止最终出口中水出现（过量），如果膜的其他特性受到不同的mpl特性的影响，对于第一个电池或第一组电池而言，不需要更强的疏水性。一般地，通过将含有导电材料和粘合剂的浆料浇铸在基板上来制备mpl。导电材料为例如但不限于碳黑、镍纳米颗粒等。粘合剂为疏水性聚合物，例如但不限于ptfe、fep等。通过改变每个组成成分、它们的比例和/或制造工序，可以调节孔隙大小、分布、不同尺寸的孔的分布、疏水性和其他物理化学性质。
41.另一种用于水处理的方式是在aem的一侧或两侧（即阳极侧和阴极侧）将离聚体加入到mea中。优选在膜的阴极侧和阳极侧都有离聚体。通常，出于处理水的目的，阴极侧的离聚体会比阳极侧的多。或者，aem的阳极侧可能没有离聚体，而在膜的另一侧有离聚体。
42.又一种管理膜中的水的方式是mea中包含水处理膜。这种膜优选是吸湿的，并且位于mea的阴极侧。优选地，水处理膜还可以具有高度的离子和/或电子导电性。水处理膜可以位于阳极侧和/或阴极侧。在另一实施例中，水处理膜可以夹在两个aem之间，此类实施例中的水处理膜是mea的一部分。一示例中，水处理膜可以是混合有碳黑的离聚体。
43.再一种用于处理水的方式是使用复合阴离子交换膜，其中填料颗粒/纳米颗粒/微颗粒具有吸湿性。这样的颗粒在膜内可以具有浓度梯度，或者是aem的一侧或两侧上的不同层，其不一定邻接所述aem。与阳极侧相比，膜的阴极侧具有相对较高浓度的所述颗粒。
44.本文提及的任意一种水处理方式可以单独使用，也可以相互结合使用。
45.根据本发明，其提供了一种处理含氢气体流的方法，包括：提供基本上如上所述的电化学电池，将含氢气体流送入阳极半电池的入口，以及从阴极半电池的出口将氢气输送出去。
46.所讨论的与设备有关的所有结构限制都适用于操作电池的方法，因此对于使用具有电池堆的压缩机的方法也是如此。
47.操作单个电池压缩机的方法在很大程度上可以应用于操作包括电池堆的压缩机。
48.根据本发明，其提供了一种处理含氢气体流的方法，包括：提供基本上如上所述的电化学电池组件，将含氢气体流送入电池堆中第一电化学电池的阳极半电池的入口，将氢气从电池堆中每个电化学电池的阴极半电池的出口转移到另一个电化学电池的阳极半电池的入口，并将堆中最后一个电化学电池的阴极半电池输出的氢气输送到外部目的地。
49.对于上述电化学电池、电化学电池组件和方法，入口的气体流可以直接来自电解槽、储氢罐或任何其他可想到的具有合理纯度水平的氢源。
50.唯一被认为可能的致污物，尤其是来自电解制氢的致污物，是水和氧气。水应结合膜，而氧气会在第一阳极半电池中与氢气反应生成水。优选地，催化剂对orr没有活性，并且存在的氧气从阳极半电池中排出。因此，这些致污物不会被视为问题。但是，可能存在其他致污物，例如co2、no2、so3等，这些可能会降低前几个电池的效率，因此可以设置用于吹扫阳极半电池的装置。
51.所讨论的与设备有关的所有结构限制都适用于操作电池或电池组的方法，并应进行相应的处理。
52.电池堆的最终出口可以连接到一个或多个适于在所需压力（其可以是30巴至1000巴之间的压力）下存放氢气的储罐。可以将压力提升到任何要求的程度，包括300巴、700巴和1000巴的行业标准。来自出口的已加压氢气可被引至任意使用、运输或储存加压氢气的
系统或装置。
53.当水在（每个）阴极室中被消耗时，氢气在被压缩的同时会被有效地干燥。这基本不同于pem电化学压缩，在后者中，水以水合氢（溶剂化质子）的形式参与处理。在pem系统中，水与水合氢离子形式的氢离子一起被输送到阴极。因此产生的氢气固有水分。重要的是，确保堆内的每个膜都充分水合，以使膜保持所需的导电性能。如果在阳极半电池中产生的水量不足，可以通过在氢气入口加水来确保输入流湿润，从而实现膜的稳定含水量。但是，向流中添加的水可能会过多，导致出口流潮湿，或阳极半电池被淹没，从而阻止氢气与阳极催化剂接触。这将达到加压但不干燥氢气的目的，或者由于大量输送过电压而降低电池效率。为了同时实现加压和干燥氢气，可以使用如下所述的控制系统。
54.为了控制整个系统中的湿度，可以使用至少两个湿度传感器。第一个湿度传感器位于输入流上，第二个湿度传感器位于各出口流上，但最重要的是其位于最终电池的氢气出口上。堆中的一个或所有电池上还可以设置有湿度传感器，以确定膜在堆中给定点处的饱和度，从而使操作员能够确定膜是否在堆中无法操作地干燥，来自出口的湿氢气可以被排出或者优选地被减压并再循环到入口，如下所述。或者，可以使用热导传感器代替湿度传感器。还可以使用任何合适的替代形式的传感器。
55.两个或更多个传感器可操作地连接到控制模块（例如但不限于pid控制器）。如果水分含量低于预定阈值，水将被引入一个或多个进水口。用于引入水的多个入口可以在堆上，通常是进入阴极隔室、阳极隔室或电池之间。然而，由于沿堆的压力增加，优选地在第一压力下在输入流上设置用于额外加水的单个入口，该入口位于第一传感器之后，并且该水入口位于堆之前，或进入第一阳极隔室内。
56.如果潮湿的氢气离开压缩机的最后一个电池，这会是个问题，因为潮湿的氢气可能不适用，因此不应被储存。相应地，在潮湿的氢气离开堆的情况下，氢气可以被排放。在一优选的实施例中，潮湿的氢气可以从出口再循环，然后再送达目的地。该循环将从出口经由一装置到入口，该装置用于将加压氢气减压至适合在压缩机电池堆的较早级处再被引入的程度。
57.如果已经存在过量的水分，在再循环流上可以设置一个临时储存罐，以尽量减少对排放的需要。临时储存罐可以具有用于排出冷凝水以将其从罐中除去的装置。理想情况下，可以设置引导水在这个系统或另一个系统中重复使用的方式。
58.通常通过利用可再生能源的多余能量可以通过电解来产生绿色氢。这不可避免地会导致不连续地产生氢。因此，电化学压缩堆的输入流也可能是不连续的。电化学净化器和压缩机适用于间歇运行。在电解槽和压缩机之间可以使用缓冲罐，用于在中等压力（例如35巴）下储存氢气，以便为aem压缩机提供更稳定的氢气供给。
59.虽然各个膜可以都具有相同的厚度，但电池堆的电池之间的膜厚度可以不同。在一实施例中，最厚的膜可以在第一个电池中，随后的电池的膜更薄。或者，第一个电池的膜可以更薄，然后膜逐渐变厚。在另一实施例中，厚度可以非线性地变化，例如从相对薄变厚再变薄、或从厚变薄再变厚、或其任意变化。较厚的膜会锁住更多的水，因此可以确保膜对水分含量变化更具弹性，从而确保保持导电性能，并降低氢气出口潮湿的可能。更厚的膜也可能对更大的压差更有弹性，从而允许需要更少的电池来实现相同的压差阶跃变化。
60.较厚的膜一般对较大的压差和较高的压力具有相对弹性。也就是说，可以为膜的
（每一）侧提供支撑件。该支撑件可以是任何合适的材料，即不会以对系统有害的方式进行反应的材料。可以使用任何合适的膜支撑件，例如但不限于泡沫镍。支撑件可以是网状物或任何其他合适的结构以帮助膜抗压。此外，膜支撑件有助于防止膜在高压差下蠕变。
61.在一优选实施例中，电池或电池堆设有用于热处理的装置。加热和/或冷却可以确保达到最佳温度。该最佳温度高于室温，但低于100℃，更优选在40℃和80℃之间，并且基本上为60℃。
62.可以设置用于电池或堆的热处理的装置。可以通过使用安装在例如堆、或电池和/或中间框架的每个端板上的加热筒或散热器来提供加热和/或冷却。另一种方案是将液体在上述任何组成部分内部循环或与任何上述组成部分接触，但优选不与可能影响反应或堆效率的任何组成部分接触。
63.虽然一种实施例中的堆由电池构造且每个电池具有基本上相同的横截面积，但该堆可以包括具有不同横截面积的电池。在这样的实施例中，横截面积从第一个电池到最后一个电池逐渐变小，电流密度会相应地增加以保持与总电流成比例的相同氢气流量，从而有助于由于体积减小而被动增加压力，并且通过增加电渗阻力来提高水的处理，以防过量的水由一个电池通过阴极氢气流输送到下一个电池。反之，即横截面积从第一个电池到最后一个电池逐渐变大，电流密度会相应地降低，从而有助于在从一个电池到下一个电池逐渐脱水的情况下对水进行处理。每个电池的横截面可以不同，或者堆中的多个电池可以具有相同的横截面积然后再面积缩减。在又一实施例中，横截面可以非线性地从相对大变小再变大，或者从小变大再变小。
64.电池或电池堆的横截面可以是任何形状。该形状可以是圆形、正方形或矩形。或者，也可以使用任何其他形状，例如但不限于：五边形、六边形、七边形、八边形等。或者，横截面积亦可以是任何其他规则或不规则形状。
65.膜可以采用不同横截面积和厚度的组合以及其他描述的变型（例如mpl或gdl）。在横截面积沿堆减小的实施例中，膜的厚度可沿堆增加。这种设置会有助于因体积减小而增加压力，并且将有助于通过增加具有更高电流密度的电渗阻力和因膜更厚而减少水的传输来减少阴极氢气流中的水含量。其他实施例可以使用前述变型的任何组合。
66.在启动、组装压缩机时确保（每个）膜上有足够的水是很重要的；对于这一点，待机状况是通过保证组装时膜（通常还有mea）基本饱和得以兼顾。（每个）阳极电池还可以设置用于给水的装置。
67.本发明一实施例中通过使用催化剂浆或将催化剂喷涂在导电基板上的方式来利用催化剂，但是虽然本发明对催化剂或沉积所述催化剂的方法不作限制。催化剂通常包含纳米颗粒，并且催化剂层的导电基板可以是诸如碳布或泡沫镍之类的物体。另一种催化剂基板可以是ce或其纳米颗粒/微颗粒。
68.需要指出的是，具有所有相关有益效果的电化学压缩不需要移动部件。另外，由于电化学压缩比其他压缩形式的能源需求低得多，因此在本质上更环保，并且在氢气的生产和管理方面，整体效率有所提升。根据所用膜的弹性，可以在单个级中实现压缩。此外，整个过程可以是等温的，而不是绝热的。
69.如本文所述，电化学压缩机可用于具有基本类似配置的其他应用中。
70.优选通过电解或另一种绿色氢源获得待压缩的氢。在这种情况下，虽然适用于所
有场景，但电化学电池可能会间歇性地工作。在斜降/过渡到待机等工序期间，堆内的压力梯度会是均衡的，而不是保持压力梯度。在过渡到待机期间，可以通过反向流向电池堆的电流来从电池中获取能量。所产生的电力可以通过任何已知的方式存储以备后用。这样的操作能尽量减少能量的浪费。通过利用产生电动势的压差，对已加压氢气减压而产生能量。
71.虽然一实施例中将离开电池或电池堆的加压氢气进行储存，但替代实施例允许直接为需要氢气的装置（例如但不限于汽车、叉车、船、公共汽车或任何其他以氢气为动力的设备）补充燃料。在这样的实施例中，应采用适当的额定管路和喷嘴。
72.如所公开的，电化学电池或电化学电池堆的另一种替代应用是作为氢传感器。通过向电池的阳极供给可能含氢气体流并向电池或电池堆施加电压，可以检测出流中是否存在氢气。如果存在氢气，则测量电流，该电流与其分压成正比。相反地，可以施加电流并且测量电压，该电压可以指示气体流中氢气的存在。为了防止在用作氢传感器的电池的阳极中压力升高，需要阳极出口以防止不期望的压力升高。如果没有所述阳极出口，被检测有无氢气的流将没有离开电池的途径。下面的另一个应用会对此进行进一步讨论。如果阳极流速高，在所述流中具有高百分比的氢气，则电化学电池可以配置为仅用作传感器，或同时用作传感器和压缩机。如在其他实施例中的那样，该些配置中的任一种都需要压力调节装置和控制系统。
73.另一种被动检测氢的方法是测量电池的开路电压。任一侧上的催化剂可以相同或者不同。开路电位与存在的污染气体的分压成正比，且可以被动测量开路电位。通过将已知成分的气流引入电化学电池，需要对这种实施例下的传感器进行校准。
74.根据本发明的单个电池或电池堆，其又一应用是从含有氢气的流中分离出氢气并压缩氢气。这可以应用于含氢气的天然气流，但亦可使用任何含氢气的气体。也就是说，一些气体（例如但不限于一氧化碳、二氧化碳或氨）可能会对电池或电池堆的寿命产生负面影响。致污物不会以电化学或其他方式穿过膜，因此会停留在阳极半电池中。为了防止在第一电池的阳极中升高压力，设置了用于去除污染气体的出口。一些氢气可能会停留在阳极出口流中，因此气体可以再循环到阳极进行进一步纯化。如上所述的氢气传感器可用于检测氢气的存在，并确定是否需要再循环。
75.对于任何实施例，阳极出口可用于堆中的任何电池，但最优选的实施例是用于第一电池或电池级以能够将致污物从阳极半电池或电池清除。这并不排除在随后的电池上包含阳极出口。
76.可以在阳极电池的入口、阳极电池的出口（如果存在）或者阴极电池的出口中的任何一个或多个上设置用于调节压力的装置。这种装置包括但不限于阀。
附图说明
77.为了帮助理解本发明，现在将通过示例并参照附图来描述其具体实施例，其中：图1示出了单个电池aem电化学压缩机；图2示出了形成aem电化学堆的多个电池；图3a示出了单个电池aem电化学电池；图3b示出了形成aem电化学堆的多个电池；图4示出了适用于本发明的mea；
图5示出了根据本发明的适合用作氢传感器或从含氢气体流中汽提氢的电化学电池；图6示出了图5的电化学电池，其具有用于进一步压缩氢气的附加电池；图7a示出了包括作为第一级压缩的多个电池的电化学压缩机；以及图7b示出了包括作为第一级压缩的另一种设置的多个电池的电化学压缩机。
具体实施方式
78.参照图1，其示出了具有入口2和出口3的单个电池aem电化学压缩机1。来自电解槽或其他氢源的主要氢气流通过入口2被供给到阳极半电池5，mea4将阳极半电池5与阴极半电池6隔开。氢气进入第一压力p1下的阳极半电池5，并在阴极半电池6中升高至第二高压p2。阳极半电池和阴极半电池中的反应如下：aem阳极h2 2oh-→
2h2o 2e-aem阴极2h2o 2e-→
h2 2oh-mea4隔开两个半电池，并且将包括至少阳极、阴极和位于它们之间的aem。如上所述，可以使用诸如gdl或mpl之类的附加层（其特性根据需要而变化）。图4是mea4的放大图。
79.水在阳极产生，与膜结合，接着在阴极反应中被消耗。阴极中产生的oh-迁移回阳极，接着在阳极反应中被消耗。来自阳极的电子在阴极被消耗。
80.需要指出的是，诸如水或氧气的致污物可能存在于氢气入口中。根据催化剂，水或氧气都不成问题，因为水会如上所述那样起反应，而氧气可以与第一阳极半电池中的氢气反应生成水。
81.单个电池aem电化学压缩机很可能不足以达到所需的压力，照此，可以串联使用多个电池以形成堆叠，如图2所示。
82.图2（未示出bop）示出了形成堆叠10的多个电池1a、1b、1c。电池1b两侧的方括号表示在堆叠中可能存在多于三个的电池。堆叠中的电池数量并非本发明的限制特征。来自电解槽或者临时的储存器或者其他来源的氢气通过入口2a进入压力为p1的第一阳极室；发生阳极反应，并且氢气在阴极反应中于阴极处产生直至在3a中达到压力p2；来自第一阴极6a的压力p2下的氢气通过出口3a连通第二电池的压力仍为p2的阳极5b，出口3a连接入口2b；半电池中的第二阳极5b和第二阴极6b均发生反应，其中氢气在第二阴极6b室中产生至达到压力p3；如此以串联方式继续，直至该图的堆叠的最后一个电池1c，其中氢气从最终出口3c以最终压力p4被送入储存罐或者其他的需要加压氢气的目的地。图中未示出控制系统和bop。
83.参照图3a和图3b，示出了具有不同mea横截面积的电池。图3a示出了具有用于mea4的缩窄部7的单个电池11；图3b示出了两个串联的图3a的这种电池，其中两条虚线x
‑‑‑‑‑
x表示第二个电池的mea4小于第一个电池的mea4。这种差别旨在帮助管理在堆内每个电池中观测到的压差并提升水的处理管理。本文所公开的其他方式包括改变膜的机械特性、化学特性和理化特性。
84.参考图4，其示出了具有各种组成部分的mea4的示意图，各组成部分从左到右依次为：阳极gdl45a、阳极催化剂42、阴离子交换膜41、阴极催化剂43、mpl44、阴极gdl45c。其中，二催化剂和膜是核心部分，其他部分则可以提高整个系统结构的功能。mpl44可以在电池之间变化以具有不同的特性（图未示出），从而实现所期望的结果。处于电池堆更后面
的电池中的更疏水的mpl会最大限度地减少从膜中逸出的水，从而确保离开电池堆的压缩氢气尽可能干燥。
85.参照图5，其示出了根据本发明的电化学电池21，该电化学电池21适用于压缩氢气，同时还可从含氢气流中分离氢气，或用作氢气传感器。这里首先讨论其作为汽提氢的方式的操作。
86.图示实施例的阳极25具有用于引入含氢的流体流的入口22、以及用于转移其他污染气体以防止阳极半电池25中压力升高的出口27，图中未示出用于调节出口27上的（通常是）出口阀。在向电池施加电流时，氢气将如先前实施例所公开的那样进行反应，而其余气体则不会。这意味着氢气穿过aem 24到达阴极半电池26，而污染气体留在阳极25中。氢气在已升高的压力p2下离开阴极26。在本实施例和其他实施例中，压力p2可以通过任何已知的压力调节装置（例如阀门）来调节，以能够升高压力。
87.图5所示的电池也可用作氢传感器。在这样的实施例中，气流（不知道是否存在氢）通过入口22被供给到电池21。电池上施加小电压，如果存在氢，则电流会是可检测的。所测得的电流应与气体分压或气流中氢的浓度成比例。阳极中的出口27可以让其他气体排出，以防止因阳极中其他污染气体的残留而产生不期望的压力。适于检测氢的电池阴极出口23与来自电池的氢相通以实现进一步压缩或其他目的。传感器可仅用于检测氢的存在，以告知用户存在氢，因此在这样的实施例中可能不需要进行压缩。
88.参照图6，其中示出了图5的电池21a的阴极出口23a连接到堆中的第二个电池21b的阳极入口22b。需要指出的是，可以连接更多个的电池以可以进一步地压缩氢。这一独特的做法很大程度上反映了对其他堆的说明，不同之处在于从电池21a的受污染流中汽提氢。阴极26a中的已纯化且压缩的氢气通过出口23a/入口22b被输送至阳极25b。当氢气穿过膜24b到达阴极26b时，电池21b会进一步压缩氢气。需要指出的是，如果需要进一步压缩，可以串联使用更多的电池。
89.图7a和图7b示出了电化学电池堆的另一种设置的两个实施例。首先，参照图7a，形成第一级压缩的电池堆的至少两个电化学电池31a、31b并联连接。氢气在第一压力下进入每个阳极35a、35b，并且当施加电流时，发生前述的阳极和阴极反应。氢在阴极36a、36b中重整，压力调节装置（未示出）能让氢在第二压力下被输送至阴极出口33a、33b。然后将每一级的阴极出口合并（见管37），其中氢气在第二压力下形成下一压缩级中的一或多个电池的阳极入口32c的输入。本发明没有限制每一级中的电池个数或者压缩级的数量。一级中每个电池的压差通常是相同的，但不同级之间可以不同。
90.最后，参照图7b，其中示出了具有形成一级的多个电池51a、51b的电化学压缩机。如前所述，每个级可以有两个以上的电池。氢气在第一压力下从阳极入口52a、52b进入，通过上述反应机制穿过膜54a、54b，并在阴极56a、56b中重整。第二压力下的氢气通过阴极出口53a、53b从阴极输送至管57，该流形成下一级压缩的输入。氢气通过阳极入口52c进入下一级压缩中的电池51c。电池51a、51b、51c由绝缘层58隔开。
91.需要指出的是，尽管未示出，输入管57将包括压力调节装置和构成bop的其他功能部件。
92.为了清楚起见，在这些示例中，电池31a、31b构成一级，电池31c构成另一级。类似地，在图7b中，电池51a、51b构成一级，而电池51c自己是一级。在图2中，电池1a、1b、1c各自
为一级。根据需要，各级可具有相同或不同数量的电池。每个级可以具有2个或更多个形成所述级的电池。
93.为了保持恒定的流速，当每个电池中的压差相同时，每个级中电池的膜上的电流密度总和会基本相似。如果一级的电池具有更高的压差，则电流密度将成比例地更高，以解决上面讨论的回流等问题。
94.本发明不限于上述实施例的任何细节。例如，本发明可覆盖使用具有aem的一个或多个电池的任何用于氢气的电化学压缩机。
95.本发明不限制电化学压缩机内各部分的制造方法。
96.虽然离开压缩机的氢气本应是干燥的，但可以在最终出口上设置干燥器以确保氢气在被加压储存之前基本上是干燥的。
97.尽管优选非pgm、膜组合物、最终压力或任何其他此类组分，但本发明不受所用催化剂的限制。
98.尽管在极端电流密度下在相反端会出现具有酸性区域和碱性区域的ph梯度，但优选本发明的ph基本上为7或更高，仍优选地为基本上9至基本上14甚至更高，更优选地为基本上12至基本上13。在任何情况下，本发明不依赖于ph梯度。
99.虽然通常需要压缩氢气，但本发明可仅用于氢气流的纯化，不需要做进一步压缩。在这样的实施例中，根据本发明的电池或电池堆可以在没有压力调节装置（例如但不限于阀门）的情况下在电池之间使用，这将允许氢气在电池之间流动且在其中发生纯化。所公开的水的处理管理方式有助于干燥氢气。可以根据所公开的任意特征来设置所描述和说明的电池，即其可作为传感器、压缩机、干燥机或其组合。
100.致污物通常会残留在第一个阳极半电池中。如果致污物不是水和氧，则用于阳极的出口是优选的，以防止第一电池中的压力升高。出口也能够清除水，以防止阳极溢流。
101.尽管可以将压缩的氢用于能量存储或燃料电池中，但压缩的氢还可用于制冷。
102.虽然堆中可能有许多个电池，但并不认为需要基本上高于1000巴的氢气。如果每个电池的压力提高35巴，则预计每个电池堆不会超过30个电池。
103.本发明可以以多种方式设置，其中一个或多个电池形成一个压缩级，每个级可以被认为是一个堆。堆本身可以串联排列或并联排列。
104.本发明允许在没有移动部件的情况下同时压缩并干燥氢气。该方法或整体系统也不依赖于酸性环境或pgm催化剂，并且没有移动部件。因此，该方法或整体系统本质上比现有已知的替代方案更有效，提高了氢的绿色资质。