模块化电解器池和在升高的压力下以高转化率将二氧化碳转化成气态产物的方法技术

本发明专利技术涉及通过用新型多堆叠CO2电解器池(100”)进行的电解在升高的压力下以高转化率将气态二氧化碳转化成气相产物的领域，其具有在用于构造池(100”)的各个堆叠(40)的双极板组装件中形成的新型气体和流体流动架构。组装件中形成的新型气体和流体流动架构。组装件中形成的新型气体和流体流动架构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化电解器池和在升高的压力下以高转化率将二氧化碳转化成气态产物的方法
专利

[0001]本专利技术涉及通过气态二氧化碳的电解在升高的压力下以高转化率生成气相产物的领域。本专利技术因此还涉及用于进行电解并因此用于将二氧化碳气体转化成各种气相产物(优选准备作为原料用于进一步的工业过程)的新型模块化电解器池。

技术介绍

[0002]二氧化碳(CO2)是一种温室气体；因此，使用可再生能源将其转化成运输燃料和大宗化学品是同时生成产品和环境修复碳排放的增值方法。有潜力衍生自CO2的电化学还原(和氢化)的在世界范围内生产的大量化学品进一步突显这种策略的重要性。使用可再生能源(例如太阳能或风能)的化学品的电合成有助于绿色和更加可持续的化学工业。由于各种可能的CO2衍生产物，基于聚合物
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电解质膜(PEM)的电解器特别有吸引力。一些工业实体对这样的技术感兴趣，从能源/公用事业公司到水泥生产和加工企业再到石油和天然气公司。
[0003]类似于PEM基水电解器(即H2/O2发生器)，PEM基CO2电解器的典型构造由两个流道组成，一个用于阳极电解液，另一个用于阴极电解液，它们被与催化剂直接接触的离子交换膜隔开。阴极电催化剂固定在通常与流动的液体阴极电解质接触的多孔气体扩散层(GDL)上，同时CO2气体也进给经过GDL。这种布置可能克服该领域的一些已知问题，即：(i)由于在电极处的低CO2浓度引起的电流限制；(ii)H
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从阳极跨过膜，和随之酸化阴极电解液，以致H2析出选择性提高；(iii)产物扩散到阳极，在此它们被氧化(产物交叉(product crossover))。尽管这样的仪器目前无法在工业规模下商购获得，但其大多数组件(即GDLs和催化剂)以及实验室尺寸装置(～5cm2电极尺寸)已经可得。尽管如此，在CO2电解的情况下，必须仔细优化PEM基CO2电解器的结构和操作条件。
[0004]例如在Progress in Energy and Combustion Science 62(2017)第133
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154页中提供了对PEM基CO2电解的全面综述，其中详细讨论了影响流动CO2电解器的性能的参数。该分析涵盖电化学池(微流体型或膜基)的基本设计概念、所用的材料(例如催化剂、载体等)以及操作条件(例如电解质的类型、压力的作用、温度等)。
[0005]欧洲公开专利申请No.3,375,907 A1公开了一种单堆叠电解器形式的二氧化碳电解装置，其包含：阳极部分，其包括氧化水或氢氧根离子以产生氧气的阳极；阴极部分，其包括还原二氧化碳以产生碳化合物的阴极、向阴极供应阴极溶液的阴极溶液流路和向阴极供应二氧化碳的气体流路；隔膜，其将阳极部分与阴极部分隔开；和压差控制单元，其控制阴极溶液的压力与二氧化碳的压力之间的压差，以调节在阴极部分通过还原反应生成的二氧化碳的生成量。
[0006]美国公开专利申请No.2018/0274109 A1涉及一种单堆叠二氧化碳电解装置，其配有：更新材料(refresh material)供应单元，其包括向阳极和阴极的至少一个供应气体物质的气体供应单元；和更新控制单元(refresh control unit)，其基于电解池的池输出的请求标准(request criteria)停止来自电源的电流的供给以及二氧化碳和电解溶液的供
给并操纵更新材料供应单元。
[0007]美国公开专利申请No.2013/0105304 A1涉及用于将二氧化碳电化学转化成有机产物(包括甲酸盐和甲酸)的方法和系统。该系统的一个实施方案包括第一电化学池，其包括含有高表面积阴极和用二氧化碳饱和的碳酸氢盐基液体阴极电解质的阴极室。该系统还包括含有阳极和液体酸性阳极电解质的阳极室。所述第一电化学池配置为在阳极和阴极之间施加电位时产生产物料流。该系统的进一步实施方案可包括与第一电化学池类似并与其流体连接的单独的第二电化学池。
[0008]美国公开专利申请No.2016/0369415 A1公开了用于电化学装置，特别是电解器的催化剂层，其进料包含CO2和H2O的至少一种。催化剂层包含催化活性元素和离子导电聚合物。离子导电聚合物包含带正电荷的环胺基。离子导电聚合物包含咪唑鎓、吡啶鎓、吡唑鎓、吡咯烷鎓、吡咯鎓、嘧啶鎓、哌啶鎓、吲哚鎓、三嗪鎓及其聚合物的至少一种。催化活性元素包含V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Hg、Al、Si、In、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、U、Sm、Tb、La、Ce和Nd的至少一种。
[0009]美国公开专利申请No.2017/0321334 A1教导了一种用于CO
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还原反应器的膜电极组件(MEA)。该MEA具有包含还原催化剂和第一离子导电聚合物的阴极层，以及包含氧化催化剂和第二离子导电聚合物的阳极层。在阳极层和阴极层之间，布置包含第三离子导电聚合物的PEM。PEM在阳极层和阴极层之间提供离子连通。在阴极层和PEM之间还存在包含第四离子导电聚合物的阴极缓冲层，即阴极缓冲(cathode buffer)。有三类离子导电聚合物：阴离子导体、阳离子导体和阳离子
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阴离子导体。第一、第二、第三和第四离子导电聚合物的至少两种来自不同种类的离子导电聚合物。
[0010]国际公开小册子No.WO2017/176600 A1涉及一种用于CO2转化的电催化法。该方法使用新型催化剂组合，其旨在克服低速率、高过电位和低电子转化效率(即选择性)、催化反应的低速率和对传感器的高功率要求的一个或多个限制。该催化剂组合或混合物包括负载型或非负载型粒子形式的至少一种催化活性元素，其中粒子的平均粒度在大约0.6nm至100nm之间，优选在0.6nm至40nm之间，最优选在0.6nm至10nm之间。该催化剂组合还包括辅助聚合物，其可含有例如带正电荷的环胺基，如咪唑鎓或吡啶鎓。当在用于将CO2转化成各种反应产物的单堆叠电化学池的阴极催化剂层中使用时，催化活性元素和辅助聚合物的催化剂组合非常有用。
[0011]美国专利No.10,208,385 B2公开了一种二氧化碳电解装置，其具有单堆叠电解器池，以将CO2转化成各种产物，尤其是CO，其中所述池包括阴极、阳极、二氧化碳供应单元、电解溶液供应单元和将所述阴极与阳极彼此分隔的隔膜。除所述池外，二氧化碳电解装置进一步包含电源；反应控制单元，其通过使电流从电源流向阳极和阴极而引起还原反应和氧化反应。所述池在阴极侧以气态CO2为进料，在至少阳极侧以液体电解质为进料。气体和液体分别通过在阴极和阳极集流体中形成的气体和液体流路分布在池内。
[0012]从上文清楚看出，CO2电解领域中的大多数现有技术集中于开发新的催化剂以增强使用单堆叠构造的活性和产物选择性。同时，在简单的分批型电化学池中，反应的最大可实现速率通常受到CO2在水中的低溶解度(～30mM)的限制。在将溶液(阴极电解液)进给到连续流动式电解器的阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电解器池(100
’
、100”)，其用于将气态二氧化CO2转化成离开电解器池(100
’
、100”)的至少一种气相产物，其包含
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阴极侧端部单元(26)，其具有气体入口(21)、流体入口(23)、流体出口(24)和电端子；
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阳极侧端部单元(27)，其具有气体出口(22)和电端子；
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夹在阴极侧端部单元(26)和阳极侧端部单元(27)之间的至少两个电解器堆叠(40)，各电解器堆叠(40)包含阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)；阳极集流体(10)；膜电极组件，其包含具有第一侧和第二侧的离子交换膜(7)，与膜(7)接触布置在所述第一侧的阴极催化剂层(6b)，与阴极催化剂(6b)接触布置在阴极催化剂层(6b)上的阴极侧气体扩散层(6a)，与膜(7)接触布置在所述第二侧的阳极催化剂层(8b)，与阳极催化剂(8b)接触布置在阳极催化剂层(8b)上的阳极侧气体扩散层(8a)；间隔元件(9a、9b)，所述间隔元件(9a、9b)配置为将所述膜电极组件固定在阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)和阳极集流体(10)之间、夹在阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)和阳极集流体(10)之间，其中阴极侧气体扩散层(6a)与阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)部分接触，由此在它们之间形成阴极侧的面内流动结构(5”)，和阳极侧气体扩散层(8a)与阳极集流体(10)部分接触，由此在它们之间形成阳极侧的面内流动结构(5
’
)；将阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)和阳极集流体(10)彼此分隔；密封的连续堆叠气体流路，其在堆叠内(40)的堆叠气体入口(46)和堆叠气体出口(47)之间延伸经过阴极侧流动结构(5”)；密封的连续堆叠流体流路，其在堆叠内(40)的堆叠流体入口(48)和堆叠流体出口(49)之间延伸经过阳极侧流动结构(5
’
)；其中
·
阴极侧端部单元(26)的电端子、所述至少两个电解器堆叠(40)和阳极侧端部单元(27)的电端子以串联方式电连接；和
·
具有在相邻堆叠(40)之间延伸经过阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)、间隔元件(9a、9b)和阳极集流体(10)的气体传输通道(34、35)的电解器堆叠(40)的堆叠气体流路形成从气体入口(21)延伸到气体出口(22)的连续气体流路以向各阴极侧气体扩散层(6a)供应CO2以通过在各电解器堆叠(40)的阴极侧流动结构(5”)中发生的至少一种阴极电解反应将CO2转化成气相产物，并经由所述气体出口(22)排出产物，和
·
具有在相邻堆叠(40)之间延伸穿过阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)、间隔元件(9a、9b)和阳极集流体(10)的流体传输通道(38、39)的电解器堆叠(40)的堆叠流体流路形成从流体入口(23)延伸到流体出口(24)的连续流体流路以向各阳极侧流动结构(5
’
)供应液体阳极电解质以用在各电解器堆叠(40)的阳极侧流动结构(5
’
)中发生的至少一种阳极电解反应完成所述阴极电解反应，并经由所述流体出口(24)排出液相阳极电解质和在所述阳极电解反应中形成的反应产物。2.根据权利要求1的电解器池(100
’
、100”)，其中
电解器堆叠(40)的至少两个堆叠气体流路彼此串联连接且电解器堆叠(40)的其余堆叠气体流路彼此并联连接；或电解器堆叠(40)的至少两个堆叠气体流路彼此并联连接且电解器堆叠(40)的其余堆叠气体流路彼此串联连接。3.根据权利要求2的电解器池(100
’
、100”)，其中间隔元件(9a、9b)包含在间隔元件(9a、9b)的第一外周区域贯穿其中的内部气体传输通道(36)，所述间隔元件(9a、9b)进一步包含与第一外周区域在直径上相对的第二外周区域，所述第二外周区域配置为充当选择性地选择两个相邻的堆叠流路在电解器池(100
’
、100”)的气体流路中彼此连接的方式的手段。4.根据权利要求3的电解器池(100
’
、100”)，其中所述第二区域包含另一内部气体传输通道(36)作为所述手段。5.根据权利要求1至4任一项的电解器池，其中阴极侧端部单元(26)中形成阴极侧压力室(31)，和在阳极侧端部单元(27)中形成阳极侧压力室(32)，其中所述气体流路穿过阴极侧压力室(31)和阳极侧压力室(32)以提供对电解器堆叠(40)的适应性压力控制并因此提供在所述电解器堆叠(40)各处的均一的压力分布。6.根据权利要求1至5任一项的电解器池，其中各电解器堆叠(40)的阴极集流体(5；5a、5b、5c、5d)作为双组件双极板组装件(40
’
)的第二组件(40b)形成，和各电解器堆叠(...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：泰利斯纳诺公司，
类型：发明
国别省市：