[发明专利]用固体电解质膜生产氢气的方法

说明书

本发明涉及用固体电解质膜生产氢气，更具体地说，涉及首先用固体电解质离子迁移膜形成合成气体，接着再用另一固体电解质膜分离氢气从而来生产氢气。

将题目为“用与涡轮机结合的固体电解质膜生产氧化产物和产生能源的方法”的美国专利申请(流水号NO．，代理人Docket号码．D-20215，同时在此申请)在此引入作为参考。

固体电解质离子型或混合型导体离子迁移膜已被用于在大约500℃-1200℃的温度下从气体中提取氧气。气体迁移最佳的操作温度取决于膜本身，特别是构成膜的材料。离子传导率也是操作温度的函数，并且当操作温度增加时它也增加。在低于大约500℃的操作温度下，除了离子迁移膜具有较低的传导率以外，对膜的表面动力学限制也可能制约氧流量，即单位时间单位面积的氧气数量。

离子迁移膜的操作温度大于约1200℃也是不希望的，因为在高温下加剧了对材料和结构的限制(如密封、歧管、热应力)。

氧离子迁移膜系统最具有吸引力的特征之一是膜对氧迁移具有无穷的选择性，以及氧迁移由膜两侧的氧活性之比来驱使。因此在阳极一侧发生反应的情况下出现较高的氧流量是有可能的。同时将氧从低压的含氧气流中迁移至高压反应环境中也是可能的。

在高温下，氧离子迁移材料含有可活动的氧离子空穴，该空穴给氧离子通过材料进行选择性迁移提供了传导位置。当氧离子由氧分压高的一侧流向氧分压低的一侧时，迁移由膜两侧的分压差驱使。在膜的阴极侧发生氧分子变为氧离子的离子化。并且氧离子随后穿过离子迁移膜而迁移。氧离子在膜阳极侧进行去离子化从而再次形成氧分子。对于仅表现为离子传导性的材料来说，外电极可置于电解质的表面上，并且电流置于外电路中。在“混合导电”材料中，电子内迁移至阴极，因而使电路接通，并免除了需要外电极的要求。其中氧离子传导体与电子导电体相混合的两相导电体就是一种混合型导电体。

涉及含碳喂入料的部分氧化反应(“PO_x”)和／或蒸汽转化反应是生产合成气体的常规方法。合成气体和其主要成分、一氧化碳、和氢是实用的工业气体，并且是生产化学品的重要前体，这些化学品包括氨、醇(包括甲醇和高碳醇)、合成燃料、醋酸、醛、醚、等等。包括天然气、煤、石油、和燃油的喂入料通过部分氧化反应和蒸汽转化反应常用于生产合成气体。这些反应可用下示表示：

    PO_x，放热

    SR， 吸热，

式中C_mH_n是烃类喂入料。

为了改善某些产品的反应速率和选择性，可使用固定床或流动床、或多种催化剂管形式的外催化剂。可使用大量在现有技术中已知的常规气体分离方法获得单独的合成气体成分、特别是氢气和一氧化碳，如使用那些以压力摆动吸附、温度摆动吸附、聚合物膜、和低温蒸馏为基础的方法。通过使合成气体中的CO与蒸汽反应()将它转变为CO₂和H₂从而进行水气转换反应以增加氢气产量。

常规的部分氧化方法经常使用由典型地在低于100℃的温度下操作的常规气体分离方法所产生的氧分子。由于部分氧化反应自身典型地要求在800℃以上的温度下进行高温操作。以前人们未意识到将部分氧化反应和常规氧分离之间整体化。结果，常规的部分氧化反应经常以低喂入料转化率、低氢气／一氧化碳比、和低氢气和一氧化碳选择性为特征。另外，在部分氧化反应中典型地要求的氧气外供应明显地增加了投资和操作成本，其可达到合成气体总生产成本的40％之多。还有，由于在部分氧化反应中产生了大量的一氧化碳气体，当仅要求氢气作为最终产品时，产品要求两步交替转化，这样就导致了低效率。交替转化也增加了工艺成本。

蒸汽转化反应也用于合成气体的产生。比起部分氧化反应，由于蒸汽转化方法每摩尔有机燃料产生较多的氢气，该方法对于氢气和具有高H₂／CO比例(例如、比例大于2)的混合物的生产具有更多的优点。然而，蒸汽转化反应是一个要求大量热能的吸热反应，因此，当H₂／CO比低于2时，对于合成气体的生产来说，该方法吸引力较低。