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

技术领域

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

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(CO

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KHCO

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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CO

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。

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。

“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。

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。

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。

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)。

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。

负极的厚度可以为约1毫米至50毫米。

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。

隔件的厚度可以为约1毫米至10毫米。

隔膜的厚度可以为约25微米至250微米。

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。

正极可以包括装载在载体上的贵金属催化剂。

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。

“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。

正极可以与第二突起直接接触。

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。

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。

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。

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。

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。

第一电解液和/或第二电解液可以包括碱性水溶液或海水。

下文描述了本发明的其他方面。

附图说明

现将参照在附图中示出的本发明的某些示例性实施方案来详细描述本发明的上述和其他特征，附图在下文中仅作为示例给出，因此并不限制本发明，并且其中：

图1示出了根据本发明示例性实施方案的制氢和二氧化碳储存系统；

图2示出了说明根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池的分解透视图；

图3示出了说明根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池的剖视图；

图4示出了说明第一板的第一表面的俯视图；

图5示出了负极的俯视图；

图6示出了说明第二板的第一表面的俯视图；

图7示出了根据本发明示例性实施方案的堆叠了多个金属-二氧化碳电池的电池组；

图8A示出了通过驱动实施例和比较例中的电池测量电池电阻的结果；

图8B示出了通过驱动根据实施例和比较例的电池测量电池电势的结果；

图8C示出了实施例和比较例中的电池的50mA放电曲线图；

图9示出了根据一个实施方案的电池中不同厚度的隔件下的电池电阻的测量结果；

图10A示出了实施例的电池和使用海水的电池的电池电阻的测量结果；

图10B示出了使用海水的电池的放电曲线图。

具体实施方式

本发明的上述和其他目的、特征和优点将通过以下结合附图的优选实施方案得到更清楚的理解。然而，本发明不限于本文公开的实施方案，并且可以修改为不同的形式。提供这些实施方案是为了彻底解释本发明，并向本领域技术人员充分传达本发明的精神。

在整个附图中，相同的附图标记将指代相同或相似的元件。为了本发明的清楚起见，结构的尺寸被描绘为大于其实际尺寸。将会理解，尽管在本文中可以使用例如“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，下文论及的“第一”元件可以被称为“第二”元件，而不脱离本发明的范围。类似地，“第二”元件也可以被称为“第一”元件。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。

将进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”、“包含”、“具有”等时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件、组件或它们的组合的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。此外，应当理解，当例如层、膜、区域或片的元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上面，或者其间可以存在中间元件。类似地，当一个元件例如层、膜、区域或片被称为在另一个元件“下”时，它可以直接在另一个元件下面，或者其间可以存在中间元件。

除非另有说明，否则表示本文中使用的组分、反应条件、聚合物组成和混合物的量的所有数字、值和/或表征(representation)都被认为是其中包括在获得这些值时固有地出现的影响测量的各种不确定性的近似值，因此在所有情况下都应该理解为由术语“约”修饰。此外，如本文所用，除非特别说明或从上下文中显然的，否则术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在宣称值(statedvalue)的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非上下文另有说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

此外，当在本说明书中公开数值范围时，除非另有说明，该范围是连续的，并且包括从所述范围的最小值到其最大值的所有值。此外，当这样的范围属于整数值时，除非另有说明，包括最小值到最大值的所有整数都包括在内。

在本说明书中，当描述变量的范围时，应理解该变量包括所有值，包括在所述范围内描述的端点。例如，“5至10”的范围将被理解为包括任何子范围，例如6至10、7至10、6至9、7至9等，以及5、6、7、8、9和10的各个值，并且还将被理解为包括在所述范围内的有效整数之间的任何值，例如5.5、6.5、7.5、5.5至8.5、6.5至9等。同样，例如，“10％至30％”的范围将被理解为包括子范围，例如10％至15％、12％至18％、20％至30％等，以及包括10％、11％、12％、13％等直至30％的值的所有整数，并且还将被理解为包括在所述范围内的有效整数之间的任何值，例如10.5％、15.5％、25.5％等。

图1示出了根据本发明示例性实施方案的制氢和二氧化碳储存系统。例如，该系统可以包括金属/二氧化碳电池10、连接到金属/二氧化碳电池10并被配置为供应第一电解液的第一电解液供应单元20、连接到金属/二氧化碳电池10并被配置为供应第二电解液和二氧化碳的第二电解液供应单元30、以及连接到金属/二氧化碳电池10并被配置为接收金属/二氧化碳电池的产物并从该产物中分离氢气和回收以盐形式储存的二氧化碳的分离单元40。

图2示出了说明金属/二氧化碳电池10的分解透视图。图3示出了说明金属/二氧化碳电池10的剖视图。例如，金属/二氧化碳电池10可以被配置为使得第一板100、第一垫片700、负极200、隔件400、隔膜300、正极500、第二垫片800和第二板600被堆叠，并且使用导线900将第一板100和第二板600彼此连接。

图4示出了说明第一板100的第一表面的俯视图。第一板100可以被提供用于电流收集，并且可以是导电的。因此，在负极200的氧化反应中产生的电子可以通过第一板100和导线900移动到第二板600。

第一板100可以包括片状的第一主体110、在第一主体110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120、穿过第一突起120和第一主体110形成在第一突起120中的第一电解液入口130、以及与第一电解液入口130间隔预定距离并穿过第一突起120和第一主体110形成在第一突起120中的第一电解液出口140。

第一电解液入口130可以形成在第一突起120的边缘附近，并且第一电解液出口140可以形成在基于第一突起120的中心点与第一电解液入口130对称的位置处。

第一垫片700用于防止电池短路。第一垫片700可以具有带开口的框架形状，并且可以装配在第一突起120的外周表面上。第一垫片700的厚度可以与第一突起120突出的高度相同。

第一垫片700可以由不易碎且化学稳定的材料制成。例如，第一垫片700可以由氟树脂例如特氟隆等制成。

图5示出了说明负极200的俯视图。负极200是由金属材料制成的电极，可以包括铝(Al)、锌(Zn)或它们的组合。

负极200的形状没有特别限制，但是可以具有等于或大于第一突起120的面积的面积。

负极200可以包括穿过其形成的与第一电解液入口130连通的第一连通孔210和穿过其形成的与第一电解液出口140连通的第二连通孔220。

负极200可以与第一突起120直接接触。由于第一突起120是导电的，所以通过负极200处的氧化反应产生的电子可以移动通过第一突起120。具体而言，根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池可以具有这样的结构，在该结构中，即使没有例如极耳等附加组件，电子也能够移动。负极200可以具有约1毫米至50毫米的厚度。

隔件400可以插入在负极200和隔膜300之间，并且可以被配置为支撑负极200的边缘，以在负极200和隔膜300之间形成空间A。

隔件400可以具有带开口的框架形状，并且可以通过支撑负极200的整个边缘来密封空间A。特别地，隔件400允许空间A仅连接到第一连通孔210和第二连通孔220。因此，第一电解液通过第一连通孔210供应到空间A，在负极200处发生反应，并且反应产物等通过第二连通孔220排出。

隔件400可以具有约1毫米至10毫米的厚度。当隔件400的厚度小于约1毫米时，由于第一电解液不流动，电池的驱动会变得有困难。另一方面，当隔件400的厚度大于约10毫米时，电池电阻会增加，因此电池的效率会降低。

隔件400可以由具有优良耐化学性的材料制成，例如橡胶、树脂、硅树脂、金属等。

隔膜300可以具有多孔结构，允许阳离子在负极200和正极500之间移动，但阻止电解液的流动。

隔膜300可以包括阳离子导电树脂。例如，隔膜300可以包括例如Nafion等的全氟磺酸基树脂(perfluorosulfonic-acid-based resin)。

隔膜300的厚度可以为约25微米至250微米。

正极500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。或者，正极500可以包括催化剂。催化剂可以包括装载在载体上的贵金属催化剂，例如铂(Pt)等。

图6示出了说明第二板600的第一表面的俯视图。提供第二板600用于电流收集。

第二板600可以包括片状的第二主体610、在第二主体610的第一表面的中心附近形成为突出并具有预定面积的第二突起620、穿过第二突起620和第二主体610形成在第二突起620中的第二电解液入口630，与第二电解液入口630间隔预定距离，并穿过第二突起620和第二主体610形成在第二突起620中的第二电解液出口640；以及流路650，其一端与第二电解液入口630连通，并且其另一端与第二电解液出口640连通。

第二板600被可以被提供用于电流收集，并且可以是导电的。因此，第二板600可以接收已经移动通过导线900的电子，并且可以将电子转移到后文即将描述的正极500。根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池可以具有这样的结构，在该结构中，即使没有例如极耳等附加组件，电子也能够移动。第二电解液入口630可以形成在第二突起620的边缘附近，并且第二电解液出口640可以形成在基于第二突起620的中心点与第二电解液入口630对称的位置处。

正极500可以与第二突起620直接接触。

通过第二电解液入口630引入的第二电解液可以通过流路650移动到第二电解液出口640，在此期间，可以将第二电解液提供给正极500。可以在正极500和第二突起620之间提供金属网或泡沫，以便使第二电解液扩散。

流路650可以形成为从第二突起620的表面凹陷预定深度。流路650的形状没有特别限制，并且可以形成为锯齿形(zigzag shape)，如图6所示。

第二垫片800用于防止电池短路。第二垫片800可以具有带开口的框架形状，并且可以装配在第二突起620的外周表面上。

第二垫片800可以包括不易碎且化学稳定的材料。例如，第二垫片800可以包括例如特氟隆等的氟树脂。

图7示出了电池组，其中堆叠了多个电池10'、10”、10”'，每个电池包括第一板100、第一垫片700、负极200、隔件400、隔膜300、正极500、第二垫片800和第二板600，绝缘体B插在它们之间。图7中的虚线箭头表示电解液的流动。特别地，相邻的电池10'、10”和10”'可以在其间插入绝缘体B的状态下堆叠，并且电解液通过由绝缘体B形成的间隙流入和流出。相邻的电池10'、10”和10”'可以共用电解液入口和电解液出口。

在下文中，将详细描述制氢和二氧化碳储存系统的驱动。

第一电解液供应单元20可以被配置为通过第一电解液入口130向金属/二氧化碳电池10供应第一电解液。

第一电解液可以包括碱性水溶液或海水。第一电解液可以包括6M的KOH。

第一电解液通过第一电解液入口130和第一连通孔210被引入负极200和隔膜300之间的空间A。

当负极200与第一电解液接触时，负极200被电离，从而产生电子。使用导线900，电子通过第二板600移动到正极500。

作为在负极200的电离过程中产生的阳离子的钾离子(K

第二电解液供应单元30被配置为通过第二电解液入口630向金属/二氧化碳电池10供应第二电解液和二氧化碳。该系统可以进一步包括二氧化碳供应单元，其被配置为向第二电解液供应单元30供应二氧化碳。

第二电解液可以包括碱性水溶液或海水。第二电解液可以包括3M的KHCO

第二电解液和二氧化碳通过第二电解液入口630被供应到正极500。在正极500处，二氧化碳的化学洗脱反应发生如下。

CO

此后，在正极500处，制氢反应发生如下。

2H

此外，在正极500处，二氧化碳以盐的形式储存如下。

HCO

此时，H

分离单元40可以接收排出的物质，并且可以从中分离出氢气。为此，分离单元40可以包括气液分离器。此外，分离单元40可以包括从液体成分中回收KHCO

分离单元40可以再次向第二电解液供应单元30供应第二电解液。第二电解液供应单元30可以包括过滤构件，例如过滤器等，以便从由分离单元40供应的第二电解液中回收未滤过的KHCO

通过以下实施例可以更好地理解本发明。这些实施例仅仅是为了说明本发明，而不应解释为限制本发明。

实施例

制备具有如图2和图3所示的堆叠结构的金属/二氧化碳电池。负极包括锌，并且正极包括装载在碳载体上的铂催化剂(Pt/C)。第一电解液是6M的KOH，第二电解液是3M的KHCO

比较例

制备燃料电池。

通过驱动根据实施例和比较例的电池来测量电池电阻。其结果示于图8A中。实施例的电池电阻为约1.0Ω，并且比较例的电池电阻为约22.5Ω，从中可以发现，与比较例相比，实施例的电池电阻大幅降低。

通过驱动根据实施例和比较例的电池来测量电池电势。其结果示于图8B中。特别地，与比较例相比，根据实施例的电池在电池电势(E

图8C示出了实施例和比较例中的电池的50mA放电曲线图。实施例中的电池显示出大幅降低的电池电阻，因此在50mA放电时电池电势为正，表明发生了电池自发反应。

同时，为了评价根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池中正极和隔膜之间的空间尺寸的效果，通过将隔件的厚度调整为1毫米、5毫米和10毫米来制备各个电池。驱动各个电池并测量电池电阻。其结果示于图9中。当隔件的厚度为1毫米至10毫米时，与比较例相比，电池电阻非常低。此外，可以通过调节隔件的厚度，即正极与隔膜之间的空间尺寸来优化电池电阻。

此外，除了用海水(0.6M的NaCl)代替第一电解液之外，以与实施例中相同的方式制备金属/二氧化碳电池，之后驱动电池。

图10A示出了实施例的电池和使用海水的电池的电池电阻的测量结果。特别地，与比较例相比，根据本发明示例性实施方案的金属/二氧化碳电池即使当使用海水作为第一电解液时，也表现出显著降低的电池电阻。

图10B示出了使用海水的电池的放电曲线图。特别地，根据本发明的示例性实施方案的金属/二氧化碳电池即使在使用海水作为第一电解液时，在放电期间也能自发驱动。

根据本发明的各种示例性实施方案，金属/二氧化碳电池由于其电池电阻低，可以获得具有非常高效率的金属/二氧化碳电池。

根据本发明的各种示例性实施方案，即使当正极或负极的电解液是海水时，也能够获得自发驱动的金属/二氧化碳电池。

本发明的效果不限于上述效果。应当理解，本发明的效果包括可以从本发明的描述中推断出的所有效果。

如上文所述，本发明已经针对试验例和实施方案进行了详细描述。然而，本发明的范围不限于上述试验例和实施方案，并且使用所附权利要求书所限定的本发明的基本概念的对本发明进行的各种修改和改进模式也包含在本发明的范围内。