CN109219674A - 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方法和电解装置。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，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，并且阳极在阳极室中直接与所述第一膜邻接，并且在第一膜和阴极之间在阴极室中布置有阴离子选择性的第二膜，并且第二膜至少部分地、但是不完全地直接与所述第一膜邻接。

Description

用于电化学地利用二氧化碳的装置和方法
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。
对电的需求随着一天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成尤其能够用作基础化学品或者包括一氧化碳和氢气在内的合成气的价值产物。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一氧化碳外也不利地形成氢气，原因是含水的电解质中的水同样被电解。
防止在阴极不期望地产生氢气的方法或者装置常常导致其它的限制。尤其在使用质子传导膜时，阴极可能不利地不直接贴靠在所述质子传导膜上，原因是在这种情况下由于在阴极处相对较高的质子浓度促进了氢气的产生。因此，为了防止所述情况而在质子传导膜和阴极之间设有由电解质填充的缝隙。然而不利的是纯水不能用作电解质，原因是纯水的导电性过小并且在所述缝隙中可能形成大幅的电压降。使用矿物酸、尤其稀释的硫酸作为电解质将促进不期望地产生氢气，原因是这升高了阴极处的质子浓度。
因此在现有技术中提高阴极和质子传导膜之间的缝隙内部的导电性，方式是将碱或者导电盐加入水中。然而在非酸性的环境中，在还原二氧化碳时不利地在阴极产生了氢氧根。所述氢氧根又和其它二氧化碳产生碳酸氢根(碳酸氢盐)或者碳酸根(碳酸盐)。这些通常与碱中的阳离子或者导电盐中的阳离子一同构成了难以溶解的物质，所述物质可能作为固体在电解槽中析出并且因此不利地干扰电解槽的运行。
在二氧化碳电解装置中，在阴极室中使用缝隙导致了其它的缺点：尤其是缝隙上的电压降显著地升高了电解槽的能量需求，从而降低了电解槽的效率。
选择合适的阴极材料可以作为用于防止产生氢气而对电解槽的另一种优化，所述材料则必须针对氢气的产生具有的尽可能高的超电压。然而这些金属往往不利地是有毒的或者会导致负面的环境影响。可以考虑的金属尤其是镉、汞和铊。将这些金属用作阴极材料在此通常对能够在电解槽中制造的产物造成局限，原因是所述产物决定性地取决于阴极处的反应机理。然而不利的是上述金属不适于生产期望的价值材料、尤其是一氧化碳、甲酸或者乙烯。
因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电解槽以及用于运行电解槽的方法，在所述电解槽中抑制氢气的产生并且所述电解槽能够高能效地运行。
所述技术问题通过按照权利要求1所述的电解装置以及按照权利要求10所述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利用二氧化碳的电解装置包括至少一个电解槽或者说电解池，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阴离子选择性或者说阴离子选择透过的第二膜并且所述第二膜至少部分地、但是不完全地直接与第一膜邻接。
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。首先提供电解装置，所述电解装置具有带有阳极的阳极室和带有阴极的阴极室。在此，在阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜。阳极直接与所述第一膜邻接并且在第一膜和阴极之间布置有阴离子选择性的第二膜。所述第二膜在此至少部分地，但是不完全地直接与第一膜邻接。二氧化碳在电解槽中接着在阴极室中的阴极处分解为产物。未转化的二氧化碳同时以碳酸氢根或者碳酸根的形式通过第二膜从阴极传送走。阳极的氢离子同时被传送穿过第一膜。在第一膜和第二膜之间，氢离子和碳酸根或者碳酸氢根反应生成二氧化碳和水。所放出的二氧化碳能够通过流动通道或者第一膜和第二膜之间的孔释放。
通过按照本发明的方法和按照本发明的电解装置可行的是，使用不带有缝隙并且不带有所述缝隙中的导电盐的电解槽。通过阴离子选择性膜有利地减少了在阴极产生氢气。阴离子选择性膜典型地包括共价键合的季胺(NR4 +)，从而使氢离子无法穿过阴离子选择性膜。
此外按照本发明的方法和按照本发明的电解装置有利地实现了释放未转化的二氧化碳并且因此防止二氧化碳进入阳极室中，并且由此也防止在所述阳极室中产生的氧气与二氧化碳混合。
在按照本发明的电解装置中仅使用水和二氧化碳。能够有利地避免使用导电盐或者碱。水在阳极分解为质子和氧气。所述质子能够从阳极通过阳离子选择性膜迁移、尤其通过阳离子选择性膜渗透至第一膜和第二膜之间的间隙中。二氧化碳在阴极转化为产物、尤其是一氧化碳、甲酸或者乙烯。未转化的二氧化碳能够与水相中的氢氧离子作为碳酸氢根或者碳酸根通过阴离子选择性膜迁移或者渗透至所述间隙中。第一膜和第二膜达到水的饱和。碳酸氢根或者碳酸根和氢离子能够在间隙中反应生成二氧化碳和水。所述二氧化碳随即有利地通过流动通道或者多孔结构从间隙中导引出电解装置。在流动通道和/或多孔结构的内部空间和阴极的外表面之间尤其可以具有其它的排放开口，以确保二氧化碳和水的再循环。
作为阴离子选择性膜可以使用可商业获取的膜。尤其包括AGC Chemicals的Selemiom AMV、Tokuyama的Neosepta或者Fuma有限责任公司的Fumasep FAB。在这些膜中固定有正电荷、尤其是季胺NR4 +。膜的总带电量通过溶解在水相中的移动的相对离子、尤其氢氧离子平衡。这种阴离子选择性膜有利地防止氢离子向阴极转移。阴极材料能够有利地非常灵活地进行选取。即能够根据期望的价值产物选择阴极材料。
第二膜至少部分地直接与阴极邻接。为了利用阴极的内表面，所述阴极通过大孔连接在阴离子选择性膜上。所述大孔在此典型地具有至少1微米的直径。阴极在阴离子选择性膜上的连接能够以有利的方式通过阴离子选择性的聚合物实现。所述连接优选借助与在制备时渗入一部分膜侧的阴极孔中的聚合物相同的聚合物的溶液实现。尤其阴极的表面由膜材料的溶液润湿并且随即压在第二膜上。
液相包括离子的成分、尤其是氢氧根和碳酸氢根，它们在阴极产生并且在阴离子选择性膜内是可移动的，因此它们能够有利地通过所述膜被传送。这实现了阴极与阴离子选择性膜的连接并且由此也实现了二氧化碳的还原。在此重要的是，在阴极和阴离子选择性膜中可移动的是相同的离子，在水的情况下尤其是氢氧离子。传导阴离子的膜在阴极上的连接在此典型地通过用传导阴离子的聚合物浸渍阴极的膜侧实现。阴离子选择性的第二膜在此至少部分地直接邻接在阴极上。所施加的聚合物通过聚合作用成为膜的一部分。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，在第一和第二膜之间布置有共同的接触面，其中所述接触面的尺寸处于第一膜的膜面积的至少80％至98％的范围中。膜在电解槽中相互接触，然而这些膜并不完全接触。一方面有利的是它们不完全接触，因为这样流动通道或者细孔能够保持开放，以便能够将未转化的二氧化碳以及形成的水从两个膜的接触区域中导出。另一方面有利的是，第一和第二膜大面积地接触，以便在电解槽内保持尽可能高的导电性并且由此能够将电解槽的能量需求设计得尽可能低、也就是设计得尽可能高效。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，阴极和/或第二膜包括排放开口，以便将二氧化碳和水从距离保持装置导入气体侧的阴极室中。气体侧的阴极室位于阴极的背离阳极的一侧上。向所述气体侧的阴极室输入反应原料二氧化碳。将在距离保持装置中产生的水和二氧化碳导入气体侧的阴极室中有利地实现了二氧化碳更高的转化率并且由此也实现了更高的效率。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，在第一和第二膜之间布置有距离保持装置。所述距离保持装置可以包括网眼、格栅或者多孔结构。这样能够有利地按定义预设第一和第二膜之间的接触面积，从而一方面保证用于释放的二氧化碳的足够的流动通道，并且另一方面保证电解池足够的导电性。
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。阴极材料的选择尤其与二氧化碳分解的期望价值产物相关。通过使用银阴极尤其制备一氧化碳。通过使用铜阴极生产乙烯，并且通过使用铅阴极生产甲酸。有利地能够通过电解槽的结构进行阴极材料的自由选择并且同时防止在阴极产生不期望的氢气。阴极在此典型地设计为气体扩散电极。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，其中保留的孔腔朝向气体侧开放。
在本发明的一种有利的设计方案和扩展设计中，未转化的并且因此再次释放的二氧化碳被作为反应原料导引回电解装置中。由此有利地提高了电解的效率，原因是转化了尽可能多的二氧化碳。
在本发明的其它有利的设计方案和扩展设计中，使用纯水运行电解装置。在此作为纯水指的是具有小于1ms/cm的导电性的水。由此有利地避免盐、尤其碳酸氢盐在电解槽中析出并且因此导致电解槽的使用寿命缩短。
根据以下附图详细阐述本发明的其它设计形式以及其它特征。在此是指不意味着限制保护范围的纯粹示例性的设计形式以及特征结合。在不同设计形式中的具有相同的作用方式和相同名称的特征在此配设相同的附图标记。
在附图中：
图1示出了具有阴离子选择性膜的电解槽；
图2示出了用于具有阴离子选择性膜的电解槽的距离保持结构。
电解槽1包括阴极室14和阳极室13。阴极室14与阳极室13通过距离保持装置11分隔。在阳极室13中布置有阳离子选择性膜3。阳极4直接与所述阳离子选择性膜邻接。在阴极室14中布置有阴离子选择性膜2。阴极5与所述阴离子选择性膜邻接。阴极5与阴离子选择性膜2通过阴离子选择性的聚合物连接。在阴离子选择性膜2与阳离子选择性膜之间布置有距离保持结构11。所述膜的90％通过接触面9相互接触。
电解槽1被适宜地供给电压，从而使电解能够进行。二氧化碳在电解槽1中被还原成一氧化碳。这典型地在银阴极处进行。在阴离子选择性膜2和阳离子选择性膜3中都存在水。正电荷、尤其是质子能够在阳离子选择性膜3中移动，在所述阳离子选择性膜上优选连接有固定的负电荷、尤其是脱质子的磺酸基团。这通过氢离子7在阳极室13中的浓度分布曲线显示。相反地，在阴离子选择性膜2处通常固定有季胺NR4 +，这形成了带有正电荷的带电表面。通过该带正电的表面可以使尤其带负电的氢氧离子运动穿过所述阴离子选择性膜。这由氢氧离子6的浓度分布曲线表明。负电荷能够在阴离子选择性膜2之内以碳酸氢根或者碳酸根的形式存在和传送(未显示在浓度分布曲线中)。
如果在电解槽1处接通电压，则二氧化碳在包括银的阴极5处还原成一氧化碳。同时在阳极室13中水分解为质子和氧气。所述氧气能够离开阳极室。所述质子能够通过阳离子选择性膜3迁移至距离保持装置11的格栅的格栅条8之间的间隙中。未转化的二氧化碳能够与氢氧根反应生成碳酸根或碳酸氢根并且通过阴离子选择性膜迁移。碳酸氢根或者碳酸根和氢离子随即能够在格栅结构8内的间隙中反应生成二氧化碳和水。所述二氧化碳能够由此再次从电解槽中释放，而所述水能够扩散回两个膜中。此外有利地避免了在阴极产生氢气，原因是质子由于带正电不能穿过阴离子选择性膜。
通常使用能够商业获取的阴离子选择性膜。为了将阴离子选择性膜2牢固地与阴极5连接，通过阴离子选择性的聚合物12将所述阴离子选择性膜2与阴极5彼此牢固地连接。所述阴离子选择性的聚合物12不完全地润湿阴极5，从而留有通向气体空间连贯的开口或者细孔，二氧化碳能够通过所述开口或者细孔扩散。通过使用阴极5的内表面，通过大孔从所述阴极5中导出氢氧根。这确保了从阴极5向阴离子选择性膜2的离子传送。
阴极5典型地设计为气体扩散电极。
在图2中区段性地示出了作为格栅结构8的距离保持装置10。阴影面在此说明阴离子选择性膜2与阳离子选择性膜3的接触面。接触面和格栅结构8之间的空白面表示流动通道10，在间隙中产生的二氧化碳可以通过所述流动通道离开电解槽。有利地可行的是，通过距离保持结构11使二氧化碳和一氧化碳与阳极气体即氧气分开。此外可行的是，仅使用水来运行电解槽1。这通过以下方式实现，即这样相互布置阳极和阴极，使得通过阴离子选择性膜2和阳离子选择性膜3的导电性足够高。因此有利地避免了使用导电盐或者缓冲剂。由此有利地不会导致尤其是碳酸氢盐作为固体析出。因此有利地提高了电解槽的使用寿命。这还有利地提高了电解槽的效率。

Claims (13)

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)
-包括带有阳极(4)的阳极室(13)以及带有阴极(5)的阴极室(14)，
-在阳极室(13)和阴极室(14)之间布置有阳离子渗透性的第一膜(3)，并且
-阳极(4)在阳极室中(13)直接与所述第一膜(3)邻接，其特征在于，在第一膜(3)和阴极(5)之间布置有阴离子选择性的第二膜(2)并且所述第二膜(2)至少部分地但是不完全地直接与第一膜(3)邻接，并且其中，所述第二膜(2)至少部分地直接与阴极(5)邻接。
2.按权利要求1所述的电解装置，其中，在所述第一膜(3)和第二膜(2)之间布置有共同的接触面(9)，其中，所述接触面(9)的尺寸处于第一膜和/或第二膜的膜面积的至少80％至98％的范围中。
3.按前述权利要求之一所述的电解装置，其中，在所述第一膜(3)和第二膜(2)之间布置有距离保持装置(11)。
4.按前述权利要求之一所述的电解装置，其中，所述阴极(5)和/或第二膜(2)包括排放开口，所述排放开口用于将二氧化碳和水从距离保持装置(11)导引至气体侧的阴极室中。
5.按权利要求3或4所述的电解装置，其中，所述距离保持装置(11)包括网眼、格栅(8)或者多孔结构。
6.按前述权利要求之一所述的电解装置，其中，在所述阴极(5)和第二膜(2)之间至少部分地布置有传导阴离子的聚合物(12)。
7.按前述权利要求之一所述的电解装置，其中，所述阴极(5)包括银、铜、铅、铟、锡或者锌这些元素中的至少一种。
8.按前述权利要求之一所述的电解装置，其中，所述阴极(5)包括气体扩散电极。
9.一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：
-提供带有电解槽(1)的电解装置，所述电解槽包括具有阳极(4)的阳极室(13)以及具有阴极(5)的阴极室(14)，其中，在所述阳极室(13)和阴极室(14)之间布置有阳离子渗透性的第一膜(3)，并且阳极(4)直接与所述第一膜(3)邻接，并且在第一膜(3)和阴极(5)之间布置有阴离子选择性的第二膜(2)并且所述第二膜(2)至少部分地、但是不完全地直接与第一膜(3)邻接，
-在阴极室(14)中的阴极(5)处将二氧化碳分解为产物，
-将未转化的二氧化碳作为碳酸根或者碳酸氢根从阴极(5)通过第二膜(2)传送，
-通过第一膜(3)从阳极(4)传送氢离子，
-氢离子和碳酸根或者碳酸氢根在第一膜(3)和第二膜(2)之间反应生成二氧化碳和水，
-通过第一膜(3)和第二膜(2)之间的流动通道或者孔释放二氧化碳。
10.按权利要求9所述的方法，其中，释放的二氧化碳被作为反应原料导引回电解装置中。
11.按权利要求9或10之一所述的方法，其中，用纯水运行所述电解装置。
12.按权利要求9至11之一所述的方法，其中，所述流动通道或者孔借助距离保持装置(11)形成。
13.按权利要求9至12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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