电化学制备合成气的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于电化学制备合成气的设备和方法，具有以下步骤：‑在二氧化碳电解池中将二氧化碳还原成包含一氧化碳的第一产物气体，‑在水电解池中将水分解成包含氢气的第二产物气体，其中将来自二氧化碳电解池的第一阴极电解质和/或来自水电解池的第二阴极电解质引导到气体洗涤设备中，并且在气体洗涤装置中通过作为吸收剂的第一和/或第二阴极电解质从第一产物气体净化除去未被还原的二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学制备合成气的方法和设备本专利技术涉及一种操作用于制备合成气的电解设备的方法和设备，包括二氧化碳电解池和水电解池。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，其尤其是可用作基础化学品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，具有尽可能小的二氧化碳比例(含量)的包含氢气和一氧化碳的合成气是理想的。因此，本专利技术的目的是提供一种方法和设备，其中以尽可能小的二氧化碳比例以电化学的方式提供合成气。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。电化学制备合成气的方法包括多个步骤。首先，在第一二氧化碳电解池中将二氧化碳还原成包含一氧化碳的第一产物气体。同时或随后，在第二水电解池中将水分解成包含氢气的第二产物气体。根据本专利技术，将来自二氧化碳电解池的第一阴极电解质(电解液)和/或来自水电解池的第二阴极电解质(电解液)引导到气体洗涤装置中，并且在气体洗涤装置中借助于作为吸收剂的第一和/或第二阴极电解质从第一产物气体净化除去未被还原的二氧化碳。用于电化学制备合成气的装置包括至少一个二氧化碳电解池，其用于将二氧化碳还原成包含一氧化碳的第一产物气体，其中所述二氧化碳电解池包括第一阳极室和具有第一阴极的第一阴极室，其中第一膜布置在第一阳极空室和第一阴极室之间。该装置还包括至少一个水电解池，其用于将水还原成包含氢气的第二产物气体。水电解池包括第二阳极室和具有第二阴极的第二阴极室，其中第二膜布置在第二阳极室和第二阴极室之间。本专利技术的装置还包括从第一阴极室到气体洗涤装置的第三管线和/或从第二阴极室到气体洗涤装置的第四管线。通常，电解器包括至少两个电解堆(Elektrolyse-Stacks)，其又包括多个、尤其是100个电解池。为简化起见，分别参考一个二氧化碳电解池和一个水电解池来描述本专利技术。有利地，借助于第一和/或第二阴极电解质在气体洗涤装置中的吸收来净化第一产物气体，使得未在二氧化碳电解池中转化的二氧化碳的比例减少。碱性的水性电解质是对于二氧化碳的非常好的吸收剂。因此，在气体洗涤装置中，第一产物气体有利地用第一和/或第二阴极电解质净化，从而有利地避免使用额外的吸收剂。第一产物气体的净化有利地使得能够制备包含一氧化碳和氢气的纯合成气。通过在电解期间改变相应的阴极电解质溶液的pH值，能够实现使用第一和/或第二阴极电解质作为吸收剂。在相应的电解池中的电解过程中，第一和/或第二阴极电解质的pH值分别变为碱性的。该效果的基础是，在电解过程中，非质子的阳离子通过膜从阳极电解质渗透到阴极电解质中。这些阳离子主要包括电解质中的导电盐的阳离子，尤其是电解质水溶液如硫酸钾水溶液或碳酸氢钾水溶液中的导电盐的阳离子。当第一和/或第二阴极电解质不包含或几乎不包含二氧化碳时，该pH效应尤其地大。二氧化碳导致形成碳酸氢钾，其保持pH值几乎恒定，即具有缓冲作用，因为它结合阴极电解质中的氢氧根离子。尤其是在水电解池中不存在二氧化碳，使得第二阴极电解质的pH值变为强碱性的。但是在二氧化碳电解池中，二氧化碳也可与阴极电解质分开地引导，使得二氧化碳仅在气体扩散电极处被还原，并且在此处阴极电解质也几乎不与二氧化碳接触并变成碱性。在这种情况下，与第一阴极电解质相比，二氧化碳尤其是可在过压下被引入二氧化碳电解池中，以进一步使接触最小化。有利地，可将包含一氧化碳的第一产物气体和包含氢气的第二产物气体合并(或称为集合)成共同的产物气体，即合成气。然而，只在反应器内才将第一和第二产物气体引导到一起也是可能的。在这种情况下，有利地可将这些气体分区段地以限定的比例计量加入反应器的不同区段中。有利地，因此可在一个反应器中实现更高的选择性或产率。与从化石源的合成气的常规制备相比，因此可以调节形成一氧化碳对氢的任何所需的比例。在本专利技术的一个有利的改进方案中，将第一产物气体和第二产物气体按比例混合成合成气，使得合成气具有在1：1.4至1:10的范围内、尤其是在1：1.4和1：3之间的范围内的限定的CO/H2比例。有利地，可在这两个电解池中相对于彼此独立地制备氢气和二氧化碳。可通过选择各个电解器的尺寸，例如通过电解池的数量来固定一氧化碳对氢气的比例。有利地，借助于相应的电解池中的电解电压的选择，可精确地调节到目标值。尤其是在二氧化碳电解池的情况下，已知的是，取决于电压并因此还取决于电流，除一氧化碳之外还制备氢气。因此，在此可以选择电压或电流，使得尤其是产生一氧化碳。在本专利技术的有利配置和改进中，将水性电解质引导到第一二氧化碳电解池中作为第一阴极电解质和第一阳极电解质。附加地或备选地，将水性电解质引导到第二水电解池中作为第二阴极电解质和第二阳极电解质。在这种情况下，该设备尤其包括用于电解质的再生容器。该设备还包括至少一个从再生容器进入二氧化碳电解池的第一管线和至少一个从再生容器进入水电解池的第二管线。有利地，在二氧化碳电解池和水电解池中使用共用电解质意味着仅需要一个电解质电路。也只需要一个再生容器。因此减少了两个电解池的操作的设备复杂性。再生容器的尺寸相对于电解质的泵送循环速率可在最佳情况下甚至如此之小，使得再生容器体积几乎为零，并因此不需要再生容器。在这种情况下，管道的内部容积足以补偿电解质中的可能波动。在本专利技术的有利配置和改进中，第一和第二阴极电解质和/或第一和第二阳极电解质被再循环到再生容器中。在该再生容器中，不仅使第一和第二阳极电解质以及第一和第二阴极电解质的pH值平衡，尤其是pH值在8-10范围内，而且存储在阴极电解质吸收剂中的二氧化碳也被释放。然后，该二氧化碳可有利地返回到二氧化碳电解池中。这允许有利地增加二氧化碳在二氧化碳电解池中的转化。在本专利技术的另一个有利的配置和改进方案中，所用的水性电解质是包含钾和/或铵的水性电解质。更尤其是，硫酸钾用作导电盐。有利地，在这种情况下，阳极电解质的钾阳离子在电解过程中通过其膜迁移到阴极电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学制备合成气的方法，包括以下步骤：‑在二氧化碳电解池(2)中将二氧化碳(CO2)还原成包含一氧化碳(CO)的第一产物气体(PG),‑在水电解池(40)中将水(W)分解成包含氢气(H2)的第二产物气体,其中将来自二氧化碳电解池(2)的第一阴极电解质(K1)和/或来自水电解池(40)的第二阴极电解质(K2)引导到气体洗涤装置(32)中，并且在气体洗涤装置(32)中通过作为吸收剂的第一(K1)和/或第二阴极电解质(K2)从第一产物气体(PG)净化除去未被还原的二氧化碳(CO2)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.10 DE 102016203947.41.一种电化学制备合成气的方法，包括以下步骤：-在二氧化碳电解池(2)中将二氧化碳(CO2)还原成包含一氧化碳(CO)的第一产物气体(PG),-在水电解池(40)中将水(W)分解成包含氢气(H2)的第二产物气体,其中将来自二氧化碳电解池(2)的第一阴极电解质(K1)和/或来自水电解池(40)的第二阴极电解质(K2)引导到气体洗涤装置(32)中，并且在气体洗涤装置(32)中通过作为吸收剂的第一(K1)和/或第二阴极电解质(K2)从第一产物气体(PG)净化除去未被还原的二氧化碳(CO2)。2.根据权利要求1所述的方法，其中将第一产物气体(PG)和第二产物气体合并。3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将第一产物气体(PG)和第二产物气体按比例混合成合成气，使得合成气具有在1：1.4至1:10的范围内的限定的CO/H2比例。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将水性电解质(EL)从再生容器(10)引导到二氧化碳电解池(2)中作为第一阴极电解质(K1)和第一阳极电解质(A1)和/或引导到水电解池(40)中作为第二阴极电解质(K2)和第二阳极电解质(A2)。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将第一和第二阴极电解质(K1，K2)和/或第一和第二阳极电解质(A1，A2)返回到共用再生容器(10)中。6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将再生容器(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，其中作为水性电...

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