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TW202500805A - 電化學裝置及系統及其使用方法 - Google Patents

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TW202500805A
TW202500805A TW113118969A TW113118969A TW202500805A TW 202500805 A TW202500805 A TW 202500805A TW 113118969 A TW113118969 A TW 113118969A TW 113118969 A TW113118969 A TW 113118969A TW 202500805 A TW202500805 A TW 202500805A
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central flow
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carbon dioxide
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TW113118969A
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傑西 擔 弗勒利希
尼可拉斯 班傑明 威廉斯
Original Assignee
日商日東電工股份有限公司
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Abstract

本發明大體係關於用於從稀釋進料產生氫氣及/或濃縮二氧化碳之電化學系統。該電化學系統包含電化學電池及電源，且該電化學電池包含各種電化學隔室及若干離子交換膜。亦提供用於產生氫氣及濃縮二氧化碳之方法。

Description

電化學裝置及系統及其使用方法
本發明提供一種電化學裝置及系統及其使用方法。
需要開發可捕獲及濃縮來自稀釋源或混合物(諸如來自煙氣或直接來自空氣)之CO 2之技術。傳統液體吸收捕獲劑(例如胺或氫氧化物)可有效地捕獲CO 2。然而，例如，在胺之情況中，釋放CO 2需要大量能量輸入(呈熱之形式)且胺可遭受由重複加熱循環引起之降級。在氫氧化物之情況下，CO 2以碳酸鹽或碳酸氫鹽之形式固定，且無法在CO 2轉化程序中進一步利用。
水電解可用電作為唯一能量輸入從水電化學產生綠色氫。氫之電化學生產亦產生氫氧化物作為副產物。
因此，需要可在經濟上可行之修改之電化學系統。此等成本需要可藉由同時製造額外之副產物(諸如氫氣)來降低。
因此，需要對修改之電化學系統採用水電解，其可捕獲及濃縮來自稀釋源之CO 2，包含例如來自稀釋之二氧化碳流及/或包含二氧化碳及其他氣體之稀釋混合物。
本發明係關於一種電化學系統，用於濃縮來自給定源之二氧化碳及/或藉由用鋞離子質子化產生之前驅體來產生氫氣。在一些實施例中，電化學系統包含與電能源電連通之電化學電池。
在一種非限制性形式中，電化學裝置可包含：(a)陰極隔室，其包含一定量之陰極催化劑，且經組態以具有向其引入之陰極反應物，且產生氫氣及氫氧根離子；(b)陽極，其包含一定量之陽極催化劑，且經組態以具有經由至少一個陽極反應物流動通道向其引入之用於產生鋞離子之陽極反應物；(c)第一中央流動隔室，其定位於陽極與陰極之間，第一中央流動隔室包含第一中央流動隔室入口、第一中央流動隔室出口及陰離子交換材料，且第一中央流動隔室經組態用於接收氫氧根離子及稀釋之二氧化碳源材料，以產生碳酸根離子及碳酸氫根離子之一者或兩者；(d)第二中央流動隔室，其定位於該陽極與該陰極之間，該第二中央流動隔室包含陽離子交換材料及第二中央流動隔室出口，該第二中央流動隔室經組態用於接收從該第一中央流動隔室產生之碳酸根及碳酸氫根離子以及從該陽極隔室產生之鋞離子之一者或兩者，且該第二中央流動隔室與該第一中央流動隔室分離；(e)陽離子交換膜，其插置於該陽極與該第二中央流動隔室之間，該陽離子交換膜經組態用於阻擋來自該陽極之氫氧根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子及二氧化碳之至少一者；(f)第一陰離子交換膜，其插置於陰極與第一中央流動隔室之間，該第一陰離子交換膜經組態以將氫氧根離子傳遞至該第一中央流動隔室，且阻擋來自該陰極之二氧化碳及鋞離子之至少一者；(g)第二陰離子交換膜，其插置於第一與第二中央流動隔室之間，該第二陰離子交換膜經組態以將碳酸根離子及碳酸氫根離子之至少一者傳遞至該第二中央流動隔室，且阻擋來自該第一中央流動隔室之二氧化碳離子及鋞離子之至少一者；以及(h)電能源，其經組態以跨陽極及陰極施加電位差。在水電化學轉化為氫氧根離子期間，陰極催化劑之至少一部分可直接曝露於水源反應物，氫氧根離子繼而可用於在第一中央流動隔室中將二氧化碳氣體轉化為碳酸根及/或碳酸氫根。碳酸根及/或碳酸氫根可進一步用於在第二中央流動隔室中產生二氧化碳(CO 2)。在一些形式中，第二中央流動隔室可界定第二中央流動隔室入口，且第二中央流動隔室可定位於第一中央流動隔室與陽極之間。此外，第一中央流動隔室可定位於第二流動隔室與陰極之間。在一或多個形式中，第一中央流動隔室可包含陰離子交換材料及/或第二中央流動隔室可包含陽離子交換材料。
在另一實施例中，一種方法包含使電活性陰極與水源材料接觸以轉化水(H 2O)轉化為氫氣(H 2)及氫氧根離子(OH -)；將形成之氫氣及氫氧根離子(OH -)與陰極分離；使氫氧根離子(OH -)通過第一陰離子交換膜；將稀釋之二氧化碳源材料傳遞至第一中央流動隔室中；將氫氧根離子(OH -)傳遞至含有陰離子交換材料及稀釋二氧化碳源材料之第一中央流動隔室；使形成之OH-與稀釋之二氧化碳源材料相互作用以產生碳酸根(CO 3 2-)及/或碳酸氫根(HCO 3 -)離子；使來自第一流動隔室之CO 3 2-離子及/或HCO 3 -離子通過第二陰離子交換膜且進入第二中央流動隔室；將電活性陽極與水源材料接觸以在陽極隔室中將水源轉化為鋞離子；將鋞離子與該陽極分離；透過將該第二中央流動隔室與該陽極隔室分離之陽離子交換膜選擇性地將鋞離子傳遞至該第二中央流動隔室中；及在該第二中央流動隔室中用來自第一中央流動隔室之CO 3 2-離子及/或HCO 3 -離子及來自陽極隔室之鋞離子形成二氧化碳。例如，CO 3 2-及或HCO 3 -可經質子化以在第二中央流動隔室中形成二氧化碳。該方法亦可包含沿著流體流動路徑從第二中央流動隔室移除二氧化碳產物流出物。在一個態樣中，第一中央流動隔室中之稀釋之二氧化碳源材料之二氧化碳濃度小於第二中央流動隔室中產生之二氧化碳濃度。
在另一實施例中，電化學系統包含與電能源電連通之電化學電池。電化學電池包含陰極隔室、第一中央流動隔室、第二中央流動隔室、陽極隔室、定位於陰極隔室與第一中央流動隔室之間之第一陰離子交換膜、定位於第一中央流動隔室與第二中央流動隔室之間之第二陰離子交換膜以及定位於第二中央流動隔室與陽極隔室之間之陽離子交換膜。在用電能源施加跨陽極及陰極之電位差時，陰極隔室經組態以從水產生氫氣及氫氧根離子，陽極隔室經組態以從水產生鋞離子，第一中央流動隔室經組態以從來自陰極隔室之氫氧根離子及二氧化碳源材料產生碳酸根及/或碳酸氫根，且第二中央流動隔室經組態以從來自陽極隔室之鋞離子及來自第一中央流動隔室產生碳酸根及/或碳酸氫根離子產生二氧化碳。在一或多個形式中，第一中央流動隔室包含第一中央流動隔室入口及/或第一中央流動隔室出口，及/或第二中央流動隔室包含第二中央流動隔室入口及/或第二中央流動隔室出口。
在又一實施例中，電化學裝置包含陰極隔室，其可包含陰極集電器、氣流通道入口、氣體擴散電極(GDE)結構及GDE電催化劑層。電化學裝置可進一步包含陽極隔室，該陽極隔室包含陽極基集電器、陽極電解液入口、陽極擴散層及陽極催化劑。在一個形式中，第一中央流動隔室包含陰離子交換材料及/或第二中央流動隔室包含陽離子交換材料。在一個態樣中，電化學電池可經組態以同時產生氫氣及濃縮二氧化碳。
在又一實施例中，一種方法包含將電活性陰極與水源材料接觸以將水(H 2O)轉化為氫氣及氫氧根離子(OH -)；將氫氧根離子(OH -)與陰極分離；使氫氧根離子(OH -)通過第一陰離子交換膜；將稀釋之二氧化碳材料源傳遞至含有陰離子交換材料之第一中央流動隔室；將形成之氫氧根離子(OH -)與稀釋之二氧化碳源材料相互作用以轉化CO 2以形成碳酸根(CO 3 2-)及/或碳酸氫根(HCO 3 -)；使(CO 3 2-)及/或(HCO 3 -)從第一中央流動隔室通過第二陰離子交換膜至第二中央流動隔室中；將電活性陽極與水源接觸以將水源轉化為鋞離子；將鋞離子與該陽極分離；透過將該第二中央流動隔室與該陽極隔室分離之陽離子交換膜將鋞離子傳遞至該第二中央流動隔室中；在該第二中央流動隔室中用從第一中央流動隔室運輸之CO 3 2-及/或HCO 3 -及來自陽極隔室之鋞離子形成二氧化碳。第二中央流動隔室中二氧化碳之產生可源自經質子化形成二氧化碳之HCO 3 -及/或CO 3 2-。該方法亦可包含從陰極所定位之陰極隔室移除氫產物流出物，及/或從第二中央流動隔室移除二氧化碳產物流出物。在一個態樣中，稀釋之二氧化碳源材料中之二氧化碳濃度可低於第二中央流動隔室產生之二氧化碳。
下文更詳細描述此等及其他實施例。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2023年5月22日申請之美國臨時專利申請案第63/503,687號之權利。
水電解可用於用電作為唯一能量輸入從水電化學產生綠色氫。在本文描述之一些實施例中，可利用水電解期間產生之氫氧根離子之裝置可用於從稀釋之二氧化碳流或源材料形成碳酸根及/或碳酸氫根。碳酸根及/或碳酸氫根接著可通過陰離子交換膜，且曝露於在水電解槽之陽極側產生之質子。質子與碳酸根或碳酸氫根之反應可產生接著可收集之濃縮之CO 2氣體。
在一些實施例中，綠色氫可與捕獲及濃縮CO 2同時產生。在一個態樣中，提供一種用於產生氫氣之電化學系統及/或裝置。作為額外或替代態樣，提供一種與濃縮稀釋之二氧化碳流或環境相關之方法。在一些形式中，電化學系統及/或裝置可產生氫氧根離子且形成中間體，諸如碳酸根及/或碳酸氫根離子。在一些形式中，電化學系統可使產生之碳酸根及/或碳酸氫根離子與鋞離子反應且產生二氧化碳。在一些形式中，產生之二氧化碳可比第一或最初之稀釋二氧化碳進料具有更高之濃度。在一些實施例中，電化學系統及/或裝置可濃縮、提取及/或捕獲混合氣體中存在之二氧化碳，諸如藉由非限制性實例，排氣煙道及/或直接空氣捕獲環境。
在一些形式中，電化學系統及/或裝置可具備經組態以隔離各自元素以減少副反應之配置。例如，系統或裝置可包含將陰極與正離子隔離之配置，及/或系統或裝置可包含將陽極與負離子隔離之配置。在一些形式中，酸性環境可用於將產生之碳酸根及/或碳酸氫根轉化為可收集之CO 2氣體。本文描述之電化學系統及/或裝置在本文亦可被稱為電解槽或電化學電池。
如本文所用，術語「離子連通」係指本文描述之分量或元素之間之離子通道。藉由實例，此可包含離子之實際流動或僅僅影響電荷通過或產生離子成員(諸如碳酸鹽、碳酸氫鹽、氫氧化物及/或鋞離子)之離子接觸。
如本文所用，「離子傳導路徑」係指在施加由電源提供之電壓時，容許帶電粒子從陽極流向陰極或從陰極流向陽極之離子連通。實例可包含從陰極向陽極移動之碳酸根、碳酸氫根及/或氫氧根離子，或從陽極向陰極移動之鋞離子。
如本文所用，「稀釋」係指較低位準或濃度之化學品，諸如(例如)二氧化碳。
圖1係系統10之示意性繪示，該系統10可用於將選擇之反應物(諸如水)電化學還原成選擇之產物(諸如氫氣)。在一些形式中，系統10可經組態以在所選擇產物之生產期間控制pH位準。系統10可經組態用於直接產生氫氣及/或濃縮二氧化碳。使用系統10將陽極二氧化碳之形成與氫氣之陰極產生分離、隔離及/或隔開以提供增加之法拉第效率亦係可能的及經考慮的。
在一個形式中，系統10之操作可涉及根據以下總化學方程式之反應： 陽極反應：2 H 2O à 4 H ++ 4 e -+ O 2(1) 陰極反應：2 H 2O (l) + 2 e -à 2 OH -+ H 2(2) 第一中央流動隔室反應：OH -+ CO 2à CO 3 2-或HCO 3 -(3) 第二中央流動隔室(參見下文)反應： H ++ HCO 3 -(碳酸氫根)/ CO 3 2-(碳酸根) à 二氧化碳 (CO 2) (4)
根據以下方程式，在陰極處可發生潛在之競爭之、形成水之副反應： 水形成反應(在包含陰極之陰極隔室內)：H ++ OH -à H 2O (5)
據信，水形成反應(5)及陰極反應(2)兩者可發生在陰極隔室中，儘管陰極隔室之pH可影響潛在之競爭反應是否發生。進一步據信，由於陰極隔室之pH環境通常會隨著功能裝置產量之增加而增加，因此反應(2)可以大得多之量速率發生，且減少反應(5)中描述之反應。
如圖1中繪示，系統10包含電化學電池或裝置12及與電化學裝置12進行電連通之電能源14。如圖2中展示，電化學電池12可實施為具有至少四個電化學隔室、元件或區之劃分之電化學電池。例如，在繪示之形式中，電化學電池12包含陰極隔室22、第一中央流動隔室24、第二中央流動隔室26及陽極隔室28。在繪示之形式中，第一陰離子交換膜32定位於陰極隔室22與第一中央流動隔室24之間，第二陰離子交換膜34位於定位於第一中央流動隔室24與第二中央流動隔室26之間，且陽離子交換膜36定位於第二中央流動隔室26與陽極隔室28之間。第一陰離子交換膜32、第二陰離子交換膜34及陽離子交換膜36可分別形成、界定或分離隔室22、24、26及28。
在一些實施例中，電化學電池12可界定載體介質之流體流動路徑及/或可界定單獨之離子傳導路徑。在一些實施例中，電化學電池12可耦合至電能源14，該電能源14可在正的經連接之陽極42與負的經連接之陰極52之間產生電位，陰極52亦可被稱為氣體擴散電極(GDE)陰極結構。電能源可提供DC電壓，其正端子在陽極42上且負端子在陰極52上。能源14可經組態以向電化學電池12或本文描述之其他電化學系統提供恆定電壓或恆定電流，儘管考慮電源之變化。
再次參考陰極隔室22，其包含陰極總成50，且亦可包含一定量之陰極催化劑，且經組態以產生氫氣及氫氧根離子。在一或多個形式中，陰極隔室22可將氫氣及/或氫氧根離子轉移或傳遞至第一中央流動隔室24。陰極隔室22經組態使得在水電化學轉化為氫氧根離子期間，包含在其中之陰極催化劑之至少一部分可直接曝露於水源反應物，氫氧根離子接著可用於在第一中央流動隔室24中將二氧化碳氣體轉化為碳酸根及/或碳酸氫根。
如繪示，陰極總成50包含第一氣體擴散電極(GDE)結構及陰極集電器52。出於本發明之目的，術語「結構」及「層」被視為等效的。陰極集電器52可利用各種設計來流動及分配氣體(諸如水蒸氣(H 2O))氣體進入及離開GDE反應區，且容許氣體(諸如產生之氫氣(H 2))以從陰極隔室22排出。據信，在陰極隔室22中產生H 2氣體時，產生之氣體將膨脹、聚結且至少透過界定之陰極出口58從陰極隔室22逸出。可利用之一種類型之流動設計係蛇形設計，其中反應物氣體沿著蝕刻在陰極集電器52中之氣流增壓圖案進入且經過GDE電極反應區。
陰極隔室22可具有通過陰極流入口57之陰極反應物(諸如水，其可係適當地蒸發之水)及通過陰極流出口58流出之產生之氫氣(H 2氣體)出口流。
在一或多個形式中，陰極隔室22、陰離子交換膜32及34、陽離子交換膜36、第一及第二中央流動隔室24及26以及陽極隔室28之一或多者可經潤濕或水合，以提供足夠之水合，用於容許離子傳導、離子通過等。例如在第一中央流動隔室24中之電化學電池12內之水、例如在第二中央流動隔室26中之電化學電池12內之電解質、或來自電化學電池12內之二氧化碳源之加濕稀釋二氧化碳源之存在可為水解及/或產生氫氧根離子及/或碳酸根及/或碳酸氫根提供足夠之水，因此至水源之任何額外外部連接可係選用的。在一些形式中，在電化學電池12中之此等位置之一或多者處之水、電解質及加濕稀釋二氧化碳之存在可提供足夠之水，以在第一中央流動隔室24中提供足夠之水合，以控制裝置CO 2捕捉效能且防止氣體透過乾膜滲透。藉由實例，藉由使水通過陰極流入口57，可促進來自外部水源之期望潤濕。在繪示時，亦可考慮其中陰極隔室22可不包含陰極流入口57及/或其中陰極流入口57未界定在陰極隔室22內之形式。
陰極總成50之第一氣體擴散電極可包含第一陰極GDE氣體擴散層(諸如氣體擴散層54)，及第一陰極GDE電催化劑層，諸如層56。氣體擴散層可提供析氫反應催化劑(HER催化劑)進入GDE電催化劑層之分配。在一些實施例中，GDE電催化劑層(陰極或陽極GDE電催化劑層)可包含沈積在第一GDE氣體擴散層上之金屬及/或金屬氧化物以及各種非金屬及非金屬化合物之高表面積細顆粒或奈米顆粒之之沈積物，該第一GDE氣體擴散層係水(H 2O)可電化學還原成鋞離子(及接著氫氣)及氫氧根離子(OH -)之區。在一些實施例中，電催化劑材料可與高表面積導電基板材料(諸如碳紙、粉末碳及類似者)混合或已接合至高表面積導電基板材料上。在一些實施例中，亦可應用一定重量百分比之各種接合劑來幫助GDE電催化劑層56黏附於GDE氣體擴散層54。此等接合劑之非限制性實例包含聚四氟乙烯(PTFE)或與陰離子交換膜組合物相同之聚合物官能化離子交換單體，諸如咪唑。在一些實施例中，GDE電催化劑層56可經改性以提供疏水性及親水性之平衡，以獲得所需之H 2O還原反應化學及傳質。在一些態樣中，GDE電催化劑對於可存在於H 2O還原至鄰近陰極之氫氧根離子中之潛在酸性、中性或鹼性條件可係化學穩定的。
在一些形式中，陰極GDE電催化劑層56可包含析氫反應催化劑(HER催化劑)。HER催化劑經結構化以將水還原成氫氣(H 2)及/或氫氧根離子(OH-)。在一些形式中，電化學電池中之HER催化劑或陰極GDE陰極電催化劑層可包含含有Bi、Ni、Pt及/或Pd，以及過渡金屬、其等之氧化物及其等之金屬合金，包含二元、三元及四元合金以及更高之合金及類似者之組合物。在一些形式中，電催化劑可包含沈積在導電基板載體(諸如碳或石墨)上之金屬混合物及/或金屬及氧化物之組合。在一些形式中，沈積之電催化劑之尺寸可在奈米顆粒尺寸範圍或更大範圍內，包含藉由非限制性實例在約0.5 nm至約1000 nm、約0.5至約1 nm、約1至約5 nm、約5至約10 nm、約10至約25 nm、約25至約50 nm、約50至約100 nm、約100至約250 nm、約250至約500 nm、約500至約1000 nm、或約0.5至約100 nm、約100至約1000 nm、約1000 nm或更大的範圍內，或在由此等值之任一者約束之範圍內之任何尺寸。在一些形式中，沈積之電催化劑亦可以此等金屬、金屬氧化物及金屬合金之多個塗層或層施加至選擇之導電載體上。在一些形式中，沈積之電催化劑接著可使用各種大氣氣體(諸如氧氣、氮氣、氫氣及類似者)進一步熱處理，或在真空下熱處理，以將電催化劑轉化為金屬間化合物及/或氧化物。若陰極產物係氫氣、鋞離子及/或氫氧根離子，則在陰極反應條件下，電催化劑可耐鹼性或酸性條件。在其他形式中，可選擇所選擇之催化劑來產生所選擇之還原產物，例如OH-或氫氧根以外之產物(例如陰離子中間產物，諸如碳酸根或碳酸氫根)，或反應或轉化為所需之最終產物(例如二氧化碳)。在一些形式中，例如在此等實施例中可利用且濃縮稀釋之二氧化碳流，用於例如移除二氧化碳。
在一些形式中，導電電催化劑支撐件材料可包含碳、石墨、鈦次氧化物(諸如Ti 4O 7及Ti 5O 9)、金屬及金屬氧化物顆粒、導電氮化物化合物、由矽及鍺製成之摻雜半導體及以高表面積粉末、纖維及其他實體上可獲得之形式商業上用於燃料電池之其他材料。在一些實例中，支撐件材料上之電催化劑接著可施加至GDE氣體擴散層導電陰極基板上，以便在GDE結構上形成電催化劑層。GDE導電支撐件上之電催化劑可藉由任何合適之方法施加，包含當將催化劑混合物放置在溶劑或液體載體中時之噴霧沈積、藉由噴墨及氣刷方法之沈積及類似者。其他方法包含製備及施加濕膏，其等接著可在熱及壓力下乾燥、凝固且接合至GDL基板上。容許H 2氣體從陰極出口流出及/或氫氧根離子進入第一中央流動隔室之GDL基板可由各種材料構成，諸如呈平面纖維及紙、氈及類似者之形式之導電碳或石墨。在一些形式中，GDL亦可包含額外材料(諸如一層金屬網或金屬顆粒)，以在GDE結構內及向陰極集電器提供良好導電性。
在一些形式中，本文描述之電化學電池可包含由第一陰離子交換膜、第二陰離子交換膜及/或定位陰離子交換膜之剛性板約束、界定及/或封閉之第一中央流動隔室或流動通道。在一些形式中，第一中央流動隔室可定位於陽極與陰極之間。在一些形式中，第一中央流動隔室可包含或界定第一中央流動隔室入口。在一些形式中，第一中央流動隔室可包含或界定第一中央流動隔室出口。在一些形式中，第一中央流動隔室可包含或含有陰離子交換材料。在一些形式中，第一中央流動隔室可透過第一中央流動隔室入口接收來自陰極隔室之氫氧根離子及稀釋之二氧化碳源材料。在一些形式中，氫氧根離子及稀釋之二氧化碳源材料可在第一中央流動隔室內產生碳酸根及/或碳酸氫根離子。
在一些形式中，本文描述之電化學電池可包含由第二陰離子交換膜、陽離子交換膜及/或定位陰離子/陽離子交換膜之剛性板約束、界定及/或封閉之第二中央流動隔室或流動通道。在一些形式中，第二中央流動隔室可定位於陽極與陰極之間。在一些形式中，第二中央流動隔室從第一中央流動隔室及/或透過第一陰離子交換膜接收碳酸根離子及/或碳酸氫根離子。第二中央流動隔室可包含或含有一或多個形式之陽離子交換材料。在一些形式中，第二中央流動隔室可界定及/或具有第二中央流動隔室出口，且第二中央流動隔室可接收從第一中央流動隔室產生之碳酸根及/或碳酸氫根離子以及從陽極隔室產生之鋞離子。在一些形式中，第二中央流動隔室可與第一中央流動隔室分離及/或不同。
在一些形式中，電化學電池可包含第一陰離子交換膜，且第一陰離子交換膜可插置及/或安置在陰極與第一中央流動隔室之間。在一些形式中，第一陰離子交換膜可將氫氧根離子傳遞至第一中央流動隔室，且第一陰離子交換膜可經組態以阻擋來自陰極之二氧化碳及/或鋞離子。
在一些形式中，電化學電池可包含第二陰離子交換膜，且第二陰離子交換膜可插置及/或安置在第一與第二中央流動隔室之間。在一些形式中，第二陰離子交換膜可將在第一中央流動隔室內產生之碳酸根及/或碳酸氫根離子傳遞至第二中央流動隔室。第二陰離子膜可經組態以阻擋來自第一中央流動隔室之二氧化碳及/或鋞離子。在一些形式中，第二陰離子交換膜可插置或安置在第一中央流動隔室與第二中央流動隔室之間。在一個非限制性組態中，陰極隔室、第一中央流動隔室、第二中央流動隔室及陽極隔室之配置可界定電解槽縱向軸，例如，穿過此等各自隔室之中央點及/或從陰極隔室延伸至陽極隔室之線。
用於第一陰離子交換膜及第二陰離子交換膜之合適材料之非限制性實例包含Sustanion (Dioxide Materials)或PiperION (Fuel Cell Store)。此外，在一個非限制性形式中，在第一中央流動隔室中可存在鹼性樹脂，其非限制性實例可包含Amberlite IRN78 OH形式(ACROS)或Amberlyst A26 OH形式(ACROS)。在一或多個形式中，陽離子交換膜可係增強材料(諸如Nafion N324 (IonPower))或自支撐材料(諸如Aquivion(Fuel Cell Store))，或其等某一組合及類似者。
在一些實施例中，第一陰離子交換膜32及第二陰離子交換膜34可經組態以選擇性地阻擋或減少陽離子(例如鋞離子)之離子流進入陰極隔室及/或第一中央流動隔室中。另外或替代地，第一陰離子交換膜32及第二陰離子交換膜34可經組態以選擇性地阻擋或減少氣體材料在陰極與第一中央流動隔室及/或第一與第二中央流動隔室之間之通過。第一陰離子交換膜32及第二陰離子交換膜34亦可選擇性地為產生之氫氧根離子提供從陰極隔室至第一中央流之離子傳導路徑。在進入第一及/或第二隔室時，且結合引入及/或提供稀釋之二氧化碳(CO 2)源材料，碳酸根(CO 3 2-)及/或碳酸氫根(HCO 3 -)由產生之氫氧根離子及引入或提供之稀釋二氧化碳源材料形成。在一些形式中，第一陰離子交換膜32及第二陰離子交換膜34可經組態以在從第一中央流動隔室(較高濃度之碳酸根或碳酸氫根)至陰極隔室(較低濃度之碳酸根或碳酸氫根)之濃度梯度之影響下選擇性地阻擋或減少碳酸根或碳酸氫根之自由擴散。另外或替代地，第一陰離子交換膜32及第二陰離子交換膜34可經組態以選擇性地阻擋或減少二氧化碳之自由擴散。據信，相對離子(諸如(例如)鈉或鉀)之缺乏或低濃度可使碳酸根/碳酸氫根之溶解度最小化。因此，碳酸根/碳酸氫根向第一及第二中央流動隔室之運輸可藉由與鹼性樹脂內之陽離子官能團之相互作用以及此碳酸根/碳酸氫根在樹脂或各自膜內從陽離子官能團至陽離子官能團之通過而受限制。在一些形式中，第一陰離子交換膜及第二陰離子交換膜可容許鄰近陰極產生之氫氧根(OH-)離子進入第一中央流動隔室中，以與第一中央流動隔室中之稀釋二氧化碳源材料相互作用。在一些實施例中，第二陰離子交換膜可容許在第一中央流動隔室內產生之碳酸根/碳酸氫根(CO 3 2-或HCO 3 -)離子進入第二中央流動隔室以與運輸至第二中央流動隔室中之鋞離子相互作用。
界定之第一中央流動隔室入口60可灌注稀釋之二氧化碳源材料及/或流至第一中央流動隔室24中。在一些形式中，稀釋之二氧化碳源材料或流可包含除二氧化碳之外之其他氣體，其等之非限制性實例包含大氣氣體、氫氣、煙道氣、一氧化碳、惰性氣體、碳氫化合物氣體(例如但不限於甲烷、乙烯、丙烷、沼氣混合物及廢物氣體)。在一些形式中，二氧化碳可選擇性地從稀釋之二氧化碳源材料或氣流中存在之前述其他氣體移除。在一或多個形式中，稀釋之二氧化碳源材料或流可與CO 2一起引入至第一中央流動隔室24中，濃度在約0.04%至約10%之範圍內，約0.04%至約1.0%之範圍內，約1%至約5%之範圍內，約5%至約10%之範圍內，約10%至約20%之範圍內，約20%至約100%之範圍內，或由此等值之任一者約束之範圍內之任何尺寸。此外，稀釋之二氧化碳源材料或流可以約1 scc/min至約10,000 scc/min之範圍內、約1 scc/min至約10 scc/min之範圍內、約10 scc/min至約100 scc/min之範圍內、約100 scc/min至約1000 scc/min之範圍內、約1000 scc/min至約5000 scc/min nm之範圍內、在約5000 scc/min至約10000 scc/min之範圍內或更大或由此等值之任一者界定之範圍內之任何大小之流速(以標準立方公分/分鐘(scc/min)量測)引入至第一中央流動隔室24中。
界定之第一中央流動隔室出口62可從第一中央流動隔室24流出耗盡之(移除或使用之二氧化碳)二氧化碳源材料。在一些實施例中，出口62可界定在第一中央流動隔室24之頂部，以容許耗盡之稀釋二氧化碳從其釋放。在一些實施例中，第一中央流動隔室已接收、轉移或傳遞來自陰極隔室22之其氫氧根離子。在一些形式中，第一中央流動隔室24可含有多孔介質或樹脂70，諸如陰離子交換(鹼性)樹脂及類似者。陰離子交換樹脂可包含例如陽離子官能團(諸如銨)，儘管其他變化亦係可能的。據信，帶正電荷之官能團(諸如銨)可支撐碳酸根、碳酸氫根或氫氧根陰離子或與之相互作用，以幫助碳酸根、碳酸氫根及/或氫氧根離子通過其中。雖然不旨在受任何理論之約束，但此可限制氫氧根離子從陰極隔室22內至第一中央流動隔室24之運輸或移動。由於不存在或存在低濃度之相對離子(諸如鈉或鉀)，此將實現水溶性，氫氧根離子透過陰離子交換膜之運輸可透過氫氧根離子、碳酸根離子及/或碳酸氫根離子與膜上之陽離子官能團之相互作用透過陰離子交換膜限制。在一些形式中，陽離子官能團之存在可為與氫氧根離子、碳酸根離子及/或碳酸氫根離子相互作用提供基礎，該等離子可經傳達或運輸至第二中央流動隔室。在一些形式中，透過連接電路向陽極及陰極施加電流可對產生之碳酸根、碳酸氫根、氫氧根及/或鋞離子提供額外電荷影響。例如，陰極之負極性將吸引鋞離子，且陽極之正極性將吸引產生之氫氧根離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子。
應瞭解，包含至少第一中央流動隔室及第二中央流動隔室可另外實體地、離子地及/或化學地將陰極隔室與產生之碳酸氫根、碳酸氫根、二氧化碳及/或鋞離子分離、隔開及/或隔離。
在一些形式中，電化學電池可包含流體流動路徑，該流體流動路徑由界定陰極隔室22、陽極隔室28、第一中央流動隔室24及第二中央流動隔室26之壁或元件內之一或多個通道界定。在一些形式中，例如，將稀釋之二氧化碳流提供至第一中央流動隔室24中可界定流體流動路徑。據信，由於氫氧根離子跨第一陰離子膜32從陰極隔室22擴散或離子透射至第一中央流動隔室24中，一些氫氧根離子、碳酸根、碳酸氫根及/或二氧化碳可存在於第一中央流動隔室24及/或陰極隔室22中。此外，向第一中央隔室24提供稀釋之二氧化碳氣體源可導致在第二中央流動隔室26中形成之二氧化碳擴散以穿過第二陰離子交換膜34進入第一中央流動隔室24中及/或鋞離子擴散至第一中央流動隔室24中且與存在於其中之氫氧根離子、碳酸根、碳酸氫根及/或二氧化碳相互作用。流體流動路徑可促進增加本文描述之實施例之法拉第效率及改良電解生產。在一些形式中，流體流動路徑可將二氧化碳及/或鋞離子從第一中央流動隔室24沖洗或返回至第二中央流動隔室26。
在一些實施例中，界定之第二中央流動隔室入口64可將水灌注於第二中央流動隔室中。界定之第二中央流動隔室出口66可從第二中央流動隔室26流出產生及/或濃縮之二氧化碳。在一些形式中，任何產生之氣體(諸如在陰極隔室22產生之氫氣或在第二中央流動隔室26產生之二氧化碳)之路徑、輸入或傳遞至第一中央流動隔室24中之任何稀釋之二氧化碳源材料之路徑及/或輸入至第一中央流動隔室24中之任何選用水之路徑可界定電化學電池12內之流體流動路徑。
在一些形式中，陰極隔室22、第一中央流動隔室24、第二中央流動隔室26、陽極隔室28、第一及第二陰離子交換膜32、34及陽離子交換膜36之配置可界定離子傳導路徑，用於選擇性地將產生之氫氧根離子從陰極隔室22傳達及/或運輸至第一中央流動隔室24，將碳酸根離子及碳酸氫根離子從第一流動隔室24傳達及/或運輸至第二中央流動隔室26及/或將產生之鋞離子從陽極隔室28傳達及/或運輸至第二中央流動隔室26，以彼此相互作用且產生二氧化碳。在一些形式中，離子傳導路徑包含穿過第一陰離子交換膜32且進入第一中央流動隔室24之路徑。離子傳導路徑亦可包含穿過第二陰離子交換膜34且從第一中央流動隔室24進入第二中央流動隔室26中之路徑。離子傳導路徑亦可包含穿過陽離子交換膜36且從陽極隔室28進入第二中央流動隔室26之路徑。藉由非限制性實例，一些形式可包含三個離子傳導路徑：第一離子傳導路徑，其穿過第一陰離子交換膜32及/或實質上平行於從陰極隔室22至第一中央流動隔室24之縱向電化學電池軸；第二離子傳導路徑，其從第一中央流24至第二中央流動隔室26，該第二離子傳導路徑可例如從第一中央流動隔室24延伸穿過第二陰離子交換膜34且進入第二中央流動隔室26中；及第三離子傳導路徑，其穿過陽離子交換膜36及/或實質上平行於從陽極隔室28至第二中央流動隔室26之縱向電化學電池軸。
在一些形式中，離子傳導路徑及流體流動路徑可實質上彼此垂直，例如，如圖2所展示。進入第一中央流動隔室入口57中之載流體可係去離子水或適當選擇之氣體。在一些形式中，輸入之稀釋二氧化碳源材料之流可從第一中央流動隔室入口60至少穿過第一中央流動隔室24，且耗盡之稀釋二氧化碳源材料可向外穿過第一中央流動隔室出口62。當從入口傳遞至出口時，流出氣體(諸如氫氣、稀釋至耗盡之稀釋二氧化碳源材料及/或在第二中央流動隔室產生之或濃縮之二氧化碳氣體)之一般流動方向可至少傾斜或垂直於穿過第一陰離子交換膜32及/或第二陰離子交換膜34之氫氧根、碳酸根、碳酸氫根及/或鋞離子之一般流動方向，儘管其他變化係可能的及經考慮的。
如上文討論，本文描述之電化學電池12亦包含第二中央流動隔室26，該第二中央流動隔室26可由陽離子交換膜36、第二陰離子交換膜34及/或固持各自膜之剛性板約束、界定及/或封閉。在一些形式中，陽離子交換膜36可安置及/或插置於第二中央流動隔室26與陽極隔室28之間。在一些形式中，陽離子交換膜36可阻擋或減少陰離子及中性材料(諸如氫氧根離子、碳酸根、碳酸氫根及/或二氧化碳)分別進入陽極隔室28之離子流。陽離子交換膜36可容許在陽極隔室28內產生之鋞離子(H +或H 3O +)離子進入第二中央流動隔室26中，以相互作用、反應及/或轉化運輸至其之碳酸根及/或碳酸氫根。在所繪示之形式中，第二中央流動隔室包含多孔介質或樹脂72，其可係陽離子(酸性)交換樹脂或類似者，以增強第二中央流動隔室26中之導電性，其中二氧化碳溶液產物可由從第一中央隔室24接收、進入或運輸之碳酸根及/或碳酸氫根以及從陽極隔室28產生及運輸之鋞離子形成。在第二中央流動隔室26中，鋞離子可透過陽離子交換膜36進入隔室，且碳酸根及/或碳酸氫根可至少透過第二陰離子交換膜34進入隔室。鋞離子及碳酸根/碳酸氫根之離子組合可在第二中央流動隔室26中形成二氧化碳。在一些形式中，產生之二氧化碳氣體接著可透過第二中央流動隔室出口66排出第二中央流動隔室26。第二中央流動隔室出口66可界定在第二中央流動隔室26之頂部內，以釋放其中產生之氣體。在一些形式中，第二中央流動隔室輸入64可提供水以提供水合作用，或提供用於陰極隔室22之水以維持陰極隔室22中之離子導電性及/或氫氧根離子之產生。在一些形式中，產生之二氧化碳產物接著可作為更濃縮位準之二氧化碳產物透過第二中央流動隔室出口66離開第二中央流動隔室26。
在一些形式中，第一中央流動隔室24及第二中央流動隔室26可彼此並置，儘管其他變化係可能的。在一個形式中，陰離子交換膜32將第一中央流動隔室24及第二中央流動隔室26分離及/或劃分。第一陰離子交換膜32及/或穿過其之離子傳導路徑可具有相對於陰極界面表面積59約33%或更大、約50%或更大、或約75%或更大及/或相對於陽極界面表面積49、陰極之曝露表面積及/或產生之氫氧根離子可從陰極隔室22傳遞至第一中央流動隔室24之表面積約33%或更大、約50%或更大、或約75%或更大之界面表面積。在一些實施例中，離子傳導路徑(諸如產生之碳酸根離子及/或碳酸氫根離子之路徑)可透過陰離子交換膜32在第一中央流動隔室24與第二中央流動隔室26之間界定或產生。在陽極上之正電位及/或陰極上之負電位之影響下，氫氧根、碳酸根及/或碳酸氫根離子可朝向陽極隔室28受影響。此外，在陽極之正電位及/或陰極上之負電位之影響下，鋞離子可朝向陰極隔室22受影響。在一些形式中，離子傳導路徑可實質上平行於縱向電化學電池(陰極-陽極)軸。在一些形式中，第二陰離子交換膜34平行提供碳酸根及/或碳酸氫根在第一中央流動隔室24與第二中央流動隔室26之間之交越，同時來自陰極隔室22之流體流動路徑(例如其中產生之氫氣之流動)、來自第一中央流動隔室24之流體流動(例如提供至第一中央流動隔室之稀釋二氧化碳之選用流動)及/或來自第二中央流動隔室26之流動(例如其中產生之二氧化碳氣體之流動)可提供在相反方向、相同方向上流動之流動主體，在各自中央流動隔室之同一側、不同側或相對側流出，及/或以相同或不同之流速流出。
如上文提及，電化學電池12包含陽極隔室28，其可包含一定量之陽極催化劑。此外，在一些形式中，陽極隔室28可包含陽極反應物(諸如水)，儘管亦考慮其他變化。陽極反應物可經由至少一個陽極反應物流動通道47引入陽極隔室28中。在一些形式中，陽極可產生鋞離子，且產生之鋞離子可經轉移或傳遞至第二中央流動隔室26且由其接收。在一些形式中，陽極隔室28可另外或替代地包含陽極GDE收集器、陽極GDE催化層及/或陽極總成，諸如陽極總成40。陽極總成40可緊鄰陽離子交換膜36定位，且可另外包含用於將電流傳導至陽極總成40之陽極基極集電器42。在一個形式中，電流可直接從陽極基集電器42傳導至陽極擴散層44及陽極催化劑46。
更特定言之，關於陽離子交換膜36，其可在一或多個形式中插置及/或安置在陽極隔室28與第二中央流動隔室26之間。在一些形式中，陽離子交換膜36可經組態或結構化成阻擋來自陽極隔室28之氫氧根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子及/或二氧化碳。
陽離子交換膜36亦可經組態以選擇性地控制陽極隔室28與第二中央流動隔室26之間之陽離子(諸如鋞離子)之流動。陽離子交換膜36亦可經組態以選擇性地控制陽極隔室28與第二中央流動隔室26之間之氣體(諸如產生之或生產之二氧化碳)之流動。在一些形式中，陽離子交換膜36可包含聚合物型陽離子交換膜。在一些形式中，陽離子交換膜可包含支撐在支撐件或珠狀元件上之陰離子官能團，諸如藉由非限制性實例之磺酸根陰離子基團。合適但非限制性之實例包含Nafion陽離子膜。在一些形式中，陽離子交換膜36可係基於全氟磺酸之陽離子交換膜，其可抵抗陽極處之氧化反應。另外，陽離子交換膜36可經組態以阻止陰離子(諸如氫氧根離子、碳酸根、碳酸氫根及/或二氧化碳)進入陽極隔室28中，其中該等離子可氧化成CO 2、CO或H 2O。據信，陽離子交換樹脂可容許正離子(諸如鋞離子)之離子傳導穿過其，限制或最小化負離子(諸如氫氧根離子、碳酸根離子及/或碳酸氫根離子)之通過，及/或限制或最小化或減少氣體(諸如二氧化碳)之通過。
在一些形式中，陽極隔室28可包含陽極電解液入口或輸入(諸如入口或輸入47)及陽極電解液出口或輸出(諸如出口或輸出48)。在一些形式中，出口48可容許可能在陽極隔室28內產生之氧氣(O 2)通過以從陽極隔室28排出。陽極電解液可係去離子水，或含有導電之不可氧化酸(諸如硫酸或磷酸)之水溶液。產生之氣體(諸如氧氣)亦可透過陽極電解液出口48排出。
用於電化學電池之陽極材料及陽極電催化劑之選擇取決於用於電化學電池及程序之所選擇陽極反應。對於析氧，鈦可被選擇用作集電器，歸因於其耐陽極腐蝕。在一些形式中，電催化劑材料可包含貴金屬或由貴金屬(諸如作為金屬之Au、Ir、Ru、Rh、Ni及Pt)構成，以及作為合金之此等金屬之組合，或作為其等之氧化物及與彼此及其他金屬及金屬氧化物或作為尺寸穩定之陽極或混合金屬氧化物(MMO)之任何合適化合物之組合。混合物中之其他金屬氧化物可包含鈦、鉭、錫及類似者之氧化物。電催化劑材料可藉由各種沈積方法來施加，諸如噴霧沈積(例如，當催化劑混合物放置在溶劑或液體載體中時)、噴墨、氣刷方法、CVD (化學氣相沈積)、電鍍、施加濕膏(例如，可接著在熱及壓力下乾燥、冷凝且接著至陽極或陰極基板上之濕膏)及在基板上施加溶解在溶劑中之金屬鹽，隨後熱轉化成對應氧化物，以便形成MMO塗層。另外，此等材料之金屬及氧化物之奈米顆粒亦可施加至陽極表面以形成高表面積之電極塗層，且可併入少量之黏結劑材料(例如，Nafion品牌膜材料)，以將催化劑黏結至表面。所選擇黏結劑材料可係一或多個形式之抗氧化物。替代地，奈米顆粒亦可藉由任何合適之方法施加至陽離子交換膜表面，用於利用MEA (膜電極總成)型材料中製造燃料電池。其他黏結劑可包含聚合物及塑膠，諸如PVDF (聚偏二氟乙烯)、PVC (聚氯乙烯)、PTFE (聚四氟乙烯)及類似者。
在一些形式中，可使用高表面積之陽極結構，此可幫助促進陽極表面處之反應。高表面積陽極基底材料可係由纖維、燒結金屬粉末、燒結網及類似者組成之網狀形式，且可燒結、焊接或機械連接至通常用於雙極電化學電池總成中之電流分配器背板。另外，高表面積網狀陽極結構亦可含有在陽極表面結構之電催化活性表面上及/或附近具有額外施加催化劑之區域，其等可增強及/或促進在遠離陽極表面之本體溶液中可發生之反應。陽極結構可係漸變的，使得陽極之密度在垂直或水平方向上變化，以容許氣體更容易地從陽極結構逸出。在此漸變中，可存在混合在陽極結構中之材料顆粒之分配，其等可包含催化劑，例如貴金屬(諸如鉑)及貴金屬氧化物(諸如氧化釕)，以及其他催化劑(諸如過渡金屬氧化物催化劑)。
陽極亦可包含扁平碳/石墨板、RVC (網狀玻璃質碳)泡沫、碳布或碳氈/組織。碳布可用作導電材料，以提供與陽極背板集電器之良好電接觸。
合適陽極結構可包含：由碳或石墨製成之板、RVC、編織有或無活性炭層之碳布、各種PTFE負載、碳紙及薄紙、碳氈、編織及非編織碳纖維、導電金剛石膜、鈦材料上之銥、鉑及釕氧化物塗層(諸如多孔金屬或網)、電鍍或沈積在碳氈或碳布上作為電催化劑之釕及銥氧化物、塗有電催化劑之石墨烯以及用於電化學程序及燃料電池之其他合適之商業陽極材料。
在一些形式中，電化學系統可包含電連接至陽極及陰極之電源。本文揭示之電化學電池之操作電池電壓可係任何合適之電壓(諸如約0.5至約20伏)，此取決於除電池操作電流密度之外所採用之陽極及陰極化學品。在一些形式中，操作電池電壓可在約0.5至約1伏、約1至約5伏、約5至約10伏、約10至約20伏、約1至約10伏、約2至約8伏、約2至約4伏之範圍內，或在由此等值之任一者約束之範圍內之約任何電壓。電化學電池之操作電流密度可在約5 mA/cm 2至約1,500 mA/cm 2或更多之範圍內，惟亦審慎考慮其他值。
在一些形式中，本文描述之電化學電池可包含複數個剛性流場板，用於周邊安裝及定位本文描述之各自元件，諸如第一及/或第二陰離子交換膜、陽離子交換膜、陰極及/或陽極總成，且界定各自第一及第二中央流動隔室。在一些形式中，複數個剛性場板可由複數個墊片部件分離。在一些形式中，複數個剛性場板及/或墊片可具有穿過其等之複數個連通通道，諸如容許載體介質從電化學電池外側連通至界定第一及第二中央流動隔室內部之對準之孔隙。在一些形式中，外部流體連通管可容許將載體介質插入至第一中央流動隔室中，將載體從第一中央流動隔室移動至第二流動隔室中，及/或移除從第二中央流動隔室產生之氫氣及/或氫氧根離子、碳酸根、碳酸氫根及/或二氧化碳(CO 2)。
在一個實施例中，提供一種用於製造化學品之方法(其可係電解方法)。在一些形式中，該方法可用於產生陰極氣體副產物(例如氫氣)，濃縮稀釋之目標氣體(例如二氧化碳)及/或平行產生氫氣及濃縮二氧化碳。在一些形式中，該方法可包含將電活性陰極與水(H 2O)源材料接觸以將H 2O轉化為氫氣、H+及/或OH-；將形成之OH -及/或氫氣與陰極分離；傳遞形成之OH -通過陰離子交換膜；傳遞形成之OH -至含有陰離子交換材料之第一中央流動隔室；在該第一中央流動隔室中使OH-及二氧化碳源接觸以將OH-及二氧化碳轉化為碳酸根(CO 3 2-)及/或碳酸氫根(HCO 3 -)；將形成之CO 3 2-及/或HCO 3 -例如作為稀釋之二氧化碳源材料傳遞至該第一中央流動隔室中；從第一中央流動隔室隔離及/或離子連通形成之CO 3 2-及/或HCO 3 -(例如，從該第一中央流動隔室傳遞形成之CO 3 2(碳酸根)及/或HCO 3 -)至含有酸性離子交換樹脂且與該陽極電接觸之第二中央流動隔室；在第二中央流動隔室中形成二氧化碳酸，其中CO 3 2-及或HCO 3 -可經質子化以形成及/或重整二氧化碳，及/或從第二中央流動隔室移除產物流出物。
在一個形式中，一種用於產生氫氣及/或濃縮稀釋二氧化碳氣體源之方法可包含提供及/或使電活性陰極與水源材料、水、水合樹脂、氣體等接觸，以使H 2O能夠轉化為氫氣及OH-，及/或將離子傳遞或轉移至所需之隔室；將形成之氫氣及氫氧根與陰極分離；使該形成之氫氣從該陰極隔室傳遞；傳遞形成之OH -通過第一陰離子交換膜；將稀釋之二氧化碳源傳遞或提供至第一中央流動隔室；傳遞形成之OH -至含有陰離子交換材料之該第一中央流動隔室及CO 2源材料以與CO 3 2-及/或HCO 3 -相互作用、與之反應、形成CO 3 2-及/或HCO 3 -及/或轉化為CO 3 2-及/或HCO 3 -；將形成之CO 3 2-及/或HCO 3 -從第一中央流動隔室傳遞通過第二陰離子交換膜至第二中央流動隔室中；將電活性陽極與水源接觸以將水源轉化為鋞離子；將形成之鋞離子與陽極分離；將所形成之鋞離子透過將該第二中央流動隔室與該陽極隔室分離之陽離子交換膜選擇性地傳遞至該第二中央流動隔室中；在第二中央流動隔室中用從第一中央流動隔室運輸之CO 3 2-及/或HCO 3 -及來自陽極隔室之鋞離子形成二氧化碳，其中HCO 3 -及/或CO 3 2-可經質子化以形成二氧化碳；從該陰極隔室移除氫產物流出物；及/或從第二中央流動隔室移除濃縮之二氧化碳產物流出物。在一些形式中，相較於第二中央流動隔室，第一中央流動隔室中之二氧化碳濃度可更低；例如，稀釋之二氧化碳流可濃縮至高於初始稀釋之二氧化碳流位準之位準。 實例 實例1
一種電化學電池陰極總成可包含不銹鋼端板，其具有用作陰極集電器之經機械加工氣流場(5 cm 2電池硬體，二氧化材料，Boca Raton，FL，USA)。陰極端板具有密封之入口埠連接(陰極流動通道入口)及用於收集在陰極產生氫氣(H 2)之出口氣體埠連接(陰極流動通道出口)。陰極集流器具有用於進入第一中央流動隔室之稀釋CO 2進料之入口埠連接及用於排出該第一中央流動隔室之CO 2耗盡氣流之出口埠連接。具有Bi 2O 3電催化劑(Dioxide Materials)之氣體擴散電極(GDE)陰極與具有面向第一陰離子交換膜之Bi 2O 3催化劑層之不銹鋼板流場及抵靠陰極集電器安裝之GDE之未塗覆背側接觸放置。
第一及第二中央流動隔室由1/16英吋聚碳酸酯塑膠片建構，該塑膠片具有1英吋寬乘以1英吋長乘以1/16英吋厚之聚碳酸酯之中央區域，且具有入口溶液埠及出口溶液產物埠。
甲酸電池陽極總成可包含鈦端板，其具有用作陽極集電器之機械加工流場(5 cm 2電池硬體，Dioxide Materials)。陽極端板具有至去離子水進料之入口埠連接(陽極流動通道入口)及出口埠連接(陽極流動通道出口)，使得去離子水可藉由蠕動泵在流場內再循環。該陽極集流器具有用於將液體或氣體選用輸入至該第二中央流動隔室中之入口埠連接及用於收集排出第二中央流動隔室之濃縮CO 2氣體之出口埠連接。GDE陽極(Dioxide Materials)用作陽離子交換膜，GDE陽極含有定位在氣體擴散層上之IrO 2催化劑層，其中該氣體擴散層與陽極集電器接觸，且該陽極電催化劑側面向Nafion 324膜且與Nafion 324膜接觸。
0.2 mm或0.3 mm厚之PTFE墊片(Dioxide Materials)用於密封電池隔室及膜。
陰離子交換膜(Dioxide Materials)在1 M氫氧化鉀(KOH)溶液中浸泡1至3小時，以幫助將其從襯層剝離。從襯層移除後，將膜儲存在1 M KOH浴中至少24小時，以在電化學電池中用於測試之前容許氯化物完全陰離子交換為氫氧化物形式(Cl --＞ OH -)。
最終電池組裝順序如下，在各層之間有適當PTFE墊片：從鈦陽極流場開始，接著GDE陽極(Dioxide Materials)抵靠鈦陽極流場安裝，其中氣體擴散層之非催化劑側接觸陽極流場，接著陽離子Nafion 324離子交換膜接觸陽極GDE之催化劑塗覆側，接著第二中央流動隔室框架填充有Amberlite IR120樹脂珠(強酸性，氫形式，Aldrich Fine Chemicals)，接著，第二陰離子交換膜(Sustainion，Dioxide Materials)安裝及/或插置在第二中央流動隔室與第一中央流動隔室之間。將填充有強鹼氫氧化物形式Amberlite IRN-78 Acros之第一中央流動隔室框架抵靠第二陰離子交換膜安裝。第一陰離子交換膜(Sustainion，Dioxide Materials)安裝及/或插置在第一中央流動隔室與GDE陰極之間，接著GDE陰極(Dioxide Materials)之催化劑面抵靠第一陰離子交換膜安裝，且接著GDE陰極之背側直接抵靠在不銹鋼陰極流場安裝。聚四氟乙烯墊片用於為電池總成組件提供無洩漏密封。在此特定實施例中，陽極及陰極流場充當剛性安裝板，其中鑽孔隙，且將各自膜固持在中央界定之安裝孔隙內。流體流動路徑經界定為周向安裝之剛性板內之複數個對準之孔隙。 實例2
電化學電池總成與實例1中描述之相同。去離子水(DI)用於陽極電解液迴路，其在玻璃收集瓶中使用80 ml體積。使用蠕動泵在電池測試期間回收陽極電解液。稀釋CO 2進料藉由使用氣體流量計流動規定之流速下之CO 2且使用另一氣體流量計與規定之流速下之N 2或空氣混合，且接著引導至第一中央流動隔室入口中。選擇流速以給出CO 2進料中之適當CO 2濃度(引入第一中央流動隔室中之稀釋二氧化碳源材料)。電池在環境溫度下在恆定電流(0.7安培，140 mA/cm 2之電流密度)下操作。在一些情況下，對排出第一中央流動隔室之氣體使用CO 2計對CO 2濃度進行分析以判定從CO 2進料移除多少CO 2。從CO 2進料移除之CO 2假定為進料與存在於第一中央流動隔室中之氫氧根(OH -)發生反應且轉化為碳酸氫根(HCO 3 -)，其接著可交越第二陰離子交換膜(AEM2)，且接著在第二流動隔室中轉化回CO 2氣體，CO 2氣體含有酸性離子交換樹脂及由陽極隔室產生之鋞離子。在一些情況下，使用CO 2計量測排出第二中央流動隔室之CO 2濃度。
用於CO 2濃度量測之CO 2計購自Forensics Detectors (模型FD-600-CO2或模型FD-600-CO2-PPM)。 實例3
電化學電池與實例1中描述之相同。CO 2進料係具有100 ml/min之流速之10% CO 2。在圖4中展示結果。 實例4
電化學電池與實例1中描述之相同，除陰極包含鎳纖維紙(Dioxide Materials)上之鎳催化劑。CO 2進料(10% CO 2)由CO 2(5 ml/min)及N 2(45ml/min)製成。在圖5及圖6中展示結果。 實例5
電化學電池與實例1中描述之相同，除陰極包含鎳纖維紙(Dioxide Materials)上之鎳催化劑。CO 2進料(1% CO 2)由CO 2(1 ml/min)及N 2(99ml/min)製成。在圖7及圖8中展示結果。 實例6
電化學電池與實例1中描述之相同，除陰極包含鎳纖維紙(Dioxide Materials)上之鎳催化劑。CO 2進料(約400 ppm CO 2)係藉由使用空氣泵製成，該空氣泵對來自環境大氣之未改性空氣加壓，且流量由流量計(50 ml/min)控制。在圖9中展示結果。 實例7
使用與實例1中描述相同之電化學電池，除了陰極包含在鎳纖維紙(Dioxide Materials)上之鎳催化劑，且陽離子交換膜係Aquivion (Fuel Cell Store)，且對於第一陰離子交換構件(AEM1)、第二陽離子交換構件(AEM2)及鹼性樹脂使用不同變化如下：(1)AEM1係Sustainion (Dioxide Materials)，AEM2係Sustainion (Dioxide Materials)，且第一中央流動隔室框架填充有強鹼、氫氧化物形式之Amberlite IRN-78(ACROS)；(2)AEM1為PiperION (Fuel Cell store)，AEM2為PiperION (Fuel Cell store)，且第一中央流動隔室框架填充有強鹼、氫氧化物形式之Amberlite IRN-78 (ACROS)；及(3)AEM1係PiperION (Fuel Cell store)，AEM2係PiperION (Fuel Cell store)，且第一中央流動隔室框架填充有強鹼、氫氧化物形式之Amberlyst A26 (ACROS)。CO 2進料(10% CO 2)由CO 2(5 ml/min)及N 2(45ml/min)製成。表1中提供結果。 表 1
AEM1、AEM2、鹼性樹脂 電池 電壓 捕獲之CO 2流速mL/min 捕獲之%CO 2 用於CO 2捕獲之%OH MWh/ton CO 2 Kg CO 2/day/m 2
Sustainion, Sustainion, Amberlite IRN78 5.52 2.98 59.50 30.51 12.02 15.40
PiperION, PiperION, Amberlite IRN78 4.94 2.58 51.50 26.41 12.45 13.33
PiperION, PiperION, Amberlyst A26 5.05 3.46 69.19 35.48 9.55 17.91
實例8
電化學電池與實例7中描述之相同，使用AEM1、AEM2及鹼性樹脂之變體(3)。CO 2進料(10% CO 2)由CO 2(10 ml/min)及N 2(90ml/min)製成。表2中提供結果。 表 2
電流 電池電壓 捕獲之CO 2流速mL/min 捕獲之%CO 2  用於CO 2捕獲之%OH MWh/ton CO 2 kg/day/m 2
1.4 6.22 6.05 60.46 31.00 13.35 31.30
0.7 5.28 4.03 40.33 41.36 8.49 20.88
0.35 4.38 2.51 25.10 51.48 5.66 13.00
0.2 3.78 1.63 16.30 58.50 4.30 8.44
0.1 3.14 0.6 6.00 43.07 4.85 3.11
實例9
電化學電池與實例8中描述之相同，除CO 2進料(約400 ppm CO 2)係藉由使用空氣泵製成外，該空氣泵對來自環境大氣之未改性空氣加壓，且流量由流量計(3000 ml/min)控制。表3中提供結果。 表 3
鹼性樹脂 電流 電壓 CO 2流速 捕獲之%CO 2 OH利用率% MWh/ton CO 2 KgCO 2/day/m 2
Amberlyst A26 2.1 13.50 0.83 70.34 2.84 316.63 4.30
Amberlyst A26 1.4 8.87 0.58 48.73 2.95 209.81 2.98
Amberlyst A26 0.7 4.77 0.48 40.25 4.87 108.62 2.46
Amberlyst A26 0.2 3.33 0.20 17.12 7.25 30.55 1.05
實例10
電化學電池與實例8中描述之相同，除CO 2進料(約400 ppm CO 2)係藉由使用空氣泵製成外，該空氣泵對來自環境大氣之未改性空氣加壓，且流量由流量計控制且從3000變化至4500 ml/min。表4中提供結果。 表 4
氣流 電池電壓 捕獲之CO 2流速mL/min 捕獲之%CO 2  用於CO 2捕獲之%OH MWh/ton CO 2 kg/day/m 2
2.95 3.33 0.20 17.12 7.25 30.55 1.05
4.45 2.92 0.33 18.34 11.72 16.79 1.69
除非另外指示，表達在說明書及實施例中使用之大量成分、諸如分子重量之性質、反應條件等之所有數字應理解為在所有例項中由術語「約」進行修飾。因此，除非相反指示，在說明書及隨附實施例中提出之數值參數係可取決於設法獲得之所要性質而變化之近似值。至少且並非試圖將等效物之教旨之應用限於實施例之範疇，應至少鑑於所報告之有效數字且藉由應用一般修整技術來解釋各數值參數。
用於描述本發明之背景內容中(特別在以下實施例之背景內容中)之術語「一」、「該」及類似參照者將被解釋為涵蓋單數及負數兩者，除非本文中另有指示或在背景內容中明顯矛盾。本文明描述之所有方法可以任何適當順序實行，除非本文中另有指示或在背景內容中明顯矛盾。本文中提供之任何及全部實例或代表性語言(例如，「諸如」)之使用僅旨在更佳地繪示本發明，且不限制任何實例之範疇。說明書中之語言皆不應被解釋為指示本發明之實踐所必須之任何未體現元素。
本文揭示之替代元件或實施例之群組並不解釋為限制。各群組部件可個別參考或體現群組之其他部件或本文中之其他元件或與其等任意組合。預期一群組之一或多個部件可方便及/或專利性而包含於一群組中或自其刪除。當發生任何此包含或刪除時，說明書被視為含有經修改之群組，從而滿足在所附實施例中使用之所有Markush群組之書面描述。
本文描述某些實施例，包含發明人已知之用於執行本發明之最佳模式。當然，此等經描述實施例之變化將為一般技術者在閱讀前述描述之後瞭解。發明人期望熟習此項技術者酌情採用此等變化，且發明人旨在以不同於本文特定描述之方式實踐本發明。因此，實施例包含適用法律容許之實施例中敘述之標的物之所有修改及等效物。再者，考慮上文描述之元件在其等之全部可能變化內之任何組合，除非本文中另外指示或內容脈絡另外清楚反對。
最後，應理解，本文揭示之實施例繪示實施例之原理。可採用之其他修改在實施例之範疇內。因此，藉由實例而非限制，可根據本文之教示利用替代實施例。因此，實施例不限於精確展示及描述之實施例。
10:系統 12:電化學電池或裝置 14:電能源 22:陰極隔室 24:第一中央流動隔室 26:第二中央流動隔室 28:陽極隔室 32:第一陰離子交換膜 34:第二陰離子交換膜 36:陽離子交換膜 40:陽極總成 42:陽極 44:陽極擴散層 46:陽極催化劑 47:陽極反應物流動通道 48:出口或輸出 49:陽極界面表面積 50:陰極總成 52:陰極 54:氣體擴散層 56:層 57:陰極流入口 58:陰極出口 59:陰極界面表面積 60:第一中央流動隔室入口 64:第二中央流動隔室入口 66:第二中央流動隔室出口 70:多孔介質或樹脂 72:多孔介質或樹脂
圖1係電化學系統之示意性繪示。
圖2係圖1中繪示之電化學系統之電化學電池之示意圖。
圖3係如實例3中描述之以100 ml/min之10 % CO 2進料之根據電壓/電流/流量而變化之CO 2%之圖示。
圖4係如實例4描述之隨時間施加之電壓及電流密度之圖示。
圖5係如實例4中描述之以5 ml/min之10 % CO 2進料及45 ml/min之N 2之根據電壓/電流/流量而變化之CO 2之圖示。
圖6係如實例5中描述之隨時間之電壓及電流密度之圖示。
圖7係如實例5中描述之以1 ml/min之1 % CO 2進料之根據電壓/電流/流量而變化之CO 2%之圖示。
圖8係如實例6描述之隨時間施加之電壓及電流密度之圖示。
圖9係如實例6中描述之以50 ml/min之400 ppm CO 2進料之根據電壓/電流/流量而變化之CO 2%之圖示。

Claims (16)

  1. 一種電化學裝置，其包括： 陰極隔室，其包含一定量之陰極催化劑及陰極反應物，該陰極隔室經組態以產生氫氣及氫氧根離子； 陽極隔室，其包含一定量之陽極催化劑及陽極反應物，該陽極隔室經組態以產生鋞離子； 第一中央流動隔室，其定位於該陽極隔室與該陰極隔室之間，該第一中央流動隔室包含陰離子交換材料，且經組態以接收氫氧根離子及稀釋之二氧化碳源材料，用於產生碳酸根離子及碳酸氫根離子之至少一者； 第二中央流動隔室，其定位於該陽極隔室與該陰極隔室之間，該第二中央流動隔室包含陽離子交換材料，且經組態以接收從該陽極隔室產生之鋞離子及從該第一中央流動隔室產生之碳酸根離子及碳酸氫根離子之至少一者； 陽離子交換膜，其插置於該陽極隔室與該第二中央流動隔室之間，該陽離子交換膜經組態以阻擋來自該陽極隔室之氫氧根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子及二氧化碳之一或多者； 第一陰離子交換膜，其定位於該陰極隔室與該第一中央流動隔室之間，該第一陰離子交換膜經組態以將氫氧根離子傳遞至該第一中央流動隔室，且阻擋來自該陰極隔室之二氧化碳及鋞離子之至少一者；及 第二陰離子交換膜，其定位於該第一中央流動隔室與該第二中央流動隔室之間，該第二陰離子交換膜經組態以將碳酸根離子及碳酸氫根離子之至少一者傳遞至該第二中央流動隔室，且阻擋來自該第一中央流動隔室之二氧化碳及鋞離子之至少一者； 其中該陰極隔室中之該陰極催化劑之至少一部分經配置以在將水電化學轉化為氫氧根離子期間直接曝露於水源反應物，該等氫氧根離子可用於在該第一中央流動隔室中將二氧化碳氣體轉化為碳酸根及碳酸氫根之至少一者，且其中該碳酸根及碳酸氫根之至少一者可在該第二中央流動隔室中用於轉化為二氧化碳(CO 2)。
  2. 如請求項1之電化學裝置，其中該第二中央流動隔室包含第二中央流動隔室入口及第二中央流動隔室出口。
  3. 如請求項1之電化學裝置，其中該第一中央流動隔室包含第一中央流動隔室入口及第一中央流動隔室出口。
  4. 如請求項1之電化學裝置，其中該第二中央流動隔室定位於該第一中央流動隔室與該陽極隔室之間。
  5. 如請求項1之電化學裝置，其中該第一中央流動隔室定位於該第二中央流動隔室與該陰極隔室之間。
  6. 一種方法，其包括： 在陰極隔室中將電活性陰極與水源材料接觸以將水(H 2O)轉化為氫氣(H 2)及氫氧根離子(OH -)； 將該氫氣及氫氧根離子(OH -)與該陰極分離； 將稀釋之二氧化碳源材料傳遞至第一中央流動隔室中； 傳遞該氫氧根離子(OH -)通過第一陰離子交換膜且至含有陰離子交換材料及該稀釋之二氧化碳源材料之該第一中央流動隔室中，以形成碳酸根(CO 3 2-)及碳酸氫根(HCO 3 -)之至少一者； 將該CO 3 2-及HCO 3 -之該至少一者從該第一中央流動隔室傳遞通過第二陰離子交換膜且至第二中央流動隔室中； 在陽極隔室中將電活性陽極與水源材料接觸以將水轉化為鋞離子； 將該等鋞離子與該陽極分離； 將該等形成之鋞離子透過將該第二中央流動隔室與該陽極隔室分離之陽離子交換膜選擇性地傳遞至該第二中央流動隔室中； 在該第二中央流動隔室中用從該第一中央流動隔室傳遞之該CO 3 2-及HCO 3 -之該至少一者及來自該陽極隔室之該等鋞離子形成二氧化碳；及 沿著流體流動路徑從該第二中央流動隔室移除該二氧化碳。
  7. 如請求項6之方法，其中傳遞至該第一中央流動隔室中之該稀釋之二氧化碳源材料之該二氧化碳之濃度小於該第二中央流動隔室中形成之該二氧化碳之濃度。
  8. 一種系統，其包括： 電化學電池，其包含陰極隔室、第一中央流動隔室、第二中央流動隔室、陽極隔室、定位於該陰極隔室與該第一中央流動隔室之間之第一陰離子交換膜、定位於該第一中央流動隔室與該第二中央流動隔室之間之第二陰離子交換膜以及定位於該第二中央流動隔室與該陽極隔室之間之陽離子交換膜；及 電能源，其經組態以跨該陽極隔室及該陰極隔室施加電位差； 其中在施加該電位差時： 該陰極隔室經組態以從水產生氫氣及氫氧根離子； 該陽極隔室經組態以從水產生鋞離子； 該第一中央流動隔室經組態以接收來自該陰極隔室之二氧化碳源及該氫氧根離子，且從該二氧化碳源及該氫氧根離子產生碳酸根及碳酸氫根之至少一者；及 該第二中央流動隔室經組態以接收來自該第一中央流動隔室之該至少一個碳酸根及碳酸氫根之一或多者及來自該陽極隔室之該鋞離子，以在該第二中央流動隔室產生二氧化碳。
  9. 如請求項8之系統，其中該第一中央流動隔室具有第一中央流動隔室入口及第一中央流動隔室出口，且該第二中央流動隔室具有第二中央流動隔室入口及第二中央流動隔室出口。
  10. 如請求項9之系統，其中該陰極隔室包含陰極集電器、氣流通道入口、氣體擴散電極(GDE)結構及GDE電催化劑層。
  11. 如請求項10之系統，其中該陽極隔室包含陽極基集電器、陽極電解液入口、陽極擴散層及陽極催化劑。
  12. 如請求項8之系統，其中該第一中央流動隔室包含陰離子交換材料。
  13. 如請求項8之系統，其中該第二中央流動隔室包含陽離子交換材料。
  14. 如請求項8之系統，其中該電化學電池經組態用於平行產生氫氣及濃縮二氧化碳。
  15. 一種方法，其包括： 將電活性陰極與水源材料接觸以將水(H 2O)轉化為氫氣及氫氧根離子(OH -)； 將該氫氧根離子(OH -)與該陰極分離； 將該形成之氫氧根離子(OH -)傳遞通過第一陰離子交換膜； 將稀釋之二氧化碳材料源傳遞至含有陰離子交換材料之第一中央流動隔室； 在該第一中央流動隔室中將該形成之氫氧根離子(OH -)與稀釋之二氧化碳材料相互作用以將CO 2轉化為CO 3 2-及HCO 3 -之至少一者； 將CO 3 2-及HCO 3 -之該至少一者從該第一中央流動隔室傳遞通過第二陽離子交換膜至第二中央流動隔室中； 將電活性陽極與水源接觸以產生鋞離子； 將該等鋞離子與該陽極分離； 將該等鋞離子透過將該第二中央流動隔室與該陽極分離之陽離子交換膜傳遞至該第二中央流動隔室中； 在該第二中央流動隔室中用來自該第一中央流動隔室之CO 3 2-及HCO 3 -之該至少一者及來自該陽極之該等鋞離子形成二氧化碳；及 從該陰極移除氫產物流出物；及 從該第二中央流動隔室移除該二氧化碳。
  16. 如請求項15之方法，其中該第一中央流動隔室中之該稀釋之二氧化碳材料源中之該二氧化碳之濃度小於該第二中央流動隔室中形成之該二氧化碳之濃度。
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