[发明专利]由含碳物质碱促制备氢

说明书

                  相关申请的交叉引用

本申请是2004年1月23日提交的、标题为“Base-FacilitatedReformation Reactions of Organic Substances”并且作为美国专利申请公开号No.US2004/0156777A1公开的申请NO.10/763616的部分连续，该公开在此通过引入结合进来。

                      技术领域

本发明涉及用于制备氢气的方法。具体而言，本发明涉及由含碳物质制备氢气。最具体而言，本发明涉及在碱性条件下通过含碳物质的反应制备氢气。

                      背景技术

现代化社会强烈依赖于从化石燃料获得能量来维持生活标准。随着更多的社会实现现代化以及已有的现代化社会的膨胀，对化石燃料的消耗持续增加，全世界范围内对化石燃料的日益增长的依赖性导致出现了大量问题。首先，化石燃料是有限的资源，人们越来越担心在可预见的将来化石燃料被完全耗尽。能源稀少可能导致出现如下情况：日益增长的成本可能使经济变得不稳定，国家可能因为剩余的储能地而发生战争。第二，化石燃料具有高度的污染性。更大量地燃烧化石燃料导致全球变暖，并给地球生态系统的稳定性造成了危害。除了温室气体以外，燃烧化石燃料产生了烟灰和对人体和动物有害的其它污染物。为了防止化石燃料日益增长的危害性，需要新的能源。

新燃料或能源所需的属性包括低成本、供应丰富、可更新性、安全性和环境相容性。从提供这些属性以及显著降低人们对传统化石燃料的依赖性的潜力而言，从目前看氢是很有希望的。氢是世界上存在最普遍的元素，如果能开发出它的潜力，那么将提供取之不尽用之不竭的燃料源来满足全球日益增长的能量需求。氢可以从各种来源获取，所述来源比如天然气、一般性的烃、有机材料、无机氢化物和水。这些来源从地理学上看在全球上分布得非常好，大多数人口都可以获取，无需进口。除了资源丰富而且广泛可得以外，氢也是清洁的燃料源。氢燃烧产生水作为副产物。因此，利用氢作为燃料源避免了不必要的生成基于碳和氮的温室气体(涉及造成全球变暖)以及在工业生产中不必要地生成烟灰和其它基于碳的污染物。

氢作为普遍存在的能源是否得以利用最终取决于它在经济上的可行性。需要用于制备氢的经济可行的方法以及用于存储、转移和消耗氢的有效装置。已经提出了用于制备氢的化学方法和电化学方法。对氢而言，最容易获取的化学原料是有机化合物，主要是烃和氧化烃。从烃和氧化烃获取氢的常见方法是脱氢反应和氧化反应。

蒸汽重整和通过电解由水根据电化学法制备氢，是目前常用来制备氢的两种策略。但是，这两种策略都存在着实际应用受限和/或成本效率受限的缺点。蒸汽重整反应在室温是吸热反应，通常需要数百度的温度来达到可接受的反应速率。这些温度提供起来成本高，对用于构建反应器的材料提出了特殊的要求，而且限制了应用范围。蒸汽重整反应也在气相中进行，这意味着必须通过分离工艺从气体混合物中回收氢气，这增加了重整工艺的成本和复杂性。蒸汽重整还导致形成了不需要的温室气体CO₂和/或CO作为副产物。水电解在实践中使用不广泛，因为为了实现水电解需要大量消耗电能。引发水电解反应所需的最低电压高，而且为了获得有实际意义的氢生产速率，需要更高的电压。这种高电压导致水电解反应的电能成本高，限制了它的广泛使用。

在美国专利No.6607707(’707专利)中，本发明人考虑通过烃和氧化烃与碱的反应由烃和氧化烃制备氢，所述专利在此通过引用而接合进来。利用热力学分析，本发明人确定许多烃和氧化烃与碱或者碱性水溶液在特定反应条件下自发反应形成氢气，而同样的烃和氧化烃在同样的反应条件下在常规蒸汽重整工艺中非自发性地反应。因此，发现包含碱促进了从许多烃和氧化烃形成氢气，并能够在不像蒸汽重整反应中正常存在的条件那样极端的条件下制备氢，从而提高了制备氢气的成本有效性。在许多反应中，’707专利的方法使得从液相反应混合物中形成了氢气，在有些情况下在室温进行，其中氢气是唯一的气体产物，因此很容易去除，无需气相分离步骤。’707专利的反应进一步通过形成碳酸根离子或者碳酸氢根离子来操作，避免了生成温室气体CO和CO₂。包含碱带来了形成氢气的新反应途径，所述途径在热力学上有优势，允许在比相应蒸汽重整工艺所需的温度低的温度下制备氢气。