一种碱性直接水CO2燃料电池及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种以水代替氢气为直接的燃料同时以CO2代替氧气或空气为直接的氧化剂，由此构建的“碱性直接水CO2燃料电池”及其作为一种燃料电池反应器的应用；采用本电池合成目标产品的同时可联产直流电及氢气，达到产品-电能或氢能共生的效果，而且，如果在本燃料电池反应器的阳极室加入氢气或混合醇或肼或硫化氢等燃料，则可以成数倍地提高本电池发电的输出功率密度，同时联产有机物等可燃物及氢气，所以，用本电池合成反应制备产品的能耗最低，原料成本也最低，本电池反应器既可以用于合成各种目标物，也可以用于建立燃料电池电站发电，尤其适合于CO2减排领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术涉及一种根据近期新发现的离子交换膜水制氢的原理，以水代替氢气为直接的燃料同时以CO2代替氧气或空气为直接的氧化剂，由此构建的“碱性直接水CO2燃料电池”及其作为一种燃料电池反应器的应用；采用本电池合成目标产品的同时可联产直流电及氢气，达到产品-电能或氢能共生的效果，例如，采用本电池反应器，以二氧化碳和水为原料合成含碳氢键有机物的同时可联产直流电及氢气；而且，如果在该燃料电池反应器的阳极室加入氢气或混合醇或肼或硫化氢等燃料，则可以成数倍地提高本电池发电的输出功率密度，同时联产有机物等可燃物及氢气，所以，用本电池制备产品的能耗最低，原料成本也最低，本电池发电的成本与其它燃料电池相比也较低，本电池既可以用于合成各种目标物，也可以用于建立燃料电池电站，尤其适用于CO2的循环燃烧发电，从而尤其适用于CO2的大规模地减排领域。二、
技术介绍
迄今为止，还未搜索到与本专利技术的“碱性直接水CO2燃料电池”(以下简称为“本电池”)的定义相同的任何文献和资料的研究报道，(注：在此，所谓“本电池”的定义包括“碱性直接水二氧化碳燃料电池”和“碱性直接水二氧化氮燃料电池”和“碱性直接水二氧化硫燃料电池”，即其中的C在此表示碳和氮和硫三种元素，CO2也同时代表NO2和SO2，CO2还同时代表碳酸盐和碳酸氢盐；或者CO2同时代表硝酸盐和亚硝酸盐；或者CO2同时代表硫酸盐和亚硫酸盐——在此特别说明)，仅有网上的二则相关的消息报道：a、有消息称日本某公司专利技术了一种“水燃料电池”，该电池的原理是利用金属物质与水反应制备氢气，同时金属物质转化为化学计量的金属氢氧化物，实际上该电池真正起作用的燃料为金属物质，本质上属于一种金属燃烧而非水的直接燃烧，故该电池真正确切地应该称之为“金属水燃料电池”，这种电池的原料成本很高，不适用于普通的燃烧发电；b、《中国科学报》于2014年12月报道，中国四川大学首次研发出“二氧化碳燃料电池”，并说明该燃料电池消耗1吨二氧化碳可发出140度电，联产1.9吨碳酸氢钠，实际上该电池属于是一种产品-电能共生的燃料电池反应器，其主产物为碳酸氢钠，而发电量为辅，其发电的原理就是利用了二氧化碳和氢氧化钠反应矿化为碳酸氢钠的化学能。这种电池的应用有一个不可逾跃的障碍，即主产物碳酸氢钠如果不能及时地被消费掉或销售出去，则这种“二氧化碳燃料电池”的生产运行随时就会终止。众所周知，二氧化碳的净排放总量一直都是碳酸氢钠消费总量的数十万倍，尤其是碳酸氢钠的生产企业早已饱和，市场也早已饱和，所以，如此情况显然不能采用这种电池进行持续性地生产及发电。“本电池”可以彻底地解决碳酸氢盐消费量的这个致命的问题：“本电池”相当于是把一种“碱性直接水碳酸氢钠燃料电池”(一种以水为直接的燃料同时以碳酸氢钠为氧化剂发电的燃料电池，见下述实施例3)与四川大学专利技术的“二氧化碳燃料电池”串联一起循环燃烧发电，由下述实施例2-3可知，“本电池”也可以不通入二氧化碳气体而直接加入碳酸氢钠，再将加入的碳酸氢钠转化为含碳氢键的有机物燃料并联产直流电和等当量的氢氧化钠，该联产的氢氧化钠又可用于串联的上述四川大学专利技术的“二氧化碳燃料电池”进行发电并同时联产1.9倍的碳酸氢钠，而该联产的碳酸氢钠又可用于“碱性直接水碳酸氢钠燃料电池”即“本电池”合成有机物同时发电和联产氢氧化钠，如此循环燃烧发电就可确保碳酸氢钠的消费总量与二氧化碳的排放总量完全相匹配，可以确保上述“二氧化碳燃料电池”的持续运行发电。从这个意义上说，“本电池”的定义包括了“碱性直接水碳酸氢盐燃料电池”，以此类推，“本电池”的定义也包括了“碱性直接水硝酸盐燃料电池”或“碱性直接水硫酸盐燃料电池”，故“本电池”中的“CO2”的文字在此作为一种定义的符号，可以作为这一类燃料电池的总的代表符号，其不仅表示二氧化碳和二氧化氮和二氧化硫，还表示碳酸盐(包括碳酸氢盐)和硝酸盐(包括亚硝酸盐)和硫酸盐(包括亚硫酸盐)，故“本电池”定义为直接以水作为燃料，不仅直接利用气态的二氧化碳或二氧化氮或二氧化硫为氧化剂，还直接利用碳酸盐和碳酸氢盐或硝酸盐和亚硝酸盐或硫酸盐和亚硫酸盐为氧化剂进行发电并联产有机物或肼或硫单质的电池；甚至在理论上，“本电池”可以广义地定义为：一种以水作为直接的燃料，同时直接以所有的含X＝O(X表示所有的元素)基团的物质(包括含X＝O基团的矿物盐)为直接的氧化剂进行发电并联产目标物的电池，(特注：这里所言的“理论上”意指本专利技术人近三年来发现的2个新的化学定律：(一)、所有含有上述X＝O基团(X表示所有的元素)的物质(包括含X＝O基团的岩石)在超强碱的水溶液中(如锌粉/KOH之水溶液)不能够长时间地(1年内)稳定存在，其必然被水还原为含有X-H键的新物质；(二)、只要是存在电荷不守恒的时刻和地方(如带静电荷的物体)，其必然几乎在同一时刻和同一个地方产生自由基离子和自由基的中间体；这正是新发现的“离子膜催化法”的基础原理，也正是如此的理论，使本专利技术人从化学反应的角度认为：接触分离产生的静电荷，实际上其性质就是一种高能的自由基离子，其为了满足电荷守恒，十分容易通过放电或自由基反应释放能量的方式又重新转化为电中性的状态，另外，在溶液中扩散迁移载有不守恒运动电荷的离子，也是一种高能的自由基离子，这正是“浓差电池”能够发电的基础原理。值得注意的是，本专利技术人至今仍然还没有发现有违反这2个新化学定律的化学事实)；而且，“本电池”发电的同时联产的是有机物或肼或硫单质等其它各种相应的可燃物，这些可燃物全都可以加入“本电池”的阳极室从而成为“本电池”的另一种直接的燃料，由此可以成数倍地增加“本电池”发电的输出功率密度，所以显而易见：“本电池”可以超大幅度地提升上述“二氧化碳燃料电池”的发电量，可以超大规模地减排CO2(包括NO2和SO2)的废气。本专利技术的“碱性直接水CO2燃料电池”(即“本电池”)是根据近期新发现的“离子膜催化法”水制氢的原理以及近年新发现的碳酸钾和水催化反应合成有机物的化学实例(祥见“过程1”)构建而成，其核心部件为离子交换膜与强碱性水溶液和活性金属材料组合的催化体系；关于新原理方面的说明请参阅申请号为201510201194.6和201410077498.1的专利技术专利。首先发现“本电池”可以在不输入电能等其它任何能量且不消耗任何其它物质的前提下，仅仅利用离子交换膜的选择性渗析离子的功能，就能够将水解离为氢气和氧气及双氧水，后来又进一步发现，不仅不需要输入电能，而反过来可以输出电能(请祥见下述实施例1)，这就为以水代替氢气作为一种直接的燃料之“碱性直接水空气燃料电池”的设计奠定了基础，正是如此这样一个技术的背景，“引发”了本“碱性直接水CO2燃料电池”的设计——以“CO2”(包括NO2或SO2或碳酸盐和碳酸氢盐或硝酸盐和亚硝酸盐或硫酸盐和亚硝酸盐)与水为原料制备有机物或肼或硫单质等其它各种可燃物，既不需要输入电能等任何其它的能量，也不需要消耗金属等任何其它的物质，同时还共生或联产直流电。这样的一种电池，无疑将其用于合成领域的生产以及用于建立燃料电池电站的成本最低，尤其适合于CO2减排领域的应用。为了进一步更清楚地说明这一成本最低之所以能够成功实现的原理，在这里举下述实施例2给出具体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种“碱性直接水CO2燃料电池”和其构建的方法，即一种以水为直接的燃料同时以二氧化碳或碳酸盐和碳酸氢盐或者同时以二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐或者同时以二氧化硫或硫酸盐和亚硫酸盐为氧化剂的燃料电池及其作为一种催化合成反应器的应用，其特征为采用阴离子交换膜或阳离子交换膜与氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵等一切水溶性的氢氧化物和阴极电极组合成为该燃料电池的催化体系，使该燃料电池作为一种催化合成反应器，在以二氧化碳或碳酸盐和碳酸氢盐或者以二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐或者以二氧化硫或硫酸盐和亚硫酸盐与水为原料合成有机物或肼或硫单质和金属硫化物的同时可共生直流电或共生氢气和氧气。

【技术特征摘要】
1.一种“碱性直接水CO2燃料电池”和其构建的方法，即一种以水为直接的燃料同时以二氧化碳或碳酸盐和碳酸氢盐或者同时以二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐或者同时以二氧化硫或硫酸盐和亚硫酸盐为氧化剂的燃料电池及其作为一种催化合成反应器的应用，其特征为采用阴离子交换膜或阳离子交换膜与氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵等一切水溶性的氢氧化物和阴极电极组合成为该燃料电池的催化体系，使该燃料电池作为一种催化合成反应器，在以二氧化碳或碳酸盐和碳酸氢盐或者以二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐或者以二氧化硫或硫酸盐和亚硫酸盐与水为原料合成有机物或肼或硫单质和金属硫化物的同时可共生直流电或共生氢气和氧气。2.以水为直接的燃料同时以二氧化碳或二氧化氮或二氧化硫或者以它们的混合物废气或者以碳酸盐和碳酸氢盐或硝酸盐和亚硝酸盐或硫酸盐和亚硫酸盐为氧化剂的燃料电池合成有机物或肼或硫单质和金属硫化物的方法，包括以下次序的几个步骤：选用普通的碱性直接甲醇燃料电池的设备，用普通的阴离子交换膜或阳离子交换膜将该设备分隔为阴极室和阳极室2个小室，用不绣钢或活性铁或锌或活性铜或活性镍或活性炭或石墨或它们的合金等材料制备的气体扩散电极作为阴极电极和阳极电极，二电极紧贴离子交换膜的两侧，其它设备条件基本不变；在阴极室(或阳极室)加入计算量的30-50％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵等一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李坚，
申请(专利权)人：李坚，
类型：发明
国别省市：湖北;42