CN109196143B - 用于电化学地利用二氧化碳的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学地利用二氧化碳的电解装置，所述电解装置包括至少一个电解槽，其中，所述电解槽包括具有阳极的阳极室和具有阴极的阴极室，在所述阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜并且阳极直接与所述第一膜邻接，并且在第一膜和阴极之间布置有包括阴离子选择性聚合物的层。

Description

用于电化学地利用二氧化碳的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于电化学地利用二氧化碳的方法和电解装置。
背景技术
对电的需求随着一天当中时间的变化强烈波动。随着由可再生能源产生的电的比例的升高，发电量也在一天中随着时间变化波动。为了能够在电量需求较低时平衡在多日照和强风时对电的过量供应，需要可调节的发电厂或者存储器，以便存储这些能量。
一种目前考虑的解决方案是将电能转化为价值产物、尤其是基础化学品或者合成气。电解是一种用于将电能转化成价值产物的可行的技术。
将水电解为氢气和氧气是现有技术中已知的方法。而近几年也研究了将二氧化碳电解为价值产物、例如尤其是一氧化碳、乙烯或者甲酸，并且致力于研发能够与经济利益相符地转化二氧化碳流的电化学系统。
电解单元的一种有利构型是低温电解装置，在所述低温电解装置中借助气体扩散电极将作为反应原料气体的二氧化碳转化至阴极室中。二氧化碳在电化学池的阴极处还原成价值产物并且水在阳极被氧化为氧气。由于在阴极处的扩散限制，在应用含水的电解质时可能除了形成价值产物外也不利地形成氢气，因为含水的电介质中的水同样被电解。
如果质子传导膜直接接触阴极，则更加促进了氢气的产生。对此的一种备选方案是在质子传导膜和阴极之间布置由含水的电解质填充的缝隙。然而纯水不能用作电解质，原因是水的导电性过低并且在所述缝隙中可能造成不利的大幅电压降。使用矿物酸、尤其稀释的硫酸导致不期望地产生氢气，原因是这些酸不利地升高了阴极处的质子浓度。
因此在现有技术中通常提高缝隙内的电解质的导电性，在所述缝隙中加入碱或者导电盐。在非酸性的环境中，在还原二氧化碳时可能在阴极处不利地产生氢氧离子或者说氢氧根。所述氢氧根与其它二氧化碳产生碳酸氢根(碳酸氢盐)或者碳酸根(碳酸盐)。这些与碱的阳离子或者导电盐的阳离子一同不利地形成了难以溶解的物质，所述物质作为固体在电解槽内析出。这不利地导致了电解槽寿命的缩短。原则上，由于在槽上的电压降，电解槽中的缝隙是不利的，因为所述电解槽的能量需求升高并且因此降低了效率。
在现有技术中，另一种防止不期望地产生氢气的可能性是选择合适的阴极材料。阴极材料则应当针对氢气的产生具有尽可能高的超电压。然而这些金属通常不利地是有毒的或者导致负面的环境影响。合适的金属是镉、汞和铊。此外，选择这些金属作为阴极材料不利地导致价值产物在选择上的严重局限：在二氧化碳电解槽中制造的价值产物决定性地取决于反应机理，阴极材料又对所述反应机理具有主要的影响。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电解装置以及一种用于运行电解装置的方法，其中减少氢气的产生并且同时提高效率。
本发明的技术问题通过按照本发明的电解装置、按照本发明的用于运行电解装置的方法解决。
按照本发明的用于电化学地应用二氧化碳的电解装置包括至少一个电解槽，其中，所述电解槽包括具有阳极的阳极室以及具有阴极的阴极室。在阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜并且阳极直接与所述第一膜邻接。按照本发明在第一膜和阴极之间布置有包括阴离子选择性的聚合物的层,其中，所述层至少部分地但是不完全地覆盖阴极，其中，所述层具有与第一膜的接触区域，并且其中，所述层具有用于释放二氧化碳的孔或者流动通道。
在按照本发明的运行用于电化学地利用二氧化碳的电解装置的方法中进行下列步骤。首先提供具有至少一个电解槽的电解装置，其中，所述电解槽包括具有阳极的阳极室以及具有阴极的阴极室。在阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜。阳极在此直接邻接在所述第一膜上。按照本发明在第一膜和阴极之间布置有包括阴离子选择性聚合物的层。所述层用作第一膜和阴极之间的接触媒介。作为下一步骤，二氧化碳在阴极室中的阴极处分解成产物。随即在阴极处由未转化的二氧化碳和氢氧离子生成碳酸根或者碳酸氢根。同时通过第一膜从阳极传送氢离子。所述氢离子与碳酸根或者碳酸氢根随即在层和第一膜的接触区域中反应生成二氧化碳和水。所述二氧化碳能够通过层中的孔或者流动通道从电解槽中释放。
第一层的阴离子选择性聚合物有利地实现了阻挡阳离子并且仅允许阴离子穿过。这通过固定的带正电的离子实现。典型地固定季胺NR4 +。阴离子选择性层的总带电量通过移动的阴离子平衡，所述阴离子、尤其是氢氧根和碳酸氢根溶解在电解槽的含水相中。
通过阴离子选择性的层有利地防止了尤其是氢质子到达阴极。因此有利地避免了不期望地产生氢气。此外可以灵活地选择阴极材料，因为阴离子选择性的层已经阻止了氢质子直接到达阴极。因此能够有利地根据期望的价值产物选择阴极材料。阳离子渗透性的膜典型地通过固定的负电荷、尤其是通过脱质子化的磺酸基团实现。电荷平衡则通过质子或者在存在其它溶解的阳离子的情况下通过所述阳离子实现。
在使用阴离子选择性层时，不期望的但是无法避免的效应是，所提供的二氧化碳中的一部分与氢氧根在阴极生成碳酸根或者碳酸氢根。所述碳酸氢根或者碳酸根能够传送通过阴离子选择性的层。如果与能够穿过阳离子渗透性膜的氢质子接触，则碳酸氢根或者碳酸根反应生成二氧化碳。
所述层至少部分地但是不完全地覆盖阴极。这样的优点在于，如此生成的二氧化碳能够从电解槽中逸出。层类似岛一样地部分覆盖在膜上。如果所述层中存在足够多孔的结构以便能够使二氧化碳从电解槽中逸出，那么聚合物层可以备选地连续覆盖阴极。如此形成的二氧化碳随即到达阴极室中，在所述阴极室中所述二氧化碳又能够转化成价值产物。
这样有利地提高了电解槽中的二氧化碳的产率。此外电解槽的这种布置结构的优点在于，在用纯水运行电解槽时，在阴离子选择性层和阳离子选择性膜的接触位置上产生了水的盈余，所述盈余通过进行由碳酸氢根和质子生成二氧化碳的中和反应产生。生成的水能够朝阴极室的方向排放，并且因此实现良好的并且均匀的润湿。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，第一膜的表面在20％至85％的区域中被所述层覆盖。在所述区域中确保了，聚合物层将阴极和阳离子渗透性的膜分开，但同时存在通道或者孔，以便有利地使二氧化碳和水能够排放。所述区域指的是包括非多孔的聚合物的层。然而备选也可行的是所述层包括多孔聚合物。在这种情况下第一膜的表面能够最多100％地、也就是完全地由所述层覆盖，因为二氧化碳和水能够通过孔排放。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，阴极包括银、铜、铅、铟、锡或者锌这些元素中的至少一种。阴极材料的选择有利地实现了在电解槽中生成的价值产物的选择。尤其能够在使用银阴极时生产一氧化碳、在使用铜阴极时生产乙烯并且在使用铅阴极时生产甲酸。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，阴极包括气体扩散电极。气体扩散电极理解为导电性良好的、多孔的催化器结构，所述催化器结构局部地由邻接的膜材料润湿。保留的孔隙在气体扩散电极中朝向气体侧开放。气体扩散电极有利地实现了二氧化碳的向内扩散和一氧化碳从电极中的向外扩散并且由此有利地提高了一氧化碳的产率。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，除了水之外，释放的二氧化碳被作为反应原料导引回阴极室中。在使用气体扩散电极时释放的二氧化碳能够有利地通过所述气体扩散电极扩散回到阴极室中。通过外部管道的回引可以额外地进行，但不是一定必要的。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，通过纯水运行电解装置。纯水理解为具有低于1mS/cm的导电性的水。通过使用纯水有利地避免在电解期间析出盐或者碳酸盐。这有利地延长了电解槽的使用寿命并且有利地提高了电解槽的效率。
在按照本发明的用于制造在阴极处具有阴离子选择性聚合物层的电解装置的方法中，用阴离子选择性的聚合物浸渍所述阴极。所述浸渍尤其通过浸泡工艺或者通过用阴离子选择性聚合物喷射阴极实现。
附图说明
根据以下附图详细阐述本发明的其它实施形式和其它特征。
图1示出了具有阴极、阴离子选择性的聚合物层和阳极的电解槽。图1还示出了用纯水运行时的质子和氢氧根的浓度曲线。
具体实施方式
图1示出了电解装置的实施例，所述电解装置具有电解槽1、阴极室2和阳极室3。在所述阳极室3中具有阳离子选择性膜4，阳极5直接施加在所述阳离子选择性膜上。阳离子选择性膜4尤其通过固定负电荷、在本示例中借助脱质子的磺酸基团而具有阳离子选择性，即主要是阳离子能够穿过所述膜。在阴极室2中具有阴离子选择性的聚合物7，阴极6直接施加在所述聚合物上。所述阴离子选择性聚合物的特点在于，所述聚合物通过季胺NR4 +改性，因此主要是带负电的离子能够穿过该层。
在电解槽1中有纯水作为电解质。二氧化碳在阴极6处分解并且与水共同形成氢氧根OH-。所述氢氧根OH-能够穿过典型地设计为层7的阴离子选择性聚合物。图1示出了氢氧根OH-和质子H+在槽中的浓度分布曲线。水在阳极5处分解为质子和氧气。所述氧气能够通过阳极室3离开电解槽1。质子H+能够通过阳离子选择性膜4。质子H+的浓度分布曲线也显示了这一点。氢质子H+和带负电的氢氧根OH-在阴离子选择性聚合物7和阳离子选择性膜4的边界处接触。在该区域中除了氢氧根OH-之外也存在由未转化的二氧化碳和氢氧根在阴极室2中产生的碳酸氢根或者碳酸根(未在浓度分布曲线中示出)。所述碳酸氢根或者碳酸根同样能够穿过阴离子选择性的聚合物层7并且与氢质子H+接触。所述碳酸氢根或者碳酸根与氢质子H+反应生成水和二氧化碳。由于阴离子选择性聚合物层7的多孔结构，所述二氧化碳能够扩散回到阴极室2中，在这里所述二氧化碳能够作为反应原料重新被使用。这有利地提高了电解槽1的产率。
所述电解槽1的效率明显高于类似的具有缝隙的电解槽。在具有缝隙的电解槽中，阴极必须和阳离子选择性膜分开，以避免不期望地产生氢气。阴离子选择性聚合物7有利地实现了取消所述缝隙。这有利地提高了电解槽的效率，因为电解槽的导电性显著升高了。这同样实现了使用纯水。纯水的使用有利地降低了析出盐或者碳酸盐的风险。所述析出缩短了电解槽的使用寿命。因此通过使用纯水延长了电解槽的使用寿命。
在该实施例中，阴极6包括气体扩散电极，所述气体扩散电极包括银。这实现了一氧化碳的生产。这尤其在应当生产合成气时是符合利益的。纯水的使用实现了高的法拉第效率，从而在低电压时能够生产纯度尽可能高的目标产物。

Claims (7)

1.一种用于电化学地利用二氧化碳的电解装置，包括至少一个电解槽(1)，
-其中，所述电解槽(1)包括具有阳极(5)的阳极室(3)和具有阴极(6)的阴极室(2)，
-在阳极室(3)和阴极室(2)之间布置有阳离子渗透性的第一膜(4)并且阳极(5)直接与所述第一膜(4)邻接，其特征在于，在第一膜(4)和阴极(6)之间布置有包括阴离子选择性聚合物的层(7)，并且其中，所述层(7)至少部分地但是不完全地覆盖阴极(6)，其中，所述层(7)具有与第一膜(4)的接触区域，并且其中，所述层具有用于释放二氧化碳的孔或者流动通道。
2.按权利要求1所述的电解装置，其中，所述第一膜(4)的表面在20％至85％的区域中被所述层覆盖。
3.按权利要求1或2所述的电解装置，其中，所述阴极(6)包括银、铜、铅、铟、锡或者锌这些元素中的至少一种。
4.按权利要求1或2所述的电解装置，其中，所述阴极(6)包括气体扩散电极。
5.一种运行用于电化学地利用二氧化碳的电解装置的方法，具有下列步骤：
-提供具有至少一个电解槽(1)的电解装置，其中，所述电解槽(1)包括具有阳极(5)的阳极室(3)和具有阴极(6)的阴极室(2)，并且在所述阳极室(3)和阴极室(2)之间布置有阳离子渗透性的第一膜(4)并且阳极(5)直接与所述第一膜(4)邻接，其特征在于，在第一膜(4)和阴极(6)之间布置有包括阴离子选择性聚合物的层(7)，其中，所述层(7)至少部分地但是不完全地覆盖阴极(6)，其中，所述层(7)具有与第一膜(4)的接触区域，并且其中，所述层具有用于释放二氧化碳的孔或者流动通道，
-二氧化碳在阴极室(2)中的阴极(6)处分解为产物，
-未转化的二氧化碳和氢氧根(OH-)在阴极(6)处生成碳酸根或者碳酸氢根，
-通过第一膜(4)从阳极(5)传送氢离子(H+)，
-氢离子(H+)与碳酸根或者碳酸氢根在层(7)和第一膜(4)的接触区域中反应生成二氧化碳和水，
-通过层(7)中的流动通道或者孔释放二氧化碳。
6.按权利要求5所述的方法，其中，用纯水运行所述电解装置。
7.按权利要求5或6之一所述的方法，其中，生成一氧化碳、乙烯或者甲酸这些产物中的至少一种。
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