电化学装置和燃料电池系统的制作方法

技术特征：
1.一种用于从空气中分离二氧化碳的电化学泵(ecp)，所述ecp包含：电池，所述电池包含阳极、阴极和邻近且隔开所述阳极和所述阴极的膜，所述阳极包含用于氧化试剂以形成质子或消耗氢氧根离子的阳极电催化剂，所述阴极包含用于还原氧气以形成氢氧根离子的阴极电催化剂；其中在所述ecp的使用期间：将所述空气供应至所述阴极，并且所述二氧化碳与在所述阴极处形成的所述氢氧根离子反应以形成碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子；所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子通过所述膜传输到所述阳极；以及所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子在所述阳极处反应以形成二氧化碳和水；并且其中以下中的至少一个：(a)所述阳极和所述阴极通过所述膜以电子方式连接以形成内部电流ecp(iecp)，并且所述膜包含阴离子交换聚合物和导电材料或导电阴离子交换聚合物；或(b)多孔结构-离聚物夹层将所述膜e与所述阴极隔开；或(c)基于作为所述催化剂的铂，所述阳极和所述阴极处的催化剂负载量小于0.4mg催化剂/平方厘米；或(d)所述ecp的膜电阻在0.5至20ohm-cm2之间；或(e)所述阴极进一步包含由伯胺、仲胺或叔胺组成的催化剂。2.根据权利要求1所述的ecp，其中所述阳极和所述阴极通过所述膜以电子方式连接以形成内部电流ecp(iecp)，并且所述膜包含阴离子交换聚合物和导电材料或导电阴离子交换聚合物。3.根据权利要求1所述的ecp，其中所述多孔结构-离聚物夹层将所述膜与所述阴极隔开。4.根据权利要求1所述的ecp，其中基于作为所述催化剂的铂，所述阳极和所述阴极处的所述催化剂负载量小于0.4mg催化剂/平方厘米。5.根据权利要求1所述的ecp，其中所述ecp的膜电阻在0.5至20ohm-cm2之间。6.根据权利要求1所述的ecp，其中所述阴极进一步包含由伯胺、仲胺或叔胺组成的催化剂。7.根据权利要求3至6中任一项所述的ecp，其中所述膜包含阴离子交换聚合物。8.根据权利要求2或7所述的ecp，其中所述阴离子交换聚合物包含季铵或咪唑鎓基团和不具有醚基团的聚合物主链。9.根据权利要求2或7所述的ecp，其中所述阴离子交换聚合物包含聚(芳基哌啶鎓)、烷基铵官能化的聚(芳基亚烷基)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(芳基亚烷基)、烷基铵官能化的聚(苯乙烯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(苯乙烯)、烷基铵官能化的聚(苯乙烯-共-二乙烯基苯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(苯乙烯-共-二乙烯基苯)、烷基铵官能化的聚(苯乙烯-嵌段-乙烯-共-丁二烯-嵌段-苯乙烯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(苯乙烯-嵌段-乙烯-共-丁二烯-嵌段-苯乙烯)、烷基铵官能化的聚(乙烯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(乙烯)、烷基铵官能化的聚(四氟乙烯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(四氟乙烯)、烷基铵官能化的聚(乙烯-共-四氟乙烯)、经取代的咪唑鎓官能化的聚(乙烯-共-四氟乙烯)、聚乙烯亚
胺、聚(二烯丙基铵)或其组合。10.根据权利要求9所述的ecp，其中所述阴离子交换聚合物包含聚(芳基哌啶鎓)。11.根据权利要求2和7至10中任一项所述的ecp，其中所述导电材料包含碳、镍、不锈钢、银、导电聚合物或其组合。12.根据权利要求2和7至11中任一项所述的ecp，其中所述导电材料包含纳米线或纳米管。13.根据权利要求1至12中任一项所述的ecp，其中所述ecp包含一个或多个以中空纤维配置布置的电池。14.根据权利要求1至13中任一项所述的ecp，其中所述ecp包含一个或多个附加电池，并且所述电池含有邻近一个或两个阳极的阳极气流层、邻近所述膜的所述阳极、邻近所述阳极和所述阴极的所述膜、邻近一个或两个阴极的阴极气流层，所述配置表示如下：[-ag-a-m-c-cg-c-m-a-]其中ag是所述阳极气流层，a是所述阳极，m是所述膜，c是所述阴极，且cg是所述阴极气流层。15.根据权利要求1至14中任一项所述的ecp，其中在所述二氧化碳与所述氢氧根离子在所述ecp的所述阴极处反应之后，所述空气含有小于约20、15、10、5、4或2ppm的二氧化碳。16.根据权利要求1至15中任一项所述的ecp，其中被所述阳极电催化剂氧化的所述试剂包含氢气、氨、肼、水、甲醇、乙醇、脲或其组合。17.根据权利要求16所述的ecp，其中被所述阳极电催化剂氧化的所述试剂包含氢气。18.根据权利要求1至17中任一项所述的ecp，其中所述阳极电催化剂包含铂、铂合金、碳载铂、碳载铂合金、镍、镍合金、碳载镍、碳载镍合金、钌、钌合金、碳载钌、碳载钌合金、铱、铱合金、碳载铱、碳载铱合金、钯、钯合金、碳载钯、碳载钯合金或其组合。19.根据权利要求1至17中任一项所述的ecp，其中所述阳极电催化剂包含碳载铂。20.根据权利要求1至19中任一项所述的ecp，其中所述阴极电催化剂包含银、银合金、碳载银、碳载银合金、铂、铂合金、碳载铂、碳载铂合金、钯、钯合金、碳载钯、碳载钯合金、氧化锰、碳载氧化锰、氧化钴、碳载氧化钴、杂原子掺杂的碳(x-c，其中x包含n、c、b、p、s、se或o中的一种或多种)、金属-杂原子-碳(m-x-c，其中x包含n、c、b、p、s、se或o中的一种或多种，且m包含fe、ce、cr、cu、co、mo、ni、ru、pd、pt、ir、rh、os、ag、au、re、ta、ti、v、w、mn、zn、sn、sb、in、ga、bi、pb或zr中的一种或多种)、钙钛矿(abx3，其中a包含ca、sr、ba、sc、y、la、ce、zr、cu、zn、sb、bi中的一种或多种，b包含al、ti、mn、fe、co ni、w、pd中的一种或多种，且x包含o、se、s中的一种或多种)、碳载钙钛矿(abx3，其中a包含ca、sr、ba、sc、y、la、ce、zr、cu、zn、sb、bi中的一种或多种，b包含al、ti、mn、fe、co ni、w、pd中的一种或多种，且x包含o、se、s中的一种或多种)，或其组合。21.根据权利要求20所述的ecp，其中所述阴极电催化剂包含银。22.根据权利要求1至21中任一项所述的ecp，其中通过电源向所述ecp提供电流，或者通过负载从所述ecp汲取电流。23.根据权利要求1至22中任一项所述的ecp，其中所述ecp进一步包含一个或多个附加电池。24.根据权利要求23所述的ecp，其中所述一个或多个附加电池串联电连接。
25.根据权利要求24所述的ecp，其中所述电池通过导电双极板串联电连接。26.根据权利要求23至25中任一项所述的ecp，其中每个电池进一步包含紧邻所述阳极的阳极气流层和紧邻所述阴极的阴极气流层。27.根据权利要求26所述的ecp，其中所述阳极气流层、所述阴极气流层，或所述阳极气流层和所述阴极气流层包含与导电区交替的一个或多个流动通道的流场，以在所述阳极、所述阴极，或所述阳极和所述阴极与所述双极板之间提供电连接。28.根据权利要求27所述的ecp，其中所述阴极气流层中的两个或更多个流动通道或所述阳极气流层中的两个或更多个流动通道以基本上平行的配置或交叉的配置布置。29.根据权利要求25至28中任一项所述的ecp，其中所述双极板与邻近的阳极气流层或邻近的阴极气流层集成；或所述双极板与所述邻近的阳极气流层和所述邻近的阴极气流层集成。30.根据权利要求26至29中任一项所述的ecp，其中所述阳极气流层、所述阴极气流层，或所述阳极气流层和所述阴极气流层包含导电进料隔离件。31.根据权利要求30所述的ecp，其中所述导电进料隔离件包含网，所述网包含镍、镍合金、不锈钢、导电聚合物、碳纤维纸或其组合；或所述导电进料隔离件包含穿孔金属片。32.根据权利要求23至31中任一项所述的ecp，其中所述电池以堆叠方式布置并且基本上是平面的；或所述电池呈堆叠形式并且围绕内管形成以形成螺旋堆叠。33.根据权利要求32所述的ecp，其中每个电池包含阴极气流层，并且所述阴极气流层与所述螺旋堆叠的轴向端流体连接。34.根据权利要求32或33所述的ecp，其中每个电池包含阳极气流层，并且所述阳极气流层与所述螺旋堆叠的管的内表面和所述管的外表面流体连接。35.根据权利要求32或33所述的ecp，其中所述电池包含阳极气流层，并且所述阳极气流层与所述内管中的第一歧管和第二歧管流体连接，并且包含导流元件，所述导流元件使气体从所述内管中的所述第一歧管向外流动通过所述阳极气流层的一部分，然后向内流动通过所述阳极气流层的第二部分到达所述内管中的所述第二歧管。36.根据权利要求1至35中任一项所述的ecp，其中所述ecp的电池节距小于约2、1.5或1mm。37.根据权利要求1至36中任一项所述的ecp，其中所述膜面积/空气流速小于或等于50cm2/slpm(在1大气压和0℃下的标准升/分钟)或10cm3/slpm。38.一种燃料电池系统，其包含氢氧化物交换膜燃料电池(hemfc)和根据权利要求1至37中任一项所述的ecp，其中在所述ecp的使用期间，在所述空气穿过所述ecp的所述阴极以降低所述二氧化碳的浓度之后，将所述二氧化碳浓度降低的所述空气从所述ecp的阴极排气口引导至所述hemfc的阴极入口。39.根据权利要求38所述的燃料电池系统，其中由所述ecp消耗的用于从所述空气中分离二氧化碳的氢气小于由所述hemfc消耗的氢气的约5％或2％。40.一种用于从含二氧化碳的气体或空气中分离二氧化碳的方法，其包含向根据权利要求1至39中任一项所述的电化学泵(ecp)的阴极供应所述含二氧化碳的气体或空气，并向所述ecp的阳极供应含氢气体。41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包含使与n
co2
，即每秒每个电池进入所述阴
极入口的co2的摩尔数，成比例的电流i
cell
通过，其中i
cell
定义为：i
cell
＝nf n
co2
其中n是2至50范围内的数字，且f是法拉第常数(faraday constant)。42.根据权利要求40或41所述的方法，其中所述含二氧化碳的气体是空气。43.根据权利要求40或41所述的方法，其中所述含二氧化碳的气体是烟道气。44.根据权利要求40至43中任一项所述的方法，其中收集所述二氧化碳。45.根据权利要求44所述的方法，其中所述二氧化碳在与氢气的混合物中收集，并且所述氢气:二氧化碳比率在约1:1和约4:1之间。46.一种用于从含二氧化碳的气体中分离二氧化碳的电化学泵(ecp)，其包含电池，所述电池包含膜和能够充当阳极或阴极的两个电极：所述两个电极各自独立地包含电荷储存化合物，所述电荷储存化合物在充当阴极时反应形成氢氧化物并且在充当阳极时反应消耗氢氧化物或产生质子；所述膜邻近且隔开所述两个电极；其中含二氧化碳的气体与充当阴极的所述电极接触，并且所述二氧化碳与所述氢氧根离子反应以形成碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子；所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子通过所述膜传输到充当阳极的所述电极；以及所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子在充当阳极的所述电极处反应以形成二氧化碳和水；其中所述ecp还包含用于反转电流方向并且同时交替与所述含二氧化碳的气体接触的所述电极的构件，从而允许每个电极依次充当阳极和阴极。47.根据权利要求46所述的ecp，其中一个或两个电极包含金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物或储氢合金。48.根据权利要求47所述的ecp，其中所述金属羟基氧化物包含羟基氧化镍。49.根据权利要求47所述的ecp，其中所述金属氧化物包含二氧化锰。50.根据权利要求47所述的ecp，其中所述储氢合金包含镧镍氢化物。51.一种系统，其包含金属-空气电池和根据权利要求46至50中任一项所述的电化学泵(ecp)，其中含二氧化碳的气体是空气，并且在将所述空气供应至所述ecp的阴极以降低二氧化碳的浓度之后，将所述二氧化碳浓度降低的所述空气引导至所述金属-空气电池的阴极入口。52.一种电池系统，其包含金属-空气电池和用于从含二氧化碳的气体中分离二氧化碳的电化学泵(ecp)，所述ecp包含电池，所述电池包含阳极、阴极和膜；所述阳极包含用于氧化试剂以形成质子或消耗氢氧根离子的阳极电催化剂；所述阴极包含用于还原氧气以形成氢氧根离子的阴极电催化剂；所述膜邻近且隔开所述阳极和所述阴极；其中将所述含二氧化碳的气体供应至所述阴极，并且所述二氧化碳与在所述阴极处形成的所述氢氧根离子反应以形成碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子；所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子通过所述膜传输到所述阳极；以及
所述碳酸氢根离子、碳酸根离子，或碳酸氢根和碳酸根离子在所述阳极处反应以形成二氧化碳和水；其中所述含二氧化碳的气体是空气，并且在所述空气穿过所述ecp的所述阴极以降低所述二氧化碳的浓度之后，将所述二氧化碳浓度降低的所述空气引导至所述金属-空气电池的阴极入口。53.一种用于从含二氧化碳的气体中分离二氧化碳的方法，其包含向根据权利要求46至50中任一项所述的电化学泵(ecp)的所述阴极供应所述含二氧化碳的气体。54.根据权利要求53所述的方法，其中所述含二氧化碳的气体是烟道气。

技术总结
公开了包括电化学泵(ECP)的电化学装置和包含燃料电池和ECP的燃料电池系统。具体地，所述电化学装置可以是ECP，其包含阳极、阴极和将所述阳极与所述阴极隔开的阴离子交换聚合物。所述ECP可耦合到本文公开为燃料电池系统的氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFC)。这些装置可用于从空气中去除二氧化碳和发电的方法。于从空气中去除二氧化碳和发电的方法。于从空气中去除二氧化碳和发电的方法。


技术研发人员：Y
受保护的技术使用者：特拉华大学
技术研发日：2019.11.20
技术公布日：2022/1/14