本發明涉及氣體壓縮，尤其是涉及電化學式的氨氣壓縮裝置及壓縮方法。

背景技術：

氨氣是一種重要的工業原料，在醫藥、化肥、國防、輕工業方面均有著廣泛用途,是制造氮肥、硝酸、炸藥、醫藥、火箭液體燃料、合成纖維等的主要化工原料。此外在制冷、空調領域，由于氨易液化的特性，它也是一種常用的制冷劑，因為氨氣壓縮后得到液氨，液氨在氣化后能吸收大量的熱，使環境溫度降低。

在氨氣的生產與利用中，儲存和運輸都是非常關鍵的環節，在對氣體進行儲存與運輸時，為便利起見，一般都需要先將其進行壓縮。氣體壓縮的技術可分為傳統的機械式壓縮與電化學式壓縮，前者是物理方法，后者則是電化學的方法。機械式壓縮技術發展較早，也較為成熟，但存在著能源浪費、效率低、噪音大、氣體易被污染以及容易發生故障等一系列缺點，而新興的電化學式的氣體壓縮技術節能、無污染、無噪音，相比機械式壓縮技術，具有明顯優勢。

電化學式的氣體壓縮的原理，主要基于燃料電池技術，其裝置結構也類似于質子交換膜燃料電池裝置，以單電池及其中的膜電極為核心。以電化學式的氫氣壓縮技術為例，其原理如下：在陽極通入常壓的、加濕過的氫氣，然后在單電池兩端外加直流電壓，加濕過的氫氣在陽極被氧化為水合氫離子，水合氫離子在外加電壓的作用下不斷地通過質子交換膜，在陰極還原成氫氣，由于氫離子只能單向通過質子交膜從陽極到達陰極，而不能逆向地從陰極到達陽極，在密封的情況下，陰極的氫氣密度越來越大，最終在陰極得到高壓的氫氣。

近20年來，電化學式的氫氣壓縮技術的研究已經較為成熟，許多研究機構及企業都對此項技術進行了不遺余力的開發，并在實際應用中取得了良好的效果。德國的strobel等人采用為質子交換膜，設計了一套實驗室使用的以質子交換膜燃料電池為核心部件的電化學氫氣壓縮裝置；挪威的thomassen等人則以聚苯并咪唑(pbi)為質子交換膜，以質子交換膜燃料電池為核心部件設計了一套電化學式的氫泵裝置，而且可以對含有氫氣的混合氣體進行壓縮與分離；荷蘭的hyet公司則成功地將電化學式的壓縮氫氣的設備商業化。

目前電化學式的氣體壓縮裝置和方法，文獻報道僅見對氫氣，或者對氫氣和氨氣混合氣體進行壓縮的報道，未見對純氨氣進行壓縮的報道。中國專利cn105826582a公開了一種電化學式的氣體壓縮裝置及其壓縮方法，可將氨氣及氫氣的混合氣體進行壓縮；美國的yetao等人以膜為質子交換膜，以貴金屬鉑為催化劑，制作質子交換膜燃料電池的單電池作為核心部件，設計了一套與專利cn105826582a類似的電化學式的氨氣壓縮裝置，研究了它在閉合回路中的性能，并利用電分析手段探索了壓縮過程中氨氣傳導的機理及動力學。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有的技術缺陷，提供一種新型的電化學式的氨氣壓縮裝置及壓縮方法。

所述電化學式的氨氣壓縮裝置，設有進氣系統、單電池、壓縮氣體儲存裝置、外接直流電源；

所述進氣系統設有氨氣氣源、控溫加濕器，所述氨氣氣源與控溫加濕器之間通過氣體管路及閥門相連接并與單電池陽極相連；

所述單電池設有陽極流場板、陰極流場板、膜電極、密封裝置、固定裝置成，其中膜電極設有陽極、陰極和陽離子交換膜；

所述壓縮氣體儲存裝置，通過氣體管路與單電池的陰極流場板相連，用于儲存壓縮后的氣體；

所述膜電極、密封裝置、陰極流場板與壓縮氣體儲存裝置共同組成一個密閉的空間。

所述外接直流電源的兩極與單電池的兩極分別相連，共同構成閉合電路。

所述膜電極中的陽極包含陽極催化層和氣體擴散層，所述陽極催化層的活性物質為儲氫合金，所述儲氫合金包括但不限于稀土系、鈦系、鎂系等，優選稀土系；所述氣體擴散層由多孔材料構成，所述多孔材料可采用碳布、碳紙或多孔金屬材料，多孔材料包括但不限于泡沫鎳、銅網、鈦網等。

所述膜電極中的陰極包含陰極催化層和氣體擴散層，所述陰極催化層的活性物質為氫氧化鎳或儲氫合金構成，陰極催化層的活性物質包括但不限于稀土系、鈦系、鎂系等，優選稀土系儲氫合金；所述氣體擴散層由多孔材料構成，所述多孔材料可采用碳布、碳紙或多孔金屬材料，多孔材料包括但不限于泡沫鎳、銅網、鈦網等。

所述膜電極中的陽離子交換膜采用羧酸型陽離子交換膜或磺酸型陽離子交換膜等。

所述電化學式的氨氣壓縮裝置包括至少1個單電池，或由至少2個單電池串聯，并通過氣體管路與進氣系統和壓縮氣體儲存裝置相連，且與外接直流電源共同構成閉合電路。

所述電化學式的氨氣壓縮方法，包括以下步驟：

1)配制陽極催化層和陰極催化層的漿料；

在步驟1)中，所述配制陽極催化層和陰極催化層的漿料的方法可將活性物質、導電劑、粘結劑混合均勻，配制成漿料；所述陽極催化劑的漿料中活性物質為儲氫合金，儲氫合金包括但不限于稀土系、鈦系、鎂系等，優選稀土系；所述陰極催化劑的漿料中活性物質為氫氧化鎳或者儲氫合金，包括但不限于稀土系、鈦系、鎂系等，優選稀土系儲氫合金；所述陽極或陰極催化劑的漿料中，導電劑選自鎳粉、碳粉、乙炔黑、石墨粉、鎘粉、鋅粉、鈷鋅合金粉、鈷粉等中的至少一種，所述粘結劑為能將活性物質和導電劑粘合在一起的物質，包括但不限于溶液，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡膠、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素等高分子化合物的溶液或乳液；所述活性物質與導電劑的質量比可為(6～9)∶1。

2)制備陽極和陰極；

在步驟2)中，所述制備陽極和陰極的方法可將步驟1)配制的陽極、陰極催化層漿料分別涂覆于陽極、陰極的氣體擴散層上，干燥后得到陽極和陰極；所述氣體擴散層由多孔材料構成，所述多孔材料可采用碳布、碳紙或多孔金屬材料，多孔金屬材料包括且不限于泡沫鎳、銅網、鈦網等。

3)制備三合一膜電極；

在步驟3)中，所述制備三合一膜電極的方法可將步驟2)制得的陰極和陽極分別置于陽離子交換膜的兩側，熱壓后得三合一膜電極；所述熱壓的壓力可為0.5～6mpa，熱壓的溫度可為120～150℃，熱壓的時間可為3～8min。

4)將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電；

在步驟4)中，所述電解池的電解液為氫氧化鈉或氫氧化鉀的濃溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳；所述充電的電流密度可為20～100mah/g，充電的時間可為2～8h。

5)將充好電的膜電極裝入陽極流場板與陰極流場板之間，與單電池的其它部件共同組裝，并用固定裝置固定；將進氣系統與單電池陽極相連，壓縮氣體儲存裝置與單電池陰極相連；

6)開啟進氣系統，控制系統的溫度和濕度，通入常壓的、經過加濕的氨氣；接好外接直流電源與單電池之間的電路，在單電池的陰極和陽極之間加上直流電壓后，即可在壓縮氣體儲存裝置中獲得高壓的氨氣。

在步驟6)中，所述直流電壓可為0.05～3.5v。

壓縮氨氣時可將進氣系統中的氨氣，以及單電池加熱，以提高壓縮效率。

本發明的有益效果是：

本發明所采用的電化學式的氨氣壓縮法，比傳統的機械壓縮法更加節能、高效、環保，不會產生噪音和污染氣體；

本發明所采用的電化學式的氨氣壓縮法，可以直接對純氨氣進行壓縮。

目前已報道的電化學式的氣體壓縮方法，膜電極催化層的活性物質一般采用貴金屬鉑，成本高昂，而本發明的膜電極催化層的活性物質則采用價格較低的儲氫合金等材料，大大降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明所述電化學式的氨氣壓縮裝置的結構組成示意圖。

具體實施方式

以下通過具體實施方式對本發明的技術方案作進一步的說明和描述。

參見圖1，所述電化學式的氨氣壓縮裝置實施例設有進氣系統、單電池、壓縮氣體儲存裝置、外接直流電源。

所述進氣系統設有氨氣氣源1、流量計2、控溫加濕器3，各部件之間用氣體管路及閥門相連接，并與單電池陽極相連。

所述單電池設有陽極流場板4、陰極流場板8、膜電極及密封裝置、固定裝置，其中膜電極由陽極5、陽離子交換膜6、陰極7經過熱壓而得到三合一的結構，并嵌入單電池中，用固定裝置固定。

所述壓縮氣體儲存裝置為一儲罐9，用于儲存壓縮后的氣體，其一端通過氣體管路及閥門與單電池陰極相連，另一端通過氣體管路及閥門與外界相連。

所述膜電極、陰極流場板4與壓縮氣體儲存裝置9共同組成一個密閉的空間。

所述外接直流電源10的兩極與單電池的兩極分別相連，共同構成閉合電路。

在圖1中，標記p表示閥門，標記g表示壓力表。

以下給出具體實施例。

實施例1

配制含有活性物質鑭鎳合金粉末、導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏氟乙烯溶液的漿料，其中鑭鎳合金粉末、乙炔黑的質量比為8∶1；將配制好的漿料分別涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于115質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為7cm×7cm的膜電極，熱壓壓力為0.8mpa，溫度為120℃，熱壓時間為5min。將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為50ma·g^-1，充電時間為5h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。打開進氣系統，將操作溫度設置為常溫(25℃)，相對濕度設為100％，外接直流電源的電壓設為3v，40min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為675.4kpa，其中氨氣的含量為85.3％，氫氣的含量為5.5％，水蒸汽的含量為9.2％。

實施例2

配制含有活性物質鑭鎳鈷合金粉末、導電劑銅粉、粘結劑聚四氟乙烯乳液的漿料，其中鑭鎳鈷合金粉末、銅粉的質量比為6∶1；將配制好的漿料分別涂覆在鈦網上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于117質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為4cm×4cm的膜電極，熱壓壓力為0.5mpa，溫度為135℃，熱壓時間為8min。將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為20ma·g^-1，充電時間為8h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。打開進氣系統，將操作溫度設置為60℃，相對濕度設為100％，外接直流電源的電壓設為3.5v，40min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為387.3kpa，其中氨氣的含量為86.7％，氫氣的含量為6.3％，水蒸汽的含量為7％。

實施例3

配制含有活性物質儲氫合金mmni3.73co0.74mn0.41al0.19(其中mm為混合稀土)粉末、導電劑vulcanxc-72碳粉、粘結劑丁苯橡膠溶液的陽極、陰極漿料，其中儲氫合金粉末、碳粉的質量比為9∶1；將配制好的漿料分別涂覆在碳紙上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于115質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為7cm×7cm的膜電極，熱壓壓力為2mpa，溫度為150℃，熱壓時間為3min。將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，充電電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為100ma·g^-1，充電時間為2h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。打開進氣系統，將操作溫度設置為常溫(25℃)，相對濕度設為100％，外接直流電源的電壓設為3v，40min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為502.6kpa，其中氨氣的含量為87.1％，氫氣的含量為6.1％,水蒸汽的含量為6.8％。

實施例4

配制含有活性物質儲氫合金mmni3.73co0.74mn0.41al0.19(其中mm為混合稀土)粉末、導電劑vulcanxc-72碳粉、粘結劑溶液的陽極、陰極漿料，其中儲氫合金粉末、碳粉的質量比為8∶1將配制好的漿料分別涂覆在碳紙上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于115質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為7cm×7cm的膜電極，熱壓壓力為6mpa，溫度為140℃，熱壓時間為4min。將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為80ma·g^-1，充電時間為4h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。打開進氣系統，將操作溫度設置為60℃，相對濕度設為60％，外接直流電源的電壓設為3v，30min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為588.9kpa，其中氨氣的含量為85.2％，氫氣的含量為9.2％,水蒸汽的含量為5.6％。

實施例5

配制含有活性物質儲氫合金mmni3.73co0.74mn0.41al0.19(其中mm為混合稀土)粉末、導電劑鎳粉、粘結劑聚偏氟乙烯溶液的陽極、陰極漿料，其中儲氫合金粉末、鎳粉的質量比為7∶1；將配制好的漿料分別涂覆在泡沫鎳上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于羧酸功能化的聚苯乙烯質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為7cm×7cm的膜電極，熱壓壓力為1mpa，溫度為135℃，熱壓時間為5min。按此法制作兩塊膜電極，將它們放入電解池中，分別對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為50ma·g^-1，充電時間為5h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成兩組單電池，按照圖1組裝氣體壓縮裝置，并將兩組單電池的氣路串聯，電路并聯。打開進氣系統，將操作溫度設置為60℃，相對濕度設為60％，外接直流電源的電壓設為3v，30min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為911.2kpa，其中氨氣的含量為82.3％，氫氣的含量為7.9％，水蒸汽的含量為9.8％。

實施例6

配制含有活性物質儲氫合金mmni3.73co0.74mn0.41al0.19(其中mm為混合稀土)粉末、導電劑鋅粉、粘結劑溶液的陽極、陰極漿料，其中儲氫合金粉末、鋅粉6∶1；將配制好的漿料分別涂覆在銅網上，在80℃下真空干燥，分別制作膜電極的陽極、陰極；將陽極、陰極分別置于磺酸功能化的聚苯乙烯質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為7cm×7cm的膜電極，熱壓壓力為3mpa，溫度為145℃，熱壓時間為3min。將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為50ma·g^-1，充電時間為5h。充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。打開進氣系統，將操作溫度設置為70℃，相對濕度設為60％，外接直流電源的電壓設為2.5v，30min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為516.7kpa，其中氨氣的含量為84.0％，氫氣的含量為8.1％，水蒸汽的含量為7.9％。。

實施例7

(1)配制含有活性物質鑭鎳鈷合金粉末、導電劑碳粉、粘結劑聚四氟乙烯乳液的漿料，其中鑭鎳鈷合金粉末、碳粉的質量比為7∶1；將配制好的漿料分別涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，制作成膜電極的陽極；(2)配制含有氫氧化鎳粉末、導電劑碳粉、粘結劑聚四氟乙烯乳液的漿料，其中鑭鎳鈷合金粉末、碳粉的質量比為7∶1；將配制好的漿料分別涂覆在碳布上，在80℃下真空干燥，制作成膜電極的陰極；(3)將陽極、陰極分別置于117質子交換膜的兩側，用熱壓法壓制成活性面積為4cm×4cm的膜電極，熱壓壓力為0.8mpa，溫度為135℃，熱壓時間為6min。(4)將制作好的膜電極放入電解池中，對其陽極進行充電，電解池的電解液為6mol·l^-1氫氧化鉀溶液，負極為膜電極的陽極，正極為氫氧化鎳正極，充電電流密度為60ma·g^-1，充電時間為3h。(5)充電完畢后取出，與陽極流場板、陰極流場板及密封裝置、固定裝置一同組裝成單電池，并按照圖1組裝氣體壓縮裝置。(6)打開進氣系統，將操作溫度設置為80℃，相對濕度設為80％，外接直流電源的電壓設為0.05v，50min后測得壓縮氣體儲存裝置中的壓力為543.3kpa，其中氨氣的含量為85.6％，氫氣的含量為7.3％，水蒸汽的含量為7.1％。