用于还原CO2的电解池、电解器和方法技术

本发明专利技术涉及用于在工业规模下电化学还原二氧化碳的电解池、电解器和方法。电解器和方法。电解器和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】cm并因此明显不同于实验室电解池和实验电解池。
[0021]主要后果在于，在这样的构造高度下，必须采取措施防止阴极电解液和气体经过气体扩散电极。
[0022]在一个优选实施方案中，阴极的垂直主延伸度因此为至少30 cm，优选至少60 cm，特别优选至少100 cm。通过在阴极空间中根据下降液膜的原理（阴极电解液）运行电解池使得这样的构造高度成为可能，而没有发生经过气体扩散电极的阴极电解液渗透或气体渗透。
[0023]作为阴极，特别优选使用含有用于CO2还原的电催化剂的气体扩散电极，其特别基于银和/或氧化银，优选基于银粒子作为电催化剂制成，并具有粉状含氟聚合物，特别是PTFE粉末作为非导电粘合剂，并且压实施加到金属或非金属、导电或非导电载体上。优选使用金属导电载体进行压实。
[0024]代替粉状含氟聚合物，原则上也可考虑具有可比拟的性质（即特别地，在反应温度和高电流密度下对电解液呈惰性并在GDE的生产中可加工）的其它聚合物粉末，特别是聚烯烃，特别优选聚乙烯、聚丙烯或部分氟化聚合物。
[0025]在该新型电解池的另一优选实施方案中，在膜和GDE之间的缝隙中设置用于减慢阴极电解液料流的流动的装置，下文称为流动减慢器制动器。以这种方式可控制阴极电解液在阴极前的缝隙中的停留时间。流动减慢器特别优选配置为不导电的惰性纺织扁平结构。
[0026]流动减慢器特别可由多孔纺织扁平结构，特别优选机织物、针织物（Gewirk）或钩编物（Gestrick）组成，将其布置在缝隙中。作为替代，也可想到在缝隙中的机械内构件，其实现水平电解液流动或相对于水平略微倾斜的电解液流动，以使电解液以蜿蜒方式流动。制成流动减慢器的材料原则上可以亲水的，如例如WO2003042430A2实施例1中已知的流动减慢器的情况，或疏水的，这取决于流动条件或阴极电解液的粘度的选择。上文已描述了优选材料。
[0027]为了确保始终向缝隙充分供应电解液，可优选通过将阴极电解液进料导管连向该缝隙的分配器通道来供应阴极电解液。为了确保分配器通道始终充满电解液，其可具有溢流管（未显示在附图中），经其可排出供应的任选过量电解液。
[0028]气体扩散电极在此特别将分配器通道和缝隙相对于气体空间以气密性方式密封。
[0029]优选适宜地通过弹性安置的导电结构来实现气体扩散电极（GDE）与阴极空间中的电流导线的接触。这可制造为使得例如安装在弹簧上的金属网板形式的刚性结构从气体空间侧电接触GDE。为了在压力负荷（例如归因于电接触）下保持GDE与隔板之间的缝隙的尺寸，特别将间隔片安装在隔板与GDE之间的缝隙中。当流动减慢器在其表面上的压力负荷下具有足够的机械稳定性和刚性时，其也可执行间隔片的功能。
[0030]在该新型电解池的一个优选实施方案中，用于阳极反应产物的第二气体排出导管连接在阳极空间的上端，用于气体反应产物，特别是一氧化碳、氢气和未消耗的二氧化碳气体的第一气体排出导管连接在气体空间的上端，且用于二氧化碳的气体进料导管连接在气体空间的下端。可优选通过位于电解池内的气体分配器通道，例如具有许多孔作为气体入口的管道来引入二氧化碳，以可在电解池的宽度上均匀地向电极表面供应二氧化碳并可排出反应产物。
[0031]供应到阴极半壳的CO2的量为按照上述反应方程式计算的根据电流流入的电荷量的至少0.5倍。当要有意生产更多氢气时，需要亚化学计算量的CO2。当要避免产生氢气时，过量引入CO2。在此，CO2的量优选为根据流入的电流所需的化学计算量的倍数。特别地，引入比化学计算所需量多0.5%至800%的CO2。
[0032]在该新型电解池的另一个优选的变体中，将第二气体排出导管连向用于将二氧化碳与氧气分离的分离装置，并且该分离装置经由二氧化碳导管连向气体进料导管，以能够将已分离出的二氧化碳再循环到电解池。已分离出的氧气，由于其纯度，可直接送往进一步用于其它化学反应。
[0033]在用于将CO2还原成CO的电解池的一个优选实施方案中，使用碱金属碳酸氢盐，优选碳酸氢钾、碳酸氢铯或碳酸氢钠，特别优选碳酸氢钾的水溶液作为阴极电解液。
[0034]与此独立地，在电解池的另一优选实施方案中，使用碱金属碳酸氢盐，优选碳酸氢钾、碳酸氢铯或碳酸氢钠，特别优选碳酸氢钾的水溶液作为阳极电解液。阳极电解液和阴极电解液中的盐适宜地特别具有相同阳离子。
[0035]为了提高电导率，可将对阳极反应或阴极反应呈惰性的优选具有相同阳离子的导电盐（例如碱金属硫酸盐或碱金属硫酸氢盐，特别任选钾、铯和钠的硫酸盐或硫酸氢盐，特别优选硫酸氢钾）彼此独立地添加到阳极电解液和阴极电解液两者中。盐的总浓度优选为0.1至2 mol/l，其中特别优选使用具有大于10 S/m的在25℃下的电导率的电解液（S是西门子，m是米）。
[0036]在该新型电解池的一个特别优选的变体中，当相同电解质盐用于阳极电解液和阴极电解液时，将阴极电解液出口安装在阴极半壳上在该缝隙的下端并将阴极电解液入口安装在该缝隙上方，并将阴极电解液出口连向阴极电解液收集管导管，在该收集管导管中合并来自电解池的阴极电解液出口的阴极电解液。在阳极电解液的收集管中合并来自电解池的阳极电解液出口的阳极电解液（参见例如图1）。
[0037]因此优选的是电解池，其特征在于当相同电解质盐用于阳极电解液和阴极电解液时，将阴极电解液出口安装在阴极半壳上在该缝隙的下端并将阴极电解液入口安装在该缝隙上方，并且当多个阴极电解液出口时，阴极电解液出口优选经由一个收集管导管而连向电解液收集装置，在该电解液收集装置中合并来自阴极电解液出口的阴极电解液和来自阳极电解液出口的阳极电解液。当多个阳极电解液出口时，也特别优选将收集器安装在阳极电解液出口和电解液收集装置之间。
[0038]在阴极电解液和阳极电解液互相合并之前，优选将这两种溶液各自供入气体脱除单元。在此，分离出溶解并分散在电解液中的气体。阳极电解液因此基本脱除氧气，阴极电解液基本脱除一氧化碳和氢气。这防止包含含CO2的氧气的阳极电解液与包含含CO/H2的气体的阴极电解液混合并形成爆炸性气体混合物。然后可合并已脱除气体的电解液：阳极电解液和阴极电解液。
[0039]为了设定进入阳极空间和阴极空间的电解液的预定流入温度，如果需要，可借助热交换器加热或冷却电解液。为了任选设定电解液的浓度，可加入适当量的电解质盐或水。同样地，可将更浓或更稀的电解质溶液引入电解池以设定所需入口浓度。
[0040]在该新型电解池的另一个优选的实施方案中，第一气体排出导管特别经由将电解池的第一气体排出导管连向其它电解池的其它类似气体排出导管的收集导管连向用于分
离一氧化碳、氢气和未消耗的二氧化碳气体的气体分离单元。
[0041]在该新型电解池的这一具体实施方案中，气体分离单元优选具有用于分离出的二氧化碳气体的再循环导管，所述再循环导管连向用于二氧化碳气体的第一气体进料导管和气体空间。特别地，在此将分配器导管连入其间，该分配器导管将再循环导管连向该电解池的用于二氧化碳气体的第一气体进料导管并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于在工业规模下使CO2电化学反应的电解池，其至少包含阴极半壳(1)，所述阴极半壳具有阴极(11)、具有连接到用于二氧化碳气体的第一气体进料导管(5)和连接到用于气体反应产物，特别是一氧化碳、氢气和未消耗的二氧化碳气体的第一气体排出导管(6)的气体空间(4)并具有阴极电解液入口(13)和阴极电解液出口(14)；并进一步包含阳极半壳(2)和布置在阳极半壳(2)和阴极半壳(1)之间的用于分隔阳极空间(15)和阴极空间(16)的隔板(3)，其中所述阳极半壳(2)至少配有用于阳极反应产物，特别是氧气和任选二氧化碳的第二气体排出导管(7)、阳极电解液入口(8)和阳极电解液出口(9)以及阳极(10)；并进一步包含用于将阳极和阴极连向直流电压源的电流导线(31、32)，其特征在于所述阴极(11)配置为用于使二氧化碳气体反应的气体扩散电极，并且阴极(11)、阳极(10)和隔板(3)在它们的主要延伸方向上垂直布置，并将用于根据下降液膜的原理传送阴极电解液(17)的缝隙(12)布置在隔板(3)和阴极(11)之间。2.如权利要求1中所述的电解池，其特征在于所述隔板(3)是离子交换膜或隔膜，优选离子交换膜。3.如权利要求1或2中所述的电解池，其特征在于所述阴极(11)的垂直主延伸度为至少30 cm，优选至少60 cm，特别优选至少100 cm。4.如权利要求1至3的至少一项中所述的电解池，其特征在于所述阴极(11)配置为气体扩散电极，所述气体扩散电极基于银和/或氧化银，优选银粒子作为电催化剂并具有粉状含氟聚合物，特别是PTFE粉末作为非导电粘合剂，并且压实在金属或非金属、导电或非导电载体上。5.如权利要求1至4的至少一项中所述的电解池，其特征在于将第一气体排出导管(6)连接到阳极空间(15)的上端，并将第二气体排出导管(7)连接到气体空间(4)的上端，并将第一气体进料导管(5)连接到气体空间(4)的下端。6.如权利要求1至5的至少一项中所述的电解池，其特征在于将用于阳极反应产物的第二气体排出导管(7)连向用于将二氧化碳与氧气分离的第二气体分离单元(20)，并且第二气体分离单元经由二氧化碳导管和任选经由分配器导管(44)连向气体进料导管(5)。7.如权利要求1至6的至少一项中所述的电解池，其特征在于所述阴极电解液是碱金属碳酸氢盐，优选碳酸氢钾、碳酸氢铯或碳酸氢钠的水溶液，特别优选碳酸氢钾的水溶液。8.如权利要求1至7的至少一项中所述的电解池，其特征在于所述阳极电解液是碱金属碳酸氢盐，优选碳酸氢钾、碳酸氢铯或碳酸氢钠的水溶液，特别优选碳酸氢钾的水溶液。9.如权利要求1至8的至少一项中所述的电解池，其特征在于当相同电解质盐用于阳极电解液和阴极电解液时，阴极电解液出口(14)被安装在阴极半壳(1)上在缝隙(12)的下端且阴极电解液入口(13)在缝隙(12)上方，并且阴极电解液出口(14)优选经由收集管导管(43)连向电解液收集装置(19)，在该电解液收集装置中合并来自阴极电解液出口(14)的阴极电解液和来自阳极电解液出口(9)的阳极电解液。10.如权利要求1至9的至少一项中所述的电解池，其特征在于第一气体排出导管(6)特别经由收集导管(45)连向用于分离一氧化碳、氢气和未消耗的二氧化碳气体的气体分离单元(21)。11.如权利要求10中所述的电解池，其特征在于所述气体分离单元(21)具有用于分离出的二氧化碳气体的再循环导管(53)，所述再循环导管特别经由分配器导管(44)连向用于
二氧化碳气体的第一气体进料导管(5)。12.如权利要求10或11中所述的电解池，其特征在于所述气体分离单元(21)具有用于分离出的一氧化碳的排出导管，所述排出导管连向用于一氧化碳的化学反应的化学生产装置。13.如权利要求10至12的至少一项中所述的电解池，其特征在于所述气体分离单元(21)具有用于分离出的氢气的排出导管，所述排出导管连向氢气管网或氢气灌装装置。14.如权利要求1至13的至少一项中所述的电解池，其特征在于在缝隙(12)中设置用于减慢阴极电解液料流的流动的装置(24)。15.如权利要求14中所述的电解池，其特征在于所述用于减慢流动的装置(24)配置为不导电的惰性纺织扁平结构。16.如权利要求1至15的至少一项中所述的电解池，其特征在于用于阳极反应产物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：科思创知识产权两合公司，
类型：发明
国别省市：