CN108193225B - 一种膜电极构型co2电还原电解池 - Google Patents
一种膜电极构型co2电还原电解池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108193225B CN108193225B CN201810016816.1A CN201810016816A CN108193225B CN 108193225 B CN108193225 B CN 108193225B CN 201810016816 A CN201810016816 A CN 201810016816A CN 108193225 B CN108193225 B CN 108193225B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cathode
- plate
- anode
- flow field
- field plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 28
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 52
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 40
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims description 3
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 claims description 2
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 42
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 31
- 239000000047 product Substances 0.000 description 24
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 description 14
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 10
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000012494 Quartz wool Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000009969 flowable effect Effects 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical group OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001967 indiganyl group Chemical group [H][In]([H])[*] 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000006174 pH buffer Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 229940086066 potassium hydrogencarbonate Drugs 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
- 239000003039 volatile agent Substances 0.000 description 1
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于电催化还原二氧化碳电解池。包括阴极组件、阳极组件以及分割两者的隔膜。在阳极组件中,阳极端板、阳极集流板、阳极流体分配板、阳极流场板、与阳极电极板依次相连;在阴极组件中,电解质支撑层、溶液电极板、阴极气体扩散电极、阴极流场板、阴极流体分配板、阴极集流板以及阴极端板依次相连。该电解池可通过改变溶液电极板的厚度,降低CO2电还原用电解质的使用量;同时,电解池有供电解质流动用的进料口与出料口,可以连续或间歇式的更新解质,且电解质浓度可调,提升二氧化碳电还原长时间运行的稳定性。本发明设计膜电极构型电解池具有运行压力可控、反应温度可控以及可规模化实现CO2转化等优势,具有较广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳电化学技术领域,涉及一种膜电极构型CO2电还原电解池。
背景技术
当前,全球社会能源消费结构仍普遍依赖于石油、天然气、煤炭和木材等化石资源,随着全球经济的发展、能源需求的日益增长,化石燃料的过度使用不可避免地为我们赖以生存的环境带来一些有害化合物,主要包括氮氧化物、硫氧化物、放射性化合物、重金属、挥发性有机化合物以及二氧化碳等。大量排放的二氧化碳是目前造成温室效应的主要因素。为此,围绕二氧化碳过度排放问题,CO2的捕获、吸收与转化的相关技术已成为当前研究的热点。其中,CO2的电催化转化技术由于具有***结构简单、环境友好、反应条件温和等优势而受到广泛关注。
CO2在电场作用下可被还原生成CO、CH4、C2H4等气相产物及甲酸、乙醇等液相产物。当前,专利技术主要集中于电催化剂的设计。专利CN 104846393 A 曾公开了一种含Ag的工作电极表面实现CO2电化学还原的方法,具体步骤为:首先通过离子液体和超纯水混合液制备电解液,以金属Ag电极为工作电极并进行CO2电化学还原,产物CO的法拉第效率可以达到90%。CN 104959135 A提供了一种纳米锌催化剂的的制备技术,以及基于该催化剂实现CO2电还原制备 CO的方法。具体步骤是:通过电沉积技术构筑纳米锌催化剂,在恒电位下还原CO2,控制电位范围为-1.4~-1.8V,其还原产物CO的电流效率高达93%。
相比于对阴极侧催化剂的关注,围绕CO2电还原新型电解池的设计则少有报道。通常,实验室采用H型电解池作为电还原二氧化碳的反应器,其包括阳极室、阴极室以及将两者分开的质子交换膜,质子交换膜用于降低产物在阳极室与阴极室间反应物及产物的扩散。诸如中国专利CN 204097577A公开了一种电化学还原二氧化碳反应用电解池。该电解池包括阳极室、阴极室和气液分离器,阳极室可分为上下两个腔体,下腔体为上端开口的容器,上腔体置于下腔体的上方,与两个腔体的开口端均设有第一法兰盘,两个腔体通过第一法兰盘连接;工作电极位于上下两个腔体开口端的第一法兰盘之间。但是上述这种电解池在应用过程中存在槽电压高、液相产物有效浓度低等缺点。
围绕CO2电还原电解池的设计,基于固体氧化物燃料电池(SOFC),Jensen 等提出一种高温操作条件(500-1000℃)下固体氧化物电解池(SOEC)的设计方案。在高温操作条件下,该电解池可以有效降低将CO2电还原为CO或H2的电能(S.H.Jensen,Int.J.HydrogenEnergy,32,3253(2007))。但是,由于SOEC在长时间运行过程中存在积碳以及由挥发物所带来的电极毒化,制约了其进一步的发展(T.-J.Huang,Electro chem.Commun,11,1464(2009))。进一步,人们关注基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极构型的电解池设计,旨在规模化实现 CO2的低温转化。早期的研究工作是通过在117膜上沉积的铜,利用质子交换膜燃料电池(PEMFCs)结构将CO2直接转化为燃料(R.L.Cook,J.Electrochem.Soc,137,187(1990).)。而近期的研究工作是在阴极催化剂层和质子交换膜之间引入pH缓冲层(KHCO3水溶液),实现了室温下将CO2转化为CO和H2(C.Delacourt,J.Electrochem.Soc.,155,B42(2008))。但是,上述膜电极构型电解池都面临长时间运行过程稳定性差的劣势,限制了CO2电催化还原的产业化进程。
在上述用于CO2电还原电解池的结构设计过程中,膜电极构型电解池具有易于模块化且可规模化实现CO2电催化转化的优势,应用潜力巨大。然而,当前没有相关专利报道膜电极构型电解池的结构细节。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题,本发明提出了一种膜电极构型CO2还原电解池。该电解池不仅具有运行压力可控、反应温度可控、电解液可流动、可规模化实现CO2转化等优势,而且具有消除电极稳定运行过程的可逆衰减,维持CO2电催化还原稳定性的功能,具有较高的应用前景。
本发明的技术方案为:
一种电催化还原二氧化碳的电解池,包括阴极组件、阳极组件以及分割两者的隔膜;所述阳极组件为依次贴合相连的阳极端板、阳极集流板、阳极流体分配板、阳极流场板与阳极电极板;所述阴极组件为依次贴合相连的电解质支撑层、溶液电极板、阴极气体扩散电极、阴极流场板、阴极流体分配板、阴极集流板以及阴极端板;隔膜设置于阳极组件的阳极电极板与阴极组件的电解质支撑层之间;阳极端板与阴极端板通过连接孔和螺栓装配固定,进而实现阴、阳极组件的固定;所述电解质支撑层嵌入溶液电极板的凹槽内,与嵌入阴极流场板中的阴极气体扩散电极形成二氧化碳电化学反应的场所;所述溶液电极板厚度为2mm~5mm;所述电解质支撑层为石棉膜、石英棉或羊毛毡中的一种。
进一步地,上述阴极进、出料孔分别设置于阴极端板、阴极流体分配板、溶液电极板与阴极流场板的对角线位置上;电解液进、出料孔与阴极进、出料孔错位设置,分别设置于阴极端板、阴极流体分配板、溶液电极板、与阴极流场板的对角线位置上;阳极进、出料孔分别设置于阳极端板、阳极流体分配板和阳极流场板的对角线位置上;当各部件装配在一起时,相邻部件上的进、出料孔彼此对应,以形成阴、阳极进、出料通道以及电解液的进、出通道。
电解质传质通道,依次连通所述阴极端板、阴极流体分配板、阴极流场板至所述电解质支撑层,且分别与所述溶液电极板的电解液腔体连通,为阴极CO2电催化还原反应电解质提供输送通道;阴极传质通道,依次连通所述阴极端板、阴极流体分配板、阴极流场板至所述阴极气体扩散电极,以供给阴极反应物(CO2气体)并收集产物;阳极传质通道,依次连通所述阳极端板、阳极流体分配板、阳极流场板至所述阳极电极板,以供给阳极反应物并收集产物。
所述传质通道由彼此连通的所述进料通道和所述出料通道组成。
进一步地,定位孔分别设置所述阴极流场板、溶液电极板和阳极流场板上,当三者装配在一起时,定位孔彼此对应,以通过定位轴实现相邻部件间的固定;测温孔,设置于阴、阳极流场板的周壁上且延伸至其内部,其内放置有热电偶,以监控阴、阳极流场板中部设置的反应槽内的温度。
进一步地,上述隔膜为离子交换膜。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:通过改变溶液电极板的厚度,可调变CO2电还原用电解质的使用量,以及阴、阳极之间的离子电阻;同时,电解池有供液体电解质流动所用的进料口与出料口,可以连续或间歇式的更新电解质,可提升二氧化碳电还原长时间运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中电还原二氧化碳的电解池的装配结构示意图;
图2为本发明实施例中阴极流场板的正面结构示意图;
图3为本发明实施例中阴极流场板的反面结构示意图
图4(a)为本发明实施例中溶液电极板的正面结构示意图;(b)进料桥结构示意图;
图5为本发明实施例中溶液电极板的反面结构示意图;
图6为本发明实施例中的膜电极构型电解池用于CO2电催化还原目标还原产物CO、H2法拉第效率随电流密度的变化趋势:(a)CO;(b)H2。
图7为本发明实施例中的膜电极构型电解池用于CO2电催化还原:溶液电极板厚度对CO2电还原极化曲线的影响(扫描速率10mV/s)
图8为本发明实施例中的膜电极构型电解池用于CO2电催化还原:碳酸氢钾浓度对CO2电还原极化曲线的影响(扫描速率10mV/s);
图9为本发明实施例中的膜电极构型电解池用于CO2电催化还原目标还原产物CO、H2法拉第效率随碳酸氢钾浓度的变化趋势;(a)CO;(b)H2。
图中:1阳极端板;2阳极集流板;3阳极流体分配板;4阳极流场板;5阳极电极板;6Nafion膜;7电解质支撑层;8溶液电极板;9阴极气体扩散电极; 10阴极流场板;11阴极流体分配板;12阴极集流板;13阴极端板;14进料口螺栓;15出料口螺栓;2-0阴极流场板第一电极面;2-1密封垫圈;2-2进料口;2-3 出料口;2-4出料口;2-5沟槽;3-0阴极流场板第二电极面;3-1测温孔;3-2流场;3-3阴极反应槽;4-0溶液电极板第一绝缘面;4-1电解液腔体;4-2进、出料沟槽;4-3进料桥;5-0溶液电极板第二绝缘面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:膜电极构型电解池结构的设计与组装方法
本实施例提供了一种电还原二氧化碳的电解池,如图1所示,包括阴极组件、阳极组件以及分割两者的隔膜,该隔膜具体为离子交换膜,更具体为全氟磺酸质子交换膜(商品名:膜);阴极组件包括具有相对位置的阴极气体扩散电极9、电解质支撑层7、溶液电极板8、阴极流场板10、阴极流体分配板11、阴极集流板12以及阴极端板13;阳极组件包括具有相对设置的阳极电极板5、阳极流体分配板3、阳极流场板4、阳极集流板2以及阳极端板1,其中,流体流场板的材质为导电金属,例如为铜、不锈钢、钛板、石墨板;或具有导电金属镀层的支撑体,其镀层金属例如铂、金。流体分配板的材质为导电材料,例如铜、不锈钢或石墨板。端板的材质为导电金属,用于电解池***的固定与支撑;集流板处于端板与流体分配板之间,用于电流在电解电堆***的均匀分配;流体分配板置于集流板与流场板之间,用于阴、阳极物流在电堆***中的分配;阳极流场板 4与阴极流场板10可为腔体结构也可为具有导流通道的流场结构,为其间的固体电解质膜电极提供反应物、电解液与产物导流通道;阴极端板13上设置有与进料口2-2和出料口2-3一一对应的螺纹孔,以用于安装管板接头,以供应阴极反应物及收集还原气相产物;
阴极流场板10,如图2、3所示,其中,阴极反应槽3-3设置于阴极流场板第二电极面3-0上。阴极流场板第一电极面2-0表面设置有若干沟槽2-5,所述沟槽的一端与所述阴极反应槽连通,相对端与所述传质通道连通,以实现反应物从所述传质通道流入所述流场以及产物从所述流场流入所述传质通道内。
溶液电极板8,如图4、5所示,其上设置有贯穿其的、具有相对设置的第一开口端和第二开口端的电解液腔体4-1,第一开口端与阴极流场板10密封连通。其中所述电解质支撑层7,与所述溶液电极板8中电解液腔体4-1紧密配合,其与阴极气体扩散电极构建反应界面,为二氧化碳电化学反应提供场所;电解质支撑层7中储藏含有饱和CO2的电解液或电解液与CO2的两相流溶液;溶液电极板 8与阳极流场板4间设置隔膜。
为了实现溶液电极板腔体内电解液的更新,溶液电极板8还包括若干进、出料沟槽4-2,平行设置在溶液电极板8第一绝缘面4-0的侧面上,其中进、出料沟槽4-2一端与电解液腔体4-1连通,相对端与传质通道连通,以实现反应物从传质通道流入电解液腔体4-1内以及产物从电解液腔体4-1流入传质通道内。其表面通过进料桥4-3与上表面密封(见图4)。
实施例2:膜电极构型电解池的应用:电流密度对二氧化碳电还原性能的影响为了验证本发明独特结构的电还原二氧化碳的电解池。在CO2电还原电解池结构设计过程中,通过调整电流密度的大小,同时进行CO2电催化还原的电化学表征与还原产物分析,其中上述实施例1中的电解池中工作电极由单原子Ni-N-C气体扩散电极(有效面积25cm2)构成,氧化铱/钛电极以及碳酸氢钾水溶液分别作为对电极与为电解质溶液。本发明对电解池运行过程中CO2气相还原产物进行在线实时检测。其中在线检测利用气相色谱仪(7890B,安捷伦仪器)进行全量程气相产物分析,其中还原产物气相组成为CO和H2。图6为电流密度对电解池二氧化碳电还原产物分布的影响,其中***运行温度25℃,碳酸氢钾浓度0.5mol/L,工作电流密度为0.8~10mA/cm2。从图6(a)、(b)可以看出,当还原电流密度为 0.8mA/cm2时,还原产物中CO和H2的法拉第效率分别为11.462%和27.672%;进一步提升还原电流密度为6mA/cm2,还原产物中CO和H2的法拉第效率分别为79.316%和8.562%;进一步提升还原电流密度至10mA/cm2时,还原产物中 CO和H2的法拉第效率分别为86.840%和5.723%。
实施例3:膜电极构型电解池的应用:溶液电极板厚度对二氧化碳电还原性能影响
为了验证本发明独特结构的电还原二氧化碳的电解池。在CO2电还原电解池结构设计过程中,可通过调整溶液电极板的厚度,调节CO2电还原离子电阻的大小。本实施例分别考察溶液电极板厚度为2mm和5mm时,CO2电催化还原的电化学行为。其中电解池组成与实施例2一致。图7为溶液电极板的厚度对电解池二氧化碳电还原性能影响,其中***运行温度25℃,碳酸氢钾浓度0.5mol/L,工作电位-1V~-10V。从图7可以明显看出,溶液电极板的厚度为2mm时,当工作电位为-1V时,***运行电流密度为0.605mA/cm2,当还原电位达到-10.5V时,***还原电流密度达到-57.957mA/cm2;进一步提升溶液电极板的厚度至5mm时,当还原电位达到-10.5V时,***还原电流密度达到-44.773mA/cm2。
实施例4:膜电极构型电解池的应用:电解质浓度对二氧化碳电还原性能影响
为了验证本发明独特结构的电还原二氧化碳的电解池。在CO2电还原电解池结构设计过程中,选择不同浓度的KHCO3作为电解质支撑层,通过调节KHCO3的浓度,进行了CO2电催化还原的电化学表征与还原产物分析,其中电解池组成与实施例2一致。图8为电解质溶液浓度对电解池二氧化碳电还原性能影响,其中***运行温度为25℃,KHCO3浓度为0.1~0.6mol/L,工作电压为-1V~-10.5V。从图8可以看出,碳酸氢钾浓度为0.1mol/L时,当工作电位为-1V时,***运行电流密度为0.3056mA/cm2;当还原电位达到-10.5V时,***还原电流密度达到 -7.106mA/cm2;进一步提升碳酸氢钾浓度到0.3mol/L时,当还原电位达到-10.5V 时,***还原电流密度达到-20.311mA/cm2;进一步提升碳酸氢钾浓度到0.6mol/L时,当还原电位达到-10.5V,***还原电流密度达到-58.516mA/cm2。
本发明中针对CO2电还原气相产物也进行了表征,其中还原产物为CO和 H2,电流密度为0.8~6mA/cm2,***运行温度为25℃以及碳酸氢钾浓度为 0.1~0.6mol/L。实验结果如图9(a)、(b)所示,从图中可以看出,碳酸氢钾浓度为0.1mol/L时,当电流密度为0.8mA/cm2时,CO和H2的法拉第效率分别为32.266%和26.880%,当电流密度达到6mA/cm2,CO和H2的法拉第效率分别为81.496%和7.737%;进一步提升碳酸氢钾浓度为0.3mol/L时,当电流密度为0.8mA/cm2, CO和H2的法拉第效率分别为22.173%和46.153%,当电流密度为6mA/cm2,CO 和H2的达拉第效率分别为79.888%和10.323%;进一步提升碳酸氢钾浓度为0.6mol/L,当电流密度为0.8mA/cm2时,CO和H2的法拉第效率分别为15.886%和39.910%,当电流密度达到6mA/cm2,CO和H2的法拉第效率分别为79.854%和10.023%;通过改变KHCO3浓度,相同电流密度下CO和H2的法拉第效率无显著变化。仅在电流密度为0.8mA/cm2时,H2法拉第效率存在显着差异。因此,本发明对其电解过程中工作电压随碳酸氢钾浓度变化的趋势进行了表征,从图中可以看出,随着碳酸氢钾浓度的提升,工作电压逐渐降低,变化规律与阻抗提供的数据一致。
Claims (2)
1.一种电催化还原二氧化碳的电解池,其特征在于,包括阴极组件、阳极组件以及分割两者的隔膜;所述阳极组件为依次贴合相连的阳极端板、阳极集流板、阳极流体分配板、阳极流场板与阳极电极板;所述阴极组件为依次贴合相连的电解质支撑层、溶液电极板、阴极气体扩散电极、阴极流场板、阴极流体分配板、阴极集流板以及阴极端板;隔膜设置于阳极组件的阳极电极板与阴极组件的电解质支撑层之间;阳极端板与阴极端板通过连接孔和螺栓装配固定,进而实现阴、阳极组件的固定;所述电解质支撑层嵌入溶液电极板的凹槽内,与嵌入阴极流场板中的阴极气体扩散电极形成二氧化碳电化学反应的场所;所述溶液电极板厚度为2mm~5mm;所述电解质支撑层为石棉膜、石英棉或羊毛毡中的一种;端板的材质为导电金属;流场板的材质为导电金属,或具有导电金属镀层的支撑体;流体分配板的材质为导电材料;阴极进、出料孔分别设置于阴极端板、阴极流体分配板、溶液电极板与阴极流场板的对角线位置上;电解液进、出料孔与阴极进、出料孔错位设置,分别设置于阴极端板、阴极流体分配板、溶液电极板、与阴极流场板的对角线位置上;阳极进、出料孔分别设置于阳极端板、阳极流体分配板和阳极流场板的对角线位置上;当各部件装配在一起时,相邻部件上的进、出料孔彼此对应,以形成阴、阳极进、出料通道以及电解液的进、出通道;定位孔分别设置在所述阴极流场板、溶液电极板和阳极流场板上,当三者装配在一起时,定位孔彼此对应,以通过定位轴实现相邻部件间的固定;测温孔,设置于阴、阳极流场板的周壁上且延伸至其内部,其内放置有热电偶,以监控阴、阳极流场板中部设置的反应槽内的温度。
2.根据权利要求1所述的电催化还原二氧化碳的电解池,其特征在于,隔膜为离子交换膜。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810016816.1A CN108193225B (zh) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | 一种膜电极构型co2电还原电解池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810016816.1A CN108193225B (zh) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | 一种膜电极构型co2电还原电解池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108193225A CN108193225A (zh) | 2018-06-22 |
CN108193225B true CN108193225B (zh) | 2020-01-24 |
Family
ID=62588597
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810016816.1A Active CN108193225B (zh) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | 一种膜电极构型co2电还原电解池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108193225B (zh) |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6845114B2 (ja) * | 2017-09-20 | 2021-03-17 | 株式会社東芝 | 二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法 |
CN111088504B (zh) * | 2018-10-24 | 2021-04-02 | 武汉大学 | 一种实用的二氧化碳还原膜电解器及其制备方法 |
KR102632148B1 (ko) * | 2018-10-30 | 2024-02-01 | 연세대학교 산학협력단 | 금속 나노클러스터가 고정된 기체확산 전극, 이를 포함하는 흐름 전해조 및 이산화탄소 전환 시스템 |
IL288368A (en) * | 2019-05-25 | 2022-07-01 | Szegedi Tudom?Nyegyetem | A modular electrolyzer stack and process for converting carbon dioxide into gaseous products at increased pressure and at a high conversion rate |
CN110453236A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-15 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种传质强化型co2电还原电解池 |
CN110867601A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-03-06 | 东华大学 | 一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器 |
CN111121973B (zh) * | 2019-12-27 | 2021-08-03 | 武汉理工大学 | 一种利用红外热成像准原位检测膜电极穿孔点的测试夹具 |
CN111575726B (zh) * | 2020-05-27 | 2021-10-01 | 上海科技大学 | 一种用于二氧化碳的电化学还原的电化学反应器 |
CN111893507A (zh) * | 2020-06-22 | 2020-11-06 | 西安交通大学 | 一种适用于光电催化co2还原合成碳氢燃料的在线反应池 |
CN111733425A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-02 | 福建师范大学 | 一种多功能电催化二氧化碳还原的电解池装置 |
CN115161677B (zh) * | 2021-04-01 | 2023-09-26 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种温度可控的二氧化碳电解装置 |
CN113265670B (zh) * | 2021-04-20 | 2022-11-18 | 复旦大学 | 含有支撑薄膜的电解池及电化学*** |
CN113373462A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-09-10 | 南京理工大学 | 一种用于电化学还原co2的膜式液流电解池及测试工艺 |
CN113481525B (zh) * | 2021-06-08 | 2022-11-15 | 中国空间技术研究院 | 电化学反应器及电化学反应*** |
CN113866248B (zh) * | 2021-12-03 | 2022-02-18 | 六创资源环境研究院(南京)有限公司 | 一种二氧化碳浓度检测传感器的检测方法 |
CN114908363A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-16 | 苏州大学 | 一种膜电极组件反应器及其应用 |
CN116083933B (zh) * | 2022-12-06 | 2024-03-19 | 南京大学 | 一种二氧化碳电催化反应***及反应方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102912374A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种以双极膜为隔膜的电化学还原co2电解池及其应用 |
WO2014202855A1 (fr) * | 2013-06-20 | 2014-12-24 | IFP Energies Nouvelles | Procédé de fabrication d'acide formique |
CN106715760A (zh) * | 2014-09-08 | 2017-05-24 | 3M创新有限公司 | 用于二氧化碳电解槽的离子聚合物膜 |
CN107406993A (zh) * | 2014-12-19 | 2017-11-28 | 雷普索尔有限公司 | 压滤光电化学水氧化和co2还原电池 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3828315A1 (en) * | 2016-05-03 | 2021-06-02 | Opus 12 Incorporated | Reactor with advanced architecture for the electrochemical reaction of co2 and co |
-
2018
- 2018-01-09 CN CN201810016816.1A patent/CN108193225B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102912374A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种以双极膜为隔膜的电化学还原co2电解池及其应用 |
WO2014202855A1 (fr) * | 2013-06-20 | 2014-12-24 | IFP Energies Nouvelles | Procédé de fabrication d'acide formique |
CN106715760A (zh) * | 2014-09-08 | 2017-05-24 | 3M创新有限公司 | 用于二氧化碳电解槽的离子聚合物膜 |
CN107406993A (zh) * | 2014-12-19 | 2017-11-28 | 雷普索尔有限公司 | 压滤光电化学水氧化和co2还原电池 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
基于锡负载气体扩散电极的CO2电化学还原实验研究;袁圣伦;《重庆大学硕士学位论文》;20170315;第21-23页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108193225A (zh) | 2018-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108193225B (zh) | 一种膜电极构型co2电还原电解池 | |
Liang et al. | Electrolytic cell design for electrochemical CO2 reduction | |
US7491453B2 (en) | Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas | |
Sun et al. | Investigations on degradation of the long-term proton exchange membrane water electrolysis stack | |
Huskinson et al. | A high power density, high efficiency hydrogen–chlorine regenerative fuel cell with a low precious metal content catalyst | |
CN113373462A (zh) | 一种用于电化学还原co2的膜式液流电解池及测试工艺 | |
IL288368A (en) | A modular electrolyzer stack and process for converting carbon dioxide into gaseous products at increased pressure and at a high conversion rate | |
CN103178283B (zh) | 一种氢溴储能电池结构 | |
CN111304672B (zh) | 一种h型固定床二氧化碳还原电解池及应用 | |
Rossi et al. | Vapor-fed cathode microbial electrolysis cells with closely spaced electrodes enables greatly improved performance | |
CN108166016B (zh) | 一种电还原二氧化碳的电解池 | |
Wang et al. | Evaluation of low-cost cathode catalysts for high yield biohydrogen production in microbial electrolysis cell | |
CN210826375U (zh) | 一种传质强化型co2电还原电解池 | |
CN111058051A (zh) | 一种常温常压电化学氮肥生产*** | |
Andreassen | Hydrogen production by electrolysis | |
US20110315562A1 (en) | Novel electrochemical method for producing hydrogen, and device for implementing same | |
CN213925048U (zh) | 一种二氧化碳气相电解还原装置 | |
CN116200765A (zh) | 一种促进co2高效电还原的新型电极杆 | |
CN2879440Y (zh) | 质子交换膜燃料电池堆 | |
Cloutier et al. | Triode operation of a proton exchange membrane (PEM) methanol electrolyser | |
CN111206265B (zh) | 气水循环***及其多功能水电解装置 | |
CN111883780B (zh) | 一种电解法制备活性石墨毡电极的方法 | |
Gul et al. | Modeling and Simulation of Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer for Green Hydrogen Production | |
US20240229257A1 (en) | Photo-electrochemical cell and corresponding apparatus | |
CN113823821B (zh) | 一种铁-氢储能电池及其应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |