[发明专利]用于产生氢的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2005年11月23日提交的名为“甲醇分解氢发生器”的美 国临时专利申请序列号60/739,495以及在2006年11月20日提交的名为 “用于产生氢的方法和装置”的美国专利申请序列号11/561,664的内容的利 益，并且通过引用而将其说明书结合在此。

发明背景

发明领域(技术领域)：

本发明涉及一种氢产生装置、方法和系统。本发明优选分解吸热可分 解化合物。本发明优选使用氢选择性渗透分离器将甲醇分解产物分离成为 渗透物(permeate)(氢)和渗余物(retentate)(主要为CO)。然后将渗余物供给 到使用优选来自空气的氧燃烧渗余物的加热器，以对反应器和/或选择性渗 透分离器提供热。

相关技术描述：

注意的是，下列讨论涉及许多出版物和参考文献。为了更加完整的科 学原理背景，在这里给出了对这样的出版物的讨论，但是不应将其解释为 承认这样的出版物是用于专利性确定目的的现有技术。

氢被用于各种工业过程和燃料电池。大多数的氢是通过有机燃料的高 温蒸汽转化生产的。一个实例是甲醇的蒸汽转化，其中在转化催化剂上使 甲醇和水在200-300℃反应：

CH₃OH(l)+H₂O(l)→CO₂+3H₂     ΔH_rxn

-239     -286    -393 0       132kJ/摩尔    (1)

此蒸汽转化反应是两-步过程，其第一步是甲醇分解：

CH₃OH(l)→CO+2H₂      ΔH_rxn

-239      -111 0      128kJ/摩尔   (2)

然后该转化反应的全部完成是通过水煤气轮换(WGS)反应进行的：

CO+H₂O(l)→CO₂+H₂   ΔH_rxn

-111-286   -393 0   4kJ/摩尔   (3)

然而，如果将蒸汽转化氢发生器与燃料电池配对，则然后可以从燃料 电池回收产物水，将其掺合到反应器进料中，并且用于转化反应。在此情 形下，可以将纯甲醇用作贮存燃料，这使得燃料能量密度最大化。纯甲醇 的另一个优点在于，可以将它在燃烧器中使用而对吸热转化反应供给热。 典型地，通过热交换器的广泛使用来使反应物汽化并且回收热，从而使转 移到燃烧器的燃料的量最小化，并且使系统效率最大化。这样的策略典型 地用于相当大的功率水平的运输或固定应用。另一方面，用于控制水和热 所需的大量子系统使所述系统非常复杂，并且进一步增加操作困难以及成 本和可靠性。

这样的困难中的一种是通过蒸汽转化反应形成的可测量的副产物CO， 它是低-温燃料电池系统的毒物。可以使用高的蒸汽-对-甲醇比率和另外的 WGS以及优选的氧化反应器来将CO水平降低到ppm水平，产生更加复 杂的系统。备选地，可以使用选择性渗透膜例如钯将氢从转化物(reformate) 分离。然后将氢渗透物递送到最终用途(例如，燃料电池)。主要由CO₂， 以及较少量的CO、残留的H₂和过量反应水组成的渗余物具有低的热值， 但是可以用于增加燃烧器燃料。可以任选将转化器与分离器组合，以制成 在一些情形下具有某些优点的“膜反应器”。组合燃料转化和氢分离的一般 方法在本领域中是众所周知的。参见，例如，美国专利号5,997,594和 6,221,117。

由于可以达到高效率，因此即使具有复杂的系统，蒸汽转化也是优选 的氢的大规模来源(例如，对于工业和固定应用)。然而，在小的系统中难 以实施蒸汽转化。按比例缩小以上讨论的高度集成和复杂的系统是困难并 且昂贵的。特别是，热损耗变得更加显著。随着装置尺寸减小，装置的每 单位体积的表面积增加。这样，相对于每单位容积(体积)，具有与另外的 相等形式的十分之一大的尺寸的装置将具有比该更大的装置大十倍的热 损耗(表面积)。因而，在开发小规模热处理系统中遭遇了另外的挑战和困 难。