一种制备甲酸和氢的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种制备甲酸和氢的装置，包括阳极电催化模块，内部设置的电解质溶液室内的电解质溶液经阳极电催化模块内的阳极催化剂的电催化作用产生O2；阴极电催化模块，被配置为经阴极催化剂的电催化作用使得所述电解质溶液、CO2产生甲酸；CO2分离室模块，其与所述阴极电催化模块内部连通，被配置为接收产生的甲酸、未反应的所述CO2和电解质溶液；加热模块，与所述出口D连通，且被配置为加热甲酸和电解质溶液；甲酸制氢模块，被配置为通过甲酸产氢催化剂制取H2和CO2；混合气体分离室模块，被配置为分离电解质溶液、H2和CO2；H2分离室模块，被配置为分离H2和CO2。。。

【技术实现步骤摘要】
一种制备甲酸和氢的装置


[0001]本专利技术属于电催化
，尤其涉及一种制备甲酸和氢的装置。

技术介绍

[0002]化石燃料的燃烧造成大气中CO2其他浓度增加，进而导致全球气候变暖，CO2电还原技术可利用清洁能源的可再生电力将CO2转话为高附加值化学品和燃料，为实现人工碳循环提供了可持续发展路径。
[0003]然而，如何实现经济、高效地制取H2对氢能经济的发展至关重要。目前，常用的小规模制氢的方法主要有甲醇/天然气重整制氢和水电解制氢两种方式。其中，重整制氢的反应过程复杂，系统庞大，对设备要求高且可移动性差。
[0004]甲酸被认为是一种有前途的氢载体，因为它的体积和重量H2容量分别为53gl
‑1和4.4wt％，并且对应于1.77kWhl
‑1的高能量密度。甲酸可以通过可持续的途径合成，如CO2的氢化。或湿生物质的部分氧化。甲酸的脱氢生成H2和CO2在气相中热力学上是有利的(ΔGo＝
‑
6.9kcalmol
‑1)。
[0005]目前国内外甲酸工艺主要包括三种：传统生产工艺、生物法生产工艺和CO2加氢法生产工艺。传统生产工艺又可以分为甲酸钠法和甲酸甲酯水解法，其中甲酸钠法首先采用CO与NaOH反应得到甲酸钠，随后甲酸钠与硫酸发生酸化反应最终得到甲酸，虽然这种工艺简单，但是因原料成本高和污染严重等缺点在国外已基本淘汰。甲酸甲酯水解法利用甲醇和CO发生羧基化反应随后水解生成甲酸，是当前主流工艺。
[0006]电催化直接制氢一般有两种装置，一种是碱性电解槽，即在电解池中加入一定量的碱或盐类以增强导电性，在阴阳极分别得到H2和氧气，利用这种电解装置电解水制取H2仍然存在能耗高、经济性差的问题。PEM电解槽，这种装置具有操作简单，阴阳极分开并能维持一定气体分压，避免使用碱液等优点在工业上得到广泛应用。由于电解水制氢，其理论电解电压为1.23V，而实际电解制氢过程中，由于存在一定损耗，其电解电压高达1.4
‑
1.5V以上；
[0007]甲酸制备的工业方法使用了甲醇和CO这两种工业原料，这两种原料成本与CO2和水相比略高。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种制备甲酸和氢的装置，将多种工艺整合，该装置轻便可操作性强，可以将产生的CO2气体和电解质循环利用，以制取H2，且避免产生废气。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]本专利技术提供了一种制备甲酸和氢的装置，包括：
[0011]阳极电催化模块，其内部设置有电解质溶液室和气液分离室，所述电解质溶液室内的电解质溶液经所述阳极电催化模块内的阳极催化剂的电催化作用产生O2，所述电解质溶液室被配置为容纳O2和电解质溶液，所述气体分离室被配置为容纳经反应后回流的电解
质溶液和O2；
[0012]所述气液分离室设置有所述电解质溶液排出的出口A和供供O2排出的出口L，所述电解质溶液室设置有与所述A口连通的入口B；
[0013]阴极电催化模块，其上设置有入口C，所述阴极电催化模块用于接收经所述阳极电催化模块进入的电解质溶液，入口C连通CO2源，所述阴极电催化模块被配置为经阴极催化剂的电催化作用使得所述电解质溶液、CO2产生甲酸；
[0014]CO2分离室模块，其与所述阴极电催化模块内部连通，其被配置为接收产生的甲酸、未反应的所述CO2和电解质溶液；
[0015]所述CO2分离室模块被配置为分离出CO2，所述CO2分离室模块上设置有与入口C连通的出口O和出口D，所述出口D被配置为排出分离后的甲酸和电解质溶液；
[0016]加热模块，其与所述出口D连通，且被配置为加热甲酸和电解质溶液；
[0017]甲酸制氢模块，其内部与所述加热模块连通，所述甲酸制氢模块被配置为通过甲酸产氢催化剂制取H2和CO2；
[0018]所述甲酸制氢模块上设置有用于排出所述电解质溶液、H2和CO2的出口I；
[0019]混合气体分离室模块，其被配置为分离电解质溶液、H2和CO2，所述混合气体分离室模块上设置有与出口I连通的进口U，及与入口B连通的出口H，以及供H2和CO2排出的出口P；
[0020]H2分离室模块，其被配置为分离H2和CO2，所述H2分离室模块上设置有与出口P连通的进口Q，及用于排出H2的出口K、及与入口C连通且用于排出CO2的出口T。
[0021]作为优选地，所述阳极电催化模块包括：
[0022]依次分布的电解液室板、第一绝缘层板、阳极极板和阳极催化剂板，所述电解质溶液室及所述气液分离室设置于所述电解液室板上；
[0023]所述第一绝缘层板被配置为阻止阳极电流通过，所述第一绝缘层板上开设有与所述电解质溶液室连通的第一通口及第四通口，所述第四通口与所述气液分离室连通；
[0024]所述阳极极板上开设有均匀分布的第一沟槽，所述第一沟槽的一端开设有与所述第一通口连通的第二通口，另一端开设有与所述第四通口连通的第三通口；
[0025]所述电解质溶液能够进入所述阳极极板，所述阳极催化剂板电催化所述电解质溶液内的水产生O2。
[0026]作为优选地，所述阳极电催化模块还包括阳极气体扩散层板，其设置有所述阳极极板和所述阳极催化剂板之间，所述阳极气体扩散层板被配置为均匀电解质溶液和H2之间的传质和运输。
[0027]作为优选地，所述阴极电催化模块包括依次设置的阴极催化剂板和阴极极板，所述阴极催化剂板设置于靠近所述阳极催化剂板的一侧；
[0028]所述阴极极板上开设有第二沟槽，所述第二沟槽的一端开设有第九通口，另一端开设有第十通口；
[0029]所述第一绝缘层板上开设有与所述电解质溶液室连通的第五通口，所述阳极极板上开设有与第五通口连通的第六通口，所述阳极气体扩散层板上开设有与所述第六通口连通的第七通口，所述阳极气体扩散层板上开设有与所述第六通口连通的第七通口；
[0030]所述阴极催化剂板上开设有与所述第七通口连通的第八通口，所述第八通口连通所述第九通口，所述第十通口连通所述CO2分离室模块的内部。
[0031]作为优选地，所述阴极电催化模块还包括阴极气体扩散层板，其设置于所述阴极极板和所述阴极催化剂板之间，所述阴极气体扩散层板上开设有与所述第八通口和所述第九通口均连通的第十五通口。
[0032]作为优选地，所述制氢装置还包括隔离膜板，其设置于阳极电催化模块和所述阴极电催化模块之间，所述隔离膜板被配置为将阳极产生的O2和阴极产生的H2、CO2分开，所述隔离膜板上开设有第十二通口，所述第十二通口与所述第七通口、所述第八通口均连通。
[0033]作为优选地，所述CO2分离室模块包括CO2分离框架板以及在其内设置的第二气体隔膜，所述第二气体隔膜与所述CO2分离框架板之间分别形成第三分离室和第四分离室，所述第四分离室与所述阴极电催化模块内部连通；
[0034]所述第二气体隔膜被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备甲酸和氢的装置，其特征在于，包括：阳极电催化模块(1)，其内部设置有电解质溶液室(110)和气液分离室(120)，所述电解质溶液室(110)内的电解质溶液经所述阳极电催化模块(1)内的阳极催化剂的电催化作用产生O2，所述电解质溶液室(110)被配置为容纳电解质溶液，所述气体分离室(120)被配置为容纳经反应后回流的电解质溶液和O2；所述气液分离室(120)设置有所述电解质溶液排出的出口A和供供O2排出的出口L，所述电解质溶液室(110)设置有与所述A口连通的入口B；阴极电催化模块(2)，其上设置有入口C，所述阴极电催化模块(2)用于接收经所述阳极电催化模块(1)进入的电解质溶液，入口C连通CO2源，所述阴极电催化模块(2)被配置为经阴极催化剂的电催化作用使得所述电解质溶液、CO2产生甲酸；CO2分离室模块(3)，其与所述阴极电催化模块(2)内部连通，其被配置为接收产生的甲酸、未反应的所述CO2和电解质溶液；所述CO2分离室模块(3)被配置为分离出CO2，所述CO2分离室模块(3)上设置有与入口C连通的出口O和出口D，所述出口D被配置为排出分离后的甲酸和电解质溶液；加热模块(4)，其与所述出口D连通，且被配置为加热甲酸和电解质溶液；甲酸制氢模块(5)，其内部与所述加热模块(4)连通，所述甲酸制氢模块(5)被配置为通过甲酸产氢催化剂制取H2和CO2；所述甲酸制氢模块(5)上设置有用于排出所述电解质溶液、H2和CO2的出口I；混合气体分离室模块(7)，其被配置为分离电解质溶液、H2和CO2，所述混合气体分离室模块(7)上设置有与出口I连通的进口U，及与入口B连通的出口H，以及供H2和CO2排出的出口P；H2分离室模块(8)，其被配置为分离H2和CO2，所述H2分离室模块(8)上设置有与出口P连通的进口Q，及用于排出H2的出口K、及与入口C连通且用于排出CO2的出口T。2.根据权利要求1所述的制备甲酸和氢的装置，其特征在于，所述阳极电催化模块(1)包括：依次分布的电解液室板(11)、第一绝缘层板(12)、阳极极板(13)和阳极催化剂板(14)，所述电解质溶液室(110)及所述气液分离室(120)设置于所述电解液室板(11)上；所述第一绝缘层板(12)被配置为阻止阳极电流通过，所述第一绝缘层板(12)上开设有与所述电解质溶液室(110)连通的第一通口(1a)及第四通口(2a)，所述第四通口(2a)与所述气液分离室(120)连通；所述阳极极板(13)上开设有均匀分布的第一沟槽(131)，所述第一沟槽(131)的一端开设有与所述第一通口(1a)连通的第二通口(3a)，另一端开设有与所述第四通口(2a)连通的第三通口(4a)；所述电解质溶液能够进入所述阳极极板(13)，所述阳极催化剂板(14)电催化所述电解质溶液内的水产生O2。3.根据权利要求2所述的制备甲酸和氢的装置，其特征在于，所述阳极电催化模块(1)还包括阳极气体扩散层板(15)，其设置有所述阳极极板(13)和所述阳极催化剂板(14)之间，所述阳极气体扩散层板(15)被配置为均匀电解质溶液和H2之间的传质和运输。4.根据权利要求3所述的制备甲酸和氢的装置，其特征在于，所述阴极电催化模块(2)
包括依次设置的阴极催化剂板(21)和阴极极板(22)，所述阴极催化剂板(21)设置于靠近所述阳极催化剂板(14)的一侧；所述阴极极板(22)上开设有第二沟槽(220)，所述第二沟槽(220)的一端开设有第九通口(9a)，另一端开设有第十通口(10a)；所述第一绝缘层板(12)上开设有与所述电解质溶液室(110)连通的第五通口(5a)，所述阳极极板(13)上开设有与第五通口(5a)连通的第六通口(6a)，所述阳极气体扩散层板(15)上开设有与所述第六通口(6a)连通的第七通口(7a)，所述阳极气体扩散层板(15)上开设有与所述第六通口(6a)连通的第七通口(7a)；所述阴极催化剂板(21)上开设有与所述第七通口(7a)连通的第八通口(8a)，所述第八通口(8a)连通所述第九通口(9a)，所述第十通口(10a)连通所述CO2分离室模块(3)的内部。5.根据权利要求4所述的制备甲酸和氢的装置，其特征在于，所述阴极电催化模块(2)还包括阴极气体扩散层板(23)，其设置于所述阴极极板(22)和所述阴极催化剂板(21)之间，所述阴极气体扩散层板(23)上开设有与所述第八通口(8a)和所述第九通口(9a)均连通的第十五通口(15a)。6.根据权利要求5所述的制备甲酸和氢的装置，其特征在于，所述制氢装置还包括隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，刘弘博，席聘贤，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：