金属/二氧化碳电池以及包含其的制氢和二氧化碳储存系统的制作方法

本发明涉及金属/二氧化碳电池以及包括该电池的制氢和二氧化碳储存系统。

背景技术：

1、为了应对气候变化的可再生能源的最新发展，正在对电化学水电解进行深入研究。此外，捕获、储存和转化二氧化碳(co2)以减少温室气体排放的技术的重要性正在增加。

2、就价格和储量而言，基于锌/铝(zn/al)的水性电池系统是非常经济的金属负极候选物。基于锌/铝(zn/al)的水性电池系统是一种产生氢气并同时以例如khco3等盐的形式捕获二氧化碳的系统。

3、在相关技术中，已经报道了一种二次电池。该二次电池包括(i)正极单元；(ⅱ)负极单元；和(ⅲ)连接单元。正极单元包括容纳在第一容纳空间中的第一水溶液和至少部分地浸没在第一水溶液中的正极。负极单元包括碱性的并且容纳在第二容纳空间中的第二水溶液和至少部分地浸没在第二水溶液中的金属负极。连接单元包括连接路径以及具有多孔结构的离子传输构件，第一容纳空间通过连接路径与第二容纳空间连通，离子传输构件安装在连接路径中，并被配置为阻挡第一水溶液和第二水溶液的流动，但允许离子移动。

4、在此，该二次电池被配置为使得在放电期间，二氧化碳气体被引入到第一水溶液中，因此通过第一水溶液中的水和二氧化碳气体之间的反应产生氢离子和碳酸氢根离子，并且氢离子与正极的电子结合，从而产生氢气。

5、然而，因为负极和正极之间的距离长，上述二次电池具有高电池电阻。当电池电阻高时，电池的驱动效率大幅降低。当上述二次电池以约80ma的电流放电时，电池电势为负；即，发生了非自发性反应。因此，有必要开发由于其电池电阻低而自发驱动的电池。

技术实现思路

1、在一个优选的方面，提供了一种由于其电池电阻低而具有大幅提高的效率的金属/二氧化碳电池。

2、在一个优选的方面，提供了一种即使当正极或负极的电解液是海水时也能自发驱动的金属/二氧化碳电池。

3、如本文所用，术语“金属/二氧化碳电池”是指一种电化学电池，其使用由纯金属制成的负极和包括co2的环境空气的外部正极。例如，在金属/co2电化学电池放电期间，在空气(co2)正极中发生还原反应，同时金属负极被氧化。示例性负极材料可以包括锂(li)、钠(na)、钾(k)、锌(zn)、镁(mg)、钙(ca)、铝(al)、铁(fe)等。优选地，正极包括用于电化学反应(还原)的催化剂(例如，金属催化剂)和/或催化剂的载体(support)。

4、本发明的目的不限于上述内容。本发明的目的通过以下说明，将能够被清楚地理解，并且通过权利要求书中所记载的手段及其组合来实现。

5、一方面，提供了一种金属/二氧化碳电池，该电池包括：第一板，该第一板包括在其预定位置穿过该第一板形成的第一电解液入口和与该第一电解液入口间隔预定距离并穿过该第一板形成的第一电解液出口；负极，位于第一板的第一侧，并包括穿过负极形成的与第一电解液入口连通的第一连通孔和穿过负极形成的与该第一电解液出口连通的第二连通孔；位于负极的第一侧的隔膜；位于负极和隔膜之间并被配置为支撑负极边缘以在负极和隔膜之间形成空间的隔件(spacer)；位于隔膜的第一侧的正极；和位于正极的第一侧的第二板，该第二板包括在其预定位置穿过该第二板形成的第二电解液入口和与该第二电解液入口间隔预定距离并穿过该第二板形成的第二电解液出口。

6、“第一侧”可以指向“第二侧”的相对侧。例如，第一侧可以指(+)方向，然后第二侧可以指(-)方向。

7、第一板可以包括片状的第一主体和在第一主体的第一表面的中心附近形成为突出并具有预定面积的第一突起，第一电解液入口可以穿过第一突起和第一主体形成在第一突起中，并且第一电解液出口可以穿过第一突起和第一主体形成在第一突起中。

8、第一电解液入口可以形成在第一突起的边缘附近，并且第一电解液出口可以形成在基于第一突起的中心点与第一电解液入口对称的位置处。

9、金属/二氧化碳电池可以进一步包括安装在第一突起的外周表面上的第一垫片(gasket)。

10、负极的面积可以等于或大于第一突起的面积，并且负极可以包括铝、锌或它们的组合。

11、负极的厚度可以为约1毫米至50毫米。

12、隔件可以具有带开口的框架形状，并且可以支撑负极的整个边缘以密封该空间。

13、隔件的厚度可以为约1毫米至10毫米。

14、隔膜的厚度可以为约25微米至250微米。

15、正极可以包括选自碳纸、碳纤维、碳毡、碳布、金属泡沫和金属薄膜中的一种或多种。

16、正极可以包括装载在载体上的贵金属催化剂。

17、第二板可以包括片状的第二主体和在第二主体的第一表面中心附近形成为突出并具有等于或小于正极面积的面积的第二突起，第二电解液入口可以穿过第二突起和第二主体形成在第二突起中，并且第二电解液出口可以穿过第二突起和第二主体形成在第二突起中，并且第二板可以进一步包括形成为从第二突起的表面凹陷的(recessed)流路，流路的一端与第二电解液入口连通，并且流路的另一端与第二电解液出口连通。

18、“第一表面”可以指向“第二表面”的相对表面。例如，第一表面可以面向(+)方向，而第二表面可以面向(-)方向。

19、正极可以与第二突起直接接触。

20、第二电解液入口可以形成在第二突起的边缘附近，并且第二电解液出口可以形成在基于第二突起的中心点与第二电解液入口对称的位置处。

21、金属/二氧化碳电池可以进一步包括安装在第二突起的外周表面上的第二垫片。

22、金属/二氧化碳电池可以进一步包括被配置为将第一板和第二板彼此连接的导线。

23、金属/二氧化碳电池可以被配置为使得可以堆叠包括第一板、负极、隔件、隔膜、正极和第二板的多个结构，绝缘体插入在它们之间。

24、在一个方面，提供了一种制氢和二氧化碳储存系统，该系统包括(i)如本文所述的金属/二氧化碳电池，该金属/二氧化碳电池被配置为使用二氧化碳作为燃料来产生氢气，(ⅱ)第一电解液供应单元，第一电解液供应单元连接到金属/二氧化碳电池的第一电解液入口，并被配置为向金属/二氧化碳电池供应第一电解液，(ⅲ)第二电解液供应单元，第二电解液供应单元连接到金属/二氧化碳电池的第二电解液入口，并被配置为向金属/二氧化碳电池供应第二电解液和二氧化碳，以及(ⅳ)分离单元，分离单元连接到金属/二氧化碳电池的第二电解液出口，并被配置为接收金属/二氧化碳电池的产物，从产物中分离氢气，并回收以盐形式储存的二氧化碳。

25、第一电解液和/或第二电解液可以包括碱性水溶液或海水。

26、下文描述了本发明的其他方面。

1.一种金属/二氧化碳电池，所述金属/二氧化碳电池包括：

2.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中：

3.根据权利要求2所述的金属/二氧化碳电池，其中所述第一电解液入口形成在所述第一突起的边缘附近，并且所述第一电解液出口形成在相对于所述第一突起的中心点与所述第一电解液入口对称的位置处。

4.根据权利要求2所述的金属/二氧化碳电池，其进一步包括安装在所述第一突起的外周表面上的第一垫片。

5.根据权利要求2所述的金属/二氧化碳电池，其中：

6.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中所述负极的厚度为1毫米至50毫米。

7.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中，所述隔件具有带开口的框架形状，并且支撑所述负极的整个边缘以密封所述空间。

8.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中，所述隔件的厚度为约1毫米至10毫米。

9.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中所述隔膜的厚度为约25微米至250微米。

10.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中所述正极包括选自碳纸、碳纤维、碳毡、碳布、金属泡沫和金属薄膜中的一种或多种。

11.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中所述正极包括装载在载体上的贵金属催化剂。

12.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中：

13.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中所述正极与所述第二突起直接接触。

14.根据权利要求12所述的金属/二氧化碳电池，其中所述第二电解液入口形成在所述第二突起的边缘附近，并且所述第二电解液出口形成在相对于所述第二突起的中心点与所述第二电解液入口对称的位置处。

15.根据权利要求12所述的金属/二氧化碳电池，其进一步包括安装在所述第二突起的外周表面上的第二垫片。

16.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其进一步包括被配置为将所述第一板和所述第二板彼此连接的导线。

17.根据权利要求1所述的金属/二氧化碳电池，其中堆叠包括所述第一板、所述负极、所述隔件、所述隔膜、所述正极和所述第二板的多个结构，在堆叠的所述多个结构的每对之间插入绝缘体。

18.一种制氢和二氧化碳储存系统，其包括：

19.根据权利要求18所述的制氢和二氧化碳储存系统，其中所述第一电解液包括碱性水溶液或海水。

20.根据权利要求18所述的制氢和二氧化碳储存系统，其中所述第二电解液包括碱性水溶液或海水。