二氧化碳透過裝置和輸送二氧化碳的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供具有高二氧化碳透過性并且可以用大幅降低的能量來運行的二氧化碳透過裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極之間的電解質(zhì)膜、以及DC電源。所述二氧化碳透過裝置加速二氧化碳從所述第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向所述電解質(zhì)膜中的吸收，以便降低所述第一氣體擴(kuò)散電極的附近的氣體中的二氧化碳濃度，并且通過引起所述電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)，加速二氧化碳從所述電解質(zhì)膜向所述第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放，以便將在所述第二氣體擴(kuò)散電極的附近的所述氣體中的二氧化碳富化。
【專利說明】二氧化碳透過裝置和輸送二氧化碳的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過引起氧產(chǎn)生/氧還原的電化學(xué)反應(yīng)允許二氧化碳的透過的裝置，以及通過引起氧產(chǎn)生/氧還原的電化學(xué)反應(yīng)輸送二氧化碳的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]占空氣的0.04%的二氧化碳廣泛存在于地球上并且廣泛在工業(yè)上使用。二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用的具體實例包括碳酸飲料、洗浴添加劑、發(fā)泡氣(例如，滅火劑)、用于冷卻的干冰、和用于自行車的應(yīng)急空氣。此外，超臨界二氧化碳用于咖啡因的萃取溶劑和二氧化碳激光設(shè)備(例如，用于工業(yè)領(lǐng)域中處理的激光設(shè)備和用作醫(yī)用激光手術(shù)刀的激光設(shè)備)。此夕卜，二氧化碳用作氟代烴制冷劑的替代物并且用于CO2制冷劑壓縮機(jī)中。
[0003]此外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，二氧化碳用作加速植物生長(例如，觀賞用魚缸中的水生植物)的二氧化碳肥料，例如，用于促進(jìn)草莓生長的二氧化碳肥料，并且還用于新鮮農(nóng)產(chǎn)品的調(diào)氣貯藏。
[0004]因而，已經(jīng)提出了多種通過允許氣體中二氧化碳的透過以從氣體中提取二氧化碳的技術(shù)。
[0005]在過去，已經(jīng)提出了通過允許氣體中二氧化碳的透過來增加二氧化碳濃度的技術(shù)，如使用如非專利文獻(xiàn)I中描述的促進(jìn)輸送的膜的技術(shù)和使用專利文獻(xiàn)I中描述的固體熔鹽的技術(shù)。非專利文獻(xiàn)I中描述的促進(jìn)輸送膜利用了多孔聚合物膜的透過速率之間的差
巳
[0006]然而，為了使二氧化碳透過非專利文獻(xiàn)I中描述的促進(jìn)二氧化碳輸送的膜，需要將用于輸送二氧化碳的氣體加壓至高于約200kPa的壓力以及將用于接收二氧化碳的氣體減壓。此外，在使用由專利文獻(xiàn)I公開的固體熔鹽的情況下，需要將熔鹽的溫度維持為600°C那么高來操作使用熔鹽的裝置。
[0007]如以上所描述的，不存在能夠使用降低的能量消耗而不需要大規(guī)模裝置來使用二氧化碳透過的裝置。
[0008]引用清單
[0009]專利文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)I JP11-28331A
[0011]非專利文獻(xiàn)
[0012]非專利文獻(xiàn)1:R.Yegani 等人，J.Membr.Sc1.，291，157 (2007)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]技術(shù)問題
[0014]本發(fā)明是在考慮以上情況做出的，并且其目標(biāo)是提供一種具有高二氧化碳透過性并且可以用大幅降低的能量運行的二氧化碳透過裝置、以及使用該二氧化碳透過裝置以高效率輸送二氧化碳的方法。[0015]解決問題的技術(shù)方案
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、電解質(zhì)膜和DC電源。電解質(zhì)膜與第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸并且位于第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間。DC電源被配置以在第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間施加電壓。所述二氧化碳透過裝置被配置使得:通過引起電化學(xué)反應(yīng)來加速二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，以便降低第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體中的二氧化碳濃度；并且通過引起電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)來加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放，以便將在第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體富含二氧化碳。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，輸送二氧化碳的方法包括下列步驟:制備二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、與第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極接觸并且位于第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間的電解質(zhì)膜、以及被配置成在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓的DC電源；以及分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極作為陰極和陽極，并且在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓以加速二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，并且通過弓I起電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)以加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放。
[0018]本發(fā)明的有益效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供具有高二氧化碳透過性并且可以用大幅降低的能量運行的二氧化碳透過裝置。
[0020]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供使用二氧化碳透過裝置以高效率輸送二氧化碳的方法。
[0021]附圖簡述
[0022]圖1是顯示本發(fā)明的一個實施方案的示意性截面圖；
[0023]圖2是顯示根據(jù)圖1中所示的實施方案的另一個構(gòu)造實例的具有微孔層的二氧化碳透過裝置的示意性截面圖；以及
[0024]圖3是顯示本發(fā)明的另一個實施方案的示意性截面圖。
[0025]實施方案描述
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、電解質(zhì)膜和DC電源。電解質(zhì)膜與第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸并且位于第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間。DC電源被配置成在第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間施加電壓。二氧化碳透過裝置加速二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，以便降低第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的二氧化碳濃度，并且通過引起電化學(xué)反應(yīng)來加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放，以使在第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體中富含二氧化碳。
[0027]在本發(fā)明的一個方面中，優(yōu)選的是，二氧化碳透過裝置包括催化劑、電解質(zhì)膜具有分別與第一擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸的相反的面，并且催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的相反的面中的至少一個上。
[0028]在本發(fā)明的一個方面中，優(yōu)選的是，第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極中的至少一個包括與電解質(zhì)膜接觸的微孔層。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、電解質(zhì)膜和DC電源。電解質(zhì)膜與第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸并且位于第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間。DC電源被配置成在第一氣體擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極之間施加電壓。根據(jù)這一方面，二氧化碳透過裝置被配置成:加速二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，以便降低第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的二氧化碳濃度；并且通過施加來自DC電源的電壓，加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放，以使得在第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體中富含二氧化碳。
[0030]在這一點上，第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體被定義為這樣的氣體:其與第一氣體擴(kuò)散電極的接觸電解質(zhì)膜的面相反的第一氣體擴(kuò)散電極的面接觸。此外，第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體被定義為這樣的氣體:其與第二氣體擴(kuò)散電極的接觸電解質(zhì)膜的面相反的第二氣體擴(kuò)散電極的面接觸。
[0031]DC電源優(yōu)選被配置成在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓，電壓引起在第一氣體擴(kuò)散電極上的氧還原反應(yīng)和在第二氣體擴(kuò)散電極上的水的氧化反應(yīng)。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括催化劑，其中:電解質(zhì)膜具有分別與第一擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸的相反的面；并且催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的相反的面中的至少一個上，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一方面的。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括O2還原催化劑，其中:電解質(zhì)膜具有與第一氣體擴(kuò)散電極接觸的面；并且02還原催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的面上，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一方面的。
[0034]在這方面，O2還原催化劑催化下列O2還原反應(yīng)。
[0035]02+4H.+4e — 2H20
[0036]02+2H20+4e — 40H
[0037]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括O2產(chǎn)生催化劑，其中:電解質(zhì)膜具有與第二氣體擴(kuò)散電極接觸的另一面；并且O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的另一面上，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一或第三方面的。
[0038]在這一點上，O2產(chǎn)生催化劑催化下列O2產(chǎn)生反應(yīng)。O2產(chǎn)生反應(yīng)也是水的氧化反應(yīng)。
[0039]2H20 — 02+4H.+4e
[0040]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括一組O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑，以及另一組O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑，其中:電解質(zhì)膜具有與第一氣體擴(kuò)散電極接觸的面，以及與第二氣體擴(kuò)散電極接觸的另一面；一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的一面上；另一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的另一面上；并且DC電源被配置成改變在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加的電壓的極性。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供二氧化碳透過裝置，其中第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極中的至少一個包括與電解質(zhì)膜接觸的微孔層，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一至第五方面中的任一方面的。[0042]根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括第一氣體保持室，第一氣體保持室被配置成容納與第一氣體擴(kuò)散電極接觸的氣體，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一至第六方面中的任一方面的。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括第二氣體保持室，第二氣體保持室被配置成容納與第二氣體擴(kuò)散電極接觸的氣體，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一至第七方面中的任一方面的。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括供水器，所述供水器用于將水供給至電解質(zhì)膜，所述二氧化碳透過裝置是根據(jù)第一至第八方面中的任一方面的。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供輸送二氧化碳的方法，所述方法包括下列步驟:制備二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、與第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極接觸并且位于第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間的電解質(zhì)膜、以及被配置成在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓的DC電源；以及分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極作為陰極和陽極，并且在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓以加速二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，并且通過引起電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)以加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，提供輸送二氧化碳的方法，所述方法還包括下列步驟:分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極作為陽極和陰極，并且在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓以加速二氧化碳從第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向電解質(zhì)膜中的吸收，并且通過弓I起電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)以加速二氧化碳從電解質(zhì)膜向第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放。
[0047]下面將描述本發(fā)明的更具體的實施方案。
[0048]圖1示出了一個實施方案的二氧化碳透過裝置I。二氧化碳透過裝置I包括第一氣體擴(kuò)散電極2、第二氣體擴(kuò)散電極3、電解質(zhì)膜4和DC電源5。
[0049]DC電源5連接至第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3。第一氣體擴(kuò)散電極2連接至DC電源5的負(fù)極，并且第二氣體擴(kuò)散電極3連接至DC電源5的正極。DC電源5設(shè)置有用于選擇開始或結(jié)束從DC電源5供電的開關(guān)。當(dāng)操作開關(guān)開始供電時，二氧化碳透過裝置I被配置為開始運行。
[0050]在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間存在電解質(zhì)膜4,并且第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3與電解質(zhì)膜4接觸。在各個第一和第二氣體擴(kuò)散電極2和3上存在電極(固相)、電解質(zhì)膜4 (固相)、和含有二氧化碳和氧的氣體(氣相)的三相界面。因此，可以發(fā)生電池反應(yīng)。
[0051]第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3中的每一個優(yōu)選由多孔導(dǎo)電體構(gòu)成。為了增加反應(yīng)面積，優(yōu)選的是，多孔導(dǎo)電體具有較大的比表面積。多孔導(dǎo)電體的比表面積優(yōu)選為lm2/g以上，更優(yōu)選為100m2/g以上，并且還更優(yōu)選500m2/g以上，比表面積是由BET方法測定的。當(dāng)多孔導(dǎo)電體具有由BET方法測定的低于lm2/g的比表面積時，三相界面的總面積小，因此反應(yīng)量可能小，并且二氧化碳透過性是不足的。此外，優(yōu)選的是，多孔導(dǎo)電體具有較小的表面電阻，以便降低歸因于表面電阻的電壓損失。表面電阻優(yōu)選為lkQ/Sq以下，并且更優(yōu)選200Q/Sq以下。多孔導(dǎo)電體的優(yōu)選實例包括碳片、碳布和碳紙。
[0052]第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3中的每一個優(yōu)選包括微孔層。微孔層覆蓋導(dǎo)電體的靠近電解質(zhì)膜4的表面。
[0053]圖2示出了圖1中所示的二氧化碳透過裝置I的另一個構(gòu)造實例。在圖2中所示的二氧化碳透過裝置I中，第一氣體擴(kuò)散電極2包括導(dǎo)電體21和微孔層22，并且第二氣體擴(kuò)散電極3包括導(dǎo)電體31和微孔層32。
[0054]在這一點上，微孔層是在層內(nèi)部包括多個空隙(孔)的層。例如，多個空隙(孔)具有約10 μ m的直徑。
[0055]微孔層優(yōu)選由導(dǎo)電碳粒子形成。導(dǎo)電碳粒子的實例包括石墨粉末、活性炭、碳粉末(例如，炭黑、vulcan XC-72R、乙炔黑、爐黑、denka黑、科琴黑(ketjenblack)和油料爐黑)、碳纖維、碳納米管、碳納米角(carbon nanohorn)、碳納米簇和金屬摻雜的富勒烯(fullerene)?？梢詥为毷褂眠@些導(dǎo)電碳粒子中的一種類型，或者可以使用其兩種以上類型。
[0056]微孔層優(yōu)選含有氟樹脂。在這種情況下，在第一氣體擴(kuò)散電極2中生成的水以及在與第一氣體擴(kuò)散電極2相鄰的區(qū)域中通過冷凝生成的水分更可能從第一氣體擴(kuò)散電極2排出，并且在第二氣體擴(kuò)散電極3中生成的水以及在與第二氣體擴(kuò)散電極3相鄰的區(qū)域中通過冷凝生成的水分更可能從第二氣體擴(kuò)散電極3排出。因此，抑制了第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3中的每一個的二氧化碳透過性的降低。氟樹脂的實例包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基氟樹脂(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、和乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)?？梢詥为毷褂眠@些氟樹脂中的一種類型，或者可以使用這些氟樹脂中的兩種以上類型。微孔層中的氟樹脂與導(dǎo)電碳粒子的質(zhì)量比優(yōu)選范圍為0.05至0.6。關(guān)于氟樹脂的這種質(zhì)量比更優(yōu)選范圍為0.1至0.3。
[0057]微孔層通過例如將導(dǎo)電碳粒子沉積在導(dǎo)電體上以形成層而形成。在這種情況下，微孔層通過下列方式形成:將含有例如導(dǎo)電碳粒子和適當(dāng)粘結(jié)劑的漿液涂敷到導(dǎo)電體上，然后將漿液干燥，并且按照需要將其進(jìn)一步燒制。在涂敷漿液前，優(yōu)選對導(dǎo)電體進(jìn)行防水處理。粘結(jié)劑優(yōu)選為陰離子型樹脂(例如，可從Tokuyama Corporation獲得的AS-4 (產(chǎn)品編號))。
[0058]在微孔層含有氟樹脂的情況下，例如，微孔層可以由含有導(dǎo)電碳粒子、氟樹脂和適當(dāng)粘結(jié)劑的粉末形成。粘結(jié)劑優(yōu)選為陰離子型樹脂(例如，可從Tokuyama Corporation獲得的AS-4(產(chǎn)品編號))。為了獲得粉末，將導(dǎo)電碳粒子、氟樹脂和粘結(jié)劑混合，并且之后將溶解氟樹脂的親水性有機(jī)溶劑(例如，N-甲基吡咯烷酮)加入至其中。將這些組分混合并且將氟樹脂溶解于親水性有機(jī)溶劑中，以便制備漿液。用噴霧干燥器等將漿液?；?。因此，可以獲得含有導(dǎo)電碳粒子、氟樹脂和粘結(jié)劑的粉末。將粉末設(shè)置在導(dǎo)電體上以便形成層，并且之后進(jìn)行熱壓等。因此，可以制備微孔層。
[0059]適當(dāng)?shù)剡x擇微孔層的厚度，但是該厚度優(yōu)選范圍為10至100 μ m。
[0060]適當(dāng)?shù)剡x擇第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3的厚度，但是考慮到提高透氣性和結(jié)實性(robustness),各自厚度優(yōu)選范圍為100至500 μ m。此外，為了促進(jìn)二氧化碳經(jīng)由第二氣體擴(kuò)散電極3的排出，第二氣體擴(kuò)散電極3的厚度優(yōu)選為較小并且優(yōu)選范圍為100至300 μ m。
[0061]電解質(zhì)膜4是陰離子傳導(dǎo)電解質(zhì)膜。電解質(zhì)膜4可以是任何陰離子型電解質(zhì)膜。特別優(yōu)選的是，電解質(zhì)膜4是陰離子交換膜。陰離子交換膜能夠允許陰離子的選擇性透過。注意，電解質(zhì)膜4并非必須僅允許陰離子的透過。即，電解質(zhì)膜4可以由下列各項構(gòu)成:具有微孔的介電膜如用于雙電層電容器的隔體；以及被保持在介電膜上的陰離子傳導(dǎo)樹脂(例如，在其末端具有季銨鹽的樹脂)。
[0062]二氧化碳透過裝置包括這樣的電解質(zhì)膜4，并且因此，僅通過陰離子經(jīng)由電解質(zhì)膜4的遷移來補(bǔ)償由電池反應(yīng)導(dǎo)致的在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間的電荷的不平衡。換句話說，HCO3-更可能從第一氣體擴(kuò)散電極2遷移至第二氣體擴(kuò)散電極3。
[0063]對電解質(zhì)膜4沒有特別地限定,但是可以為可從Tokuyama Corporation獲得的“AMX”、“AHA”、“ACM”、“A201”或“A901”(全是neoc印tor系列)。在這些中，作為電解質(zhì)膜
4,優(yōu)選使用的是可從Tokuyama Corporation獲得的陰離子型電解質(zhì)膜“A201”。
[0064]優(yōu)選的是，催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜的相反的面中的至少一個上，所述相反的面分別與第一擴(kuò)散電極和第二擴(kuò)散電極接觸。當(dāng)將催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4上時，實現(xiàn)了催化劑和電解質(zhì)膜4之間的良好接觸。也就是說，可以降低催化劑和電解質(zhì)膜4之間的接觸電阻，并且因此可以降低電解反應(yīng)的超電勢(overpotential)。
[0065]當(dāng)將催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面上時，催化劑優(yōu)選包含O2還原催化劑。O2還原催化劑催化下列O2還原反應(yīng)。
[0066]02+4H.+4e — 2H20
[0067]02+2H20+4e — 4 OH
[0068]O2還原催化劑的優(yōu)選實例包括:選自能夠發(fā)揮作為氧吸附部位的功能的過渡金屬Sc、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt 和 Au 中的至少一種的金
屬，含有這些金屬中至少一種的合金，含有這些金屬中至少一種的復(fù)合物，含有這些金屬中至少一種作為摻雜劑的化合物，碳合金，碳納米管，和石墨。
[0069]備選地，作為O2還原催化劑，優(yōu)選使用摻雜有金屬原子和氮原子的碳系材料。這種碳系材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和高催化活性，并且因此可以增加電解效率。這種碳系材料可以是:摻雜有金屬原子和氮原子的石墨烯；摻雜有金屬原子和氮原子的氧化石墨烯；摻雜有金屬原子和氮原子的石墨；摻雜有金屬原子和氮原子的石墨氧化物；或摻雜有金屬原子和氮原子的烷基改性石墨。
[0070]對摻雜碳系材料的金屬沒有特別地限定，但是金屬的優(yōu)選實例包括選自下列各項中的至少一種金屬:鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、猛(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鑰(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、錸(Re)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉬(Pt)、和金(Au)。
[0071]碳系材料優(yōu)選具有落在0.1至0.2的范圍內(nèi)的氮與碳以摩爾計的元素比。此外，碳系材料優(yōu)選具有0.03以上的金屬與氮的元素比，并且還更優(yōu)選具有0.05以上的金屬與氮以摩爾計的元素比。通過X射線光電子光譜法測量碳系材料的碳含量、氮含量和金屬含量。在這一點上，在測量碳系材料的金屬含量前，優(yōu)選用酸洗滌碳系材料以移除附著至碳系化合物的金屬和金屬化合物。
[0072]優(yōu)選的是，在碳系材料中氮原子配位至金屬原子。此外，優(yōu)選的是，在整個碳系材料中氮原子所配位的金屬原子的百分?jǐn)?shù)為0.4摩爾％以上，并且在整個碳系材料中氮原子的百分?jǐn)?shù)為6摩爾％以上。
[0073]碳系材料可以含有一種類型或兩種類型以上的金屬原子。
[0074]為了提高催化性能，碳系材料優(yōu)選具有0.lS/cm以上的導(dǎo)電性。此外，為了提高催化性能，碳系材料優(yōu)選具有200m2/g以上的比表面積。
[0075]負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面上的催化劑優(yōu)選包含用于促進(jìn)下列酸堿反應(yīng)的催化劑。
[0076]C02+H20 — H++HCCV
[0077]當(dāng)將催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的面(另一面)上時，催化劑優(yōu)選包括O2產(chǎn)生催化劑。O2產(chǎn)生催化劑催化下列O2產(chǎn)生反應(yīng)。
[0078]2H20 — 02+4H++4e
[0079]O2產(chǎn)生催化劑的優(yōu)選實例也包括:選自過渡金屬Sc、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的至少一種類型的金屬，含有這些金屬中至少一種類型的合金，含有有這些金屬中至少一種類型的復(fù)合物，摻雜有有這些金屬中至少一種類型的化合物，碳合金，碳納米管和石墨。
[0080]備選地，作為O2產(chǎn)生催化劑，優(yōu)選使用與O2還原催化劑相同的摻雜有金屬原子和氮原子的碳系材料。
[0081]負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的面上的催化劑優(yōu)選包含用于促進(jìn)下列酸堿反應(yīng)的催化劑。
[0082]H++HCCV — H2CO3 — H2CHCO2
[0083]催化劑通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄘ?fù)載在電解質(zhì)膜4上。例如，可用的是將含有催化劑的溶液或分散體(在下文中，被稱為催化劑墨)直接涂敷在電解質(zhì)膜4上的方法。備選地，可用的是將催化劑墨涂敷到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)印基板上以在該轉(zhuǎn)印基板上形成含有催化劑的膜(催化劑膜)，并且隨后將催化劑膜從轉(zhuǎn)印基板轉(zhuǎn)印至電解質(zhì)膜4的方法(轉(zhuǎn)印法)。在這些方法中，轉(zhuǎn)印法是特別優(yōu)選的。由于使用轉(zhuǎn)印法，可以抑制電解質(zhì)膜4被催化劑墨的溶劑或分散介質(zhì)的溶脹。因此，抑制了電解質(zhì)膜4的變形。
[0084]對用于轉(zhuǎn)印法的轉(zhuǎn)印基板的材料沒有特別地限定，但是可以是:由聚對苯二甲酸乙二醇酯制成的聚合物膜、聚酯、聚酰亞胺、聚酰胺、聚丙烯等；涂布紙；或玻璃。在這些中，聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酯是特別優(yōu)選的。
[0085]轉(zhuǎn)印基板可以設(shè)置有在其表面上的剝離層，并且可以在剝離層上涂敷催化劑墨。剝離層可以是氟樹脂系涂層或硅氧烷系涂層。
[0086]催化劑墨通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄍ糠笤诨迳?。例如，可以采用濕法加工，比如噴墨、浸涂、棒涂、刮刀涂?doctor blading)、模涂、噴霧、棍涂、絲網(wǎng)印刷和柔版印刷(flexographic printing)。通過將催化劑墨涂敷到轉(zhuǎn)印基板上并且之后將其干燥,可以制備催化劑膜。涂敷在轉(zhuǎn)印基板上的催化劑墨優(yōu)選在范圍為20°C至100°C的溫度、并且更優(yōu)選在范圍為30°C至60°C的溫度干燥。催化劑膜優(yōu)選具有范圍為10至50 μ m的厚度。
[0087]通過用在轉(zhuǎn)印基板上形成的催化劑膜覆蓋電解質(zhì)膜4并且在將它們彼此壓緊的情況下將加熱，可以進(jìn)行催化劑膜的從轉(zhuǎn)印基板到電解質(zhì)膜4的轉(zhuǎn)印?？梢杂贸Ｓ眉夹g(shù)比如熱壓進(jìn)行加熱和壓緊。對加熱和壓緊的步驟中的壓力和溫度沒有特別地限定。然而，壓力優(yōu)選范圍為0.1至20MPa，并且更優(yōu)選范圍為I至5MPa。加熱溫度優(yōu)選范圍為100°C至200°C。根據(jù)電解質(zhì)膜4的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度選擇加熱溫度，并且通常優(yōu)選的是，加熱溫度比玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高約10°C至約50°C。
[0088]通過DC電源5經(jīng)由外部電路將電壓施加在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間。這個施加電壓需要足以在第一氣體擴(kuò)散電極2(陰極)上引起氧還原反應(yīng)并且在第二氣體擴(kuò)散電極3 (陽極)上引起水的氧化反應(yīng)。優(yōu)選在不發(fā)生水電解的范圍內(nèi)選擇施加電壓?？紤]到損失，如在電極和/或電解質(zhì)上發(fā)生的IR壓降，適當(dāng)?shù)剡x擇施加電壓。例如，在I至IOV的范圍內(nèi)選擇施加電壓。
[0089]二氧化碳透過裝置I在含有二氧化碳的氣體與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的條件下運行。因此，優(yōu)選的是，在第一氣體擴(kuò)散電極2和外部氣氛之間的接觸區(qū)較大。
[0090]在本實施方案中，第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3分別與電解質(zhì)膜4的相反的面接觸，并且因此極大地減小了在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間發(fā)生的電壓下降(IR壓降)。因此，減小了歸因于IR壓降所致的電壓損失。
[0091]本實施方案的二氧化碳透過裝置I通過在第一氣體擴(kuò)散電極2與含有二氧化碳、氧、和水蒸氣的氣體接觸的條件下由DC電源5在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加電壓而運行。在這種情況下，發(fā)生由下列方程式表示的反應(yīng)。在這個反應(yīng)中，與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體中的氧被與第一氣體擴(kuò)散電極2或第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體中的水蒸氣還原。因此，在與第一氣體擴(kuò)散電極2相鄰的區(qū)域中生成0H_。
[0092]02+2H20+4e — 40H
[0093]隨后，在第一氣體擴(kuò)散電極2發(fā)生由下列方程式表示的反應(yīng)。該反應(yīng)涉及與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體中的二氧化碳和在以上反應(yīng)中生成的氫氧根離子0H_，并且生成HCO3'
[0094]co2+or — HCO3-
[0095]在這個反應(yīng)的同時，在第一氣體擴(kuò)散電極2附近發(fā)生由下列方程式表示的酸堿反應(yīng)。在這個酸堿反應(yīng)中，與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體中的二氧化碳與電解質(zhì)膜4中的水反應(yīng)，以引起水合和離子化。因此，生成HCO3'注意，電解質(zhì)膜4中的水源自與第一氣體擴(kuò)散電極2或第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體中的水蒸氣，并且已經(jīng)通過電解質(zhì)膜4的溶脹而被捕獲在電解質(zhì)膜4中。
[0096]C02+H20 — H++HCCV
[0097]這些反應(yīng)引起在第一氣體擴(kuò)散電極2附近的氣體中的二氧化碳被加速吸收至電解質(zhì)膜4中。注意，在這種情況下，術(shù)語“加速”意指二氧化碳的吸收的量變?yōu)榇笥谠诘谝粴怏w擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間沒有施加電壓的條件下二氧化碳向電解質(zhì)膜4中的正常吸收的量。
[0098]當(dāng)將O2還原催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面上時，極大地促進(jìn)了前述電化學(xué)O2還原。因此，增加了與氣體中二氧化碳反應(yīng)的0H_的生成速率，并且因此進(jìn)一步提高了二氧化碳的吸收效率。此外，當(dāng)酸堿反應(yīng)催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面上時，極大地促進(jìn)了已經(jīng)與水反應(yīng)過的CO2的離子化。因此，在其中將氣體中二氧化碳水合并離子化的酸堿反應(yīng)的平衡傾向于向右移動，并且因此進(jìn)一步提高了二氧化碳的吸收效率。[0099]隨著與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體的二氧化碳濃度的增加，上述反應(yīng)量增力口，并且因此增加了二氧化碳透過裝置I的電流值。
[0100]在這些反應(yīng)中生成的碳酸氫根離子HC03_經(jīng)由電解質(zhì)膜4到達(dá)第二氣體擴(kuò)散電極
3。在第二氣體擴(kuò)散電極3，發(fā)生下列反應(yīng)，其中電解質(zhì)膜4中的水被氧化以產(chǎn)生02。
[0101 ] 2H20 — 02+4H.+4e
[0102]這個反應(yīng)引起在與第二氣體擴(kuò)散電極3相鄰的區(qū)域中的氫離子H+濃度的增加。這促進(jìn)了下列涉及氫離子和碳酸氫根離子hco3_的酸堿反應(yīng)。因此，生成二氧化碳。這引起二氧化碳被加速從電解質(zhì)膜4向與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體中排放。注意，在這種情況下，術(shù)語“加速”意指二氧化碳的排放的量變?yōu)榇笥谠诘谝粴怏w擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間沒有施加電壓的條件下二氧化碳向電解質(zhì)膜4中的正常排放的量。
[0103]H++HCCV — H2CO3 — H2CHCO2
[0104]當(dāng)將O2產(chǎn)生催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的面上時，極大地促進(jìn)了由上述水的電化學(xué)氧化引起的O2產(chǎn)生反應(yīng)。因此，生成二氧化碳的酸堿反應(yīng)的平衡傾向于向右移動，并且因此進(jìn)一步提高了 二氧化碳排放效率。
[0105]如以上所描述的，二氧化碳高效率地從與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體透過至與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體。因此，降低了與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體的二氧化碳濃度，并且由此進(jìn)行了與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體中的二氧化碳的富集。在這一點上，術(shù)語“富集或富含”意指使特定氣體的濃度大于初始條件下的濃度。
[0106]注意，當(dāng)在第二氣體擴(kuò)散電極3附近的氣體中的二氧化碳濃度高時，更可能發(fā)生下列反應(yīng)。這個反應(yīng)是平衡反應(yīng)中的逆反應(yīng)。
[0107]H2CHCO2 — H++HC03_
[0108]因此，在起著陽極作用的第二氣體擴(kuò)散電極3上的反應(yīng)的超電勢變大。因此，為了增加相同電壓情況下的反應(yīng)量，在第二氣體擴(kuò)散電極3附近的氣體中的二氧化碳濃度優(yōu)選較低，并且優(yōu)選為5%以下。此外，為了降低二氧化碳濃度，優(yōu)選提供在第二氣體擴(kuò)散電極3附近引起氣流的元件。
[0109]關(guān)于二氧化碳透過裝置1，當(dāng)在被供應(yīng)給作為陰極使用的第一氣體擴(kuò)散電極2的室溫氣體中的二氧化碳經(jīng)由二氧化碳透過裝置I透過時，經(jīng)由作為陽極使用的第二氣體擴(kuò)散電極3排放的二氧化碳傾向于具有等于室溫的溫度。在這一點上，二氧化碳被化學(xué)吸收至二氧化碳透過裝置I中以生成離子，并且這些離子通過HC03_的濃度擴(kuò)散和借助電解質(zhì)膜4中靜電力的電泳，遷移通過二氧化碳透過裝置I。因此，可以在不供給大量能量的情況下輸送二氧化碳。
[0110]使用如上所述配置的二氧化碳透過裝置1，可以從含有二氧化碳的氣體中提取二氧化碳。由此獲得的二氧化碳可以在工業(yè)上使用。
[0111]二氧化碳透過裝置I可以用于:從封閉空間如沒有開口的房間、飛機(jī)、潛水艇和宇宙飛船中排出CO2，用于工廠廢水堿處理中的中和的CO2鼓泡用CO2供應(yīng)，以及為植物工廠、溫室等中光合作用用的CO2供給。
[0112]在本實施方案中，分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3作為陰極和陽極，并且DC電源5被配置成在陽極和陰極之間施加電壓。注意，可以分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3作為陽極和陰極，并且DC電源5可以被配置成在陰極和陽極之間施加電壓。換句話說，DC電源5可以被配置成改變在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加的電壓的極性。為了改變極性，DC電源5設(shè)置有,例如,用于選擇開始或結(jié)束從DC電源5供電和選擇電流方向的開關(guān)。在這種情況下，當(dāng)分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3作為陽極和陰極并且DC電源5在該陰極和該陽極之間施加電壓時，加速了二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極2附近的氣體向電解質(zhì)膜4中的吸收。因此，降低了該氣體的二氧化碳濃度。除此之外，通過引起電解質(zhì)膜4中水的氧化反應(yīng)，力口速了二氧化碳從電解質(zhì)膜4向第二氣體擴(kuò)散電極3附近的氣體的排放。因此，該氣體中的二氧化碳得到了富集。總而言之，反轉(zhuǎn)了二氧化碳透過方向。也就是說，由DC電源5施加的電壓的極性的選擇引起了二氧化碳透過裝置I的二氧化碳透過方向的選擇。因此，二氧化碳透過裝置I可以將二氧化碳從第一氣體擴(kuò)散電極2側(cè)輸送至第二氣體擴(kuò)散電極3偵牝并且也可以將二氧化碳從第二氣體擴(kuò)散電極3側(cè)輸送至第一氣體擴(kuò)散電極2偵U。
[0113]下面的描述是針對在DC電源5被配置成改變第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間的電壓的極性的情況下的優(yōu)選實施方案。在這種實施方案中，電解質(zhì)膜4具有與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面和與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的另一面，并且優(yōu)選的是:二氧化碳透過裝置I還包括一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑，以及另一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑，并且一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜4的面上；另一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在電解質(zhì)膜4的另一面上。因此，在DC電源5在分別被選擇作為陰極和陽極的第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加電壓、以及在DC電源5在分別被選擇作為陽極和陰極的第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加電壓的兩種情況下，二氧化碳都可以高效率地透過。在這一點上，可以將作為O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑二者使用的催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的面上。除此之外，可以將作為O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑二者使用的催化劑負(fù)載在電解質(zhì)膜4的與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的面(另一面)上。
[0114]作為O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑使用的催化劑的優(yōu)選實例包括:選自過渡金屬 Sc、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt 和 Au 中的至少一種類型的金屬；含有這些金屬中至少一種類型的合金；含有這些金屬中至少一種類型的復(fù)合物；摻雜有這些金屬中至少一種類型的化合物；碳合金；碳納米管；和石墨。備選地，作為催化劑，優(yōu)選使用摻雜有金屬原子和氮原子的碳系材料。這種碳系材料可以是:摻雜有金屬原子和氮原子的石墨烯；摻雜有金屬原子和氮原子的氧化石墨烯；摻雜有金屬原子和氮原子的石墨；摻雜有金屬原子和氮原子的石墨氧化物；或摻雜有金屬原子和氮原子的烷基改性石墨。對摻雜碳系材料的金屬沒有特別地限定，但是優(yōu)選包括選自下列各項中的至少一種類型的金屬:鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、猛(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錯(Zr)、鈮(Nb)、鑰(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、錸(Re)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉬(Pt)和金(Au) ο
[0115]二氧化碳透過裝置還可以包括第一氣體保持室和第二氣體保持室中的至少一個。第一氣體保持室被配置成容納(將要)與二氧化碳透過裝置接觸的氣體。第二氣體保持室被配置成容納(將要)與第二氣體擴(kuò)散電極接觸的氣體。
[0116]圖3中所示的二氧化碳透過裝置11與圖1中所示的二氧化碳透過裝置I的不同在于:二氧化碳透過裝置11還包括第一氣體保持室6和第二氣體保持室7。當(dāng)DC電源5在二氧化碳透過裝置11中的第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加電壓時，二氧化碳從第一氣體保持室6被輸送至第二氣體保持室7。因此,可以降低第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度，并且可以增加第二氣體保持室7中的二氧化碳濃度。
[0117]二氧化碳透過裝置11可以在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中使用。例如，在二氧化碳透過裝置11的第二氣體保持室7中生成具有高二氧化碳濃度的氣體，并且可以在工業(yè)上適當(dāng)?shù)厥褂盟鰵怏w。
[0118]在第一氣體保持室6是在其中二氧化碳濃度可能將要增加的封閉設(shè)施(如沒有開口的房間、飛機(jī)、潛水艇和宇宙飛船)的情況下，二氧化碳透過裝置11驅(qū)動以降低第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度。因此,可以將第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度維持在適當(dāng)?shù)臈l件下。在這種情況下，二氧化碳透過裝置11可以不包括第二氣體保持室7，并且第二氣體擴(kuò)散電極3可以暴露于外部空氣。
[0119]在第二氣體保持室7是在其中消耗二氧化碳的設(shè)施(如植物工廠和溫室)的情況下，二氧化碳透過裝置11運行以增加第二氣體保持室7中的二氧化碳濃度。因此，二氧化碳被供給至第二氣體保持室7。在這種情況下，二氧化碳透過裝置11可以不包括第一氣體保持室6,并且第一氣體擴(kuò)散電極2可以暴露于外部空氣。
[0120]二氧化碳透過裝置11優(yōu)選包括被配置成將水供給至電解質(zhì)膜4的供水器。在這種情況下，可以抑制電解質(zhì)膜4中涉及電化學(xué)反應(yīng)的水的不足。因此，使用二氧化碳透過裝置I更高效率地輸送二氧化碳。
[0121]注意，圖1中所示的二氧化碳透過裝置I也可以包括供水器。
[0122]供水器可以是被配置成將水汽化或霧化并噴灑所得到的水的元件。作為這種元件，可以采用已知的元件，如用于噴射水的噴霧器、用于將水超聲霧化并噴灑所得到的水的超聲霧化器、通過使得到的水排出并噴灑而將水霧化的靜電霧化器、和通過加熱將水汽化并噴灑得到的水的汽化器。
[0123]例如，這種供水器被配置成將汽化的或霧化的水噴灑至與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體或與第二氣體擴(kuò)散電極3接觸的氣體中。因此，水被供給至電解質(zhì)膜4。
[0124]圖3中所示的二氧化碳透過裝置11包括供水器，即被配置成將水汽化或霧化并噴灑汽化的或霧化的水的元件8。因此，汽化的或霧化的水被噴灑至與第一氣體擴(kuò)散電極2接觸的氣體中，并且被供應(yīng)至電解質(zhì)膜4。這種元件8可以設(shè)置在第二氣體保持室7中。
[0125]作為供水器，可以采用冷卻器以將電解質(zhì)膜4冷卻。在這種情況下，通過冷卻器將電解質(zhì)膜4冷卻，并且因此向電解質(zhì)膜4提供水分。因此，水被供給至電解質(zhì)膜4。冷卻器可以是任何已知的冷卻器。
[0126]作為供水器，可以采用將液體水直接輸送至電解質(zhì)膜4的元件。例如，供水器可以包括水供應(yīng)源如存放水的槽和用于將供應(yīng)源連接至電解質(zhì)膜的管。在這種情況下，水從供應(yīng)源經(jīng)由管被供給至電解質(zhì)膜4。
[0127]同樣在圖3中所示的實施方案中，DC電源5可以被配置成改變在第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間施加的電壓的極性。在這種情況下，當(dāng)分別選擇第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3作為陽極和陰極并且DC電源5在陰極和陽極之間施加電壓時，在第二氣體擴(kuò)散電極3上發(fā)生氧還原反應(yīng)，并且在第一氣體擴(kuò)散電極2上發(fā)生水的氧化反應(yīng)。如以上所描述的，當(dāng)在二氧化碳透過裝置I兩端施加反向偏置時，可以將供給至作為陰極使用的第二氣體擴(kuò)散電極3的二氧化碳經(jīng)由作為陽極使用的第一氣體擴(kuò)散電極2排放至外部。因此，二氧化碳透過裝置11可以將二氧化碳從第一氣體保持室6輸送至第二氣體保持室7，并且也可以將二氧化碳從第二氣體保持室7輸送至第一氣體保持室6。
[0128]此外，在圖3中所示的實施方案中，二氧化碳透過裝置11可以包括:設(shè)置在第一氣體保持室6和第二氣體保持室7中的至少一個中的CO2氣體傳感器；以及基于由CO2氣體傳感器測量的二氧化碳濃度測量結(jié)果來控制DC電源5的控制器。在這種情況下，DC電源5可以設(shè)置有，例如，用于選擇開始或結(jié)束從DC電源5供電的開關(guān)，并且所述開關(guān)可以被配置處于受控制器的控制。在這種情況下，可以基于由CO2氣體傳感器測量的測量結(jié)果調(diào)節(jié)第一氣體保持室6或第二氣體保持室7中的二氧化碳濃度。作為CO2氣體傳感器，可以采用已知的系統(tǒng)氣體傳感器如固體電解質(zhì)氣體傳感器和液體電解質(zhì)氣體傳感器。
[0129]在圖3所示的實施方案中，CO2氣體傳感器9設(shè)置在第一氣體保持室6中。在這種情況下，例如，控制器10被配置成:當(dāng)由CO2氣體傳感器9測量的二氧化碳濃度測量值不低于預(yù)定值時，打開DC電源5 ;而當(dāng)二氧化碳濃度測量值低于預(yù)定值時，關(guān)閉DC電源5。在這種情況下，僅在第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度較高的條件下，二氧化碳透過裝置才處于運行中。因此，可以將第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度調(diào)節(jié)為不高于預(yù)定濃度。
[0130]當(dāng)將CO2氣體傳感器設(shè)置在第二氣體保持室6中時，控制器被配置成:當(dāng)由CO2氣體傳感器測量的二氧化碳濃度測量值低于預(yù)定值時，打開DC電源5 ;而當(dāng)二氧化碳濃度測量值不低于預(yù)定值時，關(guān)閉DC電源5。在這種情況下，僅在第一氣體保持室7中的二氧化碳濃度較低的條件下，二氧化碳透過裝置11才處于運行中。因此，可以將第二氣體保持室7中的二氧化碳濃度調(diào)節(jié)為不低于預(yù)定濃度。
[0131]此外，圖3中所示的二氧化碳透過裝置11(其中DC電源5被配置成改變第一氣體擴(kuò)散電極2和第二氣體擴(kuò)散電極3之間的電壓的極性)還可以包括設(shè)置在第一氣體保持室6中的CO2氣體傳感器9以及基于由CO2氣體傳感器9測量的二氧化碳濃度測量結(jié)果控制DC電源5的控制器10。在這種情況下，控制器10被配置成通過這樣的方式控制DC電源5:當(dāng)由CO2氣體傳感器9測量的二氧化碳濃度測量值低于預(yù)定范圍時，選擇第一氣體擴(kuò)散電極2作為陰極并且選擇第二氣體擴(kuò)散電極3作為陽極，并且在陰極和陽極之間施加電壓；當(dāng)二氧化碳濃度測量值大于預(yù)定范圍時，選擇第一氣體擴(kuò)散電極2作為陽極并且選擇第二氣體擴(kuò)散電極3作為陰極，并且在陰極和陽極之間施加電壓；以及當(dāng)二氧化碳濃度測量值落在預(yù)定范圍內(nèi)時，終止施加電壓。在這種情況下，第一氣體保持室6中的二氧化碳濃度被二氧化碳透過裝置11維持在預(yù)定范圍內(nèi)。
實施例
[0132]分別制備用PTFE (可從 TORAY INDUSTRIES, INC.獲得的 “TGP-H-090”)進(jìn)行了防水處理的兩片碳紙(尺寸為1.5cm/sq)，以作為第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極。
[0133]將陰離子型樹脂溶液(可從Tokuyama Corporation獲得的“AS-4”)、炭黑(vulcanXC-72R)和PTFE以1: 2: I的固體含量重量比混合，以制備混合物。向混合物中加入N-甲基吡咯烷酮，以使得混合物的固體含量中的N-甲基吡咯烷酮的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為25%，從而制備混合物液體。用噴霧干燥器(可從YAMATO SCIENTIFIC C0.,LTD.獲得的“DL410”)將這種混合物液體?；蕴峁┓勰⒎勰┲糜诘谝粴怏w擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極中的每一個上，并且在140°C和3MPa下熱壓。由此，制備出厚度為20 μ m的微孔層。
[0134]作為陰離子型電解質(zhì)膜，制備可從Tokuyama Corporation獲得的陰離子型電解質(zhì)膜“A201” (厚度:28μπι)。將鉬催化劑以0.5mg/cm2的每單位面積的負(fù)載量負(fù)載在陰離子型電解質(zhì)膜的各個相反的面上。為了負(fù)載鉬催化劑，首先，通過將負(fù)載在炭黑上的鉬(鉬比例:20質(zhì)量％,可從Tanaka Kikinzoku Kogyo獲得)與陰離子型樹脂溶液(可從Tokuyama Corporation獲得的“AS-4”)以1: 0.4的固體含量重量比混合,制備出催化劑墨。通過棒涂將催化劑墨涂敷在聚酯系轉(zhuǎn)印基板(可從TORAY INDUSTRIES, INC.獲得的“l(fā)umirror#50-S105”)上。隨后，將涂敷的催化劑墨在空氣氣氛下干燥12h以制備催化劑膜。之后，將催化劑膜置于陰離子型電解質(zhì)膜的各個相反的面上，然后在140°C和3MPa下熱壓5分鐘。因此，催化劑膜被轉(zhuǎn)印至陰離子型電解質(zhì)膜。
[0135]之后，制備DC電源。將第一氣體擴(kuò)散電極連接至DC電源的負(fù)極，并且將第二氣體擴(kuò)散電極連接至DC電源的正極。由此，制備出二氧化碳透過裝置。
[0136]將二氧化碳透過裝置的第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極布置成分別與密閉空間接觸。兩個密閉空間中的每一個填充有25°C的相對濕度為85%的氣體(初始氧百分?jǐn)?shù):20.9%并且初始二氧化碳百分?jǐn)?shù):0.04% )。將第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極中的每一個用板覆蓋。所述板包括:在其面上的將與氣體擴(kuò)散電極接觸的蛇形槽；和與槽的兩端相通并且將與密閉空間相通的開口。在這些條件下，密閉空間中的氣體以第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極的每單位面積為200mL/min的流量沿著板的槽流動。
[0137]在這些條件下，DC電源在第一氣體擴(kuò)散電極和第二氣體擴(kuò)散電極之間施加5V的電壓，并且因此二氧化碳透過裝置處于操作中。用二氧化碳?xì)怏w傳感器組件(可從Hamamatsu Photonics K.K.獲得)測量經(jīng)由各個板排放的氣體的二氧化碳濃度?；跍y量結(jié)果計算二氧化碳透過二氧化碳透過裝置的二氧化碳透過速率。
[0138]作為結(jié)果，在使用這種二氧化碳透過裝置的情況下，發(fā)現(xiàn)每單位面積的二氧化碳透過速率為70μ L/min.cm2。這確認(rèn)了二氧化碳透過裝置的優(yōu)異的二氧化碳透過性。
[0139]附圖標(biāo)記列表
[0140]I 二氧化碳透過裝置
[0141]2第一氣體擴(kuò)散電極
[0142]3第二氣體擴(kuò)散電極
[0143]4電解質(zhì)膜
[0144]5 DC 電源
【權(quán)利要求】
1.一種二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括: 第一氣體擴(kuò)散電極； 第二氣體擴(kuò)散電極； 電解質(zhì)膜，所述電解質(zhì)膜與所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二擴(kuò)散電極接觸并且位于所述第一氣體擴(kuò)散電極與所述第二擴(kuò)散電極之間；以及 DC電源，所述DC電源被配置成在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二擴(kuò)散電極之間施加電壓， 所述二氧化碳透過裝置被配置成: 加速二氧化碳從所述第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向所述電解質(zhì)膜中的吸收，以降低所述第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的二氧化碳濃度；并且 通過引起所述電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)，以加速二氧化碳從所述電解質(zhì)膜向所述第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放，從而使所述第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體中富含二氧化碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括催化劑， 其中: 所述電解質(zhì)膜具有分別與所述第一擴(kuò)散電極和所述第二擴(kuò)散電極接觸的相反的面；并且 所述催化劑被負(fù)載在所述電解質(zhì)膜的所述相反的面中的至少一個上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括O2還原催化劑， 其中: 所述電解質(zhì)膜具有與所述第一氣體擴(kuò)散電極接觸的面；并且 所述O2還原催化劑被負(fù)載在所述電解質(zhì)膜的所述面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括O2產(chǎn)生催化劑， 其中: 所述電解質(zhì)膜具有與所述第二氣體擴(kuò)散電極接觸的另一面；并且 所述O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在所述電解質(zhì)膜的所述另一面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑，以及另一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑， 其中: 所述電解質(zhì)膜具有與所述第一氣體擴(kuò)散電極接觸的面，以及與所述第二氣體擴(kuò)散電極接觸的另一面； 所述一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在所述電解質(zhì)膜的面上； 所述另一組的O2還原催化劑和O2產(chǎn)生催化劑被負(fù)載在所述電解質(zhì)膜的另一面上；并且所述DC電源被配置成改變在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極之間施加的所述電壓的極性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的二氧化碳透過裝置，其中 所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極中的至少一個包括與所述電解質(zhì)膜接觸的微孔層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括 第一氣體保持室，所述第一氣體保持室被配置成容納與所述第一氣體擴(kuò)散電極接觸的氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的二氧化碳透過裝置，還包括 第二氣體保持室，所述第二氣體保持室被配置成容納與所述第二氣體擴(kuò)散電極接觸的氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置還包括 供水器，所述供水器用于將所述水供應(yīng)至所述電解質(zhì)膜。
10.一種輸送二氧化碳的方法，所述方法包括下列步驟: 制備二氧化碳透過裝置，所述二氧化碳透過裝置包括第一氣體擴(kuò)散電極、第二氣體擴(kuò)散電極、與所 述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極接觸并且位于所述第一氣體擴(kuò)散電極與所述第二氣體擴(kuò)散電極之間的電解質(zhì)膜、以及被配置成在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓的DC電源；以及 分別選擇所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極作為陰極和陽極，并且在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極之間施加電壓以加速二氧化碳從所述第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向所述電解質(zhì)膜中的吸收，并且通過引起所述電解質(zhì)膜中水的氧化反應(yīng)以加速二氧化碳從所述電解質(zhì)膜向所述第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的輸送二氧化碳的方法，所述方法還包括下列步驟:分別選擇所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極作為所述陽極和所述陰極，并且在所述第一氣體擴(kuò)散電極和所述第二氣體擴(kuò)散電極之間施加所述電壓以加速二氧化碳從所述第二氣體擴(kuò)散電極附近的氣體向所述電解質(zhì)膜中的吸收，并且通過引起所述電解質(zhì)膜中所述水的氧化反應(yīng)以加速二氧化碳從所述電解質(zhì)膜向所述第一氣體擴(kuò)散電極附近的氣體的排放。
【文檔編號】B01J37/02GK103987442SQ201280058842
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】釜井亮, 鈴鹿理生, 中西周次, 橋本和仁, 亞當(dāng)·赫勒 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社, 獨立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)