没有离子交换膜的用于氢和氧分离的水分解系统技术方案

本申请描述了用于由电解质水溶液生产氢气(H

Water decomposition system without ion exchange membrane for hydrogen and oxygen separation

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】没有离子交换膜的用于氢和氧分离的水分解系统相关申请的交叉引用本申请要求2017年10月11日提交的美国临时专利申请第62/570971号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。专利技术背景A.专利
本专利技术一般涉及由水溶液产生氢气(H2)和氧气(O2)。这可以通过使用包括H2生成室和O2生成室的反应器来进行。反应器不必包括H2和O2可渗透材料，例如H2和O2可渗透膜或离子桥。B.相关技术描述氢气(H2)是清洁燃料替代品。传统技术通过甲烷的蒸汽重整以商业规模生产氢气。由于化石燃料的枯竭，有必要寻找替代原料来满足全球对氢气生产不断增长的需求。一种替代甲烷蒸汽重整生产氢气的方法是通过水分解。水分解的还原和氧化半反应如下：2H++2e-→H2(1)H2O+2h+→O2+4H+(2)2H2O→2H2+O2(3)水分解可以通过水的电解、水的光催化分解或水的电光催化分解来实现。这些方法是在酸性或碱性介质中结合离子交换膜进行的。膜的选择可以取决于介质的pH。例如，可以在酸性环境中使用质子交换膜(PEM)，而可以在碱性环境中使用碱性阴离子交换膜。尽管基于膜的系统具有高能效并能自发分离H2/O2，但其应用仍然面临着高成本和长期稳定性的挑战。这些成本和稳定性问题严重限制了基于膜的系统的商业规模化。因此，研究人员一直在研究替代方法。例如，Hashemi等人(EnergyEnviron.Sci.,2015,8,2003)描述了一种用于在整个pH范围内生产氢气的无膜电解器。在该系统中，两个平行板分别涂有产生氢气和氧气的催化剂，并且相隔不到几百微米。电解质在催化剂板之间流动，并且由于Segre′-Silberberg效应，释出的气体向相应的催化剂表面靠近。每种产物气流可以通过专用出口收集。这些在水平方向堆叠的板可用于更高的生产量。Holmes-Gentle(SustainableEnergyFuels,2017,1,1184)描述了一种类似于Hashemi无膜电解器的无膜光电化学电池。这两种系统的缺点在于，只有在气泡形成之前的过饱和条件下才可能进行H2/O2分离。此外，只有一个反应室(其中正产生H2和O2)的事实会增加形成离开反应器的爆炸性H2和O2气体混合物的可能性。在又一示例中，Frosch的美国专利第4105517号描述了一种用于太阳能光解水的循环方法，包括在Eu+2光氧化试剂的存在下由水产生H2，将所得酸性溶液泵送到第二罐中，在此在光催化剂再生过程中在黑暗中产生氧气。该方法的缺点在于不能同时产生H2和O2，并且需要在没有光的情况下进行该方法的再生过程。此外，这些系统的商业规模化可能在经济上不可行。尽管已经进行了各种尝试来制造水分解系统，但是它们似乎不能满足商业规模的从水生产H2和O2的需求。
技术实现思路
一项发现至少解决了与当前可用的水分解方法有关的一些问题。在一种情况下，本专利技术可以解决在水分解过程中，特别是在从电解质溶液中分离H2和O2气体时，H2和O2交叉污染的有关问题。在此分离过程中，由于水溶液与溶解气体连续混合，可能会发生H2和O2结合。根据亨利定律，在恒定温度下，在给定液体的类型和体积中溶解给定气体的量与该气体和该液体平衡时的分压成正比。这由以下方程式表示：C＝k×P(气体)，其中C是气体在固定温度下在特定溶剂中的溶解度(单位是M或mL气体/L)，k是亨利定律常数(通常单位为M/atm)，P气体是气体的分压(通常以Atm为单位)。在本专利技术的上下文中，已经发现的反应器设计可以在电解和/或光电条件下在分开的室中产生H2和O2，并允许吹扫电解质溶液以及将电解质溶液循环到反应器。在一些实施方案中，H2和O2同时产生。这提供了一种优异的流通设计，其中使H2生成室中的O2和O2生成室中的H2的交叉污染最小。值得注意的是，可以将O2生成室中的H2和H2生成室中的O2的交叉污染限制到小于0.2摩尔％。限制交叉污染可以使得H2/O2混合物的H2和O2比低于爆炸极限(5％)。更进一步地，反应器设计可以以成本有效且安全的方式操作，这使其适合于商业规模地生产H2和/或O2。在本专利技术的一个特定方面，描述了一种由电解质水溶液生产氢气(H2)和氧气(O2)的水分解系统。所述水分解系统可以包括具有H2生成室和O2生成室的反应器，所述H2生成室和O2生成室可以是单独的室，但不必由H2和/或O2气体可渗透材料(例如膜、离子桥或两者)隔开。H2生成室可以包括阴极和至少第一流体入口。O2生成室可以包括与阴极电连通的阳极和至少第一流体入口。H2生成室和O2生成室各自的第一流体入口可以流体连通至经吹扫的电解质源、吹扫气体源或其组合。第一流体入口可以各自接收经吹扫的电解质溶液、吹扫气体或其组合。该系统还可以包括流体连通至H2生成室的H2储罐。H2储罐可产生包含H2的气流和包含H2的电解质溶液流。在一些实施方案中，该系统还可以包括可以与H2储罐的H2出口流体连通的H2纯化系统，优选H2渗透膜。在一些实施方案中，该系统可以包括流体连通至O2生成室的O2储罐。O2储罐可产生含O2气流和含O2的电解质水溶液流。该系统还可以包括可以流体连通至O2储罐的O2出口的O2纯化系统，优选O2渗透膜。在一些实施方案中，电解质源(例如包含电解质源的储罐)可以流体连通至每个第一流体入口。电解质源可以从H2生成室和/或O2生成室接收并吹扫电解质溶液。使用流体推动器(例如被泵送或加压到室)，经吹扫的电解质溶液可以返回到H2生成室和O2生成室的第一流体入口。在一些实施方案中，第一流体入口可以是吹扫气体入口。在另一实施方案中，第一流体入口可以接收经吹扫的电解质溶液，并且H2生成室和O2生成室各自还可以包括第二流体入口。各个第二流体入口可以流体连通至吹扫气体源。在一个优选的实施方案中，反应器可以是流通式反应器。在一个优选的实施方案中，阳极和阴极被包括在至少部分位于或基本上位于H2生成室和O2生成室之间的H2或O2不可渗透材料中。阳极可以包括与H2生成室中的电解质水溶液流体连通的氧化催化剂，优选H2生成光催化剂。H2生成室可以接收电磁辐射，该电磁辐射可用于激发光催化剂，后者进而催化H2和空穴的产生。阴极可以包括与O2生成室中的电解质水溶液流体连通的还原催化剂，优选O2生成光催化剂。O2生成室可以接收电磁辐射，该电磁辐射可用于激发光催化剂，后者进而催化O2和电子的产生。所产生的电子可以通过阴极和阳极之间的电连通(例如导电材料，如导线)转移至阳极。在一些实施方案中，H2生成室可以流体连通至O2生成室。H2生成室可通过一个或多于一个孔与O2生成室连通。在一些实施方案中，第一孔和第二孔包括在将H2生成室与O2生成室连通的导管中。孔或导管可位于这两个室的下部，从而允许离子传输到各个室内，而仅存在有限的或不存在H2和O2分别进入O2和H2生成室的交叉污染。H2生成室和O2生成室的下部可以在各个室的侧壁上或侧壁内包括孔，并且孔位于反应器下半部的位置，例如位于生成室的一半高度处或低于一半高度处。在某些情况下，孔或导管可位于各个室的侧壁上靠近室底的位置。在一些实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由电解质水溶液生产氢气(H

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171011 US 62/570,9711.一种由电解质水溶液生产氢气(H2)和氧气(O2)的水分解系统，所述系统包括：
反应器，所述反应器包括：
H2生成室，其包括阴极和至少第一流体入口，所述第一流体入口流体连通至经吹扫的电解质源、吹扫气体源或其组合；和
O2生成室，其包括与阴极电连通的阳极和至少第一流体入口，所述第一流体入口流体连通至所述经吹扫的电解质源、所述吹扫气体源或其组合；
其中所述H2生成室和所述O2生成室没有被H2和O2气体可渗透材料隔开。


2.根据权利要求1所述的水分解系统，其中H2和O2气体可渗透材料是膜、离子桥或二者。


3.根据权利要求1所述的水分解系统，还包括流体连通至H2生成室、经吹扫的电解质源和H2产物出口的H2储罐。


4.根据权利要求3所述的水分解系统，还包括与H2产物出口流体连通的H2纯化系统，优选H2可渗透膜。


5.根据权利要求1所述的水分解系统，还包括流体连通至O2生成室、经吹扫的电解质源和O2产物出口的O2储罐。


6.根据权利要求5所述的水分解系统，还包括与O2产物出口流体连通的O2纯化系统，优选O2可渗透膜。


7.根据权利要求1所述的水分解系统，其中经吹扫的电解质源与吹扫气体源流体连通。


8.根据权利要求1所述的水分解系统，其中第一流体入口与经吹扫的电解质源流体连通，其中H2生成室还包括第二入口，和/或O2生成室还包括第二入口，各个第二入口流体连通至吹扫气体源。


9.根据权利要求1所述的水分解系统，其中H2生成室与O2生成室通过位于这两个室下部的至少一个孔流体连通，所述至少一个孔的尺寸允许离子在各个室之间传输。


10.根据权利要求1所述的水分解系统，还包括与H2生成室和O2生成室连接的导管，所述导管包括与H2生成室连通的第一孔和与O2生成室连通的第二孔。


11.根据权利要求1所述的水分解系统，其中阳极和阴极包括在至少部分位于H2生成室和O2生成室之间的H2和/或O2气体不可渗透材料中。


12.根据权利要求12所述的水分解系统，其中阳极包括与来自经吹扫的电解质源的经吹扫的电解质溶液流体连通的光还原催化剂，并且H2生成室与电磁辐射源连通。


13.根据权利要求12所述的水分解系统，其中阴极包括与来自经吹扫的电解质源的经吹扫的电解质溶液流体连通的光氧化催化剂，并且O2生成室与电磁辐射源连通。


14.根据权利要求12所述的水分解系统，其中H2生成室与O2生成室通过位于这两个室下部的至少一个孔流体连通，所述至少一个孔包括在H2和/或O2...

【专利技术属性】
技术研发人员：塔衣尔扬·泰勒·伊西姆扬，库穆杜·穆迪扬塞拉格，希沙姆·伊德里斯，哈利德·阿尔巴希利，
申请(专利权)人：沙特基础工业全球技术公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL