[发明专利]氢气系统和操作方法

说明书

技术领域

在此公开的主题涉及一种用于提供氢气的电化学系统。

背景技术

氢气广泛地用在不同应用中，包括作为用于燃烧的燃料、化学反应物、以及在用在需要还原环境的情况(例如对于各种类型材料表面处理的情况)中。通过重整天然气在工业规模上生产氢气，以及例如上文描述的对于氢气的商业化用户的传统方法(其氢气不需要证明是大规模工业氢气生产)一直只是用以原位维持氢气储存系统以对诸如金属热处理的工艺提供新鲜的氢气。然而，纯氢气的有效储存会是代价高且复杂的，其需要高压和/或低温。通过使用将水分解成氢气和氧气的质子交换膜(PEM)电解电池堆进行原位氢气生产提供从生产商购买和储存氢气的可替选方案。然而，与通过PEM电解生产氢气相关联的电成本会是巨大的。另外，这种原位PEM电解系统必须尺寸设计成处理最大负荷需求(通常需要的是系统与典型需求负荷相比必须是超大尺寸的)或者氢气储存系统需要具有可用于最大负荷情况的额外的氢气，这两者可显著地抬高提供氢气的成本和难度。

因此，尽管现有的氢气系统适合于它们的预期目的，但仍需要改进。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用于提供氢气的系统包括第一电化学电池或电池堆，该第一电化学电池或电池堆包括：第一膜电极组件，该第一膜电极组件包括通过质子交换膜隔开的阴极和阳极；用于包括氢气的第一气体的入口，该入口与第一电化学电池或电池堆的阳极侧流体连通；和与第一电化学电池或电池堆的阴极侧流体连通的出口。提供了操作电化学电池堆的方法。所述系统还包括第二电化学电池或电池堆，该第二电化学电池或电池堆包括：第二膜电极组件，该第二膜电极组件包括通过质子交换膜隔开的阴极和阳极；与第二膜电极组件流体连通的入水口；以及与第二膜电极组件的阴极侧流体连通的出口。

此外，所述系统包括与所述第一电化学电池或电池堆和第二电化学电池或电池堆(例如，通过电信号)连通的控制器，该控制器被配置成接收氢气需求信号。所述控制器还被配置成使得当所述氢气需求信号大于零且第一气体在第一电化学电池或电池堆入口处可用时，控制器被配置成：操作第一电化学电池或电池堆作为主氢源，且响应于氢气需求信号和/或第一电化学电池或电池堆的氢气输出，可控地操作第二电化学电池或电池堆作为次氢源。在此应注意到，关于第一气体的术语“可用的”指根据其设计说明可用于操作第一电化学电池或电池堆的具有足量的氢气的第一气体的足够的流动速率。当氢气需求信号大于零且第一气体在第一电化学电池或电池堆入口处不可用时(即，没有足够的量)，所述控制器操作第二电化学电池或电池堆。优先使用第一电化学电池或电池堆的该控制方案是有利的，这是因为第一电化学电池或电池堆与第二电化学电池或电池堆相比，可以较低的功率需求和/或更高的效率来操作。

在本发明的另一方面中，提供氢气的方法包括接收氢气需求信号以及当氢气体积需求信号大于零且包含氢气的第一气体可用时，操作所述第一电化学电池或电池堆以在与第一电化学电池或电池堆的阴极侧流体连通的出口处提供氢气，以及响应于氢气需求信号和/或第一电化学电池或电池堆的氢气输出，可控地操作第二电化学电池或电池堆。当氢气需求信号大于零且第一气体在第一电化学电池或电池堆的入口处不可用时，操作第二电化学电池或电池堆以提供氢气。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求书中对视为本发明的主题进行了特别地指出和明确保护，结合附图从下面的详细说明中本发明的前述和其他特征、优点是显而易见的，其中：

图1是根据本发明的示例性实施方式的用于提供氢气的系统的示意图；和

图2是根据本发明的实施方式的用于操作提供氢气的系统的流程图的示意图。

参照附图，通过举例，解释了本发明的具体实施方式以及优点和特征。

具体实施方式