经由电化学重整的氢气产生

技术领域

本发明总体上涉及氢气产生。更确切地说，本发明涉及电化学氢气产生方法和系统。

背景技术

石油和化学工业需要大量的氢气。例如，大量氢气用于升级化石燃料和产生氨或甲醇或盐酸。石化工厂需要氢气来进行加氢裂化、加氢脱硫、加氢脱烷基化。提高不饱和脂肪和油的饱和度的加氢工艺也需要氢气。氢气还是金属矿石的还原剂。氢气可以通过电解水、蒸汽重整、实验室规模的金属酸工艺、热化学方法或厌氧腐蚀产生。许多国家都致力于发展氢气经济。

显然，对开发新的产生氢气的技术平台的需求和兴趣越来越大。本公开讨论了使用高效的电化学途径的氢气产生。讨论了电化学反应器和执行此类反应的方法。

发明内容

本文讨论了一种电化学反应器，其包括混合导电膜，其中所述膜包括电子导电相和离子导电相，其中所述反应器能够以电化学方式重整烃，其中所述电化学重整反应涉及离子通过所述膜的交换以氧化所述烃。

在一实施例中，反应器包括多孔阳极和多孔阴极，所述多孔阳极和多孔阴极包括金属相和陶瓷相，其中所述金属相是电子导电的，并且其中所述陶瓷相是离子导电的。在一实施例中，阳极和阴极不具有附接的集电器。在一实施例中，阳极和阴极被膜分离并且都暴露于还原环境。

在一实施例中，阳极或阴极包括Ni或NiO以及选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CGO、CoCGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合。在一实施例中，阳极包括掺杂或未掺杂的二氧化铈和选自由以下组成的组的材料：Cu、CuO、Cu

在一实施例中，阳极包括铬酸镧和选自由以下组成的组的材料：掺杂二氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，铬酸镧包括未掺杂的铬酸镧、锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合。

在一实施例中，电化学重整反应包括电化学半电池反应，其中所述半电池反应为：

a)

b)

在一实施例中，半电池反应发生在三相边界处，其中三相边界是孔与电子导电相和离子导电相的交叉点。

在一实施例中，电子导电相包括掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且离子导电相包括选自由以下组成的组的材料：钆或钐掺杂的二氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。

在一实施例中，膜包括CoCGO或LST(镧掺杂的钛酸锶)稳定的氧化锆。在一实施例中，稳定氧化锆包括YSZ或SSZ或SCZ(氧化钪-二氧化铈稳定的氧化锆)。

本文还讨论了一种反应器，其包括：阳极和混合导电膜；其中所述阳极和所述混合导电膜彼此接触，其中所述膜包括电子导电相和离子导电相，并且其中所述阳极促进电化学烃重整反应。

在一实施例中，阳极暴露于还原环境，且在所述阳极中发生的电化学反应是氧化。在一实施例中，反应器不包括互连件。

本文进一步讨论了一种产生氢气的方法，其包括：提供具有混合导电膜的电化学(EC)反应器；将包括烃的第一料流引入到所述反应器；将包括水的第二料流引入到所述反应器；和还原所述第二料流中的所述水以产生氢气，其中所述第一料流和所述第二料流在所述反应器中不彼此接触，并且其中所述烃在所述EC反应器中以电化学方式重整。在一实施例中，从水还原为氢气以电化学方式进行。在一实施例中，第一料流基本上由烃和氢气组成。在一实施例中，反应器不发电且不需要电力输入。

在以下图式、详细描述和权利要求中提供了另外的方面和实施例。除非另有规定，否则如本文所描述的特征是可组合的，并且所有此类组合都在本公开的范围内。

附图说明

提供以下附图以说明本文所描述的某些实施例。附图仅仅是说明性的，并且不旨在限制所要求保护的本发明的范围，并且也不旨在示出所要求保护的本发明的每个潜在特征或实施例。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，为了说明的目的，图中的某些要素可以相对于图中的其它要素被放大。

图1展示了根据本公开的实施例的电化学(EC)反应器或电化学气体发生器。

图2A展示了根据本公开的实施例的管状电化学反应器。

图2B展示了根据本公开的实施例的管状电化学反应器的横截面。

图3展示了根据本公开的实施例的如本文所讨论的集成氢气产生系统。

具体实施方式

概述

本文中的公开内容描述了一种电化学氢气产生方法和系统。本公开的方法和系统经由电化学重整或电化学水煤气变换(WGS)反应产生氢气。此类重整或WGS反应所需的氧气/氧化物来源于水的还原，且其跨越膜供应。

除非本文另有规定，否则以下术语和短语具有以下含义。本公开可以采用本文未明确定义的其它术语和短语。此类其它术语和短语应具有本领域普通技术人员在本公开的上下文中所具有的含义。在一些情况下，术语或短语可定义为单数或复数。在此类情况下，应当理解，单数形式的任何术语可以包含其复数对应物，并且反之亦然，除非明确地相反指示。

如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”、和“所述(the)”包含复数指示物。例如，提及“取代基”涵盖单个取代基以及两个或更多个取代基等。如本文所使用的，“例如(for example/for instance)”、“如”或“包含”意在引入进一步阐明更一般主题的实例。除非另外明确指示，否则提供此类实例仅作为帮助理解本公开中所说明的实施例，且并不意味着以任何方式进行限制。这些短语也不表示对所公开的实施例的任何种类的偏好。

如本文所使用的，除非另有规定，否则组合物和材料可互换使用。每种组合物/材料可以具有多种元素、相和组分。如本文所使用的，加热是指向组合物或材料主动添加能量。

如本文中所使用，YSZ是指氧化钇稳定的氧化锆；SDC是指氧化钐掺杂的二氧化铈；SSZ是指氧化钪稳定的氧化锆；LSGM是指锶镁掺杂的镓酸镧。

在本公开中，没有大量的H

如本文所使用的，CGO是指钆掺杂的二氧化铈，也替代性地称为氧化钆掺杂的二氧化铈、钆掺杂的氧化铈、氧化铈(IV)、钆掺杂的GDC或GCO(式Gd:CeO2)。除非另有规定，否则CGO和GDC可以互换使用。本公开中的合成气(即，合成气体)是指主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的混合物。

混合导电膜能够传输电子和离子两者。离子导电性包含离子种类，如氧离子(或氧化物离子)、质子、卤化物阴离子、硫族化物阴离子。在各个实施例中，本公开的混合导电膜包括电子导电相和离子导电相。

在本公开中，管的轴向横截面图示为圆形，这仅是说明性的而非限制性的。管的轴向横截面是本领域技术人员已知的任何合适的形状，如正方形、圆角正方形、矩形、圆角矩形、三角形、六边形、五边形、椭圆形、不规则形状等。

如本文所使用，二氧化铈是指氧化铈，也称为二氧化铈(ceric oxide、cericdioxide或cerium dioxide)，是稀土金属铈的氧化物。掺杂的二氧化铈是指掺杂了其它元素的二氧化铈，如钐掺杂的二氧化铈(SDC)或钆掺杂的二氧化铈(GDC或CGO)。如本文所使用，亚铬酸盐是指氧化铬，其包含氧化铬的所有氧化态。

如本文所使用的，不可渗透的层或物质是指其对流体流动不可渗透。例如，不可渗透的层或物质的渗透性小于1微达西或小于1纳米达西。

在本公开中，烧结是指通过加热或压力或其组合形成固体材料物质而不将材料熔融到液化的程度的工艺。例如，材料颗粒通过加热聚结成固体或多孔物质，其中材料颗粒中的原子扩散穿过颗粒的边界，从而导致颗粒融合在一起并形成一个固体块。

电化学是物理化学的分支，涉及作为可测量和定量的现象的电势与可识别的化学变化之间的关系，其中电势是特定化学变化的结果，或者反之亦然。这些反应涉及电子经由导电相(通常但不一定是外部电路)在电极之间移动，由离子导电膜和电子绝缘膜(或溶液中的离子物种)分离。当化学反应受到电势差的影响时，如在电解中，或者如果电势是由电池或燃料电池中的化学反应产生的，则称为电化学反应。与化学反应不同，在电化学反应中，电子(以及必然产生的离子)不是直接在分子之间转移，而是分别经由上述电子导电和离子导电电路转移。这种现象将电化学反应与化学反应区分开来。

关于电化学水煤气变换(WGS)反应器和使用方法，描述了反应器的各种部件，如电极和膜以及构成部件的材料。以下描述阐述了本文中所公开的本发明的各种方面和实施例。特定的实施例不旨在限定本发明的范围。相反，实施例提供了包含在所要求保护的本发明的范围内的各种组合物和方法的非限制性实例。描述将从本领域普通技术人员的角度来阅读。因此，本领域普通技术人员已知的信息不一定包含在内。

本文讨论了一种电化学反应器，其包括离子导电膜，其中所述反应器能够以电化学方式重整烃，其中电化学重整反应涉及离子通过所述膜的交换以氧化所述烃。在一实施例中，反应器包括多孔电极，所述多孔电极包括金属相和陶瓷相，其中金属相是电子导电的，并且其中陶瓷相是离子导电的。在一实施例中，电极不具有附接的集电器。在一实施例中，电极被所述膜分离并且都暴露于还原环境。

在一实施例中，电极中的一个包括Ni或NiO以及选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CoCGO、CGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合。举例来说，阳极和阴极由Ni-CoCGO、Ni-CGO、Ni-YSZ或Ni-8YSZ制成。在一实施例中，电极中的一个包括掺杂或未掺杂的二氧化铈和选自由以下组成的组的材料：Cu、CuO、Cu

在一实施例中，电化学重整反应包括电化学半电池反应，其中所述半电池反应为：

a)

b)

在一实施例中，半电池反应发生在三相边界处，其中三相边界是孔与电子导电相和离子导电相的交叉点。在一实施例中，离子导电膜传导质子或氧化物离子。在一实施例中，离子导电膜对流体流动是不可渗透的。在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。

在一实施例中，膜包括钆掺杂的二氧化铈(CGO)或钐掺杂的二氧化铈(SDC)或两者。在一实施例中，膜由钆掺杂的二氧化铈(CGO)或钐掺杂的二氧化铈(SDC)或两者组成。在一实施例中，离子导电膜还传导电子，并且其中所述反应器不包括互连件。

本文进一步讨论了一种反应器，其包括：阳极和混合导电膜；其中所述阳极和所述混合导电膜彼此接触，并且其中所述阳极促进电化学烃重整反应。在一实施例中，阳极暴露于还原环境，且在所述阳极中发生的电化学反应是氧化。在一实施例中，没有集电器附接到阳极。在一实施例中，反应器不具有互连件。

在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。在一实施例中，膜包括钆掺杂的二氧化铈(CGO)或钐掺杂的二氧化铈(SDC)或两者。在一实施例中，膜由钆掺杂的二氧化铈(CGO)或钐掺杂的二氧化铈(SDC)或两者组成。

在一实施例中，阳极包括掺杂或未掺杂的二氧化铈和选自由以下组成的组的材料：Cu、CuO、Cu

本文还讨论了一种产生氢气的方法，其包括：提供具有混合导电膜的电化学(EC)反应器；将包括烃的第一料流引入到所述反应器；将包括水的第二料流引入到所述反应器；和还原第二料流中的水以产生氢气，其中第一料流和第二料流在反应器中不彼此接触，并且其中所述烃在所述EC反应器中以电化学方式重整。在一实施例中，方法包括将所产生氢气的至少部分再循环到第一料流或第二料流或两者。

在一实施例中，从水还原为氢气以电化学方式进行。在一实施例中，第二料流中的水为蒸汽。在一实施例中，第一料流和第二料流被所述膜分离。在一实施例中，第二料流包括氢气。在一实施例中，第一料流基本上由烃和氢气组成。

在一实施例中，EC反应器包括在第一料流侧上的阳极和在第二料流侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极被膜分离且分别与所述膜接触。在一实施例中，阳极和阴极被膜分离并且都暴露于还原环境。

在一实施例中，阳极包括掺杂或未掺杂的二氧化铈以及选自由以下组成的组的材料：Cu、CuO、Cu

在一实施例中，反应器不包括互连件。在一实施例中，反应器不发电且不需要电力来操作。在一实施例中，第一料流的温度不低于700℃或不低于800℃或不低于900℃。

电化学反应器

与传统实践相反，已经发现了一种电化学反应器，所述电化学反应器包括离子导电膜，其中所述反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。这与通过化学途径的水煤气变换反应不同，因为化学水煤气变换反应涉及反应物的直接组合。

在一实施例中，反应器包括多孔电极，所述多孔电极包括金属相和陶瓷相，其中金属相是电子导电的，并且其中陶瓷相是离子导电的。在各个实施例中，电极没有附接到其的集电器。在各个实施例中，反应器不含任何集电器。显然，这种反应器与任何电解装置或燃料电池都有根本的不同。

在一实施例中，反应器中的电极之一是阳极，其被配置成暴露于还原环境，同时电化学地进行氧化反应。在各个实施例中，电极包括Ni或NiO以及选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CoCGO、CGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合。

在反应器中发生的电化学水煤气变换反应包括电化学半电池反应，其中所述半电池反应为：

a)

b)

在各个实施例中，半电池反应发生在三相边界处，其中三相边界是孔与电子导电相和离子导电相的交叉点。此外，反应器还能够进行化学水煤气变换反应。

在各个实施例中，离子导电膜传导质子或氧化物离子。在各个实施例中，离子导电膜包括固体氧化物。在各个实施例中，离子导电膜对流体流动是不可渗透的。在各个实施例中，离子导电膜还传导电子，并且其中反应器不包括互连件。

在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。

本文还讨论了一种反应器，所述反应器包括双功能层和混合导电膜；其中双功能层和混合导电膜彼此接触，并且其中双功能层催化反向水煤气变换(RWGS)反应并在电化学反应中充当阳极。在一实施例中，作为阳极的双功能层暴露于还原环境，并且在双功能层中发生的电化学反应是氧化。在一实施例中，没有集电器附接到双功能层。在一实施例中，双功能层包括Ni或NiO以及选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CoCGO、CGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合。

在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。

这种反应器具有各种应用。在一实施例中，反应器用于通过二氧化碳的加氢来产生一氧化碳。在另一实施例中，反应器用于通过将H

图1展示了根据本公开的实施例的电化学反应器或电化学(EC)气体发生器100。EC气体发生器装置100包括第一电极101、膜103、第二电极102。第一电极101(也称为阳极或双功能层)被配置成收纳燃料104。料流104不含氧气。第二电极102被配置成收纳水(例如，蒸汽)，如105所指示的。

在一实施例中，装置100被配置成收纳CO，即一氧化碳(104)并在第一电极(101)处生成CO/CO

在一实施例中，装置100被配置成同时从第二电极102产生氢气107并从第一电极101产生合成气106。在一实施例中，104表示进入装置100的甲烷和水或甲烷和二氧化碳。在另一实施例中，104表示甲烷。在其它实施例中，103表示氧化物离子导电膜。箭头104表示烃和水或烃和二氧化碳的流入。箭头105表示水或水和氢气的流入。在一些实施例中，电极101包括Cu-CGO，或另外任选地包括CuO或Cu

箭头104表示烃的流入，其中几乎没有水，没有二氧化碳，并且没有氧气，并且105表示水或水和氢气的流入。由于水提供了在相对电极处使烃/燃料氧化所需的氧化物离子(通过膜传输)，因此在这种情况下，水被认为是氧化剂。在这些情况下，含有烃的气体适合作为进料流104，并且气体的重整不是必需的。在这些情况下，通过反应器实现电化学重整，其中重整甲烷所需的氧气来源于水的还原，且其跨越膜供应。半电池反应为电化学的且如下：

(在阳极处)

(在阴极处)

在本公开中，没有氧气意味着在第一电极101处不存在氧气，或者至少没有足够的氧气干扰反应。而且，在本公开中，仅水意味着预期的原料是水，并且不排除水中的微量元素或固有组分。例如，含有盐或离子的水被认为仅在水的范围内。仅水也不需要100％的纯水，而是包含此实施例。在实施例中，从第二电极102产生的氢气是纯氢气，这意味着在从第二电极产生的气相中，氢气是主要组分。在一些情况下，氢气含量不少于99.5％。在一些情况下，氢气含量不少于99.9％。在一些情况下，从第二电极产生的氢气的纯度与从电解水产生的氢气的纯度相同。

在一实施例中，第一电极101被配置成收纳甲烷或甲烷和水或甲烷和二氧化碳。在一实施例中，燃料包括碳数在1-12、1-10或1-8的范围内的烃。最优选地，燃料是甲烷或天然气，其主要是甲烷。在一实施例中，装置不发电并且不是燃料电池。

在各个实施例中，装置不含集电器。在一实施例中，装置不包括互连件。不需要电力，并且这种装置不是电解槽。这是本公开的EC反应器的主要优点。膜103被配置成传导电子，并且如此是混合传导的，即电子导电和离子导电两者。在一实施例中，膜103传导氧化物离子和电子。在一实施例中，电极101、102和膜103是管状的(例如参见图2A和2B)。在一实施例中，电极101、102和膜103是平面的。在这些实施例中，阳极和阴极处的电化学反应是自发的，而不需要向反应器施加电势/电。

在一实施例中，电化学反应器(或EC气体发生器)是包括第一电极、第二电极和电极之间的膜的装置，其中第一电极和第二电极包括在使用装置时不含铂族金属的金属相，并且其中膜是氧化物离子导电的。在一实施例中，第一电极被配置成收纳燃料。在一实施例中，所述燃料包括烃或氢气或一氧化碳或其组合。在一实施例中，第二电极被配置成收纳水和氢气，并且被配置成将水还原为氢气。在各个实施例中，这种还原以电化学方式进行。

在一实施例中，膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。

图2A展示了(未按比例)根据本公开的实施例的管状电化学(EC)反应器或EC气体发生器200。管状发生器200分别包含内部管状结构202、外部管状结构204以及安置在内部管状结构202与外部管状结构204之间的膜206。管状发生器200进一步包含用于流体通道的空隙空间208。图2B展示了(未按比例)根据本公开的实施例的管状发生器200的横截面。管状发生器200包含第一内部管状结构202、第二外部管状结构204以及在内部管状结构202与外部管状结构204之间的膜206。管状发生器200进一步包含用于流体通道的空隙空间208。

在一实施例中，电极和膜是管状的，其中第一电极在最外面，并且第二电极在最里面，其中第二电极被配置成收纳水和氢气。在一实施例中，电极和膜是管状的，其中第一电极在最里面，并且第二电极在最外面，其中第二电极被配置成收纳水和氢气。在一实施例中，电极和膜是管状的。

在一实施例中，反应器包括促进化学反向水煤气变换(RWGS)反应的催化剂。在一实施例中，催化剂是高温RWGS催化剂。在一实施例中，催化剂是反应器中阳极的部分。在一实施例中，催化剂被配置成在阳极外部。例如，将Ni-Al

本文讨论了一种产生氢气的方法，其包括：提供具有混合导电膜的电化学(EC)反应器；将包括燃料的第一料流引入到所述反应器；将包括水的第二料流引入到所述反应器；还原第二料流中的水以产生氢气；和将所产生氢气的至少部分再循环到第一料流，其中第一料流和第二料流在反应器中并不彼此接触。

在一实施例中，从水还原为氢气以电化学方式进行。在一实施例中，第二料流中的水为蒸汽。在一实施例中，第一料流和第二料流被所述膜分离。在一实施例中，第二料流包括氢气，并且其中任选地，第一料流包括水、二氧化碳、惰性气体或其组合。在一实施例中，燃料包括烃、一氧化碳、氢气或其组合。在一实施例中，第一料流基本上由烃和再循环氢气组成。

在一实施例中，EC反应器包括在第一料流侧上的阳极和在第二料流侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极被所述膜分离且分别与所述膜接触。在一实施例中，所述阳极和所述阴极被膜分离并且都暴露于还原环境。在一实施例中，阳极和阴极包括Ni或NiO和选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CoCGO、CGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合。在一实施例中，阳极包括掺杂或未掺杂的二氧化铈以及选自由以下组成的组的材料：Cu、CuO、Cu

在一实施例中，所述阳极包括铬酸镧和选自由以下组成的组的材料：掺杂二氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合；其中所述阴极包括Ni或NiO和选自由以下组成的组的材料：YSZ、8YSZ、CoCGO、CGO、SDC、SSZ、LSGM和其组合；并且其中任选地，所述铬酸镧包括未掺杂的铬酸镧、锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合。

在一实施例中，阳极废气的至少一部分用于从水产生蒸汽。在一实施例中，将阳极废气的至少一部分送到碳捕获单元。在一实施例中，方法包括将所产生氢气的至少部分再循环到第二料流。

在一实施例中，所述膜包括电子导电相，所述电子导电相含有掺杂的铬酸镧或电子导电的金属或其组合；并且其中所述膜包括离子导电相，所述离子导电相含有选自由以下组成的组的材料：钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、Sc和Ce掺杂的氧化锆和其组合。在一实施例中，掺杂的铬酸镧包括锶掺杂的铬酸镧、铁掺杂的铬酸镧、锶和铁掺杂的铬酸镧、铬酸镧钙或其组合；并且其中所述导电金属包括Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Co、Ru或其组合。在一实施例中，膜包括钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)。在一实施例中，膜由钆掺杂的二氧化铈(CGO)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)组成。

在一实施例中，膜包括钆或钐掺杂的二氧化铈。在一实施例中，膜由钆或钐掺杂的二氧化铈组成。在一实施例中，膜包括钴CGO(CoCGO)。在一实施例中，膜基本上由CoCGO组成。在一实施例中，膜由CoCGO组成。在一实施例中，膜包括LST(镧掺杂的钛酸锶)-YSZ或LST-SSZ或LST-SCZ(氧化钪-二氧化铈稳定的氧化锆)。在一实施例中，膜基本上由LST-YSZ或LST-SSZ或LST-SCZ组成。在一实施例中，膜由LST-YSZ或LST-SSZ或LST-SCZ组成。在本公开中，LST-YSZ是指LST和YSZ的复合物。在各个实施例中，LST相和YSZ相彼此渗透。在本公开中，LST-SSZ是指LST和SSZ的复合物。在各个实施例中，LST相和SSZ相彼此渗透。在本公开中，LST-SCZ是指LST和SCZ的复合物。在各个实施例中，LST相和SCZ相彼此渗透。YSZ、SSZ和SCZ为稳定的氧化锆的类型。

在一实施例中，膜对于流体流动是不可渗透的。在一实施例中，膜传导质子或氧化物离子。在一实施例中，膜还传导电子，并且其中反应器不包括互连件。在一实施例中，所述反应器不发电且不需要电力来操作。在一实施例中，第一料流的温度不低于700℃或不低于800℃或不低于900℃。

氢气产生系统和方法

如图3中所展示，示出了集成氢气产生系统300。系统300包括电化学(EC)反应器或气体发生器320和脱水器330。将进料流321送到EC反应器的阳极，其中进料流包括燃料。燃料可为烃、CO、H

在一些情况下，将第二产物料流324送到脱水器以将水与氢气分离。收集氢气作为料流325，将其一部分(料流326)再循环到用于阳极的进料流321。当进料流321主要包括烃时，再循环氢气料流尤其有利。在这些情境中，烃在还原环境中在阳极侧上直接氧化，且氢气在阴极侧上从水产生。在进料流321中不存在相当大量的CO

在一实施例中，进入EC反应器的蒸汽的温度不低于600℃，或不低于700℃，或不低于800℃，或不低于850℃，或不低于900℃，或不低于950℃，或不低于1000℃，或不低于1100℃。在一实施例中，进入电化学反应器的蒸汽的压力不大于10psi，或不大于5psi，或不大于3psi。

因此，氢气经由包括以下的方法产生：将蒸汽和燃料引入到电化学(EC)反应器中，其中燃料和蒸汽在EC反应器中并不彼此接触。EC反应器包括离子导电膜，其中反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。此外，膜将燃料与蒸汽分离。在各个实施例中，燃料侧与蒸汽侧之间的压差不大于2psi，或不大于1.5psi，或不大于1psi。

在各个实施例中，EC反应器使燃料在还原环境中氧化并生成包括CO和CO

本文公开了一种方法，其包括：提供包括第一电极、第二电极和电极之间的膜的装置；将第一料流引入到第一电极；将第二料流引入到第二电极；从第二电极提取氢气，其中第一电极和第二电极包括在使用所述装置时不含铂族金属的金属相。在一实施例中，膜是氧化物离子导电的。

在一实施例中，装置在不低于500℃，或不低于600℃，或不低于700℃，或不低于750℃，或不低于800℃，或不低于850℃，或不低于900℃，或不低于950℃或不低于1000℃的温度下操作。在各个实施例中，第一电极与第二电极之间的压差不大于2psi，或不大于1.5psi，或不大于1psi。在一实施例中，第一料流在不大于10psi、或不大于5psi或不大于3psi的压力下进入装置。在一实施例中，第二料流在不大于10psi、或不大于5psi或不大于3psi的压力下进入装置。

在一实施例中，第一料流包括燃料。在一实施例中，所述燃料包括烃或氢气或一氧化碳或其组合。在一实施例中，第一料流被直接引入到第一电极或者第二料流被直接引入到第二电极或两者。在一实施例中，方法包括在第一电极上游提供重整器或催化部分氧化(CPOX)反应器，其中第一料流在被引入到第一电极之前穿过重整器或CPOX反应器，其中第一电极包括Ni或NiO。在一实施例中，重整器是蒸汽重整器或自热重整器。

在一实施例中，第二料流由水和氢气组成。在一实施例中，所述第一料流包括一氧化碳并且不包括显著量的氢气或烃或水。在此类情况下，不需要上游重整器。在本公开中，没有显著量的氢气或烃或水意味着氢气或烃或水的体积含量不大于5％，或不大于3％，或不大于2％，或不大于1％，或不大于0.5％，或不大于0.1％，或不大于0.05％。在一实施例中，第一料流包括合成气(CO和H

在一实施例中，方法包括在以下之一中使用所提取的氢气：费舍尔-托普希(FT)反应、干重整反应、镍催化的萨巴捷反应(Sabatier reaction)、博施反应(Bosch reaction)、反向水煤气变换反应、产生电的电化学反应、氨的产生、肥料的产生、用于氢气储存的电化学压缩机、为氢气运载工具提供燃料或加氢反应或其组合。

本文公开了一种产生氢气的方法，其包括：提供电化学反应器；将包括燃料的第一料流引入到装置；将包括水的第二料流引入到所述装置；将第二料流中的水还原为氢气；和从装置中提取氢气，其中第一料流和第二料流在装置中不彼此接触。在各个实施例中，从水还原为氢气以电化学方式进行。在一实施例中，第一料流不与氢气接触。在一实施例中，第一料流和第二料流通过装置中的膜分离。

在一实施例中，燃料包括烃或氢气或一氧化碳或其组合。在一实施例中，第二料流包括氢气。在一实施例中，第一料流包括燃料。在一实施例中，燃料由一氧化碳组成。在一实施例中，第一料流由一氧化碳和二氧化碳组成。在一实施例中，第二料流由水和氢气组成。在一实施例中，第二料流由蒸汽和氢气组成。

应当理解，本公开描述了用于实施本发明的不同特征、结构或功能的示例性实施例。描述组件、布置和配置的示例性实施例以简化本公开；然而，这些示例性实施例仅作为实例提供，并不旨在限制本发明的范围。除非另有规定，否则如本文所呈现的实施例可以组合。此类组合并不脱离本公开的范围。

另外，在整个说明书和权利要求中使用某些术语来指代特定的组件或步骤。如本领域技术人员所理解的，各种实体可以用不同的名称来指代相同的组件或工艺步骤，并且如此，本文所描述的元件的命名约定并不旨在限制本发明的范围。进一步地，本文所使用的术语和命名约定并不旨在区分名称不同但功能不同的组件、特征和/或步骤。

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