背景技术：
1、随着电力生产转向更低co2足迹的技术，将电力转化为低碳/零碳运输燃料的能力已经成为减轻全球co2排放的越来越重要的挑战。在这样的燃料的选择中，氢(h2)可以具有其氧化产物为水的独特优点。因此，如果氢可以以低碳足迹制造，其就代表低碳运输燃料。
2、氢可以作为许多工业上重要的过程，例如蒸汽裂解和氯碱过程中的副产物产生。有目的的氢生产可以通常通过被称为蒸汽-甲烷重整(steam-methane reforming，smr)的过程来实现，其将甲烷和水二者中的氢原子转化成氢气。虽然该过程可以产生大量的氢，但最初存在于甲烷中的碳原子最终作为co2排放物离开所述过程。任何使用氢作为零碳或低碳运输燃料的努力都将需要另外的过程。
技术实现思路
1、本文提供了涉及生产氢气和其他商业上有价值的产品的方法和系统。
2、本公开内容描述了产生氢气的方法，所述方法包括：
3、在电化学电池中设置阳极和阳极电解质，其中阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者阳极电解质包含具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
4、在阳极处将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及
5、在电化学电池中设置阴极和阴极电解质，并在阴极处形成氢气和氢氧根离子。
6、在一些实例中，所述方法还包括通过阴离子交换膜将阳极电解质与阴极电解质分开，并使氢氧根离子从阴极电解质迁移至阳极电解质。在一些实例中，金属含氧阴离子中的金属离子选自：锰、铁、铬、硒、铜、锡、银、钴、铀、铅、汞、钒、铋、钛、钌、锇、铕、锌、镉、金、镍、钯、铂、铑、铱、锝、铼、钼、钨、铌、钽、锆、铪及其组合。在一些实例中，具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子选自mno42-、feo42-、ruo42-、oso42-、hsno2-、seo32-、cu2o、cro33-和teo32-。在一些实例中，具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子选自mno4-、hfeo2-、ruo4-、oso52-、sno32-、seo42-、cuo22-、cro42-和teo42-。在一些实例中，非金属含氧阴离子中的非金属离子选自：卤素、碳、硫、氮和磷。在一些实例中，具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子选自no2-、po33-、so32-、clo-、clo2-、clo3-、bro-、bro2-、bro3-、io-、io2-和io3-，以及/或者具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子选自no3-、po43-、so42-、clo2-、clo3-、clo4-、bro2-、bro3-、bro4-、io2-、io3-和io4-。在一些实例中，所述方法还包括在阳极电解质与阴极电解质之间保持约1至约6的稳态ph差。在一些实例中，在阳极处不形成氧气，或者阳极处的析氧反应的法拉第效率小于25％。在一些实例中，所述方法还包括使氢氧根离子在阳极处氧化以形成氧气。在一些实例中，所述方法还包括使电化学电池在较低的电流密度下运行，以在阳极处使具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者使具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及使电化学电池在较高的电流密度下运行，以使氢氧根离子在阳极处氧化以形成氧气。在一些实例中，所述方法还包括使包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子的阳极电解质或包含具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质经受热反应，以分别形成氧气和具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子。在一些实例中，热反应在氢氧根离子的存在下；在大于10的ph下；和/或在催化剂的存在下进行。在一些实例中，所述方法还包括将包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的至少一部分转移到电化学电池的外部至第二电化学电池的第二阴极电解质；以及在第二电化学电池的第二阴极处，将具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子还原成较低氧化态，或者将具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子还原成较低氧化态。在一些实例中，所述方法还包括使氢氧根离子穿过第二电化学电池中的aem从第二阴极电解质迁移至第二阳极电解质，并使氢氧根离子在第二电化学电池的第二阳极处氧化以形成氧气。
7、本公开内容还描述了产生氢气的系统，所述系统包括：
8、电化学电池，所述电化学电池包括：
9、阳极和阳极电解质，所述阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子，其中阳极被配置成将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及
10、阴极和阴极电解质，所述阴极电解质包含水，其中阴极被配置成使水还原以形成氢氧根离子和氢气。
11、在一些实例中，所述系统还包括可操作地连接至电化学电池的热反应器，其中热反应器被配置成接收包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的至少一部分，并使阳极电解质的所述部分经受热反应以分别形成氧气和具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子。在一些实例中，所述系统还包括阴离子交换膜，所述阴离子交换膜布置在阳极电解质与阴极电解质之间，并且被配置成使氢氧根离子从阴极电解质迁移至阳极电解质。在一些实例中，电化学电池被配置成在阳极电解质与阴极电解质之间保持约1至约6的稳态ph差。在一些实例中，阳极还被配置成使氢氧根离子氧化以形成氧气。
12、本公开内容还描述了产生氢气的方法，所述方法包括：
13、在电化学电池中设置阳极和阳极电解质，其中阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者阳极电解质包含具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
14、在阳极处将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及
15、在电化学电池中设置阴极和阴极电解质，并在阴极处形成氢气。
16、在一些实例中，所述方法还包括将包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的至少一部分转移至热反应或转移至第二电化学反应以产生氧气。本文已经描述了所有这些方面和实施方案。
17、本公开内容还描述了产生氢气的方法，所述方法包括：
18、在电化学电池中设置阳极和阳极电解质，其中阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
19、在阳极处将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
20、在电化学电池中设置阴极和阴极电解质，并在阴极处形成氢气。
21、将包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的至少一部分转移到电化学电池的外部；以及
22、使包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的所述部分经受热反应，以分别形成氧气和具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子。
23、在一些实例中，所述方法还包括在阴极处使水还原以形成氢氧根离子和氢气。在一些实例中，所述方法还包括使氢氧根离子从阴极电解质迁移至阳极电解质。在一些实例中，阳极电解质还包含氢氧根离子。
24、在一些实例中，阳极电解质的ph大于10。
25、在一些实例中，电化学电池的理论电压小于2v。
26、在一些实例中，在阳极处不形成氧气，或者阳极处的析氧反应的法拉第效率小于25％。
27、在一些实例中，用于金属含氧阴离子或非金属含氧阴离子的相应阳离子为碱金属或碱土金属。在一些实例中，所述方法还包括使碱金属离子或碱土金属离子从阳极电解质迁移至阴极电解质。在一些实例中，所述方法还包括在阴极电解质中形成碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物。在一些实例中，所述方法还包括将包含碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物的阴极电解质迁移至热反应。
28、在一些实例中，热反应在氢氧根离子的存在下进行。
29、在一些实例中，电化学电池的运行电压低于在阳极处形成氧气的电池的运行电压。在一些实例中，由于较低的过电位、较低的热中性电压、较低的半电池电位或其组合中的一者或更多者，因此电化学电池的运行电压低于在阳极处形成氧气的电池的运行电压。
30、在一些实例中，阳极电解质还包含碱金属卤化物或碱土金属卤化物。
31、在一些实例中，所述方法还包括通过阴离子交换膜将阳极与阴极分开。
32、在一些实例中，阳极电解质还包含水，并且金属含氧阴离子或非金属含氧阴离子可部分或完全溶于阳极电解质中。
33、在一些实例中，所述方法还包括在热反应之前和/或之后从阳极电解质中分离金属含氧阴离子或非金属含氧阴离子。
34、在一些实例中，金属含氧阴离子中的金属离子选自：锰、铁、铬、硒、铜、锡、银、钴、铀、铅、汞、钒、铋、钛、钌、锇、铕、锌、镉、金、镍、钯、铂、铑、铱、锝、铼、钼、钨、铌、钽、锆、铪及其组合。在一些实例中，金属含氧阴离子中的金属离子选自：锰、铬、铜、铁、锡、硒、钽及其组合。
35、在一些实例中，具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子选自mno42-、feo42-、ruo42-、oso42-、hsno2-、seo32-、cu2o、cro33-和teo32-。
36、在一些实例中，具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子选自mno4-、hfeo2-、ruo4-、oso52-、sno32-、seo42-、cuo22-、cro42-和teo42-。
37、在一些实例中，
38、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为mno42-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为mno4-；
39、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为feo42-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为hfeo2-；
40、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为ruo42-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为ruo4-；
41、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为oso42-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为oso52-；
42、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为hsno2-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为sno32-；
43、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为seo32-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为seo42-；
44、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为cu2o，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为cuo22-；
45、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为cro33-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为cro42-；或者
46、具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为teo32-，以及具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子为teo42-。
47、在一些实例中，非金属含氧阴离子中的非金属离子选自：卤素、碳、硫、氮和磷。在一些实例中，非金属含氧阴离子中的非金属离子为选自氯、氟、溴或碘原子的卤素。
48、在一些实例中，具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子选自no2-、po33-、so32-、clo-、clo2-、clo3-、bro-、bro2-、bro3-、io-、io2-和io3-。
49、在一些实例中，具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子选自no3-、po43-、so42-、clo2-、clo3-、clo4-、bro2-、bro3-、bro4-、io2-、io3-和io4-。
50、在一些实例中，
51、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为no2-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为no3-；
52、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为po33-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为po43-；
53、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为so32-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为so42-；
54、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo2-；
55、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo2-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo3-；
56、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo3-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为clo4-；
57、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro2-；
58、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro2-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro3-；
59、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro3-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为bro4-；
60、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io2-；
61、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io2-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io3-；或者
62、具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io3-，以及具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子为io4-。
63、在一些实例中，分别具有处于较低氧化态的金属离子或非金属离子的金属含氧阴离子或非金属含氧阴离子的浓度为约0.1m至1m。
64、在一些实例中，分别具有处于较高氧化态的金属离子或非金属离子的金属含氧阴离子或非金属含氧阴离子的浓度为约0.2m至1.5m。
65、在一些实例中，电化学电池的运行电压为约1.5v至约2.5v。
66、在一些实例中，电化学电池的温度为约50℃至约100℃。
67、在一些实例中，所述方法还包括在氢氧根离子的存在下进行热反应。在一些实例中，氢氧根离子作为碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物存在。
68、在一些实例中，所述方法还包括在大于10的ph下进行热反应。
69、在一些实例中，所述方法还包括在催化剂的存在下进行热反应。在一些实例中，催化剂为金属氧化物。在一些实例中，金属氧化物为锰氧化物、钌氧化物、硅氧化物、铁氧化物或铝氧化物。
70、在一些实例中，热反应的温度为约50℃至约500℃。
71、在一些实例中，所述方法还包括，在热反应之后，使具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子再循环回到电化学电池中的阳极电解质。
72、在一些实例中，所述方法还包括由选自以下的另一过程提供热反应中使用的部分或全部热：废热和/或选自太阳能热过程、地热过程和/或核过程的清洁热源。
73、在一些实例中，所述方法还包括由通过氢气的压缩产生的热提供热反应中使用的部分或全部热。
74、在一些实例中，所述方法还包括在电化学电池和热反应之间设置热交换器，所述热交换器用于将来自离开热反应的溶液的热回收到进入热反应的流中。
75、在一些实例中，所述方法还包括使电化学电池或热反应中的至少一者在升高的压力下运行。
76、在一些实例中，使电化学电池在升高的压力下运行降低了氢气压缩的成本，以及使热过程在较低压力下运行促进了氧气析出。
77、在一些实例中，电化学电池在约40psi至约500psi的压力下运行。
78、在一些实例中，热反应在约14psi至约300psi的压力下运行。
79、在一些实例中，所述方法还包括在阳极电解质与阴极电解质之间保持大于1的稳态ph差或约1至约6的ph差。
80、本公开内容还描述了产生氢气的方法，所述方法包括：
81、在第一电化学电池中设置第一阳极和第一阳极电解质，其中第一阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
82、在第一阳极处将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；
83、在第一电化学电池中设置第一阴极和第一阴极电解质，并在第一阴极处形成氢气。
84、将包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的第一阳极电解质的至少一部分转移到第一电化学电池的外部至第二电化学电池的第二阴极电解质；
85、在第二电化学电池的第二阴极处，将具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子还原成较低氧化态，或者将具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子还原成较低氧化态；以及
86、使氢氧根离子穿过第二电化学电池中的aem从第二电化学电池中的第二阴极电解质迁移至第二阳极电解质，并使氢氧根离子在第二电化学电池中的第二阳极处氧化以形成氧气。
87、本公开内容还描述了产生氢气的系统，所述系统包括：
88、电化学电池，所述电化学电池包括：
89、阳极和阳极电解质，所述阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子，其中阳极被配置成将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及
90、阴极和阴极电解质，所述阴极电解质包含水，其中阴极被配置成使水还原以形成氢氧根离子和氢气；以及
91、热反应器，所述热反应器可操作地连接至电化学电池并且被配置成：
92、接收包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的阳极电解质的至少一部分，并使阳极电解质的所述部分经受热反应以分别形成氧气和具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子。
93、在一些实例中，所述系统还包括布置在阳极电解质与阴极电解质之间的阴离子交换膜。
94、在一些实例中，所述系统还包括布置在阳极电解质与阴极电解质之间的阳离子交换膜。
95、本公开内容还描述了产生氢气的系统，所述系统包括：
96、第一电化学电池，所述第一电化学电池包括：
97、第一阳极和第一阳极电解质，所述第一阳极电解质包含具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子，其中第一阳极被配置成将具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者将具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子氧化成具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子；以及
98、第一阴极和第一阴极电解质，所述第一阴极电解质包含水，其中第一阴极被配置成使水还原以形成氢氧根离子和氢气；以及
99、第二电化学电池，所述第二电化学电池可操作地连接至第一电化学电池，第二电化学电池包括：
100、第二阳极和第二阳极电解质；
101、第二阴极和第二阴极电解质，其中第二阴极电解质被配置成接收第一电化学电池的包含具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子或具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子的第一阳极电解质的至少一部分，并且分别使具有处于较高氧化态的金属离子的金属含氧阴离子还原以形成具有处于较低氧化态的金属离子的金属含氧阴离子，或者使具有处于较高氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子还原以形成具有处于较低氧化态的非金属离子的非金属含氧阴离子。
102、在一些实例中，第二电化学电池还包括aem，所述aem被配置成使氢氧根离子从第二电化学电池的第二阴极电解质转移至第二阳极电解质，并使氢氧根离子在第二电化学电池的第二阳极处氧化以形成氧气。
103、在一些实例中，电化学电池被配置成在阳极电解质与阴极电解质之间保持大于1或约1至约6的稳态ph差。