[发明专利]通过多步铜-氯热化学循环的氢气产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用作为一种变型的六步热化学铜-氯（Cu-C1）循环产生氢气。通过在高温下的化学反应，即通过铜和氯的化合物以形成闭环循环，水被分解成氢气和氧气。本发明还涉及一种系统，该系统包括用于产生氧化铜和用于通过作为热化学铜-氯（Cu-C1）循环的一部分的氧化铜的氯化来产生氧气的实验设备，其中，氯化铜与过热蒸汽反应以产生氧化铜，并且所形成的氧化铜的氯化进一步产生氧气。这些反应是在高温和大气压下在固定床反应器中进行。

背景技术

今天，由于传统的资源消耗和由于温室气体的排放所引起的全球气候变化，对替代能源的需求是一个核心问题。氢气是对烃（碳氢化合物）燃料的一种明显的替代方案。人们已经提出将其作为一种方法来减少温室气体和其它有害排放，并满足对于有效的、可持续的、无污染的能源的需求。它是一种理想的能源载体，通过降低我们对于烃基燃料的依赖性帮助增加我们的能量多样性与安全性。

氢气是从非常多样的初级能量原料和多种工艺技术中产生的，这些工艺技术包括蒸汽重整、部分氧化、煤的气化，生物质热解/气化、电解、光合/光生物、光催化水分解和热化学水分解。

从水分解中产生氢气作为一种清洁能源是环境友好的并且具有吸引力。利用水作为原料并利用核能作为初级能源用于产生氢气的热化学工艺是一种有吸引力的选择，其包括通过在高温下的化学反应将水分离为氢气和氧气以形成封闭回路，其中可以向该工艺供给水；而再生并再循环所有其它的反应物。

文献中已经报道了超过100种的热化学循环。到目前为止，基于某些准则，例如循环的简单性、工艺的效率和分离出纯的氢气产物的能力，人们已经研究了最有前景的循环中的几种。在各种可行的化学循环（即，硫-碘、铈-氯、铁-氯、钒-氯和铜-氯）中，铜-氯（Cu-Cl）循环具有在相对低的温度（550℃）下产生所需的氢气的优点。

铜-氯（Cu-Cl）循环是一种混合工艺，该工艺即使用热也使用电来进行一系列的反应，即，化学和电化学的反应，其中，净反应是将水分解成氢气和氧气。所提出的Cu-Cl循环具有两种变型，已知这两种变型为一种四步工艺和一种五步工艺。存在一些与Cu-Cl循环相关联的技术挑战。尽管有这些挑战和风险，铜-氯（Cu-Cl）循环还是提供了多种关键优势。

GB1461646公开了一种由通过中间铜-氯和镁化合物的吸热循环产生水的工艺，其中中间产物发生反应并且被再生。

US3919406描述了一种用于由连续的四个反应产生氢气的闭环热化学途径，其中铜和镁的氯化物、盐酸和氧化镁将水分解成其组成元素，其净结果为将水分成为氢气和氧气。

US2008/0256952公开了一种太阳能驱动的热化学Cu-Cl氢气产生系统和一种太阳能加热系统，该太阳能加热系统使用包含硝酸钠和硝酸钾的熔融盐作为传热介质以向热化学系统提供热能和电能。

US2010/0129287描述了一种用于使用包含三个、四个和五个步骤的热化学循环从水分解中产生氢气的系统。本发明涉及被使用在通过使用来自清洁源（诸如核和太阳）的能量以产生氢气和氧气的铜-氯热化学循环的闭环中的反应器和容器及热偶联方法。

US2010/0025260公开了一种使用来自核或工业源的低级热或废热以用于使用结合的化学或蒸气压缩热泵和热化学循环产生氢气的新方法。

Barbooti等人（Thermochimica Acta78（1984）275-284）已经解释了包括一组反应的铜-氯热化学循环，该组反应诸如氢气产生、铜的部分再生、氯化铜的脱氯、氧气的生成和氯化氢的再生。

Lewis等人（Nuclear Production of Hydrogen,Third Information Exchange Meeting,2003）已经开发了被设计用于大约500℃-550℃的低温加热的低温循环。

Rosen等人（Canadian Hydrogen Association Workshop,2006）已经关注于一种铜-氯（Cu-Cl）循环，该铜-氯（Cu-Cl）循环已经被认定为一种用于由来自超临界水反应器（SCWR）的核热所驱动的热化学氢气产生中的非常有前景的循环。

Lewis等人（Int.J.Hydrogen Energy34(9)(2009)4115-4124和4125-4135）已经进行了对效率计算的热化学循环的详细研究。