[发明专利]用于二氧化碳电解的装置

说明书

本发明涉及一种用于二氧化碳电解的装置，包括：‑具有阳极和阴极的电解池，其中阳极和阴极与电源连接，其中阴极被设计为气体扩散电极，该气体扩散电极在第一侧上连接有气体室，并且在第二侧上连接有阴极室；‑连接到电解池的电解质回路；‑用于将含有二氧化碳的气体供给到气体室中的气体供给部；在该装置中，在气体室中布置有一个或多个沟槽，其中沟槽至少部分地紧靠气体扩散电极，并且被设计为用于运输通过气体扩散电极渗透的电解液至气体室的侧部区域。

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于二氧化碳电解的装置。

背景技术

目前，通过燃烧化石燃料覆盖了全球约80％的能量需求。通过这些燃烧过程，在2011年全球向大气中排放的二氧化碳约为340亿吨。

关于温室气体CO2对气候的负面影响的讨论，导致了关于再利用CO2的思考。CO2是强键合的分子，因此难以再次被还原为可用的产物。

在自然界中，CO2通过光合作用转化为碳水化合物。这种复杂的过程很难被大规模复制。一种目前在技术上可行的方法是电化学还原CO2。其中，二氧化碳在被供给电能的情况下转化为较高能量的产物，诸如CO、CH4、C2H4或C1-C4醇。电能又优选地来自可再生能源，诸如风力或光伏。

对于CO2的电解而言，通常使用金属作为催化剂。金属的类型会影响电解产物。例如，CO2在Ag、Au、Zn上几乎仅被还原为CO，并且在Pd、Ga上程度非常有限地被还原为CO；而在铜上，可以观察到大量的烃作为还原产物。除了纯金属之外，金属合金以及由金属和具有助催化作用的金属氧化物制成的混合物也被关注，因为它们可以提高特定烃的选择性。

在CO2电解中，可以类似于在氯碱电解中那样，使用气体扩散电极作为阴极，以便建立液态电解质、气态CO2与固态银颗粒之间的三相边界。如燃料电池技术中已知的那样，使用具有两个电解质室的电解池，其中电解质室通过离子交换膜隔开。

工作电极是多孔的气体扩散电极(GDE)。气体扩散电极通常包括金属网，在该金属网上施加由PTFE、活性碳、催化剂和其它成分制成的混合物。气体扩散电极具有孔系统，反应物渗入到该孔系统中，并且在三相界面处反应。

对电极是例如涂覆有铂或铱混合氧化物的金属板。GDE在一侧上与电极接触。GDE在另一侧上被供给CO2。GDE的功能方式例如可从EP 297377 A2、EP 2444526 A2和EP2410079 A2中获知。

对于连续的过程，电解池可以以流动-经过模式(flow-by-Modus)运行。在该模式中，反应气体扩散到GDE的孔中。在GDE孔中的反应形成OH^-离子，这些OH^-离子导致局部的高pH值。如果反应气体CO2遇到还含有碱金属阳离子(例如钾)的该碱性液体，则形成难溶的碳酸盐，该碳酸盐作为盐沉淀出来并且堵塞孔。

有多种可行的方案可以避免上述情况，包括利用穿过GDE的电解质蒸腾。该电解质就地冲洗孔，在GDE的气体侧上向下流掉，并且在电解池的底部与未转化的反应气体和产物气体一起被导出电解池。

流动格栅被用来实现气体室中气体的良好混合并由此实现二氧化碳向GDE孔的快速扩散。这确保了涡流和交叉混合，由此提高了反应气体和产物气体的质量传递。流动格栅还支撑GDE，使GDE不会弯曲。

尽管这在CO2电解中使气体扩散电极能够稳定地长时间运行(1000h)，但是气体室中的高液体含量降低了过程效率。一方面，GDE上的液膜使得反应气体难以扩散到GDE的孔中。另一方面，格栅结构或编织物形式的已知流动格栅使得蒸腾液难以流出，因为蒸腾液附着并积聚在了流动格栅处。

发明内容

本发明的目的是给出一种用于二氧化碳电解的改善的装置，利用该装置能够实现稳定的长时间运行，同时避免上面所提及的缺点。