专利名称：使用钠离子分离膜产生氢的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生氢气的方法和系统。更具体的是，本发明的实施方案涉及使用钠离子分离膜从氢氧化钠和水中产生氢气的方法和系统。背景许多人认为氢是有希望的能源，是碳基燃料的替代品。氢作为燃料特别具有吸引力，因为不会产生污染物质，例如未燃烧的烃，包括温室气体(例如碳氧化物、硫氧化物和氮氧化物，它们通常与各种石油基/石油源燃料的燃烧相关)。除了能量运输以外，氢气还在例如电子生产、燃料脱硫、铵的生产和石油资源的升级中具有很多的工业用途。用于产生氢的不同的技术和方法为人们所知。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但却很少以其自然形式被发现，而是以例如下列化合物的形式发现烃、碳水化合物、燃料和水。从这些化合物中分离氢作为氢燃料不仅复杂且冗长，而且非常昂贵。产生氢最常见的方法是电解、气化烃、酶活化、某些金属或金属化合物与水反应、以及从化石燃料例如天然气或甲醇中提取。然而，这些方法直接产生污染物或需要大量能量，其中生产能量产生了污染物。尽管使用例如氢的燃料来替代化石燃料作为主要能量的优点很多，但是将提供便捷的装置(藉此氢可以以使其在上述的应用中有用的形式——无论气态或液态——经济地产生)的单一方法并没有出现。因此,存在对能量利用和反应物消耗方面有效的产氢方法和系统的需要。而且,存在对环境友好且不会产生不需要的废物或副产物的这类方法和组合物的需要。发明概述本发明涉及从氢氧化钠和水中产生氢的方法。所述方法包括从在钠离子分离器中的第一氢氧化钠水溶液流中分离钠，将在钠离子分离器中产生的钠注入钠反应器中，使钠在钠反应器中和水反应，以及产生第二氢氧化钠水溶液流和氢。在一些实施方案中，所述方法进一步包括通过将第二氢氧化钠水溶液流与第一氢氧化钠水溶液流组合来重复使用第二氢氧化钠水溶液流。在这类实施方案中，水、氢和氧是本发明产生的仅有产物。在本发明另外的实施方案中，从在钠离子分离器中的第一氢氧化钠流分离钠包括将所述第一氢氧化钠流注入电解池的阳极液室中，将矿物油注入电解池的阴极液室中，并、施加穿过所述池的电位。所述池的阳极液室和阴极液室被陶瓷膜分隔，所述陶瓷膜在施加穿过所述池的电位后选择性地使钠阳离子从阳极液室转运至阴极液室。所述钠阳离子，在它们跨所述膜转运后，与电子结合形成元素钠。在阴极液室中的矿物油避免所述元素钠与空气和/或水分反应。结合本发明的方法，还提供了从氢氧化钠和水中产生氢的系统。所述系统包括配置成从第一氢氧化钠流中分离钠的钠离子分离器，和配置成使钠和水反应以产生第二氢氧化钠流和氢的反应器。在另外的实施方案中，所述系统包含用于从所述第一氢氧化钠流中分离所述钠的电解池。所述池包括含有阴极和矿物油的阴极液室，含有阳极和氢氧化钠的阳极液室，和分隔所述阳极液室和所述阴极液室的钠选择性陶瓷膜，该膜在施加穿过所述池的电压后选择性地允许钠阳离子从所述阳极液室流至所述阴极液室。本发明的这些和其他方面将更详细地在下文中讨论。附图
简述
尽管说明书总结为具体指明且明确要求保护的权利要求，其被视为本发明，但本发明的优点当结合附图阅读时可能更易于根据下列详细说明来确定，在附图中图I和2是根据本发明的具体实施方案用于从氢氧化钠和水中产生氢的系统的简图；以及图3是根据本发明的一个实施方案的电解池的示意图。发明详述本发明产氢系统100的实施方案显示在如图I所示的简化示意图中。产氢系统100包含钠离子分离器110和钠反应器120。任选地，如图2所示，产氢系统100还可以包含泵126、128和气体分离器124。本发明方法的一个实施方案包括将第一氢氧化钠水溶液流104注入钠离子分离器110中而产生钠108、水102和氧106。将钠108注入钠反应器120中，其中钠108与水114反应而产生氢112和第二氢氧化钠水溶液流113。在一些实施方案中，第二氢氧化钠水溶液流113可以通过第二氢氧化钠水溶液流113与第一氢氧化钠水溶液流104组合来再循环。如图2中所示，泵126可以用于在将钠108注入钠反应器120之前对钠108加压。类似地，泵128可以用于在将水114注入钠反应器120之前对水114加压。此外，可以将在钠反应器114中产生的氢112注入气体分离器124以产生纯化的氢112 ^。产氢系统100的钠离子分离器110可以包含，例如电解池。电解池的一个实例描述于 Balagopal 等人的标题为 Electrolytic Method toMake Alkali Alcoholates UsingCeramic Ion Conducting SolidMembranes 的美国专利申请No. 2006/0169594 中，其文件的公开内容以引用的方式整体并入本文。本发明电解池的一个实施方案示于图3中。池130包含容器132、阴极液室134、阳极液室136、阴极138、阳极140和可以放置在支架或固定架144中的陶瓷膜142。容器132和池130的其它部分可以由任何适宜的材料(包括金属、玻璃、塑料、复合材料、陶瓷、其它材料或前述材料的组合)制成。形成池130的任何部分的材料优选地不与化学制品和池130所暴露的环境(作为过程的一部分)发生反应或被其实质上降解。池130进一步包含阳极液入口 146、阳极液出口 148、阴极液入口 150和阴极液出口 152。排气装置154用于放出、处理和/或收集可以从阳极液室136释放的气体。排气装置154可以是单一的排气系统(例如在容器132上部的开口、孔、洞)和/或在阳极液室136中与液面上的空间或间隙流体连通的收集管、软管或导管。在池130中的膜142可包括能够将钠阳离子从阳极液室136选择性转运至阴极液室134的材料。例如，膜142可包括陶瓷NaSICON(钠超离子导体)材料。NaSICON膜的组成和类型为本领域已知并对其进行了描述，例如在Ceramatech的标题为SelectiveMetalCation-Conducting Ceramics的美国专利No. 5, 580, 430中，其文件的公开内容以引用的方式整体并入本文。NaSICON膜142在低温下对钠离子显示出高的离子电导率，并且基本上不能渗透其它额外的化学成分，所述化学成分可以在阴极液室134和阳极液室136中找到。可以将产氢系统100的钠离子分离器110 (例如电化电池130)配置为接收第一氢氧化钠水溶液流104并将其分离为钠108、水102和氧106。电化电池130根据下列反应分离氢氧化钠水溶液 阳极20H-— l/202+H20+2e_ 反应 I阴极2Na++2e-— 2Na反应 2总反应2Na0H— 2Na+l/202+H20 反应 3反应1、2和3是在诱导电流下进行的电解反应，其中引入或移除电子166以引起反应。根据本发明从第一氢氧化钠水溶液流104产生钠108的一种方法是通过阳极液入口 146将第一氢氧化钠水溶液流104注入池130的阳极液室136中。向池130施加电位引起第一氢氧化钠水溶液流104分解为钠离子160和氢离子164。将钠离子160从阳极液室136跨膜142转运至阴极液室134。在阴极液室134中，钠离子160在阴极138处与电子166结合而形成元素钠108，如反应2所示。因为钠108在空气中氧化且易于与水反应，所以阴极液室134充满至少实质上是惰性的化合物，例如矿物油116，以保护钠108。尽管矿物油116用作实质上是惰性的化合物的一个实例，但不与钠反应的任何液体都能用于阴极液室134。根据需要将矿物油116通过阴极液入口 150注入池130的阴极液室134中。因为钠108比矿物油116密度大，所以钠108可以从矿物油116中分离并占据阴极液室134的底部，然而矿物油116却占据阴极液室134的上部，如虚线162所示。钠108可以通过阴极液出口 152排出阴极液室134。同时，在阳极液室136中氢氧离子164在阳极140处供出电子166，然后分解为氧106和水102，如反应I所示。氧气106可以通过排气口 154排出，而在阳极液室136中产生的过量水102则可以通过阳极液出口 148排出池130。通过非限制性实例，池130可以在约80°C至约100°C的温度下运行。更具体的是，池可以在约90°C至约100°C的温度下运行。在池130中约80°C至约100°C的温度范围可以促使钠离子160跨膜142转运。另外，在这些温度下钠108为液相，因此并不需要另外的溶剂就可使钠108转运。在产氢系统100中运行电解池130的电力可以从许多来源产生或获得，所述来源包括常规电源，例如燃煤或燃气发电厂或其它基于燃烧的发电厂。在一些实施方案中，电力可以从清洁或可再生能源(例如太阳能、地热能、水电能、风能或核能)产生或获得。与常规产氢方法相比，使用清洁或可再生能源产生用于在钠离子分离器110中产生钠108的电力减少了通过产氢系统100产生的污染物总量。在又一实施方案中，可以收集由在钠反应器120中的反应产生的能量，并用于供给钠离子反应器能量。往回参考图I和2，从钠离子分离器110中产生的钠108可以注入钠反应器120中。钠反应器120可包括能够将钠和水转换为氢和氢氧化钠的任何类型的反应器。钠反应器120可以配置以接收钠108和水114并使其反应以产生氢112和第二氢氧化钠水溶液流113。钠反应器120可以根据下列反应使钠108和水114反应Na+H20 — NaOH (水溶液)+1/2 反应 4钠108可以作为液体注入反应器120中。例如，钠108可以在高于约98°C的温度下注入钠反应器120中。水114可以以高温水或蒸汽供给钠反应器120。在钠反应器120内反应的温度和速度可以通过控制水114的注入速度和温度来控制。例如，水114可以过量注入钠反应器120以控制在第二氢氧化钠水溶液流113中的氢氧化钠的浓度。钠和水的反应会放出大量的热。因此,反应4可以在钠反应器120中在高温度和/或压力下进行。例如，在钠反应器120中的压力可以是约I个大气压至约400个大气压。 此外，在反应器120中的温度可以是约200°C至约900°C。因为钠108和水114的反应已知会产生大量热，所以来自反应器120的热可以用于加热钠108、水114和利用已知热传递技术的钠离子分离器110。因为反应4能够在这样的高压下进行，所以可以随从钠反应器120产生的氢112形成对其加压。这可以省去了压缩机对氢112加压的需要，节约了这些装置的相关资金、运行和维护费用。而且，如图2中所示，在钠108和水114进入钠反应器120之前，泵126、128可以用于对钠108和水114加压。通过对钠108和水114的注入加压，离开钠反应器120的氢112也可以是高压的。尽管泵126、128在图2中示为旋转泵，但本领域已知的任何类型的泵都可以用于对钠108和水114加压。在一些实施方案中，少量的矿物油116 (图3)可以存在于注入钠反应器120的钠108中。当矿物油116在钠反应器120中暴露于高温和/或压力时，矿物油116可以燃烧产生痕量的一氧化碳、二氧化碳、碳酸钠和另外的氢副产物。一氧化碳、二氧化碳和氢可以随氢112排出钠反应器120，而碳酸钠可以随第二氢氧化钠水溶液流113排出钠反应器120。在第二氢氧化钠水溶液流113中的碳酸钠可以通过第一氢氧化钠水溶液流104回到钠离子分离器110。在钠离子分离器110中，预计钠将会跨膜142转运至阴极液室134中。而且，预计保留在阳极液室136中的碳将与氧106反应形成痕量的一氧化碳和/或二氧化碳。取决于钠108中矿物油的量和氢112的预期用途，氢112可以注入气体分离器124(图2)。如之前讨论的，氢112可以包含杂质，例如来自存在于钠108中的矿物油116的一氧化碳和二氧化碳。此外，氢112可以含有水分，如以蒸汽的形式，来自钠108和水114的反应。因此，氢112可以穿过气体分离器124以形成纯化的氢112'。气体分离器124可以包括，例如，用于产生纯化的氢112'的膜或变压吸附(PSA)气体分离器。这类膜和PSA分离器为本领域已知，因此不在本文中详细讨论。通过非限制性实施例，该膜可以由聚合材料或金属材料制成，例如钯膜。这类膜可从许多来源购得，所述来源包括但不限于，Praxair Surface Technology,Inc. (Danbury, CT)>Universal IndustrialGases,Inc.(Easton, PA)、Air Liquide(Paris,France)或Air Products andChemicals,Inc. (LehighValley, PA)。PSA分离器可以是活性氧化铝、例如分子筛沸石的沸石、或活性炭分子筛。PSA分离器可从许多来源购得，所述来源包括但不限于，QuestAir Technologies Inc.(Burnaby, Canada)、 SeQual Technologies Inc. (San Diego, CA)、 Sepcor, Inc(Houston,TX)和 Praxair Surface Technologies, Inc. (Danbury, CT)。与本领域已知的其他产氢技术相比，本发明的产氢系统100提供了诸多优点。例如，假定几乎没有矿物油送到钠反应器120，产氢系统100基本上是环境友好的。如图I和2中所示，当氢氧化钠流104、113可以通过系统100组合和循环时，水114是在本发明产氢系统100中消耗的唯一物质。 此外，整个产氢系统100仅有的产物是水102、氧106和氢112。此外，本发明产氢系统100的尺寸和与此相关的运行参数，例如流速，将取决于试图产生的氢112的量。因此，产氢系统100的尺寸可易于标定以满足需求。此外，除了产氢外，钠离子分离器110可以用于产生元素钠108，该元素钠108可能会有另外的工业应用。在本文中以大致具体的语言描述本发明关于结构和方法的特征。然而，应理解，本发明并不限于所示和所描述的具体特征，因为本文公开的装置包括了实施本发明的优选形式。因此，在根据等同原则适当解释的所附权利要求的适当范围内，本发明以其任何形式或修饰受到保护。
权利要求
1.一种产生氢的方法，包括 从第一氢氧化钠水溶液流中分离钠；以及 将所述钠与水结合以产生氢和第二氢氧化钠水溶液流。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括将所述第二氢氧化钠水溶液流与所述第一氢氧化钠水溶液流组合。
3.根据权利要求I所述的方法，其中从第一氢氧化钠水溶液流中分离钠包括 将所述第一氢氧化钠水溶液流注入电解池的阳极液室中； 将矿物油注入所述电解池的阴极液室中； 施加电位于所述电解池，所述阳极液室和所述阴极液室由用于将钠阳离子从所述阳极液室选择性转运至所述阴极液室的陶瓷膜分隔；以及在所述电解池的所述阴极液室中形成钠。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述电解池的所述阴极液室中形成钠包括 在所述阴极液室中将钠阳离子与电子结合以用于产生钠；以及 将所述钠浸入矿物油中。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括在所述电解池的所述阳极液室中形成水和氧。
6.根据权利要求I所述的方法，还包括在所述钠与所述水结合以产生高压氢之前，对所述钠和所述水加压。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括从所述氢中分离至少一部分水和杂质。
8.根据权利要求I所述的方法，其中将所述钠与水结合以产生氢和第二氢氧化钠水溶液流包括 将所述钠注入反应器中； 将所述水注入所述反应器中； 在所述反应器中使所述钠和所述水反应；以及 产生所述氢和所述第二氢氧化钠水溶液流。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括使用在所述反应器中由放热反应产生的热来加热所述钠和所述水。
10.根据权利要求8所述的方法，其中将所述钠注入反应器中包括在高于约98°C的温度下将所述钠注入所述反应器中。
11.根据权利要求8所述的方法，其中将所述水注入所述反应器中包括将过热水或蒸汽注入所述反应器中。
12.—种产生氢的方法,包括 提供包含阳极液室、阴极液室和分隔所述阳极液室和所述阴极液室的陶瓷膜的电化电池， 将第一氢氧化钠水溶液流注入所述阳极液室中； 将矿物油注入所述阴极液室中； 施加电位于所述电化电池，以使钠阳离子跨所述陶瓷膜转移； 在所述阴极液室中形成纳； 将钠从所述阴极液室注入反应器中； 将水注入所述反应器中；使所述钠与所述水反应以产生第二氢氧化钠水溶液流和氢；以及 使用所述第二氢氧化钠水溶液形成另外的钠。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将水注入所述反应器中包括将高压水注入所述反应器中以使所述钠和所述水反应产生第二氢氧化钠水溶液流和高压氢。
14.根据权利要求12所述的方法，其中施加电位于所述电化电池包括由太阳能、地热能、水电能、风能和核能中至少之一向所述电化电池供应电位。
15.根据权利要求12所述的方法，其中形成另外的钠包括将所述第二氢氧化钠水溶液流与所述第一氢氧化钠水溶液流组合。
16.一种用于产生氢的系统，包含 分离器，其配置成从第一氢氧化钠水溶液流中分离钠；以及 偶联反应器的水源，所述反应器配置为从所述分离器中接收所述钠并且用于使所述水和所述钠反应以产生第二氢氧化钠水溶液流和氢。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述分离器包含电解池，所述电解池包含 阳极液室，其配置有阳极且用于容纳氢氧化钠水溶液； 阴极液室，其配置有阴极且用于容纳矿物油； 膜，其设置在所述阳极液室和所述阴极液室之间，配制成用于将钠阳离子从所述阳极液室转运至所述阴极液室；以及 电位源，其电连接所述阴极和所述阳极以使钠阳离子从所述阳极液室跨所述膜至所述阴极液室。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述膜包括含有NaSICON材料的陶瓷膜。
19.根据权利要求16所述的系统，还包含配置成用于从杂质和水分中分离所述氢的气体分离器。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述钠包括液体。
21.根据权利要求16所述的系统，还包含至少一个配制成用于对所述水加压的泵。
22.—种用于产生氢的系统，包含 至少一个电解池，其配置成将氢氧化钠水溶液转化为钠和氢氧化物； 至少一个能源源，其与所述至少一个电解池偶联以向所述至少一个电解池提供电流；以及 至少一个反应器，其配置为将由所述至少一个电解池产生的钠与水反应以用于产生氢气和氢氧化钠水溶液。
23.根据权利要求22所述的系统，还包含与所述至少一个反应器偶联且配置为从由所述至少一个反应器产生的所述氢中移除水分和杂质的至少一个气体分离器。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述至少一个电解池包含配制成将钠阳离子从所述至少一个电解池的阳极液室转运至阴极液室的NaSICON膜。
25.根据权利要求22所述的系统，还包含至少一个导管，其配制成使所述反应器中产生的所述氢氧化钠水溶液回到所述至少一个电解池。
全文摘要
本发明公开了一种从氢氧化钠和水产生氢的方法。所述方法包括从在钠离子分离器中的第一氢氧化钠水溶液流中分离钠，将在钠离子分离器中产生的钠注入钠反应器，使钠在钠反应器中和水反应，以及产生第二氢氧化钠水溶液流和氢。所述方法可以还包括通过将第二氢氧化钠水溶液流与第一氢氧化钠水溶液流组合来重复使用第二氢氧化钠水溶液流。本发明还公开了产生氢的系统。
文档编号C25B1/16GK102741456SQ201080055313
公开日2012年10月17日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年12月7日
发明者B·M·维尔丁, D·N·宾汉姆, K·M·克林勒, L·弗罗斯特, T·D·特纳 申请人:巴特勒能源同盟有限公司