用于从气体混合物中提取组分的方法和装置以及用于运输气体，特别是氢气或氨气的方法与流程

1.本发明涉及用于从气体混合物中提取组分的方法和装置，以及用于运输气体，特别是氢气或氨气的方法。


背景技术：

2.氢气作为能源越来越受欢迎，这使得能够运输氢气变得越来越重要。目前，细网格氢气分配网络很少见，氢气用卡车分配，每次可以运输200到400千克，可能对应于车辆在氢气填充站半天的需求。虽然建立新的氢气分配网络并非不可思议，但是当现有的(气体)分配网络用于氢气运输时更为有利。这可以在仍将气体分配网络用于其原始目的时完成，该目的是：现有气体的分配。然后氢气在网络的某点注入。然后面临的一个挑战是从由此产生的气体混合物中回收氢气，至少达到终端用户仍然可以使用其设备而不会遇到困难或干扰的水平。这不仅适用于氢气，也适用于所有可以通过膜选择性运输的气体，例如氨气。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供用于从气体混合物中提取组分(特别是氢气)的提取装置。本发明另一个目的是提供用于运输气体的方法。
4.根据本发明，可以向天然气网络中的气体加入1％至60％体积量的组分，特别是氢气。该组分在网络中的某点被注入到分配系统，并在需要其的点被提取。已经表明，在氢气的情况下，当从气体混合物中提取氢气后，氢气剩余量少于20％，优选少于10％时，终端用户的设备(主要是加热和烹饪设备)仍然工作良好。
5.为此目的，本发明提出了提取装置，该提取装置被放置在需要组分(特别是氢气)的位置处或其附近，包括：管或容器，该管或容器包括用于将气体混合物沿给进方向(feed-through direction)从接收口传递到分配口的传输通道，该管或容器被布置成串联地接收在气体运输管中；至少一个膜电极组件(mea)，其布置在管或容器中，具有至少一个阳极、膜和阴极，该组件布置成使得阳极表面面向传输通道，阴极表面背离传输通道面向与给进通道分开的排放口，并且其中阳极和阴极设置有用于电压源的连接器。
6.因为膜只允许质子通过，所以其允许选择性地从混合气体中提取组分。可以定制膜电极组件的质子交换膜尺寸，使得只有特定的组分被从气体混合物中提取出来。
7.从气体混合物中提取的组分的实际百分比取决于几个参数，例如阳极的长度和面积，以及气体混合物沿阳极表面流动的速度。已经表明，对于本发明，氢气减少至剩余1％是可行的。
8.提取几乎总是涉及低氢含量(5％-50％)的气体混合物。根据本发明，可以添加优选5％至25％，更优选8％至15％的组分。当气体混合物流过mea时，该组分的含量进一步降低，因为该组分被除去，而气体混合物的剩余部分保留。为了获得足够高的回收率(提取的氢气的百分比)，氢气浓度的大幅降低是不可避免的。对于例如60％的回收率，主体(bulk)
中的初始氢气浓度必须从(例如)10％降低到4％。
9.根据本发明的提取装置也可以用于提纯合成气，例如通过煤或生物质和水的气化获得的合成气，或者用于从氦/氢混合物中提取氢气。在后者情况下，氢气可以看作是从天然来源获得的氦气的杂质。
10.根据本发明的提取装置的另一应用是从氮/氢混合物中提取氢气。在此情况下，涉及在n2和h2中液氨的裂解。然后氨气被用作运输工具。获得氨气(最好由可再生能源获得)并被运送到需要氢气的地方。液氨被催化裂解成气体，然后从所得的氮/氢气体混合物中提纯氢气。
11.进一步的应用可以是从由化石原料(天然气、轻柴油等)通过类smr(蒸汽甲烷重整)工艺制造的物流中提取氢气。
12.总的来说，根据本发明的提取装置提供了串联适用性、低压降和高容量以及经济可行性的优点。通过分离提取和压缩，将具有大阳极表面的廉价提取装置与压缩纯组分例如氢气的单压缩机装置组合就能够满足需求。根据现有技术，需要3至5个电化学压缩机组来在一个步骤中提取组分并将其压缩至40-900巴，而根据本发明的提取装置能够利用除提取装置之外的单个压缩机组进行压缩。
13.更进一步的优点是，不需要像在压缩机中那样的液压密封系统，因为根据本发明的提取装置是串联的，更具体地说是在管道中，并且可以在几乎没有压差的情况下操作。这也为材料的选择提供了更多的自由。与固态压缩机不同，根据本发明的提取装置不需要高压钢。这大大降低了装置的成本，即使当需要更多的膜的m2/mea表面时。当在没有低分压差的情况下运行时，需要很少的额外能量来克服能斯特电压，这是压缩机的情况。
14.另一优点是相对多的气体流过膜，这允许用该气流被动地冷却膜。因此，电池中不需要水冷却回路，进一步简化了设计并降低了成本。
15.为了提高装置的效率，阳极表面可以在接收口和排放口之间非直线地延伸，以增加接触长度，从而增加用于传递气体的接触表面。合适的结构是例如其中阳极表面是曲折的结构，或者其中阳极表面处于锯齿状取向的结构。与管或容器的长度相比，这种形式具有较大的实际长度，因此允许气体混合物接触阳极，从而提取氢气。此外，因此获得了电流在整个膜上的更好分布，并且因此获得了更好的热和水管理以及更低的能量消耗。
16.为了给相对大的阳极表面创造空间，可以在接收口和阳极表面之间的管或容器的横截面中设置有加宽部分。为了允许提取装置结合到标准气体分配网络中，在阳极表面和排放口之间的管或容器的横截面中也可以设置有锥形部分。
17.还可以设置有至少一个位于进料通道(feed channel)中的沿垂直于进料方向的方向分量延伸的挡板，用于迫使气体混合物沿着阳极移动。提取装置可以进一步包括用于组分的压缩机，例如连接到排出通道的压缩机，特别是固态压缩机，且还可以进一步设置有连接到阳极和阴极的电压源。
18.阴极可以优选包括用于冷却液体的通道结构。在根据本发明的提取装置的第一类型的用途中，通道结构可以用于循环冷却液体，例如h2o。
19.本发明还涉及用于从气体混合物中提取组分(如氢气)的方法，包括将气体混合物通过如上所述的提取装置，借助电压源在阳极和阴极之间施加电压，以及将从气体混合物中提取的组分通过排放通道。
20.可以将诸如氢气的组分嵌入气体或气体混合物中，并且该方法可以进一步包括将含有氢气的气体或气体混合物运输通过气体运输管，将含有氢气的气体或气体混合物通过提取装置，和从气体或气体混合物中提取氢气。
21.穿过膜的平均表面电流密度可以低于1.0a/cm2，更特别地低于0.5a/cm2。
22.本发明还涉及如上所述的方法，包括在阴极侧提供例如氧气的组分，用于润湿膜，从而提高效率，或清除催化剂上的污染物，从而提高设备的效率。
附图说明
23.现在将参照以下附图更详细地阐述本发明，其中：
[0024]-图1示出了根据本发明的提取装置的剖视图；
[0025]-图2示出了根据本发明的提取装置的示意图；和
[0026]-图3示出了根据本发明的提取装置的第一类型的用途的进一步的结构细节。
具体实施方式
[0027]
图1示出了根据本发明的提取装置的截面图，其包括：管或容器，该管或容器包括用于将气体混合物沿给进方向从接收口1传递到分配口8的传输通道6，该管或容器被布置成串联地接收在气体运输管中；至少一个膜电极组件(mea)，所述膜电极组件布置在管或容器中，具有至少一个阳极、膜和阴极，该组件被布置成使得阳极表面面向传输通道，阴极表面背离传输通道面向与给进通道分开的排放口5，并且其中阳极和阴极设置有用于电压源的连接器。阳极表面在接收口和排放口之间非直线地延伸，以增加接触长度，从而增加用于传递气体的接触表面。阳极表面呈曲折取向。
[0028]
在接收口和阳极表面之间的管或容器的横截面中设置有加宽部分2，在阳极表面和排放口之间的管或容器的横截面中设置有锥形部分7。此外，设置有挡板3，其位于进料通道中沿垂直于进料方向的方向分量延伸。
[0029]
图2示出了根据本发明的提取装置的工作原理的示意图。该视图示出了用于传递气体混合物的传输通道12，包括阳极9、膜10和阴极11的膜电极组件以及与给进通道分开的排放口14，其中阳极和阴极设置有用于电压源15的连接器。从运输通道12中提取氢气13。
[0030]
图3示出了图2中结构的进一步结构细节，其对应于根据本发明的提取装置的第一类型的用途。在该实例中，诸如氢气的组分被添加到气体或气体混合物中，该混合物被运输通过包括阳极的管或容器16。膜17被配置为当在阴极和阳极之间施加电压时，选择性地让组分(在该实例中为氢气)通过。阴极18设置有通道结构，水19作为冷却液体通过泵20提供给该通道结构，并且所述冷却液体从该通道结构再次被排出。从气体混合物中提取组分，例如氢气，并通过干燥器21干燥。该组分可以在进一步的加工步骤中被压缩到更高的压力，例如用于填充汽车油箱。