产生可再生氢并截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供产生可再生氢并截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法。本发明专利技术描述了一种生产可再生氢和从空气或气流捕获二氧化碳的二氧化碳负性方法。还描述了一种用于实施所述方法的系统和方法。直流可再生电流被提供到水电解装置，所述电流具有足够的电压以在阴极处产生氢和羟离子，在阳极处产生质子和氧。这些产物被分离并截留，并且利用碱从空气或气流作为碳酸氢盐或碳酸盐捕获二氧化碳。这些碳酸盐、氢、和捕获的二氧化碳又可以结合到各种各样的化学和电化学过程中而生成有价值的从大气二氧化碳制成的碳基材料。所有过程的净作用是从水产生可再生氢并减少大气或注定进入大气的气体中的二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于生产氢(氢气，hydrogen)、氧(氧气，oxygen)、酸和碱以及用于捕获(俘获，capture)和截留(扣押，sequester) 二氧化碳的电化学系统、装置(设备，apparatuse)、和方法。更具体地， 本专利技术涉及伴随可再生能源和水电解使用的、用于生产可再生氢(renewable hydrogen)以及捕获和截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法
技术介绍
水的电化学裂解传统上被视为是一种产生氢和氧气的方法。在传统的碱性水电解中，对于产生的每分子的氢，产生和消耗两分子的氢氧化物碱(hydroxide base)。产生氢氧化物碱的一种常用方法是使用氯碱。虽然有效，但是氯碱方法产生大量的氯，其是一种毒副产品，并且在利用从化石燃料产生的电流供能时，每吨制造的碱形成若干吨的二氧化碳污染物。从大气(环境，atmosphere)或从气体源去除二氧化碳需要非常大量的能量输入以克服与分离和浓缩扩散气体(diffuse gas)相关的熵能。目前用于从大气截留二氧化碳或用于生产氢的设备和策略要么效率低要么成本高。为了降低每年释放入大气中的二氧化碳的量，关键是开发经济上可行的设备和工艺以提供可再生氢作为燃料源，以及通过以稳定的形式截留二氧化碳或通过将其转化为有价值的商品而从大气中去除大量的二氧化碳。
技术实现思路
在一个实施方式中，本专利技术是一种用于产生氢和去除二氧化碳的综合系统(集成系统，integrated system),其包括能源(能量来源，energy source)和水源(水来源，water source)。所述能源产生电能。水源连接于该能源并包括离子电解质。所述能源向水源供能以电解水，从而产生氧气、氢气、酸和碱。二氧化碳与碱发生反应。所述综合系统基本上不产生二氧化碳。在另一实施方式中，本专利技术是一种用于产生氢、增值产品并去除二氧化碳的系统，其包括水电解过程(水电解工艺，water electrosis process)和能源。水电解过程产生氢气和氢氧化物碱。所述能源向水电解过程提供电(流)输入。氢气被收集并可以补充所述能源，而碱去除大气二氧化碳。所述系统去除的大气二氧化碳多于其产生的二氧化碳。在又一实施方式中，本专利技术是一种用于捕获二氧化碳并将其转变为增值产品的综合系统。该综合系统包括用于产生电的可再生能源和水电解装置。来自所述可再生能源的能量被供应到水电解装置而产生氢、氧、碱和酸，它们被截留。在从可再生能源将能量供应到水电解装置之前，大气具有初始浓度的二氧化碳。在从可再生能源将能量供应到水电解装置之后，产生的碱与来自大气的二氧化碳反应，使得大气具有的所得二氧化碳的浓度小于二氧化碳的初始浓度。然后二氧化碳被转变为增值产品。在又一实施方式中，本专利技术为一种用于回收二氧化碳的系统，包括具有阳极和阴极的水电解装置以及连接到该水电解装置以将电能提供给水电解装置的可再生能源。水电解装置在阳极产生氧和含水酸(水性酸或酸水溶液，aqueous acid)，而在阴极产生氢和含水碱(水性碱或碱水溶液，aqueous base)。由水电解装置产生的含水碱被用于捕获二氧化碳。该系统捕获的二氧化碳多于该系统产生的二氧化碳并且产生少于约100mg/L的氯。在又一实施方式中，本专利技术为一种用于产生氢、氧、酸和碱的综合水电解系统。该系统包括含水电解质溶液(电解质水溶液，aqueous electrolyte solution)、电源、阳极和阳极区以及阴极和阴极区。该阳极和阳极反应区产生的水合氢离子为电解质溶液中初始存在的水合氢离子的约100-10，000，000倍，而阴极和阴极反应区产生的羟离子(氢氧离子，hydroxide ion)为电解质溶液中初始存在的轻离子的约100-10，000，000倍。二氧化碳与羟离子反应而形成碳酸盐或碳酸氢盐 。该综合电解系统基本上不产生二氧化碳。根据其他实施方式，本专利技术涵盖一种电化学装置，用来从气流中截留二氧化碳并产生用作燃料源的氢。在一个实施方式中，所述电化学装置包括水电解室、收集和储存罐、气体接触组件、气体供应设备和分离室。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。所述装置包括用于在水电解室中产生的氢、氧、羟离子和水合氢离子每一个的收集和储存罐。气体接触组件可操作地连接于该(水电解)室的第一区并适于接收来自该室的溶液中的羟离子，并适于包含(容纳，contain)含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触，并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。在另一实施方式中，本专利技术是一种电化学装置，包括水电解室、气体供应设备、分离室、氢收集设备、可选的氧收集设备和燃料电池。水电解室适于电解水并适于电连接到可再生能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。气体接触组件可操作地连接于所述(水电解)室的第一区并适于接收来自该室的溶液中的羟离子，并包含含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。在使用期间，氢收集设备收集在阴极处产生的可再生氢。在使用期间，可选的氧收集设备收集在阳极处产生的氧。燃料电池电连接到所述室并可操作地连接于氢收集设备和可选的氧收集设备，并且适于从在阴极处生成的氢产生直流电。在另一实施方式中，本专利技术为一种电化学装置，包括水电解室、气体接触组件、气体供应设备和分离室。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。气体接触组件与所述室的第一区形成整体(集成)并适于包含含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或 碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。在又一实施方式中，本专利技术为一种电化学装置，包括水电解室、碱供应设备和气体接触组件。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。碱供应设备可操作地连接于所述室的第一区并适于接收来自所述室的含水氢氧化物碱并适于提供作为液滴的氢氧化物碱。气体接触组件使含有二氧化碳的大气或气流与氢氧化物碱接触并使二氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生氢并截留气态二氧化碳的方法，包括以下步骤：(a)将来自电源的预定电压的直流点供应给具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括含水电解质、适于产生氧气的阳极区以及适于产生氢气和羟离子的阴极区，其中所述阳极和阴极区通过所述电解质电连接；(b)向电解质溶液源供应新鲜电解质溶液；(c)向所述电解装置供应来自所述电解质溶液源的电解质溶液的进料，用于在所述电解装置中的电解处理以产生氧气、质子、氢气和羟离子；(d)在所述阳极区产生氧气和质子，其中所述质子以酸的形式存在；(e)在所述阴极区产生所述氢气和所述羟离子，其中所述羟离子以碱的形式存在；(f)收集氢气产物；(g)收集氧气产物；(h)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；(i)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；(j)使所述碱中的一部分或全部的羟离子与气态二氧化碳的源接触以在溶液中作为碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物截留二氧化碳；以及其中所述新鲜电解质溶液包含溶解的非?氯化物碱盐作为电解质，且所述新鲜电解质溶液是基本没有氯离子的，以致在 电解处理期间进料至所述电解装置的每升的所述新鲜电解质溶液在所述电解装置中产生少于100毫克的氯气。...

【技术特征摘要】
2007.04.03 US 60/921,5981.一种产生氢并截留气态二氧化碳的方法，包括以下步骤 (a)将来自电源的预定电压的直流点供应给具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括含水电解质、适于产生氧气的阳极区以及适于产生氢气和羟离子的阴极区，其中所述阳极和阴极区通过所述电解质电连接； (b)向电解质溶液源供应新鲜电解质溶液； (c)向所述电解装置供应来自所述电解质溶液源的电解质溶液的进料，用于在所述电解装置中的电解处理以产生氧气、质子、氢气和羟离子； (d)在所述阳极区产生氧气和质子，其中所述质子以酸的形式存在； (e)在所述阴极区产生所述氢气和所述羟离子，其中所述羟离子以碱的形式存在； (f)收集氢气产物； (g)收集氧气产物； (h)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸； (i)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱； (j)使所述碱中的一部分或全部的羟离子与气态二氧化碳的源接触以在溶液中作为碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物截留二氧化碳；以及 其中所述新鲜电解质溶液包含溶解的非-氯化物碱盐作为电解质，且所述新鲜电解质溶液是基本没有氯离子的，以致在电解处理期间进料至所述电解装置的每升的所述新鲜电解质溶液在所述电解装置中产生少于100毫克的氯气。2.根据权利要求I所述的方法，包括 从步骤(j)的所述溶液分离碳酸氢盐。3.根据权利要求I所述的方法，包括 从步骤(j)的所述溶液分离碳酸盐。4.根据权利要求I所述的方法，包括 将在步骤(h)中移出的所述Ife收集在储iiS中；以及 浓缩在步骤(h)中移出的所述酸。5.根据权利要求I所述的方法，包括 将在步骤Q)中移出的所述喊收集在储te中；以及 浓缩在步骤(i)中移出的所述碱。6.根据权利要求I所述的方法，包括 浓缩在步骤(h)中移出的所述酸至pH范围为从约pHO到约pH5;以及使所述浓缩的酸与进料物质接触以制备二氧化碳截留物质，其中所述进料物质为矿物粘土、蛇纹石、滑石、石棉、或采矿副产品中的任一种。7.根据权利要求I所述的方法，包括 使来自步骤(j)的溶液与在所述阳极区产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体； 收集所述加压的二氧化碳气体；以及 调节所述加压的二氧化碳气体的温度和压力以产生超临界二氧化碳。8.根据权利要求I所述的方法，包括 使在所述阳极区产生的酸与来自步骤(j)的碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物接触以产生二氧化碳气体；以及 在已知产生脲的反应条件下使所述二氧化碳气体与从通过所述方法生成的氢和添加的氮产生的无水氨的源接触，或在产生脲的条件下在催化剂存在下，电化学转化二氧化碳、氢和添加的氮气。9.根据权利要求I所述的方法，其中 步骤(j)包括使pH大于约pHIO的碱与气态二氧化碳接触以产生富含碳酸盐的给料；以及 所述方法包括 使所述富含碳酸盐的...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·迪恩·利特尔，蒂莫西·C·赫弗南，约瑟夫·V·科斯莫斯基，C·戈登·利特尔，
申请(专利权)人：新空能量公司，
类型：发明
国别省市：