基于燃料电池的氨气压缩系统的构建和机理研究

Ammonia is extensively used as an alternative refrigerant currently. Refrigerant compression is the crucial technology in the field of cryogenics and refrigeration. Aiming at the problems in traditional refrigerant compression technique, such as high power consumption, low efficiency, loud noise, low reliability and high failure rate, we proposed an electrochemical ammonia compression system based on fuel cell. The system is mainly composed of a cation exchange membrane fuel cell and an anion exchange membrane fuel cell. When the mixed gas of hydrogen and ammonia at ambient pressure is fed into the system, the high-pressure purified ammonia can be obtained at the exit. The main target of this project is to construct a more effective and reliable electrochemical ammonia compression system without noise, compared with mechanical ammonia compression system. This research project will focus on the design, preparation and characterization of critical materials, as well as the mechanisms of the electrochemical ammonia compression system. The research findings are believed to contribute to the development of refrigerant compression technique based on fuel cell, and promote the commercialization of fuel cells.

氨是目前广泛使用的一种的替代制冷剂，而制冷剂的压缩技术是制冷领域的关键核心技术。针对传统的机械式气体压缩技术普遍存在着能耗高、效率低、噪音大、故障率高等缺点，本项目提出了一种基于燃料电池的电化学式氨气压缩系统，该系统主要由一个阳离子交换膜燃料电池装置和一个阴离子交换膜燃料电池装置构成，常压的氢气和氨气的混合气体经该系统后可以得到纯净的高压氨气。本项目的主要研究目标是研制出比传统的机械式氨气压缩机更可靠、高效、节能、无噪音的电化学式氨气压缩系统。本项目将围绕该系统的构建所涉及的关键科学问题，重点研究关键材料的设计、制备，结构和性能，并深入、系统地研究该系统所涉及的机理，预期研究结果将为燃料电池在氨气等制冷剂压缩技术上的应用奠定理论和技术基础，为推动燃料电池的产业化发展做出积极的贡献。

氨气是一种重要的化工原料，也是一种良好的制冷剂，可替代对大气臭氧层有破坏作用的氟利昂。而氨气的储存、运输、液化都需要进行压缩。针对传统的机械式气体压缩技术普遍存在着能耗高、效率低、噪音大、故障率高等缺点，本项目开发了两种新型的电化学式的氨气压缩技术，一种是混合气体法，另一种是储氢合金法。这两种技术成本较低，可靠性高，高效节能、无噪音、无污染，达到了预期的目标。该技术不同于传统的机械式气体压缩技术，是氨气压缩技术的原始创新，国内外均未见有文献报道。该技术不仅可以为氨气制冷、压缩行业提供一个突破性的新技术，还将为CO2 、H2O等制冷剂的压缩技术提供重要创新思路和的科学依据，具有重要的科学意义和潜在工业应用价值。两种氨气压缩技术都申请了中国专利，并获得了授权。详见以下2个专利的说明书：①方军等，一种电化学式的气体压缩装置及压缩方法，授权公告号:CN105826582B,授权公告日：2019年7月9日，②方军等， 电化学式的氨气压缩装置及压缩方法,中国国家知识产权局, 授权公告号：CN107302101B. 授权公告日：2020年1月14日。.下面以具体的实施例子来说明两种电化学式的氨气压缩技术：.①运用混合气体法，室温下，在系统的进气口处通入1个大气压的氨气与氢气的混合气体，两种气体的体积比为2:1，外加电压为0.6 V，气体的相对湿度为80%，运行56分钟后，系统出口处得到的氨气气体压力可达896 kPa。.②运用储氢合金法，工作温度设为60℃温度、进气相对湿度为60%，外加电压为3 V，运行32分钟后，系统出口处得到的氨气气体压力可达675 kPa。.此外，本项目还开发了新型的中空、多孔结构的低铂载量的催化剂制备技术、阳离子交换膜的制备技术、阴离子交换膜的制备技术，和膜电极制备技术。