專利名稱：用氫和電催化電極低電壓生產(chǎn)堿的制作方法
用氫和電催化電極低電壓生產(chǎn)堿交叉引用本申請要求2009年2月10日提交的名稱為“Low VoltageElectrochemical Hydroxide with Circulating Hydrogen Gas” 的美國臨時申請 No. 61/151，472 ;2009 年 2 月 10 日提交的名禾爾為"ElectrocatalystElectrodes for Low Voltage Electrochemical Hydroxide System”的美國臨時申請No. 61/151，484 ；和2009年2月10日提交的名稱 為 “Low VoltageElectrochemical Hydroxide Cell Stacking System” 的美國臨時申請 No. 61/151, 481的優(yōu)先權(quán)，它們都全文經(jīng)此引用并入本文。背景在許多化學(xué)工藝中，利用包含例如氫氧根離子和/或碳酸根離子和/或碳酸氫根 離子的堿性溶液實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，例如中和酸，或緩沖溶液的PH值，或從溶液中沉淀不可溶 的氫氧化物和/或碳酸鹽和/或碳酸氫鹽。如全文經(jīng)此引用并入本文的上述美國臨時專利 申請中所述，可以通過將鹽的水溶液轉(zhuǎn)化成堿性溶液和酸的電化學(xué)系統(tǒng)生產(chǎn)堿性溶液。但 是，由于該方法非常耗能，所以消耗大量電能；也消耗大量鹽和水。因此，降低能量和材料消 耗是非常合意的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供生產(chǎn)堿性溶液的低電壓、低能量電化學(xué)系統(tǒng)和方法，包括在陰極處將 水還原成氫氧根離子和氫氣并使氫氧根離子遷移到陰極電解質(zhì)中以制造堿性溶液。通過該 系統(tǒng)和方法，在陽極處，將氫氣氧化成質(zhì)子且在陽極處不產(chǎn)生氣體，并使該質(zhì)子遷移到陽極 電解質(zhì)或相鄰電解質(zhì)中以制造酸。在一些實施方案中，該堿性溶液進(jìn)一步包含通過將二氧 化碳添加到陰極電解質(zhì)中而生成的碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。在一些實施方案中， 通過橫跨陽極和陰極施加低于3V來制造該堿性溶液。在一些實施方案中，回收陰極處產(chǎn)生 的氫氣并導(dǎo)向陽極，在此將其還原成質(zhì)子。在一些實施方案中，在電極上提供電催化劑以催化陽極處的氫的氧化和催化陰極 處的水還原成氫氧根離子和氫氣。在一些實施方案中，多個陽極和陰極串聯(lián)或并聯(lián)或以級聯(lián)構(gòu)造排列以使該堿性溶 液的生產(chǎn)中消耗的能量最小化。在一個實施方案中，該系統(tǒng)包含電化學(xué)裝置，該電化學(xué)裝置包含含氫-氧化陽極 的陽極隔室、含陰極的陰極隔室、和經(jīng)構(gòu)造以向陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)，其中該裝置可 經(jīng)操作連向經(jīng)構(gòu)造以用陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存系統(tǒng)(carbon sequestration system)。在另一實施方案中，該系統(tǒng)包含與陰極電解質(zhì)連通的氫-氧化陽極 (hydrogen-oxidizing anode)；和經(jīng)構(gòu)造以用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的一些實施方案中，在陽極處氧化的氫氣獲自在陰極處生成的氫氣。在 一些實施方案中，該陰極電解質(zhì)包含添加的二氧化碳；在一些實施方案中，該二氧化碳包含 在工業(yè)廢氣中。在一些實施方案中，該陰極電解質(zhì)包含氫氧根離子和/或碳酸根離子和/
7或碳酸氫根離子。在一些實施方案中，該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以通過橫跨陽極和陰極施加低于3V來在陰極 電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫根離子和/或碳酸根離子和/或氫氧根離子；在陰極處產(chǎn)生氫氣；和 在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子，且在陽極處不產(chǎn)生氣體。在一些實施方案中，該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬鎳、金 屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、鎳合 金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴的或非貴的硫?qū)僭鼗?、過渡金屬的離散 大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。在一些實施方案中，該電催化劑構(gòu)造在陽極上以催 化氫氣氧化成質(zhì)子；和構(gòu)造在陰極上以催化氫氣和氫氧根離子的生成。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包括經(jīng)構(gòu)造以用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存 系統(tǒng)；在一些實施方案中，該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中；在一些實施方案中，該二氧化碳 以包含二價陽離子，例如鈣離子和/或鎂離子的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。在一些實施方案中，該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以在陽極電解質(zhì)中制造酸；在一些實施方案中， 該系統(tǒng)包括經(jīng)構(gòu)造以用該酸制造二價陽離子的酸溶解系統(tǒng)；在一些實施方案中，該二價陽 離子包含鈣離子和/或鎂離子。在一些實施方案中，通過用該酸溶解礦物來制造二價陽離 子并供應(yīng)給碳封存系統(tǒng)。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含串聯(lián)布置的多對陽極-陰極以接收通過各陽 極-陰極對的串聯(lián)電流；在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含并聯(lián)布置的多個陽極-陰極對以接 收在各對陽極_陰極對之間的并聯(lián)電壓。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中第一對的陰 極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且其中第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解 質(zhì)。在一些實施方案中，第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)的 PH ；且第二對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中第二對的陰 極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；且第三對的陰極電解質(zhì)和陽極電解 質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。在一些實施方案中，第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大 于第一對的陰極電解質(zhì)的PH ；和第三對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解 質(zhì)的PH。在一些實施方案中，第二對的陰極電解質(zhì)包含第一對的稀釋的陰極電解質(zhì)；且第 三對的陽極電解質(zhì)包含第一對的稀釋的陽極電解質(zhì)。在另一實施方案中，本發(fā)明提供生產(chǎn)堿性溶液的低電壓、低能量方法，包括在陽極 處將氫氣氧化成質(zhì)子且在所述陽極處不產(chǎn)生氣體；和在與該陽極連通的陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生 碳酸氫根離子。在另一實施方案中，該方法包括構(gòu)造電化學(xué)裝置，其包括含氫-氧化陽極的陽極 隔室、含陰極的陰極隔室和經(jīng)構(gòu)造以向該陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)，其中該裝置可經(jīng)操 作連向碳封存系統(tǒng)；和用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳。在該方法的一些實施方案中，橫跨陽極和陰極施加的電壓低于3V，且在陽極處氧 化的氫氣由陰極處生成的氫提供。在一些實施方案中，該方法包括將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中和在該陰極電 解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸根離子和/或碳酸氫根離子；在一些實施方案中，該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中。在該方法的一些實施方案中，該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍 鉬鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金 屬、鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗铩⑦^ 渡金屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。在一些實施方案中，該電催化劑經(jīng)構(gòu) 造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子，和在陰極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造碳封存系統(tǒng)以便用該陰極電解質(zhì)封存二氧化 碳，其中該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中；在一些實施方案中，該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳 酸氫鹽的形式封存；在一些實施方案中，該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含二價陽離子；在一些 實施方案中，該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。在一些實施方案中，該方法包括在陽極電解質(zhì)中制造酸；和構(gòu)造酸溶解系統(tǒng)以便 用該酸制造二價陽離子。在一些實施方案中，該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子；在一 些實施方案中，該方法包括通過用該酸溶解礦物來制造二價陽離子。在一些實施方案中，該 方法包括構(gòu)造該酸溶解系統(tǒng)以便向碳封存系統(tǒng)提供二價陽離子。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造串聯(lián)的多對陽極-陰極以接收通過各對陽極 和陰極的串聯(lián)電流。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造并聯(lián)的多對陽極-陰極以接收在 各陽極_陰極對之間的并聯(lián)電壓。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此第一對 的陰極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解 質(zhì)。在一些實施方案中，該方法包括將第二對的陰極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對 中的陰極電解質(zhì)的PH的值；和將第二對的陽極電解質(zhì)的pH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽 極電解質(zhì)的PH的值。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此第二對 的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；且第三對的陰極電解質(zhì)和陽極 電解質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。在一些實施方案中，該方法包括將第二對的陰極電 解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對的陰極電解質(zhì)的pH的值；和將第三對的陽極電解質(zhì)的 PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的PH的值。在各種實施方案中，產(chǎn)物包含氫氧化鈉和/或碳酸氫鈉和/或碳酸鈉、鹽酸和已從 中除去了某些陽離子和陰離子的貧離子鹽水。在一些實施方案中，如全文經(jīng)此引用并入本 文的2008年12月24日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/344，019中所述，該產(chǎn)物用 于通過使廢氣與包含二價陽離子和氫氧根和/或碳酸氫根和/或碳酸根離子的溶液接觸以 沉淀二價陽離子碳酸鹽和/或碳酸氫鹽來封存二氧化碳和工業(yè)廢氣的其它成分，例如硫氣 體、氮氧化物氣體和其它燃燒氣體。包含例如鈣和/或鎂的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的沉淀物 在各種實施方案中用作建筑材料，例如用作水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008 年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/126，776中所述。在另一用途中，已從中除去了某些陽離子和陰離子(例如鈉和氯離子)的貧離子 鹽水用作脫鹽系統(tǒng)中的進(jìn)料水，在此進(jìn)一步加工該貧離子水，如全文經(jīng)此引用并入本文的 2008年6月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/163，205中所述。在另一實施方案中，在該系統(tǒng)中制成的酸和/或在陰極電解質(zhì)中制成的堿性溶液
9用于溶解包含二價陽離子，例如Ca++和Mg++，的礦物和廢料以產(chǎn)生在使用本文的陰極電解 質(zhì)制造二價金屬離子碳酸鹽沉淀物時使用的二價陽離子溶液。在各種實施方案中，該沉淀 物用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請 no. 12/126，776 中所述。 有利地，借助本系統(tǒng)和方法，由于在陽極和陰極之間采用相對較低的電壓生產(chǎn)堿 性溶液，且由于在陰極生成的氫氣在陽極處被氧化成質(zhì)子且在陽極處不產(chǎn)生氣體，利用相 對較低的能量生產(chǎn)堿性溶液。此外，通過該系統(tǒng)和方法，由于利用來自工業(yè)廢氣的二氧化碳 生產(chǎn)堿性溶液，利用該系統(tǒng)和方法封存大量二氧化碳并因此減少二氧化碳排放到大氣中。 類似地，制成的酸以各種方式利用，包括溶解材料，例如礦物和生物質(zhì)，以制造用在該系統(tǒng) 中的陽離子。


下面是圖解本發(fā)明的實施方案的附圖的濟(jì)謎
圖1是該系統(tǒng)的實施方案的圖示。
圖2是該系統(tǒng)的實施方案的圖示。
圖3是該方法的實施方案的圖示。
圖4是該系統(tǒng)的實施方案的圖示。
圖5是該系統(tǒng)中水中的碳酸根離子/碳酉髮氫根離子物種形成的圖示。
圖6是將二氧化碳添加到該系統(tǒng)的陰極電解質(zhì)中的效果的圖示。
圖7是該系統(tǒng)的實施方案的圖示。
圖8是該系統(tǒng)的實施方案的流程圖。
圖9是該氫系統(tǒng)的實施方案的圖示。
圖10是電極的實施方案的圖示。
圖11是電極的實施方案的圖示。
圖12是電極的實施方案的圖示。
圖13是電池構(gòu)造的實施方案的圖示。
圖14是電池構(gòu)造的實施方案的圖示。
圖15是電池構(gòu)造的實施方案的圖示。
圖16是電池構(gòu)造的實施方案的圖示。
圖17是電池構(gòu)造的實施方案的圖示。
具體實施例方式本發(fā)明提供在電化學(xué)系統(tǒng)中通過在陽極處將氫氧化成質(zhì)子和在陰極處將水還原 成在陰極處的氫氧根離子和氫來生產(chǎn)堿性溶液的低電壓/低能量系統(tǒng)和方法。在一些實施 方案中，將二氧化碳添加到陰極電解質(zhì)中以在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸根離子和/或碳酸 氫根離子；在陽極處不產(chǎn)生氣體。在一些實施方案中，通過橫跨陽極和陰極施加電壓，在該 陰極電解質(zhì)中制造包含例如氫氧化鈉和/或碳酸鈉和/或碳酸氫鈉的堿性溶液。在一些實 施方案中，該電壓低于3V。在一些實施方案中，采用地下鹽水作為用于生產(chǎn)該堿性溶液的鹽/陽離子/陰離子的源。在一些實施方案中，在電極上提供電催化劑以在陽極處催化氫的氧化和在陰極處 催化氫氧根離子和氫氣的生成。在一些實施方案中，多個陽極和陰極以串聯(lián)、并聯(lián)和級聯(lián)構(gòu) 造排列以使該堿性溶液生產(chǎn)中消耗的能量最小化。在一些實施方案中，使用包含例如氯化 鈉的鹽溶液生產(chǎn)該堿性溶液。在一些實施方案中，在陽極電解質(zhì)中由在陽極處產(chǎn)生并從陽極遷移到陽極電解質(zhì) 中的氫離子和該電解質(zhì)中的陽離子中的陽離子，例如氯離子制造酸，例如鹽酸。在一些實施方案中，該酸用于溶解材料，例如礦物，例如蛇紋石或橄欖石以提供二 價陽離子溶液，例如鈣和鎂離子，其在一些實施方案中可以與該堿性溶液一起使用以沉淀 衍生自廢氣流中的二氧化碳，例如化石燃料供能的發(fā)電廠或水泥生產(chǎn)廠的廢氣中的二氧化 碳，的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽。在一些實施方案中，使用氯化鈉溶液作為陽極電解質(zhì)。在一些實施方案中，橫跨陽極和陰極施加電壓時，陽極電解質(zhì)中的陽離子，例如鈉 離子從該鹽溶液穿過陽離子交換膜遷移到陰極電解質(zhì)中以在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生包含例 如氫氧化鈉和/或碳酸鈉和/或碳酸氫鈉的堿性溶液；同時，該鹽溶液中的陰離子，例如氯 離子遷移到陽極電解質(zhì)中以與陽極處形成的質(zhì)子生成酸，例如鹽酸。在一些實施方案中，在陰極處產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子，在一些實施方案中，將陰極 處產(chǎn)生的一部分或全部氫氣導(dǎo)向陽極，在此將其氧化產(chǎn)生氫離子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到，由于可以用備選或同等的鹽，例如硫酸鉀溶液 構(gòu)造本文的實施方案以通過橫跨陽極和陰極施加本文的電壓來在陰極電解質(zhì)中制造同等 的堿性溶液，例如氫氧化鉀和/或碳酸鉀和/或碳酸氫鉀和在陽極電解質(zhì)中制造另一酸，例 如硫酸，本發(fā)明不限于本文所述的示例性實施方案，而是可以與同等的鹽，例如硫酸鉀一起 使用以在陰極電解質(zhì)中制造堿性溶液，例如碳酸鉀和/或碳酸氫鉀和在陽極電解質(zhì)中制造 酸，例如硫酸。因此，就這類同等物基于本文的實施方案或本文的實施方案暗示了這類同等 物而言，這些同等物在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。在下列詳述中，參照一個或多個附圖描述該系統(tǒng)和方法的實施方案。但是，應(yīng)該理 解的是，該描述是示例性而非限制性的，因為本發(fā)明適用于本文中沒有詳細(xì)描述但可合理 設(shè)想的其它電池構(gòu)造，包括單電池、雙電池、三電池和其它多電池構(gòu)造。類似地，應(yīng)該理解的是，盡管特別使用包含鈉離子和氯離子的鹽水描述本發(fā)明，但 該描述也是示例性而非限制性的，因為如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到的那樣，本發(fā)明 適用于同等的水性鹽，例如硫酸鹽和硝酸鹽等，例如硫酸鉀。參照圖1-17，在一些實施方案中，利用氣體混合器/氣體吸收器將二氧化碳添加 到陰極電解質(zhì)中。在一個實施方案中，該氣體混合器/氣體吸收器包含一系列噴嘴，其產(chǎn)生 液體平層或幕簾，氣體吸收到其中；在另一實施方案中，該氣體混合器/氣體吸收器包含噴 淋吸收器，其制造霧且氣體吸收到其中；在另一些實施方案中，使用其它市售氣體/液體吸 收器，例如可獲自Neumann Systems, Colorado, USA的吸收器。添加到陰極電解質(zhì)中的二氧化碳可獲自釋放二氧化碳的各種工業(yè)源，包括來自 化石燃料供能的發(fā)電廠，例如傳統(tǒng)燃煤、燃油和燃?xì)獍l(fā)電廠或通過燃燒合成氣來發(fā)電的 IGCC(集成煤氣化聯(lián)合循環(huán))發(fā)電廠；將石灰石轉(zhuǎn)化成石灰的水泥制造廠；礦石加工廠；發(fā) 酵工廠等的燃燒氣體的二氧化碳。在一些實施方案中，該二氧化碳可能包含其它氣體，例如 氮?dú)?、氮氧化?一氧化二氮、氧化一氮)、硫和硫氣體(二氧化硫、硫化氫)和氣化材料。
在一些實施方案中，該系統(tǒng)包括在二氧化碳用在陰極電解質(zhì)中之前除去二氧化碳 氣流中的成分的氣體處理系統(tǒng)。在一些實施方案中，從該系統(tǒng)中提取一部分或全部量的包 含碳酸氫根離子和/或碳酸根離子/和或氫氧根離子的陰極電解質(zhì)并在外源二氧化碳?xì)? 液接觸器中與二氧化碳?xì)怏w接觸以提高該溶液中吸收的二氧化碳含量。在一些實施方案 中，將該富集二氧化碳的溶液送回陰極隔室；在另一些實施方案中，使該富集二氧化碳的溶 液與包含二價陽離子的溶液反應(yīng)以產(chǎn)生二價陽離子氫氧化物、碳酸鹽和/或碳酸氫鹽。在一些實施方案中，該陰極電解質(zhì)的pH值通過從陰極遷移而來的氫氧根離子上 調(diào)，和/或通過將二氧化碳?xì)怏w溶解在陰極電解質(zhì)中以產(chǎn)生與氫氧根離子反應(yīng)并除去氫氧 根離子的碳酸和/或碳酸根離子和/或碳酸氫根離子來下調(diào)。因此，可以認(rèn)識到，該陰極電 解質(zhì)的PH值至少部分取決于這兩種過程的平衡。參照圖1，系統(tǒng)100在一個實施方案中包含氣體擴(kuò)散陽極102和與包含溶解的二 氧化碳107A的陰極電解質(zhì)108、108A、108B接觸的陰極106。該系統(tǒng)在一些實施方案中包 括經(jīng)構(gòu)造以向陽極102輸送氫氣的氣體輸送系統(tǒng)112 ；在一些實施方案中，該氫氣獲自陰極 106。在該系統(tǒng)中，橫跨陽極和陰極施加低電壓114，例如小于2V時，將陽極102經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn) 生質(zhì)子，和將陰極106經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣。在該系統(tǒng)中，在陽極102處不產(chǎn)生 氣體。如圖1中所示，第一陽離子交換膜116位于陰極電解質(zhì)108、108A、108B和鹽溶液 118之間；且在陽極電解質(zhì)104與陽極102被第二陽離子交換膜122隔開的構(gòu)造中，陰離子 交換膜120位于鹽溶液118和陽極電解質(zhì)104之間。在該系統(tǒng)中，第二陽離子交換膜122 位于陽極102和陽極電解質(zhì)104之間以使陰離子可以從鹽溶液118穿過陰離子交換膜120 遷移到陽極電解質(zhì)104中；但是，通過與陽極102相鄰的第二陽離子交換膜122防止陰離子 接觸陽極102。在一些實施方案中，該系統(tǒng)可經(jīng)構(gòu)造以使陰離子，例如氯離子從鹽溶液118穿過 陰離子交換膜120遷移到陽極電解質(zhì)104中；使陽離子，例如鈉離子從鹽溶液118穿過第一 陽離子交換膜116遷移到陰極電解質(zhì)108、108A、108B中；使質(zhì)子從陽極102遷移到陽極電 解質(zhì)104中；和使氫氧根離子從陰極106遷移到陰極電解質(zhì)108、108A、108B中。由此，在一 些實施方案中，該系統(tǒng)可以經(jīng)構(gòu)造以在陰極電解質(zhì)108、108A、108B中制造氫氧化鈉和/或 碳酸氫鈉和/或碳酸鈉；和在陽極電解質(zhì)中制造酸，例如鹽酸124。在如圖1中所示的一些實施方案中，該系統(tǒng)包含將陰極電解質(zhì)108分隔成第一陰 極電解質(zhì)部分108A和第二陰極電解質(zhì)部分108B的隔板126，其中包含溶解的二氧化碳的第 二陰極電解質(zhì)部分108B接觸陰極106 ；且其中包含溶解的二氧化碳和氣態(tài)二氧化碳的第一 陰極電解質(zhì)部分108A與第二陰極電解質(zhì)部分108B在隔板126下方接觸。在該系統(tǒng)中，該 隔板位于陰極電解質(zhì)中以將第一陰極電解質(zhì)部分108A中的氣體，例如二氧化碳與第二陰 極電解質(zhì)部分108B中的陰極電解質(zhì)隔離。因此，例如，當(dāng)在陰極處生成氣體，例如氫氣并需 要將這種陰極氣體與可能由陰極電解質(zhì)釋放的氣體或蒸氣隔開時，該隔板可充當(dāng)防止來自 陰極的氣體與來自陰極電解質(zhì)的氣體和或蒸氣混合的工具。盡管這種系統(tǒng)顯示在圖1中， 但其適用于本文所述的任何電化學(xué)系統(tǒng)，例如圖4、7和8中所示的系統(tǒng)。因此，在一些實施方案中，橫跨陽極和陰極施加本發(fā)明的電壓時，該系統(tǒng)可以經(jīng)構(gòu) 造以在陰極106處產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣；使氫氧根離子從陰極遷移到陰極電解質(zhì)108、
12108B、108A中；使陽離子從鹽溶液118穿過第一陽離子交換膜116遷移到陰極電解質(zhì)中；使 氯離子從鹽溶液118穿過陰離子交換膜120遷移到陽極電解質(zhì)104中；和使質(zhì)子從陽極102 遷移到陽極電解質(zhì)104中。因此，根據(jù)所用鹽溶液118，該系統(tǒng)可以經(jīng)構(gòu)造以在陰極電解質(zhì) 中制造堿性溶液，例如氫氧化鈉。在一些實施方案中，該系統(tǒng)經(jīng)操作連向二氧化碳?xì)?液接觸器128，其經(jīng)構(gòu)造以從 該系統(tǒng)中移除陰極電解質(zhì)并在將該陰極電解質(zhì)送回該系統(tǒng)之前在該氣/液接觸器中將二 氧化碳溶解在該陰極電解質(zhì)中。在另一些實施方案中，將陰極電解質(zhì)經(jīng)操作連向經(jīng)構(gòu)造以從包含二氧化碳?xì)怏w和 二價陽離子的溶液中沉淀二價陽離子碳酸鹽和/或二價陽離子碳酸氫鹽和/或二價陽離子 氫氧化物的系統(tǒng)(未顯示)。圖2顯示本文所述的系統(tǒng)的實施方案中可用的合適的氣體擴(kuò)散陽極的示意圖。在 一些實施方案中，該氣體擴(kuò)散陽極包含用能夠橫跨陽極和陰極施加本發(fā)明的電壓時催化氫 氣氧化成質(zhì)子的催化劑136浸漬的導(dǎo)電基底130。在一些實施方案中，該陽極包含與向該陽 極提供的氫氣形成界面的第一面132和與陽極電解質(zhì)104形成界面的相反第二面134。在 一些實施方案中，與氫氣形成界面的基底部分132是疏水和相對干燥的；與陽極電解質(zhì)104 形成界面的基底部分134是親水和可能濕潤的，這促進(jìn)質(zhì)子從陽極遷移至陽極電解質(zhì)。在 各種實施方案中，該基底是多孔的以促進(jìn)氣體從第一面132移向可能位于陽極第二面134 上的催化劑136 ；在一些實施方案中，該催化劑也可能位于基底130的主體內(nèi)?？梢栽谄淙?本文所述的親水或疏水特性方面以及在其促進(jìn)從陽極經(jīng)由連向電壓源114的集電器的電 子傳導(dǎo)的低歐姆電阻方面選擇基底130 ；也可以在其對于從陽極到陽極電解質(zhì)116的離子 遷移，例如質(zhì)子遷移的多孔性方面選擇該基底。在一些實施方案中，該催化劑可包含鉬、釕、銥、銠、錳、銀或其合金。合適的氣體擴(kuò) 散陽極可購得，例如購自E-TEK(USA)和其它供應(yīng)商。在如圖8中所示的陽極的一些實施方案中，該陽極包含接觸陽極第二面134的離 子交換膜，例如陽離子交換膜122。在此類實施方案中，該離子交換膜可用于允許或防止離 子遷入或遷出陽極。因此，例如，參照圖8，當(dāng)在陽極處生成質(zhì)子時，陽離子交換膜可用于促 進(jìn)質(zhì)子從陽極遷移至和/或阻止離子，例如陽離子遷移至該基底。在這些實施方案中，可以 選擇該離子交換膜以優(yōu)先允許一種類型的陽離子，例如氫離子通過，同時防止另一類型的 離子，例如鈉離子通過。如圖1中所示，該系統(tǒng)包括位于陽極電解質(zhì)104和陰極電解質(zhì)108、108A、108B之 間的鹽溶液118。在一些實施方案中，陰極電解質(zhì)與鹽溶液被允許陽離子，例如鈉離子從該 鹽溶液遷移到陰極電解質(zhì)中的第一陽離子交換膜116隔開。第一陽離子交換膜116也能阻 止陰離子從陰極電解質(zhì)108、108A、108B遷移到鹽溶液118中。在一些實施方案中，陽極電解 質(zhì)104與鹽溶液118被允許陰離子，例如氯離子從鹽溶液118遷移到陽極電解質(zhì)104中的 陰離子交換膜108隔開。但是，該陰離子交換膜會阻止陽離子，例如質(zhì)子從陽極電解質(zhì)104 遷移到鹽溶液118中。參照圖1和2，該系統(tǒng)包括經(jīng)構(gòu)造以向陽極102提供氫氣的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)112。該 氫氣可獲自陰極106或可獲自外部來源，例如獲自商業(yè)氫氣供應(yīng)器，例如當(dāng)來自陰極的氫 供應(yīng)不足時在該系統(tǒng)啟動時獲得。在該系統(tǒng)中，將氫氣氧化成質(zhì)子和電子；回收未反應(yīng)的氫氣并在陽極循環(huán)140。參照圖1，在運(yùn)行中，陰極電解質(zhì)108、108A、108B最初充有堿性電解質(zhì)，例如氫氧 化鈉溶液，陽極電解質(zhì)104最初充有酸性電解質(zhì)，例如稀鹽酸。該陰極電解質(zhì)最初還充有二 氧化碳?xì)怏w107A、128，并向陽極供應(yīng)氫氣。在該系統(tǒng)中，橫跨陽極和陰極施加電壓時，陽極 處產(chǎn)生的質(zhì)子會進(jìn)入陽極電解質(zhì)并試圖從陽極電解質(zhì)104經(jīng)由陰極和陽極之間的鹽溶液 118遷移至陰極106。但是，由于陰離子交換膜會阻止質(zhì)子遷移到鹽溶液中，質(zhì)子會積聚在 陽極電解質(zhì)104中。同時，在陰極106處，陽極和陰極之間的電壓會在陰極處產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣。 在一些實施方案中，回收陰極處產(chǎn)生的氫并導(dǎo)向陽極102，在此將其氧化成質(zhì)子。在該系統(tǒng) 中，陰極106處產(chǎn)生的氫氧根離子會進(jìn)入陰極電解質(zhì)108、108A、108B，它們試圖從此處經(jīng)由 陰極和陽極之間的鹽溶液118遷移至陽極102。但是，由于陰極電解質(zhì)108、108A、108B與鹽 溶液電解質(zhì)被阻止陰離子通過的第一陽離子交換膜116隔開，該第一陽離子交換膜會阻止 氫氧根離子從陰極電解質(zhì)遷移到該鹽溶液中；因此，氫氧根離子會積聚在陰極電解質(zhì)108、 108AU08B 中。在如圖1中所示的系統(tǒng)中，借助陽極和陰極之間的電壓，由于該鹽溶液與陰極電 解質(zhì)被第一陽離子交換膜116隔開，該鹽溶液中的陽離子，例如鈉離子會穿過第一陽離子 交換膜116遷移到陰極電解質(zhì)108、108A、108B中，陰離子，例如氯離子會穿過陰離子交換膜 120遷移到陽極電解質(zhì)中。因此，在該系統(tǒng)中，如圖1中所示，在陽極電解質(zhì)104中制造酸， 例如鹽酸124，在陰極電解質(zhì)中制造堿性溶液，例如氫氧化鈉。可以認(rèn)識到，隨著陽離子和陰 離子從該鹽溶液中遷移，該系統(tǒng)在一些實施方案中可以經(jīng)構(gòu)造以由鹽溶液118制造部分去 離子的鹽溶液。在一些實施方案中，這種部分去離子的鹽溶液可用作脫鹽設(shè)施(未顯示) 的進(jìn)料水，在此其可以如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美 國專利申請no. 12/163，205中所述進(jìn)一步加工以制造脫鹽水；或者，該溶液可用在可接受 其鹽度的工業(yè)和農(nóng)業(yè)用途中。參照圖1，該系統(tǒng)在一些實施方案中包括附著到陽極基底105上的第二陽離子交 換膜124，以使其將陽極102與陽極電解質(zhì)隔開。在這種構(gòu)造中，由于該第二陽離子交換膜 122是陽離子可透的，陽極處形成的質(zhì)子會如本文所述遷移到陽極電解質(zhì)中；但是，由于該 第二陽離子交換膜122是陰離子不可透的，會阻止陽極電解質(zhì)中的陰離子，例如氯離子遷 移至陽極102，由此避免陽極和可能例如通過腐蝕與該陽極相互作用的陰離子之間的相互 作用。參照圖1，在一些實施方案中，該系統(tǒng)包括隔板128，其經(jīng)構(gòu)造以J-形結(jié)構(gòu)并置于 陰極電解質(zhì)108、108A、108B中以在該陰極電解質(zhì)隔室的上部劃定向上漸細(xì)的通道144。該 隔板也在陰極電解質(zhì)的下部劃定向下漸細(xì)的通道146。由此，在隔板就位時，將陰極電解質(zhì) 108分隔成第一陰極電解質(zhì)部分108A和第二陰極電解質(zhì)部分108B。如圖1中所示，第一陰 極電解質(zhì)部分108A中的陰極電解質(zhì)與第二陰極電解質(zhì)部分108B中的陰極電解質(zhì)接觸；但 是，防止第一電解質(zhì)部分108A中的氣體，例如二氧化碳與第二陰極電解質(zhì)108B中的陰極電 解質(zhì)混合。盡管這顯示在圖1的系統(tǒng)中，但這種構(gòu)造可用在需要分隔電解質(zhì)溶液，例如陰極 電解質(zhì)以使引入一部分中的氣體與另一部分保持分隔的任何系統(tǒng)中。例如，這種構(gòu)造可用 在如本文中，例如如圖7和8中所述的任何系統(tǒng)中。
參照圖1，該系統(tǒng)在一些實施方案中包括適用于在該系統(tǒng)中提取和循環(huán)陰極電解 質(zhì)的陰極電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)142。在一個實施方案中，該陰極電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)包含適用于將二 氧化碳溶解在循環(huán)陰極電解質(zhì)中和適用于使該電解質(zhì)在該系統(tǒng)中循環(huán)的二氧化碳?xì)?液 接觸器128?？梢哉J(rèn)識到，由于可以通過從該系統(tǒng)中提取和/或循環(huán)陰極電解質(zhì)來調(diào)節(jié)該陰 極電解質(zhì)的PH，可以通過經(jīng)由二氧化碳?xì)?液接觸器128調(diào)節(jié)從該系統(tǒng)中取出的陰極電解 質(zhì)的量來調(diào)節(jié)該陰極電解質(zhì)隔室的PH。在如圖4中所示的備選方案中，該系統(tǒng)包含與陰極電解質(zhì)108接觸的陰極106和 與陽極電解質(zhì)104接觸的陽極102。在該系統(tǒng)中，該陰極電解質(zhì)包含充當(dāng)陰極電解質(zhì)以及該 系統(tǒng)中制成的堿性和酸溶液的氯離子和鈉離子源的鹽溶液。在該系統(tǒng)中，陰極電解質(zhì)與陽 極電解質(zhì)被允許陰離子，例如氯離子從該鹽溶液遷移到陽極電解質(zhì)中的陰離子交換膜120 隔開。如圖4中所示，該系統(tǒng)包括經(jīng)構(gòu)造以向陽極提供氫氣的氫氣輸送系統(tǒng)112。該氫氣可 獲自陰極和/或獲自外部來源，例如商業(yè)氫氣供應(yīng)器，例如當(dāng)來自陰極的氫供應(yīng)不足時在 該操作啟動時獲得。在一些實施方案中，該氫輸送系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以將氣體輸送至陽極，在此， 催化該氣體氧化成質(zhì)子和電子。在一些實施方案中，回收該系統(tǒng)中未反應(yīng)的氫氣并再循環(huán) 至陽極。參照圖4，如圖1的系統(tǒng)那樣，橫跨陽極和陰極施加電壓時，在陽極處由氫的氧化 生成的質(zhì)子會進(jìn)入陽極電解質(zhì)，它們試圖從此處穿過陰離子交換膜120遷移到陰極電解質(zhì) 中。但是，由于陰離子交換膜120會阻止陽離子通過，質(zhì)子會積聚在陽極電解質(zhì)中。但是， 同時，陰離子可透的陰離子交換膜120允許陰離子，例如氯離子從陰極電解質(zhì)遷移至陽極， 因此在此實施方案中，氯離子會遷移到陽極電解質(zhì)中以在該陽極電解質(zhì)中制造鹽酸。在該 系統(tǒng)中，將陽極和陰極之間的電壓調(diào)節(jié)至在陰極處產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣且在陽極處不產(chǎn) 生氣體，例如氯氣或氧氣的水平。在該系統(tǒng)中，由于陽離子不會穿過陰離子交換膜116從陰 極電解質(zhì)中遷移，鈉離子會積聚在陰極電解質(zhì)108中以與陰極處產(chǎn)生的氫氧根離子生成堿 性溶液。在將二氧化碳?xì)怏w溶解在陰極電解質(zhì)中的實施方案中，鈉離子也可能如本文參照 圖1所述在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫鈉和/或碳酸鈉。參照圖1，根據(jù)該陰極電解質(zhì)的pH，引入第一陰極電解質(zhì)部分108A中的二氧化碳 氣體會如下溶解在該陰極電解質(zhì)中并可逆離解和平衡以在第一陰極電解質(zhì)隔室中產(chǎn)生碳 酸、質(zhì)子、碳酸根離子和/或碳酸氫根離子
0084]C02+H20< = = >H2C03< = = >H++HC03X = = >H++C032-在該系統(tǒng)中，由于第一陰極電解質(zhì)部分108A中的陰極電解質(zhì)可能與第二陰極電 解質(zhì)部分108B混合，在第一陰極電解質(zhì)部分108A中通過在該陰極電解質(zhì)中吸收二氧化碳 而形成的碳酸、碳酸氫根和碳酸根離子可能遷移和與第二陰極電解質(zhì)部分108B中的陰極 電解質(zhì)平衡。因此，在一些實施方案中，第一陰極電解質(zhì)部分108A可能包含溶解和未溶解 的二氧化碳?xì)怏w、和/或碳酸、和/或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子；而第二陰極電解質(zhì) 部分108B可能包含溶解的二氧化碳、和/或碳酸、和/或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。參照圖1，在橫跨陽極102和陰極108施加電壓時，系統(tǒng)100可以如下在陰極處由 水產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣2H20+2e" = H2+20F由于第一陰極電解質(zhì)部分108A中的陰極電解質(zhì)可以與第二陰極電解質(zhì)部分108B中的陰極電解質(zhì)互混，在該第二陰極電解質(zhì)部分中形成的氫氧根離子可能遷移和與第一陰 極電解質(zhì)部分108A中的碳酸根和碳酸氫根離子平衡。因此，在一些實施方案中，該系統(tǒng)中 的陰極電解質(zhì)可能包含氫氧根離子和溶解和/或未溶解的二氧化碳?xì)怏w、和/或碳酸、和 /或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。在該系統(tǒng)中，由于該陰極電解質(zhì)中二氧化碳的溶解 度以及碳酸氫根和碳酸根離子的濃度取決于該電解質(zhì)的PH，陰極電解質(zhì)104中的總體反應(yīng) 為情況1 :2H20+2C02+2e- = H2+2HC03"；或情況2 :H20+C02+2e" = H2+C032_或兩者的組合，這取決于該陰極電解質(zhì)的pH。這顯示在圖5中的碳酸鹽物種形成 圖中。對于任一情況，可以由下列公式通過該反應(yīng)的吉布斯能變化確定該系統(tǒng)的總電池 電勢E 電池=_AG/nF或，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下E0 電池=_AG。/nF其中，E_是電池電壓，AG是該反應(yīng)的吉布斯能，η是轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第 常數(shù)(96485J/Vmol)。這些反應(yīng)各自的Ei池根據(jù)如圖6中所示基于Nernst方程依賴于pH。同樣，對于任一情況，可以通過各半電池反應(yīng)的Nernst方程的組合確定總電池電 勢E = E0-RTln (Q)/nF其中，E°是標(biāo)準(zhǔn)還原電勢，R是通用氣體常數(shù)，(8. 314J/mol K) T是絕對溫度，η是 參與該半電池反應(yīng)的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)(96485J/V mol)，且Q是反應(yīng)商，以使E總量=E陰極+E陽極當(dāng)如下在陽極處將氫氧化成質(zhì)子時H2 = 2H++2e",E0是0. 00V, η是2，且Q是H+的活性的平方，以使E 陽極=+0.059pHa，其中pHa是陽極電解質(zhì)的pH。當(dāng)如下在陰極處將水還原成氫氧根離子和氫氣時2H20+2e" = E2+20W,E0是-0. 83V，η是2，且Q是0H_的活性的平方，以使E 陰極=-0. 059pHc，其中pH。是陰極電解質(zhì)的pH。對于任一情況，陰極和陽極反應(yīng)的E隨陽極和陰極電解質(zhì)的pH而變。因此，對于 情況1，如果在酸性環(huán)境中發(fā)生的陽極反應(yīng)處于PH 0，則對于該半電池反應(yīng)，該反應(yīng)的E為 0V。對于陰極反應(yīng)，如果碳酸氫根離子的生成在PH 7發(fā)生，則對于該半電池反應(yīng)，理論E為 7x(-0. 059V) = -0. 413V，其中負(fù)數(shù)E意味著需要將能量輸入該半電池或整個電池以使該反 應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。因此，如果陽極PH為0且陰極pH為7，則總電池電勢為-0.413V，其中E 總量=-0. 059 (pHa-pHc) = —0. 059 Δ ρΗ·
對于情況2——其中產(chǎn)生碳酸根離子，如果陽極pH為0且陰極pH為10，這代表
0.59V 的 E0因此，在一些實施方案中，將CO2氣體導(dǎo)入陰極電解質(zhì)可通過在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn) 生碳酸氫根離子和/或碳酸根離子來降低該陰極電解質(zhì)的PH，這因此可以降低在該陰極電 解質(zhì)中制造氫氧化物、碳酸鹽和/或碳酸氫鹽時陽極和陰極之間的電壓。因此，如果使陰極電解質(zhì)升至pH 14或更大，陽極半電池電勢(表示為細(xì)水平虛 線，上述情況1)和陰極半電池電勢(在上述情況1中表示為粗實心斜線)之差升至0. 83V。 隨著在沒有添加CO2或沒有其它干預(yù)，例如用水稀釋的情況下的電池運(yùn)行持續(xù)時間的提高， 所需電池電勢繼續(xù)提高。電池電勢也可能由于電解質(zhì)中橫跨膜的歐姆電阻損失和電池的過 電壓電勢而提高。在此，過電壓電勢是指熱力學(xué)決定的半電池還原電勢和實驗觀察到的發(fā)生氧化還 原反應(yīng)時的電勢之間的電壓差。該術(shù)語與電池電壓效率相關(guān)，因為該過電壓電勢需要的能 量多于在熱力學(xué)上驅(qū)動該反應(yīng)所需的能量。在每一情況下，該額外能量以熱形式損失。過 電壓電勢是各電池設(shè)計特有的，并隨電池和運(yùn)行條件而變(甚至對相同反應(yīng)而言)。在需要在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫根和/或碳酸根離子的實施方案中，如圖1-2 中所示且如上文參照陰極電解質(zhì)中氫氧根離子的生成所述的系統(tǒng)可以經(jīng)構(gòu)造以通過將二 氧化碳溶解在第一陰極電解質(zhì)中和橫跨陰極和陽極施加低于3V，或低于2. 5V，或低于2V， 或低于1. 5V，如低于1. 0V，或甚至低于0. 8V或0. 6V的電壓來在該第一陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生 碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。在一些實施方案中，從該系統(tǒng)中移除在陰極電解質(zhì)中制成的氫氧根離子和/或碳 酸根離子和/或碳酸氫根離子和在陽極電解質(zhì)中制成的鹽酸，同時補(bǔ)充鹽溶液電解質(zhì)中的 氯化鈉以維持該系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。在一些實施方案中，該系統(tǒng)可以經(jīng)構(gòu)造以以各種生產(chǎn)模 式，包括分批模式、半分批模式、連續(xù)流模式運(yùn)行，可選擇或不可選擇提取一部分在陰極電 解質(zhì)中制成的氫氧化物溶液或提取全部或一部分在陽極電解質(zhì)中制成的酸，或?qū)㈥帢O處產(chǎn) 生的氫氣導(dǎo)向陽極，在此可將其氧化。在一些實施方案中，當(dāng)橫跨陽極和陰極施加的電壓低于3V、2. 9V或更低，2. 8V或 更低，2. 7V或更低，2. 6V或更低，2. 5V或更低，2. 4V或更低，2. 3V或更低，2. 2V或更低，2. IV 或更低，2. OV或更低，1. 9V或更低，1. 8V或更低，1. 7V或更低，1. 6V或更低，1. 5V或更低，
1.4V或更低，1. 3V或更低，1. 2V或更低，1. IV或更低，1. OV或更低，0. 9V或更低，0. 8V或更 低，0. 7V或更低，0. 6V或更低，0. 5V或更低，0. 4V或更低，0. 3V或更低，0. 2V或更低，或0. IV 或更低時，在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子溶液。在另一實施方案中，可以調(diào)節(jié)陽極和陰極之間的電壓以便在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫 氧根離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子和在陰極處生成氫氣的同時，在陽極處形成氣體，例 如氧氣或氯氣。但是，在此實施方案中，不向陽極供應(yīng)氫氣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識 到，在此實施方案中，陽極和陰極之間的電壓通常高于在陽極處不形成氣體的實施方案。參照圖1-2，在一些實施方案中，本發(fā)明提供包含位于氣體擴(kuò)散陽極102和陰極 106之間的一個或多個陰離子交換膜120和陽離子交換膜116、122的系統(tǒng)。在一些實施方 案中，應(yīng)該選擇這些膜以使它們可以適當(dāng)?shù)卦谒嵝院?或堿性電解溶液中工作。膜的其它 合意的特性包括高的離子選擇性、低離子電阻、高爆裂強(qiáng)度和在o°c至100°C或更高的溫度
17范圍內(nèi)的酸性電解溶液或可在類似溫度范圍內(nèi)使用的堿性溶液中的高穩(wěn)定性。在一些實 施方案中，可以使用在0°C至80°C，或0°C至90°C的范圍內(nèi)穩(wěn)定但在這些范圍之上不穩(wěn)定的 膜。對于另一些實施方案，使用允許一種類型的陽離子遷移但不允許另一種遷移；或允許一 種類型的陰離子遷移但不允許另一種遷移的離子特異性離子交換膜可能有助于在電解質(zhì) 中獲得所需產(chǎn)物。在一些實施方案中，該膜應(yīng)該在0°C至80°C，或0°C至90°C和更高和/或 更低的溫度下在該系統(tǒng)中穩(wěn)定和有效工作合意的時長，例如，數(shù)天、數(shù)周或數(shù)月或數(shù)年。在 一些實施方案中，例如，該膜應(yīng)該在80 V、70°C、60 V、50°C、40°C、30°C、20°C、10°C、5 V和更 高或更低的電解質(zhì)溫度下穩(wěn)定和有效工作至少5天、10天、15天、20天、100天、1000天或更 久。該膜的歐姆電阻會影響陽極和陰極之間的電壓降，例如隨著該膜的歐姆電阻提 高，陽極和陰極之間的電壓降會提高，反之亦然?？梢允褂矛F(xiàn)有膜，它們包括具有相對較低 歐姆電阻和相對較高的離子遷移率的膜；類似地，可以使用具有隨溫度而提高并因此降低 歐姆電阻的相對較高的水合特性的現(xiàn)有膜。因此，可以認(rèn)識到，通過選擇具有較低歐姆電阻 的現(xiàn)有膜，可以降低在指定溫度下該陽極和陰極之間的電壓降。由酸基構(gòu)成的離子通道穿過現(xiàn)有膜散布。這些離子通道可以從基質(zhì)內(nèi)表面延伸至 外表面，且酸基可以容易在可逆反應(yīng)中以水合水形式結(jié)合水。水合水形式的這種水結(jié)合遵 循一級反應(yīng)動力學(xué)，以致反應(yīng)速率與溫度成比例。因此，可以選擇現(xiàn)有膜以便對一定范圍的 運(yùn)行溫度，在實現(xiàn)該系統(tǒng)中改進(jìn)的強(qiáng)度和電阻的同時提供相對較低的歐姆和離子電阻。合 適的膜可購自 Asahi Kasei of Tokyo, Japan ；或購自 MembraneInternational of Glen Rock, NJ, and USA。在一些實施方案中，陰極電解質(zhì)108、108A、108B經(jīng)操作連向廢氣處理系統(tǒng)(未顯 示)，在此利用在陰極電解質(zhì)中制成的堿性溶液例如如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年12 月24日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/344,019中所述通過使廢氣和陰極電解質(zhì) 與二價陽離子溶液接觸以沉淀氫氧化物和/或碳酸鹽和/或碳酸氫鹽來封存廢氣中所含 的二氧化碳。包含例如鈣和鎂的氫氧化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽的沉淀物在一些實施方案中 可以如全文經(jīng)此引用并入本文的上述2008年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請 no. 12/126，776中所述用作建筑材料，例如用作水泥和集料。在一些實施方案中，使一部分 或全部的該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽留在水介質(zhì)，例如漿料或懸浮液中，并棄置在水介質(zhì)中， 例如在深?；虻叵聢鏊小Ｔ谝恍嵤┓桨钢?，該陰極和陽極也可操作地連接至向電極供應(yīng)非高峰電壓的非 高峰電力供應(yīng)系統(tǒng)114。由于非高峰電力的成本低于在高峰電力供應(yīng)時間供應(yīng)的電力的成 本，該系統(tǒng)可利用非高峰電力以相對較低的成本在陰極電解質(zhì)中制造堿性溶液。在另一實施方案中，該系統(tǒng)在陽極電解質(zhì)104中制造酸，例如鹽酸124。在一些實 施方案中，該陽極隔室可操作地連向溶解包含二價陽離子的礦物和/或廢料以產(chǎn)生二價陽 離子，例如Ca++和Mg++的溶液的系統(tǒng)。在一些實施方案中，該二價陽離子溶液用于如全文 經(jīng)此引用并入本文的上述2008年12月24日提交的美國專利申請no. 12/344，019中所述 通過使二價陽離子溶液與本堿性溶液和二氧化碳?xì)怏w源接觸來沉淀氫氧化物、碳酸鹽和/ 或碳酸氫鹽。在一些實施方案中，該沉淀物如全文經(jīng)此引用并入本文的上述共同轉(zhuǎn)讓的美 國專利申請no. 12/126，776中所述用作建筑材料，例如水泥和集料。
參照圖1，在橫跨陽極102和陰極106施加電壓時，如下在陽極處由向該陽極供應(yīng) 的氫氣的氧化形成質(zhì)子，同時在陰極電解質(zhì)處由水的還原形成氫氧根離子和氫氣H2 = 2H++2e_(陽極，氧化反應(yīng))2H20+2e_ = H2+20H_ (陰極，還原反應(yīng))由于在陽極處由向陽極供應(yīng)的氫氣形成質(zhì)子；且由于在陽極處不形成氣體如氧 氣；且由于陰極電解質(zhì)中的水在陰極處形成氫氧根離子和氫氣，所以當(dāng)橫跨陽極和陰極施 加電壓時該系統(tǒng)在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和在陽極電解質(zhì)中產(chǎn)生質(zhì)子。此外，可以 認(rèn)識到，在本系統(tǒng)中，由于在陽極處不形成氣體，與在陽極處生成氣體，例如氯氣或氧氣時 所需的更高的電壓相比，當(dāng)橫跨陽極和陰極施加低于2V時，該系統(tǒng)會在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生 氫氧根離子和在陰極處產(chǎn)生氫氣，并在陽極處產(chǎn)生氫離子。例如，在一些實施方案中，當(dāng)橫 跨陽極和陰極施加低于 2. OVU. 5V、1. 4V、1. 3V、1. 2V、1. IV、1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、 0. 5V、0. 4V、0. 3V、0. 2V、0. IV或更低時，產(chǎn)生氫氧根離子。在該系統(tǒng)中，橫跨陽極102和陰極106施加電壓時，在陽極處形成的帶正電的質(zhì)子 試圖經(jīng)由陽極電解質(zhì)104遷移至陰極，同時在陰極處形成的帶負(fù)電的氫氧根離子試圖經(jīng)由 陰極電解質(zhì)108、108A、108B遷移至陽極。如圖1中所述和參照陰極電解質(zhì)108、108A、108B 中的氫氧根離子，由于第一陽離子交換膜116限制陰離子從陰極電解質(zhì)108、108A、108B遷 移，且由于陰離子交換膜120防止陰離子從陽極電解質(zhì)104遷移至鹽溶液118，會阻止陰極 電解質(zhì)中生成的氫氧根離子經(jīng)由陽離子交換膜遷移出陰極電解質(zhì)。因此，橫跨陽極和陰極 施加電壓時，陰極處產(chǎn)生的氫氧根離子包含在陰極電解質(zhì)中。因此，根據(jù)流體流入和流出陰 極電解質(zhì)的流速和二氧化碳在陰極電解質(zhì)中的溶解速率，調(diào)節(jié)該陰極電解質(zhì)的PH，例如該 PH可以提高、降低或保持相同。在一些實施方案中，根據(jù)陰極電解質(zhì)108、108A、108B和/或陽極電解質(zhì)104和/ 或鹽溶液118中需要的離子物類，可以采用可替換的反應(yīng)物。因此，例如，如果在陰極電解 質(zhì)108、108A、108B中需要鉀鹽，如氫氧化鉀或碳酸鉀，則可以在鹽溶液118中使用鉀鹽，如 氯化鉀。類似地，如果在陽極電解質(zhì)中需要硫酸，則可以在鹽溶液118中使用硫酸鹽，如硫 酸鈉。如本文中的一些實施方案中所述，使二氧化碳?xì)怏w吸收在該陰極電解質(zhì)中；但是，要 認(rèn)識到，可以在該電解質(zhì)中吸收其它氣體，包括揮發(fā)性蒸氣，例如二氧化硫或有機(jī)蒸氣，以 產(chǎn)生所需結(jié)果。該氣體可以以各種方式添加到該電解質(zhì)中，例如通過將其直接鼓入電解質(zhì) 或在連向陰極隔室的獨(dú)立隔室中溶解該氣體并隨后如本文所述導(dǎo)向陰極電解質(zhì)。參照圖1和3，方法300在一些實施方案中包括在電化學(xué)系統(tǒng)100中的陰極106和 氣體擴(kuò)散陽極102之間施加電壓的步驟302，其中該陰極接觸包含溶解的二氧化碳的陰極 電解質(zhì)。在一些實施方案中，該方法包括向氣體擴(kuò)散陽極102提供氫的步驟；使陰極106與 包含溶解的二氧化碳?xì)怏w107A的陰極電解質(zhì)108、108A、108B接觸的步驟；和橫跨陽極和 陰極施加電壓114的步驟；由此在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子和在陰極處產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣的步 驟；由此橫跨陽極和陰極施加電壓時在陽極處不產(chǎn)生氣體的步驟；其中橫跨陽極和陰極施 加的電壓低于2V的步驟；包括將氫氣從陰極導(dǎo)向陽極的步驟；包括由此使質(zhì)子從陽極遷移 至陽極電解質(zhì)的步驟；包括在陽極電解質(zhì)和該鹽溶液之間插入陰離子交換膜的步驟；包括 在陰極電解質(zhì)和該鹽溶液之間插入第一陽離子交換膜的步驟，其中該鹽溶液包含在陰離子 交換膜和第一陽離子交換膜之間；包括由此陰離子從鹽溶液穿過陰離子交換膜遷移至陽極電解質(zhì)和陽離子從鹽溶液穿過第一陽離子交換膜遷移至陰極電解質(zhì)的步驟；包括在陰極電 解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸根離子和/或碳酸氫根離子的步驟；包括在陽極電解質(zhì) 中制造酸的步驟；包括在陰極電解質(zhì)中制造氫氧化鈉和/或碳酸鈉和/或碳酸氫鈉的步驟； 由此在陽極電解質(zhì)中制造鹽酸的步驟；包括使陰極電解質(zhì)與二價陽離子溶液接觸的步驟， 其中該二價陽離子包含鈣和鎂離子；包括由該鹽溶液制造部分脫鹽水的步驟；包括提取第 一部分陰極電解質(zhì)并使該第一部分陰極電解質(zhì)與二氧化碳接觸的步驟；和包括使該第一部 分陰極電解質(zhì)與二價陽離子溶液接觸的步驟。在一些實施方案中，通過橫跨陽極和陰極施加低于2V的電壓(在陽極處不形成氣 體)，在陰極106處和在陰極電解質(zhì)108、108A、108B中形成氫氧根離子，同時在陽極處提供 氫氣以便在陽極處氧化。在一些實施方案中，當(dāng)橫跨陽極和陰極施加的電壓低于3V或更 低，2. 9V或更低，2. 8V或更低，2. 7V或更低，2. 6V或更低，2. 5V或更低，2. 4V或更低，2. 3V或 更低，2. 2V或更低，2. IV或更低，2. OV或更低，1. 9V或更低，1. 8V或更低，1. 7V或更低，1. 6V 或更低，1. 5V或更低，1. 4V或更低，1. 3V或更低，1. 2V或更低，1. IV或更低，1. OV或更低，
0.9V或更低，0. 8V或更低，0. 7V或更低，0. 6V或更低，0. 5V或更低，0. 4V或更低，0. 3V或更 低，0. 2V或更低，或0. IV或更低時，方法300在陽極處不形成氣體，同時向陽極提供氫氣，在 此將其氧化成質(zhì)子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認(rèn)識到，通過在陽極處不形成氣體和通過向陽 極提供氫氣以便在陽極處氧化，以及通過以其它方式控制該系統(tǒng)中的電阻(例如通過降低 電解質(zhì)路徑長度和通過選擇具有低電阻的離子膜和本領(lǐng)域已知的任何其它方法)，可以用 本發(fā)明的較低電壓在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子。在一些實施方案中，當(dāng)橫跨陽極和陰極施加的電壓低于3. 0V、2. 9V、2. 8V、2. 7V、 2. 6V、2. 5V、2. 4V、2. 3V、2. 2V、2. IV,2. 0V、1. 9V、1. 8V、1. 7V、1. 6V、1. 5V、1. 4V、1. 3V、1. 2V、
1.IV、1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、0. 5V、0. 4V、0. 3V、0. 2V、0. IV 或更低時，在陰極電解質(zhì)中
產(chǎn)生氫氧根離子、碳酸氫根離子和碳酸根離子，而在陽極處不形成氣體。在一些實施方案 中，該方法適用于以分批、半分批或連續(xù)運(yùn)行模式提取至少一部分陰極電解質(zhì)及陽極電解 質(zhì)中的酸和補(bǔ)充回該系統(tǒng)。參照圖7，在一個實施方案中，系統(tǒng)700包含與包含添加的二氧化碳107的陰極電 解質(zhì)108接觸的陰極106，其中該陰極電解質(zhì)與陽極電解質(zhì)104被第一陽離子交換膜116 隔開。在如圖8中所示的實施方案中，系統(tǒng)800包含陽極102，其與陽極電解質(zhì)被與該陽極 102接觸的第二陽離子交換膜122隔開。在如圖1-9中所示的系統(tǒng)中，第一陽離子交換膜116位于陰極106和陽極102之 間以使其將陰極電解質(zhì)108與陽極電解質(zhì)104隔開。因此如圖7-8中所示，橫跨陽極102 和陰極106施加相對較低的電壓，例如低于2V或低于IV時，在陰極106處產(chǎn)生氫氧根離子 (0H_)和氫氣(H2),在陽極102處將氫氣氧化以在陽極102處產(chǎn)生氫離子，且在陽極處不產(chǎn) 生氣體。在某些實施方案中，在陰極處產(chǎn)生的氫氣經(jīng)由氫氣輸送系統(tǒng)112導(dǎo)向陽極，并在陽 極處被氧化成氫離子。在各種實施方案中，在陽極處利用來自在陰極處生成的氫的氫氣消 除了對外部氫供應(yīng)源的需要；因此，降低該系統(tǒng)生產(chǎn)堿性溶液所用的能量。在如圖1-9中所示的某些實施方案中，在陽極102和陰極106之間的施加電壓114 下，在陰極106處產(chǎn)生氫氧根離子并遷移到陰極電解質(zhì)108中，并在陰極處產(chǎn)生氫氣。在某 些實施方案中，收集在陰極106處產(chǎn)生的氫氣并導(dǎo)向陽極，例如通過氫氣輸送系統(tǒng)122導(dǎo)向陽極，在此在陽極處將其氧化以產(chǎn)生氫離子。也如圖7-9中所示，在陽極102和陰極106之 間的施加電壓114下，在陽極102處產(chǎn)生的氫離子從陽極102遷移到陽極電解質(zhì)104中以 制造酸，例如鹽酸。在某些實施方案中，選擇第一陽離子交換膜116以便在限制陰離子穿過其的同時 允許陽離子穿過。因此，如圖1-9中所示，在橫跨陽極102和陰極106施加低電壓時，陽極 電解質(zhì)104中的陽離子，例如包含氯化鈉的陽極電解質(zhì)中的鈉離子穿過第一陽離子交換膜 116遷移到陰極電解質(zhì)中，同時防止陰極電解質(zhì)108中的陰離子，例如氫氧根離子和/或碳 酸根離子和/或碳酸氫根離子從陰極電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜116遷移到陽極電解質(zhì) 104 中。如圖1-9中所示，在其中陽極電解質(zhì)104包含鹽的水溶液，如氯化鈉的水溶液的 情況下，在包含從陽極電解質(zhì)104中遷移而來的陽離子，例如鈉離子，和陰離子例如在陰極 106處生成的氫氧根離子和/或通過將二氧化碳107溶解在陰極電解質(zhì)中而生成的碳酸根 離子和或碳酸氫根離子的陰極電解質(zhì)108中制造溶液，例如堿性溶液。同時，在陽極電解質(zhì)104中，由從陽極102遷移而來的氫離子和來自該陽極電解質(zhì) 的陰離子，例如氯離子，制造酸，例如鹽酸。如圖8中所述，利用包含第二陽離子交換膜122的陽極將陽極102與陽極電解質(zhì) 104隔開以便在第一表面上，該陽離子交換膜122與陽極102接觸，和在相反的第二表面上， 與陽極電解質(zhì)104接觸。因此，由于該第二陽離子交換膜是陽離子例如氫離子可透的，陽極 經(jīng)由第二陽離子交換膜與陽極電解質(zhì)電接觸。在一些實施方案中，如圖8中所示的陽極可 包含如下所述的氣體擴(kuò)散陽極。因此，在圖8的實施方案中，如圖7中所示的實施方案那樣，在陽極102和陰極106 之間施加低電壓時，由陽極處的氫氣氧化而在陽極102處產(chǎn)生的氫離子穿過第二陽離子交 換膜122遷移到陽極電解質(zhì)104中。同時，陽極電解質(zhì)中的陽離子，例如包含氯化鈉的陽極 電解質(zhì)中的鈉離子，從陽極電解質(zhì)104穿過第一陽離子交換膜116遷移到陰極電解質(zhì)108 中，同時防止陰極電解質(zhì)108中的陰離子，例如氫氧根離子和/或碳酸根離子和/或碳酸氫 根離子，從陰極電解質(zhì)108穿過第一陽離子交換膜116遷移到陽極電解質(zhì)104中。另外，在如圖8中所示的實施方案中，從陽極102穿過第二陽離子交換膜122遷移 到陽極電解質(zhì)104中的氫離子會與陽極電解質(zhì)中存在的陽離子例如氯離子產(chǎn)生酸，例如鹽 酸；在陰極電解質(zhì)108中，由陰極電解質(zhì)中存在的陽離子和從陽極穿過第一陽離子交換膜 116遷移到陰極電解質(zhì)中的陰離子例如鈉離子產(chǎn)生堿性溶液。在一些實施方案中，陽離子交換膜116和122是常規(guī)的并可獲自例如，Asahi Kasei of Tokyo, Japan ；或可獲自 Membrane Internationalof Glen Rock, NJ 或 DuPont, USA。但是，要認(rèn)識到，在一些實施方案中，根據(jù)限制或允許特定陽離子或陰離子物類在電解 質(zhì)之間遷移的需要，可以使用更限制性并因此允許一類陽離子遷移且同時限制另一類陽離 子遷移的陽離子交換膜，例如可以使用在限制氫離子從陽極電解質(zhì)遷移到陰極電解質(zhì)中的 同時允許鈉離子從陽極電解質(zhì)遷移到陰極電解質(zhì)中的陽離子交換膜。這類限制性陽離子交 換膜可購得并可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員選擇。如圖8中所示，陽極102包含將陽極102與陽極電解質(zhì)104隔開并附著到陽極上的 第二陽離子交換膜112。因此，在一些實施方案中，該陽極和第二陽離子交換膜可包含可購得或可以如全文經(jīng)此引用并入本文的2009年2月10日提交的名稱為“Electro-catalyst Electrodes for low-voltage electrochemical Hydroxide System，，的共同待審禾口共同轉(zhuǎn) 讓的美國臨時專利申請no. 61/151，484中所述制成的整體氣體擴(kuò)散陽極。但是，盡管在圖 7和8中顯示和利用且在本文中描述了氣體擴(kuò)散陽極，但在一些實施方案中，可以使用可經(jīng) 構(gòu)造以如本文所述將氫氣氧化產(chǎn)生氫離子的任何常規(guī)陽極。參照圖1-17，在一些實施方案中，陰極電解質(zhì)108經(jīng)操作連向包含在例如工廠， 例如發(fā)電廠、水泥廠或礦石冶煉廠中的二氧化碳?xì)怏w供應(yīng)源107。如果必要，該二氧化碳 源包含氣體——其中二氧化碳濃度高于環(huán)境大氣中的二氧化碳濃度。這種二氧化碳源 還可以含有燃燒過程的其它氣態(tài)和非氣態(tài)組分，例如氮?dú)狻0X、N0X，如全文經(jīng)此引用并入 本文的 2009 年 7 月 7 日提交的名稱為“Gas，Liquids, Solids ContactingMethods and Apparatus (氣體、液體、固體接觸方法和裝置)，，的共同待審和共同轉(zhuǎn)讓的美國臨時專利申 請no. 61/223，657中所述。但是，可以認(rèn)識到，可以凈化這種二氧化碳源并用作添加到陰極 電解質(zhì)108中的二氧化碳。盡管在普通環(huán)境空氣中存在二氧化碳，但部分由于該極低濃度，環(huán)境二氧化碳提 供的二氧化碳可以不足以實現(xiàn)用利用取自工業(yè)廢氣流，例如取自化石燃料供能的發(fā)電廠或 水泥生產(chǎn)廠的煙道氣的二氧化碳的本系統(tǒng)和方法獲得的結(jié)果。此外，在該系統(tǒng)和方法的一 些實施方案中，由于陰極電解質(zhì)包含在封閉系統(tǒng)中——其中添加的二氧化碳?xì)怏w在該系統(tǒng) 內(nèi)的壓力大于環(huán)境大氣壓，典型地防止環(huán)境空氣和因此環(huán)境二氧化碳滲入該陰極電解質(zhì) 中。在一些實施方案中，和參照圖1-17，將二氧化碳添加到陰極電解質(zhì)中以溶解和產(chǎn) 生碳酸，其根據(jù)該陰極電解質(zhì)的PH值離解成氫離子和碳酸根離子和/或碳酸氫根離子。同 時，如上所述，由電解陰極電解質(zhì)中的水而產(chǎn)生的氫氧根離子可能與氫離子反應(yīng)以在陰極 電解質(zhì)中產(chǎn)生水。因此，根據(jù)陰極電解質(zhì)中所需的堿度，可以如本領(lǐng)域充分理解和如圖5 的碳酸鹽物種形成圖中所示的那樣調(diào)節(jié)該陰極電解質(zhì)的PH并在一些實施方案中保持在7 至14或更大；或7至9 ；或8至11。在一些實施方案中，可以將該陰極電解質(zhì)的pH調(diào)節(jié)至 7 和 14 之間或更大的任何值，包括 pH 7. 0,7. 5,8. 0,8. 5,9. 0,9. 5,10. 0,10. 5,11. 0,11. 5、 12. 0,12. 5,13. 0,13. 5,14. 0 和更大。類似地，在該系統(tǒng)的一些實施方案中，通過調(diào)節(jié)由陽極處的氫氣氧化產(chǎn)生的遷移 到陽極電解質(zhì)中的氫離子的濃度和/或提取和補(bǔ)充該系統(tǒng)中的陽極電解質(zhì)，調(diào)節(jié)陽極電解 質(zhì)的PH并保持低于0并至多7和/或低于0并至多4。在此方面和如本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員可以認(rèn)識到的那樣和參照圖6，由于陽極和陰極之間的電壓取決于若干因素，包括可通過 Nernst方程確定的陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)之間的pH差，在一些實施方案中，根據(jù)陽極和 陰極之間的所需工作電壓，將陽極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至0和7之間的值，包括0、0. 5,1. 0、 1. 5,2. 0,2. 5,3. 0,3. 5,4. 0,4. 5,5. 0,5. 5,6. 0,6. 5 和 7。因此，可以認(rèn)識到，在需要降低所 用能量和/或陽極和陰極之間的電壓的等效系統(tǒng)中，例如如氯堿工藝中那樣，可以如本文 中公開的那樣將二氧化碳添加到電解質(zhì)中以實現(xiàn)陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)之間的所需PH 差。因此，就這類系統(tǒng)利用二氧化碳的程度而言，這些等效系統(tǒng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。參照圖1-17，在一些實施方案中，該陽極電解質(zhì)102包含包括鈉離子和氯離子的 鹽溶液；該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以使用在陽極122和陰極106之間低于IV的電壓，在陰極電解質(zhì)108中制造堿性溶液，同時也在陽極106處產(chǎn)生氫離子，且在陽極處不產(chǎn)生氣體；該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造 以使氫離子從陽極遷移到陽極電解質(zhì)中；該陽極電解質(zhì)包含酸；該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以在陰極電 解質(zhì)108中產(chǎn)生碳酸氫根離子和/或碳酸根離子；使氫氧根離子從陰極106遷移到陰極電 解質(zhì)中；使陽離子，例如鈉離子從陽極電解質(zhì)104穿過第一陽離子交換膜116遷移到陰極電 解質(zhì)中；向陽極提供氫氣；且氫氣輸送系統(tǒng)112經(jīng)構(gòu)造以將氫氣從陰極導(dǎo)向陽極。參照圖1-17，在一些實施方案中，陰極電解質(zhì)108可操作地連向用于進(jìn)一步加工 陰極電解質(zhì)的系統(tǒng)，例如碳酸鹽和/或碳酸氫鹽沉淀系統(tǒng)，其包含經(jīng)構(gòu)造以從溶液中沉淀 碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的沉淀器，其中在一些實施方案中，該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含鈣 和/或鎂的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽。此外，在一些實施方案中，包含酸例如鹽酸和包含低量 鈉離子的去離子鹽溶液的陽極電解質(zhì)104經(jīng)操作連向用于進(jìn)一步加工酸的系統(tǒng)，例如經(jīng)構(gòu) 造以溶解礦物和制造包含鈣離子和/或鎂離子的礦物溶液，例如鎂鐵礦物如橄欖石和蛇紋 石的礦物溶解系統(tǒng)。在一些實施方案中，該酸可用于除礦物溶解外或代替礦物溶解的其它 用途。這類用途包括用作纖維素生物燃料生產(chǎn)中的反應(yīng)物，用于聚氯乙烯(PVC)的生產(chǎn)等。 適用于這類用途的系統(tǒng)可操作地連向該電化學(xué)裝置，或該酸可運(yùn)輸至適當(dāng)使用地。在所述一些實施方案中，該礦物溶解系統(tǒng)經(jīng)操作連向經(jīng)構(gòu)造以從包含例如鈣離 子、鎂離子、二氧化硅、鹽酸和/或氫氧化鈉的礦物溶液中分離鈉離子和氯離子的納米過濾 系統(tǒng)。在一些實施方案中，該納米過濾系統(tǒng)910用能使鈉離子和氯離子濃縮到用作陽極電 解質(zhì)104的鹽溶液中的反滲透系統(tǒng)配置。參照圖1-17，該方法在一些實施方案中包括將二氧化碳添加到與陰極106接觸的 陰極電解質(zhì)108中的步驟，其中該陰極電解質(zhì)與陽極電解質(zhì)104被第一陽離子交換膜116 隔開；和通過在陽極處不產(chǎn)生氣體的情況下在陰極106和與陽極電解質(zhì)接觸的陽極102之 間施加低于IV的電壓114來在該陰極電解質(zhì)中制造堿性溶液。在該方法的一些實施方案中，陽極102與將該陽極和陽極電解質(zhì)隔開的第二陽離 子交換膜122接觸；堿性溶液108包含氫氧根離子和/或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子； 二氧化碳107包含在工廠，例如發(fā)電廠、水泥生產(chǎn)廠、發(fā)酵工藝或礦石加工廠的廢氣中。在一些實施方案中，防止環(huán)境空氣進(jìn)入陰極電解質(zhì)108 ；保持陰極電解質(zhì)中7至14 或更高的PH ；保持陰極電解質(zhì)中7至9的pH ；保持陰極電解質(zhì)中8至11的pH ；保持陽極電 解質(zhì)中低于0且至多7的pH ；保持陽極電解質(zhì)中低于0且至多4的pH ；在陽極102處將氫 氣氧化產(chǎn)生氫離子，并使氫離子從陽極穿過第二陽離子交換膜122遷移到陽極電解質(zhì)中； 在陰極106處制造氫氧根離子和氫氣；使氫氧根離子從陰極106遷移到陰極電解質(zhì)108中； 將氫氣從陰極106導(dǎo)向陽極102 ；使陽離子從陽極電解質(zhì)104穿過第一陽離子交換膜122遷 移到陰極電解質(zhì)108中，其中該陽離子包含鈉離子。在一些實施方案中，該方法包括在陰極電解質(zhì)108中制造氫氧化鈉和/或碳酸鈉 離子和/或碳酸氫鈉離子；在包含鈉離子和氯離子的陽極電解質(zhì)104中制造酸和貧離子鹽 溶液；利用該陽極電解質(zhì)溶解礦物和制造包含鈣離子和/或鎂離子的礦物溶液，其中該礦 物包含鎂鐵礦物；過濾該礦物溶液以制造包含鈉離子和氯離子的濾液；濃縮該濾液以制造 鹽溶液，其中該濃縮器包含反滲透系統(tǒng)；利用該鹽溶液作為陽極電解質(zhì)104 ；用該陰極電解 質(zhì)沉淀碳酸鹽和/或碳酸氫鹽；其中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含鈣和/或鎂的碳酸鹽和 /或碳酸氫鹽。在一些實施方案中，該方法包括將該酸棄置在地下儲存點中，在該處該酸可
23以儲存在非反應(yīng)性鹽或巖層中，沒有環(huán)境酸化。參照圖1-17，該方法在另一實施方案中包括在電化學(xué)系統(tǒng)，例如在陰極電解質(zhì) 108中包含添加的二氧化碳106A、107的系統(tǒng)中制造酸；和使礦物與該酸124接觸的步驟。 在一些實施方案中，該方法進(jìn)一步包括在陽極電解質(zhì)104中制造酸(在陽極102處不產(chǎn)生 氣體)，和在陽極處將氫氣112氧化，其中該酸包含鹽酸124 ；且其中在陰極106處產(chǎn)生該 氫氣112 ；在陰極電解質(zhì)108中制造堿性溶液；使鈉離子遷移到陰極電解質(zhì)中；其中該堿性 溶液包含氫氧化鈉、碳酸氫鈉和/或碳酸鈉；其中該電壓低于2V或低于IV;其中陽極電解 質(zhì)104與陰極電解質(zhì)108被第一陽離子交換膜116隔開；其中陽極102包含與陽極電解質(zhì) 102接觸的第二陽離子交換膜122 ；其中該陽極電解質(zhì)包含鹽，例如氯化鈉；用該酸124溶 解礦物以制造礦物溶液；產(chǎn)生鈣離子和/或鎂離子；其中該礦物包含鎂鐵礦物，例如橄欖石 或蛇紋石；過濾該礦物溶液以制造包含鈉離子和氯離子溶液的濾液；濃縮該濾液以制造鹽 溶液；利用該鹽溶液作為陽極電解質(zhì)104 ；用該陰極電解質(zhì)沉淀碳酸鹽和/或碳酸氫鹽；其 中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含鈣和/或鎂的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽。在一些實施方案中， 該方法包括將該酸棄置在地下儲存點中，其中該酸可以儲存在非反應(yīng)性鹽或巖層中并因此 沒有環(huán)境酸化。參照圖1-17，該系統(tǒng)和方法在各種實施方案中可有效通過利用鹽溶液130和水 902的氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)堿性溶液108和酸124，其中在陽極和陰極上施加例如低于3V的 電壓時，在陰極處產(chǎn)生氫氧離子和氫氣，氫在陽極處氧化，且在陽極處不生成氣體。在一些 實施方案中，將二氧化碳添加到與陰極接觸的陰極電解質(zhì)中。在一些實施方案中，在陰極電解質(zhì)中制造堿性溶液并包含氫氧根離子(來自陰 極)和/或來自添加的二氧化碳的碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。在一些實施方案中， 回收在陰極處生成的氫并在陽極處氧化。在各種實施方案中，用電催化劑催化陽極和陰極 處的氧化還原反應(yīng)。參照圖1-17，該系統(tǒng)在一個實施方案900中包含與包含碳酸氫根離子的陰極電解 質(zhì)108連通的氫-氧化陽極102 ；和構(gòu)造成向陽極102輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)112。在另一 實施方案中，系統(tǒng)900包含電化學(xué)裝置100、400、700、800、900，其包含含氫-氧化陽極的陽 極隔室122、含陰極的陰極隔室106和經(jīng)構(gòu)造以向陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)112，其中該 裝置可經(jīng)操作連向碳封存系統(tǒng)(未顯示)，其構(gòu)造成用陰極電解質(zhì)108封存二氧化碳。在該系統(tǒng)的一些實施方案中，向陽極提供的氫氣由在與陰極電解質(zhì)接觸的陰極處 生成的氫氣提供；該陰極電解質(zhì)包含添加的二氧化碳；該陰極電解質(zhì)包含氫氧根離子和/ 或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子；通過橫跨陽極和陰極施加電壓，在陰極處產(chǎn)生碳酸氫 根離子和/或碳酸根離子和/或氫氧根離子、氫氣和在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子，且在陽極處不產(chǎn)生 氣體；且該電壓低于3V。在該系統(tǒng)的一些實施方案中和參照圖2、10、11和12，陽極102和/或陰極106可 包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt_M，其 中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴 金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過渡金屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑136。 在各種構(gòu)造中，在固體電極上提供或在網(wǎng)/紗、纖維上或以多孔粒子上提供電催化劑。在一 些實施方案中，該電催化劑經(jīng)構(gòu)造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子和在陰極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含經(jīng)構(gòu)造以用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存 系統(tǒng)(未顯示)；在一些實施方案中，該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中；在一些實施方案中，該 二氧化碳以包含二價陽離子，例如鈣離子和/或鎂離子的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含在陽極電解質(zhì)104中的酸124 ；在一些實施方案 中，該系統(tǒng)包含經(jīng)構(gòu)造以用該酸制造二價陽離子，例如鈣離子和鎂離子的酸溶解系統(tǒng)；在某 系統(tǒng)中，通過用該酸溶解礦物來制造二價陽離子，并向碳封存系統(tǒng)提供該二價陽離子。參照圖13，在一些實施方案中，該系統(tǒng)包含經(jīng)構(gòu)造以接收通過各對陽極和陰極的 串聯(lián)電流的多對陽極-陰極1302、1304、1306。在另一實施方案中，參照圖14，該系統(tǒng)包含 經(jīng)構(gòu)造以接收橫跨各對陽極和陰極的并聯(lián)電壓的多對陽極-陰極1402、1404、1406。參照 圖15，在另一實施方案中，該系統(tǒng)包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中第一對1502的 陰極電解質(zhì)連向第二對1504的陰極電解質(zhì)；且第一對1502的陽極電解質(zhì)連向第二對1502 的陽極電解質(zhì)。在如圖15中所示的系統(tǒng)1500的一些實施方案中，可以調(diào)節(jié)陽極電解質(zhì)和陰極電 解質(zhì)的PH以優(yōu)化用于生產(chǎn)堿性溶液的能量。因此，例如，可以調(diào)節(jié)第二對的陰極電解質(zhì) 1504的pH(pH = 11)以使其等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)1502的pH(pH = 9)；類似 地，可以調(diào)節(jié)第二對的陽極電解質(zhì)1504的pH(pH = 3)以等于或小于第一對的陽極電解質(zhì) 1502的pH(pH = 5)?？梢哉J(rèn)識到，這些pH調(diào)節(jié)是示例性的，因此可以建立其它pH構(gòu)造，例 如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例如將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆?電解質(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除酸和堿性溶液。在如圖16中所示的系統(tǒng)的一些實施方案中，系統(tǒng)1600包含多對陽極電解質(zhì)和陰 極電解質(zhì)1602、1604、1606，其中第二對1606的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對 1602的陰極電解質(zhì)；且第三對1604的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對1602的陽 極電解質(zhì)以便在該系統(tǒng)中，第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對的陰極電解質(zhì)的 pH;且第三對的陽極電解質(zhì)的pH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。如圖15的系統(tǒng)那 樣，這些PH調(diào)節(jié)是示例性的，因此可以建立其它pH構(gòu)造，例如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例 如將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆撾娊赓|(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除 酸和堿性溶液。參照如圖17中所示的系統(tǒng)1700，構(gòu)造該系統(tǒng)以便在一些實施方案中，第二陽 極-陰極對1706的陰極電解質(zhì)包含第一對1702的稀釋的陰極電解質(zhì)；且第三對1704的陽 極電解質(zhì)包含第一對1702的稀釋的陽極電解質(zhì)。如圖15和16的系統(tǒng)那樣，這些pH調(diào)節(jié)是 示例性的，因此可以建立其它PH構(gòu)造，例如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例如將二氧化碳添 加到該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆撾娊赓|(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除酸和堿性溶液。參照圖1-17，該方法在各種實施方案中包括在陽極102處將氫氣氧化成質(zhì)子且在 陽極102處不產(chǎn)生氣體；和在與陽極102連通的陰極電解質(zhì)108中制造碳酸氫根離子的步 驟。在另一實施方案中，該方法包括在與陰極電解質(zhì)108連通的氫-氧化陽極102處氧化 氫氣；和用該陰極電解質(zhì)108封存二氧化碳的步驟。在一些實施方案中，該方法包括橫跨陽極和與陰極電解質(zhì)接觸的陰極施加電壓，例如低于3V的電壓，和在陰極處制造氫氣。在一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造氫輸送系 統(tǒng)以由陰極處產(chǎn)生的氫氣向陽極提供氫氣，和將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中。在一些 實施方案中，該方法包括在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸根離子和/或碳酸 氫根離子。在該方法的一些實施方案中，該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍 鉬鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金 屬、鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過 渡金屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。在一些實施方案中，該電催化劑經(jīng)構(gòu) 造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子和在陰極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。在一些實施方案中，該方法包括用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳，其中該二氧化碳 包含在工業(yè)廢氣中，且其中該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳酸氫鹽，例如包含二價陽離子，如 鈣離子和/或鎂離子，的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。在一些實施方案中，該方法包括在陽極電解質(zhì)中制造酸，和構(gòu)造酸溶解系統(tǒng)以便 用該酸制造二價陽離子，例如通過用該酸溶解礦物來制造鈣離子和/或鎂離子。在一些實 施方案中，該酸溶解系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以向碳封存系統(tǒng)提供二價陽離子。在該方法的一些實施方案中和參照圖13的系統(tǒng)1300，該方法包括構(gòu)造串聯(lián)的多 對陽極和陰極1302、1304、1306以接收通過各對陽極和陰極的公共電流。在圖14的系統(tǒng)中所示的一些實施方案中，該方法包括構(gòu)造并聯(lián)的多對陽極和陰 極1402、1404、1406以接收橫跨各對陽極和陰極的公共電壓114。在該方法一些實施方案中和參照圖15的系統(tǒng)1500，該方法包括構(gòu)造多對陽極電 解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此第一對1502的陰極電解質(zhì)連向第二對1504的陰極電解質(zhì)；且第一 對1502的陽極電解質(zhì)連向第二對1504的陽極電解質(zhì)，并將第二對1504的陰極電解質(zhì)的pH 調(diào)節(jié)至等于或大于第一對1502中的陰極電解質(zhì)的pH的值；和將第二對1504的陽極電解質(zhì) 的PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對1502的陽極電解質(zhì)的pH的值?？梢哉J(rèn)識到，這些pH調(diào)節(jié)是 示例性的，因此可以建立其它PH構(gòu)造，例如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例如將二氧化碳添 加到該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆撾娊赓|(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除酸和堿性溶液。在該方法的一些實施方案中和參照圖16，該方法包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極 電解質(zhì)，由此第二對1606的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對1602的陰極電解質(zhì)； 且第三對1604的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對1602的陽極電解質(zhì)?？梢哉J(rèn)識 到，這些PH調(diào)節(jié)是示例性的，因此可以建立其它pH構(gòu)造，例如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例 如將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆撾娊赓|(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除 酸和堿性溶液。在另一實施方案中和參照圖17，該方法包括將第二對1706的陰極電解質(zhì)的pH調(diào) 節(jié)至等于或大于第一對1702的陰極電解質(zhì)的pH的值；和將第三對1704的陽極電解質(zhì)的pH 調(diào)節(jié)至等于或小于第一對1702的陽極電解質(zhì)的pH的值?？梢哉J(rèn)識到，這些pH調(diào)節(jié)是示例 性的，因此可以建立其它PH構(gòu)造，例如調(diào)節(jié)該系統(tǒng)中的流體流量，例如將二氧化碳添加到 該陰極電解質(zhì)中和/或?qū)⑺砑拥皆撾娊赓|(zhì)中和/或從該系統(tǒng)中移除酸和堿性溶液。在示例性實施方案中，基本如圖1-17中所示構(gòu)造的系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下在施加在 電極之間的恒定電流密度下運(yùn)行，同時在各種溫度和電壓下將二氧化碳?xì)怏w連續(xù)溶解到陰極電解質(zhì)中。在該系統(tǒng)中，使用獲自E-TEK Corporation, (USA)的鉬催化劑，氣體擴(kuò)散陽極 作為陽極。使用沉積到鎳網(wǎng)基底上的Raney鎳作為陰極。在該系統(tǒng)中，陽極電解質(zhì)中的初始 酸濃度為IM ；初始氯化鈉鹽溶液為5M ；且陰極隔室中氫氧化鈉溶液的初始濃度為1M。在該 系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)溶解在陰極電解質(zhì)中的二氧化碳的量來使陰極隔室的PH保持在8或10。
表1 該系統(tǒng)的實驗電流密度、溫度和電壓特性 如表1中所示，在該系統(tǒng)中在電極之間實現(xiàn)一定范圍的電流密度?？梢哉J(rèn)識到，用 該系統(tǒng)的其它構(gòu)造可實現(xiàn)的電流密度可以隨若干因素而變，包括電池中的累積電阻損失、 環(huán)境試驗條件、與陽極和陰極反應(yīng)相關(guān)的過電位和其它因素。在本構(gòu)造中和如表1中所示實現(xiàn)的電流密度如下與陰極處的氫氧根離子的生成 相關(guān)聯(lián)，因此與陰極電解質(zhì)中氫氧化鈉和/或碳酸鈉和/或碳酸氫鈉的生成相關(guān)聯(lián)。參照表 1，在75°C、0.8V和pH 10下，各平方厘米的電極通過13. 3mA電流，其中電流是每時間(秒) 通過的電荷(庫侖)的衡量標(biāo)準(zhǔn)?；诜ɡ诙?，電極處產(chǎn)生的產(chǎn)物，例如氫氧根離子的 量如下與通過電極的總電荷成比例η = (I*t)/(F*z)其中η是產(chǎn)物的摩爾數(shù)，I是電流，t是時間，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，且ζ是每產(chǎn)物離 子物類(或試劑離子物類)轉(zhuǎn)移的電子。因此，基于本實施例，每秒每平方厘米電極產(chǎn)生 1.38xl0_4摩爾氫氧根離子，其與陰極電解質(zhì)中氫氧化鈉的生成相關(guān)聯(lián)。在該系統(tǒng)中，NaOH 的生成率通過LeChatelier原理根據(jù)下列凈化學(xué)平衡方程決定NaHCO3和Na2CO3的生成率H2C03+0!T = H20+HC(V和HC(V+0!T = H2CHCO廣，其中平衡中的一種物類濃度的提高改變所有物類的濃度，以使平衡產(chǎn)物保持平衡常數(shù)。因此，在該系統(tǒng)中，H2C03、HC03_和C032_的平衡濃度和電解質(zhì)中的pH的關(guān)系遵循如上 論述的碳酸鹽物種形成圖。在如圖1-9中所示和如參照上述碳酸鹽物種形成圖論述的系統(tǒng)中，二氧化碳在陰 極電解質(zhì)中的溶解度取決于該電解質(zhì)的PH。也在該系統(tǒng)中，陰極和陽極之間的電壓取決于 若干因素，包括陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)之間的PH差。因此，在一些實施方案中，該系統(tǒng)可 以經(jīng)構(gòu)造以在指定PH和電壓下運(yùn)行以在陰極電解質(zhì)中吸收二氧化碳和產(chǎn)生碳酸、碳酸根 離子和/或碳酸氫根離子。在將二氧化碳?xì)怏w溶解在陰極電解質(zhì)中的實施方案中，隨著從 陰極電解質(zhì)中除去質(zhì)子，可以溶解更多二氧化碳以形成碳酸、碳酸氫根離子和/或碳酸根 離子。根據(jù)該陰極電解質(zhì)的PH，如本領(lǐng)域中充分理解和如上述碳酸鹽物種形成圖中所示的 那樣，該平衡移向碳酸氫根離子或移向碳酸根離子。在這些實施方案中，根據(jù)與二氧化碳引 入速率相比的質(zhì)子除去速率，該陰極電解質(zhì)溶液的PH可能降低，保持相同或提高。要認(rèn)識 到，在這些實施方案中不形成碳酸、氫氧根離子、碳酸根離子或碳酸氫根離子，或碳酸、氫氧 根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子可能在一個時期不形成但在另一時期形成。在另一實施方案中，該系統(tǒng)和方法與碳酸鹽和/或碳酸氫鹽沉淀系統(tǒng)(未顯示) 集成，其中二價陽離子溶液在添加到本陰極電解質(zhì)中時導(dǎo)致形成二價碳酸鹽和/或碳酸氫 鹽化合物，例如碳酸鈣或碳酸鎂和/或它們的碳酸氫鹽，的沉淀物。在一些實施方案中，該 沉淀的二價碳酸鹽和/或碳酸氫鹽化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文經(jīng) 此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/126，776中所 述。在替換性實施方案中，該系統(tǒng)和方法與礦物和/或材料溶解和回收系統(tǒng)(未顯示) 集成，其中使用酸性陽極電解質(zhì)溶液104或堿性陰極電解質(zhì)108溶解富含鈣和/或鎂的礦 物，例如蛇紋石或橄欖石，或廢料，例如飛灰、紅泥等，以形成可用于例如如本文所述沉淀碳 酸鹽和/或碳酸氫鹽的二價陽離子溶液。在一些實施方案中，該沉淀的二價碳酸鹽和/或 碳酸氫鹽化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年 5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/126，776中所述。在替換性實施方案中，該系統(tǒng)和方法與用于封存二氧化碳和工業(yè)廢氣的其它成 分，例如硫氣體、氮氧化物氣體、金屬和顆粒的工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)(未顯示)集成，其中通 過使煙道氣與包含二價陽離子的溶液和包含氫氧根、碳酸氫根和/或碳酸根離子的本陰 極電解質(zhì)接觸，沉淀二價陽離子碳酸鹽和/或碳酸氫鹽，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008 年12月24日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/344，019中所述。該包含例如鈣和 /或鎂的碳酸鹽和碳酸氫鹽的沉淀物在一些實施方案中可以用作建筑材料，例如用作水泥 和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請 no. 12/126，776 中所述。在另一實施方案中，該系統(tǒng)和方法與水性脫鹽系統(tǒng)(未顯示)集成，其中本系統(tǒng)的 第三電解質(zhì)的部分脫鹽水用作該脫鹽系統(tǒng)的進(jìn)料水，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年6 月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/163，205中所述。在替換性實施方案中，該系統(tǒng)和方法與碳酸鹽和/或碳酸氫鹽溶液處置系統(tǒng)(未 顯示)集成，其中，該系統(tǒng)制造包含碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的溶液、漿料或懸浮液，而非通過 使二價陽離子的溶液與第一電解質(zhì)溶液接觸以形成沉淀物來制造沉淀物。在一些實施方案中，將該溶液、漿料或懸浮液棄置在使其保持長期穩(wěn)定的地點，例如將該溶液/漿料/懸浮 液棄置在其中的溫度和壓力足以無限期地使該漿料保持穩(wěn)定的深度的海洋中，如全文經(jīng)此 引用并入本文的2008年12月24日提交的美國專利申請no. 12/344，019中所述；或棄置在 地下。
權(quán)利要求
系統(tǒng)，其包含與包含碳酸氫根離子的陰極電解質(zhì)連通的氫 氧化陽極；和經(jīng)構(gòu)造以在陽極處輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中向陽極提供的氫氣由在與陰極電解質(zhì)接觸的陰極處生成的氫氣提供。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含氫氧根離子和/或碳酸根離子。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含添加的二氧化碳。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中通過橫跨陽極和陰極施加的電壓，在陰極處產(chǎn)生碳酸氫根 離子和/或碳酸根離子和/或氫氧根離子、氫氣和在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子，且在陽極處不產(chǎn)生氣 體。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該電壓低于3V。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬鎳、 金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、鎳 合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過渡金屬 的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中該電催化劑經(jīng)構(gòu)造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子和在陰 極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存系統(tǒng)。
10.權(quán)利要求4或9的系統(tǒng)，其中二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中。
11.權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。
12.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含二價陽離子。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
14.權(quán)利要求13的系統(tǒng)，包含在陽極電解質(zhì)中的酸。
15.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以用該酸制造二價陽離子的酸溶解系統(tǒng)。
16.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
17.權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中通過用該酸溶解礦物來制造該二價陽離子。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該酸溶解系統(tǒng)向碳封存系統(tǒng)提供該二價陽離子。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，包含經(jīng)構(gòu)造以接收通過各對陽極和陰極的串聯(lián)電流的多對陽 極-陰極。
20.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，包含經(jīng)構(gòu)造以接收橫跨各對陽極和陰極的并聯(lián)電壓的多對陽 極-陰極。
21.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中 第一對的陰極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解質(zhì)。
22.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)的PH ；和 第二對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。
23.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中第二對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；和 第三對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對的陰極電解質(zhì)的PH ；和 第三對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。
25.權(quán)利要求23或24的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)包含第一隊的稀釋的陰極電解 質(zhì)；且第三對的陽極電解質(zhì)包含第一對的稀釋的陽極電解質(zhì)。
26.方法，包括在陽極處將氫氣氧化成質(zhì)子且在陽極處不產(chǎn)生氣體；和 在與陽極連通的陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫根離子。
27.權(quán)利要求26的方法，包括橫跨陽極和與陰極電解質(zhì)接觸的陰極施加電壓。
28.權(quán)利要求27的方法，其中該電壓低于3V。
29.權(quán)利要求28的方法，包括在陰極處制造氫氣。
30.權(quán)利要求29的方法，包括構(gòu)造氫輸送系統(tǒng)以由陰極處產(chǎn)生的氫氣向陽極提供氫氣。
31.權(quán)利要求30的方法，包括將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中。
32.權(quán)利要求31的方法，包括在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸根離子。
33.權(quán)利要求32的方法，其中該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬 鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、 鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過渡金 屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。
34.權(quán)利要求33的方法，其中該電催化劑經(jīng)構(gòu)造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子和在 陰極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。
35.權(quán)利要求34的方法，進(jìn)一步包括用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳。
36.權(quán)利要求31或34的方法，其中該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中。
37.權(quán)利要求36的方法，其中該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。
38.權(quán)利要求37的方法，其中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含二價陽離子。
39.權(quán)利要求38的方法，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
40.權(quán)利要求39的方法，包括在陽極電解質(zhì)中制造酸。
41.權(quán)利要求40的方法，進(jìn)一步包括構(gòu)造酸溶解系統(tǒng)以便用該酸制造二價陽離子。
42.權(quán)利要求41的方法，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
43.權(quán)利要求42的方法，包括通過用該酸溶解礦物來制造二價陽離子。
44.權(quán)利要求43的方法，包括構(gòu)造該酸溶解系統(tǒng)以便向碳封存系統(tǒng)提供二價陽離子。
45.權(quán)利要求44的方法，包括構(gòu)造串聯(lián)的多對陽極和陰極以接收通過各對陽極和陰極 的公共電流。
46.權(quán)利要求44的方法，包括構(gòu)造并聯(lián)的多對陽極和陰極以接收橫跨各對陽極和陰極 的公共電壓。
47.權(quán)利要求44的方法，包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此 第一對的陰極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解質(zhì)。
48.權(quán)利要求47的方法，包括將第二對的陰極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)的pH的值；和 將第二對的陽極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH的值。
49.權(quán)利要求44的方法，包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此 第二對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；且 第三對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。
50.權(quán)利要求49的方法，包括將第二對的陰極電解質(zhì)的pH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對的 陰極電解質(zhì)的PH的值；和將第三對的陽極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽極電 解質(zhì)的PH的值。
51.系統(tǒng)，其包含電化學(xué)裝置，包含含氫-氧化陽極的陽極隔室、含陰極的陰極隔室和經(jīng)構(gòu)造以向該陽 極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)，其中該裝置可經(jīng)操作連向經(jīng)構(gòu)造以用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存系統(tǒng)。
52.權(quán)利要求51的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以在陽極處將氫氣氧化成質(zhì)子的氫輸送系統(tǒng)。
53.權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中向陽極提供的氫氣由在與陰極電解質(zhì)接觸的陰極處生成 的氫氣提供。
54.權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含氫氧根離子和/或碳酸氫根離子和/ 或碳酸根離子。
55.權(quán)利要求54的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含添加的二氧化碳。
56.權(quán)利要求55的系統(tǒng)，其中通過橫跨陽極和陰極施加的電壓，在陰極處產(chǎn)生碳酸氫 根離子和/或碳酸根離子和/或氫氧根離子、氫氣和在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子，且在陽極處不產(chǎn)生 氣體。
57.權(quán)利要求56的系統(tǒng)，其中該電壓低于3V。
58.權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬 鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、 鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過渡金 屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。
59.權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中該電催化劑經(jīng)構(gòu)造以在陽極處催化氫氣氧化成質(zhì)子和在 陰極處催化氫氣和氫氧根離子的生成。
60.權(quán)利要求51或55的系統(tǒng)，其中二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中。
61.權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。
62.權(quán)利要求61的系統(tǒng)，其中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含二價陽離子。
63.權(quán)利要求62的系統(tǒng)，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
64.權(quán)利要求63的系統(tǒng)，包含在陽極電解質(zhì)中的酸。
65.權(quán)利要求64的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以用該酸制造二價陽離子的酸溶解系統(tǒng)。
66.權(quán)利要求65的系統(tǒng)，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
67.權(quán)利要求66的系統(tǒng)，其中通過用該酸溶解礦物來制造該二價陽離子。
68.權(quán)利要求67的系統(tǒng)，其中該酸溶解系統(tǒng)向碳封存系統(tǒng)提供該二價陽離子。
69.權(quán)利要求68的系統(tǒng)，包含經(jīng)構(gòu)造以接收通過各對陽極和陰極的串聯(lián)電流的多對陽 極-陰極。
70.權(quán)利要求69的系統(tǒng)，包含經(jīng)構(gòu)造以接收橫跨各對陽極和陰極的并聯(lián)電壓的多對陽 極-陰極。
71.權(quán)利要求70的系統(tǒng)，包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中 第一對的陰極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解質(zhì)。
72.權(quán)利要求71的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)的pH ；且 第二對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。
73.權(quán)利要求72的系統(tǒng)，包含多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，其中第二對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；且 第三對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。
74.權(quán)利要求73的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)的PH等于或大于第一對的陰極電解質(zhì)的pH ；且 第三對的陽極電解質(zhì)的PH等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH。
75.權(quán)利要求73或74的系統(tǒng)，其中第二對的陰極電解質(zhì)包含第一對的稀釋的陰極電解質(zhì)；且 第三對的陽極電解質(zhì)包含第一對的稀釋的陽極電解質(zhì)。
76.方法，包括 構(gòu)造電化學(xué)裝置，其包含 含氫-氧化陽極的陽極隔室， 含陰極的陰極隔室，和經(jīng)構(gòu)造以向該陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)，其中該裝置可經(jīng)操作連向碳封存系統(tǒng)；和 用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳。
77.權(quán)利要求76的方法，包括通過橫跨陽極和與陰極電解質(zhì)接觸的陰極施加電壓，在 陽極處產(chǎn)生質(zhì)子且在陽極處不產(chǎn)生氣體。
78.權(quán)利要求77的方法，其中該電壓低于3V。
79.權(quán)利要求78的方法，包括由陰極向陽極提供氫氣。
80.權(quán)利要求79的方法，包括將二氧化碳添加到該陰極電解質(zhì)中。
81.權(quán)利要求80的方法，包括在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根離子和/或碳酸氫根離子和 /或碳酸根離子。
82.權(quán)利要求81的方法，其中該陽極和/或陰極包含選自鉬、單晶鎳、Raney鎳、鍍鉬 鎳、金屬碳化物(W2C、Pt-W2C)、鉬族金屬合金(Pt-M，其中M = Fe、Mn、Cr、Co、Au)、過渡金屬、 鎳合金、燒結(jié)鎳、鉬族金屬(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、銀、貴金屬或非貴金屬硫?qū)僭鼗?、過渡金 屬的離散大環(huán)絡(luò)合物和生物絡(luò)合物的電催化劑。
83.權(quán)利要求82的方法，包括使用該電催化劑催化陽極處的氫氣氧化成質(zhì)子和陰極處 的氫氣和氫氧根離子的生成。
84.權(quán)利要求76或80的方法，其中該二氧化碳包含在工業(yè)廢氣中。
85.權(quán)利要求84的方法，其中該二氧化碳以碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的形式封存。
86.權(quán)利要求85的方法，其中該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽包含二價陽離子。
87.權(quán)利要求86的方法，其中該二價陽離子包含鈣離子和/或鎂離子。
88.權(quán)利要求87的方法，包括在陽極電解質(zhì)中制造酸。
89.權(quán)利要求88的方法，包括用該酸制造二價陽離子。
90.權(quán)利要求89的方法，包括構(gòu)造串聯(lián)的多對陽極和陰極以接收通過各對陽極和陰極 的公共電流。
91.權(quán)利要求89的方法，包括構(gòu)造并聯(lián)的多對陽極和陰極以接收橫跨各對陽極和陰極 的公共電壓。
92.權(quán)利要求89的方法，包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此 第一對的陰極電解質(zhì)連向第二對的陰極電解質(zhì)；且第一對的陽極電解質(zhì)連向第二對的陽極電解質(zhì)。
93.權(quán)利要求92的方法，包括將第二對的陰極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對中的陰極電解質(zhì)的pH的值；和 將第二對的陽極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH的值。
94.權(quán)利要求90的方法，包括構(gòu)造多對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)，由此 第二對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陰極電解質(zhì)；且 第三對的陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)包含來自第一對的陽極電解質(zhì)。
95.權(quán)利要求95的方法，包括將第二對的陰極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或大于第一對的陰極電解質(zhì)的pH的值；和 將第三對的陽極電解質(zhì)的PH調(diào)節(jié)至等于或小于第一對的陽極電解質(zhì)的pH的值。
全文摘要
堿生產(chǎn)系統(tǒng)，其包含含有氫-氧化陽極、含陰極的陰極隔室和構(gòu)造成向該陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)的電化學(xué)裝置，其中該裝置經(jīng)操作連向構(gòu)造成用該陰極電解質(zhì)封存二氧化碳的碳封存系統(tǒng)；及其方法。在另一實施方案中，包含與包含碳酸氫根離子的陰極電解質(zhì)連通的氫-氧化陽極和構(gòu)造成向該陽極輸送氫氣的氫輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)；及其方法。
文檔編號C25B1/00GK101918614SQ201080000940
公開日2010年12月15日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日
發(fā)明者B·博格斯, M·史密斯, N·賈拉尼, R·J·吉利亞姆, T·A·阿爾布雷希特, V·德克 申請人:卡勒拉公司