通過蒸汽電解制備氫和氧的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通過蒸汽電解制備氫和氧吸附物的方法，所述蒸汽電解在200℃到800℃下使用包含由質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷構(gòu)成的固態(tài)電解質(zhì)(31)的電解池(30)進行，所述電解質(zhì)(31)被放置在陽極(32)和陰極(33)之間，其每一個都包含質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷，并且其每一個的電活性表面和幾何表面的比值都等于至少10，所述方法包括以下步驟：使電流在陽極(32)和陰極(33)之間循環(huán)，其中，電流密度不小于500mA/cm2；注入蒸汽形式的水，其在壓力下進給到陽極(32)；在陽極(32)氧化所述蒸汽形式的水；所述氧化后，在陽極(32)處生成高度活性的氧；所述氧化后，在電解質(zhì)(31)中生成質(zhì)子化的物質(zhì)以及在電解質(zhì)(31)中遷移所述質(zhì)子化的物質(zhì)；在陰極(33)表面以活性氫原子的形式還原所述質(zhì)子化的物質(zhì)。
【專利說明】通過蒸汽電解制備氫和氧的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及利用質(zhì)子傳導(dǎo)膜通過蒸汽電解制備高度活性的氫和氧。
發(fā)明背景
[0002]目前，傳導(dǎo)性陶瓷膜是廣泛研究以提高其性能的課題。特別地，這些膜在例如以下領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)特別有意義的應(yīng)用:在高溫下水電解產(chǎn)生氫、或通過電化學(xué)加氫處理含碳氣體(CO2, CO)。專利申請W02008152317和W02009150352描述了這種方法的實例。
[0003]目前，氫(H2)表現(xiàn)為非常令人感興趣的能量載體，在尤其對于處理石油產(chǎn)品來說可能變得越來越重要，并且其從長遠看可以有利地充當儲量在未來數(shù)十年急劇減少的石油和石化燃料的替代物。根據(jù)該觀點，仍然需要開發(fā)有效的制氫方法。
[0004]的確已經(jīng)描述了很多從不同來源制氫的方法，但這些方法中的許多被證明不適于氫的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
[0005]在這種情形中，例如可以提及從烴類的蒸汽重整來合成氫。該合成途徑的主要問題之一是其產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的大量的CO2類溫室氣體。事實上，生產(chǎn)I噸氫氣釋放8到10噸的CO2。
[0006]因此，未來幾年存在兩個挑戰(zhàn):尋找可以使用并對我們的環(huán)境沒有威脅的新的能量載體(例如氫)，和減少二氧化碳的量。
[0007]工業(yè)方法的技術(shù)經(jīng)濟評估現(xiàn)在考慮該后者的信息。然而，其主要涉及封存(sequestration),特別是地下封存在與以前的油儲層不必然對應(yīng)的迂曲地點中，其最終不可能沒有危險。
[0008]對于工業(yè)制氫來說有希望的方式是例如在高溫(HTE)、在中等溫度、通常高于200°C下，或可以在200°C和1000°C之間的中間溫度下的被稱為蒸汽電解的技術(shù)。
[0009]目前，已知兩種蒸汽電解生產(chǎn)方法: [0010]根據(jù)圖1所示的第一種方法，采用能夠傳導(dǎo)02_離子并在通常750°C到1000°C之間的溫度下操作的電解質(zhì)。
[0011 ] 更具體地，圖1示意性地示出了電解槽I，其包括陶瓷膜2，其傳導(dǎo)02_離子，確保電解質(zhì)隔離陽極3和陰極4的功能。
[0012]在陽極3和陰極4之間施加電勢差引起蒸汽H2O在陰極4側(cè)還原。根據(jù)以下反應(yīng)，該還原在陰極4的表面形成氫H2和02_離子(Krdger-Vink符號中的
[0013]le%Vo + H2O -φ Οξ + H2
[0014]根據(jù)以下氧化反應(yīng)，02_離子、更具體地說氧空位(G)遷移通過電解質(zhì)2，以在陽極3表面形成氧O2,放出電子e’:
Is
[0015]Oq —^ ~ Oj + Vq Hh 20
[0016]因此，該第一方法使得可以在電解槽10的出口產(chǎn)生:陽極室——氧，和陰極室一混有蒸汽的氫。
[0017]根據(jù)圖2所示的第二種方法，采用能夠傳導(dǎo)質(zhì)子并在在比上述第一種方法所需溫度更低的溫度、一般在200°C和800°C之間操作的電解質(zhì)。
[0018]更具體地，該圖2示意地示出了電解槽10，其包括確保電解質(zhì)分隔陽極12和陰極13的功能的質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷膜11。
[0019]陽極12和陰極13之間施加電勢差引起蒸汽H2O在陽極12側(cè)氧化。因此，進給到陽極12中的蒸汽被氧化以形成氧O2和H+離子(或在Kxdger-Vink符號中的，該反
應(yīng)根據(jù)以下方程式釋放電子e_:
【權(quán)利要求】
1.通過蒸汽電解制備氫和氧吸附物的方法，所述蒸汽電解在200°c到800°C下使用包含由質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷構(gòu)成的固態(tài)電解質(zhì)(31)的電解池(30)進行，所述電解質(zhì)(31)被放置在陽極(32)和陰極(33)之間，所述陽極和陰極每一個都包含質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷，并且其每一個的電活性表面和幾何表面的比率都等于至少10，所述方法包括以下步驟: -使電流在陽極(32)和陰極(33)之間循環(huán)，其中，電流密度不小于500mA/cm2; -注入蒸汽形式的水，其在壓力下進給到陽極(32)； -在陽極(32)氧化所述蒸汽形式的水； -所述氧化后，在陽極(32)生成高度活性的氧； -所述氧化后，在電解質(zhì)(31)中生成質(zhì)子化的物質(zhì)； -所述質(zhì)子化的物質(zhì)在電解質(zhì)(31)中遷移； -在陰極(33)表面以活性氫原子的形式還原所述質(zhì)子化的物質(zhì)。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述陰極和陽極的電活性表面和幾何表面之間的所述比率不小于100。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述電流密度不小于lA/cm2。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，蒸汽的分壓和相對壓力有利地不小于I巴并優(yōu)選不小于10巴。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，電流循環(huán)發(fā)生在陽極和陰極之間，所述陽極和陰極的每一個都由質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷和導(dǎo)電材料的混合物構(gòu)成的金屬陶瓷構(gòu)成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電材料是具有高熔點、能夠含有至少40%鉻的可鈍化材料。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，電流循環(huán)發(fā)生在陽極和陰極之間，所述陽極和陰極的每一個都包含質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷，所述質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷由具有一個或多個氧化度的鑭系元素摻雜的鈣鈦礦形成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，其包括以下步驟: -在電解池的陰極引入二氧化碳CO2和/或一氧化碳CO ； -由所述生成的活性氫原子還原在陰極引入的CO2和/或CO ; -在還原0)2和/或CO后，形成CxHyOzM化合物，其中l(wèi)，0〈y< (2x+2)和0<z<2x。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，其包括以下步驟: -在電解池的陰極引入含氮化合物； -由所述生成的活性氫原子還原在陰極引入所述含氮化合物。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述含氮化合物是NOx型化合物，其中X ^ 1，所述方法包括在還原NOx后形成NtOyHz型化合物的步驟，其中，t不小于1，y不小于O和z不小于零。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述含氮化合物是N2化合物，所述方法包括在還原N2后形成NxHy型化合物而導(dǎo)致形成NH3的步驟，其中，X≥I和y≥O。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述活性氫原子被用于執(zhí)行在陰極的加氫裂化步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述活性氫原子被用于在陰極轉(zhuǎn)化芳族化合物。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，其包括由使所述高活性氧與在陽極引入的化合物反應(yīng)以使后者經(jīng)歷氧化而構(gòu)成的步驟。
15.用于實施根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法的電解池，其包含: -固態(tài)電解質(zhì)，其由質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷構(gòu)成； -包括質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷的陽極，所述陽極和陰極的每一個都具有電活性表面和幾何表面之間的比率等于至少10 ； -包括質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷的陰極，所述電解質(zhì)被放置于所述陽極和所述陰極之間； -用于注入蒸汽 形式的水的裝置，所述蒸汽形式的水在壓力下在陽極進給； -誘導(dǎo)電流在陽極和陰極之間循環(huán)的裝置，其中電流密度不小于500mA/cm2。
【文檔編號】C10G47/22GK103987878SQ201280057387
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月12日
【發(fā)明者】B·薩拉, F·格拉塞, O·拉克魯瓦, A·西拉, K·拉莫尼, M·凱達姆, 竹之內(nèi)久, D·格雨里奧, B·邦德熱伊奧, P·科洛邦, A·范德利, J·G·桑什茲 申請人:阿?，m