[发明专利]氢气回收设备和操作方法

说明书

本发明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。反应气体至电池堆栈中的至少一个电池的流动被停止。增大施加到该至少一个电池的电压。响应于电压增大超过阈值持续预定的时间量，启动反应气体到至少一个电池的流动。

相关申请的交叉引用

本申请是2013年5月31日递交的标题为“Hydrogen Recycling Apparatus andMethod 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

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(“CO”)污染物的混合物中分离氢的系统。

背景技术

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CO₂、CO、N₂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。

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(“CO”)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(“CO”)被送至电化学氢泵或压缩机的阳极时，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CO₂。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。

一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(“H₂”)。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。

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，泵速率增大。得到的电流的一部分将去氧化氢气而另一部分将去氧化CO。因此如果氢气泵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。

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PEM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

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。

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