采用双极板的CO2电解系统及构建方法技术方案

本发明专利技术公开一种采用双极板的CO2电解系统及构建方法，包括电解池，电解池中的阳极板的流场和阴极板的流场均包括扩散区、反应区和回收区，所述扩散区和回收区通过反应区相连通，所述扩散区和所述回收区分别设置在流场的角端且呈中心对称设置；扩散区包括沿流场长度方向的入口段以及入口段末端转折朝流场宽度方向延伸的第一扩展段，所述第一扩展段与反应区相连；所述回收区包括沿流场长度方向的出口段以及出口段前端转折朝流场宽度方向延伸的第二扩展段，所述第二扩展段与反应区相连；所述阳极板的流场中的反应区沿对角线设置有斜流道；所述阳极板和所述阴极板的流道参数为根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算得到。拟仿真计算得到。拟仿真计算得到。

【技术实现步骤摘要】
采用双极板的CO2电解系统及构建方法


[0001]本专利技术涉及二氧化碳电解
，具体涉及一种采用双极板的CO2电解系统及构建方法。

技术介绍

[0002]大气中二氧化碳(CO2)的浓度持续增加，使得环境灾害频发等问题日趋严重，CO2回收及转化利用亟需进一步的研究和发展。为应对气候变化、达到“双碳”目标，将二氧化碳进行催化还原成碳基燃料是一种很有前景的方案，通过大规模CO2电催化还原技术(Carbondioxide Reduction Reaction，CO2RR)将CO2转化升级为高附加值的碳基化学品和燃料，可实现二氧化碳的资源化利用和洁净能源电能的有效存储，大大提高太阳能、风能等新能源发电系统的消纳能力，实现绿色的碳循环。
[0003]CO2作为热力学上比较稳定的化合物，与常规的光催化和热催化还原相比，电催化还原优势明显，利用外加电场可将二氧化碳还原成一氧化碳、甲醇、甲酸等碳氢燃料，电催化CO2能在常温常压的水溶液中进行，不需要复杂的反应装置，可利用可再生的电能实现温和条件下的CO2还原过程，有利于实现大规模的实际应用。
[0004]在CO2电化学还原过程中，电催化使用电力形成化学键，而选择合适的电催化剂，不仅可以降低CO2电还原的活化能势垒，还通过催化剂不同的活性位点，影响反应的选择性、活性和稳定性等，电化学还原反应不仅取决于反应条件，更取决于催化剂材料。因此，设计各种电催化材料从而选择性转化为各种产品如CO、甲酸、甲醇、乙醇、碳氢化合物和草酸等成为研究热门，催化剂材料的性能直接影响CO2还电化学还原的活性和选择性。
[0005]纳米薄片材料拥有着独特的电子特性，柔韧性和机械强度，更拥有着超高的表面积，表面原子大量暴露提供了更多表面改性，功能化，掺杂，缺陷等设计调控的可能性，因而被大量用于研究光、热、电等催化。研究表明，金属锡(Sn)，铅(Pb)和铋(Bi)等p区金属普遍是CO2选择性转化为甲酸盐/甲酸的有效催化剂。而Bi作为性质稳定，低毒性，储量丰富，相较于电催化主要研究的贵金属铂，金，银与铜等材料更加低廉，且拥有着抑制相同电位下析氢反应(HER)发生的独特性质的金属，是一个很有前途的研究对象。目前，虽然铋和氧化铋已经被证实可以有效将二氧化碳转化为甲酸盐，但是因为块状的金属铋或氧化铋活性位点少，本征活性弱，直接使用使得反应的结果差强人意。文献“氯氧化铋单晶纳米薄片的制备及其光学性质，靳旺等，河北师范大学学报，2017年9月，第5期”公开了一种氯氧化铋单晶纳米薄片的制备，其通过简单的水解法制备了分散性良好且发近紫外荧光的氯氧化铋单晶纳米薄片，其厚度约为15
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20nm，但是并未指出其具有电催化性能。
[0006]金属铟具有价格相对低廉，环境友好，性质稳定的优点，被广泛应用于电子半导体，医学扫描，焊料合金等领域。由于金属铟极好的光渗透性和导电性，其化合物也拥有良好的催化活性，许多铟基催化剂已经被证实具有电催化还原CO2的活性。但通常大多数铟基催化剂对于甲酸盐的选择性都不尽如人意，并且峰值的阴极工作电位都偏高。而从催化剂表面来说，催化剂表面活性位点少，电流密度低等缺点严重阻碍了CO2电催化还原的活性。
同样，为了调控铟基催化剂的微观结构和表面化学环境，采取的各种策略不利于催化剂的大量制备。因此，目前并没有实际满足工业生产甲酸盐的铟基催化剂。至今，尚未报道过使用能够简单放大制备并具有纳米薄片结构的氧化铟，并投用于电催化还原CO2制备甲酸。故开发出成本低廉，操作简单，易于量产的高效电催化还原CO2制备甲酸盐的铟基电催化剂具有重要现实价值。文献“超薄In2O3纳米片的制备和改性以及光电化学性能研究，张博学”公开了一种超薄In2O3纳米片的制备方法，但是其不能大量制备，操作繁琐，且并未指出其具有电催化性能。
[0007]另外，一个完整的CO2电化学还原系统是由多个部分组成的，除催化剂材料本身外，电解液、离子交换膜、电解池等部分都会对CO2电化学还原系统的整体性能产生直接的影响，通过完善电解池的结构可进一步提升CO2电化学还原的整体性能。如图1所示，CO2电解池的基本结构由阴离子交换膜、催化层、扩散层和双极板结构组成，在CO2电解系统中，二氧化碳经阴极流道流入电解反应器，通过阴极气体扩散层到达阴极催化层，阳极水也通过阳极气体扩散层到达阳极催化层，然后在催化层内分别发生阴极和阳极反应。
[0008]其中，双极板结构是二氧化碳电解池中的重要组件，占二氧化碳电解池总重量的60％和总成本的30％。双极板结构可由阴极板和阳极板贴合而成，也可由两块膜电极组成，每个极板上对应有不同的流场，起到运输反应气体和液体、方便排除产物等作用。而电解池的扩散层由碳纸或碳布等多孔介质材料构成，扩散层对电池起着输运气体、排水、导电和导热等重要作用，扩散层性能的好坏也直接影响燃料电池的综合性能。
[0009]由于二氧化碳电解池阳极反应物是水，阴极反应物是二氧化碳，气体和液体在反应器中的输送要求是具有差异性，阳极反应水所需要的整体压力要更大；而目前CO2电解系统中的阳极板和阴极板上的流场设置大都是相同的，由于阳极水所需要的整体压力要更大，导致阳极水不均匀流动，进而导致水、热和电流的不均匀产生，严重影响二氧化碳电解池的寿命和性能。
[0010]目前，研究者对电催化二氧化碳过程的研究主要集中在催化剂的改进和制备方面以及电解池的结构设计方面，而对反应器的设计以及反应器内部的物质和能量传输过程的研究很少。CO2电解系统的运行特性受内部气、水、热、电传输过程的影响，要优化二氧化碳电催化还原反应器的设计，需要揭示反应器内部的气、水、热、电传输机理，深入地认识反应器内部的多尺度物理化学过程。
[0011]随着计算机计算能力的提升和数值计算方法的发展，数值模拟已成为科学研究中的重要手段，比如文献“高温共电解水和二氧化碳合成甲烷反应特性与系统研究，罗宇，清华大学”中提出了采用实验测试、动力学计算和数值模拟结合的研究方法开展固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)合成CH4反应特性和系统研究，其针对高温固体氧化物电解池，而不是低温阴离子膜电解池。
[0012]综上所述，可以从CO2电化学还原所需催化剂材料、电解池结构设计以及对CO2电解系统反应器内部的多尺度过程进行数值模拟解析等方面进行研究，提升CO2电化学还原系统的整体性能。

技术实现思路

[0013]本专利技术所要解决的技术问题在于如何保证阳极水均匀流动，提高CO2电化学反应
电解系统的性能。
[0014]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题的：
[0015]第一方面，本专利技术提出了一种采用双极板的CO2电解系统，所述电解系统包括电解池，所述电解池中的阳极板的流场和阴极板的流场均包括扩散区、反应区和回收区，所述扩散区和回收区通过反应区相连通，所述扩散区和所述回收区分别设置在流场的角端且呈中心对称设置；
[0016]扩散区包括沿流场长度方向的入口段以及入口段末端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述电解系统包括电解池，所述电解池中的阳极板的流场和阴极板的流场均包括扩散区、反应区和回收区，所述扩散区和回收区通过反应区相连通，所述扩散区和所述回收区分别设置在流场的角端且呈中心对称设置；扩散区包括沿流场长度方向的入口段以及入口段末端转折朝流场宽度方向延伸的第一扩展段，所述第一扩展段与反应区相连；所述回收区包括沿流场长度方向的出口段以及出口段前端转折朝流场宽度方向延伸的第二扩展段，所述第二扩展段与反应区相连；所述阳极板的流场中的反应区沿对角线设置有斜流道；所述阳极板和所述阴极板的流道参数为根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算得到。2.如权利要求1所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述反应区均包括多个并排设置的水平流道。3.如权利要求1所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述扩散区包括多个扩散流道，一个扩散流道与所述反应区内的多个水平流道相连。4.如权利要求1所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述回收区包括多个回收流道，一个回收流道与所述反应区内的多个水平流道相连。5.如权利要求1所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述电解池还包括阳极扩散层、阳极催化层、阴离子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，所述阳极板、所述阳极扩散层和所述阳极催化层由远至近顺序布置在所述阴离子交换膜的一侧，所述阴极板、所述阴极扩散层及所述阴极催化层由远至近顺序布置在所述阴离子交换膜的另一侧。6.如权利要求5所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述阴极扩散层设置梯度孔隙率，且所述阴极扩散层上叠加有微孔层，所述微孔层布置在所述阴极扩散层与所述阴极催化层之间。7.如权利要求6所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述微孔层由聚四氟乙烯和碳黑复合制备。8.如权利要求6所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述阴极扩散层采用在碳纸上依次印刷不同比例的聚四氟乙烯、NH4CL及碳粉混合物制备。9.如权利要求1所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述电解系统还包括催化剂，所述催化剂采用氯氧化铋纳米薄片或氧化铟纳米薄片。10.如权利要求9所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述电解池采用的电解液为1M KHCO3溶液，电解液的流入流出流速为10mL/min，CO2气体流速为35sccm，实验电流为100
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700mA。11.如权利要求9所述的采用双极板的CO2电解系统，其特征在于，所述氯氧化铋纳米薄片的晶型属于85
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0681。12.一种如权利要求1～11任一项所述的采用双极板的CO2电解系统的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括：根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算，得到所述阳极板及所述阴极板的流道参数；基于所述流道参数设计所述阳极板和所述阴极板；基于所述阳极板、所述阳极扩散层、所述阳极催化层、所述阴离子交换膜、所述阴极催
化层、所述阴极扩散层和和所述阴极板，构建所述CO2电解系统；制备氯氧化铋纳米薄片或氧化铟纳米薄片作为所述CO2电解系统的催化剂。13.如权利要求12所述的采用双极板的CO2电解系统的构建方法，其特征在于，所述根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算，得到所述阳极板及所述阴极板的流道参数，包括：对所述电解池三维结构模型进行全电池网格划分，将网格划分结果导入流体仿真软件并设置仿真参数，所述仿真参数包括阴阳极参数、气体属性及工作条件和边界条件；将二氧化碳电催化计算程序加载到阴阳极的催化层区域各方程的源项计算模块，进行流体力学方程和电化学方程的耦合求解，模拟所述电解池三维结构模型工作过程；通过求解器对所述电解池三维结构模型的工作过程进行迭代求解，获得物理场参数值；基于所述物理场参数值进行分析，确定所述阳极板和所述阴极板的最优流道参数。14.如权利要求13所述的采用双极板的CO2电解系统的构建方法，其特征在于，所述将二氧化碳电催化计算程序加载到阴阳极的催化层区域各方程的源项计算模块，进行流体力学方程和电化学方程的耦合求解，模拟所述电解池三维结构模型工作过程，包括：将二氧化碳电催化计算程序加载到阴阳极的催化层区域各方程的源项计算模块；通过求解所述流体力学方程得到催化层区域的各组分浓度；基于各组分浓度，通过求解所述电化学反应方程得到催化层区域的各反应电流密度，并基于各反应电流密度求解所述流体力学方程，模拟所述电解池三维结构模型工作过程。15.如权利要求14所述的采用双极板的CO2电解系统的构建方法，其特征在于，所述流体力学方程包括：质量守恒方程：组分守恒方程：动量方程：式中：ε为多孔电极的孔隙度；为气体的速度矢量；ρ为反应气体的密度；s
m
为质量源项，S
mi
为第i的种组分的质量源项；y
i
表示组分i的质量分数；D
i
为气体扩散率；N为组分种类数，p,μ,S
mom
分别为多孔电极内的压力、粘性系数和动量源项；为梯度算子符号。16.如权利要求15所述的采用双极板的CO2电解系统的构建方法，其特征在于，在催化层区域，每单位体积内气体消耗和生成量的计算公式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱姗，赵跃，马凤翔，朱峰，刘伟，董王朝，刘子恩，曹骏，程伟，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：