CN110387554B - 一种电解系统以及一种电解二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电解系统，该系统包括直流电源、电解池单元，以及用于加热电解池单元的加热单元，其中电解池单元采用具有中空对称结构的基于陶瓷电解质的固体氧化物电解池，具有结构简单、稳定性高的优点。利用该电解系统，将二氧化碳或水通入电解池单元的支撑燃料极，空气接触非支撑空气极，并将电解池单元加热至600℃以上，开启直流电源，能够将二氧化碳和水高温电解为一氧化碳和氢气，具有操作简单、低成本、安全高效、在相对较低的电解电压下实现了水和二氧化碳电解转化的优点。

Description

一种电解系统以及一种电解二氧化碳的方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种电解系统以及一种电解二氧化碳的方法
背景技术
自工业革命以来，全球化石能源消耗增长迅猛，CO2排放不断增加，对环境造成的污染和破坏日趋严重，如何有效控制温室气体的排放量，减缓环境问题已成为人类社会面临的一个不可避免的难题。
由于过度依赖于煤火电厂提供电力，我国已成为温室气体的排放大国。作为《巴黎气候变化协定》的缔约国，我国在二氧化碳排放方面承诺在2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60％-65％。因此，如何有效实现二氧化碳的减排工作，创造额外的经济环境效益是亟待解决的一个问题。
通过电化学方法将二氧化碳和水电解转化为合成气或者其他烃类能源，对减少二氧化碳的排放和提高可再生资源的转化利用具有十分重要的意义。
目前，为实现二氧化碳的转化，使用较多的是基于质子交换膜电解质的中低温电解池，采用较为昂贵的铂金属作为催化剂，成本较高，而且对产物的分离调控非常困难。为了降低成本，也有学者提出了基于熔融盐电解池的二氧化碳转化法，但熔融盐电解池在直接电解二氧化碳时，经常会发生阴极积碳的问题，从而导致电解池性能的下降；另一方面，由于熔融盐电解池采用的是熔融液态电解质，不仅增大了对密封的要求，而且也带来了电解液泄露的风险。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供了一种电解系统，该系统采用基于陶瓷电解质的固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)，具有结构简单、稳定性高的优点，利用该电解系统能够对二氧化碳进行电解。
本发明提供的技术方案是：一种电解系统，包括直流电源、电解池单元，以及用于加热电解池单元的加热单元；
所述的电解池单元包括支撑层、电解质层以及非支撑层；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于支撑层的上表面，第二电解质层位于支撑层的下表面；非支撑层包括第一非支撑层与第二非支撑层，第一非支撑层位于第一电解质层的上表面，第二非支撑层位于第二电解质层的下表面；支撑层设置中空连通孔道，该孔道在支撑电极层侧面设置与所述孔道相连通的孔道入口与孔道出口，用于燃料气体通入孔道；
所述的直流电源正极与第一阴极层电连接，负极与第二阴极该层电连接。
作为优选，所述电解质材料为YSZ、SSZ、LSGM等，厚度1μm～15μm。
作为优选，所述支撑层材料可以是Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ等，厚度优选为2μm～50μm。
作为优选，所述的非支撑层材料可以是LSM、LSCF、BSFC等，厚度优选为5μm～100μm。
作为优选，第一电解质层与第一阴极层之间优选设置第一阻挡层，第二电解质层与第二阴极层之间优选设置第二阻挡层。
作为优选，所述支撑层与非支撑层均具有多孔结构，孔隙率优选为30～75％，平均孔径优选为0～2μm。
作为优选，所述非支撑层具有气体流道，用作气体流通以及导电作用。
所述加热单元可以是电阻炉，或其是其他加热器件，用于将电解池单元温度加热至第一电解质层与第二电解质层达到所需的离子电导率。作为优选，还包括温度控制单元，用于监测与调控电解池单元的温度。
本发明还提供了一种利用上述电解系统电解二氧化碳的方法，如图1所示，该方法具体为：采用本发明的电解系统，加热单元加热电解池单元，使电解池单元的温度达到600℃以上，第一阴极层与第二阴极层与空气相接触，二氧化碳和水的混合气体自孔道入口通入孔道，开启直流电源，二氧化碳和水发生电解，在孔道出口获得CO与H2。
作为优选，控制电解电压在1～3V区间内。
作为优选，电解池温度为600～850℃。
作为优选，CO2与H2O的混合气中，H2O的摩尔比不低于5％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)采用基于陶瓷电解质的固体氧化物电解池，与直流电源、加热单元共同构成电解系统，是一种高效、稳定、低污染的能量转换装置；该电解池具有中空对称结构，其结构上下关于支撑电极对称，发生电化学反应的三相界面关于支撑电极对称，保证了电池在运行过程中的热应力平衡，降低了电池的电极和电解质受到的损伤；同时，该结构的机械强度较高，且易于加工及密封，对提高电池长期运行稳定性以及电解性能均有很大帮助。
(2)利用该电解系统，将二氧化碳或水通入支撑层(因此，称支撑层为燃料极)，空气接触第一非支撑层与第二非支撑层(因此，称非支撑层为空气极)；并将电解池单元加热至600以上并维持恒定，一方面在该温度下电解质具有足够的离子电导率用以传导氧离子，另一方面用于维持阴阳极材料的催化活性；开启直流电源，对电解池单元通电，使其工作在一定的工作电压下，二氧化碳和水的混合气体在工作电压下于电极三相界面处发生电解反应生成一氧化碳和氢气，并生成氧离子，氧离子在氧浓度梯度的驱动下通过电解质传导至电解池阳极，并在阳极失去电子，解吸附生成氧气。即，该高温电解反应机理为：
空气极：2O2—4e-＝O2
燃料极：CO3 2-+2OH-+4e-＝CO+H2+4O2-
总反应：2H++CO3 2-+4e-＝CO+H2+2O2-。
(3)实现了对二氧化碳或水进行高温电解而转化为氢气、一氧化碳等燃料气体进行能源储存，并且转化方法操作简单、低成本、安全高效、在相对较低的电解电压下实现了水和二氧化碳电解转化，最后在孔道出口处收集得到有CO、H2、H2O、CO2组成的合成气，且电解条件简单易控，反应选择性好；另外，由于高热能的存在，电解二氧化碳和水所需的电能降低，同时转化效率大大提高，可以在较低的电解电压下，得到合成气，实现了电能到化学能的转化和储存。
(4)通过调节电解池单元的温度、工作解电压，以及混合气体中二氧化碳和水的摩尔比中的一种或者几种调控产物比例，获得不同比例的合成气。
附图说明
图1是利用本发明的电解系统实现CO2转化的原理示意图；
图2是本发明实施例1中的电解池单元的结构示意图；
图3是本发明实施例1中利用电解系统电解二氧化碳的电解曲线；
图4是本发明实施例2中利用电解系统电解二氧化碳的电解曲线；
图5是本发明实施例3中利用电解系统电解二氧化碳的电解曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1、2中的附图标记为：10-直流电源；20-电解池单元；30-燃料极；1-支撑层；21-第一电解质层；22-第二电解质层；31-第一阻挡层；32-第二阻挡层；41-第一非支撑层；42-第二非支撑层；5-孔道。
实施例1：
本实施例中，电解系统包括直流电源、电解池单元，以及用于加热电解池单元的加热单元。
如图2所示，电解池单元包括支撑层1、电解质层、阻挡层以及非支撑层；电解质层包括第一电解质层21与第二电解质层22，第一电解质层21位于支撑层1的上表面，第二电解质层22位于支撑层1的下表面；阻挡层包括第一阻挡层31与第二阻挡层32，第一阻挡层31位于第一电解质层21的上表面，第二阻挡层32与第二电解质层22的下表面；非支撑层包括第一非支撑层41与第二非支撑层42，第一非支撑层41位于第一阻挡层31的上表面，第二非支撑层42位于第二阻挡层32的下表面。支撑层设置中空连通孔道5，该孔道在支撑电极层侧面设置与所述孔道相连通的孔道入口与孔道出口，用于燃料气体通入孔道。
该电解池单元的有效面积为18cm2。
第一电解质层21与第二电解质层22的材料可以是YSZ、SSZ、LSGM等，厚度均为10μm。
支撑层材料可以是Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ等，厚度为20μm。
非支撑层材料可以是LSM、LSCF、BSFC等，厚度均为20μm。
直流电源10的正极与第一非支撑层电连接，负极与第二非支撑层电连接。
加热单元是控温电阻炉，用于将电解池单元温度加热至第一电解质层与第二电解质层达到所需的离子电导率。
利用上述电解系统电解二氧化碳，具体为：
采用上述电解系统，加热单元加热电解池单元，使电解池单元的温度达到700℃，第一阴极层与第二阴极层与空气相接触，二氧化碳和水的混合气体自孔道入口通入孔道，混合气体中二氧化碳和水的摩尔比1:1，开启直流电源，对电解池单元通电，工作电压为1V，二氧化碳和水的混合气体在工作电压下于电极三相界面处发生电解反应，电解曲线如图3所示，反应1小时后，在阴极流道出口处，获得摩尔含量为20.56％、35.6％、43.52％的CO、H2、CO2合成气。
实施例2：
本实施例中，电解系统的结构与实施例1中完全相同。
利用上述电解系统电解二氧化碳，具体方法与实施例中的电解方法基本相同，所不同的是：加热电解池单元，使其温度达到750℃，混合气体中二氧化碳和水的摩尔比2:1，工作电压为1.5V，电解曲线如图4所示，反应1小时后，在阴极流道出口处获得摩尔含量为55.12％、31.08％、13.56％的CO、H2、CO2合成气。
实施例3：
本实施例中，电解系统的结构与实施例1中完全相同。
利用上述电解系统电解二氧化碳，具体方法与实施例中的电解方法基本相同，所不同的是：加热电解池单元，使其温度达到800℃，混合气体中二氧化碳和水的摩尔比4:1，工作电压为2V，电解曲线如图5所示，反应1小时后，在阴极流道出口处获得摩尔含量为64.45％、19.84％、15.95％的CO、H2、CO2合成气。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.利用电解系统电解二氧化碳的方法，所述电解系统包括直流电源、电解池单元，以及用于加热电解池单元的加热单元；其特征是：
所述的电解池单元包括支撑层、电解质层以及非支撑层；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于支撑层的上表面，第二电解质层位于支撑层的下表面；非支撑层包括第一非支撑层与第二非支撑层，第一非支撑层位于第一电解质层的上表面，第二非支撑层位于第二电解质层的下表面；支撑层设置中空连通孔道，该孔道在支撑电极层侧面设置与所述孔道相连通的孔道入口与孔道出口，用于燃料气体通入孔道；
所述的直流电源正极与第一阴极层电连接，负极与第二阴极层电连接；
加热单元加热电解池单元，使电解池单元的温度达到600℃以上；第一阴极层与第二阴极层与空气相接触；二氧化碳和水的混合气体自孔道入口通入孔道；开启直流电源，对电解池单元通电，使其工作在一定的工作电压下，二氧化碳和水发生电解，在孔道出口获得包含CO与H2的合成气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：第一电解质层与第一阴极层之间设置第一阻挡层，第二电解质层与第二阴极层之间设置第二阻挡层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述支撑层与非支撑层均具有多孔结构。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是：孔隙率为30~75%，平均孔径为0.5μm ~2μm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述非支撑层具有气体流道。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述电解质材料为YSZ、SSZ、LSGM中的一种或几种.。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述支撑层材料是Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述非支撑层材料是LSM、LSCF、BSFC中的一种或几种。
9.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述工作电压为1V ~3V。
10.如权利要求1所述的方法，其特征是：电解池单元的温度为600~850℃。
11.如权利要求1所述的方法，其特征是：混合气体中，二氧化碳和水的摩尔比不低于5%。
12.如权利要求1所述的方法，其特征是：通过调节电解池单元的温度、工作解电压，以及混合气体中二氧化碳和水的摩尔比中的一种或者几种调控产物比例，获得不同比例的合成气。
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