[发明专利]用于电化学转化的无分离器的双GDE电解池

说明书

本发明涉及一种电解池、一种包括相应电解池的电解设备以及一种使用电解池或电解设备进行电化学转化的方法，该电解池包括包含阴极的阴极室、包含阳极的阳极室以及布置在阴极与阳极之间的盐桥室，其中阴极室和盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室和阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极。

技术领域

本发明涉及一种电解池、一种包括相应电解池的电解设备以及一种使用电解池或电解设备进行电化学转化的方法，该电解池包括包含阴极的阴极室、包含阳极的阳极室以及布置在阴极与阳极之间的盐桥室，其中阴极室和盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室和阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极。

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，2011年全球向大气中排放了约340.327亿吨二氧化碳(CO₂)。这种排放是清除大量CO₂(褐煤发电厂每天超过5万吨)的最简单的方式。

关于温室气体CO₂对气候的负面影响的讨论导致了对CO₂的再利用的考虑。由于CO₂在热力学上能量很低，因此难以将CO₂再次还原为可利用的产物。

在自然界中，通过光合作用将CO₂转化为碳水化合物。就时间而言以及在分子水平上就空间而言，该过程被分为许多子步骤，并且难以在工业规模上再现。目前，与纯光催化相比较为高效的方式是电化学还原CO₂。一种混合形式是光辅助电解和电辅助光催化。根据观察者的观点，这两个概念作为同义词使用。

与在光合作用中一样，在该过程中通过(必要时，以光辅助的方式)供给电能，将CO₂转化成能量价值较高的产物(诸如CO、CH₄、C₂H₄等)，电能从诸如风或太阳的可再生能源中获得。在该还原中所需的能量在理想状况下对应于燃料的燃烧能，并且优选地应当仅来自于可再生来源。然而，可再生能源的生产过剩并不是持续可用的，而是目前仅在具有强烈的太阳辐射和强风时可用。然而，随着可再生能源的进一步发展，这将在不久的将来改善。

在水性电解质溶液中，CO₂在固体电极处的电化学还原提供了许多可能的产物，表1中示出了这些可能的产物在不同金属阴极处的示例性法拉第效率，表1引用自Y.Hori发表在C.Vayenas,等人(编辑),Modern Aspects of Electrochemistry,Springer,New York,2008,第89至189页的出版物“Electrochemical CO₂ reduction on metal electrodes”。

表1：在不同电极材料上电解CO₂的法拉第效率

目前存在关于化学工业的电气化的讨论。这意味着，优选地，应当通过供给优选地来自可再生来源的多余电能，来从CO₂(CO)、H₂O中制备化学原料或燃料。在这种技术的引入阶段中，目标是使一种物质的经济价值显著高于该物质的热值(燃烧值)。

在过去的几十年中，电解方法得到了显著发展。可以向高电流密度优化PEM水电解。具有兆瓦级功率的大型电解槽已经被引入到市场上。

然而，电解CO₂还面临一些其它的特殊挑战。一方面，不同于电解水，电解质介质和底物不相同。因此，可用的CO₂电解槽通常必须能够处理较多的组分(额外的气体供给)。另一方面，CO₂底物还可以与电解质介质反应，并且与电解质介质中所含有的载流子形成“加合物”，例如，根据操作模式中的pH值而为：