一种基于熔融碳酸盐电解池的电解co2和h2o制取合成气的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于熔融碳酸盐电解技术领域，特别涉及一种基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H 20制取合成气的系统。
【背景技术】
[0002]目前，以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。随着全球对温室气体排放越来越关注，《京都议定书》、《巴厘岛路线图》的召开，进一步明确了全球CO2捕集和利用的时间表，推动了全球低碳经济的发展。利用可再生能源(风能、太阳能等)，通过电化学方法将0)2和H 20电解转化为合成气、烃类等工业原料或燃料，不仅能够实现CO2的转化利用，而且能够实现可再生能源的转化，对减少CO 2排放及提高可再生能源利用率具有重要意义。
[0003]为了实现CO2的转化，一般采用基于质子交换膜电解质的低温电解池，采用金属铂作为催化剂，成本较高，而且对产物的组分调控困难。进而，为了能够降低催化剂成本，控制产物组分，一些学者提出了采用基于陶瓷材料的固体氧化物电解池转化CO2，但是固体氧化物电解池电池面积难于放大，工作温度高达800°C，增大了对密封、集流等的要求。采用熔盐作为电解质构建熔盐电解池，其工作温度较大可达600°C _700°C、无须采用贵金属作为催化剂，而且电池面积易于放大，在军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。但是已有的研宄中，多采用熔盐电解质直接电解CO2，易于发生积碳等问题，使得电解池性能下降。因此，降低电极积碳，提高电解池寿命，能够降低CO2的转化成本，进一步促进CO2的转化利用。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于熔融碳酸盐电解池(Molten Carbonate Fuel Cell1MCEC)的电解0)2和H2O制取合成气的系统，能够降低电解池阴极积碳，提高电解池寿命。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:
[0006]一种基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，包括:
[0007]由阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成的熔融碳酸盐电解池单体，其中阳极双极板I流道中填充有碳酸盐电解质；
[0008]对所述电解池单体进行加热的加热系统；
[0009]连接于所述电解池单体正负极的使电解池单体工作在工作电压下的电源装置；
[0010]0)2与H 20混合气供气系统，其出口与电解池单体阴极流道连接；
[0011]空气和/或N2供气系统，其出口与电解池单体阳极流道连接；以及
[0012]合成气收集系统，其入口与电解池单体阴极流道出口连接。
[0013]所述阳极双极板I和阴极双极板5的两侧均具有气体流道，一侧为阳极流道，另一侧为阴极流道。
[0014]所述隔膜3具有多孔结构，孔隙率50%?75%，厚度为0.3?1.0_，平均孔径为
0.25 ?0.8 μ mD
[0015]所述加热系统为加热炉，加热温度要求能达到600°C -700°C，使碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。碳酸盐电解质由Li2C03、Na2COjP K2CO3中的两种或者三种混合构成，混合比例满足所得混合物的共熔点低于600°C。
[0016]所述电解池单体有多个，串联构成电解池堆。电解池单体的工作电压为
1.2V-5.0V,电解池堆的工作电压根据电解池单体的数量，按比例放大。
[0017]本实用新型反应过程为:
[0018]0)2与H2O的混合气(H2O的摩尔比例不低于5% )在工作电压作用下发生电解反应生成⑶和仏，并生成碳酸根离子，碳酸根离子通过电解质隔膜3，在阳极Ni电极2处生成02和CO 2。与此同时，电解池单体阳极流道通入的空气和/或凡将生成的O 2和CO 2携带出阳极，从而实现0)2的转化。
[0019]与现有技术相比，本实用新型在阳极双极板流道中填充碳酸盐电解质，以电解池单体为反应环境，COjPH2O作为原料气，一方面能够避免Ni电极的积碳，另一方面能够实现电池的规模化。
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型熔融碳酸盐电解池单体的结构示意图。
[0021]图2是由多个熔融碳酸盐电解池单体构成的电解池堆的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
[0023]实施例1
[0024]如图1所示，一种基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，包括:
[0025]由阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成的熔融碳酸盐电解池单体，其中阳极双极板I流道中填充有碳酸盐电解质；其中阳极双极板I和阴极双极板5的两侧均具有气体流道，一侧为阳极流道，另一侧为阴极流道。阳极Ni电极2厚度为0.8mm，面积为500cm2。阴极Ni电极4厚度0.6mm，面积500cm2。碳酸盐电解质由Li2COjP K2CCV混合组成，二者的摩尔比例62:38，总质量为120go隔膜3采用a -Li2AlO2,隔膜厚度为0.6mm，面积为500cm2。
[0026]对所述电解池单体进行加热的加热系统，如加热炉；
[0027]连接于所述电解池单体正负极的使电解池单体工作在工作电压下的电源装置；
[0028]0)2与H 20混合气供气系统，其出口与电解池单体阴极流道连接；
[0029]空气和/或N2供气系统，其出口与电解池单体阳极流道连接；以及
[0030]合成气收集系统，其入口与电解池单体阴极流道出口连接。
[0031]其中所采用的双极板，均由304不锈钢进行加工，流道结构采用直行流道。所采用的Ni电极，均采用流延法制备并在900°C下烧结制得。所采用的隔膜，均采用流延法制备。
[0032]利用上述结构，进行合成气制取的方法如下:
[0033]将电解池单体放置到加热炉中，加热至600°C，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池单体加电压，工作电压为2.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为1:1的COJPH2O混合气体，阳极流道中通入空气。在阴极流道出口，即可收集到生成的C0、H2、H20和CO2的合成气。
[0034]实施例2
[0035]结构与实施例1相同，具体尺寸规格有所不同:阳极Ni电极2厚度为0.8mm，面积为1000cm2。阴极Ni电极4厚度0.8mm，面积1000cm2。碳酸盐电解质由Li2C0#P K 2C03混合组成，二者的摩尔比例43:57，总质量为240g。隔膜3采用γ-Li2AlO2，隔膜厚度为0.8mm，面积为1000cm2。
[0036]利用该结构，进行合成气制取的方法如下:
[0037]将电解池单体放置到加热炉中，加热至650°C，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池单体加电压，工作电压为3.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为2:1的COJPH2O混合气体，阳极流道中通入空气。在阴极流道出口，即可收集到生成的C0、H2、H20和CO2的合成气。
[0038]实施例3
[0039]如图2所示，其利用50片实施例1中的电解池单体串联组装成电解池堆。
[0040]其中，阳极Ni电极2厚度为1.0mm，面积为10000cm2。阴极Ni电极4厚度1.0mm，面积1000cm20碳酸盐电解质由Li2CO3' Na2C0#P K 2C03'混合组成，三者的摩尔比例为43:31:26，总质量为240(^。隔膜3采用a-Li2AlO2，隔膜厚度为1.0mm，面积为10000cm2。
[0041]利用该结构，进行合成气制取的方法如下:
[0042]将电解池堆放置到加热炉中，加热至700°C，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池堆加电压，工作电压为150.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为1:2的0)2和H2O,阳极流道中通入N2，在阴极流道出口，即可收集到生成的CO、H2, H2O和CO2的合成气。
【主权项】
1.一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO 2和H 20制取合成气的系统，其特征在于，包括: 由阳极双极板(I)、阳极Ni电极(2)、隔膜(3)、阴极Ni电极(4)以及阴极双极板(5)按照自上到下的顺序组装构成的熔融碳酸盐电解池单体，其中阳极双极板(I)流道中填充有碳酸盐电解质； 对所述电解池单体进行加热的加热系统； 连接于所述电解池单体正负极的使电解池单体工作在工作电压下的电源装置； 0)2与H 20混合气供气系统，其出口与电解池单体阴极流道连接； 空气和/或队供气系统，其出口与电解池单体阳极流道连接；以及 合成气收集系统，其入口与电解池单体阴极流道出口连接。
2.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，其特征在于，所述阳极双极板(I)和阴极双极板(5)的两侧均具有气体流道，一侧为阳极流道，另一侧为阴极流道。
3.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，其特征在于，所述隔膜(3)具有多孔结构，孔隙率50%?75%，厚度为0.3?1.0mm，平均孔径为 0.25 ?0.8 μ m。
4.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，其特征在于，所述加热系统为加热炉。
5.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解0)2和H2O制取合成气的系统，其特征在于，所述电解池单体有多个，串联构成电解池堆。
【专利摘要】一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的系统，包括：由阳极双极板、阳极Ni电极、隔膜、阴极Ni电极以及阴极双极板按照自上到下的顺序组装构成的熔融碳酸盐电解池单体，其中阳极双极板流道中填充有碳酸盐电解质；对所述电解池单体进行加热的加热系统；连接于所述电解池单体正负极的使电解池单体工作在工作电压下的电源装置；CO2与H2O混合气供气系统、空气和/或N2供气系统以及合成气收集系统，本实用新型在阳极双极板流道中填充碳酸盐电解质，以电解池单体为反应环境，CO2和H2O作为原料气，一方面能够避免Ni电极的积碳，另一方面能够实现电池的规模化。
【IPC分类】C25B1-00, C25B1-02
【公开号】CN204529990
【申请号】CN201520077293
【发明人】许世森, 王洪建, 程健, 张瑞云, 王鹏杰, 任永强
【申请人】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年2月4日