二氧化碳电解装置和二氧化碳的电解方法

本申请涉及二氧化碳电解领域，特别地，涉及一种二氧化碳电解装置和二氧化碳电解方法。

背景技术：

1、二氧化碳减排技术日益受到人们的关注，其中，二氧化碳电还原被广泛认为是最具有前景的技术之一。

2、在二氧化碳电解中，气体扩散型电极常被用于促进反应的传质速率进而加快反应速率。现有的二氧化碳还原的研究与工业实践多采用气体扩散型电极促进二氧化碳的传质，以支撑工业级的电流密度。但是，事实上，气体扩散型电极原本是为氢燃料电池、电解水装置等设计，用于促进氢气、水等物质的传质，并非为二氧化碳电解装置设计，由于二氧化碳还原反应的电极电势较高且需要大量接触电解液，导致气体扩散电极无法在其设计电流密度(＞10ka/m2)下稳定运行，而其长时间稳定运行的电流密度小于1ka/m2，电流密度过小导致能量效率低，规模化后成本增加。

3、此外，由于气体扩散型电极的多孔特殊结构，导致其在运行过程中需要严格控制气液的两相平衡、电解液酸碱度和浓度等，以避免碳酸盐/碳酸氢盐析出或电解液阻塞气体传质孔道所导致的电极失活，这样极大地增加了运行成本。因此，气体扩散型电极在二氧化碳电解过程中存在无法达到设计活性、实际活性较低、运行成本高、操作繁琐等问题，使得气体扩散型电极的局限性大。

4、因此，有必要开发一种能替代气体扩散型电极的二氧化碳电解装置与电解方法。

技术实现思路

1、考虑到气体扩散电极因上述缺陷所导致的实际活性较低、运行成本高、操作繁琐等问题，本申请的发明人提供一种新的二氧化碳电解装置和电解方法。本申请的电解装置通过引入多相流结合控压来代替气体扩散型电极，使本申请能够在不低于气体扩散型电极电流密度的条件下长时间稳定实施。

2、第一方面，本申请提供一种二氧化碳电解装置，该电解装置包括电解池，所述电解池具有两腔体结构，包括依次相对设置的阴极板、阴极电极、阴极液流板、隔膜、阳极电极和阳极板；

3、所述阴极电极的一侧紧贴所述阴极板，两者分别设有开孔，以在所述阴极电极和所述阴极板内分别共同形成第一进料通道和第一出料通道；

4、所述阴极液流板具有镂空的流道，以在所述阴极板与所述隔膜之间形成供阴极电解液流通的第一腔体；

5、所述阳极电极的一侧固定在所述阳极板上，所述阳极板朝向所述阳极电极的一侧设有沟槽，以在所述阳极板与所述阳极电极之间形成供阳极电解液流通的第二腔体，所述阳极板上设有用于形成第二进料通道和第二出料通道的开孔；

6、所述第一进料通道上连接有气液混合器，用于将二氧化碳气体与阴极电解液进行气液混合，形成多相流。

7、第二方面，本申请提供一种二氧化碳的电解方法，该方法在所述二氧化碳电解装置中进行，包括：

8、1)二氧化碳气体与阴极电解液进入所述气液混合器中进行气液混合，形成多相流；

9、2)所述多相流进入所述电解池的第一腔体，阳极电解液进入所述电解池的第二腔体，在接通电解电源的情况下，所述多相流中的二氧化碳在所述第一腔体内发生还原反应，所述阳极电解液在所述第二腔体发生氧化反应。

10、本申请结合多相流技术并能调控压力来增强二氧化碳的传质并补充反应中消耗的二氧化碳，由此在保证传质效果的情况下从根源上避免气体扩散型电极带来的“水淹”现象、孔道堵塞等问题，本申请的电解装置具有较高的运行稳定性。此外，本申请的电解方法无需严格平衡气液相压力，操作简便，运行维护成本低。

11、本申请的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种二氧化碳电解装置，其特征在于，包括电解池(100)，所述电解池(100)具有两腔体结构，包括依次相对设置的阴极板(1)、阴极电极(2)、阴极液流板(3)、隔膜(4)、阳极电极(5)和阳极板(6)；

2.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阴极电极(2)选自金属薄片电极或负载型导电薄片电极；

3.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阴极液流板(3)的厚度为0.5～5mm，所述阴极液流板(3)的流道为单蛇形流道、多蛇形流道或多条直型平行流道，流道的宽度为0.5～5mm；

4.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阳极电极(5)选自金属毡、泡沫金属、负载阳极催化剂的泡沫金属或负载阳极催化剂的金属毡；

5.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阳极板(6)内由沟槽形成的流道为单蛇形流道、多蛇形流道或多条直型平行流道，流道的宽度为0.5～3mm，流道的深度为0.5～5mm。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述隔膜(4)为离子交换型隔膜或负载阳极催化剂的离子交换型隔膜；

7.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述电解池(100)还包括第一密封圈(7-1)和第二密封圈(7-2)，所述第一密封圈(7-1)用于密封所述第一腔体，以避免多相流从第一腔体的四周流出，所述第二密封圈(7-2)用于密封所述第二腔体，以避免阳极电解液从第一腔体的四周流出。

8.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述气液混合器(8)为三通型气液混合器，所述气液混合器(8)的两个进料口分别连接有阴极泵(9)和二氧化碳流量控制器(10)。

9.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述第二进料通道(c)上连接有阳极泵(12)；

10.一种二氧化碳的电解方法，其特征在于，该方法在权利要求1-9任一项所述的二氧化碳电解装置中进行，包括：

11.根据权利要求10所述的电解方法，其特征在于，步骤2)中，所述阴极电解液在单一流道的流量为5～100ml/min，二氧化碳在单一流道的流量为5～1000sccm；反应压力为1～50bar，可选为5～30bar。

12.根据权利要求10或11所述的电解方法，其特征在于，所述阴极电解液为第一电解质的水溶液，所述阳极电极液为水、酸或第二电解质的水溶液；

技术总结
本申请涉及二氧化碳电解领域，具体提供一种二氧化碳电解装置和二氧化碳电解方法。所述电解装置包括具有两腔体结构的电解池，电解池包括依次相对设置的阴极板、阴极电极、阴极液流板、隔膜、阳极电极和阳极板；阴极电极的一侧紧贴所述阴极板，两者分别设有开孔，以在阴极电极和阴极板内共同形成第一进料通道和第一出料通道，阴极电极与隔膜之间形成供阴极电解液流通的第一腔体，在阳极板与阳极电极之间形成供阳极电解液流通的第二腔体；第一进料通道上连接有气液混合器，用于进行气液混合，形成多相流。本申请的电解装置能够在不低于气体扩散型电极电流密度的条件下长时间稳定实施。

技术研发人员：陆奇,何铭,徐冰君
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13