專利名稱：：用于從水中同時(shí)分離氫和氧的反應(yīng)器的制作方法用于從水中同時(shí)分離氫和氧的反應(yīng)器氫是未來的燃料。盡管在燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)以及相關(guān)技術(shù)的領(lǐng)域中繼續(xù)進(jìn)行大量的技術(shù)開發(fā)，但是仍不能經(jīng)濟(jì)地利用氫消耗設(shè)備。氫的運(yùn)輸和儲存是由礦物燃料驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)向氬燃料驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速轉(zhuǎn)變的另一障礙。該公開的裝置是基于優(yōu)化傳熱和傳質(zhì)、用于同時(shí)分離化量計(jì)量的氧和氳的膜反應(yīng)器中的熱水分解。由于它是獨(dú)立且小的或中等規(guī)模的氫生產(chǎn)設(shè)備，該裝置將有利于減少氫的運(yùn)輸和儲存的需要。因此，它有利于促進(jìn)引入氫作為能量媒介(energyvector),因此它被認(rèn)為具有真正的經(jīng)濟(jì)重要性。由該裝置生產(chǎn)的氫是清潔的，僅有的污染物是水。它可以立即供給燃料電池，因此可以與燃料電池組結(jié)合，為家庭或者小型工廠同時(shí)生產(chǎn)熱和電?？梢韵胂笤谝苿?dòng)應(yīng)用領(lǐng)域中使用該裝置，非常緊湊型的該裝置可以用于燃料電池汽車。材料部分的最新進(jìn)展以及特別是新型膜的開發(fā)，已經(jīng)使生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)上可行的、長壽命的裝置如所公開的裝置成為可能。該裝置可以如所公開的那樣利用燃燒作為熱源來實(shí)現(xiàn)。使用由水分解工藝通過該裝置所分離的熱的氧，燃燒中所產(chǎn)生的可利用的熱量增加。雖然乙炔與由該裝置所產(chǎn)生的氧的燃燒是熱量上最有利的，但是其它氣體如丁烷、天然氣或者甲醇也具有足夠高的火焰溫度(參見表2)來熱解制氫。由于通過最優(yōu)化熱流和質(zhì)流，所以由燃燒所產(chǎn)生的廢氣將包含最低量的碳氧化物。其它的排出產(chǎn)物僅僅是水和可能由于燃燒不充分的一些烴。該裝置可以改裝為使用太陽輻射作為熱源，以從水中生產(chǎn)氫而不排放任何碳的氧化物。圖l是該裝置的可能實(shí)施方式。該裝置是絕熱的、圓柱形的反應(yīng)室(1)。穿過該反應(yīng)室并與其軸平行的是三種類型的一個(gè)或多個(gè)具有特定功能的管1.一個(gè)或多個(gè)基本上不透氣的實(shí)心管，所述實(shí)心管作為選擇性通過氫的膜(2)。2.—個(gè)或多個(gè)基本上不透氣的實(shí)心管，所述實(shí)心管作為選擇性通過氧的膜(3),以及3.—個(gè)或多個(gè)基本上不透氣的實(shí)心管，所述實(shí)心管包含熱源(4)。幾個(gè)加熱管或者僅有一個(gè)加熱管的布置如圖2a和圖2b所示。重要的是氧選擇性膜配置在熱源周圍，以遮擋剩余的反應(yīng)器體積，防止直接輻射傳熱。然而，類似于圖2所示的其它幾何設(shè)計(jì)是可能的。該反應(yīng)室含有一些水，它有幾個(gè)水入口(5)。氣體在加熱管(6)內(nèi)燃燒。熱源可以是管狀的、多孔的燃燒器，所述燃燒器使在小體積內(nèi)的燃燒最優(yōu)化。選擇乙炔作為例子，如圖所示，但是也可以使用達(dá)到足夠高火焰溫度的任何其它氣體。熱量通過加熱管的管壁、通過傳導(dǎo)、對流和輻射傳給反應(yīng)器內(nèi)的水，也傳給該裝置的其它部件。反應(yīng)器內(nèi)的水最后將汽化，最終分解為其各組分原子和分子的氫、氧和氫氧根OIT。忽略氫和氧的其它可能組合，對于最高達(dá)和超過2500K的實(shí)際溫度，該溫度依賴于反應(yīng)器內(nèi)部的熱力學(xué)條件，它們的量在ppm水平以下。氧選擇性的膜管布置于最靠近熱源，即在溫度和水分解的程度最高的、且具有相當(dāng)大氧分壓的區(qū)域。由于在反應(yīng)器內(nèi)與在膜管內(nèi)之間的濃度差，氧通過所述膜。所分離的氧被直接導(dǎo)入氣體燃燒器，以獲得最高的可能燃燒溫度和因此獲得最高的可能水分解程度。另外，氧選擇性膜管用作熱源和氫膜管和反應(yīng)器壁之間的熱屏障。該管布置在更靠近于反應(yīng)器壁。冷卻反應(yīng)器壁與可能的氫膜管。在氫膜管區(qū)域中的溫度因此比在水分解區(qū)域中的溫度更低。為了確保氫選擇性膜的最優(yōu)功能，該溫度典型地為大約或者低于IOO(TC;在更高的溫度下將開始傳遞氧，其選擇性更差；而在降低的溫度下，氫傳遞速率將減小。氧被提取之后在分解區(qū)域中的剩余氳將擴(kuò)散通過該反應(yīng)器。提取氫以抵消所分離的氧的減少量，因此保持在反應(yīng)室內(nèi)的絕對氫與氧的比例平衡，即為2:1的分子比。在氣體選擇性膜管的內(nèi)部，各氣體的分壓必須低于其外部的分壓，以使該膜發(fā)揮作用。這可以例如通過將氣體選擇性膜管與泵連接來確保。通過泵抽吸，產(chǎn)生通過所述膜壁的氣體濃度梯度。氫和氧將通過各自的膜，并且該氣體可以直接導(dǎo)入儲存設(shè)備或消耗設(shè)備。廢氣流中的小渦輪機(jī)可以提供氧和氬泵所必須的電流。注入水以補(bǔ)償所提取的氧和氳。所述水入口布置成這樣，使得水滴或者冷蒸汽冷卻在功能管和反應(yīng)室之間的所有接合處。注入水還可以通過水蒸汽滲透穿過反應(yīng)器壁來實(shí)現(xiàn)。用來自于燃燒器的廢氣的熱量，可以預(yù)加熱被注入的水或蒸汽，作為熱絕緣體的一部分。提取的氫和氧的量控制為其在水中的計(jì)量比2:1。因此，用完全相應(yīng)量的水補(bǔ)充所述反應(yīng)器。用具有足夠高的火焰溫度的各種氣體，可以獲得水分解所需要的溫度。足夠高由所想要的水分解程度來定義。表1所示的是，在不同的蒸汽溫度下及l(fā)巴的壓力下，水分解的程度(質(zhì)量百分比)和氫分壓。使用STANJAN軟件計(jì)算出這些值[l]。表1:在不同溫度下的水分解重量百分比和相應(yīng)的氬分壓。1500K2000K2200K2273K2500K3000K3500K0.02%0.70%1.37%2.49%5.89%24.64%62.36%0.2毫巴6毫巴14毫巴22毫巴50毫巴200毫巴454毫巴所公開的裝置從水中分離氧。該氧被引入燃燒器，從如下方面改善燃燒(a)更清潔的廢氣和(b)更高的火焰溫度。(a)"更清潔，，被認(rèn)為是減少廢氣中的NOx和烴。該廢氣主要包含C02和水，可以與來自于該裝置的氳一起供給例如Fisher-Tropsch工藝。二氧化^^友可以例如通過使廢氣鼓泡經(jīng)過石灰水浴來被捕獲。表2:對于選擇的氣體在空氣中和在氧氣中的近似火焰溫度。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(b)提高燃燒溫度是重要的。大部分氣體在空氣中的火焰僅達(dá)到大約2000。C的溫度(參見表2)，而當(dāng)該氣體與氧氣燃燒時(shí)，火焰溫度可以升高至300(TC以上。依賴于所使用的氣體，在該裝置開始期間將需要補(bǔ)充儲存的氧。沒有惰性質(zhì)氣體(ballastgases)，供應(yīng)的能量僅僅是需要加熱和分解新鮮水、以及需要維持工作點(diǎn)熱平衡條件的能量。如果從氬消耗設(shè)備(燃料電池、氬燃燒發(fā)動(dòng)機(jī))排出的熱蒸汽用于補(bǔ)充所述裝置，則可以改進(jìn)該裝置的熱效率。通過將催化劑加入反應(yīng)器，可以增加氬和氧的生產(chǎn)量。例子是具有兩種或者兩種以上氧化態(tài)的催化劑，如Zn-ZnO或者FeO-Fe203體系，其中Zn或者FeO還原水分子，而ZnO或者Fe203在高溫下釋放出氧。通過使用催化劑膜，當(dāng)水分子與膜表面發(fā)生接觸時(shí)，該催化劑膜分解水分子，也可以增加氬和氧的生產(chǎn)量。當(dāng)鈦和鈰的氧化物結(jié)合到高溫陶瓷膜中時(shí)，鈦和鈰的氧化物已顯示出催化效果[2]。沒有催化劑或者催化劑膜，工作點(diǎn)溫度恰好在200(TC以上。例如在2227°C(2500K)以及在所述反應(yīng)器內(nèi)6.75巴的壓力下，氫分壓大約為169毫巴。能夠經(jīng)受起這些條件的材料是稀少的。然而，如今可以獲得用于加熱管和燃燒器以及用于氣體分離膜的材料對于加熱管，具有由某些高熔點(diǎn)氧化物制成的充分保護(hù)性涂層的石墨或者氧化鋯是第一選^奪。在開始于大約120(TC的高溫下，在高產(chǎn)量下進(jìn)行氧分離是可能的。對于許多耐火材料，隨著溫度的增加，由于離子傳導(dǎo)而導(dǎo)致的氧分離會(huì)增加。使用現(xiàn)有的膜材料，氫選4奪性膜管必須布置在溫度為1000。C數(shù)量級或者1000。C以下的區(qū)域，該區(qū)域在反應(yīng)器壁附近或者甚至一體結(jié)合到反應(yīng)器壁中?；诨旌蟼鲗?dǎo)的金屬陶乾膜的結(jié)果，以10cmVcmVmin數(shù)量級的速率進(jìn)行氫分離是可能的[2]。在反應(yīng)器壁附近和反應(yīng)器壁的低溫允許使用便宜和豐富的材料如氧化鋁來制造反應(yīng)器部件。參考STANJAN是由Wm.C.Reynolds教授開發(fā)的化學(xué)平衡軟件。在互聯(lián)網(wǎng)上可以獲得免費(fèi)版本。參見實(shí)例U.Balachandmn、T.H.Lee、S.Wang和S.E.Bonis,"用混合型傳導(dǎo)膜通過水分解來生產(chǎn)氳(UseofmixedConductingMembranetoproduceHydrogenbywaterDissociation)，，，Int.J.HydrogenEnergy29(2004年)291-296。權(quán)利要求1.用于將水分離成氫和氧的裝置，其包括反應(yīng)室、以及位于所述反應(yīng)室內(nèi)的-由一個(gè)或者多個(gè)部件構(gòu)成的加熱系統(tǒng)；-一個(gè)或者多個(gè)基本上不透氣的、用于選擇性通過氫的膜；-一個(gè)或者多個(gè)第二種基本上不透氣的、用于選擇性通過氧的膜，以及-用于將水或蒸汽傳送入所述反應(yīng)室的機(jī)械裝置；其特征在于，-在所述反應(yīng)室內(nèi)部設(shè)計(jì)成非均勻的溫度分布，有利于在加熱系統(tǒng)部件附近的水分解；-在水分解區(qū)域內(nèi)設(shè)置所述氧選擇性膜；-幾何布置氧選擇性膜，以遮擋熱源，控制和提高溫度梯度；-在更低溫度的區(qū)域內(nèi)設(shè)置氫選擇性膜，以確保和最優(yōu)化它們合適的功能；-幾何布置所述部件，特別是水入口系統(tǒng)，以遮擋熱源，控制和提高溫度梯度；-以化學(xué)計(jì)量的量衡地提取氫和氧，以避免不得不從反應(yīng)室的體積中提取過剩的氣體，從而避免系統(tǒng)的能量損失，以及-通過調(diào)節(jié)輸入的質(zhì)量流量，保持在反應(yīng)室內(nèi)的氣體量不變。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所^口熱系統(tǒng)由一個(gè)或者多個(gè)多孔的燃燒器構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，太陽能集中器用作加熱系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在^室內(nèi)的壓力被4錄在0.1MPa或者更高。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所i4^應(yīng)室或者14Ui不透氣的、用于選棒f頓iilu的膜，或者^4Ui不透氣的、用于選棒f頓過氫的膜，或者兩種所iiM都可以包含反應(yīng)物或者催化劑，以有利于在較低溫度下盡快將水蒸汽分解成氫和氧。6.根據(jù)權(quán)利要求i所述的裝置，其中，所iii4Ui不透氣的、用于選棒f頓錄的膜被保持在ioo(rc以上的溫度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，基^^上不肖驢氣的、用于選擇性通過氫的膜被^l爭在120(TC以下。8.沖艮據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置與氫消耗設(shè)備相連接，其中，由該消耗設(shè)備所產(chǎn)生的蒸汽被循環(huán)到所g置中，由》沐利于能量最優(yōu)化。全文摘要本發(fā)明公開了一種使用加熱從水中生產(chǎn)氫的裝置。該裝置利用熱水分解，并基本上不需要電工作。它基于以下觀點(diǎn)具有兩種膜的膜反應(yīng)器允許從反應(yīng)器體積中以化學(xué)計(jì)量的量同時(shí)分離氫和氧。該裝置具有特定的幾何形狀，導(dǎo)致在反應(yīng)室內(nèi)形成溫度分布，使適應(yīng)于使用氫選擇性膜。該裝置將有利于減少氫運(yùn)輸和儲存的需要，因?yàn)閷τ谠诩彝ァ⑿」S或加油站中現(xiàn)場使用它是相當(dāng)緊湊的。可以想象該裝置在移動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。所述裝置的熱源是使用多孔燃燒器技術(shù)的烴燃燒；但是該裝置可以改裝成使用任何其它的熱源，特別是太陽輻射。文檔編號C01B3/50GK101102964SQ200480044630公開日2008年1月9日申請日期2004年12月16日優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日發(fā)明者克勞斯·勒里希,哈拉爾德·維爾特,尼爾斯·孔馬克申請人:Ipc國際能源咨詢有限公司