CN106299424A

CN106299424A - 一种碱性直接水co2燃料电池及其应用

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Publication number: CN106299424A
Application number: CN201510280116.XA
Authority: CN
Inventors: 李坚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-23
Filing date: 2015-05-23
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明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。

Description

一种碱性直接水CO2燃料电池及其应用

一、技术领域

本发明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、背景技术

迄今为止，还未搜索到与本发明的“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发明了一种“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)与四川大学发明的“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发明的“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”意指本发明人近三年来发现的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，使本发明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，本发明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。

本发明的“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的发明专利。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给出具体的说明：

实施例2选择普通的碱性直接甲醇燃料电池的设备构建“本电池”，由上述201510201194.6的发明专利可知，其碱性阴离子交换膜是属于产生氢自由基离子的最关键的催化剂，在该电池的阴极室加入浓氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，并且用活性零价铁或零价锌等金属为材料制备气体扩散电极，这就相当于构建了201510201194.6专利之说明书P11页中“过程1”的催化剂，结合上述的离子膜催化剂，由此就在该所选的电池的阴极室形成了一种还原反应的双催化体系，同时在阳极室自然地形成了一种氧化反应的自催化体系，即一种全新的“离子交换膜+金属单质或其合金/KOH或NaOH”的催化体系，当二氧化碳气体或碳酸氢盐溶液缓缓进入“本电池”的阴极室时，通过阴极电极的扩散运动与该室的KOH或NaOH分子碰撞迅即自发地发生反应生成碳酸钾或碳酸钠(此即为碱吸收二氧化碳尾气或碳酸氢盐转化为碳酸盐的过程)，这时该吸收反应的化学能通过“本电池”转化为直流电a；(注：这正是四川大学发明的“二氧化碳燃料电池”发电的原理)，在这同一时刻，阴极室KOH或NaOH中的氢氧根离子依靠浓度差和压力差和电位差和温度差的合力驱动，渗析透过阴离子交换膜进入阳极室，而阴极室KOH或NaOH中的钾离子或钠离子却不能渗析透过该阴离子交换膜，因此显而易见：在这一时刻的膜表面必然导致在阳极室一侧的氢氧根离子或电荷不平衡，同时也必然导致在阴极室一侧的钾离子或钠离子或电荷不平衡，如此的离子在这一时刻的某一个局部必然就扰乱了阳极室和阴极室溶液的电中性而处于一种激发态，为了满足溶液的电中性，过剩的氢氧根离子也就必然自发地转化为高能的羟基自由基(电中性)和自由基离子，过剩的钾离子或钠离子也就必然自发地转化为高能的钾自由基或钠自由基(电中性)和自由基离子，如此在阳极室迅即自发地发生了羟基自由基和自由基离子转化为氧气和双氧水的反应，同一时刻在阴极室迅即自发地发生了钾自由基或钠自由基和它们的自由基离子转化为KOH或NaOH及氢自由基和氢自由基离子的反应，这种自由基型反应的化学能通过“本电池”转化为直流电b；几乎还是在这一相同的时刻，参阅申请号为201410077498.1的专利可知，由二氧化碳气体在阴极室生成的碳酸钾或碳酸钠通过锌/KOH的催化作用以及氢自由基和氢自由基离子的还原作用，自发地转化为类似二苯甲酮在光催化下转化的那种羰基阴离子自由基，再进一步脱氧元素转化为氧自由基或羟基自由基以及同时生成含碳氢键的有机物，接着氧自由基或羟基自由基再迅即与阴极室游离的氢自由基和氢自由基离子碰撞后自发地发生燃烧反应转化为水，其反应的化学能通过“本电池”转化为直流电c，故“本电池”有三种(a+b+c)反应的化学能转化为直流电能，所以，碳酸钾在超强碱水溶液中被还原为含C-H键的有机物以及下述实施例1的事实(参阅上述专利中的“过程1”和“过程2”)，正是“本电池”采用二氧化碳气体或碳酸盐或碳酸氢盐代替氧气或空气作为氧化剂发电的基础性技术；同样的道理，这也正是在“本电池”中用二氧化氮气体或硝酸盐或亚硝酸盐代替氧气或空气作为氧化剂发电的基础性技术；也正是“本电池”用二氧化硫气体或硫酸盐或亚硫酸盐代替氧气或空气作为氧化剂发电的基础性；也是“本电池”作为一种燃料电池型的反应器能够在利用上述这些氧化剂与水反应合成含碳氢键的有机物或合成水合肼或合成硫单质等各种目标物的同时共生直流电的基础性技术；总而言之，简要地一句话：就是上述“过程1”和下述“实施例1”这2个可以通过实验反复验证的事实，成为构建本发明的“碱性直接水CO2燃料电池”的基础性技术，也正是本发明专利申请的坚实可靠的背景技术。

另外，由上述可知，本电池实质上也属于一种产品-电能共生的燃料电池型反应器，由于“本电池”中的离子在浓度差和压力差和温度差和电位差合力的驱动下，通过阴离子交换膜或阳离子交换膜的选择性渗析，可以不断地在阳极室产生羟基自由基和其自由基离子以及同时不断地在阴极室产生氢自由基和其自由基离子，致使“本电池”的阳极室可成为高能的氧化反应器，进行几乎所有传统的氧化反应；同样，致使本电池的阴极室可成为高能的还原反应器，进行几乎所有传统的还原反应，特别是与传统的燃料电池反应器相比，并不需要添加氢气就可进行还原反应，不需要添加氧气就可进行氧化反应，这是所有传统的燃料电池型的合成反应不可能达到的效果；而且“本电池”还可兼具碱性直接甲醇燃料电池的发电效率，只要在用“本电池”合成产品的同时，在“本电池”的阳极室加入含C-H键的有机物或含N-H键的肼或氢气等燃料，就可以成倍地提高“本电池”的发电量，尤其是若在“本电池”的阳极室加入的是含碳氢键的有机物，则在“本电池”的同时其阳极室不断地产生CO2气体，可用于另一个串联的“本电池”的阴极室进行发电并同时相应地合成出含碳氢键的有机物，再送入另一个串联的“本电池”的阳极室，如此循环往复，显而易见：“本电池”应该成为CO2循环燃烧发电的最佳选择之一，也应该成为建立燃料电池电站的最佳选择之一，故“本电池”具有超级的应用价值。

附说明：很可能有许许多多的本领域技术人员会认为离子膜催化生成高能的自由基离子和下述的“实施例1”不符合能量守恒定律，很可能会非常严重的质疑——低能的水合离子转化为高能的自由基离子的能量从何而来？针对这一非常严重的质疑，在此特别附加说明如下：

物体具有内能、分子具有内能、原子具有内能、离子也具有内能，而内能只要能够被激发就可以转移为具有推动力的正能量，关于这些内容的叙述应该不会受到很大的质疑，但是，由于关于离子内能研究的文献资料在网面流行的数量太少，故在此特提供下面的有关文献供参考。本人研读这些文献并结合学习《静电学》后针对上述能量从何而来的质疑给出如下的答案：下述“实施例1”产生氢能和电能的能量主要来源于KOH离子被激发的内能。从大量的接触分离产生静电荷的现象可知，静电荷本质上就属于是一种阴离子或阳离子过剩或不平衡的电荷，凝聚着一种激发态式的能量，一般不稳定，故这种能量很容易通过放电或与其它物质反应的形式达到稳定的电中性状态，特别是这种接触分离起电的能量通过离子分离的途径十分容易获得，而关于“接触分离”产生静电能量的来源，其研究的线条一直以来都非常地粗略，大概的叙述就是由电子转移产生的离子的分离导致某物体局部一时地电中性被扰乱而产生静电荷，但无论怎样，我们熟知大量的静电现象总是与“扰乱电中性”的说法相关联，而“扰乱电中性”的说法又总是与离子膜的发展史相关联；而且，通过一系列单电子转移的化学反应我们也可知道，普通离子通过单电子转移反应也很容易引发产生高能的自由基和自由基离子，尤其是在有机合成电化学领域，已有许多文献资料都涉及普通离子与自由基离子相互之间转换的现象及其机理的研究，所以，仔细研读这些文献资料，并将这些在不同专业领域发生的现象用“电中性”或电荷平衡这根线串联起来，同时又围绕电荷守恒定律的内容全面地进行综合分析，就可以明确地知道“浓差电池”发电的能量来源；可以明确地知道“反电渗析法海水发电”的能量来源；可以明确地知道固体KOH溶解时大量放热的能量来源；可以明确地知道电渗析海水淡化过程中浓差极化的能量来源；可以明确地知道双极膜能够解离水为氢离子和氢氧根离子的能量来源；可以明确地知道所谓“常温核聚变”产生“过热”现象的能量来源；可以明确地知道在“正渗透法技术”中水自发地从低处流向高出的能量来源；等等，总之，可以明确地知道这一切的“能量来源”都源于——“过剩的离子或分子为了满足电中性或电荷守恒而必然被激发转化为高能的自由基和自由基离子”的定律，都源于离子内部的电子轨道中的电子运动规律的突变后又回归至电中性的原理，或者说，根据“为满足电荷平衡的离子的内部必然发生量子跃迁突变为一种高能的激发态离子——自由基离子”的化学原理，其自发释放的能量就是上述现象的能量来源，源头是电荷守恒定律；由此站在化学反应的角度，我们就可以把具有高能的“静电荷”作为一种突变的自由基离子看待，或者说，“静电荷”在本质上就是一种自由基离子，也可把正在扩散迁移的运动离子作为一种由“电荷迁移跃迁”产生突变的含有未成对电子的自由基看待，这一切都来源于离子内能的变化和转移，至于离子内能具体的变化和转移的规律则还需要进行大量深入的研究。下述“实施例1”将低能量的水合钾离子通过离子交换膜的催化作用突变和转移为高能量的氢自由基正离子，就是一个可以通过实验反复验证的上述化学原理的典型的例证。本发明人进一步研究后，认为离子内能的激发突变一般有两种方式，一是常见的由电子转移产生的激发；二是不常见的由电子跃迁产生的激发；产生静电荷主要依靠的是电子转移产生的激发突变，而离子交换膜催化生成的自由基离子主要依靠的是电子跃迁产生的激发突变，只不过经初步研究后，发现该电子跃迁有别于经典的电子跃迁模式，而更接近于新型的“量子跃迁”的模式，所以，“离子膜催化法”水制氢的能量主要来源于过剩的钾离子和氢氧根离子为满足电中性所发生的“量子跃迁”，而浓度差或压力差或温度差或电位差主要是用于离子接触分离的推动力，相比“量子跃迁”激发的能量要小得多，故不能构成下述“实施例1”的主要的能量来源，具体地说就是低能量的水合钾离子和水合氢氧根离子经“量子跃迁”转化为高能量的钾自由基正离子和羟基自由基负离子，从而自发地引发后续的系列反应，释放出氢能和电能，由《有机自由基形成的高能电池》可知，该电池的有机自由基可成数倍地提高电池的能量密度，故该事实也进一步证明了自由基具有超高的可转移的能量。所以，可以确定地说：“离子膜催化法”水制氢的许多实例尤其是下述的“实施例1”，完全符合电荷守恒定律，也完全符合能量守恒定律。

参考文献(网上搜寻)

1、《电荷能量联系定律的论证》；2、《第五章激发态能量转移和电子转移的竞争》；3、《第6讲电子转移产生的能量》；4、《单电子转移参与的几个自由基反应研究》；5、《自由基离子超精细结构的理论研究》(博士论文)；6、《金属作用自由基负离子偶联反应》；7、《静电场中离子气体的内能》；8、《原子和离子激发态的边界半径》；9、《类钠离子激发态能级的计算》；10、《PtHNi电解过程中的“过热”现象研究》(硕士论文)；11、《有机自由基电池》；12、《电荷迁移跃迁》。

三、发明内容

本发明的目的是提供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为氧化剂的燃料电池和构建的方法及其作为一种催化合成反应器的应用，即提供一种“碱性直接水CO2燃料电池”和构建的方法及其作为催化合成反应器的用途，其特征为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构建成为该燃料电池的催化体系，可使“本电池”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二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐或者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。由此可知，构建的该燃料电池可以同时被称之为“碱性直接水CO2燃料电池”或“碱性直接水NO2燃料电池”或“碱性直接水SO2燃料电池”；或者同时可被称之为“碱性直接水碳酸盐燃料电池”和“碱性直接水碳酸氢盐燃料电池”或“碱性直接水硝酸盐燃料电池”，甚至还可以被称之为“碱性直接水矿物盐燃料电池”；这些在本说明书中统称之为“本电池”。由于“本电池”双催化体系中的离子交换膜可在阴极室催化生成氢自由基和氢自由基正离子，同一时刻在阳极室催化生成羟基自由基和羟基自由基负离子，故采用“本电池”可以进行几乎所有的氧化反应和还原反应，而且，在用“本电池”合成有机物或肼或硫单质或合成其它一切的可燃物的同时，在“本电池”的阳极室加入用“本电池”合成的这些燃料，可以成数倍地提高“本电池”的发电功率，所以，用“本电池”非常适合于建立二氧化碳或二氧化氮或二氧化硫的循环燃烧发电的燃料电池电站，显然它们的燃烧发电的成本最低。

“本电池”最核心的技术为离子交换膜+KOH这种催化剂，其中K表示所有的碱金属元素，在浓度差和压力差和温度差和电位差合力的驱动下，KOH的阴离子或阳离子渗析透过离子交换膜转化为高能的自由基和自由基离子，由此在用“本电池”合成各种目标物和处理各种废气的同时可联产电能和氢能，使其能量消耗最低，其中“废气处理-电流或氢气共生”正是“本电池”最重要的特征，应该也是迄今为止“本电池”的一个独一无二的特征，显而易见：“本电池”在合成领域和在废气处理领域都具有超级的应用价值。(上述的“废气处理”特指将二氧化碳或二氧化氮或二氧化硫或它们的混合物的废气转化为有机物或肼或硫单质和硫化物等目标物，而不是指采用传统方法的“废气处理”)。

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者以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切氢氧化物水溶液，在阳极室(或阴极室)加入计算量的去离子水，或加入计算量的1-5％的碳酸氢钾或碳酸氢钠或碳酸氢锂或碳酸氢铵或相应的氢氧化物水溶液，用泵或搅拌分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通电流回路；在阴极室缓缓加入计算量的二氧化碳或二氧化硫或二氧化氮或它们的混合物废气，或者在该阴极室缓缓加入计算量的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，过程中注意在阴极室补充水，保持阴极室的水平面不下降，并不断地收集阴极室溢出的氢气等可燃气体并计量，同时注意收集从阳极室溢出的氧气及双氧水，用电表测量电流回路的电流和电压并记录，最后在阴极室收集由反应生成的有机物或肼或金属硫化物，在阳极室收集硫单质，计算目标产物的收率和联产的直流电输出的最大功率密度或氢气的得量。

四、具体实施方案

实施例1

选择普通的碱性燃料电池或离子膜烧碱法的电解槽，用碱性阴离子交换膜(或阳离子交换膜)将该电解槽分隔为阴极室和阳极室2个小室，选用不锈钢或活性铁或锌或活性镍或活性铜或活性炭或石墨为材料制备成为气体扩散电极，其作为阴极电极和阳极电极，二电极紧贴离子交换膜的两侧；在阴极室(或阳极室)加入1-2立升30-50％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵水溶液或者加入其它一切水溶性的氢氧化物溶液，在阳极室(或阴极室)加入1立升的去离子水；控制阴极室(或阳极室)的工作压力为0-2MPa，阳极室(或阴极室)的工作压力为常压或负压，控制2个小室的温度为10-60℃，确保阴极室(或阳极室)的温度高于阳极室(或阴极室)，2个小室的温差越高越好；开通电解槽的电流回路，不输入电流或其它任何形式的能量，不添加任何其它的物质，这时就开始了水制氢气并联产直流电的过程；过程中不断地收集从阴极室溢出的氢气和从阳极室溢出的氧气并计量，注意在阴极室(或阳极室)补充去离子水，保持阴极室(或阳极室)的水平面基本不变；过程中用电表测量电流回路的电流和电压的数值并记录，保持过程的时间为24-240小时；过程结束后，收集阳极室的双氧水，最后计算得知，收集的氢气量为2-50克，联产的直流电输出的最大功率密度为35mW/cm² (或13mW/cm²)左右。

实施例2

选择普通的碱性直接甲醇燃料电池的设备，用阴离子交换膜(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，选用不锈钢或活性铁或锌或活性镍或活性铜或活性炭或石墨或它们的合金为材料制备成为气体扩散电极，其作为阴极电极和阳极电极，二电极紧贴离子交换膜的两侧；在阴极室(或阳极室)加入1-2立升30-50％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵水溶液或者加入其它一切的水溶性氢氧化物，在阳极室(或阴极室)加人1立升去离子水，或者加入1立升1-5％的碳酸氢钾或碳酸氢钠或碳酸氢锂或碳酸氢铵的溶液，或者加入1立升1-5％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵的水溶液，用泵或搅拌分别驱动2个小室的水溶液循环流动；控制阴极室(或阳极室)的工作压力为0-2MPa，阳极室(或阴极室)的工作压力为常压或负压，控制2个小室的温度为10-60℃，确保阴极室(或阳极室)的温度高于阳极室(或阴极室)，2个小室的温差越高越好，开启循环泵和搅拌，开通该设备的电流回路，在阴极室缓缓加入20-30克的二氧化碳气体或滴加60-90克的碳酸盐和碳酸氢盐水溶液，这时在阴极室已经开始了二氧化碳或碳酸盐的还原反应过程，已经开始有直流电输出；过程中不断地收集从阴极室溢出的氢气和还原反应产生的低碳烯烃和低碳烷烃等气体产物并计量，同时不断地收集从阳极室溢出的氧气并计量，并用电表测量该设备电流回路的电流和电压的数值并记录，注意在阴极室(或阳极室)补充去离子水，保持阴极室(或阳极室)的水平面不变，4-24小时后，过程停止，收集阴极室的有机物碱水混合物，用气相色谱和液相色谱分析其主要成分为乙二醇和丁四醇等醇类有机物，有机物的总产率(包括收集的低碳烯烃和低碳烷烃)合计为82％-95％，收集阳极室的双氧水，最后计算联产的直流电的最大输出功率密度为45mW/cm²(或25mW/cm²)左右，收集的氢气为2-6克。

实施例3

选择普通的碱性直接甲醇燃料电池的设备及其阴离子交换膜和二电极，二电极紧贴该阴离子交换膜，在阴极室加入1-4立升的30-50％KOH或NaOH溶液，在阳极室加入1立升去离子水，保持阴极室的压力和温度大于阳极室的压力和温度，用泵或搅拌分别驱动阴极室和阳极室的溶液循环流动，并开通本燃料电池的电流回路，在阴极室滴加20-98％的碳酸氢钾或碳酸氢钠200-400克，这时已开始发出直流电，同时开始产生有机物，控制二个极室的温度为10-60℃，用电表测量电流回路的电流和电压的数值并记录，不断地收集从阴极室溢出的氢气以及低碳烯烃和低碳烷烃等气体并计量，同时不断地收集从阳极室溢出的氧气并计量，4-24小时后停止过程，收集阴极室的有机物碱水混合物，用气相色谱和液相色谱分析其主要成分为丁四醇和乙二醇等醇类有机物，并用碳酸盐分析仪测量阴极室碳酸氢钾或碳酸氢钠的含量可知碳酸盐转化率为90％以上，有机物的总产率(包括从阴极室收集的低碳烯烃和低碳烷烃气体)为90％左右，再收集阳极室的双氧水，最后计算联产的直流电输出的最大功率密度为27mW/cm²，收集的氢气为4克左右，联产与转化的碳酸盐等当量的氢氧化钾或氢氧化钠。

实施例4

选择普通的碱性直接甲醇燃料电池的设备，用阴离子交换膜(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，用不锈钢或活性铁或锌或活性镍或活性铜或活性炭或石墨或它们的合金为材料制备成为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；在阴极室(或阳极室)加入1-2立升的30-50％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵溶液，或者加入1-2立升其它所有的氢氧化物水溶液，在阳极室(或阴极室)加入1立升的去离子水，或加入1立升的1-5％的氢氧化钾或氢氧化钠或氢氧化锂或氢氧化铵溶液，用泵或搅拌分别驱动阴极室和阳极室的溶液循环流动；开通本燃料电池的电流回路，在阴极室缓缓加入二氧化氮或二氧化硫气体20-40克，或者在阴极室滴加20-98％的硝酸盐和亚硝酸盐或硫酸盐和亚硫酸盐100-200克，这时已开始有电流输出，并同时已开始产生肼或硫单质；用电表测量电流和电压的数值并记录，不断地收集从阴极室溢出的氢气和硫化氢等气体并计量，同时不断地收集从阳极室溢出的氧气并计量，4-20小时后，关闭泵或搅拌，收集阴极室产生的肼或金属硫化物，收集阳极室产生的硫单质，用液相色谱和气相色谱分析肼或金属硫化物的含量，得知肼的总产率为90％左右，或得知硫单质和金属硫化物和硫化氢合计的总产率为90％左右，最后计算联产的直流电的最大输出功率密度为为30-50mW/cm²，收集的氢气为4-8克。

实施例5

选择与上述实施例2相同的设备和电极，用阴离子交换膜将该设备分隔为阴极室和阳极室2个小室，在阴极室加入1-2立升30-50％的KOH或NaOH溶液，在阳极室加入1立升0-5％的KOH或NaOH溶液，用泵分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通本燃料电池的电流回路，间隙式地开启循环泵，用于回收阴极室和阳极室的产物，在阴极室不断地缓缓加入二氧化碳尾气或不断地滴加20-40％的碳酸盐和碳酸氢盐，同时在阳极室不断地滴加混合醇水溶液或不断地缓缓通入氢气，控制阴极室的工作压力和温度以及水平面高于阳极室，这时不断地有直流电输出，间隙式地收集阴极室生成的混合醇碱水混合物，收集阴极室溢出的氢气以及低碳烯烃和低碳烷烃气体并计量，收集阳极室溢出的氧气和二氧化碳气体并计量，用电表测量输出的直流电的电流和电压并记录，24-48小时后停止该过程，用气相色谱和液相色谱分析收集的混合醇碱水混合物中混合醇的总含量，得知混合醇的总收率为75％左右，生成的低碳烯烃和低碳烷烃合计的总收率为18％左右，最后计算联产的直流电的最大输出功率为170-210mW/cm²，得氢气为0-4克。

实施例6

选择与上述实施例2相同的设备和电极，用阴离子交换膜将该设备分隔为阴极室和阳极室2个小室，在阴极室加入1-2立升30-50％的KOH或NaOH溶液，在阳极室加入1立升0-5％的KOH或NaOH溶液，用泵分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通本燃料电池的电流回路，间隙式地开启循环泵，用于收集阴极室和阳极室的产物，在阴极室不断地缓缓加入二氧化氮尾气或二氧化硫尾气，或者在阴极室不断地滴加20-40％的硝酸盐和亚硝酸盐或硫酸盐和亚硫酸盐溶液，同时在阳极室不断地滴加50-70％的水合肼或不断地缓缓加入硫化氢气体，这时不断地有直流电输出，用电表测量输出的直流电的电流和电压并记录，同时间隙式地收集阴极室的水合肼或多硫化物以及收集阳极室的硫单质等产物，收集从阴极室溢出的氢气和硫化氢等气体并计量，同时收集从阳极室溢出的氧气和氮气等气体并计量，4-20小时后停止该过程，用气相色谱和液相色谱分析肼等产物的含量，得知肼的产率为90％左右，或硫单质和硫化氢和金属硫化物的总产率合计为90％左右，最后计算输出的直流电的最大输出功率密度为180-240mW/cm²，得氢气为0-7克。

实施例7

选择普通的碱性燃料电池或离子膜烧碱法的电解槽，用碱性阴离子交换膜(或阳离子交换膜)将该电解槽分隔为阴极室和阳极室2个小室，选用不锈钢或活性铁或锌或活性镍或活性铜或活性炭或石墨为材料制备阴极电极和阳极电极，二电极紧贴阴离子交换膜，在阴极室加入1-2立升30-50％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液，在阳极室加入1立升0-5％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液，用泵或搅拌分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通本燃料电池反应器的电流回路，在阴极室滴加20-98％的金属硫化物100-200克，控制阴极室的工作压力和温度高于阳极室，注意在阴极室添加水保持其水平面不变，这时已开始有直流电输出，同时在阳极室有硫单质吸出；用电表测量输出的直流电的电流和电压并记录，不断地收集从阴极室溢出的氢气和从阳极室溢出的氧气并计量，10-20小时后，关闭滴加阀，关闭泵或搅拌，收集阳极室沉淀的硫单质产物并计量，最后计算，得知硫单质的收率为80％左右，直流电的最大输出功率密度为75mW/cm²，得氢气为9克左右。

实施例8

选择与上述实施例2相同的设备和电极，用阴离子交换膜将该设备分隔为阴极室和阳极室2个小室，在阴极室加入1-2立升30-50％的KOH或NaOH溶液，在阳极室加入1立升0-5％的KOH或NaOH溶液，用泵或电动搅拌分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通本燃料电池反应器的电流回路，在阴极室不断地缓缓加入火力发电厂烟囱直排的烟气(主要含有CO2和NO2和SO2废气)，这时有直流电输出，同时在阴极室有醇和肼和金属硫化物生成以及有氢气和低碳烯烃和低碳烷烃和硫化氢等气体溢出，在阳极室有单质硫生成，用电表测量输出的直流电的电流和电压并记录，并全部收集上述所有的产物并计量，48小时后停止该过程，最后计算，上述各产物合计的总产率达75％以上，输出的直流电的最大功率密度为25mW/cm²，得氢气2克左右。

Claims

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切氢氧化物水溶液，在阳极室(或阴极室)加入计算量的去离子水，或加入计算量的1-5％的碳酸氢钾或碳酸氢钠或碳酸氢锂或碳酸氢铵或加入相应的氢氧化物水溶液，用泵或搅拌分别驱动2个小室的溶液循环流动，开通电流回路；在阴极室缓缓加入计算量的二氧化碳或二氧化硫或二氧化氮或它们的混合物废气，或者在该阴极室缓缓加入计算量的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，过程中注意在阴极室补充水，保持阴极室的水平面不下降，并不断地收集阴极室溢出的氢气等其它的可燃气体并计量，同时收集从阳极室溢出的氧气及双氧水，用电表测量电流回路的电流和电压并记录，最后在阴极室收集由反应生成的有机物或肼或金属硫化物，在阳极室收集硫单质，计算目标产物的收率和联产的直流电输出的最大功率密度和氢气的得量。

3.一种“碱性直接水CO2燃料电池”作为二氧化碳或碳酸盐和碳酸氢盐与水为原料催化合成有机物的反应器的用途。

4.一种“碱性直接水CO2燃料电池”作为二氧化氮或硝酸盐和亚硝酸盐与水为原料催化合成水合肼的反应器的用途。

5.一种“碱性直接水CO2燃料电池”作为二氧化硫或硫酸盐和亚硫酸盐催化合成硫单质和金属硫化物和硫化氢的反应器的用途。

6.一种“碱性直接水CO2燃料电池”在二氧化碳废气大规模地减排之领域的应用。

7.一种“碱性直接水碳酸氢钠燃料电池”在二氧化碳废气大规模地减排之领域的应用。