專利名稱：采用等離子體系統(tǒng)生產(chǎn)分子氫的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分子氫的生成。更具體地說，本發(fā)明涉及采用低溫等
離子體轉(zhuǎn)化器(reformer)生成分子氫的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
使用燃料電池作為以一種高效而環(huán)保的安全方式發(fā)電的手段已 經(jīng)得到越來越廣泛的運(yùn)用。燃料電池作為固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的電源 正在贏得廣泛的接受。大多數(shù)的燃料電池需要分子氫作為燃料源。由 于分子氫不是自然資源，因此一般是從含有氫的一種或更多種化合物 中產(chǎn)生而來。例如，可以通過碳?xì)浠衔锏恼魵廪D(zhuǎn)化而產(chǎn)生分子氫。 在轉(zhuǎn)化過程中，除了產(chǎn)生需要的分子氫，還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。提供給 燃料電池的一氧化碳可能會(huì)通過阻止活性燃料電池觸媒產(chǎn)生作用和/ 或阻止燃料電池中碳的形成，導(dǎo)致燃料電池失效。因此，所產(chǎn)生的氣 流一般會(huì)經(jīng)過處理，以減少氣流中一氧化碳的含量，從而使該氣流適 合在一些燃料電池中使用。
碳?xì)浠衔锏恼魵廪D(zhuǎn)化過程是吸熱過程。因此，必須利用熱量源 來啟動(dòng)和/或運(yùn)行該蒸氣轉(zhuǎn)化過程。為了加熱反應(yīng)器來產(chǎn)生足夠溫度 以利用蒸氣甲烷轉(zhuǎn)化處理產(chǎn)生分子氫所需的處理設(shè)備和/或時(shí)間不能 使碳?xì)浠衔锏恼魵廪D(zhuǎn)化滿足快速啟動(dòng)、密集、便攜式應(yīng)用的需求。
Daniel等申請的專利號為6976353的美國專利；Ciray等申請的 專利號為6903259的美國專利；Kong等申請的專利號為6804950的 美國專利；Bromberg等申請的專利號為6793899的美國專利；Voecks 等申請的申請?zhí)枮?007/0059235的美國專利申請公開；Voecks等申 請的申請?zhí)枮?004/0206618的美國專利申請公開；及Fletcher申請的 申請?zhí)枮?004/0148860的美國專利申請公開描述了使用等離子體轉(zhuǎn)化碳?xì)浠衔锖?或氣態(tài)碳?xì)浠衔铩?br> 由于分子氫是一種可生產(chǎn)資源，而且如原油等氫資源正在逐漸減 少，從可替代資源的供給產(chǎn)生燃料電池的分子氫的經(jīng)濟(jì)而有效的方法 和系統(tǒng)令人期盼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供從低溫等離子體轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)和方法。 在一些實(shí)施方案中，生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)包括等離子體轉(zhuǎn)化器。等 離子體轉(zhuǎn)化器可以接收液體供應(yīng)源，并從該液體供應(yīng)源產(chǎn)生氣流。等
離子體轉(zhuǎn)化器可以產(chǎn)生最高溫度約40(TC的等離子體。在一些實(shí)施方 案中，等離子體轉(zhuǎn)化器的壓力為約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間。 所述氣流可以包括分子氫和碳氧化物。
在一些實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器與變電吸附分離系統(tǒng)流體連 通。變電吸附分離系統(tǒng)可以至少清除氣流中的一部分碳氧化物，以便 產(chǎn)生與進(jìn)入該變電吸附系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
在一些實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器與膜分離系統(tǒng)流體連通。膜 分離系統(tǒng)配置為分離該氣流中的至少 一部分碳氧化物，以便產(chǎn)生與進(jìn) 入該膜分離系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
在一些實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器包括水煤氣變換觸媒。水煤 氣變換觸媒可以與氣流接觸并至少將一部分一氧化碳轉(zhuǎn)換為二氧化 碳。
在一些實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器與一燃料電池連接。在一替 換實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器與一分離系統(tǒng)連接，該分離系統(tǒng)與燃 料電池連接。
本文中還說明了釆用上述系統(tǒng)來生產(chǎn)分子氫的方法。在一些實(shí)施 方案中，生產(chǎn)分子氫的方法可以包括為等離子體轉(zhuǎn)化器提供液體供應(yīng) 源。在等離子體轉(zhuǎn)化器中，液體供應(yīng)源可以被轉(zhuǎn)換成包含分子氫的氣 流。在一些實(shí)施方案中，該氣流包括一氧化碳和/或二氧化碳。該氣流可以被提供給一個(gè)或更多個(gè)燃料電池。在一些實(shí)施方案中，該氣流 被提供給分離系統(tǒng)。分離系統(tǒng)可以將分子氫與氣流中的其它成分分 離，以形成分子氫流。該分子氫流可以被提供給一個(gè)或更多個(gè)燃料電 池。
在一些實(shí)施方案中，氣流與水煤氣變換觸媒接觸。氣流與水煤氣 變換觸媒的接觸可以將氣流中的 一部分一氧化碳轉(zhuǎn)換為與和水煤氣 變換觸媒接觸之前的氣流相比富含分子氫的氣流?？梢栽谝环蛛x系統(tǒng) 中將這種富含分子氫的氣流進(jìn)行分離，以提供給一個(gè)或更多個(gè)燃料電 池。


通過以下對依照本發(fā)明的示例性優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明并結(jié) 合附圖，將會(huì)更充分地理解本發(fā)明的方法和設(shè)備的特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖l圖示了等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的實(shí)施方式；
圖2圖示了等離子體轉(zhuǎn)化器中電極配置的實(shí)施方式；
圖3A和圖3B圖示了包含介電壁壘的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式。
圖4圖示了包含一個(gè)或更多個(gè)尖頭加長部件的電極的實(shí)施方式； 圖5圖示了包含一個(gè)或更多個(gè)凸出加長部件的電極的實(shí)施方式的 仰視圖6圖示了包含開口的電極的實(shí)施方式； 圖7圖示了電極實(shí)施方式的俯視圖； 圖8圖示了流體通過等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式示意圖； 圖9圖示了包含觸媒的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的實(shí)施方式； 圖10圖示了包含觸媒區(qū)域的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式； 圖ll圖示了內(nèi)部具有膜分離系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式； 圖12圖示了具有與等離子體轉(zhuǎn)化器連接的膜分離系統(tǒng)的等離子 體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式；圖13圖示了具有變電吸附系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式； 圖14圖示了包含觸媒系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí) 施方式；
圖15圖示了包含觸媒和膜分離系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方
式；
圖16圖示了包含觸媒和變電吸附系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施 方式；
圖17圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)和燃料電池的系統(tǒng)； 圖18圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)以及燃料電池
的系統(tǒng)；
圖19圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器、觸媒系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)和燃料 電池的生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方式；
圖20圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器、變電吸附分離系統(tǒng)和燃料電池 的生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方式；
圖21圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器、觸媒系統(tǒng)、變電吸附分離系統(tǒng) 和燃料電池的生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方式；
圖22圖示了包含等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)和燃料電池的系統(tǒng)。
本發(fā)明具有各種修改和替換的形式，其具體實(shí)施方案將結(jié)合附圖 在此舉例詳細(xì)說明。附圖所示的比例可能與實(shí)際的不一樣。應(yīng)當(dāng)理解, 附圖及對其詳細(xì)說明并非要將本發(fā)明限制為所公開的特定形式，相 反，本發(fā)明旨在涵蓋落入如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神與范圍 之內(nèi)的所有修改、等同和替代方式。
具體實(shí)施例方式
下面將描述采用低溫等離子體轉(zhuǎn)化器制造和使用從液體供應(yīng)源 產(chǎn)生的分子氫的方法和系統(tǒng)。在此使用的術(shù)語列表如下。 "碳氧化物"是指一氧化碳和/或二氧化碳。"燃料電池"是指一種將反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)設(shè)備。燃料電池包括，但不限于，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEM)、堿性燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池或者固體氧化物燃料電池。
"氣體"是指一種或更多種在0.101MPa和25'C時(shí)不凝結(jié)的化合物。
"液體"是指一種或更多種在0.101MPa和25'C時(shí)凝結(jié)的化合物。"低溫等離子體"是指最高在約40(TC的溫度生成的等離子體。"分子氫"是指H2。
"含氧碳?xì)浠衔?是一種或更多種在其組分中含碳、氫、氧的化合物。含氧碳?xì)浠衔锇幌抻?，醇?例如，甲醇和/或乙醇)、醛類、酮類、羧酸、過氧化物、酯類或者它們的混合物。
"元素周期表"是指由國際理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)于2007年6月定義的元素周期表。
或遙遠(yuǎn)地區(qū)供電。為1KW至10KW、 2KW至8KW或者3KW至5KW的
應(yīng)用產(chǎn)生電能的燃料電池可用于為世界的孤立和/或遙遠(yuǎn)地區(qū)供電。
為1KW至10KW的應(yīng)用產(chǎn)生電能的燃料電池可以為緊湊型。另外，
1KW至10KW的燃料電池可用于在發(fā)生電源故障時(shí)為工業(yè)和/或住宅
應(yīng)用供電。例如，提供1KW至10KW電能的燃料電池可用于在停電期
間為醫(yī)院中使用的各種設(shè)備供能。
可以不斷地將氣體燃料(如H2)提供給燃料電池的陽極(負(fù)電極)
室，并不斷地將氧化劑(如含有空氣的氧)提供給陰極(正電極)室，
以進(jìn)行發(fā)電。在電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生電流。當(dāng)使用分子氫作
為燃料氣時(shí)，燃料電池中的反應(yīng)如下所示H2 + 02 — e_ + H2O
燃料電池與普通電池不同，因?yàn)橹灰獮殡姌O提供燃料和 化劑，燃料電池就能夠產(chǎn)生電能。由于作為燃料來源的碳?xì)浠衔锏墓?yīng)減少，液態(tài)含氧碳?xì)浠衔?例如，醇類)作為燃料源的使用增多。具有高體積能量密度的生物衍生可再生液體燃料是一種合適的可替代供應(yīng)源。例如，從自然資源如糖、纖維素，或碳水化合物中提取的液態(tài)含氧碳?xì)浠衔镆驯话l(fā)現(xiàn)適合作為燃料源。可再生液體燃料可以不需要專門制造的容器來運(yùn)輸。例如，液態(tài)含氧碳?xì)浠衔镉捎谠谶\(yùn)輸過程中不需要加壓容器，因此它比氣態(tài)碳?xì)浠衔锔踩腋菀走\(yùn)輸至世界的孤立和/或遙遠(yuǎn)地區(qū)。另外，液態(tài)含氧碳?xì)浠衔镒鳛橐环N燃料源，可以比目前從原油生產(chǎn)的碳?xì)浠衔锔菀撰@取。例如，對于世界的一些地區(qū)，從甘蔗生產(chǎn)乙醇可能比由構(gòu)成生產(chǎn)碳?xì)浠衔锔菀住?br> 液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锟梢蕴峁└邼舛鹊姆肿託?。例如，在水環(huán)境下轉(zhuǎn)化乙醇以產(chǎn)生一氧化碳和分子氫，如下所示
C2H5OH + H20 — 2CO + 4H2Af = +260 kJ mol1
由于該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)(生成正的熱能)，醇類和/或碳?xì)浠衔锏霓D(zhuǎn)化過程一般在約70(TC至約100(TC的溫度范圍進(jìn)行。另外，該轉(zhuǎn)
化反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳。 一些燃料電池會(huì)由于一氧化碳變得沒有抵抗性和/或被毒化。例如，PEM燃料電池釆用會(huì)被一氧化碳毒化的鉑膜。
可以釆用如下水煤氣變換反應(yīng)來將一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳和分子氫
CO + H20 4 C02 + H2 Af = -41.7 kJ mol1
該轉(zhuǎn)化反應(yīng)的吸熱特征以及將該一氧化碳從在燃料電池中使用的分子氫中分離和/或轉(zhuǎn)換的需要使得使用傳統(tǒng)的含氧碳?xì)浠衔锏霓D(zhuǎn)化過程來生成作為燃料電池燃料的分子氫的方法遜色。
在一些實(shí)施方案中，低溫等離子體用于在不需要太多熱量的情況下將液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锖?或液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锖吞細(xì)浠衔锏幕旌衔镛D(zhuǎn)換成氣流，該氣流包括，但不限于，分子氫、 一氧化碳和包含至多3個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔铩Ｔ谝恍?shí)施方案中，液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锖退幕旌衔锟梢杂米鞴?yīng)源提供給等離子體轉(zhuǎn)化器。液態(tài)含
氧碳?xì)浠衔锱c水的比例可以為約5:1，約4:1至約3:1，或者約2:1。在一些實(shí)施方案中，水與液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锏谋壤s為l:l、 2:1、 3:1、10:1， 30:1或50:1。
低溫等離子體可以由以下器件產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器、脈沖電暈放電型等離子體發(fā)生器、無聲放電等離子體發(fā)生器、射頻發(fā)生器、微波發(fā)生器，或者其組合。在一些實(shí)施方案中，等離子體由脈沖交流電(AC)或者脈沖直流電(DC)產(chǎn)生。這類等離子體產(chǎn)生方法不需要電弧來產(chǎn)生等離子體。采用無弧技術(shù)產(chǎn)生的等離子體可以阻止不希望的產(chǎn)品的形成，例如，焦炭和/或具有至少3個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔铩?br> 圖l描述了等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的實(shí)施方案。如圖1所示，等離子體轉(zhuǎn)化器100包括電極102、電極104和端口106、 106，。如圖所示，電極102包括一個(gè)或更多個(gè)加長部件108。在一個(gè)替換實(shí)施方案中，電極102和/或電極104包括一個(gè)或更多個(gè)加長部件108。電極102和電極104形成產(chǎn)生等離子體的電路。在一些實(shí)施方案中，電極102為該電路的陽極，電極104為該電路的陰極。在另外一些實(shí)施方案中，電極104為該電路的陽極，電極102為該電路的陰極。圖2描述了等離子體轉(zhuǎn)化器的電極構(gòu)造的替換實(shí)施方案。如圖2所示，電極102和104是彼此相對放置的單電極。
放置電極102和電極104以形成間隙110。間隙110的高度范圍可以為約1毫米至約100毫米，約5毫米至約80亳米或約10亳米至約50亳米。在一些實(shí)施方案中，間隙110的高度至多約為20毫米。間隙110應(yīng)該有足夠的尺寸以保持從液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锷煞肿託涞牡入x子體。應(yīng)當(dāng)理解，電極102相對于電極104的方向(見圖1至4)可以是足以保持間隙110中的等離子體的任何方向。
在一些實(shí)施方案中， 一個(gè)或更多個(gè)電極可以包含一個(gè)或更多個(gè)介電壁壘。圖3A和3B描述包含介電壁壘的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案。 如圖3A所示，介電壁壘112和112'可以與電極104的外表面相連。介電 壁壘112和112，可以通過對電極104表面以一種或更多種導(dǎo)電材料金 屬化而形成。間隙110形成于介電壁壘112、 112'與電極102之間。形 成介電壁壘112和112，的材料包括，但不限于，高介電常數(shù)的陶瓷材 料和/或鈦。圖3B描述具有一個(gè)介電壁壘的等離子體轉(zhuǎn)化器100。使用 介電壁壘可增加等離子體的活化能。增強(qiáng)的活化能幫助促進(jìn)轉(zhuǎn)化反應(yīng) 的完成，因此供應(yīng)源的每克形成更多的氫。
電極102和電極104可以由以下材料制得不銹鋼、碳、或者足以 產(chǎn)生等離子體的、適于傳遞電荷的任意材料。電極102和電極104的大 小應(yīng)該足以產(chǎn)生和保持間隙110中的等離子體。電極102被配置為允許 電流從該電極的頂部流入，并流出該電極的底部。圖4描述一電極的 實(shí)施方案，該電極包括一個(gè)或更多個(gè)尖頭加長部件。圖5描述一電極 實(shí)施方案的仰視圖，該電極包含一個(gè)或更多個(gè)凸出加長部件。如圖4 所示，加長部件108具有尖頭端。加長部件108的底端為圖5所示的凸 出狀。凸出端或圓端可以使得電極102受到最少的腐蝕和/或點(diǎn)蝕。在 等離子體產(chǎn)生過程中的放電會(huì)導(dǎo)致電極表面的腐蝕和/或點(diǎn)蝕。電極 102底端的形狀可以為適于保持間隙110中等離子體和/或阻止電極污 垢產(chǎn)生的任意尺寸。加長部件108可以為中空的，以便讓流體流進(jìn)間 隙IIO?？梢岳帽绢I(lǐng)域中已知的技術(shù)(如膠合、焊接，熔接或者其 結(jié)合)將加長部件108附加到支承體116上。加長部件108和支承體116 可以由一種材料形成。電極102可以包括約1個(gè)至約100個(gè)、約2個(gè)至約 50個(gè)，或約3個(gè)至約20個(gè)加長部件。
在一些實(shí)施方案中，電極可以包括位于其一個(gè)或更多個(gè)表面的開 口。例如，電極的側(cè)面可以包括開口和/或電極的支承體可以包括開 口。電極上開口的形狀可以為任意形狀(如橢圓、球面、矩形，多邊 形或其結(jié)合)。在另一些實(shí)施方案中，電極的表面可以具有凹槽。在等離子體產(chǎn)生的過程中，電極上的開口可以讓流體的分流流進(jìn)該間 隙。例如，液體供應(yīng)源可以通過其中一個(gè)電極進(jìn)入該間隙，氣體可以 通過相對設(shè)置的電極的開口流出。圖6描述包含開口的電極的實(shí)施方
案。如圖6所示，加長部件108包括開口118。支承體116包括進(jìn)口120， 以便讓流體進(jìn)入間隙IIO。在一些實(shí)施方案中，支承體112為一金屬熔 塊。
圖7描述電極104的俯視圖的實(shí)施方案。電極104包括開口118。電 極104可以為足以保持間隙110中的等離子體的任意形狀和/或任意大 小。例如，電極104可以為一金屬熔塊。
如圖1至3和圖8至16所示，電源122為電極102和104提供足夠的電 流，以便在最高約40(TC、最高約300。C或最高約20(TC的溫度生成等 離子體。在一些實(shí)施方案中，該電源可以提供直流電，交流電或直流 電和交流電的混合電流。在一些實(shí)施方案中，等離子體和/或等離子 體轉(zhuǎn)化器100的溫度變化范圍為室溫(25°C )至約40(TC，約50。C至約 300°C，或者約100。C至約20(TC。低溫等離子體的使用實(shí)現(xiàn)該等離子 體系統(tǒng)的"快速啟動(dòng)"，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以不需要相當(dāng)大量的時(shí)間去達(dá) 到要求的溫度，以便生成產(chǎn)生分子氫所必要的熱量。
如圖所示，交流電由電源122提供。AC電源122可以提供電極102 和104之間的脈沖電流，以產(chǎn)生等離子體。在液態(tài)含氧碳?xì)浠衔锝?觸脈沖AC電產(chǎn)生的等離子體時(shí)，脈沖AC電可以阻止液態(tài)含氧碳?xì)浠?合物中碳?xì)浠衔锏男纬伞?br> 由于等離子體在間隙IIO中生成，供應(yīng)源124可以被轉(zhuǎn)換成氣流 126。氣流126可以通過一個(gè)或更多個(gè)端口流出等離子體轉(zhuǎn)化器。氣流 126可以包括，但不限于，分子氫、碳?xì)浠衔?、碳氧化物，水或?混合物。如圖1和8所示，供應(yīng)源124可以通過端口 106和/或端口 106， 進(jìn)入等離子體轉(zhuǎn)化器。如圖1所示，供應(yīng)源124流經(jīng)和/或圍繞電極102 和/或電極104進(jìn)入間隙110。如圖所示，供應(yīng)源124的流道與電極104極104平行的間隙110?？梢岳斫?，該供應(yīng)源可以從任意方向并經(jīng)過 等離子體轉(zhuǎn)化器100中的一個(gè)或更多個(gè)端口流進(jìn)間隙110?？梢允褂帽?領(lǐng)域中已知的任意技術(shù)(如泵吸、噴灑、噴霧或者其結(jié)合)進(jìn)行供應(yīng) 源124至等離子體轉(zhuǎn)化器的傳送。
在一些實(shí)施方案中，電源122和等離子體轉(zhuǎn)化器100與控制器相 連。該控制器可以控制電源122和等離子體轉(zhuǎn)化器100的操作。例如， 該控制器可以控制提供給電極的電流的脈沖間隔和/或提供給等離子 體轉(zhuǎn)化器的供應(yīng)源流。
如圖9、 10、 14至16及19所示，等離子體轉(zhuǎn)化器100可以包括觸媒 系統(tǒng)12S。觸媒系統(tǒng)128可以是水煤氣變換觸媒。觸媒系統(tǒng)128可以包 括，但不限于，元素周期表的第7欄、第10欄和第14欄中的一種或更 多種金屬，和/或一種或更多種第7欄金屬、第10欄金屬和第14欄金屬 的一種或更多種化合物，或它們的混合物。金屬的示例包括，銅、鎳、 錫、鉑、鋅、錸或其混合物。金屬含量的變化范圍可以為每克觸媒約 0.001克至約0.3克、約0.01克至約0.2克，或約0.05克至0.1克金屬。在 一些實(shí)施方案中，觸媒系統(tǒng)128可以包含一種或更多種觸媒。例如， 觸媒系統(tǒng)128可以包括鉑觸媒和錸/鉑觸媒。
在一些實(shí)施方案中，該觸媒為載體觸媒。該載體可以為一種或更 多種礦物氧化物、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鈰或水煤氣變換觸媒的任 意合適載體。金屬可以浸漬在該載體上和/或與載體一起研磨以形成 水煤氣變換觸媒。在一些實(shí)施方案中，該觸媒的表面積范圍可以為約 50m2/g至約500m2/g，約100m2/g至約400m2/g，或約200m2/g至約300m2/g。 在一定的實(shí)施方案中，該觸媒可以為非載體觸媒。
圖9描述等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的實(shí)施方案，該系統(tǒng)包括觸媒系統(tǒng) 128。如圖9所示，觸媒系統(tǒng)128可以位于間隙110附近。液體供應(yīng)源124 (如含水酒精)可以進(jìn)入間隙IIO。間隙110中等離子體的生成可以將液體供應(yīng)源124轉(zhuǎn)換為氣流126。氣流126可以包含氣體和痕量供應(yīng)源。 當(dāng)產(chǎn)生氣流126時(shí)，該氣流可以與觸媒系統(tǒng)128接觸。當(dāng)存在液體供應(yīng) 源124時(shí)氣流126與觸媒系統(tǒng)128的接觸可以使得氣流126中的一氧化 碳被轉(zhuǎn)換成二氧化碳和分子氫，以形成相比與該觸媒系統(tǒng)相接觸之前 的氣流來說富含分子氫的氣流130。富含分子氫的流130可以包括，但 不限于，分子氫、二氧化碳、碳?xì)浠衔?，和少量液體供應(yīng)源或其混 合物。在一些實(shí)施方案中，觸媒系統(tǒng)128位于床中，且轉(zhuǎn)化液態(tài)含氧 碳?xì)浠衔锼a(chǎn)生的氣流經(jīng)過該觸媒床。在一些實(shí)施方案中，觸媒系 統(tǒng)128包括疊床配置中的一種或更多種觸媒。
等離子體轉(zhuǎn)化器100中的溫度范圍可以為約25°C至約400°C ,約 500。C至約30(TC,或者約100'C至約20(TC。等離子體轉(zhuǎn)化器100中的 等離子體的溫度最高可以為約400'C、約30(TC或約20(TC。
相比之下，對于一些需要大氣壓和/或低于大氣壓的壓力來維持 等離子體的等離子體生成器而言，等離子體轉(zhuǎn)化器在維持等離子體時(shí) 可以在比大氣壓更高的氣壓下進(jìn)行搡作。等離子體轉(zhuǎn)化器100中的壓 力范圍可以為約0.3atm至約5atm，約0.5atm至約2atm，或約latm至約 3atm。在加壓的條件下操作等離子體轉(zhuǎn)化器100可以使得生成分子氫
時(shí)產(chǎn)生很少甚至幾乎不產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖?或一氧化碳。
在一些實(shí)施方案中，等離子體轉(zhuǎn)化器100的一部分或更多個(gè)部分 是絕緣的。等離子體轉(zhuǎn)化器100的絕緣部分可以使得在等離子體轉(zhuǎn)化 器中產(chǎn)生很少甚至幾乎不產(chǎn)生一氧化碳、且不產(chǎn)生焦炭和/或不希望 的碳?xì)浠衔锏那闆r下生成分子氫的效率更高。
圖10描述等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案，該轉(zhuǎn)化器包括觸媒區(qū)域和 等離子體區(qū)域。如圖10所示，觸媒系統(tǒng)128設(shè)置于位于等離子體區(qū)域 136附近的觸媒區(qū)域134中。觸媒區(qū)域134可以通過膜和/或其它透氣材 料與等離子體區(qū)域136分隔開來。在一些實(shí)施方案中，觸媒區(qū)域134 與等離子體轉(zhuǎn)化器100相連接。觸媒區(qū)域134與等離子體區(qū)域136的分離可以使得每個(gè)區(qū)域中的反應(yīng)條件可以變化。在一些實(shí)施方案中，觸
媒區(qū)域134可以包括一種或更多種觸媒。例如，觸媒區(qū)域134可以為疊 床反應(yīng)器。氣流126先與第一種觸媒(如鉑觸媒)再與第二種觸媒(如 錸/鉑觸媒)的接觸可以阻止在水煤氣變換反應(yīng)過程中生成碳?xì)浠?物。阻止生成碳?xì)浠衔锟梢源龠M(jìn)由液體供應(yīng)源生成分子氫。
等離子體區(qū)域136中的溫度范圍為約25'C至約40(TC，約5(TC至約 300°C，或約10(TC至約200'C。等離子體轉(zhuǎn)化器100中等離子體的溫度 最高可以為約40(TC、約300'C或約20(TC。等離子體區(qū)域136中的壓力 范圍可以為約0.3atm至約5atm，約0.5atm至約3atm,或約latm至約 2atm。在一些實(shí)施方案中，等離子體區(qū)域136的一部分或更多個(gè)部分 是絕緣的。
觸媒區(qū)域134可以在與等離子體區(qū)域136相同或不同的溫度和壓 力下進(jìn)行操作。觸媒區(qū)域134中的溫度為約100'C至約60(TC,約200 。C至約500。C,或者約30(TC至約40(TC。觸媒區(qū)域134中的壓力范圍可 以為約0.3atm至約10atm,約2atm至約8atm，或約3atm至約5atm。在 一些實(shí)施方案中，觸媒區(qū)域134的一部分或更多個(gè)部分是絕緣的。觸 媒區(qū)域134的絕緣部分可以使得在等離子體區(qū)域136中不產(chǎn)生焦炭和/ 或不希望的碳?xì)浠衔锏那闆r下， 一氧化碳至二氧化碳的轉(zhuǎn)化效率更 高。在一些實(shí)施方案中，觸媒區(qū)域134在與等離子體區(qū)域136中溫度和 /或壓力條件不同的情況下進(jìn)行操作可以使得以盡可能少的副產(chǎn)品更 高效地生成分子氫。
如圖10所示，觸媒區(qū)域134包括進(jìn)口138。進(jìn)口138可以使得液體 流139(例如水)被噴射入觸媒區(qū)域134。在一些實(shí)施方案中，進(jìn)口138 與圖1中所示的端口106相同。水可以促進(jìn)一氧化碳至二氧化碳的轉(zhuǎn) 化?？梢砸源龠M(jìn)存在于觸媒區(qū)域中的氣體中水分的分散的方式將水傳 送至觸媒區(qū)域134。例如，可以將水噴霧、噴灑和/或泵吸到觸媒區(qū)域 134中。氣流126與觸媒系統(tǒng)128的接觸產(chǎn)生相對于與觸媒系統(tǒng)接觸之前的氣流相比富含分子氫的流130。富含分子氫的流130可以從等離子 體轉(zhuǎn)化器中流出并作為能量源使用。
在一些實(shí)施方案中，使氣流126和/或富含分子氫的流130流經(jīng)一 分離系統(tǒng)，該分離系統(tǒng)可以清除氣流中的成分并提高或進(jìn)一步提高與 進(jìn)入該分離系統(tǒng)之前的流相比氣流中分子氫的含量。氣流富含分子氫 可以使分子氫流在需要分子氫作為燃料源的設(shè)備中被用作能量源。例 如，富含分子氫、碳氧化物水平低的流可以用在PEM燃料電池中。如 圖11至16所示，等離子體轉(zhuǎn)化器100包括分離系統(tǒng)140。分離系統(tǒng)140 包括，但不限于，膜系統(tǒng)，變電吸附系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)或其結(jié)合。 分離系統(tǒng)140可以與等離子體轉(zhuǎn)化器100流體連通。在一些實(shí)施方案 中，凈化系統(tǒng)140可以將生成的氣體中的二氧化碳水平降低至每單位 體積氣體中最多約10ppm、約5ppm，或約lppm。
在一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)140為膜系統(tǒng)。該膜系統(tǒng)可以包括 一層或更多層能夠?qū)⒎肿託?、二氧化碳?或碳?xì)浠衔飶臍饬髦蟹?離的薄膜。清除反應(yīng)流中的所選氣體可以使得生成更多分子氫，和/ 或使得更多的 一氧化碳被轉(zhuǎn)化為二氧化碳。薄膜可以由分子氫滲透性 材料和/或分子氫選擇性材料，例如，但不限于，陶瓷、碳、金屬、 粘土或其結(jié)合形成。薄膜可以包含元素周期表第5至10欄中的一種或 更多種金屬和/或一種或更多種元素周期表第5至10欄的金屬的一種 或更多種化合物。金屬的示例包括，但不限于，鈀、鉑、鎳、銀、鉭、 釩、釔和/或鈮?？梢詫⒈∧ぶС性诙嗫谆迳希摱嗫谆謇鐬?氧化鋁、碳，金屬氧化物或其結(jié)合。該支承體可以將薄膜與等離子體 轉(zhuǎn)化器分隔。分隔的距離和該支承體的絕緣性可以利于使該薄膜維持 在所需的溫度范圍內(nèi)。在一定的實(shí)施方案中，薄膜可以由多胺和/或 聚酰胺制成。在一些實(shí)施方案中，薄膜可以為二氧化碳選擇性材料。
圖ll描述內(nèi)部具有膜分離系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器。如圖11所示， 分離系統(tǒng)140位于間隙110附近。在一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)140不斷清除氣流126中的所選氣體，以便生成分子氫流142和碳氧化物流 144。碳氧化物流144可以包括一氧化碳和/或二氧化碳。在一些實(shí)施 方案中，被分離的氣流144包括碳?xì)浠衔餁怏w。泵146可以通過在分 離系統(tǒng)140中產(chǎn)生壓差來協(xié)助從生成的氣流中清除所選氣體。
圖12描述具有膜分離系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案，該膜分 離系統(tǒng)與等離子體轉(zhuǎn)化器連接。如圖12所示，分離系統(tǒng)140位于等離 子體轉(zhuǎn)化器100附近或與其相鄰。氣流126從等離子體轉(zhuǎn)化器100流出 并進(jìn)入分離系統(tǒng)140。在分離系統(tǒng)140中，氣流126中的分子氫被分離， 以形成分子氫流142和被分離的氣流144。分子氫流142可以包含很少 或痕量碳?xì)浠衔锖?或碳氧化物。與進(jìn)入膜分離系統(tǒng)的氣流相比， 分子氫流142可以富含分子氫。分子氫流142可以用作能量源。
在一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)140可以為變電吸附系統(tǒng)。Judkins 等申請的專利號為5972077、 5925168和5912424的美國專利描述了變 電吸附氣體存儲和傳送系統(tǒng)。變電吸附可以通過在吸附材料上吸附所 選氣體將所選氣體(如二氧化碳和/或一氧化碳)與生成的氣流分離。 當(dāng)把電流施加到吸附材料時(shí)，吸附材料可以具有對所選氣體的增強(qiáng)吸 附力。用于變電吸附的吸附材料包括，但不限于，碳、活性碳纖維成 分和/或分子篩。通過施加不同于施加到該材料上原始電壓的電壓可 以將被吸附的氣體清除。施加不同的電壓可以升高材料的溫度，并使 得該氣體從該吸附材料上脫附。在一些實(shí)施方案中，可以改變變電吸 附系統(tǒng)中的壓力以便清除該材料上被吸附的成分。脫附的材料可以被 處理和/或隔離。
圖13描述具有變電吸附系統(tǒng)的等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案。參考 圖13，生成的氣流126從等離子體轉(zhuǎn)化器100流出并進(jìn)入變電吸附分離 系統(tǒng)140，。在變電吸附分離系統(tǒng)140'中，導(dǎo)電吸附材料被來自電源148 的電流激活。氣流126與該導(dǎo)電材料的接觸可以使得分子氫與氣流126 相分離，以形成分子氫流142和被分離的氣流144。分子氫流142可以包含很少量的碳氧化物和/或碳?xì)浠衔?。與進(jìn)入變電吸附系統(tǒng)的氣
流相比，分子氫流142可以富含分子氫。被分離的氣流144可以包含碳
氧化物、碳?xì)浠衔铩⒑跆細(xì)浠衔?、氣化供?yīng)源、水或其混合物。 一些實(shí)施方案中，所希望的是生成的氣流中含有高濃度的分子 氫。水煤氣變換氣體和分離系統(tǒng)的結(jié)合可以產(chǎn)生適于需要高純度和/
或高濃度分子氫的設(shè)備中所使用的分子氫流。圖14至16描述與等離子 體轉(zhuǎn)化器結(jié)合的觸媒系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的實(shí)施方案。
圖14描述等離子體轉(zhuǎn)化器，其包括觸媒系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)。如圖 14所示，觸媒系統(tǒng)128位于間隙110和膜分離系統(tǒng)140附近。氣流126 與觸媒系統(tǒng)128的接觸可以產(chǎn)生與同觸媒接觸之前的氣流相比富含分 子氫的流130。富含分子氫的流130可以進(jìn)入膜分離系統(tǒng)140。在膜分 離系統(tǒng)140中，分子氫可以與該氣流中的其它成分相分離，以形成分 子氫流142和被分離的氣流144。被分離的氣流144可以包含一氧化碳 和/或二氧化碳。被分離的氣流144可以具有與進(jìn)入膜分離系統(tǒng)140的 氣流相比富含分子氫的成分。在一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)140不斷 將所選氣體從氣流126中清除，以生成分子氫流142和被分離的氣體 144。泵146可以通過在分離系統(tǒng)140中產(chǎn)生壓差協(xié)助將所選氣體從生 成的氣流126中清除。
圖15描述等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案，其包括觸媒和與等離子體 轉(zhuǎn)化器連接的膜分離系統(tǒng)。如圖15所示，分離系統(tǒng)140位于等離子體 分離器100附近或與其鄰近。氣流126與觸媒系統(tǒng)128的接觸可以產(chǎn)生 富含分子氫的氣流130。富含分子氫的氣流130可以進(jìn)入膜分離系統(tǒng) 140。該分離系統(tǒng)可以為本文中描述的任意等離子體轉(zhuǎn)化器/膜分離系 統(tǒng)(如，圖ll、 12、 14和15)。在分離系統(tǒng)140中，可以將分子氫與流 中的其它成分分離，以形成分子氫流142和被分離的氣流144。被分離 的氣流144可以包括一氧化碳和/或二氧化碳。 一些實(shí)施方案中，分離 系統(tǒng)140不斷將所選氣體從氣流126中清除，以生成分子氫流142和被分離的氣流144。 一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)包括泵，其用于產(chǎn)生壓 差，以協(xié)助將氣體從等離子體轉(zhuǎn)化器中清除。分子氫流142與進(jìn)入該 膜系統(tǒng)的氣流相比可以富含分子氫。
圖16描述等離子體轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案，其包括觸媒和變電吸附系 統(tǒng)。參考圖16,觸媒系統(tǒng)128位于觸媒區(qū)域134內(nèi)。變電吸附系統(tǒng)位于 等離子體轉(zhuǎn)化器100附近。在等離子體區(qū)域136中由液體供應(yīng)源124生 成的氣體126與觸媒系統(tǒng)128的接觸可以產(chǎn)生與同觸媒系統(tǒng)接觸之前 的氣流相比富含分子氫的流130。富含分子氫的流130可以進(jìn)入分離系 統(tǒng)140，。該分離系統(tǒng)可以為本文中描述的任意等離子體轉(zhuǎn)化器/膜變電 吸附系統(tǒng)(如，圖13)。變電吸附分離系統(tǒng)140'中，導(dǎo)電吸附材料被 來自電源148的電流所激活。富含分子氫的氣流130與導(dǎo)電材料的接觸 可以將二氧化碳從富含分子氫的氣流130中分離出去，以形成分子氫 流142和被分離的氣流144。分子氫流142可以包括極少量的碳氧化物 和/或碳?xì)浠衔?。分子氫?42與進(jìn)入變電吸附系統(tǒng)的氣流相比可以 富含分子氫。 一些實(shí)施方案中，膜分離系統(tǒng)140和變電吸附系統(tǒng)140' 可以串聯(lián)使用。
圖1至16中描述的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)可以用于為燃料電池生成 分子氫(H2 )。圖17描述包含等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)和燃料電池的系統(tǒng)。 等離子體轉(zhuǎn)化器100可以為本文中描述的任意等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng) (如，圖1至3和9至10描述的等離子體轉(zhuǎn)化器)。如圖17所示，液體供 應(yīng)源124進(jìn)入等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100。在等離子體轉(zhuǎn)化器100中，液 體供應(yīng)源124被轉(zhuǎn)換為氣流126。氣流126進(jìn)入燃料電池150。燃料電池 150產(chǎn)生電152和水流154。電152，和水流154，可被回收到等離子體轉(zhuǎn)化 器系統(tǒng)IOO。所產(chǎn)生的電和水的回收可以提高等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的 效率。
氣流126'進(jìn)入存儲單元156。存儲單元156可以包括一個(gè)或更多個(gè) 壓縮機(jī)，以壓縮氣流126'。壓縮機(jī)包括機(jī)械壓縮機(jī)和/或化學(xué)壓縮機(jī)。一些實(shí)施方案中，化學(xué)壓縮機(jī)為金屬氫化物壓縮機(jī)。存儲的氣流158、
158，從存儲單元156中排出，并在需要時(shí)進(jìn)入燃料電池150和/或氣流 126。生成和存儲分子氫的能力可以使得滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)和/或孤立地區(qū) 的能源需求成為可能。
圖18描述用于產(chǎn)生分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方案，其包括等離子體轉(zhuǎn) 化器、膜分離系統(tǒng)和燃料電池。如圖18所示，液體供應(yīng)源124進(jìn)入等 離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)IOO。等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100可以為本文中描述的 任意等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)(如，圖1至3和圖8描述的等離子體轉(zhuǎn)化器 系統(tǒng))。在等離子體轉(zhuǎn)化器100中，液體供應(yīng)源124與等離子體接觸， 以形成氣流126。氣流126從等離子體轉(zhuǎn)化器100排出，并進(jìn)入膜分離 系統(tǒng)140。等離子體轉(zhuǎn)化器-膜分離系統(tǒng)可以為本文中描述的任意系統(tǒng) (如，圖ll、 12、 14和15)。在膜分離系統(tǒng)140中，可以將分子氫從氣 流126中分離，以形成分子氫流142和被分離的氣流144。被分離的氣 流144可以被燃燒、隔離和/或回收到等離子體轉(zhuǎn)化器100。
分子氫流142可以進(jìn)入燃料電池150。分子氫流142，進(jìn)入存儲單元 156。存儲單元156包括一個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)，以壓縮氣流142'。壓縮 機(jī)包括機(jī)械壓縮機(jī)和/或化學(xué)壓縮機(jī)。在一些實(shí)施方案中，化學(xué)壓縮 機(jī)為金屬氫化物壓縮機(jī)。存儲的氣流158、 158'從存儲單元156排出， 并在需要時(shí)進(jìn)入燃料電池150和/或氣流142。
燃料電池150產(chǎn)生電152和水流154。電152，和水流154，可以被回收 到等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)IOO。
圖19描述產(chǎn)生分子氫的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括等離子體轉(zhuǎn)化器、觸媒 系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)和燃料電池。如圖19所示，液體供應(yīng)源124進(jìn)入等 離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)IOO。在等離子體轉(zhuǎn)化器100中，液體供應(yīng)源124與 等離子體接觸以形成氣流。該氣流與本文中前面描述的觸媒系統(tǒng)128 (如圖9和10描述的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng))接觸，以形成與同觸媒系 統(tǒng)接觸之前的氣流相比富含分子氫的氣流130。富含分子氫的氣流130
31進(jìn)入膜分離系統(tǒng)140中。在膜分離系統(tǒng)中，可以將分子氫從富含分子
氫的氣流130中分離，以形成分子氫流142和被分離的氣流144。被分 離的氣流144可以被燃燒、隔離和/或回收到等離子體轉(zhuǎn)化器100。在 一些實(shí)施方案中，膜分離系統(tǒng)位于等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100內(nèi)部(見 圖14)。
分子氫流142可以進(jìn)入燃料電池150。燃料電池150產(chǎn)生電152和水 流154。電152'和水流154'可以被回收到等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100。分 子氫流142，可以進(jìn)入存儲單元156。存儲單元156可以包括一個(gè)或更多 個(gè)壓縮機(jī)，以壓縮分子氫流142'。所存儲的分子氫流158、 158'從存儲 單元156中排出，且在需要時(shí)進(jìn)入燃料電池150和/或分子氫流142。分 子氫流142'可以進(jìn)入存儲單元156。存儲單元156可以包括一個(gè)或更多 個(gè)壓縮機(jī)，以壓縮分子氫流142'。
圖20描述生成分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方案，其包括等離子體轉(zhuǎn)化 器、變電吸附分離系統(tǒng)和燃料電池。如圖20所示，液體供應(yīng)源124進(jìn) 入等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)IOO。等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100可以為本文中描 述的任意等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)(如，圖1至3和圖8描述的等離子體轉(zhuǎn) 化器系統(tǒng))。等離子體轉(zhuǎn)化器100中，液體供應(yīng)源124與等離子體接觸 以形成氣流126。氣流126從等離子體轉(zhuǎn)化器排出并進(jìn)入變電吸附系統(tǒng) 140'。在變電吸附系統(tǒng)140'中，可以將分子氫從氣流126中分離，以形 成分子氫流142和被分離的氣流144。分子氫流142可以進(jìn)入燃料電池 150。燃料電池150產(chǎn)生電152和水流154。電152'和水流154，可以被回 收到等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)IOO。
圖21描述生成分子氫的系統(tǒng)的實(shí)施方案，其包括等離子體轉(zhuǎn)化 器、觸媒系統(tǒng)、變電吸附分離系統(tǒng)和燃料電池。如圖21所示，液體供 應(yīng)源124進(jìn)入等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100。等離子體轉(zhuǎn)化器100中，液體 供應(yīng)源124與等離子體接觸以形成氣流126。氣流126與本文中前文所 述的觸媒系統(tǒng)128(如，圖9和10描述的)接觸，以形成與接觸觸媒系統(tǒng)之前的氣流相比富含分子氫的氣流130。富含分子氫的氣流130進(jìn)入 變電吸附分離系統(tǒng)140'。變電吸附分離系統(tǒng)140，中，可以將分子氫從 富含分子氫的氣流130分離，以形成分子氫流142和被分離的氣流144。 分子氫流142可以進(jìn)入燃料電池150。燃料電池150產(chǎn)生電152和水流 154。電152，和水流154，可以被回收到等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)100。分子 氫流142'可以進(jìn)入存儲單元156。所存儲的分子氫流158、 158'從存儲 單元156中排出，并在需要時(shí)進(jìn)入燃料電池150和/或分子氫流142。
在一些實(shí)施方案中，當(dāng)在固定設(shè)備和/或移動(dòng)設(shè)備中使用從等離 子體轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的分子氫流時(shí)，有必要先對該分子氫流進(jìn)行凈化。 圖22描述包括等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)和燃料電池的系統(tǒng)。如 圖22所示，液體供應(yīng)源124進(jìn)入等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)160。等離子體轉(zhuǎn) 化器160可以為本文中描述的任意等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)和/或與分離 系統(tǒng)結(jié)合的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)(例如，圖9至21描述的系統(tǒng))。在等 離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)160中，液體供應(yīng)源124可以被轉(zhuǎn)換為分子氫流142 和被分離的氣流144。
分子氫流142進(jìn)入凈化系統(tǒng)162。在凈化系統(tǒng)162中，可以將分子 氫流124中的少量和/或痕量二氧化碳和/或水清除，以形成純化的分子 氫流164和碳氧化物/水流166。碳氧化物/水流166可以被燃燒、被隔離 和/或被回收到等離子體轉(zhuǎn)化器160,和/或與被分離的氣流144結(jié)合。
部分或全部的分子氫流164進(jìn)入燃料電池150。燃料電池150產(chǎn)生 電152和水流154。電152，和水流154，可以被回收到等離子體轉(zhuǎn)化器系 統(tǒng)IOO。分子氫流142，和/或純化的分子氫流162'進(jìn)入存儲單元156。存 儲的分子氫流158、 158'從存儲單元156排出，并在需要時(shí)進(jìn)入燃料電 池160和/或分子氫流162。產(chǎn)生和/或存儲分子氫的能力可以使得該燃 料電池能夠在偏遠(yuǎn)地區(qū)和/或停電時(shí)使用。
實(shí)施例
以下說明本文中描述的采用低溫等離子體從液體供應(yīng)源生成分子氫的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例，該實(shí)施例不用于限制本發(fā)明。
^MU.管式反應(yīng)器配置了兩個(gè)垂直方向電極，以及位于兩個(gè) 電極之間l/2英寸的石英管(等離子體生成區(qū)域)。陰極電極(l/4"不
銹鋼管)位于管式反應(yīng)器的底部。該陰極電極包含一個(gè)開口，以便讓
產(chǎn)生的氣體離開該反應(yīng)器。陽極電極(10-l/16英寸不銹鋼針頭)位于
該管式反應(yīng)器的頂部。該陽極電極與一泵相連，該泵向等離子體生成
區(qū)域中提供乙醇水溶液。陽極電極與配置有脈沖信號輸入(HP)的 高電壓放大器(Trek20/20C)相連，陰極電極接地。陽極電極和陰極 電極之間的間隙為15mm。使用IR數(shù)字溫度探針估測出間隙中等離子 體的溫度為260°C至280 °C之間。
表l中列出的觸媒與等離子體區(qū)域比鄰設(shè)置。在一些操作中，如 表l所示，觸媒區(qū)域是絕緣的。在觸媒區(qū)域中的溫度維持在30(TC。如 此處的描述來制備觸媒。
將乙醇的水溶液(35%體積乙醇)以表l中列出的流速提供給等 離子體反應(yīng)器。等離子體在以下條件生成電壓RMS 3.93 kV;電流 RMS 2.25 kV;頻率5.99 kHz;功率RMS 3 W。表1和表2列出通過低 溫等離子體轉(zhuǎn)化乙醇產(chǎn)生的生成物。
Pt/TiO，觸媒.Pt/Ti02觸媒由以下方法制備。在室溫下將Ti02 (DegussaTi02P25, Evonik Degussa，德國)粉末以H2PtCl6溶液浸漬， 持續(xù)12小時(shí)，以形成鉬/氧化鈦混合物。將鉬/氧化鈥混合物在10(TC干 燥，持續(xù)12小時(shí)，然后在40(TC溫度下在空氣中煅燒4小時(shí)。
Re/Pt/TiO,觸媒,Re/Pt/TiO,觸媒由以下方法制各。在室溫下將 Ti02 ( Degussa Ti02 P25, Evonik Degussa,德國)粉末以NH4Re(V溶 液浸漬，持續(xù)1小時(shí)，然后在室溫下以H2PtCl6溶液浸漬，持續(xù)12小時(shí)， 以形成鉑/氧化鈦混合物。將該錸/鉑/氧化鈦混合物在100'C干燥，持 續(xù)12小時(shí)，然后在40(TC溫度下在空氣中煅燒4小時(shí)。
表1觸媒量流速 mL/minH2 體積％C02 體積*CO 體積％CH4 體積％C2Hi 體積X是否絕緣
無87.863.94.96300.370.26
1克1% Pt/Ti0298.470.112,315.50.571.34否
1克1% Pt/Ti02102.574.2204.30.640.79
1克2免 Pt/Ti02111.673.720.63.830.691.10否
1克2% ptmo289.569.821.54.093.21.38是
2克2% Pt/Ti02115.474.721.32.420.60.95底部絕緣
表2
流速 (mL/min)EtOH 轉(zhuǎn)化率 (%)氣體成i& (%)H2C02C2H6CH4CO
1克畫021039474.220.00.790.644.30
0.6克的lwt外 Pt/Re/Ti0210694.472.621.61.2U3.5
0.4克Pt/Ti02與 0,6克Re/Pt/Ti0210996.673.323.61.40.90.8
實(shí)施例2.實(shí)施例l中描述的等離子體轉(zhuǎn)化器在5psig和10psig、無 觸媒的條件下運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)條件、各種壓力和生成產(chǎn)物的結(jié)果在表3中 列出示。
表3
355psiglOpsig
H20/EtQH比例3.243.24
供應(yīng)速率(mmol/mirO1.151.00
電壓RMS(kV)4.054.66
電流RMS(mA)2.202.17
頻率 (kHz)6.546.20
功率RMS(W)2.973.51
總和
H2+CO產(chǎn)量(sccm)139.2131.4
H2選擇性111%120%
CO選擇性82%87%
co2選擇性7%7%
HC選擇性11%6%
轉(zhuǎn)化效率79%82%
COx的選擇性-產(chǎn)物COx的摩爾數(shù)/ (2 x被轉(zhuǎn)化的乙醇的摩爾數(shù)) x 100。
112的選擇性=產(chǎn)物112的摩爾數(shù)/ (3x被轉(zhuǎn)化的乙醇的摩爾數(shù))x
100。
被轉(zhuǎn)化的乙醇為在以下反應(yīng)中的乙醇的摩爾總數(shù) C2H5OH + H20 = 2CO + 4H2 C2H5OH + H2 = 2CH4 + H20 C2H5OH = C2Hx + H20 + yH2
乙醇的摩爾總數(shù)通過摩爾產(chǎn)物CO、 C2Hx和CH4進(jìn)行反演運(yùn)算得 到。CO、 C2Hx和CH4的量用在線氣相色譜法通過絕對校準(zhǔn)進(jìn)行確定。 然后基于以下公式計(jì)算轉(zhuǎn)化
乙醇轉(zhuǎn)化=(被轉(zhuǎn)化的摩爾乙醇)/摩爾乙醇x 100,其中摩爾乙 醇輸入通過乙醇和水的混合物的供應(yīng)速率進(jìn)行計(jì)算。
在本專利中，將一些美國專利和美國專利申請公開通過引述方式 合并于此。但是，僅對這些美國專利和美國專利申請公開的文本以引 述方式并入到與此處闡明的其它陳述和附圖之間沒有抵觸的程度。如 果有這樣的抵觸，那么在以引述方式并入的美國專利和美國專利申請 公開中任何相抵觸的文本特別地不以引述方式合并于本專利中。
鑒于本說明書，本發(fā)明各方面的進(jìn)一步修改和替換實(shí)施方式對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的。相應(yīng)地，本說明書僅構(gòu)成為用于解釋 本專利，并以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明的一般方式為目的。應(yīng) 當(dāng)理解，本文中示出和說明的本發(fā)明中的形式用于作為優(yōu)選實(shí)施方 案。本文中例示和說明的要素和材料可以被替換，部件和處理可以顛 倒，本發(fā)明的某些特征可以單獨(dú)使用，鑒于具有本發(fā)明說明的有益效 果，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都將是明顯的。在不偏離如權(quán)利要求中 所描述的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以改變本文中描述的要素。
權(quán)利要求
1、一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生分子氫的系統(tǒng)，其包括等離子體轉(zhuǎn)化器，被配置為接收液體供應(yīng)源，并從液體供應(yīng)源中產(chǎn)生氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器被配置為在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓的壓力下產(chǎn)生等離子體，并且其中所述氣流包括分子氫。
2、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括液態(tài) 含氧碳?xì)浠衔铩?br> 3、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源為乙醇。
4、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括占該 液體供應(yīng)源總體積的至少5%體積的含氧碳?xì)浠衔铩?br> 5、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括碳?xì)?化合物。
6、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包括 一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極；與所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極相對放置的陰極電極；以及電流源，被配置以為所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極和所述陰極 電極提供電流，以便在所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電 極之間的間隙生成等離子體。
7、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極和所述一個(gè) 或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙范圍為約1毫米至約100亳米。
8、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn) 口和出口 ，該液體供應(yīng)源以與所述陰極電極平行的方向從所述進(jìn)口流 向所述出口。
9、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn) 口和出口，該液體供應(yīng)源在與該陰極電極垂直的方向流動(dòng)。
10、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中所述加長陽極電極中至少一個(gè)的至少一放電端的形狀是凸出的。
11、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該電流為交流電。
12、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該電流為直流電。
13、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多個(gè) 電源，所述電源被配置以為所述等離子體轉(zhuǎn)化器和變電吸附系統(tǒng)提供 電流。
14、 如權(quán)利要求102所述的泉統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述等離子 體轉(zhuǎn)化器連接的燃料電池。
15、 一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生分 子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源提供給等離子體轉(zhuǎn)化器；并且將液體供應(yīng)源與等離子體接觸，以產(chǎn)生包含分子氫和碳氧化物的 氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的總壓力在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè) 大氣壓之間。
16、 如權(quán)利要求116所述的方法，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的總 壓力在約l個(gè)大氣壓至約3個(gè)大氣壓之間。
17、 如權(quán)利要求116所述的方法，其中所述碳氧化物包含一氧化 碳，且所述方法還包括步驟將所述氣流與一種或更多種水煤氣變換
18、 如權(quán)利要求118所述的方法，其中所述一氧化碳與所述水煤 氣變換觸媒接觸的過程將所述一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳。
19、 一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生分 子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源提供給如權(quán)利要求83-96中任 一項(xiàng)所述的等離子體 轉(zhuǎn)化器；將液體供應(yīng)源與等離子體接觸，以產(chǎn)生包含分子氫和碳氧化物的 氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的總壓力在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間。
20、 一種生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)，其包括等離子體轉(zhuǎn)化器，被配置為接收液體供應(yīng)源，并從液體供應(yīng)源中產(chǎn)生氣流，其中所述氣流包含分子氫和碳氧化物；以及變電吸附系統(tǒng)，其與所述等離子體轉(zhuǎn)化器連通，其中所述變電吸 附系統(tǒng)被配置為清除所述氣流中的至少 一部分碳氧化物，以產(chǎn)生與進(jìn) 入所述變電吸附系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
21、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述變電吸 附系統(tǒng)連接的燃料電池。
22、 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述燃料電池為質(zhì)子交換 膜燃料電池。
23、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述變電吸附系統(tǒng)包括對 碳氧化物具有吸附力的導(dǎo)電吸附材料。
24、 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電吸附材料包括一 種或更多種分子篩。
25、 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電吸附材料包括碳。
26、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括液態(tài) 含氧碳?xì)浠衔铩?br> 27、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源為乙醇。
28、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括占該 液體供應(yīng)源總體積的至少5%體積的含氧碳?xì)浠衔铩?br> 29、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括碳?xì)?化合物。
30、 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包括 一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極；與所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極相對放置的陰極電極；以及 電流源，被配置以為所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極和所述陰極電極提供電流，以便在所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙生成等離子體。
31、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙范圍為約1毫米至約100毫米。
32、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn)口和出口 ，該液體供應(yīng)源以與板平行的方向從所述進(jìn)口流向所述出P 。
33、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn)口和出口，該液體供應(yīng)源在與該陰極電極垂直的方向流動(dòng)。
34、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述加長陽極電極中至少一個(gè)的至少一放電端的形狀是凸出的。
35、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中該電流為交流電。
36、 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中該電流為直流電。
37、 如權(quán)利要求l所示的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多個(gè)電源，其被配置以為所述等離子體轉(zhuǎn)化器和變電吸附系統(tǒng)提供電流。
38、 一種釆用變電吸附系統(tǒng)生產(chǎn)包含分子氫的分子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源與等離子體相接觸，以產(chǎn)生氣流，其中該氣流包含分子氫和碳氧化物；并且將至少一部分所述碳氧化物吸附在導(dǎo)電材料上，以產(chǎn)生與進(jìn)入該變電吸附系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
39、 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述碳氧化物包括一氧化碳和二氧化碳。
40、 如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括步驟將至少一部分所述碳氧化物從所述導(dǎo)電材料中脫附。
41、 如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括步驟將至少一部分所述碳氧化物從所述導(dǎo)電材料中脫附并將至少一部分所述碳氧化物提供給所述等離子體轉(zhuǎn)化器以作為熱量源。
42、 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述液體供應(yīng)源包括含氧碳?xì)浠衔铩?br> 43、 如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括步驟將所述富含分子氫的氣流的至少一部分提供給燃料電池。
44、 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述富含分子氫的氣流包括以體積計(jì)至多約50ppm的一氧化碳。
45、 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述等離子體的溫度最高約為400 °C。
46、 一種采用變電吸附系統(tǒng)生產(chǎn)包含分子氫的分子氫的方法，其包括如下步驟將液體供應(yīng)源與如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)接觸，以產(chǎn)生氣流，其中該氣流包含分子氫和碳氧化物；并且將至少一部分所述碳氧化物吸附到導(dǎo)電材料上，以產(chǎn)生與進(jìn)入該變電吸附系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
47、 一種釆用膜分離系統(tǒng)產(chǎn)生分子氫的系統(tǒng)，其包括等離子體轉(zhuǎn)化器，被配置以接收液體供應(yīng)源，并從所述液體供應(yīng)源產(chǎn)生氣流，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器被配置以產(chǎn)生最高溫度約為400'C的等離子體，所述氣流包含分子氫和碳氧化物；以及膜分離系統(tǒng)，其與所述等離子體轉(zhuǎn)化器流體連通，其中所述膜分離系統(tǒng)被配置為將所述碳氧化物的至少一部分與所述氣流分離，以產(chǎn)生與進(jìn)入所述膜分離系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
48、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述膜包含分子氫滲透性材料或分子氫選擇性材料。
49、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述膜包含元素周期表中一種或更多種第5至IO欄金屬，和/或元素周期表中一種或更多種第其中所述膜包括支承體。其中所述膜包括支承體，且所IO欄金屬的一種或更多種化合物。
50、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述膜包括鈀、鉑、鎳、銀、鉭、釩、釔、鈮，或其混合物。
51、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述膜包括陶瓷、碳、金屬氧化物，或其結(jié)合。
52、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，
53、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，述支承體包含氧化鋁。
54、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述膜分離系統(tǒng)與燃料電池連接。
55、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括液態(tài)含氧碳?xì)浠衔铩?br> 56、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，
57、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，液體供應(yīng)源總體積的至少5%體積的含氧碳?xì)浠衔铩?br> 58、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括碳?xì)浠衔铩?br> 59、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包括一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極；與所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極相對放置的陰極電極；以及電流源，被配置以為所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極和所述陰極電極提供電流，以便在所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙生成等離子體。
60、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙范圍為約1毫米至約100亳米。
61、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn)口和出口，該液體供應(yīng)源以與所述陰極電極平行的方向從所述進(jìn)口流其中所述液體供應(yīng)源為乙醇。其中所述液體供應(yīng)源包括占該向所述出口。
62、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn)口和出口，該液體供應(yīng)源在與該陰極電極垂直的方向流動(dòng)。
63、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中所述加長陽極電極中的至少一個(gè)的至少一放電端的形狀是凸出的。
64、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中該電流為交流電。
65、 如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中該電流為直流電。
66、 如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多個(gè)電源，其被配置以為所述等離子體轉(zhuǎn)化器和變電吸附系統(tǒng)提供電流。
67、 一種釆用膜分離系統(tǒng)生成分子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源與最高溫度約為40(TC的等離子體接觸，以產(chǎn)生氣流，其中所述氣流包含分子氫和碳氧化物；并且將所述氣流的至少一部分通過與所述等離子體轉(zhuǎn)化器連接的膜分離系統(tǒng)；其中所述氣流與所述膜分離系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)薄膜接觸，以將所述碳氧化物的至少一部分從所述氣流中清除，從而產(chǎn)生與進(jìn)入該膜分離系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
68、 如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述碳氧化物包含一氧化碳和二氧化碳。
69、 如權(quán)利要求67所述的方法，所述方法還包括步驟將所述碳氧化物的至少一部分從至少一個(gè)所述薄膜脫附，并將所述碳氧化物的至少一部分提供給所述等離子體轉(zhuǎn)化器，以作為熱量源。
70、 如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述液體供應(yīng)源包含含氧碳?xì)浠衔铩?br> 71、 如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述方法還包括步驟將所述富含分子氫的氣流的至少一部分提供給燃料電池。
72、 如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述富含分子氫的氣流包括以體積計(jì)至多約50ppm的一氧化碳。
73、 一種釆用膜分離系統(tǒng)生成分子氫的方法，其包括以下步驟 將液體供應(yīng)源與如權(quán)利要求28至47中任一項(xiàng)所述的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)接觸，以產(chǎn)生氣流，其中所述氣流包含分子氫和碳氧化物； 并且將所述氣流的至少一部分通過與所述等離子體轉(zhuǎn)化器連接的膜 分離系統(tǒng)；其中所述氣流與所述膜分離系統(tǒng)的.一個(gè)或更多個(gè)薄膜接 觸，以將所述碳氧化物的至少一部分從所述氣流中清除，從而產(chǎn)生與 進(jìn)入該膜分離系統(tǒng)的氣流相比富含分子氫的氣流。
74、 一種釆用最高溫度約為40(TC的等離子體轉(zhuǎn)化器生成分子氫的系統(tǒng)，其包括等離子體轉(zhuǎn)化器，被配置為接收液體供應(yīng)源，并從所述液體供應(yīng) 源產(chǎn)生氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包含水煤氣變換觸媒，并且其 中所述等離子體轉(zhuǎn)化器被配置為產(chǎn)生最高溫度約為40(TC的等離子 體，并且其中所述氣流包含分子氫和碳氧化物。
75、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括液態(tài) 含氧碳?xì)浠衔铩?br> 76、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源為乙醇。
77、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括占該 液體供應(yīng)源總體積的至少5%體積的含氧碳?xì)浠衔铩?br> 78、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括碳?xì)?化合物。
79、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包括: 一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極；與所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極相對放置的陰極電極；以及電流源，被配置以為所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極和所述陰極 電極提供電流，以便在所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙生成等離子體。
80、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極和所述一個(gè) 或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙范圍為約1亳米至約100毫米。
81、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn) 口和出口 ，該液體供應(yīng)源以與所述陰極電極平行的方向從所述進(jìn)口流 向所述出口。
82、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有進(jìn) 口和出口，該液體供應(yīng)源在與該陰極電極垂直的方向流動(dòng)。
83、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中所述加長陽極電極的至少 一個(gè)的至少一放電端的形狀是凸出的。
84、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中該電流為交流電。
85、 如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中該電流為直流電。
86、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多個(gè) 電源，其被配置以為所述等離子體轉(zhuǎn)化器和變電吸附系統(tǒng)提供電流。
87、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與該等離子體 轉(zhuǎn)化器連接的燃料電池。
88、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述水煤氣變換觸媒位于所述等離子體轉(zhuǎn)化器的觸媒區(qū)域中。
89、 如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中所述水煤氣變換觸媒位于所述等離子體轉(zhuǎn)化器的觸媒區(qū)域中，并且其中所述觸媒區(qū)域絕緣。
90、 一種釆用最高溫度約為400。C的等離子體生成分子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源與最高溫度約為40(TC的低溫等離子體接觸，以產(chǎn) 生氣流，其中所述氣流包含分子氫和一氧化碳；并且在水環(huán)境下將所述氣流與水煤氣變換觸媒接觸，以產(chǎn)生額外的分 子氫和二氧化碳。
91、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述水煤氣變換觸媒包括元素周期表中第7欄中的一種或更多種金屬，和/或元素周期表中一 種或更多種第7欄金屬的一種或更多種化合物。
92、 如權(quán)利要求90所述的方法，所述水煤氣變換觸媒包括元素 周期表中第IO欄中的一種或更多種金屬，和/或元素周期表中一種或 更多種第IO欄金屬的一種或更多種化合物。
93、 如權(quán)利要求90所述的方法，所述水煤氣變換觸媒包括元素 周期表中第14欄中的一種或更多種金屬，和/或元素周期表中一種或 更多種第14欄金屬的一種或更多種化合物。
94、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括二 氧化鈥和/或氧化鈰載體。
95、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括元 素周期表中第7欄中的一種或更多種金屬、元素周期表中第10欄中 的一種或更多種金屬和元素周期表中第14欄中的一種或更多種金 屬，和/或元素周期表中一種或更多種第7欄金屬、 一種或更多種第 10欄金屬和/或第14欄金屬的一種或更多種化合物。
96、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括氧 化鈦載體上的鎳和錫金屬和/或鎳和錫的化合物。
97、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括氧 化鈦載體上的鉑金屬和/或鉑的化合物。
98、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括氧 化鈰載體上的鉑金屬和/或鉑的化合物。
99、 如權(quán)利要求90所述的方法，其中該水煤氣變換觸媒包括氧 化鈰載體上的錸金屬和/或錸的化合物。
100、 一種釆用最高溫度約為40(TC的等離子體生成分子氫的方 法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源提供給等離子體轉(zhuǎn)化器的等離子體區(qū)域； 將液體供應(yīng)源與最高等離子體溫度約為40(TC的低溫等離子體接觸，以產(chǎn)生氣流，其中所述氣流包含分子氫和一氧化碳；將所述氣流提供給與該等離子體區(qū)域連接的觸媒區(qū)域；并且 在水環(huán)境下將所述氣流的至少一部分與水煤氣變換觸媒接觸，以產(chǎn)生額外的分子氫和二氧化碳。
101、 一種釆用最高溫度約為40(TC的等離子體生成分子氫的方 法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源與如權(quán)利要求5 5至71中任 一 項(xiàng)所述的等離子體轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)接觸，以產(chǎn)生氣流，其中所述氣流包含分子氫和一氧化碳；并且在水環(huán)境下將所述氣流與水煤氣變換觸媒接觸，以產(chǎn)生額外的分 子氫和二氧化碳。
102、 一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生 分子氫的系統(tǒng)，其包括等離子體轉(zhuǎn)化器，被配置為接收液體供應(yīng)源，并從液體供應(yīng)源中 產(chǎn)生氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器被配置為在約0.3個(gè)大氣壓至約 5個(gè)大氣壓的壓力下產(chǎn)生等離子體，并且其中所述氣流包括分子氫。
103、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括液 態(tài)含氧碳?xì)浠衔铩?br> 104、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源為乙醇。
105、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括占 該液體供應(yīng)源總體積的至少5%體積的含氧碳?xì)浠衔铩?br> 106、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述液體供應(yīng)源包括碳 氫化合物。
107、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器包括一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極；與所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極相對放置的陰極電極；以及電流源，被配置以為所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極和所述陰極 電極提供電流，以便在所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電 極之間的間隙生成等離子體。
108、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極和所述一個(gè)或更多個(gè)加長陽極電極之間的間隙范圍為約1毫米至約100毫米。
109、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有 進(jìn)口和出口 ，該液體供應(yīng)源以與所述陰極電極平行的方向從所述進(jìn)口 流向所述出口。
110、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該等離子體轉(zhuǎn)化器具有 進(jìn)口和出口，該液體供應(yīng)源在與該陰極電極垂直的方向流動(dòng)。
111、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中所述加長陽極電極中至 少 一個(gè)的至少 一放電端的形狀是凸出的。
112、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該電流為交流電。
113、 如權(quán)利要求107所述的系統(tǒng)，其中該電流為直流電。
114、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多 個(gè)電源，所述電源被配置以為所述等離子體轉(zhuǎn)化器和變電吸附系統(tǒng)提 供電流。
115、 如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述等離 子體轉(zhuǎn)化器連接的燃料電池。
116、 一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生 分子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源提供給等離子體轉(zhuǎn)化器；并且將液體供應(yīng)源與等離子體接觸，以產(chǎn)生包含分子氫和碳氧化物的 氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的總壓力在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè) 大氣壓之間。
117、 如權(quán)利要求116所述的方法，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的 總壓力在約1個(gè)大氣壓至約3個(gè)大氣壓之間。
118、 如權(quán)利要求116所述的方法，其中所述碳氧化物包含一氧化碳，且所述方法還包括步驟將所述氣流與一種或更多種水煤氣變
119、 如權(quán)利要求118所述的方法，其中所述一氧化碳與所述水煤氣變換觸媒接觸的過程將所述一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳。
120、 一種在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè)大氣壓之間的壓力下產(chǎn)生 分子氫的方法，其包括以下步驟將液體供應(yīng)源提供給如權(quán)利要求83-96中任 一項(xiàng)所述的等離子體轉(zhuǎn)化器；將液體供應(yīng)源與等離子體接觸，以產(chǎn)生包含分子氫和碳氧化物的 氣流，其中所述等離子體轉(zhuǎn)化器的總壓力在約0.3個(gè)大氣壓至約5個(gè) 大氣壓之間。
121、 采用權(quán)利要求1至120中的任意系統(tǒng)和/或方法生產(chǎn)的分子氫。
122、 一種如權(quán)利要求1至121中任一項(xiàng)所述的等離子體轉(zhuǎn)化器。
全文摘要
本發(fā)明公開了生產(chǎn)分子氫的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)可以包括等離子體轉(zhuǎn)化器和分離系統(tǒng)。該等離子體轉(zhuǎn)化器可以從液體供應(yīng)源產(chǎn)生氣流。該氣流可以包括分子氫和碳氧化物。該分離系統(tǒng)可以從等離子體轉(zhuǎn)化器中生成的氣流產(chǎn)生分子氫流。該氣流和/或分子氫可以被用作燃料電池的燃料。
文檔編號C01B3/50GK101679028SQ200780046607
公開日2010年3月24日 申請日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者查爾斯·泰雷爾·亞當(dāng)斯 申請人:特洛斯創(chuàng)新責(zé)任有限公司