集成氢气产生方法和系统与流程

本发明总体上涉及氢气产生。更确切地说，本发明涉及电化学氢气产生方法和系统。

背景技术：

1、石油和化学工业需要大量的氢气。例如，大量氢气用于升级化石燃料和产生氨或甲醇或盐酸。石化工厂需要氢气来进行加氢裂化、加氢脱硫、加氢脱烷基化。提高不饱和脂肪和油的饱和度的加氢工艺也需要氢气。氢气还是金属矿石的还原剂。氢气可以通过电解水、蒸汽重整、实验室规模的金属酸工艺、热化学方法或厌氧腐蚀产生。许多国家都致力于发展氢气经济。

2、显然，对开发新的产生氢气的技术平台的需求和兴趣越来越大。本公开讨论了使用高效的电化学途径的氢气产生。讨论了电化学反应器和执行此类反应的方法。确切地说，本公开包含对与金属熔炼炉或碱性氧气炉(bof)集成的用于氢气产生的方法和系统的讨论。

技术实现思路

1、本文讨论了一种产生氢气的方法，其包括将金属熔炼炉排出气体或碱性氧气炉(bof)排出气体或其混合物引入到电化学(ec)反应器中，其中所述ec反应器包括混合导电膜。在一实施例中，方法包括在所述膜的一侧上将蒸汽引入到所述ec反应器中，其中所述排出气体在所述膜的相对侧上，其中所述排出气体和所述蒸汽被所述膜分离且并不彼此接触。

2、在一实施例中，ec反应器包括在所述排出气体侧上的阳极和在所述蒸汽侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极被所述膜分离且分别与所述膜接触。在一实施例中，阳极和阴极被膜分离并且都暴露于还原环境。在一实施例中，阳极和阴极包括ni或nio以及选自由以下组成的组的材料：ysz、cgo、sdc、ssz、lsgm和其组合。在一实施例中，将阴极废气的至少一部分再循环以在所述阴极侧上进入所述ec反应器。

3、在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆或钐掺杂的二氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆(ysz)、锶镁掺杂的镓酸镧(lsgm)、氧化钪稳定的氧化锆(ssz)、sc和ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括ni、cu、ag、au、pt、rh、co、ru或其组合。在一实施例中，膜包括cocgo。在一实施例中，膜包括lst(镧掺杂的钛酸锶)-ysz或lst-ssz。

4、在一实施例中，反应器不包括互连件。在一实施例中，蒸汽在阴极侧上还原成氢气。在一实施例中，排出气体包括co和co2，并且其中所述co/co2的摩尔比不小于1/5，或不小于1/4，或不小于1/3。

5、本文还讨论了一种集成氢气产生系统，其包括金属熔炼炉或碱性氧气炉(bof)和电化学反应器，所述电化学反应器包括既为离子导电的又为电子导电的混合导电膜，其中所述反应器能够以电化学方式进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换且包含正向水煤气变换反应，或反向水煤气变换反应，或两者。

6、在一实施例中，反应器包括第一多孔电极和第二多孔电极，所述第一多孔电极和所述第二多孔电极包括金属相和陶瓷相，其中所述金属相是电子导电的，并且其中所述陶瓷相是离子导电的。在一实施例中，多孔电极不具有附接的集电器。在一实施例中，多孔电极被所述混合导电膜分离并且都暴露于还原环境。

7、在一实施例中，反应器被配置成收纳来自金属熔炼炉或bof或两者的排出气体。在一实施例中，系统包括在所述反应器与所述金属熔炼炉或所述bof之间的气体固持器，其中所述气体固持器被配置成收纳来自所述金属熔炼炉或所述bof或两者的排出气体并且将所述排出气体引入到所述反应器。在一实施例中，系统包括蒸汽产生器，其中所述第一多孔电极被配置成收纳来自所述蒸汽产生器的蒸汽，并且所述第二多孔电极被配置成收纳所述排出气体，其中所述蒸汽和所述排出气体被所述混合导电膜分离且并不彼此接触。

8、在以下图式、详细描述和权利要求中提供了另外的方面和实施例。除非另有规定，否则如本文所描述的特征是可组合的，并且所有此类组合都在本公开的范围内。

技术特征：

1.一种产生氢气的方法，其包括将金属熔炼炉排出气体或碱性氧气炉(bof)排出气体或其混合物引入到电化学(ec)反应器中，其中所述ec反应器包括混合导电膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其包括在所述混合导电膜的一侧上将蒸汽引入到所述ec反应器中，其中所述排出气体在所述混合导电膜的相对侧上，其中所述排出气体和所述蒸汽被所述混合导电膜分离且并不彼此接触。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述ec反应器包括在所述排出气体侧上的阳极和在所述蒸汽侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极被所述混合导电膜分离且分别与所述混合导电膜接触。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述阳极和所述阴极被所述混合导电膜分离且都暴露于还原环境。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述阳极和所述阴极包括ni或nio以及选自由以下组成的组的材料：ysz、cgo、sdc、ssz、lsgm和其组合。

6.根据权利要求3所述的方法，其中阴极废气的至少一部分再循环以在所述混合导电膜的所述阴极侧上进入所述ec反应器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合导电膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆或钐掺杂的二氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆(ysz)、锶镁掺杂的镓酸镧(lsgm)、氧化钪稳定的氧化锆(ssz)、sc和ce掺杂的氧化锆和其组合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括ni、cu、ag、au、pt、rh、co、ru或其组合。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合导电膜包括cocgo。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合导电膜包括lst(镧掺杂的钛酸锶)-ysz或lst-ssz。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器不包括互连件。

12.根据权利要求2所述的方法，其中所述蒸汽在所述阴极侧上还原成氢气。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述排出气体包括co和co2，且其中co/co2的摩尔比不小于1/5，或不小于1/4，或不小于1/3。

14.一种集成氢气产生系统，其包括金属熔炼炉或碱性氧气炉(bof)和电化学反应器，所述电化学反应器包括既为离子导电的又为电子导电的混合导电膜，其中所述反应器能够以电化学方式进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换且包含正向水煤气变换反应，或反向水煤气变换反应，或两者。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应器包括第一多孔电极和第二多孔电极，所述第一多孔电极和所述第二多孔电极包括金属相和陶瓷相，其中所述金属相是电子导电的，并且其中所述陶瓷相是离子导电的。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述多孔电极不具有附接的集电器。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述多孔电极被所述混合导电膜分离并且都暴露于还原环境。

18.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应器被配置成收纳来自所述金属熔炼炉或所述bof或两者的排出气体。

19.根据权利要求18所述的系统，其包括在所述反应器与所述金属熔炼炉或所述bof之间的气体固持器，其中所述气体固持器被配置成收纳来自所述金属熔炼炉或所述bof或两者的排出气体并且将所述排出气体引入到所述反应器。

20.根据权利要求15所述的系统，其包括蒸汽产生器，其中所述第一多孔电极被配置成收纳来自所述蒸汽产生器的蒸汽，并且所述第二多孔电极被配置成收纳所述排出气体，其中所述蒸汽和所述排出气体被所述混合导电膜分离且并不彼此接触。

技术总结
本文讨论了一种产生氢气的方法，其包括将金属熔炼炉排出气体或碱性氧气炉(BOF)排出气体或其混合物引入到电化学(EC)反应器中，其中所述EC反应器包括混合导电膜。在一实施例中，所述方法包括在所述膜的一侧上将蒸汽引入到所述EC反应器中，其中所述排出气体在所述膜的相对侧上，其中所述排出气体和所述蒸汽被所述膜分离且并不彼此接触。

技术研发人员：尼古拉斯·法兰多斯,马修·道森,金·道森
受保护的技术使用者：环球公用事业公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15