ナトリウムイオン分離膜を用いて水素を産生するための方法およびシステム
水酸化ナトリウムおよび水から水素を産生する方法を開示する。当該方法は、ナトリウムイオン分離器中で第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離し、ナトリウムイオン分離器中で産生されたナトリウムをナトリウム反応器に供給し、ナトリウム反応器中のナトリウムを水と反応させ、そして第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生することを含む。当該方法はまた、第２水性水酸化ナトリウム流れを第１水性水酸化ナトリウム流れと組み合わせることにより、第２水性水酸化ナトリウム流れを再利用することも含み得る。水素を産生するシステムも開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年１２月７日に出願された、標題「ナトリウムイオン分離膜を用いて水素を製造するための方法およびシステム」の米国特許正規出願第１２／６３２，０５８号（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）の利益および優先権を主張する。
【０００２】
政府の権利
本発明は、アルバータ社（Ａｌｂｅｒｔａ Ｌｉｍｉｔｅｄ）とバッテルエネルギー同盟社（Battelle Energy Alliance, LLC）との間の共同研究開発契約の下、米国エネルギー省により授与された契約番号第ＤＥＡＣ０５ＩＤ１４５１７号でなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、水素ガスを産生する方法およびシステムに関する。さらに詳細には、本発明の実施形態は、ナトリウムイオン分離膜を用いて、水酸化ナトリウムおよび水から水素ガスを産生する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
水素は、多くの人々から炭素系燃料の有望な代替エネルギーと見なされている。水素は、種々の石油系燃料／石油由来燃料の燃焼に典型的に関連する炭素酸化物、硫黄酸化物、および窒素酸化物などの温室効果ガスをはじめとする未燃炭化水素などの汚染物質を結果として産生することがないので、燃料として特に魅力的である。エネルギー輸送に加えて、水素ガスは、例えば、電子装置の製造、燃料の脱硫、アンモニアの産生、および石油源の改良においてなど、多くの工業的用途を有する。
【０００５】
水素の産生に関して種々の技術および方法が知られている。水素は、宇宙で最も豊富な元素であるが、自然形態で見出されることはまれであり、むしろ：炭化水素、炭水化物、燃料、および水などの化合物で見出される。水素をこれらの化合物から水素燃料として分離することは、複雑かつ冗漫であるだけでなく、非常に費用がかかる。水素を産生するための最も一般的な方法は：電気分解、炭化水素のガス化、酵素活性、ある金属または金属化合物の水との反応、および天然ガスまたはメタノールなどの化石燃料からの抽出である。しかし、これらの方法は、直接的に汚染物質を産生するか、または大量のエネルギーを必要とするかのいずれかであり、この場合、エネルギーを産生すると汚染物質が生じる。
【０００６】
一次エネルギー源として化石燃料に変わる水素などの燃料を使用する利点は多いが、気体であろうと液体であろうと、水素を前記用途に有用とするような形態で経済的に産生することができる都合の良い手段を提供する方法は１つも現れていない。
【０００７】
したがって、利用されるエネルギーと消費される反応物との両方に関して効率的である、水素を生成する方法およびシステムが必要とされている。また更に、環境に優しく、望ましくない廃棄物または副生成物を産生しない方法および組成物が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、水酸化ナトリウムおよび水から水素を産生する方法に関する。当該方法は、ナトリウムイオン分離器中で第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離し、ナトリウムイオン分離器中で産生されたナトリウムをナトリウム反応器へ供給し、ナトリウム反応器中のナトリウムを水と反応させ、そして第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生することを含む。いくつかの実施形態では、当該方法は、第２水性水酸化ナトリウム流れと第１水性水酸化ナトリウム流れとを組み合わせることにより、第２水性水酸化ナトリウム流れを再利用することを更に含む。そのような実施形態では、水、水素、および酸素だけが、本発明によって産生される。
【０００９】
本発明のさらなる実施形態では、ナトリウムイオン分離器中でナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れから分離することは、電解セルのアノライト区画中に第１水酸化ナトリウム流れを供給し、電解セルのカソライト区画中に鉱油を供給し、そしてセル全体にわたって電位をかけることを含む。セルのアノライト区画およびカソライト区画は、セラミック膜によって隔てられ、このセラミック膜は、セル全体にわたって電位をかけると、ナトリウムカチオンをアノライト区画からカソライト区画へと選択的に輸送する。ナトリウムカチオンは、それらが膜を越えて輸送された後、電子と組み合わされて、元素ナトリウムを形成する。カソライト区画中の鉱油は、元素ナトリウムを空気および／または水分と反応することから保護する。
【００１０】
本発明の方法に関連して、水酸化ナトリウムおよび水から水素を産生するシステムも提供される。当該システムは、第１水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離するように設定されたナトリウムイオン分離器と、ナトリウムを水と反応させて、第２水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生するように設定された反応器とを含む。さらなる実施形態では、当該システムは、第１水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離するための電解セルを含む。セルは、カソードおよび鉱油を含むカソライト区画、アノードおよび水酸化ナトリウムを含むアノライト区画、ならびにセルに電圧をかけるとアノライト区画からカソライト区画へのナトリウムカチオンの流れを選択的に許容する、アノライト区画とカソライト区画とを分離するナトリウム選択性セラミック膜を含む。
【００１１】
本発明のこれらの態様や他の態様は、本明細書中、以下でさらに詳細に述べる。
【００１２】
明細書は、本発明として見なされるものを特に指摘し、明確に請求する特許請求の範囲で締めくくっているが、本発明の利点は、添付の図面と関連して読んだ場合に以下の詳細な説明からさらに容易に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の特定の実施形態にしたがって水酸化ナトリウムおよび水から水を産生するためのシステムの簡略図である。
【図２】本発明の特定の実施形態にしたがって水酸化ナトリウムおよび水から水を産生するためのシステムの簡略図である。
【図３】本発明の一実施形態による電解セルの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の水素生成システム１００の実施形態を、図１において描かれた簡略図で示す。水素生成システム１００は、ナトリウムイオン分離器１１０およびナトリウム反応器１２０を含む。場合によって、図２で示されるように、水素生成システム１００は、ポンプ１２６、１２８、およびガス分離器１２４も含み得る。
【００１５】
本発明の方法の一実施形態は、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４をナトリウムイオン分離器１１０中に供給して、ナトリウム１０８、水１０２、および酸素１０６を産生することを含む。ナトリウム１０８はナトリウム反応器１２０中に供給され、ここで、ナトリウム１０８は水１１４と反応して、水素１１２および第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を産生する。いくつかの実施形態では、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４と組み合わせることによって、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３をリサイクルすることができる。図２で示すように、ポンプ１２６を用いてナトリウム１０８を加圧した後、ナトリウム１０８をナトリウム反応器１２０へ供給することができる。同様に、ポンプ１２８を用いて水１１４を加圧した後、水１１４をナトリウム反応器１２０へ供給することができる。さらに、ナトリウム反応器１２０中で産生された水素１１２をガス分離器１２４に供給して、精製された水素１１２’を産生することができる。
【００１６】
水素生成システム１００のナトリウムイオン分離器１１０は、たとえば、電解セルを含んでもよい。電解セルの一例は、米国特許出願公開第２００６／０１６９５９４号（Balagopal e. al., entitled Electrolytic Method to Make Alkali Alcoholates Using Ceramic Ion Conducting Solid Membranes（この文書の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。本発明の電解セルの一実施形態を図３に示す。セル１３０は、容器１３２、カソライトチャンバー１３４、アノライトチャンバー１３６、カソード１３８、アノード１４０、および足場またはホルダー１４４中に位置してもよいセラミック膜１４２を含む。容器１３２、およびセル１３０の他の部分は、金属、ガラス、プラスチック、複合材、セラミック、他の材料、又は前記の組み合わせをはじめとする任意の好適な材料からできているものであってよい。セル１３０の任意の部分を形成する材料は、好ましくは、セル１３０がプロセスの一部としてさらされる化学物質や条件と反応性でないか、またはそのような化学物質や条件により実質的に分解されない。
【００１７】
セル１３０は、アノライトインレット１４６、アノライトアウトレット１４８、カソライトインレット１５０、およびカソライトアウトレット１５２を更に含む。アノライトチャンバー１３６から放出される可能性があるガスの排出、処理および／または収集のために、ガス抜き手段１５４が設けられている。ガス抜き手段１５４は、容器１３２の上部の開口部、孔、もしくは穴、および／またはアノライトチャンバー１３６の液面より上の空間またはギャップと流体が連通するコレクションチューブ、ホース、または導管などの簡単なガス抜きシステムであってよい。
【００１８】
セル１３０中の膜１４２は、アノライトチャンバー１３６からカソライトチャンバー１３４へナトリウムカチオンを選択的に輸送できる材料を含み得る。たとえば、膜１４２は、セラミックＮａＳＩＣＯＮ（ナトリウム超イオン伝導体）材料を含み得る。ＮａＳＩＣＯＮ膜組成および種類は、当該技術分野で公知であり、たとえば、米国特許第５，５８０，４３０号（標題「Selective Metal Cation-Conducting Ceramics」、セラムテック（Ceramatech）に譲渡）（この文書の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。ＮａＳＩＣＯＮ膜１４２は、低温でナトリウムイオンの高いイオン電導度を示し、カソライトチャンバー１３４およびアノライトチャンバー１３６で見出すことができる他のさらなる化学成分を本質的に通さない。
【００１９】
水素生成システム１００のナトリウムイオン分離器１１０、例えば電気化学セル１３０は、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４を受容し、ナトリウム１０８、水１０２および酸素１０６に分離するような設定にすることができる。電気化学セル１３０は、以下の反応にしたがって水性水酸化ナトリウムを分離する：
アノード：２ＯＨ−→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ− 反応１
カソード：２Ｎａ＋＋２ｅ−→２Ｎａ 反応２
全体：２ＮａＯＨ→２Ｎａ＋１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ 反応３
【００２０】
反応１、２、および３は、誘導電流下で起こる電解反応であり、この場合、電子１６６が導入または除去されて、反応を引き起こす。
【００２１】
本発明にしたがってナトリウム１０８を第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４から産生する一方法は、アノライトインレット１４６を通ってセル１３０のアノライトチャンバー１３６中に第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４を供給することによる。セル１３０に電位をかけて、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４をナトリウムイオン１６０および水酸化物イオン１６４に分解させる。ナトリウムイオン１６０を、アノライトチャンバー１３６から膜１４２を越えてカソライトチャンバー１３４へ輸送する。カソライトチャンバー１３４中で、ナトリウムイオン１６０をカソード１３８で電子１６６と合わせて、反応２により示されるように元素ナトリウム１０８を形成する。ナトリウム１０８は空気中で酸化し、水と非常に反応性であるので、カソライトチャンバー１３４を少なくとも実質的に不活性な化合物、たとえば、鉱油１１６で満たして、ナトリウム１０８を保護する。鉱油１１６を実質的に不活性な化合物の一例として使用するが、ナトリウムと反応しない任意の液体をカソライトチャンバー１３４中で使用することができる。鉱油１１６を、必要に応じてカソライトインレット１５０を通してセル１３０のカソライトチャンバー１３４中に供給する。ナトリウム１０８は鉱油１１６よりも高密度であるので、ナトリウム１０８は鉱油１１６から分離し、カソライトチャンバー１３４の底部を占める可能性があり、一方、鉱油１１６は、破線１６２により示されるようにカソライトチャンバー１３４の上部を占める。ナトリウム１０８はカソライトアウトレット１５２を通してカソライトチャンバー１３４から出る可能性がある。一方、アノライトチャンバー１３６では、水酸化物イオン１６４はアノード１４０で電子１６６を供与し、次いで反応１で示されるように酸素１０６および水１０２に分解する。酸素ガス１０６は、ベント１５４を通して出る可能性があり、一方、アノライトチャンバー１３６中で産生された過剰の水１０２は、アノライトアウトレット１４８を通してセル１３０から出る可能性がある。
【００２２】
非限定例な例として、セル１３０を約８０℃〜約１００℃の温度で操作することができる。さらに詳細には、セルを約９０℃〜約１００℃の温度で操作することができる。セル１３０中での約８０℃〜約１００℃の温度範囲は、ナトリウムイオン１６０の膜１４２を越える輸送を容易にする可能性がある。加えて、ナトリウム１０８はこれらの温度で液相であり、したがって、さらなる溶媒を必要とすることなくナトリウム１０８を輸送可能にする。
【００２３】
水素生成システム１００中の電解セル１３０を操作するための電気は、石炭火力もしくはガス火力発電所または他の燃焼系発電所などの通常の電力源をはじめとする数多くの供給源から産生することができるか、または得ることができる。いくつかの実施形態では、電気は、太陽光発電、地熱、水力、風力、または原子力などのクリーンまたは再生可能なエネルギー源から生成させることができるか、または得ることができる。ナトリウムイオン分離器１１０中でナトリウム１０８を生成させるために使用される電気を産生するためにクリーンまたは再生可能なエネルギー源を使用することにより、従来の水素産生プロセスと比較して、水素生成システム１００により生成する汚染物質の総量が減少する。さらなる実施形態では、ナトリウム反応器１２０中の反応から生じるエネルギーを収集し、使用して、ナトリウムイオン分離器にエネルギーを供給することができる。
【００２４】
図１および２に戻って参照すると、ナトリウムイオン分離器１１０から生成されたナトリウム１０８をナトリウム反応器１２０に供給することができる。ナトリウム反応器１２０は、ナトリウムおよび水を水素および水酸化ナトリウムに変換することができる任意の種類の反応器を含むことができる。ナトリウム反応器１２０は、ナトリウム１０８および水１１４を受容し、反応させて、水素１１２および第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を産生するように設定されていてもよい。ナトリウム反応器１２０は、以下の反応にしたがってナトリウム１０８および水１１４を反応させることができる：
Ｎａ＋Ｈ２Ｏ→ＮａＯＨ（ａｑ）＋１／２Ｈ２ 反応４
【００２５】
ナトリウム１０８を液体として反応器１２０に供給することができる。たとえば、ナトリウム１０８を約９８℃よりも高い温度でナトリウム反応器１２０に供給することができる。水１１４を高温水または蒸気としてナトリウム反応器１２０に供給することができる。ナトリウム反応器１２０内の反応温度および速度は、水１１４の供給速度および温度を制御することによって制御することができる。たとえば、水１１４をナトリウム反応器１２０に過剰に供給して、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３中の水酸化ナトリウムの濃度を制御することができる。
【００２６】
ナトリウムおよび水の反応は非常に発熱性である。したがって、反応４はナトリウム反応器１２０中、高温および／または高圧で進行する可能性がある。たとえば、ナトリウム反応器１２０中の圧力は、約１気圧〜約４００気圧の範囲であり得る。さらに、反応器１２０中の温度は、約２００℃〜約９００℃の範囲であり得る。ナトリウム１０８と水１１４との反応は、大量の熱を生じることが知られているので、既知熱伝達技術を使用してナトリウム１０８、水１１４、ナトリウムイオン分離器１１０を加熱するために、反応器１２０からの熱を用いることができる。
【００２７】
反応４はそのような高圧で進行可能であるので、ナトリウム反応器１２０から産生される水素１１２を形成される際に加圧することができる。これにより、水素１１２を加圧するためのコンプレッサの必要が無くなり、このことで、これらの装置の資本、操作、および維持コストが節約される。さらに、図２で示すように、ポンプ１２６、１２８を用いて、ナトリウム１０８および水１１４がナトリウム反応器１２０に入る前にナトリウム１０８および水１１４を加圧することができる。ナトリウム１０８および水１１４のフィードを加圧することにより、ナトリウム反応器１２０を出る水素１１２も高圧である可能性がある。ポンプ１２６、１２８を図２ではロータリーポンプとして示すが、ナトリウム１０８および水１１４を加圧するために当該技術分野で公知の任意の種類のポンプを使用することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、少量の鉱油１１６（図３）が、ナトリウム反応器１２０に供給されるナトリウム中に存在していてもよい。鉱油１１６がナトリウム反応器１２０中で高温および／または高圧にさらされる場合、鉱油１１６は燃焼して、微量の一酸化炭素、二酸化炭素、炭酸ナトリウム、およびさらなる水素副生成物を産生する可能性がある。一酸化炭素、二酸化炭素、および水素は水素１１２とともにナトリウム反応器１２０を出る可能性があり、一方、炭酸ナトリウムは第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３とともにナトリウム反応器１２０を出る可能性がある。第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３中の炭酸ナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４によりナトリウムイオン分離器１１０に戻すことができる。ナトリウムイオン分離器１１０において、ナトリウムは、膜１４２を越えてカソライトチャンバー１３４中へと輸送されると考えられる。さらに、アノライトチャンバー１３６中に残存する炭素は、酸素１０６と反応して、微量の一酸化炭素および／または二酸化炭素を形成すると考えられる。
【００２９】
ナトリウム１０８中の鉱油の量および水素１１２の使用目的に応じて、水素１１２をガス分離器１２４（図２）に供給することができる。前述のように、水素１１２は、ナトリウム１０８中に存在し得る鉱油１１６由来の一酸化炭素および二酸化炭素などの不純物を含む可能性がある。さらに、水素１１２は、ナトリウム１０８および水１１４の反応から生じる、蒸気の形態でなど、水分を含む可能性がある。したがって、水素１１２はガス分離器１２４を通過して、精製された水素１１２’を形成することができる。ガス分離器１２４は、例えば、精製された水素１１２’を産生するための膜または圧力スイング吸着式（ＰＳＡ）ガス分離器を含み得る。そのような膜およびＰＳＡ分離器は当該技術分野で公知であり、したがって本明細書中では詳述しない。非限定例な例として、膜は、パラジウム膜など、ポリマー材料または金属材料からできているものであってよい。そのような膜は、これらに限定されるものではないが、プラクサイア・サーフェース・テクノロジー社（Praxair Surface Technology, Inc.）（コネティカット州ダンベリー）、ユニバーサル・インダストリアル・ガシズ社（Universal Industrial Gases, Inc.）（ペンシルベニア州イーストン）、エア・リキード（Air Liquide）（フランス国パリ）、またはエア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社（Air Products and Chemicals, Inc.）（ペンシルベニア州リハイバレー）をはじめとする多くの供給源から商業的に入手可能である。ＰＳＡ分離器は、活性アルミナ、ゼオライト、たとえばモレキュラシーブゼオライト、または活性炭モレキュラシーブであってよい。ＰＳＡ分離器は、これらに限定されるものではないが、クエストエア・テクノロジー社（QuestAir Technologies Inc.）（カナダ国バーナビ−）、シークアル・テクノロジー社（SeQual Technologies Inc.）（カリフォルニア州サンディエゴ）、セプコア社（Sepcor, Inc）（テキサス州ヒューストン）、およびプラクサイア・サーフェース・テクノロジー社（コネティカット州ダンベリー）をはじめとする数多くの供給源から商業的に入手可能である。
【００３０】
本発明の水素生成システム１００は、当該技術分野で公知の他の水素産生技術に勝るいくつかの利点を提供する。たとえば、ナトリウム反応器１２０へほとんど鉱油が送られないと仮定すると、水素生成システム１００は本質的に環境に優しい。図１および２で示されるように、水酸化ナトリウム流れ１０４、１１３を合わせてシステム１００を通してリサイクルすることができるので、水１１４が本発明の水素生成システム１００中で消費される唯一の材料である。さらに、全水素生成システム１００は、水１０２、酸素１０６、および水素１１２だけを産生する。さらに、本発明の水素生成システム１００のサイズおよびそれに関連する操作パラメータ、たとえば流速は、生産しようとする水素１１２の量に依存するであろう。このように、水素生成システム１００のサイズを容易に増減して、要件を満たすことができる。さらに、水素産生に加えて、ナトリウムイオン分離器１１０を用いて元素ナトリウム１０８を産生することができ、これはさらなる産業的用途を有する可能性がある。
【００３１】
本発明を本明細書中では構造的および方法論的特性に関して多少特殊な言語で記載した。しかし，本発明は表示され、記載された具体的な特徴に限定されるものと理解されるべきではない。なぜなら、本明細書中で開示した意味は、本発明を実行に移す好ましい形態を含むからである。本発明は、したがって、その形態のいずれかまたは同等物の原則にしたがって適切に解釈された添付の請求の範囲の適切な範囲内での修飾で請求される。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年１２月７日に出願された、標題「ナトリウムイオン分離膜を用いて水素を製造するための方法およびシステム」の米国特許正規出願第１２／６３２，０５８号（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）の利益および優先権を主張する。
【０００２】
政府の権利
本発明は、アルバータ社（Ａｌｂｅｒｔａ Ｌｉｍｉｔｅｄ）とバッテルエネルギー同盟社（Battelle Energy Alliance, LLC）との間の共同研究開発契約の下、米国エネルギー省により授与された契約番号第ＤＥＡＣ０５ＩＤ１４５１７号でなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、水素ガスを産生する方法およびシステムに関する。さらに詳細には、本発明の実施形態は、ナトリウムイオン分離膜を用いて、水酸化ナトリウムおよび水から水素ガスを産生する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
水素は、多くの人々から炭素系燃料の有望な代替エネルギーと見なされている。水素は、種々の石油系燃料／石油由来燃料の燃焼に典型的に関連する炭素酸化物、硫黄酸化物、および窒素酸化物などの温室効果ガスをはじめとする未燃炭化水素などの汚染物質を結果として産生することがないので、燃料として特に魅力的である。エネルギー輸送に加えて、水素ガスは、例えば、電子装置の製造、燃料の脱硫、アンモニアの産生、および石油源の改良においてなど、多くの工業的用途を有する。
【０００５】
水素の産生に関して種々の技術および方法が知られている。水素は、宇宙で最も豊富な元素であるが、自然形態で見出されることはまれであり、むしろ：炭化水素、炭水化物、燃料、および水などの化合物で見出される。水素をこれらの化合物から水素燃料として分離することは、複雑かつ冗漫であるだけでなく、非常に費用がかかる。水素を産生するための最も一般的な方法は：電気分解、炭化水素のガス化、酵素活性、ある金属または金属化合物の水との反応、および天然ガスまたはメタノールなどの化石燃料からの抽出である。しかし、これらの方法は、直接的に汚染物質を産生するか、または大量のエネルギーを必要とするかのいずれかであり、この場合、エネルギーを産生すると汚染物質が生じる。
【０００６】
一次エネルギー源として化石燃料に変わる水素などの燃料を使用する利点は多いが、気体であろうと液体であろうと、水素を前記用途に有用とするような形態で経済的に産生することができる都合の良い手段を提供する方法は１つも現れていない。
【０００７】
したがって、利用されるエネルギーと消費される反応物との両方に関して効率的である、水素を生成する方法およびシステムが必要とされている。また更に、環境に優しく、望ましくない廃棄物または副生成物を産生しない方法および組成物が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、水酸化ナトリウムおよび水から水素を産生する方法に関する。当該方法は、ナトリウムイオン分離器中で第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離し、ナトリウムイオン分離器中で産生されたナトリウムをナトリウム反応器へ供給し、ナトリウム反応器中のナトリウムを水と反応させ、そして第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生することを含む。いくつかの実施形態では、当該方法は、第２水性水酸化ナトリウム流れと第１水性水酸化ナトリウム流れとを組み合わせることにより、第２水性水酸化ナトリウム流れを再利用することを更に含む。そのような実施形態では、水、水素、および酸素だけが、本発明によって産生される。
【０００９】
本発明のさらなる実施形態では、ナトリウムイオン分離器中でナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れから分離することは、電解セルのアノライト区画中に第１水酸化ナトリウム流れを供給し、電解セルのカソライト区画中に鉱油を供給し、そしてセル全体にわたって電位をかけることを含む。セルのアノライト区画およびカソライト区画は、セラミック膜によって隔てられ、このセラミック膜は、セル全体にわたって電位をかけると、ナトリウムカチオンをアノライト区画からカソライト区画へと選択的に輸送する。ナトリウムカチオンは、それらが膜を越えて輸送された後、電子と組み合わされて、元素ナトリウムを形成する。カソライト区画中の鉱油は、元素ナトリウムを空気および／または水分と反応することから保護する。
【００１０】
本発明の方法に関連して、水酸化ナトリウムおよび水から水素を産生するシステムも提供される。当該システムは、第１水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離するように設定されたナトリウムイオン分離器と、ナトリウムを水と反応させて、第２水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生するように設定された反応器とを含む。さらなる実施形態では、当該システムは、第１水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離するための電解セルを含む。セルは、カソードおよび鉱油を含むカソライト区画、アノードおよび水酸化ナトリウムを含むアノライト区画、ならびにセルに電圧をかけるとアノライト区画からカソライト区画へのナトリウムカチオンの流れを選択的に許容する、アノライト区画とカソライト区画とを分離するナトリウム選択性セラミック膜を含む。
【００１１】
本発明のこれらの態様や他の態様は、本明細書中、以下でさらに詳細に述べる。
【００１２】
明細書は、本発明として見なされるものを特に指摘し、明確に請求する特許請求の範囲で締めくくっているが、本発明の利点は、添付の図面と関連して読んだ場合に以下の詳細な説明からさらに容易に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の特定の実施形態にしたがって水酸化ナトリウムおよび水から水を産生するためのシステムの簡略図である。
【図２】本発明の特定の実施形態にしたがって水酸化ナトリウムおよび水から水を産生するためのシステムの簡略図である。
【図３】本発明の一実施形態による電解セルの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の水素生成システム１００の実施形態を、図１において描かれた簡略図で示す。水素生成システム１００は、ナトリウムイオン分離器１１０およびナトリウム反応器１２０を含む。場合によって、図２で示されるように、水素生成システム１００は、ポンプ１２６、１２８、およびガス分離器１２４も含み得る。
【００１５】
本発明の方法の一実施形態は、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４をナトリウムイオン分離器１１０中に供給して、ナトリウム１０８、水１０２、および酸素１０６を産生することを含む。ナトリウム１０８はナトリウム反応器１２０中に供給され、ここで、ナトリウム１０８は水１１４と反応して、水素１１２および第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を産生する。いくつかの実施形態では、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４と組み合わせることによって、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３をリサイクルすることができる。図２で示すように、ポンプ１２６を用いてナトリウム１０８を加圧した後、ナトリウム１０８をナトリウム反応器１２０へ供給することができる。同様に、ポンプ１２８を用いて水１１４を加圧した後、水１１４をナトリウム反応器１２０へ供給することができる。さらに、ナトリウム反応器１２０中で産生された水素１１２をガス分離器１２４に供給して、精製された水素１１２’を産生することができる。
【００１６】
水素生成システム１００のナトリウムイオン分離器１１０は、たとえば、電解セルを含んでもよい。電解セルの一例は、米国特許出願公開第２００６／０１６９５９４号（Balagopal e. al., entitled Electrolytic Method to Make Alkali Alcoholates Using Ceramic Ion Conducting Solid Membranes（この文書の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。本発明の電解セルの一実施形態を図３に示す。セル１３０は、容器１３２、カソライトチャンバー１３４、アノライトチャンバー１３６、カソード１３８、アノード１４０、および足場またはホルダー１４４中に位置してもよいセラミック膜１４２を含む。容器１３２、およびセル１３０の他の部分は、金属、ガラス、プラスチック、複合材、セラミック、他の材料、又は前記の組み合わせをはじめとする任意の好適な材料からできているものであってよい。セル１３０の任意の部分を形成する材料は、好ましくは、セル１３０がプロセスの一部としてさらされる化学物質や条件と反応性でないか、またはそのような化学物質や条件により実質的に分解されない。
【００１７】
セル１３０は、アノライトインレット１４６、アノライトアウトレット１４８、カソライトインレット１５０、およびカソライトアウトレット１５２を更に含む。アノライトチャンバー１３６から放出される可能性があるガスの排出、処理および／または収集のために、ガス抜き手段１５４が設けられている。ガス抜き手段１５４は、容器１３２の上部の開口部、孔、もしくは穴、および／またはアノライトチャンバー１３６の液面より上の空間またはギャップと流体が連通するコレクションチューブ、ホース、または導管などの簡単なガス抜きシステムであってよい。
【００１８】
セル１３０中の膜１４２は、アノライトチャンバー１３６からカソライトチャンバー１３４へナトリウムカチオンを選択的に輸送できる材料を含み得る。たとえば、膜１４２は、セラミックＮａＳＩＣＯＮ（ナトリウム超イオン伝導体）材料を含み得る。ＮａＳＩＣＯＮ膜組成および種類は、当該技術分野で公知であり、たとえば、米国特許第５，５８０，４３０号（標題「Selective Metal Cation-Conducting Ceramics」、セラムテック（Ceramatech）に譲渡）（この文書の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。ＮａＳＩＣＯＮ膜１４２は、低温でナトリウムイオンの高いイオン電導度を示し、カソライトチャンバー１３４およびアノライトチャンバー１３６で見出すことができる他のさらなる化学成分を本質的に通さない。
【００１９】
水素生成システム１００のナトリウムイオン分離器１１０、例えば電気化学セル１３０は、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４を受容し、ナトリウム１０８、水１０２および酸素１０６に分離するような設定にすることができる。電気化学セル１３０は、以下の反応にしたがって水性水酸化ナトリウムを分離する：
アノード：２ＯＨ−→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ− 反応１
カソード：２Ｎａ＋＋２ｅ−→２Ｎａ 反応２
全体：２ＮａＯＨ→２Ｎａ＋１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ 反応３
【００２０】
反応１、２、および３は、誘導電流下で起こる電解反応であり、この場合、電子１６６が導入または除去されて、反応を引き起こす。
【００２１】
本発明にしたがってナトリウム１０８を第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４から産生する一方法は、アノライトインレット１４６を通ってセル１３０のアノライトチャンバー１３６中に第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４を供給することによる。セル１３０に電位をかけて、第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４をナトリウムイオン１６０および水酸化物イオン１６４に分解させる。ナトリウムイオン１６０を、アノライトチャンバー１３６から膜１４２を越えてカソライトチャンバー１３４へ輸送する。カソライトチャンバー１３４中で、ナトリウムイオン１６０をカソード１３８で電子１６６と合わせて、反応２により示されるように元素ナトリウム１０８を形成する。ナトリウム１０８は空気中で酸化し、水と非常に反応性であるので、カソライトチャンバー１３４を少なくとも実質的に不活性な化合物、たとえば、鉱油１１６で満たして、ナトリウム１０８を保護する。鉱油１１６を実質的に不活性な化合物の一例として使用するが、ナトリウムと反応しない任意の液体をカソライトチャンバー１３４中で使用することができる。鉱油１１６を、必要に応じてカソライトインレット１５０を通してセル１３０のカソライトチャンバー１３４中に供給する。ナトリウム１０８は鉱油１１６よりも高密度であるので、ナトリウム１０８は鉱油１１６から分離し、カソライトチャンバー１３４の底部を占める可能性があり、一方、鉱油１１６は、破線１６２により示されるようにカソライトチャンバー１３４の上部を占める。ナトリウム１０８はカソライトアウトレット１５２を通してカソライトチャンバー１３４から出る可能性がある。一方、アノライトチャンバー１３６では、水酸化物イオン１６４はアノード１４０で電子１６６を供与し、次いで反応１で示されるように酸素１０６および水１０２に分解する。酸素ガス１０６は、ベント１５４を通して出る可能性があり、一方、アノライトチャンバー１３６中で産生された過剰の水１０２は、アノライトアウトレット１４８を通してセル１３０から出る可能性がある。
【００２２】
非限定例な例として、セル１３０を約８０℃〜約１００℃の温度で操作することができる。さらに詳細には、セルを約９０℃〜約１００℃の温度で操作することができる。セル１３０中での約８０℃〜約１００℃の温度範囲は、ナトリウムイオン１６０の膜１４２を越える輸送を容易にする可能性がある。加えて、ナトリウム１０８はこれらの温度で液相であり、したがって、さらなる溶媒を必要とすることなくナトリウム１０８を輸送可能にする。
【００２３】
水素生成システム１００中の電解セル１３０を操作するための電気は、石炭火力もしくはガス火力発電所または他の燃焼系発電所などの通常の電力源をはじめとする数多くの供給源から産生することができるか、または得ることができる。いくつかの実施形態では、電気は、太陽光発電、地熱、水力、風力、または原子力などのクリーンまたは再生可能なエネルギー源から生成させることができるか、または得ることができる。ナトリウムイオン分離器１１０中でナトリウム１０８を生成させるために使用される電気を産生するためにクリーンまたは再生可能なエネルギー源を使用することにより、従来の水素産生プロセスと比較して、水素生成システム１００により生成する汚染物質の総量が減少する。さらなる実施形態では、ナトリウム反応器１２０中の反応から生じるエネルギーを収集し、使用して、ナトリウムイオン分離器にエネルギーを供給することができる。
【００２４】
図１および２に戻って参照すると、ナトリウムイオン分離器１１０から生成されたナトリウム１０８をナトリウム反応器１２０に供給することができる。ナトリウム反応器１２０は、ナトリウムおよび水を水素および水酸化ナトリウムに変換することができる任意の種類の反応器を含むことができる。ナトリウム反応器１２０は、ナトリウム１０８および水１１４を受容し、反応させて、水素１１２および第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３を産生するように設定されていてもよい。ナトリウム反応器１２０は、以下の反応にしたがってナトリウム１０８および水１１４を反応させることができる：
Ｎａ＋Ｈ２Ｏ→ＮａＯＨ（ａｑ）＋１／２Ｈ２ 反応４
【００２５】
ナトリウム１０８を液体として反応器１２０に供給することができる。たとえば、ナトリウム１０８を約９８℃よりも高い温度でナトリウム反応器１２０に供給することができる。水１１４を高温水または蒸気としてナトリウム反応器１２０に供給することができる。ナトリウム反応器１２０内の反応温度および速度は、水１１４の供給速度および温度を制御することによって制御することができる。たとえば、水１１４をナトリウム反応器１２０に過剰に供給して、第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３中の水酸化ナトリウムの濃度を制御することができる。
【００２６】
ナトリウムおよび水の反応は非常に発熱性である。したがって、反応４はナトリウム反応器１２０中、高温および／または高圧で進行する可能性がある。たとえば、ナトリウム反応器１２０中の圧力は、約１気圧〜約４００気圧の範囲であり得る。さらに、反応器１２０中の温度は、約２００℃〜約９００℃の範囲であり得る。ナトリウム１０８と水１１４との反応は、大量の熱を生じることが知られているので、既知熱伝達技術を使用してナトリウム１０８、水１１４、ナトリウムイオン分離器１１０を加熱するために、反応器１２０からの熱を用いることができる。
【００２７】
反応４はそのような高圧で進行可能であるので、ナトリウム反応器１２０から産生される水素１１２を形成される際に加圧することができる。これにより、水素１１２を加圧するためのコンプレッサの必要が無くなり、このことで、これらの装置の資本、操作、および維持コストが節約される。さらに、図２で示すように、ポンプ１２６、１２８を用いて、ナトリウム１０８および水１１４がナトリウム反応器１２０に入る前にナトリウム１０８および水１１４を加圧することができる。ナトリウム１０８および水１１４のフィードを加圧することにより、ナトリウム反応器１２０を出る水素１１２も高圧である可能性がある。ポンプ１２６、１２８を図２ではロータリーポンプとして示すが、ナトリウム１０８および水１１４を加圧するために当該技術分野で公知の任意の種類のポンプを使用することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、少量の鉱油１１６（図３）が、ナトリウム反応器１２０に供給されるナトリウム中に存在していてもよい。鉱油１１６がナトリウム反応器１２０中で高温および／または高圧にさらされる場合、鉱油１１６は燃焼して、微量の一酸化炭素、二酸化炭素、炭酸ナトリウム、およびさらなる水素副生成物を産生する可能性がある。一酸化炭素、二酸化炭素、および水素は水素１１２とともにナトリウム反応器１２０を出る可能性があり、一方、炭酸ナトリウムは第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３とともにナトリウム反応器１２０を出る可能性がある。第２水性水酸化ナトリウム流れ１１３中の炭酸ナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れ１０４によりナトリウムイオン分離器１１０に戻すことができる。ナトリウムイオン分離器１１０において、ナトリウムは、膜１４２を越えてカソライトチャンバー１３４中へと輸送されると考えられる。さらに、アノライトチャンバー１３６中に残存する炭素は、酸素１０６と反応して、微量の一酸化炭素および／または二酸化炭素を形成すると考えられる。
【００２９】
ナトリウム１０８中の鉱油の量および水素１１２の使用目的に応じて、水素１１２をガス分離器１２４（図２）に供給することができる。前述のように、水素１１２は、ナトリウム１０８中に存在し得る鉱油１１６由来の一酸化炭素および二酸化炭素などの不純物を含む可能性がある。さらに、水素１１２は、ナトリウム１０８および水１１４の反応から生じる、蒸気の形態でなど、水分を含む可能性がある。したがって、水素１１２はガス分離器１２４を通過して、精製された水素１１２’を形成することができる。ガス分離器１２４は、例えば、精製された水素１１２’を産生するための膜または圧力スイング吸着式（ＰＳＡ）ガス分離器を含み得る。そのような膜およびＰＳＡ分離器は当該技術分野で公知であり、したがって本明細書中では詳述しない。非限定例な例として、膜は、パラジウム膜など、ポリマー材料または金属材料からできているものであってよい。そのような膜は、これらに限定されるものではないが、プラクサイア・サーフェース・テクノロジー社（Praxair Surface Technology, Inc.）（コネティカット州ダンベリー）、ユニバーサル・インダストリアル・ガシズ社（Universal Industrial Gases, Inc.）（ペンシルベニア州イーストン）、エア・リキード（Air Liquide）（フランス国パリ）、またはエア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社（Air Products and Chemicals, Inc.）（ペンシルベニア州リハイバレー）をはじめとする多くの供給源から商業的に入手可能である。ＰＳＡ分離器は、活性アルミナ、ゼオライト、たとえばモレキュラシーブゼオライト、または活性炭モレキュラシーブであってよい。ＰＳＡ分離器は、これらに限定されるものではないが、クエストエア・テクノロジー社（QuestAir Technologies Inc.）（カナダ国バーナビ−）、シークアル・テクノロジー社（SeQual Technologies Inc.）（カリフォルニア州サンディエゴ）、セプコア社（Sepcor, Inc）（テキサス州ヒューストン）、およびプラクサイア・サーフェース・テクノロジー社（コネティカット州ダンベリー）をはじめとする数多くの供給源から商業的に入手可能である。
【００３０】
本発明の水素生成システム１００は、当該技術分野で公知の他の水素産生技術に勝るいくつかの利点を提供する。たとえば、ナトリウム反応器１２０へほとんど鉱油が送られないと仮定すると、水素生成システム１００は本質的に環境に優しい。図１および２で示されるように、水酸化ナトリウム流れ１０４、１１３を合わせてシステム１００を通してリサイクルすることができるので、水１１４が本発明の水素生成システム１００中で消費される唯一の材料である。さらに、全水素生成システム１００は、水１０２、酸素１０６、および水素１１２だけを産生する。さらに、本発明の水素生成システム１００のサイズおよびそれに関連する操作パラメータ、たとえば流速は、生産しようとする水素１１２の量に依存するであろう。このように、水素生成システム１００のサイズを容易に増減して、要件を満たすことができる。さらに、水素産生に加えて、ナトリウムイオン分離器１１０を用いて元素ナトリウム１０８を産生することができ、これはさらなる産業的用途を有する可能性がある。
【００３１】
本発明を本明細書中では構造的および方法論的特性に関して多少特殊な言語で記載した。しかし，本発明は表示され、記載された具体的な特徴に限定されるものと理解されるべきではない。なぜなら、本明細書中で開示した意味は、本発明を実行に移す好ましい形態を含むからである。本発明は、したがって、その形態のいずれかまたは同等物の原則にしたがって適切に解釈された添付の請求の範囲の適切な範囲内での修飾で請求される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を産生する方法であって：
第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離し；そして
ナトリウムを水と組み合わせて、水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを産生することを含む、方法。
【請求項２】
第２水性水酸化ナトリウム流れを第１水性水酸化ナトリウム流れと組み合わせることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離することが：
第１水性水酸化ナトリウム流れを電解セルのアノライトチャンバー中に供給し；
鉱油を電解セルのカソライトチャンバー中に供給し；
電解セル、アノライトチャンバー、およびアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを選択的に輸送するためのセラミック膜により分離されているカソライトチャンバーに電位をかけ；そして
電解セルのカソライトチャンバー中でナトリウムを形成することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
電解セルのカソライトチャンバー中でナトリウムを形成することが：
ナトリウムを産生するためにカソライトチャンバー中でナトリウムカチオンを電子と組み合わせ；そして
ナトリウムを鉱油中に浸すことを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
電解セルのアノライトチャンバー中で水および酸素を形成することを更に含む、請求項３記載の方法。
【請求項６】
ナトリウムを水と組み合わせて高圧水素を産生する前に、ナトリウムおよび水を加圧することを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
水および不純物の少なくとも一部を水素から分離することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
ナトリウムを水と組み合わせて、水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを産生することが：
ナトリウムを反応器中に供給し；
水を反応器中に供給し；
反応器中でナトリウムと水とを反応させ；そして
水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを生成させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
反応器中の発熱反応から生じる熱を用いて、ナトリウムおよび水を加熱することをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ナトリウムを反応器中に供給することが、約９８℃よりも高い温度でナトリウムを反応器中に供給することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
水を反応器中に供給することが、過熱水または蒸気を反応器中に供給することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
水素を産生する方法であって：
アノライトチャンバー、カソライトチャンバー、およびアノライトチャンバーとカソライトチャンバーとを分離するセラミック膜を含む電気化学セルを提供し；
第１水性水酸化ナトリウム流れをアノライトチャンバー中に供給し；
鉱油をカソライトチャンバー中に供給し；
セラミック膜を越えてナトリウムカチオンを移動させるために、電気化学セルに電位をかけ；
カソライトチャンバー中でナトリウムを形成し；
カソライトチャンバーから反応器中へナトリウムを供給し；
水を反応器中に供給し；
ナトリウムおよび水を反応させて、第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生し；そして
第２の水性水酸化ナトリウムを用いて更なるナトリウムを形成することを含む、方法。
【請求項１３】
水を反応器中に供給することが、ナトリウムおよび水を反応させて第２水性水酸化ナトリウム流れおよび高圧水素を産生するために高圧水を反応器中に供給することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
電気化学セルに電位をかけることが、太陽光発電、地熱、水力、風力、および原子力のうちの少なくとも１つから電気化学セルに電位を供給することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
さらなるナトリウムを形成することが、第２水性水酸化ナトリウム流れを第１水性水酸化ナトリウム流れと組み合わせることを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
水素を産生するためのシステムであって：
ナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れから分離するように設定された分離器；および
分離器からナトリウムを受容し、第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生するために水およびナトリウムを反応させるために設定された反応器と連結された水源
を含む、システム。
【請求項１７】
分離器が：
アノードを有し、水性水酸化ナトリウムを含むように設定されたアノライトチャンバー；
カソードを有し、鉱油を含むように設定されたカソライトチャンバー；
アノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを輸送するように設定された、アノライトチャンバーとカソライトチャンバーとの間に配置された膜；および
膜を通ってアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへとナトリウムカチオンを通過させるために、カソードおよびアノードと電気的に接続された電位源
を含む電解セルを含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
膜が、ＮａＳＩＣＯＮ材料を含むセラミック膜を含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項１９】
水素を不純物および水分から分離するように設定されたガス分離器をさらに含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２０】
ナトリウムが液体を含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２１】
水を加圧するように設定された少なくとも１つのポンプをさらに含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２２】
水素を産生するためのシステムであって：
水性水酸化ナトリウムをナトリウムと水酸化物とに変換するように設定された少なくとも１つの電解セル；
電流を少なくとも１つの電解セルへ供給するために前記少なくとも１つの電解セルに連結された少なくとも１つのエネルギー源；および
水素ガスおよび水性水酸化ナトリウムを産生するために少なくとも１つの電解セルにより産生されるナトリウムを水と反応させるように設定された少なくとも１つの反応器を含む、システム。
【請求項２３】
少なくとも１つの反応器に連結され、この少なくとも１つの反応器により産生される水素から水分および不純物を除去するように設定された、少なくとも１つのガス分離器をさらに含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
少なくとも１つの電解セルが、前記少なくとも１つの電解セルのアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを輸送するように設定されたＮａＳＩＣＯＮ膜を含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２５】
反応器中で産生された水性水酸化ナトリウムを少なくとも１つの電解セルに戻すように設定された少なくとも１つの導管をさらに含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項１】
水素を産生する方法であって：
第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離し；そして
ナトリウムを水と組み合わせて、水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを産生することを含む、方法。
【請求項２】
第２水性水酸化ナトリウム流れを第１水性水酸化ナトリウム流れと組み合わせることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１水性水酸化ナトリウム流れからナトリウムを分離することが：
第１水性水酸化ナトリウム流れを電解セルのアノライトチャンバー中に供給し；
鉱油を電解セルのカソライトチャンバー中に供給し；
電解セル、アノライトチャンバー、およびアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを選択的に輸送するためのセラミック膜により分離されているカソライトチャンバーに電位をかけ；そして
電解セルのカソライトチャンバー中でナトリウムを形成することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
電解セルのカソライトチャンバー中でナトリウムを形成することが：
ナトリウムを産生するためにカソライトチャンバー中でナトリウムカチオンを電子と組み合わせ；そして
ナトリウムを鉱油中に浸すことを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
電解セルのアノライトチャンバー中で水および酸素を形成することを更に含む、請求項３記載の方法。
【請求項６】
ナトリウムを水と組み合わせて高圧水素を産生する前に、ナトリウムおよび水を加圧することを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
水および不純物の少なくとも一部を水素から分離することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
ナトリウムを水と組み合わせて、水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを産生することが：
ナトリウムを反応器中に供給し；
水を反応器中に供給し；
反応器中でナトリウムと水とを反応させ；そして
水素および第２水性水酸化ナトリウム流れを生成させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
反応器中の発熱反応から生じる熱を用いて、ナトリウムおよび水を加熱することをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ナトリウムを反応器中に供給することが、約９８℃よりも高い温度でナトリウムを反応器中に供給することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
水を反応器中に供給することが、過熱水または蒸気を反応器中に供給することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
水素を産生する方法であって：
アノライトチャンバー、カソライトチャンバー、およびアノライトチャンバーとカソライトチャンバーとを分離するセラミック膜を含む電気化学セルを提供し；
第１水性水酸化ナトリウム流れをアノライトチャンバー中に供給し；
鉱油をカソライトチャンバー中に供給し；
セラミック膜を越えてナトリウムカチオンを移動させるために、電気化学セルに電位をかけ；
カソライトチャンバー中でナトリウムを形成し；
カソライトチャンバーから反応器中へナトリウムを供給し；
水を反応器中に供給し；
ナトリウムおよび水を反応させて、第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生し；そして
第２の水性水酸化ナトリウムを用いて更なるナトリウムを形成することを含む、方法。
【請求項１３】
水を反応器中に供給することが、ナトリウムおよび水を反応させて第２水性水酸化ナトリウム流れおよび高圧水素を産生するために高圧水を反応器中に供給することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
電気化学セルに電位をかけることが、太陽光発電、地熱、水力、風力、および原子力のうちの少なくとも１つから電気化学セルに電位を供給することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
さらなるナトリウムを形成することが、第２水性水酸化ナトリウム流れを第１水性水酸化ナトリウム流れと組み合わせることを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
水素を産生するためのシステムであって：
ナトリウムを第１水性水酸化ナトリウム流れから分離するように設定された分離器；および
分離器からナトリウムを受容し、第２水性水酸化ナトリウム流れおよび水素を産生するために水およびナトリウムを反応させるために設定された反応器と連結された水源
を含む、システム。
【請求項１７】
分離器が：
アノードを有し、水性水酸化ナトリウムを含むように設定されたアノライトチャンバー；
カソードを有し、鉱油を含むように設定されたカソライトチャンバー；
アノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを輸送するように設定された、アノライトチャンバーとカソライトチャンバーとの間に配置された膜；および
膜を通ってアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへとナトリウムカチオンを通過させるために、カソードおよびアノードと電気的に接続された電位源
を含む電解セルを含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
膜が、ＮａＳＩＣＯＮ材料を含むセラミック膜を含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項１９】
水素を不純物および水分から分離するように設定されたガス分離器をさらに含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２０】
ナトリウムが液体を含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２１】
水を加圧するように設定された少なくとも１つのポンプをさらに含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項２２】
水素を産生するためのシステムであって：
水性水酸化ナトリウムをナトリウムと水酸化物とに変換するように設定された少なくとも１つの電解セル；
電流を少なくとも１つの電解セルへ供給するために前記少なくとも１つの電解セルに連結された少なくとも１つのエネルギー源；および
水素ガスおよび水性水酸化ナトリウムを産生するために少なくとも１つの電解セルにより産生されるナトリウムを水と反応させるように設定された少なくとも１つの反応器を含む、システム。
【請求項２３】
少なくとも１つの反応器に連結され、この少なくとも１つの反応器により産生される水素から水分および不純物を除去するように設定された、少なくとも１つのガス分離器をさらに含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
少なくとも１つの電解セルが、前記少なくとも１つの電解セルのアノライトチャンバーからカソライトチャンバーへナトリウムカチオンを輸送するように設定されたＮａＳＩＣＯＮ膜を含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２５】
反応器中で産生された水性水酸化ナトリウムを少なくとも１つの電解セルに戻すように設定された少なくとも１つの導管をさらに含む、請求項２２記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１３−５１２８４９（Ｐ２０１３−５１２８４９Ａ）
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４２０３９（Ｐ２０１２−５４２０３９）
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５６２４３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１６５３
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５０１４４５９８８）バテル エナジー アライアンス，エルエルシー (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５６２４３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１６５３
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５０１４４５９８８）バテル エナジー アライアンス，エルエルシー (14)
【Ｆターム（参考）】
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