BR112020014938A2

BR112020014938A2 - sistema e método para o controle de reator de dióxido de carbono

Info

Publication number: BR112020014938A2
Application number: BR112020014938-1A
Authority: BR
Inventors: Kendra Kuhl; Etosha Cave; Nicholas Flanders; Sichao Ma; Qun Zeng; George Leonard
Original assignee: Opus-12 Incorporated
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2021-02-23
Also published as: CA3089119A1; AU2019210132A1; KR20210018783A; JP2024023170A; EP3743371A4; US11512403B2; AU2019210132B2; CN117926298A; US20190226103A1; CN111954640A; EP3743371A1; AU2023202721A1; US20230265572A1; WO2019144135A1; JP7364313B2; JP2021512223A; CN111954640B

Abstract

Um sistema preferivelmente incluindo um reator de dióxido de carbono. Um método para controle do reator de dióxido de carbono, preferivelmente incluindo a seleção de aspectos de reator de dióxido de carbono com base em uma composição de saída desejada, o funcionamento de um reator de dióxido de carbono sob condições controladas de processo para produzir uma composição de saída desejada, e/ou a alteração das condições de processo para alterar a composição de saída.

Description

SISTEMA E MÉTODO PARA O CONTROLE DE REATOR DE DIÓXIDO DE CARBONO REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório US número de série 62/619.996, depositado em 22 de janeiro de 2018, Pedido Provisório US número de série 62/620.109, depositado em 22 de janeiro de 2018, e Pedido Provisório US número de série 62/685.771, depositado em 15 de junho de 2018, cada um sendo incorporado em sua totalidade por esta referência.

DECLARAÇÃO DE APOIO GOVERNAMENTAL

[002] Esta invenção foi feita com apoio governamental sob o Número de Bolsa 1738554, concedida pela National Science Foundation, e sob os Números de Bolsas DE-SC0015872, DE-SC0017725, e DE-SC0018549, concedidas pelo Department of Energy Office of Science. O governo tem determinados direitos sobre a invenção.

CAMPO TÉCNICO

[003] Esta invenção refere-se geralmente ao campo de reatores de dióxido de carbono e, mais especificamente, a um sistema e método novos e utilizáveis para controle do reator no campo de reatores de dióxido de carbono.

FUNDAMENTOS

[004] Sistemas e métodos típicos para controle de reatores de dióxido de carbono se concentram na maximização de aspectos relacionados com a produção de monóxido de carbono (CO) e/ou outros produtos contendo carbono (CCPs), tais como razões de maximização de CO para outros produtos do reator (por exemplo, razão CO:H2), concentração de CO, e/ou taxa de saída ou saída de CO total.

[005] Assim, existe uma necessidade no campo de reatores de dióxido de carbono para criar um sistema e método novos e utilizáveis para controle do reator. BREVE DESCRIÇÃO DAS Figuras

[006] Figura l é uma representação em fluxograma de uma modalidade do método.

[007] Figuras 2A-2B são uma representação esquemática de uma modalidade do sistema e uma variação da modalidade, respectivamente.

[008] Figuras 2C-2D são representações esquemáticas de um primeiro e segundo exemplo, respectivamente, da modalidade do sistema.

[009] Figura 3 é uma representação esquemática de um exemplo do sistema.

[0010] Figuras 4A-4B são exemplos de dependência idealizada e não idealizada de saídas do reator em densidade de corrente, respectivamente.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0011] A seguinte descrição das modalidades preferidas da invenção não é destinada a limitar a invenção a estas modalidades preferidas, mas, em vez disso, permitir que qualquer versado na técnica realize e use esta invenção.

1. Visão Geral.

[0012] Um sistema e/ou método para controle do reator de dióxido de carbono preferivelmente funciona para controlar aspectos de produção do reator, tais aspectos relacionados à quantidade, concentração, e/ou razões de produtos do reator. Sistemas e métodos típicos para controle do reator de dióxido de carbono têm se concentrado na maximização de aspectos relacionados à produção de monóxido de carbono (CO) e/ou outros produtos contendo carbono (CCPs) (por exemplo, espécies contendo carbono (CCSs)), tais como maximizar razões de CO para outros produtos do reator (por exemplo, razão CO:H2), concentração de CO, e/ou taxa de saída ou de saída de CO total.

[0013] No entanto, os inventores descobriram que, para algumas aplicações, simplesmente maximizar valores de aspecto pode ser indesejável, e que o controle arbitrário de tais aspectos (por exemplo, controle de aspeto dinâmico ou seletivo para atender a um valor dentro de uma faixa de valores de aspecto alvos), em vez de maximização simples, pode ser benéfico. Por exemplo, pode ser desejável controlar seletivamente a razão CO:H2 dos produtos do reator (por exemplo, permitindo controle arbitrário em um espectro da razão CO:H2 mais alta possível para um dado sistema e/ou processo, até aproximadamente 1:3 CO:H2 ou mais baixa). Com tal controle, a saída do reator pode ser usada de modo mais eficaz (por exemplo, em que as saídas do reator são alimentadas diretamente para uma entrada subsequente) para aplicações tais como produção de hidrocarboneto líquido através do processo Fischer-Tropsch (por exemplo, controlando o reator para produzir uma razão de saída de CO:H2 de aproximadamente 1:2), processos de síntese química, e/ou processos de fermentação de gás (por exemplo, gás sintético) processos de fermentação (por exemplo, biorreatores).

2. Sistema.

[0014] O sistema pode incluir um reator de dióxido de carbono, tal como um reator que gera produtos contendo carbono (por exemplo, CO, alcanos, álcoois, etc.) e/ou hidrogênio a partir de uma entrada (preferivelmente, uma corrente de entrada, tal como uma corrente de fluido) que inclui dióxido de carbono (por exemplo, como mostrado em Figuras 2A-2D). O reator preferivelmente aceita uma entrada de dióxido de carbono em fase gasosa e/ou realiza a(s) reação(ões) usando dióxido de carbono em fase gasosa (por exemplo, é um reator de fase gasosa), mas pode adicionalmente ou alternativamente aceitar dióxido de carbono em fase líquida, dióxido de carbono supercrítico em fase fluida, dióxido de carbono em fase sólida, e/ou qualquer outra entrada de dióxido de carbono apropriada. O reator é preferivelmente um eletrolisador (por exemplo, reator eletroquímico), mais preferivelmente um eletrolisador de polímero em fase gasosa - membrana de eletrólito, mas pode incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros reatores apropriados.

[0015] O reator inclui preferivelmente um ou mais: eletrodos (por exemplo, ânodo, catodo), catalisadores (por exemplo, no e/ou adjacente ao catodo e/ou ânodo), camadas de difusão de gás (por exemplo, adjacentes ao catodo e/ou ânodo), e/ou campos de fluxo (por exemplo, definidos no e/ou adjacentes aos eletrodos e/ou camadas de difusão de gás, tal como um ou mais canais definidos opostos ao catodo através da camada de difusão de gás). Em algumas modalidades, o reator inclui uma ou mais membranas de eletrólito de polímeros (PEMs), preferivelmente estabelecendo comunicação iônica entre o ânodo e catodo do reator. Em uma variação, o reator inclui uma pilha de membranas incluindo: uma camada de catodo incluindo um catalisador de redução e um polímero condutor de íons; uma membrana PEM (por exemplo, membrana bipolar, membrana monopolar, etc.; membrana incluindo um ou mais condutores de ânions, tal como membranas de troca de ânions (AEMs), condutores de prótons e/ou cátions tais como membranas de troca de prótons, e/ou quaisquer outros polímeros condutores de íons apropriados; membrana incluindo uma ou mais camadas tampão; etc.); e uma camada de ânodo incluindo um catalisador de oxidação e um polímero condutor de íons. O polímero condutor de íons de cada camada pode ser o mesmo ou diferentes polímeros condutores de íons.

[0016] Em algumas modalidades, um ou mais dos catalisadores (por exemplo, catalisador de redução, catalisador de oxidação) pode incluir partículas de catalisador (por exemplo, definindo uma rede porosa de partículas), preferivelmente nanopartículas. Um ou mais dos catalisadores pode incluir adicionalmente ou alternativamente um ou mais eletrólitos de polímero, preferivelmente em que o eletrólito de polímero é misturado com as nanopartículas de catalisador (por exemplo, dispostas dentro da rede porosa, tal como carregadas nas regiões abertas definidas pela rede porosa). As nanopartículas de catalisador podem definir um ou mais tamanhos característicos (por exemplo, tamanho médio, tamanho mediano, tamanho mínimo, tamanho máximo, tamanho em um percentil particular da distribuição de tamanho de partícula, etc.), e/ou a rede porosa pode definir uma porosidade (por exemplo, fração de espaço vazio dentro da rede), densidade, tortuosidade (por exemplo, comprimento característico do trajeto por espessura, área, e/ou volume de camada, tal como o trajeto através de espaços vazios ou trajeto ao longo de partículas interconectadas, etc.), e/ou qualquer outra métrica apropriada de rede porosa.

[0017] Em um exemplo (“configuração do reator A”), o sistema inclui: uma camada de difusão de gás de papel de fibra de carbono (por exemplo, Sigracet 39BC); uma camada de catalisador incluindo aproximadamente 20% em peso de aproximadamente 4 nm de partículas de ouro em carbono Vulcan e um polímero condutor de ânion (por exemplo, Fumasep FAA- 3); uma PEM bipolar; e um campo de fluxo tal como um campo de fluxo tipo serpentina única, dupla, tripla, ou quádrupla ou um campo de fluxo interdigitado. Em um exemplo específico, os eletrodos definem uma área de aproximadamente 25 cm2, mas podem definir adicionalmente ou alternativamente qualquer outra área apropriada.

[0018] Em algumas modalidades, o reator inclui um ou mais elementos tal como descritos no Pedido de Patente US número de série 15/586.182, depositado em 03 de maio de 2017 e intitulado “Reactor with Advanced Architecture for the Electrochemical Reaction of CO2, CO and Other Chemical Compounds”, que é incorporado aqui em sua totalidade por esta referência. No entanto, o reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros elementos apropriados em qualquer arranjo apropriado.

[0019] Informação adicional com relação às modalidades e/ou elementos opcionais do sistema e/ou método (por exemplo, como mostrado por meio de exemplo em Figura 3) é dada abaixo.

[0020] Um sistema da invenção pode incluir opcionalmente uma fonte a montante de entrada de dióxido de carbono, conectada a uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção, incluindo um ou mais de: um sistema de produção de biogás; um sistema de fermentação de etanol, tal como sistema de produção de etanol de milho, um sistema de produção de cerveja, um sistema de produção de vinho; um sistema de processamento de gás natural; um sistema de produção de cimento; um sistema de alto-forno, por exemplo, um sistema de alto-forno de produção de aço, capaz de produzir gás para alto-forno; um sistema de produção de gás de coque; sistemas de centrais elétricas, tais como sistemas de centrais elétricas a petróleo, sistemas de centrais elétricas a gás natural, sistemas de centrais elétricas a carvão; sistemas de refinaria de petróleo; sistemas de produção de etileno; sistemas de produção de amônia; sistemas de produção de hidrogênio, tais como sistemas de troca de água-gás; instalações de processamento de gás natural (por exemplo, processamento Benfield); sistemas de produção de óxido de etileno; sistemas de fundição de alumínio; sistemas de produção de gás natural liquefeito (LNG); gaseificadores de cargas de alimentação sólidas (por exemplo, resíduo sólido urbano, biomassa, ou cargas de alimentação de carvão); reformadores (por exemplo, reformadores a vapor de metano, reformadores autotérmicos); sistemas de realização de reações de Boudouard; captura de ar direta (DAC) de processo de dióxido de carbono; e/ou qualquer outro sistema capaz de produzir dióxido de carbono.

Uma fonte a montante de dióxido de carbono pode ser conectada diretamente a uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção (por exemplo, serve como a entrada, tal como conectada ao catalisador de redução através do campo de fluxo do catodo e/ou camada de difusão de gás, etc.) ou, alternativamente, a fonte a montante pode ser conectada a um sistema de purificação; um sistema de compressão de gás; ou ambos, um sistema de purificação e um sistema de compressão de gás, em qualquer ordem; que então se conecta a uma entrada de um sistema de dióxido de carbono da invenção. Múltiplos sistemas de purificação e/ou compressão de gás (por exemplo, depuradores, etc.) podem ser empregados.

[0021] Um sistema da invenção pode incluir adicionalmente uma entrada de um sistema a jusante, capaz de transformar saídas de produtos químicos de um reator de dióxido de carbono da invenção, conectadas a uma saída de um reator de dióxido de carbono da invenção. Um sistema a jusante da invenção pode incluir um ou mais de: um sistema de biorreator; um sistema Fischer-Tropsch; um sistema de fermentação anaeróbica; um sistema de fermentação de gás sintético; um sistema de produção de policetona; um sistema de produção de formato; um sistema de produção de éster de formato; um sistema de produção de formamida; um sistema de hidroformilação; um sistema de síntese de metanol; um sistema de polimerização de etileno; e/ou qualquer outro sistema capaz de transformar saídas de produtos químicos de um reator de dióxido de carbono da invenção. Uma saída do reator de dióxido de carbono da invenção pode estar diretamente conectada (por exemplo, via o campo de fluxo do catodo e/ou camada de difusão de gás) a um sistema a jusante, e/ou a saída do reator de dióxido de carbono pode estar conectada a um sistema de purificação; um sistema de compressão de gás; ou ambos, um sistema de purificação e um sistema de compressão de gás, em qualquer ordem; que então, preferivelmente, se conecta a uma entrada de um sistema a jusante. Múltiplos sistemas de purificação e/ou sistema de compressão de gás podem ser empregados.

[0022] Um sistema a jusante da invenção pode produzir saída de dióxido de carbono além de outras saídas de produtos. Um sistema da invenção pode incluir adicionalmente uma conexão entre uma saída contendo dióxido de carbono de um sistema a jusante e uma entrada de um reator de dióxido de carbono. A saída contendo dióxido de carbono de um sistema a jusante pode ser conectada diretamente a uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção ou, alternativamente, a saída contendo dióxido de carbono a jusante pode ser conectada a um sistema de purificação; um sistema de compressão de gás; ou ambos, um sistema de purificação e um sistema de compressão de gás, em qualquer ordem; que então se conecta a uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção. Múltiplos sistemas de purificação e/ou sistema de compressão de gás podem ser empregados.

[0023] Um reator de dióxido de carbono da invenção pode produzir uma faixa de produtos (por exemplo, metano, etileno, monóxido de carbono (CO), hidrogênio molecular (H2), etanol, formato, ácido fórmico, acetato, ácido acético, propanol, butanol, etano, metanol) que podem ser usados em sistemas e processos a jusante. Diferente reatores de dióxido de carbono (por exemplo, incluindo diferentes pilhas de camadas, catalisadores e/ou camadas de catalisador, PEMs, campos de fluxo, camadas de difusão de gás, configurações de compressão de célula, e/ou quaisquer outros aspectos apropriados, etc.) podem ser usados para alcançar diferentes produtos de redução (por exemplo, composições de produto tal como HCR); no entanto, diferentes produtos de redução podem adicionalmente ou alternativamente ser alcançados por ajuste dos parâmetros de operação, e/ou ser de outro modo alcançados. Muitos sistemas e processos a jusante possíveis liberam CO2 (exemplos incluem bio-utilização de metano, bio- utilização de ácido fórmico ou formato, bio-utilização de ácido acético ou acetato, Fischer-Tropsch, síntese de metanol). Um sistema de reciclo de dióxido de carbono com tamanho apropriado para a aplicação específica pode ser usado em muitos destes casos para retornar CO2 da saída do sistema a jusante para uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção para aumentar a eficiência de carbono do processo total.

[0024] Um sistema da invenção pode incluir adicionalmente uma fonte de energia elétrica conectada a um reator de dióxido de carbono da invenção, a fonte de energia elétrica compreendendo um ou mais de: um sistema de produção de energia elétrica solar; um sistema de produção de energia elétrica eólica; um sistema de produção de energia elétrica geotérmica; um sistema de produção de energia elétrica de combustíveis fósseis; ou qualquer outro sistema capaz de produção de energia elétrica.

[0025] Um sistema da invenção pode ser empregado para armazenar energia elétrica na forma de energia química. Por exemplo, produtores de potência podem produzir excesso de potência durante períodos de uso fora do pico. Sistemas da invenção são capazes de responder rapidamente a uma necessidade de consumo de excesso de potência. Eles não precisam ser aquecidos para operar, e eles podem ser ciclados entre os estados ligado e desligado sem deterioração dos reatores de dióxido de carbono da invenção. A capacidade de responder rapidamente às necessidades de utilização de potência permite que os sistemas da invenção funcionem bem com fontes intermitentes de potência tais como sistemas de produção de energia elétrica solar, e sistemas de produção de energia elétrica eólica.

[0026] Uma modalidade de um sistema da invenção pode incluir um biorreator a montante, um reator de dióxido de carbono, e uma fonte de energia elétrica intermitente. Quando potência elétrica está disponível a partir de solar, ou eólica, ou baixa demanda fora do pico, ou outras fontes, um meio de detecção de disponibilidade de potência pode ser usado para dar a partida do reator de dióxido de carbono. Além disso, o sistema pode reforçar a saída do biorreator a montante, por exemplo, elevando a temperatura do biorreator a montante e aumentando o fluxo de nutrientes para o biorreator a montante. Para outras fontes de dióxido de carbono a montante, outros meios podem ser usados como necessário para aumentar o fluxo de dióxido de carbono para uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção.

[0027] Um sistema da invenção pode incluir adicionalmente meios para medir condições, saídas, e entradas nos sistemas conectados a um reator de dióxido de carbono da invenção (por exemplo, sensores, sistemas, etc.). Tais meios podem incluir sistemas de medição de propriedades químicas tais como cromatógrafos a gás, espectrômetros de massa, espectrômetros de infravermelho, espectrômetros de luz visível, e/ou espectrômetros de luz ultravioleta; meios de detecção de temperatura; meios de medição de taxa de fluxo; detectores de disponibilidade de potência elétrica; e/ou quaisquer outros sistemas de monitoramento. Os sistemas de monitoramento podem monitorar os parâmetros das correntes de entrada e/ou saída, os parâmetros de um componente das correntes de entrada e/ou saída (por exemplo, a concentração de impurezas, a concentração de dióxido de carbono, a concentração de produto, etc.), e/ou monitorar qualquer(s) outro(s) parâmetro(s) apropriado(s) da corrente.

[0028] Um sistema da invenção pode incluir adicionalmente meios para responder às condições medidas em sistemas conectados a um reator de dióxido de carbono da invenção (por exemplo, sensores, sistemas, etc.). Tais meios podem incluir sistemas para ajuste de taxas de fluxo, temperaturas, consumo de potência ou outros parâmetros do sistema.

[0029] Um sistema da invenção pode incluir um ou mais reatores de dióxido de carbono.

[0030] No entanto, o sistema pode incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros elementos apropriados em qualquer arranjo apropriado.

3. Método.

[0031] O método é implementado preferivelmente usando o sistema descrito acima, mais pode ser adicionalmente ou alternativamente implementado usando qualquer(s) outro(s) sistema(s) apropriado(s). O método inclui preferivelmente fazer funcionar o reator sob condições controladas de processo (por exemplo, como descrito abaixo em detalhes adicionais) para produzir as saídas desejadas (por exemplo, CO, H2, etc.) nas razões desejadas (por exemplo, razão de hidrogênio molecular para CCP (HCR) e/ou razão de CCP para hidrogênio molecular), e/ou alterar as condições de processo para alterar as saídas e/ou razões de saída (por exemplo, como mostrado em Figura 1).

[0032] O funcionamento do reator pode incluir: prover uma ou mais entradas (por exemplo, gases, líquidos, sólidos, etc.), tais como dióxido de carbono, uma fonte de dióxido de carbono (por exemplo, gás residual), e/ou água; fazendo com que todas ou algumas das entradas passem por reações (por exemplo, aplicando uma tensão através dos eletrodos do dispositivo), gerando assim produtos; e/ou removendo os produtos do reator (por exemplo, como uma corrente de gás de saída). Tais reações podem incluir, por exemplo, redução de dióxido de carbono e/ou água para gerar produtos tais como CO (e/ou outros CCPs, tais como ácido fórmico, metanol, glioxal, metano, ácido acético, glicolaldeído, etileno glicol, acetaldeído, etanol, etileno, hidroxiacetona, acetona, álcool alílico, propionaldeído, n-propanol, etc.), H2, e/ou 02. No entanto, fazer funcionar o reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente fazer com que quaisquer outras reações apropriadas ocorram, e/ou pode incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros elementos apropriados realizados de qualquer modo apropriado.

[0033] O método pode incluir o controle do sistema para alcançar um conjunto desejado de condições de processo (por exemplo, aspectos), tais como condições de processo conhecidas que resultam em um valor métrico de saída desejado (por exemplo, uma razão de CCP:H2 desejada, tal como uma razão de CO:H2). O método pode incluir adicionalmente ou alternativamente alterar as condições de processo, tal como com base em uma diferença entre saídas reais e desejadas (por exemplo, para reduzir ou eliminar a diferença). Por exemplo, o método pode incluir: impor um conjunto inicial de condições de processo; monitorar uma ou mais métricas de saída (por exemplo, razão CCP:H2 ); determinar que uma métrica de saída difere de uma métrica de saída alvo (por exemplo, é maior do que ou menor do que o alvo); alterar uma ou mais condições de processo para reduzir a diferença da métrica de saída (por exemplo, reduzir ou aumentar um valor de condição de processo, tal como uma condição para a qual a métrica de saída tende a aumentar ou diminuir junto com um aumento do valor da condição de processo); e opcionalmente continuar a monitorar as métricas de saída e/ou alterar as condições de processo (por exemplo, implementando um controle de circuito fechado das condições de processo com base nas métricas de saída).

[0034] O método pode incluir opcionalmente determinar a(s) métrica(s) de saída alvo, que funciona para determinar que parâmetro(s) ou aspecto(s) ter como alvo (por exemplo, parâmetro chave para uma dada aplicação ou sistema a jusante). Uma ou mais métricas de saída alvo podem ser selecionadas para um dado processo. A métrica de saída alvo pode ser: a métrica de saída associada com (por exemplo, predeterminada por, ditada por, etc.) uma aplicação (por exemplo, aplicações descritas acima, tal como Fischer- Tropes); selecionada aleatoriamente; determinada empiricamente (por exemplo, através de teste iterativo e monitoramento de desempenho de aplicação a jusante); otimizada (por exemplo, com base em parâmetros de operação de aplicação a jusante, parâmetros de operação do reator, etc.); especificada por um usuário; e/ou diferentemente determinada.

[0035] O método pode incluir opcionalmente determinar o valor alvo para a métrica de saída alvo, que funciona para identificar um valor (a partir de uma faixa de valores) para ter como alvo. Em algumas variações, o valor alvo pode ser um valor máximo ou mínimo (por exemplo, valor máximo ou mínimo praticamente alcançável, valor máximo ou mínimo teórico, etc.). No entanto, o valor alvo pode não ser adicionalmente ou alternativamente um valor extremo (por exemplo, pode ser um valor intermediário ou faixa de valores entre o máximo e mínimo). O valor alvo pode ser: um valor associado com a aplicação (por exemplo, predeterminado, pré- associado); selecionado aleatoriamente; determinado empiricamente (por exemplo, através da seleção do valor alvo iterativo, monitoramento de desempenho de aplicação a jusante, e ajuste de valor alvo com base no desempenho de aplicação); otimizado (por exemplo, com base em parâmetros de operação a jusante, parâmetros de operação do reator, etc.); ou diferentemente determinado. No entanto, o valor alvo pode ser qualquer outro valor apropriado, e pode ser determinado de qualquer modo apropriado.

[0036] Sob algumas condições, o método pode alcançar conversão de dióxido de carbono (por exemplo, rendimento fracionário de CO) maior do que 95% (por exemplo, até 100%), tal como em que o sistema, funcionando sob tais condições, pode alcançar pelo menos a métrica de conversão limiar. No entanto, o método pode incluir adicionalmente ou alternativamente alcançar uma conversão de dióxido de carbono maior do que 50%, 60%, 70%, 80%, 90%; entre 10%- 100%, tal como 10-40, 30-50, 40-60, 50-70, 60-75, 70-85, 80- 95, 90-95, 92-98, e/ou 95-100%; e/ou qualquer outra conversão de dióxido de carbono apropriada.

[0037] O método inclui preferivelmente alimentar os produtos do reator (ou um subconjunto dos mesmos) para um consumidor a jusante dos produtos (por exemplo, como descrito acima, tal como em relação às aplicações da saída do reator; como descrito abaixo, tal como no apêndice; etc.). O método pode incluir opcionalmente alterar os produtos do reator após eles serem produzidos (por exemplo, antes de alimentar os produtos alterados para um consumidor a jusante, etc.). Alterar os produtos do reator pode incluir opcionalmente purificação dos produtos (por exemplo, remoção de impurezas, tais como SOx e/ou NOx, da corrente de saída do reator). Alterar os produtos do reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente mistura de gases adicionais (e/ou outras substâncias) em uma corrente de saída do reator (e/ou corrente de entrada), tal como para alcançar uma métrica de saída desejada.

Em uma variação, se a razão CO:H2 da saída do reator difere de um valor desejado, a razão pode ser ajustada por mistura da saída do reator com outros gases (por exemplo, CO e/ou H2 substancialmente puros; outra mistura de CO e H2, tais como saídas produzidas e armazenadas previamente do reator, a saída de um segundo reator, saídas e/ou gases residuais de outros sistemas, etc.). Por exemplo, a razão CO:H2 da corrente de saída (e/ou gases em qualquer outra porção do reator) pode ser monitorada (por exemplo, continuamente durante a produção do reator), e desvios do valor desejado podem ser compensados por mistura em outros gases (por exemplo, adição de CO e/ou uma mistura rica em CO para aumentar a razão, adição de H2 e/ou uma mistura rica em H2 para diminuir a razão). Este exemplo inclui também preferivelmente alterar as condições de processo a fim de corrigir as saídas do reator (por exemplo, como descrito acima em relação ao controle de circuito fechado). Em uma segunda variação, em que um fornecimento de gás externo (por exemplo, as saídas e/ou gases residuais de um ou mais outros sistemas, tal como um aciaria) são alimentadas para um consumidor a jusante (por exemplo, um fermentador a gás), os produtos do reator são usados para alterar a razão CCP:H2 (por exemplo, razão CO:H2 ) do fornecimento de gás externo (por exemplo, se a razão CCP:H2 do fornecimento de gás externo diferir de um valor desejado, misturar no reator produtos para alcançar o valor desejado). Por exemplo, com base no desvio do fornecimento de gás externo do valor desejado, as condições de processo podem ser controladas para alterar a razão de CO:H2 dos produtos do reator (por exemplo, aumentando a razão em resposta a um fornecimento de gás externo pobre em CO, diminuindo a razão em resposta a um fornecimento de gás externo rico em CO), e/ou a quantidade de produto do reator misturada em um fornecimento de gás externo pode ser controlada (por exemplo, para alcançar o valor desejado). No entanto, a corrente de saída do reator pode ser adicionalmente ou alternativamente alterada de qualquer outro modo apropriado, ou pode ser usada sem alteração.

[0038] Em alguns exemplos, o método includes determinar uma ou mais métricas (por exemplo, métricas de operação) associadas com o um ou mais elementos a montante e/ou a jusante do sistema (por exemplo, reatores a jusante, entradas a montante, etc.). Tais métricas de operação podem incluir, por exemplo: condições do reator tais como temperatura, pressão, etc.; métricas de saída do reator a jusante e/ou da fonte a montante, tal como quantidade de saída, composição, pureza, etc.; métricas associadas com outras entradas para o(s) reator(s) a jusante, tais como quantidade de entrada, composição, pureza, etc.; métricas de eficiência do reator; e/ou quaisquer outras métricas apropriadas. Em tais exemplos, o método inclui preferivelmente alterar a operação do reator de dióxido de carbono com base nas métricas (por exemplo, para melhorar e/ou manter a operação do reator a jusante; para melhorar e/ou manter a operação do reator de dióxido de carbono, tal como para acomodar mudanças na fonte a montante; para melhorar e/ou manter uma métrica de saída alvo, tal como HCR ou concentração de produto de redução, tal como dando uma fonte variada de dióxido de carbono; etc.), tal como alterar a HCR da saída do reator de dióxido de carbono. No entanto, o método pode incluir adicionalmente ou alternativamente determinar quaisquer outras métricas e/ou ações apropriadas (por exemplo, com base nas métricas) de qualquer outro modo apropriado.

4. Condições de processo.

[0039] As condições de processo podem incluir: taxa de fluxo de dióxido de carbono e/ou pressão de entrada, hidratação do gás de entrada, densidade de corrente, tensão (por exemplo, preferivelmente mantida entre 1,5 V e 3 V, adicionalmente ou alternativamente operada a menos do que 1,5 V, entre 2 V-2,5 V, entre 2 V-4 V, maior do que 4 V, e/ou em qualquer outra(s) tensão(s) apropriada), e/ou temperatura. As condições de processo podem incluir adicionalmente ou alternativamente configurações do sistema, tais como aspectos de camada de difusão de gás, aspectos do catalisador, aspectos do campo de fluxo, e/ou aspectos da

PEM. No entanto, qualquer outra condição de processo apropriada pode ser controlada ou visada. A condição de processo pode ser descontrolada (por exemplo, ditada por um sistema a montante), controlada para atender a um valor alvo (por exemplo, em que o valor alvo pode ser determinado com base na aplicação que recebe a saída do reator, os parâmetros de operação do reator instantâneos ou antecipados, ou de outro modo determinados), ou de outro modo determinada.

[0040] As condições de processo incluem preferivelmente uma pressão (por exemplo, pressão de gás de entrada, pressão de reator, etc.) maior do que a pressão atmosférica (por exemplo, dentro da e/ou maior do que uma faixa de pressão limiar, tal como 1-5, 5-10, 10-20, 20-50, 50-100, 100-300, 300-1000, 1-10, 5-50, 10-100, 20-500, e/ou maior do que 1000 atm, 96,5-344, 344-1034, 689-2068, 1378-3447, 3447-6894, 5171-10342, 6894-20684, 20840-68947, 68947-137895 kPa (14- 50, 50-150, 100-300, 200-500, 500-1000, 750-1500, 1000-3000, 3000-10,000, 10.000-20.000, e/ou maior do que 20.000 psi, etc.) e/ou maior do que pressões tipicamente alcançáveis em eletrolisadores diferentes de eletrolisadores em fase gasosa, mas podem incluir adicionalmente ou alternativamente pressões substancialmente iguais a 1 atmosfera, menores do que 1 atmosfera, e/ou quaisquer outras pressões apropriadas. As condições de processo incluem preferivelmente uma temperatura (por exemplo, temperatura do reator) maior do que temperatura ambiente típica (por exemplo, em e/ou maior do que uma faixa de limiar de temperatura, tal como 25-50, 40-60, 50-100, 50-75, 70-100, e/ou maior do que 100°C, etc.) e/ou maior do que temperaturas tipicamente alcançáveis em eletrolisadores diferentes de eletrolisadores em fase gasosa, mas podem incluir adicionalmente ou alternativamente temperaturas substancialmente iguais a temperatura ambiente (por exemplo, 20-30°C), menores do que temperatura ambiente, e/ou quaisquer outras temperaturas apropriadas. No entanto, as condições de processo podem incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outras condições de processo apropriadas.

[0041] Uma taxa de fluxo maior de dióxido de carbono pode levar a produção aumentada de CCPs tal como CO (por exemplo, devido à disponibilidade maior de dióxido de carbono para redução), e, assim, uma razão CCP:H2 aumentada (e, correspondentemente, taxa de fluxo menor de dióxido de carbono pode levar a produção de CCP e razão CCP:H2 diminuídas). Em algumas modalidades, taxa de fluxo maior de dióxido de carbono também pode resultar em eficiência de conversão reduzida de dióxido de carbono, diluindo assim a corrente de saída (por exemplo, saída de gás sintético) com dióxido de carbono não reagido. Por exemplo, taxa de fluxo de dióxido de carbono (por exemplo, medida na entrada do reator) pode ser mantida em um ou mais valores na faixa de 0,1-1000 cm3 padrão por minuto/cm2 (por exemplo, 0,1-1, 1-10, 10-100, e/ou 100-1000 cm3 padrão por minuto/cm2).

[0042] Em um primeiro exemplo específico de controle com base na taxa de fluxo de gás de entrada, a configuração do reator A com um campo de fluxo em serpentina tripla é usada, pressão de reator é mantida substancialmente a 827,3 pKa (120 psi), densidade de corrente é mantida substancialmente a 500 mA/cm2, e temperatura do reator é mantida substancialmente a 30°C. Neste exemplo específico,

gás dióxido de carbono substancialmente puro é introduzido em várias taxas de fluxo, em que taxas de fluxo de entrada (por exemplo, medidas na entrada do reator) de 12 cm3 padrão por minuto/cm2, 20 cm3 padrão por minuto/cm2, e 40 cm3 padrão por minuto/cm2 resultam em razões CO:H2 de aproximadamente 1:1, 2:1,1, e 4:1, respectivamente.

[0043] Em um segundo exemplo específico de controle com base na taxa de fluxo de gás de entrada, configuração do reator A com um campo de fluxo em serpentina é usada, pressão do reator é mantida substancialmente a 896,3 kPa (130 psi), e densidade de corrente é mantida substancialmente a 500 mA/cm2. Neste exemplo específico, entrada de gás dióxido de carbono substancialmente puro em uma taxa de fluxo de 40 cm3 padrão por minuto/cm2 resulta em uma razão CO:H2 de aproximadamente 8:2, enquanto uma taxa de fluxo de 12 cm3 padrão por minuto/cm2 resulta em uma razão de aproximadamente 1:1.

[0044] Pressão maior de dióxido de carbono pode levar a rendimento fracionário de CCP e/ou razão CCP:H2 aumentados (e correspondentemente, pressão menor de dióxido de carbono pode levar a rendimento fracionário de CCP e/ou razão CCP:H2 diminuídos). Em primeiro lugar, pressão aumentada de dióxido de carbono pode resultar em disponibilidade maior de dióxido de carbono para redução, aumentando assim a produção total de CCPs. Em segundo lugar, pressão mais alta no catalisador pode reduzir a entrada de água no catalisador (por exemplo, do catodo), reduzindo assim a quantidade de água disponível para redução, o que pode aumentar diretamente a razão CCP:H2 e/ou pode reduzir a competição para sítios de reação de catalisador e/ou energia de reação (por exemplo,

favorecendo assim a redução de dióxido de carbono). Assim, em algumas modalidades (por exemplo, nas quais alto rendimento fracionário de CCP e/ou razão CCP:H2 é desejado), alta pressão do reator (por exemplo, maior do que 689 pKa (100 U), até mas maior do que uma pressão de transição de fase de dióxido de carbono, tal como uma pressão crítica de 7377 kPa (1070 psi), etc.) pode ser empregada. Por exemplo, a pressão do reator pode ser mantida em um ou mais valores na faixa de 6,9-7377 pKa (1-1070 psi) (por exemplo, 6,89-68, 68-689, 689-2068, 1378-4136, e/ou 3447- 7584 pKa (1-10, 10- 100, 100-300, 200-600, e/ou 500-1100 psi (e/ou em qualquer outra pressão apropriada.

[0045] Em um exemplo específico de controle com base na pressão do reator, a configuração do reator A com um único campo de fluxo em serpentina é usada, gás dióxido de carbono substancialmente puro é inserido a 100 cm3 padrão por minuto/cm2, densidade de corrente é mantida substancialmente a 150 mA/cm2, e temperatura do reator é mantida substancialmente a 20°C. Neste exemplo específico, a pressão do reator é mantida substancialmente a várias pressões, em que pressões do reator de 172, 344,7, 517 e 689 pKa (25, 50, 75, e 100 psi) resultam em razões CO:H2 de aproximadamente 3:2, 2,4:1, 3:1, e 5:1 e rendimentos fracionários de CO de aproximadamente 59%, 69%, 75%, e 84%, respectivamente.

[0046] O aumento da hidratação do gás de entrada pode levar a redução aumentada de água (por exemplo, devido à maior disponibilidade de água para redução), e assim, a uma razão CCP:H2 diminuída. Para uma entrada de dióxido de carbono substancialmente puro, apenas pequenas quantidades de água alcançam o catalisador (vindo quase exclusivamente do lado do catodo do reator), levando a uma razão CCP:H2 maior. Em contraste, quando gás de entrada hidratado é usado, quantidades significativas de água do gás de entrada podem alcançar o catalisador e reagir. Por exemplo, a hidratação do gás de entrada (por exemplo, proporção de vapor de água no gás de entrada) pode ser mantida em um ou mais valores na faixa de 0% (por exemplo, dióxido de carbono substancialmente puro, gás de entrada substancialmente não hidratado) a 100% (por exemplo, 0-1, 1-3, 3-5, 5-7, 7-10, 10-15, 15-25, 25-50, 50-75, e/ou 75-100 por cento).

[0047] Em um exemplo específico de controle com base na hidratação do gás de entrada, a configuração do reator A com um único campo de fluxo em serpentina é usada, densidade de corrente é mantida substancialmente a 50 mA/ cm2, pressão do reator é mantida substancialmente a 82,7 kPa (12 psi), e temperatura do reator é mantida substancialmente a 20°C. Neste exemplo específico, gás dióxido de carbono com quantidades variadas de hidratação é inserido a 100 cm3 padrão por minuto/ cm2, em que gás de entrada de dióxido de carbono puro resulta em uma razão CO:H2 de aproximadamente 3:2, gás de entrada com 12,2% de hidratação resulta em uma razão CO:H2 de aproximadamente 1:5,67, e quantidades intermediárias de hidratação resultam em razões CO:H2 entre estes dois valores.

[0048] Reatores podem exibir diferentes regimes de produção de CCP e H2 em relação à densidade de corrente. Em um reator idealizado, em baixas densidades de corrente, nenhuma redução de água ocorre e toda corrente passa para reduzir dióxido de carbono, resultando em uma dependência substancialmente linear de produção de CO na corrente e substancialmente nenhuma produção de H2; enquanto em densidades mais altas de corrente, corrente adicional (por exemplo, acima de uma corrente limiar na qual substancialmente todo dióxido de carbono já está sendo consumido) é usada para reduzir a água, resultando em uma dependência substancialmente linear de produção de H2 na corrente adicional e produção substancialmente constante de CO (por exemplo, como mostrado em Figura 4A). Em muitos reatores típicos, estes aspectos ideais são relaxados, mas os dois regimes gerais ainda são exibidos: a produção de CO aumenta muito mais rápido do que a produção de H2 no regime de baixa densidade de corrente, então se aproxima de um platô no regime de densidade mais alta de corrente enquanto a produção de H2 aumenta mais rapidamente (por exemplo, como mostrado em Figura 4B). O método pode incluir o controle de produção de CO e/ou H2 (por exemplo, controlando a razão CO:H2) operando em qualquer uma ou todas de uma ampla faixa de densidades de corrente (por exemplo, controlando a operação do reator dentro do regime de baixa e/ou alta densidade de corrente, etc.). Em algumas modalidades, o uso de dióxido de carbono de entrada na fase gasosa pode permitir densidades de corrente relativamente altas (enquanto reatores usando dióxido de carbono aquoso podem ser limitados a densidades de corrente de dezenas de mA/cm2 ou menores). Por exemplo, o método pode incluir operar a densidades de corrente entre l mA/cm2 e 100 A/ cm2 (por exemplo, 1-75 mA/cm2, 50-100 mA/cm2, 100-200 mA/cm2, 200-500 mA/cm2, 500- 1000 mA/cm2, 50-1000 mA/cm2, 0,5-10 A/cm2, 1-2 A/cm2, 2-5 A/cm2, 5-10 A/cm2, 5-100 A/cm2, 10-20 A/cm2, 20-50 A/cm2, 50-

100 A/cm2, etc.; em, acima, ou abaixo de um valor limiar tal como 50 mA/cm2, 65 mA/cm2, 80 mA/cm2, 90 mA/cm2, 100 mA/cm2, 110 mA/cm2, 120 mA/cm2, 130 mA/cm2, 140 mA/cm2, 150 mA/cm2, 200 mA/cm2, 300 mA/cm2, 500 mA/cm2, 700 mA/cm2, 1000 mA/cm2, 1500 mA/cm2, etc.) e/ou em quaisquer outras densidades de corrente apropriadas.

[0049] Em algumas modalidades, a temperatura aumentada do reator pode resultar em uma razão CO:H2 reduzida (por exemplo, devido a entrada aumentada de água a partir do catodo, reatividade aumentada de água, etc.). O método pode incluir controlar a temperatura do reator dentro de uma faixa de operação, tal como uma faixa entre uma temperatura mínima (por exemplo, uma temperatura de congelamento da água tal como 0°C) e uma temperatura máxima (por exemplo, 40°C, 50°C, 60°C, 75°C, etc.; uma temperatura de ebulição da água tal como 100°C), a fim de controlar a razão CO:H2 e/ou quaisquer outras métricas de saída apropriadas.

[0050] Em um exemplo específico de controle com base na temperatura do reator, a configuração do reator A com um campo de fluxo em serpentina quádrupla é usada, gás dióxido de carbono substancialmente puro é introduzido a 70 cm3 padrão por minuto/cm2, a densidade de corrente é mantida substancialmente a 150 mA/cm2, e a pressão do reator é mantida substancialmente a 689 pKa (100 psi). Neste exemplo específico, a temperatura do reator é mantida substancialmente em várias temperaturas, em que temperaturas do reator de 26,7, 35, 38,7, e 41,9°C resultam em razões CO:H2 de aproximadamente 1:0,4, 2:1, 1:1,8, e 1:3, respectivamente.

[0051] Características da camada de difusão de gás

(GDL) podem ser usadas adicionalmente ou alternativamente para afetar a produção de CCP e/ou H2. Por exemplo, a hidrofobicidade GDL pode alterar a produção de H2 (por exemplo, afetando o transporte de água), em que uma GDL mais hidrofílica favorece a produção de H2 (reduzindo assim a razão CCP:H2) e uma GDL mais hidrofóbica inibe a produção de H2 (aumentando assim a razão CCP:H2). Outras características GDL, tal como espessura e/ou tamanho de poro, também podem ser usadas para alterar a saída do reator.

[0052] Características da membrana (por exemplo, membrana de eletrólito de polímero) podem ser usadas adicionalmente ou alternativamente para afetar a produção de CCP e/ou H2. Em exemplos, uma membrana de troca de ânions, que favorece a produção de CCP, pode ser usada para alcançar altas razões CCP:H2, uma membrana de troca de cátions, que favorece a produção de H2, pode ser usada para alcançar baixas razões CCP:H2, e membranas híbridas (por exemplo, que permitem tanto o transporte de ânions como cátions) que exibem várias características de transporte de ânions e cátions (por exemplo, mobilidades) podem ser usadas para alcançar várias razões intermediárias (por exemplo, membranas que favorecem o transporte de ânions para razões mais altas, membranas que favorecem o transporte de cátions para razões mais baixas).

[0053] Características dos catalisadores (por exemplo, tamanho de partícula, espécie de catalisador, etc.) podem ser usadas adicionalmente ou alternativamente para afetar a produção de CCP e/ou H2. Por exemplo, partículas maiores de catalisador podem resultar em transporte inadequado (insatisfatório) de dióxido de carbono, inibindo assim a produção de CCP e reduzindo a razão CCP:H2, enquanto partículas menores de catalisador podem favorecer a produção de CCP, aumentando assim a razão.

O número relativo de sítios ativos com alta frequência de retorno para evolução de hidrogênio (“sítios de hidrogênio”) e aqueles com alta frequência de retorno para redução de dióxido de carbono (“sítios de dióxido de carbono”) podem ser adicionalmente ou alternativamente dependentes do tamanho de partícula do catalisador: partículas maiores de catalisador têm tipicamente uma razão maior de sítios de hidrogênio para sítios de dióxido de carbono, favorecendo a produção de H2, enquanto partículas menores de catalisador têm tipicamente uma razão menor, favorecendo a produção de CO.

O tipo de catalisador (por exemplo, espécie de catalisador) pode ser usado adicionalmente ou alternativamente para controlar a saída do reator, tal como empregando uma mistura de um ou mais materiais catalisadores, em que um primeiro conjunto de materiais catalisadores (por exemplo, ouro) favorece a redução de dióxido de carbono e um segundo conjunto de materiais catalisadores (por exemplo, platina) favorece a redução de água.

Em exemplos, um catalisador de ouro substancialmente puro pode ser usado para alcançar altas razões CCP:H2, um catalisador de platina substancialmente puro pode ser usado para alcançar baixas razões CCP:H2, e misturas de ouro-platina (por exemplo, partículas mistas, misturas de partículas de ouro e partículas de platina, etc.) de composição variada podem ser usadas para alcançar várias razões intermediárias (por exemplo, mais ouro para razões mais altas, mais platina para razões mais baixas). O catalisador pode incluir adicionalmente ou alternativamente

V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Ir, Hg, Al, Si, In, Ga, Tl, Pb, Bi, Sb, Te, Sm, Tb, Ce, Nd, e/ou combinações dos mesmos. O catalisador pode estar associado adicionalmente ou alternativamente com (por exemplo, fixado a, suportado por, embebido em, adjacente, em contato com, etc.) uma ou mais estruturas de suporte (por exemplo, partículas de suporte, matriz de suporte, etc.), preferivelmente estruturas de suporte condutivas tais como carbono, diamante dopado com boro, e/ou óxido de estanho dopado com flúor. No entanto, o catalisador pode incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros materiais apropriados.

[0054] Em um exemplo específico de controle com base no tamanho de partícula do catalisador, variações de configuração do reator A com dois tamanhos de partícula de catalisador são usadas, tanto com temperatura do reator substancialmente mantida a 30°C, pressão do reator substancialmente mantida a 689 pKa (100 psi), um campo de fluxo interdigitado, entrada de gás dióxido de carbono substancialmente puro a 10 cm3 padrão por minuto/cm2, como densidade de corrente substancialmente mantida a 500 mA/cm2. O primeiro conjunto de partículas de catalisador tem um tamanho característico de 4 nm (como na configuração padrão do reator A), resultando em uma HCR de 1:1,6 e uma tensão de 3,8 V. O segundo conjunto de partículas de catalisador tem um tamanho característico de 20 nm, resultando em uma HCR de 1:2,8 e uma tensão de 4,2 V.

[0055] Características de compressão de célula do reator podem ser usadas adicionalmente ou alternativamente para afetar a produção de CCP e/ou H2. Em um exemplo específico de controle com base na compressão de célula do reator, a configuração do reator A é usada com duas espessuras diferentes de gaxeta (resultando em uma compressão maior para uma espessura maior de gaxeta), tanto com temperatura do reator substancialmente mantida a 30°C, pressão do reator substancialmente mantida a 689 pKa (100 psi), um campo de fluxo em serpentina tripla, entrada de gás dióxido de carbono substancialmente puro a 40 cm3 padrão por minuto/cm2, como densidade de corrente substancialmente mantida a 500 mA/cm2. A primeira gaxeta tem 0,03048 centímetros (0,012 polegadas) de espessura, resultando em uma HCR de 1:4 e uma tensão de 3,6 V. A segunda gaxeta tem 0,0254 centímetros (0,010 polegadas) de espessura, resultando em uma HCR de 1:10,1 e uma tensão de 3,8 V.

[0056] Características do campo de fluxo podem ser usadas adicionalmente ou alternativamente para afetar a produção de CCP e/ou H2. Em um primeiro exemplo específico de controle com base nas características do campo de fluxo, a configuração do reator A é usada sob dois conjuntos diferentes de condições de processo, ambos com temperatura do reator substancialmente mantida a 30°C e pressão do reator substancialmente mantida a 827,3 pKa (120 psi). No primeiro conjunto de condições, um campo de fluxo interdigitado é usado, gás de entrada dióxido de carbono substancialmente puro é inserido a 10 cm3 padrão por minuto/cm2, e densidade de corrente é mantida substancialmente a 160 mA/cm2, resultando em uma razão CO:H2 de 1,6:1. No segundo conjunto de condições, um campo de fluxo em serpentina quádrupla é usado, gás dióxido de carbono substancialmente puro é inserido a 40 cm3 padrão por minuto/cm2, e densidade de corrente é mantida substancialmente a 120 mA/cm2, resultando em uma razão C0:H2 de 18,5:1.

[0057] Em um segundo exemplo específico de controle com base nas características de campo de fluxo, a configuração do reator A é usada sob dois conjuntos diferentes de condições de processo, ambos com temperatura do reator substancialmente mantida a 30°C, pressão do reator substancialmente mantida a 689 pKa (100 psi), entrada de gás dióxido de carbono substancialmente puro a 40 cm3 padrão por minuto/cm2, e densidade de corrente é mantida substancialmente a 500 mA/cm2. No primeiro conjunto de condições, um campo de fluxo interdigitado é usado e uma tensão de 3,6 V é substancialmente mantida, resultando em uma razão CO:H2 de 1,6:1. No segundo conjunto de condições, um campo de fluxo em serpentina tripla é usado e uma tensão de 3,8 V é substancialmente mantida, resultando em uma razão CO:H2 de 10,1:1.

[0058] No entanto, qualquer outro campo de fluxo apropriado pode ser empregado adicionalmente ou alternativamente para controlar as saídas do reator, as condições de processo podem incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outras condições de reator apropriadas, e o método pode incluir adicionalmente ou alternativamente controlar a saída do reator de qualquer maneira apropriada.

5. Tolerância a impurezas.

[0059] Em algumas modalidades, tais como modalidades em que o reator é operado a uma alta pressão e/ou o catalisador é mantido a baixa tensão (por exemplo, tensão negativa em relação ao ânodo), o sistema e/ou método pode alcançar alta tolerância à impurezas e/ou entradas diluídas de dióxido de carbono (por exemplo, em comparação com outros reatores de dióxido de carbono), tal como tolerância a envenenamento por impurezas na(s) entrada(s) do reator e/ou a entradas diluídas por espécies tais como metano, CO, O2, e/ou N2. Por exemplo, o método pode incluir determinar as condições de processo alvo (por exemplo, configuração do reator tais como tipo de PEM, alta pressão do reator alvo, etc.) para alcançar tolerância às impurezas e/ou entradas diluídas (por exemplo, selecionado sempre tais condições de processo; selecionar tais condições de processo em resposta a uma corrente e/ou estado antecipado da entrada do reator, tal como um estado impuro e/ou diluído; etc.). Estas impurezas podem incluir espécies tipicamente presentes em correntes de entrada do reator (por exemplo, produtos de combustão de carvão e/ou gás natural, tais como saídas de centrais elétricas de queima a carvão ou gás natural), tal como SOx e/ou NOx, e/ou podem incluir quaisquer outras impurezas apropriadas. Em um exemplo, o sistema e/ou método são capazes de funcionar eficazmente usando correntes de entrada incluindo até 4% CO, 6% O2, 10% N2, 800 ppm NOx, e/ou 100 ppm SOx, com uma soma de impurezas de CO, O2, e N2 preferivelmente não maior do que 10%.

[0060] Em um exemplo específico de tolerância a entrada diluída, a configuração do reator A com um único campo de fluxo em serpentina é usada, densidade de corrente é mantida substancialmente a 160 mA/cm2, pressão do reator é mantida substancialmente a 758 kPa (110 psi), temperatura do reator é mantida substancialmente a 20°C, e gases contendo dióxido de carbono com vários níveis de diluição em metano ou nitrogênio são introduzidos a 200 cm3 padrão por minuto/cm2. Neste exemplo específico, o desempenho do reator é altamente tolerante à diluição de metano até pelo menos 50% de metano, em que concentrações de metano de 0%, 25%, e 50% resultam em razões CO:H2 entre 9,5:1 e 8,5:1 e rendimentos fracionários de CO maiores do que 90%. Redução de desempenho mais significativa é observada usando 75% de metano, com uma redução no rendimento fracionário de CO para aproximadamente 84%. Neste exemplo específico, tolerância similar à diluição de nitrogênio é observada, em que concentrações de nitrogênio de 0%, 25%, 50%, e 75% resultam em razões CO:H2 entre 9:1 e 8:1, e concentrações de nitrogênio até 50% resultam em rendimentos fracionários de CO maiores do que 85% (com concentração de 75% de nitrogênio resultando em um rendimento fracionário de CO de aproximadamente 81%).

[0061] Em um exemplo específico de tolerância às impurezas, a configuração do reator A com um único campo de fluxo em serpentina é usada, densidade de corrente é mantida substancialmente a 150 mA/cm2, pressão do reator é mantida substancialmente a 689 pKa (100 psi), temperatura do reator é substancialmente mantida entre 20°C e 25°C, e gases contendo dióxido de carbono com várias impurezas são introduzidos a 100 cm3 padrão por minuto/cm2. Neste exemplo específico, métricas de saída do reator (por exemplo, rendimento fracionário de CO) sob várias condições de impureza são comparadas ao desempenho do reator na linha de base sob as mesmas condições, mas usando uma entrada de dióxido de carbono substancialmente livre de impurezas. Neste exemplo específico, o desempenho do reator mostrou não se desviar significativamente do desempenho de linha de base para concentrações de CO de 4% ou menos, para concentrações de NOx de 800 ppm ou menos, para concentrações de SOx de 120 ppm ou menos, ou para concentrações de oxigênio de 6% ou menos.

[0062] No entanto, o sistema e/ou método pode exibir adicionalmente ou alternativamente qualquer tolerância apropriada às entradas impuras e/ou diluídas, ou não exibir nenhuma tal tolerância.

6. Seleção de configuração do sistema.

[0063] O método pode incluir opcionalmente selecionar uma ou mais configurações do sistema, preferivelmente com base em considerações da HCR de saída, tal como com base em uma HCR de saída desejada (por exemplo, dado um conjunto particular de condições de processo e/ou uma faixa de condições de processo aceitáveis) e/ou faixa de HCR.

[0064] Em algumas modalidades, isto inclui: em um primeiro reator (por exemplo, eletrolisador, preferivelmente um eletrolisador em fase gasosa), aceitando uma entrada incluindo dióxido de carbono e produzindo eletroquimicamente um primeiro produto de redução (por exemplo, incluindo hidrogênio molecular e/ou uma ou mais CCPs diferentes de dióxido de carbono em uma primeira HCR) a partir da entrada (por exemplo, sob um primeiro conjunto de condições de processo); determinar uma HCR e/ou faixa de HCR desejada (por exemplo, com base nas métricas do reator a jusante, métricas de preço de mercado, métricas de eficiência, e/ou quaisquer outras métricas apropriadas); e selecionar um sistema de configuração (por exemplo, para um segundo reator) com base na primeira HCR e/ou a HCR desejada (por exemplo, de modo que o segundo reator irá ou poderá produzir como saída um produto de redução com uma HCR mais próxima de uma HCR desejada em relação a primeira HCR; preferivelmente substancialmente sob o primeiro conjunto de condições de processo, mas adicionalmente ou alternativamente sob quaisquer outras condições de processo apropriadas). Por exemplo, a configuração para o segundo reator pode ser selecionada de modo que o segundo reator irá, preferivelmente sob condições substancialmente idênticas a do primeiro reator (por exemplo, enquanto aceitando a entrada sob o primeiro conjunto de condições de processo), produzir um segundo produto de redução a partir da entrada, em que o segundo produto de redução inclui hidrogênio molecular e as mesmas CCSs como o primeiro produto de redução (por exemplo, inclui substancialmente todas as espécies presentes no primeiro produto de redução), em que o segundo produto de redução define uma segunda HCR substancialmente diferente da primeira HCR, preferivelmente em que a segunda HCR é mais próxima de uma HCR desejada do que a primeira HCR. A diferença substancial entre a primeira HCR e segunda HCR, para este exemplo e/ou qualquer outra modalidade descrita aqui, pode incluir a segunda HCR: sendo mais próxima da HCR desejada do que a primeira HCR; diferindo da primeira HCR (por exemplo, sendo maior ou menor do que a primeira HCR) em pelo menos 1%, 5%, 10%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 0,5-5%, 2-10%, 5-25%, 20-50%, 40-80%, e/ou 75-100%; e/ou de outro modo diferindo da primeira HCR.

[0065] Em algumas modalidades, selecionar configurações do sistema pode incluir selecionar um ou mais aspectos de uma PEM, tal como para alterar a HCR de saída. Tal seleção pode incluir selecionar composições de membrana (por exemplo, espécies diferentes de polímero) e/ou microestruturas, selecionar espessuras de camada de membrana, e/ou selecionar quaisquer outros aspectos apropriados da PEM. Em alguns exemplos, tal seleção inclui selecionar uma espessura de uma membrana de troca de ânions e/ou membrana de troca de prótons (por exemplo, em que uma PEM bipolar com mais AEM tenderá a produzir uma HCR de saída menor do que uma com mais membrana de troca de prótons). Em um primeiro exemplo específico, selecionar uma AEM mais fina (por exemplo, mais fina do que uma espessura de AEM de referência tal como espessura da AEM do primeiro reator, mais fina do que uma espessura da AEM otimizada correspondendo substancialmente à produção ideal de CCP, etc.) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais alta, enquanto selecionar uma AEM mais espessa (por exemplo, mais espessa do que a espessura da AEM de referência, mas preferivelmente não mais espessa do que a espessura da AEM otimizada) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais baixa.

[0066] Selecionar configurações do sistema pode incluir adicionalmente ou alternativamente selecionar um ou mais aspectos de catalisador(s) do reator (por exemplo, catalisador de redução, catalisador de oxidação), tal como para alterar a HCR de saída. Em algumas variações, selecionar aspectos do catalisador do reator pode incluir selecionar uma espessura de camada de catalisador (por exemplo, em que um catalisador de redução mais espesso tenderá a produzir uma HCR mais alta). Em um exemplo, selecionar uma camada de catalisador de redução mais espessa (por exemplo, mas espessa do que uma espessura da camada do catalisador de redução de referência tal com uma espessura da primeira camada de catalisador de redução do reator, mais espessa do que uma espessura da camada de catalisador de redução otimizada correspondente substancialmente a produção ideal de CCP, etc.) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais alta, enquanto selecionar uma camada de catalisador de redução mais fina (por exemplo, mais fina do que a espessura de camada de catalisador de redução de referência, mas preferivelmente não mais fina do que a espessura de camada catalisador de redução otimizada) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais baixa.

[0067] Selecionar aspectos de catalisador do reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente (por exemplo, em modalidades em que uma camada de catalisador inclui partículas de catalisador, preferivelmente nanopartículas, definindo uma rede porosa) selecionar uma porosidade de catalisador (por exemplo, em que uma rede de catalisador de redução mais poroso tenderá a produzir uma HCR mais baixa). Em um exemplo, selecionar uma rede de catalisador de redução menos porosa (por exemplo, menos porosa do que um catalisador de redução de referência tal como uma porosidade da rede de catalisador de redução do primeiro reator, menos porosa do que um catalisador de redução otimizado correspondente substancialmente a produção ideal de CCP, etc.) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais alta, enquanto selecionar um catalisador de redução mais poroso (por exemplo, mais poroso do que o catalisador de redução de referência, mas preferivelmente não mais poroso do que o catalisador de redução otimizado) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais baixa.

[0068] Selecionar aspectos do catalisador do reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente (por exemplo, em modalidades em que uma camada de catalisador inclui partículas de catalisador, preferivelmente nanopartículas, e um ou mais eletrólitos de polímero, tal como em que as partículas de catalisador definem uma rede porosa que contém o eletrólito de polímero e/ou são misturadas em um meio incluindo o eletrólito de polímero) selecionar uma razão de catalisador para eletrólito de polímero (CPR) (por exemplo, em que uma CPR mais alta de catalisador de redução CPR tenderá a produzir uma HCR mais alta), tal como selecionando um grau de carga de eletrólito de polímero em uma rede de catalisador de redução porosa. Em um exemplo, selecionar uma CPR mais alta de catalisador de redução (por exemplo, CPR mais alta do que uma de catalisador de redução de referência tal como uma CPR da rede de catalisador de redução do primeiro reator, CPR mais alta do que um catalisador de redução otimizado correspondente substancialmente a produção ideal de CCP, etc.) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais alta, enquanto selecionar uma CPR mais baixa de catalisador de redução (por exemplo, CPR mais baixa do que o catalisador de redução de referência, mas preferivelmente não mais baixa do que a CPR do catalisador de redução otimizado) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais baixa.

[0069] Selecionar aspectos do catalisador do reator pode incluir adicionalmente ou alternativamente (por exemplo, em modalidades em que uma camada de catalisador inclui partículas de catalisador, preferivelmente nanopartículas) selecionar um tamanho de partícula de catalisador característico (por exemplo, em que um tamanho de partícula maior tenderá a produzir uma HCR mais alta). Em um exemplo, selecionar um tamanho de partícula maior de catalisador de redução (por exemplo, maior do que as partículas de um catalisador de redução de referência tal como o primeiro catalisador de redução do reator, maior do que um catalisador de redução otimizado correspondente substancialmente a produção ideal de CCP, etc.) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais alta, enquanto selecionar um tamanho de partícula menor de catalisador de redução (por exemplo, menor do que as partículas do catalisador de redução de referência, mas preferivelmente não menor do que as partículas do catalisador de redução otimizado) pode resultar em um reator configurado para produzir uma HCR de saída mais baixa. No entanto, o método pode incluir adicionalmente ou alternativamente selecionar quaisquer outros aspectos apropriados do catalisador do reator.

[0070] O método pode incluir adicionalmente ou alternativamente selecionar uma compressão de célula do reator (por exemplo, em que compressão menor tenderá a resultar em HCR mais alta e compressão maior tenderá a resultar em HCR mais baixa), um campo de fluxo, e/ou quaisquer outros aspectos apropriados do sistema.

7. Apêndice.

[0071] Informação adicional em relação a modalidades e/ou elementos do sistema e/ou método é provida abaixo.

[0072] Um gás de produto de um reator de dióxido de carbono da invenção pode ser usado em um ou mais processos a jusante. Por exemplo, um reator de dióxido de carbono da invenção configurado para produção de gás sintético pode produzir uma corrente de CO, H2, e/ou CO2. Esta corrente de saída pode ser alimentada para uma entrada de um biorreator onde micróbios (por exemplo, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidovorans, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus, Butyribacterium methylotrophicum, acetogens, E. coli, etc.) usam a energia de CO, H2, e/ou algum do carbono contido em CO e CO2 para produzir um ou mais bioprodutos (por exemplo, etanol, ácido acético, butanol, ácido butírico, metano, etc.). Carbono não utilizado pode ser liberado de uma saída do biorreator a jusante (por exemplo, como CO2, opcionalmente junto com vapor de água e/ou outros compostos voláteis).

[0073] CO2 liberado de uma saída de um biorreator a jusante pode ser opcionalmente reciclado novamente para uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção (por exemplo, para aumentar a eficiência de carbono de produção de bioproduto, para controlar a operação do reator de dióxido de carbono, etc.). Em algumas modalidades, pode ser desejável processar este CO2 antes que ele entre (por exemplo, entre novamente) em um reator de dióxido de carbono da invenção. Por exemplo, o vapor de água pode ser removido, quaisquer produtos voláteis que inibirão a função do reator de dióxido de carbono podem ser removidos, e/ou o CO2 pode ser pressurizado para o nível desejado para a operação de um reator de dióxido de carbono da invenção. Dióxido de carbono saindo do biorreator pode estar perto de pressão atmosférica e/ou ter qualquer outra pressão apropriada, e pressões típicas do reator de dióxido de carbono podem ser 137 kPa a 5515 kPa (20 psi a 800 psi), 344 a 2757,9 kPa (50 psi a 400 psi), 689 a 3447 kPa (100 psi a 500 psi), e/ou qualquer outra faixa apropriada. Em alguns exemplos, vapor de água é removido por um separador de fase e/ou um dessecante (por exemplo, um separador de fase seguido por um dessecante). Em alguns exemplos, produtos voláteis são removidos por oxidação, adsorção em um adsorvente apropriado, e/ou condensação. Um compressor de CO2 pode ser usado para elevar a pressão do CO2 para a pressão apropriada para um reator de dióxido de carbono da invenção. Se o reator de dióxido de carbono é capaz de funcionar com baixa pressão de CO2 e não é inibido por vapor de água ou quaisquer compostos voláteis na saída da corrente de CO2 do biorreator a jusante, então o sistema pode ser simplificado para remover sistemas e processos de purificação e compressão desnecessários.

[0074] Para cada litro de meio de cultura no biorreator a jusante, uma taxa de fluxo na faixa de 1 cm3 padrão por minuto a 1000 cm3 padrão por minuto ou 1 cm3 padrão por minuto a 2000 cm3 padrão por minuto ou 10 cm3 padrão por minuto a 500 cm3 padrão por minuto ou qualquer outra faixa apropriada de gás de uma saída de um reator de dióxido de carbono da invenção pode ser desejável. Para cada litro de meio de cultura no biorreator a jusante, CO2 liberado pode estar na faixa de 1 cm3 padrão por minuto a 2000 cm3 padrão por minuto ou 10 cm3 padrão por minuto por minuto a 1000 cm3 padrão por minuto ou 10 cm3 padrão por minuto a 500 cm3 padrão por minuto ou qualquer outra faixa apropriada. Para cada litro de meio de cultura no biorreator a jusante, vapor de água em uma corrente de gás de saída saindo do biorreator pode ser 1%- 2% da corrente em volume, 2%-5% da corrente em volume, 5%- 10% da corrente em volume, 10%-25% da corrente em volume, 25% a 50% da corrente em volume, 50% a 90% da corrente em volume, e/ou qualquer outra quantidade apropriada. Produtos voláteis deixando o biorreator a jusante podem completar menos do que 0,1%, menos do que 0,5% da corrente em volume, menos do que 1% da corrente em volume, menos do que 4% da corrente em volume, e/ou qualquer outra quantidade apropriada da corrente.

[0075] Alguns processos microbianos podem usar gás sintético produzido por um reator de dióxido de carbono da invenção. Uma corrente de saída de gás sintético de CO, H2, e CO2 pode ser usada como uma carga de alimentação para um biorreator a jusante onde os processos microbianos acontecem para produzir uma faixa de compostos utilizáveis (exemplos incluem etanol, ácido acético, butanol, ácido butírico, metano). A própria corrente de gás sintético pode não conter todos os nutrientes necessários para que os micróbios cresçam no biorreator a jusante. A adição de outros nutrientes para o biorreator pode ser necessária para que os micróbios cresçam e produzam produtos. Exemplos de micróbios apropriados incluem Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidovorans, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus, Butyribacterium methylotrophicum, acetogens, e/ou E. coli.

[0076] Um nutriente que pode ser particularmente difícil de introduzir em um biorreator a jusante é enxofre. Muitos micróbios necessitam de enxofre para certas sínteses de aminoácido e processos enzimáticos. Um reator de dióxido de carbono da invenção que é tolerante a enxofre pode simplificar a adição de enxofre em um biorreator a jusante (por exemplo, além de prover gás sintético para o biorreator a jusante). Enxofre na forma de uma ou mais espécies contendo enxofre (SCSs) tal como H2S, SO2, e/ou outros óxidos de enxofre (SOx) podem estar presente na alimentação de gás CO2 para uma entrada de um reator de dióxido de carbono da invenção. H2S pode passar através de um reator de dióxido de carbono da invenção inalterado e sair com a corrente de saída de gás sintético. As SCSs (por exemplo, SO2 e/ou SOx) podem passar inalteradas e/ou elas podem ser convertidas em uma ou mais de outras SCSs (por exemplo, H2S), e são preferivelmente produzidas com a corrente de saída de gás sintético. O gás sintético que compreende adicionalmente espécies de enxofre (por exemplo, H2S, SO2, e/ou SOx) pode ser então alimentado para uma entrada de um biorreator a jusante (por exemplo, sem a necessidade de nutrientes adicionais para enxofre). A concentração de espécies de enxofre pode estar na faixa de 1 ppm-10 ppm, 5 ppm-50 ppm, 5 ppm-100 ppm, 10 ppm a 200 ppm, 20 ppm a 1000 ppm, e/ou qualquer outra faixa apropriada.

[0077] Em algumas modalidades, o reator de dióxido de carbono pode ser acoplado a um ou mais reatores de fermentação de gás (por exemplo, a jusante do reator de dióxido de carbono, tal como aceitando um ou mais produtos do reator de dióxido de carbono). O método pode incluir opcionalmente o controle da operação do reator com base neste acoplamento, tal como otimizar a eficiência de carbono e/ou eficiência de energia. Acetogênios são mais eficientes em energia com CO puro como a entrada, como visto nos restos de energia mostrados em Tabela 1 e, em muitos casos, exibe a seletividade mais alta para o produto final desejado também. No entanto, existem casos em que um sistema de fermentação de gás eletroquímico integrado pode ser projetado para utilizar gás sintético contendo hidrogênio por várias razões. Tabela 1

[0078] O uso de CO para a maior parte ou toda a química de transferência de elétrons em um biorreator a jusante resulta tipicamente na produção de CO2, que pode ser então ventilada em uma corrente de saída do biorreator. Tipicamente, como a razão de hidrogênio no gás sintético é aumentada, menos CO2 é produzido, e o subproduto CO2 pode ser eliminado estequiometricamente acima de uma determinada razão de hidrogênio para monóxido de carbono. No caso de fermentação de gás em etanol, por exemplo, uma razão CO:H2 menor do que 1:2 resultará tipicamente na incorporação de todo carbono de entrada no produto final etanol. Assim, a sintonização da razão CO:H2 na corrente de saída de um reator de dióxido de carbono da invenção pode permitir que um operador otimize a eficiência de carbono (por exemplo, para minimizar emissões de CO2) deslocando para uma maior produção de H2 e/ou para otimizar a eficiência de energia deslocando para uma produção maior de CO. O monitoramento dos custos de entradas, tal como os preços de eletricidade na hora do dia ou os incentivos para a utilização de carbono, poderiam informar os parâmetros operacionais ótimos em qualquer hora do dia. Sintonizando a produção deste modo também pode mudar as saídas, por exemplo, dirigindo para maior produção de etanol (por exemplo, maior de CO) ou maior produção de acetato (por exemplo, maior de H2). O monitoramento de preços de mercado de saídas poderia informar os parâmetros operacionais ótimos em qualquer dada hora do dia (por exemplo, em que os parâmetros operacionais são determinados com base nos preços de mercado, tal como para otimizar o preço de mercado dos produtos ou para otimizar o lucro total da operação do reator).

[0079] No entanto, o sistema e/ou método pode(m) incluir adicionalmente ou alternativamente quaisquer outros elementos apropriados.

[0080] Uma modalidade alternativa preferivelmente implementa alguns ou todos os métodos acima em um meio legível por computador que armazena instruções legíveis por computador. As instruções são executadas preferivelmente por componentes executáveis por computador preferivelmente integrados com um sistema de roteamento de comunicação. O sistema de roteamento de comunicação pode incluir um sistema de comunicação, sistema de roteamento e um sistema de preços. O meio legível em computador pode ser armazenado em qualquer meio legível por computador apropriado, tais como RAMs, ROMs, memória flash, EEPROMs, dispositivos ópticos (CD ou DVD), discos rígidos, unidades de disquete, ou qualquer dispositivo apropriado. O componente executável por computador é preferivelmente um processador, mas as instruções podem ser alternativamente ou adicionalmente executadas por qualquer dispositivo de hardware dedicado apropriado.

[0081] Embora omitidas visando concisão, modalidades do sistema e/ou método podem incluir todas as combinações e permutas de vários componentes do sistema e de vários processos do método, em que um ou mais exemplos do método e/ou processos descritos aqui podem ser realizados de forma assíncrona (por exemplo, em sequência), simultaneamente (por exemplo, em paralelo), ou em qualquer outra ordem apropriada por e/ou usando um ou mais exemplos dos sistemas, elementos, e/ou entidades descritas aqui.

[0082] As Figuras ilustram a arquitetura, funcionalidade e operação de possíveis implementações de sistemas, métodos e produtos de programas de computador de acordo com modalidades preferidas, configurações exemplo, e variações das mesmas. A este respeito, cada bloco no fluxograma ou diagramas de bloco pode representar um módulo, segmento, etapa ou porção de código, que compreende uma ou mais instruções executáveis para implementar a(s) função(s) lógica(s) especificada(s). Deve ser observado também que, em algumas implementações alternativas, as funções observadas no bloco podem ocorrer fora da ordem observada nas Figuras. Por exemplo, dois blocos mostrados em sucessão podem, de fato, ser executados substancialmente simultaneamente, ou os blocos podem ser executados algumas vezes na ordem inversa, dependendo da funcionalidade envolvida. Será observado também que cada bloco dos diagramas de bloco e/ou ilustração de fluxograma, e combinações de blocos nos diagramas de bloco e/ou ilustração de fluxograma, podem ser implementados por sistemas com base em hardware para fins especiais que executam as funções ou atos especificados, ou combinações de instruções de hardware e computador para fins especiais.

[0083] Como um versado na técnica reconhecerá a partir da descrição detalhada anterior e a partir das figuras e reivindicações, modificações e mudanças podem ser feitas nas modalidades preferidas da invenção sem sair do escopo desta invenção definido nas reivindicações seguintes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para controle de eletrolisador, caracterizado pelo fato de que compreende: • em um primeiro eletrolisador em fase gasosa, aceitando uma entrada compreendendo dióxido de carbono em fase gasosa; • no primeiro eletrolisador em fase gasosa, enquanto aceitando a entrada, sob um conjunto de condições de processo, produzir eletroquimicamente um primeiro produto de redução a partir da entrada, em que: • o primeiro produto de redução compreende hidrogênio molecular e uma espécie contendo carbono (CCS), em que a CCS não é dióxido de carbono; e • o primeiro produto de redução define uma primeira razão de hidrogênio molecular para CSS (HCR); • com base em uma HCR desejada, selecionar uma configuração para um segundo eletrolisador em fase gasosa de modo que o segundo eletrolisador em fase gasosa produziria, enquanto aceitando a entrada sob o conjunto de condições de processo, um segundo produto de redução a partir da entrada, em que: • o segundo produto de redução compreende hidrogênio molecular e a CCS; e • o segundo produto de redução define uma segunda HCR substancialmente diferente da primeira HCR.

2. Método, de acordo com a reivindicação l, caracterizado pelo fato de que: • o primeiro eletrolisador em fase gasosa compreende: um primeiro catodo, um primeiro ânodo, e uma primeira membrana de eletrólito de polímero (PEM) compreendendo uma espécie de eletrólito de polímero, em que a primeira PEM é disposta entre o primeiro catodo e o primeiro ânodo; • o segundo eletrolisador em fase gasosa compreende: um segundo catodo, um segundo ânodo, e uma segunda PEM compreendendo a espécie de eletrólito de polímero, em que a segunda PEM é disposta entre o segundo catodo e o segundo ânodo; e • selecionar a configuração compreende selecionar a segunda PEM com base na HCR desejada.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que: • a primeira PEM compreende uma primeira membrana de troca de ânions (AEM) definindo uma primeira espessura de camada; • selecionar a segunda PEM compreende selecionar uma segunda AEM definindo uma segunda espessura de camada substancialmente menor do que a primeira espessura de camada; e • a segunda HCR é substancialmente maior do que a primeira HCR.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: • o primeiro eletrolisador em fase gasosa compreende: um primeiro catodo, um primeiro ânodo, uma primeira membrana de eletrólito de polímero (PEM) compreendendo uma espécie de eletrólito de polímero, e uma primeira camada de catalisador de redução, em que: • a primeira PEM é disposta entre o primeiro catodo e o primeiro ânodo; e • a primeira camada de catalisador de redução é disposta entre o primeiro catodo e a primeira PEM;

• o segundo eletrolisador em fase gasosa compreende: um segundo catodo, um segundo ânodo, uma segunda PEM compreendendo a espécie de eletrólito de polímero, e uma segunda camada de catalisador de redução, em que: • a segunda PEM é disposta entre o segundo catodo e o segundo ânodo; e • a segunda camada de catalisador de redução é disposta entre o segundo catodo e a segunda PEM; e • selecionar a configuração compreende selecionar a segunda camada de catalisador de redução com base na HCR desejada.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que: • a primeira camada de catalisador de redução compreende: • uma primeira rede porosa de nanopartículas de catalisador; e • a espécie de eletrólito de polímero disposta dentro da primeira rede porosa; e • a segunda camada de catalisador de redução compreende: • uma segunda rede porosa de nanopartículas de catalisador; e • a espécie de eletrólito de polímero disposta dentro da segunda rede porosa.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: • a primeira camada de catalisador de redução define uma primeira razão de eletrólito de polímero para nanopartícula de catalisador (ECR); • selecionar a segunda camada de catalisador de redução compreende selecionar uma segunda ECR substancialmente maior do que a primeira ECR; e • a segunda HCR é substancialmente maior do que a primeira HCR.

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: • a primeira rede porosa define uma primeira porosidade; • selecionar a segunda camada de catalisador de redução compreende selecionar uma segunda porosidade substancialmente menor do que a primeira porosidade; e • a segunda HCR é substancialmente maior do que a primeira HCR.

8. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: • a primeira rede porosa define um primeiro tamanho de nanopartícula característico; • selecionar a segunda camada de catalisador de redução compreende selecionar um segundo tamanho de nanopartícula característico substancialmente maior do que o primeiro tamanho de nanopartícula característico; e • a segunda HCR é substancialmente maior do que a primeira HCR.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo tamanhos de nanopartículas característicos são tamanhos medianos.

10. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que: • a primeira camada de catalisador de redução define uma primeira espessura de camada; • selecionar a segunda camada de catalisador de redução compreende selecionar uma segunda espessura de camada substancialmente maior do que a primeira espessura de camada; e • a segunda HCR é substancialmente maior do que a primeira HCR.

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: • em resposta a selecionar a configuração, configurar o segundo eletrolisador em fase gasosa na configuração; • após configurar o segundo eletrolisador em fase gasosa, no segundo eletrolisador em fase gasosa, aceitar uma segunda entrada compreendendo dióxido de carbono em fase gasosa; e • no segundo eletrolisador em fase gasosa, enquanto aceitando a segunda entrada, sob um segundo conjunto de condições de processo, produzir eletroquimicamente um terceiro produto de redução a partir da entrada, em que: • o terceiro produto de redução compreende hidrogênio molecular e a CCS; e • o terceiro produto de redução define uma terceira HCR, em que uma primeira diferença entre a primeira HCR e a HCR desejada é maior do que uma segunda diferença entre a terceira HCR e a HCR desejada.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que: • a segunda entrada é substancialmente equivalente à entrada; • o segundo conjunto de condições de processo é substancialmente equivalente ao conjunto de condições de processo; e • a terceira HCR é substancialmente igual à segunda

HCR.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que: • a entrada define uma primeira umidade; • a segunda entrada define uma segunda umidade substancialmente maior do que a primeira umidade; • a HCR desejada é maior do que a primeira HCR; e • o método compreende adicionalmente selecionar a segunda umidade com base na HCR desejada.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a CCS é monóxido de carbono.

15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de condições de processo compreende uma temperatura do eletrolisador maior do que 50°C e uma pressão de entrada maior do que 10 atmosferas (1013250 Pa).

16. Método para controle de eletrolisador, caracterizado pelo fato de que compreende, em um eletrolisador em fase gasosa, produzir eletroquimicamente um produto de redução compreendendo hidrogênio molecular e uma espécie contendo carbono (CCS) a partir de uma entrada compreendendo dióxido de carbono em fase gasosa, em que a CCS não é dióxido de carbono, em que produzir eletroquimicamente o produto de redução compreende: • durante um primeiro intervalo de tempo, produzir o produto de redução com uma primeira razão hidrogênio molecular para CSS (HCR), compreendendo operar o eletrolisador em fase gasosa sob um primeiro conjunto de condições de processo; e • durante um segundo intervalo de tempo após o primeiro intervalo de tempo, ajustar a operação do eletrolisador para mudar a HCR do produto de redução, compreendendo operar o eletrolisador em fase gasosa sob um segundo conjunto de condições de processo para produzir o produto de redução com uma segunda HCR substancialmente diferente da primeira HCR.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que: • durante o primeiro intervalo de tempo, a entrada define uma primeira umidade; • ajustar a operação do eletrolisador compreende alterar a umidade de entrada de modo que, durante o segundo intervalo de tempo, a entrada define uma segunda umidade substancialmente maior do que a primeira umidade; e • a segunda HCR é maior do que a primeira HCR.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o ajuste da operação do eletrolisador para mudar a HCR do produto de redução é realizado em resposta à determinação de uma HCR desejada substancialmente diferente da primeira HCR.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: • fornecer o produto de redução a um reator a jusante; e • determinar uma métrica de operação associada com o reator a jusante; em que a determinação da HCR desejada é realizada com base na métrica de operação.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que: • o reator a jusante é um biorreator;

• a entrada compreende adicionalmente uma espécie contendo enxofre (SCS), em que uma concentração da SCS na entrada é pelo menos 5 ppm; e • o método compreende adicionalmente fornecer a SCS, intermisturada com o produto de redução, para o biorreator.

21. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que: • o primeiro conjunto de condições de processo compreende uma primeira temperatura do eletrolisador maior do que 50°C e uma primeira pressão de entrada maior do que 10 atmosferas (1013250 Pa); e • o segundo conjunto de condições de processo compreende uma segunda temperatura do eletrolisador maior do que 50 °C e uma segunda pressão de entrada maior do que 10 atmosferas (1013250 Pa).