用于电化学利用二氧化碳的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于电化学利用二氧化碳的方法和设备。将二氧化碳引入电解池中并在阴极处还原。在电解池中变为碱性的阴极电解质用作未转化的、除一氧化碳之外还被包含在产物气体中的二氧化碳的吸收剂。因此，所述设备包括两条单独的从电解池到气体洗涤装置中的用于碱性阴极电解质和产物气体的管线。所述阴极电解质和产物气体然后在所述气体洗涤装置中合并，从而分离出未转化的二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学利用二氧化碳的方法和设备本专利技术涉及用于电化学利用二氧化碳的方法和设备。将二氧化碳引入电解池中并在阴极处还原。电力需求在一天过程中波动很大。在一天过程中，随着源自可再生能源的电力的份额增加，发电量也会有所波动。为了能够平衡在电力需求低的情况下在伴随大量太阳和强风的时段中的电力供应过剩，需要可控制的发电厂或存储设备来存储该能量。目前正在考虑的解决方案之一是将电能转换成有价值的产品，其特别地可用作基础化学品，尤其是乙烯、甲烷或乙烷、或包含一氧化碳和氢的合成气。将电能转换为有价值产品的一种可能的技术是电解。将水电解成氢和氧是现有技术中已知的方法。但是，将二氧化碳电解成一氧化碳亦已被研究了若干年，并且正在努力开发一种能够根据经济利益减少二氧化碳量的电化学系统。目前，全球大约80％的能源需求被化石燃料的燃烧所覆盖，其燃烧过程每年导致大约340亿吨二氧化碳排放到大气中。二氧化碳属于所谓的“温室气体”，其对大气和气候的不利影响是一个讨论的问题。因此希望利用这些二氧化碳。电解单元的有利设计是低温电解器(电解槽)，其中借助于气体扩散电极将作为产物气体的二氧化碳计量加入阴极室中。二氧化碳在电化学单元电池的阴极处被还原成一氧化碳，并且水在阳极被氧化成氧。由于阴极处的扩散限制，在使用水性电解质时除了可形成一氧化碳之外还可以形成氢，因为水性电解质中的水同样被电解。在现有技术中，最多70％的使用的二氧化碳被电化学转化。假设二氧化碳的转化率为50％并且注意到一氧化碳和氢的法拉第效率分别为50％，则结果是产物气体具有比率为1：1：1的一氧化碳：氢气：二氧化碳的组成。然而，作为用于储存电能的有价值的产品，产物气体中未转化的二氧化碳的尽可能小的比例(含量)是理想的。因此需要分离出(去除)未转化的二氧化碳。这种分离不利地是高耗能的。因此，本专利技术的目的在于提供一种方法和设备，其中未转化的二氧化碳可以低耗能的方式从电解单元的产物气体分离。所述目的用根据权利要求1所述的方法和根据权利要求8所述的设备来实现。用于电化学利用二氧化碳的本专利技术方法包括以下步骤：首先，提供具有第一阳极室和第一阴极室的二氧化碳电解池，其中第一阳极室和第一阴极室被第一膜隔开，其中阴极布置在第一阴极室内，使得其分隔第一阴极分室和第二阴极分室，其中第一阴极分室与第一膜邻接。随后，将第一电解质(电解液)作为第一阴极电解质(电解液)引导到第一阴极分室中。二氧化碳被引导到第二阴极分室中。在第二阴极分室中，二氧化碳被还原成第一产物气体。第一产物气体与在二氧化碳还原过程中变为碱性(碱性化)的第一阴极电解质分开地离开二氧化碳电解池。在二氧化碳电解池的下游，将第一产物气体和碱性的第一阴极电解质合并(或称为集合)。然后通过作为吸收剂的碱性第一阴极电解质将未还原的二氧化碳从第一产物气体分离。用于电化学利用二氧化碳的设备包括用于将二氧化碳还原成第一产物气体的二氧化碳电解池，其中二氧化碳电解池包括第一阳极室和第一阴极室，其中膜布置在第一阳极室和第一阴极室之间，并且其中在第一阴极室中面状(扁平)的阴极将第一阴极分室与第二阴极分室隔开，其中第一阴极分室与第一膜邻接。此外，该设备包括进入第二阴极分室的第一管线，其用于将二氧化碳引导到第二阴极分室中。此外，该设备包括进入第二阴极分室的第二管线，其用于引导作为第一阴极电解质的第一电解质。第四管线从第一阴极分室通向气体洗涤装置，用于引导碱性的第一阴极电解质。第五管线从第二阴极分室通向气体洗涤装置，用于引导第一产物气体和未在二氧化碳电解池中被还原的二氧化碳。此外，该设备包括气体洗涤装置，其用于借助于第一阴极电解质使未被还原的二氧化碳从第一产物气体分离。在本专利技术的方法和本专利技术的装置中有利地利用的是在二氧化碳电解池中使阴极电解质以及还有阳极电解质的pH值发生变化。如果在二氧化碳电解中使用包含导电盐、尤其是硫酸钾或铵盐的水性电解质，则在电解中主要是钾离子通过膜传输而不是氢离子。在缺少阳极电解质的缓冲能力的情况下，保留在阳极电解质中的质子导致pH值的显着降低。阴极电解质的pH也发生变化。由于将二氧化碳引导到第二阴极分室中而不与第一阴极分室中的阴极电解质直接接触，在阴极电解质中没有碳酸盐平衡，该碳酸盐平衡在引导二氧化碳通过阴极电解质时被直接建立。因此，不能发生按照式1的碳酸氢钾的缓冲作用。由于二氧化碳(或水，在副反应的情况下)的还原而产生氢氧根离子的富集，使得阴极电解质的pH值升高，即它变成碱性。K++OH-+CO2→KHCO3(式1)如果碱性化的阴极电解质和产物气体然后与未被还原的二氧化碳在气体洗涤装置中合并，则碱性的阴极电解质充当二氧化碳的吸收剂并从气相中吸收二氧化碳。特别地包含一氧化碳和在电化学副反应中由水性电解质中的水形成的氢的产物气体现在已经不含二氧化碳。在第一阴极分室中不存在二氧化碳的缓冲作用本身有利地导致pH效应的显著增强，使得pH值变为强碱性的。碱性的阴极电解质与被未反应的二氧化碳污染的产物气体在气体洗涤设备中合并则有利地导致二氧化碳被非常有效地吸收到作为吸收剂的阴极电解质中。通过将阴极电解质和待净化的产物气体彼此分开地从二氧化碳电解池引导到气体洗涤装置中，有利地直到在气体洗涤装置内才建立热力学平衡。与将它们一起引导相比，这导致分离品质的显著增加。这导致了能量优化过程。因此，有利地可以非常低能耗的方式净化产物气体，因为避免使用耗能的加热或冷却装置。特别有利地，这里避免了供应额外的吸收剂。另外，吸收剂可以非常容易地再生，使得结合的二氧化碳再次释放并且可以在该过程中重复使用。有利地，从经济观点来看，该方法因此也是非常有利的。由于避免使用额外的吸收剂而省去了另外的分离步骤，因此也节省了能量。阴极电解质与产物和反应物气体的分离是可能的，因为第二阴极分室中的二氧化碳与第一阴极分室中存在的阴极电解质分开地经过阴极。二氧化碳反应产生一氧化碳是在阴极处以与阴极电解质接触的方式进行的。由于二氧化碳和阴极电解质之间的压差很小，二氧化碳的相对压力稍大，因而阴极电解质几乎完全保留在第一阴极分室内。通常，反应的气态组分然后经由第二阴极分室的出口以及阴极电解质经由第一阴极分室的出口离开电解池。特别有利地，阴极电解质和阳极电解质的pH效应可通过将电解质的泵送循环速率调节为二氧化碳电解池中的低的停留时间来辅助。这进一步增加了阳极电解质和阴极电解质的pH差。通过选择操作参数和通过二氧化碳电解池的合适的设计，也可提高阴极电解质的pH值。用于增加阴极电解质的pH升高的可能的调节参数可以是：电解池的几何结构、阴极和膜之间的阴极室中的间隙宽度、由导电盐的选择导致的离子在水溶液中的传输阻力、以及阴极处的二氧化碳的可用性。有利地，未转化的二氧化碳的吸收在气体洗涤装置中进行。这里也可将碱性的阴极电解质和产物气体从两个单独的管线引导到共同的管线中，使得吸收可直接在该共同的管线内进行。在这种情况下，气体洗涤装置因此仅采用管线的形式，其中用于改善两相混合的其他构造、特别地静态混合器是合适的。在本专利技术的有利配置和改进中，第一电解质作为第一阳极电解质从再生容器被引导到阳极室中。当第一电解质既用作第一阴极电解质又用作第一阳极电解质时，有利地有助于pH效应。适当地，第三管线从再生容器通向第一阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于电化学利用二氧化碳(CO2)的方法，其包括以下步骤:‑提供具有第一阳极室(3)和第一阴极室(4)的二氧化碳电解池(2)，其中第一阳极室(3)和第一阴极室(4)被第一膜(5)隔开，其中第一阴极(6)这样布置在第一阴极室(4)内，使得其分隔第一阴极分室(7)和第二阴极分室(8)，其中第一阴极分室(7)与第一膜(5)邻接，‑将第一电解质(EL)作为第一阴极电解质(K1)引导到第一阴极分室(7)中，‑将二氧化碳(CO2)引导到第二阴极分室(8)中，‑在第二阴极分室(8)中，将二氧化碳(CO2)还原成第一产物气体(PG)，‑将第一阴极电解质(K1)从第一阴极分室(7)以及将产物气体(PG)从第二阴极分室(8)彼此分开地导出，‑在二氧化碳电解池(2)的下游，将第一产物气体(PG)和第一阴极电解质(K1)合并，‑通过作为吸收剂的第一阴极电解质(K1)将未还原的二氧化碳(CO2)从第一产物气体(PG)分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.10 DE 102016203946.61.用于电化学利用二氧化碳(CO2)的方法，其包括以下步骤:-提供具有第一阳极室(3)和第一阴极室(4)的二氧化碳电解池(2)，其中第一阳极室(3)和第一阴极室(4)被第一膜(5)隔开，其中第一阴极(6)这样布置在第一阴极室(4)内，使得其分隔第一阴极分室(7)和第二阴极分室(8)，其中第一阴极分室(7)与第一膜(5)邻接，-将第一电解质(EL)作为第一阴极电解质(K1)引导到第一阴极分室(7)中，-将二氧化碳(CO2)引导到第二阴极分室(8)中，-在第二阴极分室(8)中，将二氧化碳(CO2)还原成第一产物气体(PG)，-将第一阴极电解质(K1)从第一阴极分室(7)以及将产物气体(PG)从第二阴极分室(8)彼此分开地导出，-在二氧化碳电解池(2)的下游，将第一产物气体(PG)和第一阴极电解质(K1)合并，-通过作为吸收剂的第一阴极电解质(K1)将未还原的二氧化碳(CO2)从第一产物气体(PG)分离。2.根据权利要求1所述的方法，其中第一产物气体(PG)和第一阴极电解质(K1)在气体洗涤装置(32)中合并。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中还将第一电解质(EL)作为第一阳极电解质(A1)从再生容器(10)引导到阳极室(3)中。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将在二氧化碳(CO2)还原过程中变为碱性的第一阴极电解质(K1)和在二氧化碳(CO2)还原过程中变为酸性的第一阳极电解质(A1)返回再生容器(10)中。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中产物气体(PG)包含一氧化碳(CO)和/或乙烯和/或甲烷和/或乙烷。6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将在再生容器(10)中释放的二氧化碳(CO2)返回到二氧化碳电解池(2)中。7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中作为电解质(EL)使用包含钾和/或铵的电解质(EL)，特别地硫酸钾。8.用于电化学利用二氧化碳(CO2)的设备(1)，其包括：-...

【专利技术属性】
技术研发人员：K斯塔克，M巴尔德奥夫，M哈内布思，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE