[发明专利]一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置

说明书

本发明涉及一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置，其固体氧化物电解池具有电解质层和分别位于电解质层的相对两侧的阴极层和阳极层，其中，阴极层和阳极层中分别担载着化学品或油品合成所需的催化剂组分以耦合高温电解水蒸气和/或二氧化碳反应与高温电催化反应，从而制备高压氢气、合成气与氧气并直接合成化学品或油品；气体控制系统用于控制气体反应物与气体产物的组成、流量和压力；热管理系统用于监测与控制固体氧化物电解池的环境温度与电极温度。根据本发明的基于高温高压电解技术的电化学合成装置，以水和/或二氧化碳作为原料，通过高温高压电解制备氢气、一氧化碳或者合成气等中间产物，并进一步合成高价值的化学品或者油品。

技术领域

本发明涉及电化学合成，更具体地涉及一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置。

背景技术

目前，尿素、甲醇、合成油等化学品和油品在人类工业生产和生活中的应用极为广泛，支撑着全球的发展。这些产品一般是通过较为传统的化工工业过程来获得的，例如通过煤化工或者天然气化工得到氢气或者合成气(氢气和一氧化碳的混合物)，然后通过合成氨流程制备尿素，或者利用费托反应制备甲醇以及其他高价值的油品和化学品。合理利用氢气以及合成气作为原料，已被证明可以生产超过15种不同的常规油品和大宗/精细化学品，市场价值超过万亿元。

但是利用煤化工或者天然气化工这些传统的工艺过程来制备氢气和合成气都需要较高的投资和投入，主要适用于大型工业装置，而不适合不同规模需求的用户。如果能够开发出一种可以实现模块化设计的制气装置，则可满足不同规模的用户需求，进而生产更高利润的产品。此外，利用煤、石油或者天然气制氢以及制合成气的过程均伴随着大量的二氧化碳温室气体排放，对环境带来了极大的考验。如果能够将工业废弃二氧化碳作为化学品和油品的碳基唯一来源，则可以提升其自身经济价值，并实现零碳排放。而且现有的以氢气或合成气作为原料合成其他化学品和油品的过程与制气过程是分离的，这就容易导致附加能耗过大，同时也带来了氢气及合成气的存储与运输问题。为了同时实现上述目标，需要开发一种高效、经济、模块化的反应器，能够以水和二氧化碳作为原料，根据实际规模需求来制备氢气或合成气，并将由氢气或合成气制备化学品和油品的催化剂应用到制气反应器中同时实现高价值化学品和油品的合成。

固体氧化物高温电解池(SOEC)可以结合可再生能源的电力与工业废热，高效地电化学还原二氧化碳和水，转变成一氧化碳、氢气以及合成气，被认为是最具有前景的能源转换装置之一。SOEC电解池还具有全固态陶瓷结构、反应速率与相应速率快、不使用贵金属等特点。而且SOEC电解水制氢已经被证明能够用于较高规模氢气和一氧化碳的生产，比起常规的热化学工厂(比如煤或天然气制合成气)，量产规模下基于SOEC的电化学工厂的设备投资将大幅降低，约为常规热化学工厂的50-70％之间。另一方面，使用现有的SOEC电解池结构，经过优化，可以提高电解效率、降低成本，实现大于50％的水和二氧化碳的单程转化率。同时基于SOEC电解池，可以通过调控工艺参数实现合成气中一氧化碳/氢气的自主调控，从而根据产品(油品或化学品)的要求直接进入后续合成氨、甲醇或费托反应器，而无需进一步的氢碳比调节，显著降低化学品和油品的综合成本，约为常规热化学工厂生产的产品的70％左右。但是目前常规的SOEC电解池属于低压(3bar)电解技术，只能得到较低压力的氢气或者合成气，不适合直接用于合成氨或者费托反应等化学品制备工艺。另一方面，SOEC电解池的电极材料也主要起到对水和二氧化碳的解离以及氧析出反应的催化作用，对于化学品制备工艺过程不具有显著的催化活性。因此常规的SOEC电解池不适合直接用于电化学合成高价值的化学品和油品。

发明内容

为了解决现有技术中的常规的SOEC电解池不适合直接用于电化学合成高价值的化学品和油品的问题，本发明提供一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置。