[发明专利]电化学压缩气态氢的方法和系统

说明书

用于电化学压缩氢气的方法和系统。在一个实施例中，该系统包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括聚合物电解质膜(PEM)、阳极和阴极。第一和第二气体扩散介质分别邻近阴极和阳极定位。加湿膜紧邻第二气体扩散介质定位在与阳极相对的侧上。水源与加湿膜连接，氢气供给源与第二气体扩散介质连接。包括背压调节器的氢气收集器连接至第一气体扩散介质。定位在MEA的相对侧上的隔膜连接至电源。在使用中，氢气以电化学方式泵送穿过MEA并且被收集在氢气收集器中。PEM由加湿膜保持适当潮湿，加湿膜将水释放到第二气体扩散介质中。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月31日申请的美国临时申请No.63/002,614的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

联邦资助的研究或开发

本发明是依据美国能源部授予的名称为“先进电化学氢气压缩机(AdvancedElectrochemical Hydrogen Compressor)”的DOE DE-EE0007647合作协议在政府支持下进行的。美国政府对本发明拥有一定的权利。

背景技术

本发明总体上涉及用于压缩气态氢的方法和系统，并且更具体地涉及用于电化学压缩气态氢的方法和系统。此外，本发明还涉及新的电化学电池和用于制造这种电化学电池的方法、以及这种电化学电池的部件和它们的制造方法。

由于各种原因，包括但不限于日益增长的环境问题，在过去的几年中，为化石燃料提供可接受的能量替代物的努力已经受到相当大的关注。已经做出很多努力的一个领域是开发氢燃料电池。氢燃料电池对化石燃料的燃烧提出了有吸引力的替代方案，因为氢燃料电池能够简单地通过使用氢气和氧气作为反应物来发电，其中水是燃料电池运行的副产物。因为氧气大量地自然存在于空气中，所以向燃料电池提供氧气可与向燃料电池供应空气一样简单。另一方面，氢气并不大量地自然存在于空气中；因此，大多数燃料电池联接至某种氢气供应罐，在该氢气供应罐中储存一定体积的氢气以供燃料电池使用。

限制氢燃料电池在某些应用中的使用的因素之一是在短时间段内填充或再填充氢存储罐的困难。例如，美国汽车制造商已经在氢气燃料电池电动车辆(FCEV)的研究和开发中投入了大量资源。然而，为了能够广泛使用FCEV，需要高效氢气加燃料站的基础设施。为了快速地将氢气从加燃料站分配到FCEV储箱，氢气必须在加燃料站中被压缩到非常高的压力，例如至少875bar。

一种用于压缩气态氢的技术是使用机械式气体压缩机。然而，不幸的是，机械式气体压缩机往往具有高资本成本、高维护成本和差的可靠性。此外，机械式气体压缩机趋于产生显著的噪音和热量。此外，由机械式气体压缩机产生的压缩氢气通常含有少量来自压缩机的泵油和其他污染物。这种油和其他污染物在压缩氢气中的存在是不利的，因为其降低了燃料电池接收污染氢气的性能。最重要的是，即使是单个机械式氢气压缩机的故障成本也非常高，因为它需要维修压缩机所在的加燃料站。

另一种压缩气态氢的技术是使用电化学氢气压缩机。电化学氢气压缩机的示例公开于美国的专利申请(公开号为US 2004/0211679 A1，发明人Wong等人)，其公布于2004年10月28日，并且其全部内容以引用方式结合于本文。更具体地，根据该公布的申请，公开了用于氢气的电化学压缩的装置和方法。该装置被称为包括膜电解质电池组件(MEA)，该膜电解质电池组件包括夹住该MEA的平面气体分配板，该组件通过端板保持在一起，该端板具有互补的外围凹槽以用于安置端板与MEA之间的中间密封件，该阳极侧上的端板还包括氢气供应入口，并且该阴极侧上的端板还包括压缩氢气出口。本发明公开了单电池和多电池组件。多电池组件包括多个这样的与并联的气体端口串联电连接的单电池，使得来自每个独立的电池的出口的压缩氢气被连接，其中每个电池与串联的相邻电池电隔离。