CN113481525A - 电化学反应器及电化学反应系统 - Google Patents

电化学反应器及电化学反应系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113481525A
CN113481525A CN202110640118.0A CN202110640118A CN113481525A CN 113481525 A CN113481525 A CN 113481525A CN 202110640118 A CN202110640118 A CN 202110640118A CN 113481525 A CN113481525 A CN 113481525A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode
electrochemical
anode
gas
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110640118.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113481525B (zh
Inventor
刘释元
张策
姚伟
冯德强
李龙
姜文君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Academy of Space Technology CAST
Original Assignee
China Academy of Space Technology CAST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Academy of Space Technology CAST filed Critical China Academy of Space Technology CAST
Priority to CN202110640118.0A priority Critical patent/CN113481525B/zh
Publication of CN113481525A publication Critical patent/CN113481525A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113481525B publication Critical patent/CN113481525B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C25B11/046—Alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/081—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the element being a noble metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

本发明提供了一种电化学反应器及电化学反应系统，涉及二氧化碳还原技术领域。解决了现有反应器难以应对更为复杂的气‑液，气‑液‑固三相反应过程研究的技术问题。该电化学反应器包括传感器或影像采集器，还包括依次固接的阳极盖板、离子膜、阴极流道板和阴极盖板，阳极盖板具有阳极流道，阴极流道板具有阴极流道，阴极流道与阳极流道相对设置并形成反应区域，阴极盖板具有连通于反应区域的流体入口、流体出口及至少两个间隔设置的采样口；传感器能够采集反应区域的物理参数。该电化学反应系统包括上述电化学反应器。该电化学反应器及电化学反应系统能够实现电化学反应过程的实时检测。

Description

电化学反应器及电化学反应系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳还原技术领域，具体而言，涉及一种电化学反应器及电化学反应系统。
背景技术
二氧化碳还原是一项重要的物质和能源转化储存技术，目前以催化反应为主，其中二氧化碳电化学还原具有反应条件温和(常温常压)，能量需求单一(仅需要电能)，法拉第效率高(大于80％)，装置结构简单、体积小，反应迅速、装置启动快等优点。利用二氧化碳电化学还原技术，能够在载人飞船、空间站等密闭环境中将航天员呼吸产生的二氧化碳转化成氧气，实现氧元素回收和含碳燃料制备，有望应用于未来载人太空探索任务。对于其他富含二氧化碳的地外天体(例如火星)进行原位资源利用，有望减少任务的物资携带需求，也具有重要价值。随着催化技术的发展，还原生成的碳氢产物也可进一步转化成糖类等有机物，最终实现可控的人工光合作用过程。综上，二氧化碳电化学还原技术是支撑人类地外生存任务和绿色低碳可持续发展社会的关键技术，是载人深空探索的核心能力之一。
目前，针对二氧化碳电化学还原的研究，主要集中在材料性能和催化机理上，使用的反应器以液相反应器为主。然而，二氧化碳在水系溶液中溶解度低，导致还原反应速率难以提高。同时，反应涉及多个物理化学过程，反应器内电解液、反应气体和催化剂之间存在气-液，气-液-固等多个三相界面，十分复杂。对于不同结构的反应器而言，其物质传输和状态也存在很大差异，这些对反应过程和产物也有重要影响。因此，在研究二氧化碳还原反应中实现对反应器内部物理参数的测量，将有助于加深对其物理和化学过程的理解，并揭示反应机理。在此基础上通过控制输入条件研究温度、湿度等参数对还原效率的影响，进而实现反馈控制，有助于提高系统能效，为二氧化碳还原规模化应用提供理论基础。
由于二氧化碳还原过程涉及多物理化学过程，不仅需要研究催化材料，也需要研究其他因素如气体扩散和电解液流动状态等，而现有反应器难以应对更为复杂的气-液，气-液-固三相反应过程研究。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种电化学反应器，以解决现有电化学反应器难以应对更为复杂的气-液，气-液-固三相反应过程研究的技术问题。
本发明所提供的电化学反应器，包括：传感器或影像采集器；
还包括依次固接的阳极盖板、离子膜、阴极流道板和阴极盖板，
所述阳极盖板朝向所述离子膜的端面具有阳极流道，所述阴极流道板具有阴极流道，所述阴极流道与所述阳极流道相对设置并形成反应区域，所述阴极盖板具有连通于所述反应区域的流体入口、流体出口及至少两个间隔设置的采样口；
所述传感器能够采集所述反应区域的物理参数，物理参数包括：温度、湿度、流体流速、机械结构性能及含碳气体中的至少一种；
所述影像采集器用于采集所述反应区域的运行状态。
进一步地，所述传感器具有多个；
所述阴极盖板具有多个用于安装所述传感器的安装孔，且间隔设置。
进一步地，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、温湿度传感器、应力传感器、微重力传感器、气敏传感器或红外光学传感器中的至少一种；
和/或，所述影像采集器为微型影像采集器，用于观测流道内部运行状态。
进一步地，所述阴极盖板与所述阴极流道板之间设置有密封隔膜。
进一步地，所述阳极流道为蛇形流道、交指流道或回形流道，和/或，所述阴极流道为蛇形流道、交指流道或回形流道。
进一步地，所述阳极流道的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，和/或，所述阴极流道的横截面形状为矩形、正方形或半圆形。
进一步地，所述阳极盖板及其阳极流道采用金属钛或钛合金材料制成；和/或，所述阴极盖板采用尼龙、亚克力或聚醚醚酮材料制成；和/或，所述阴极流道板及其阴极流道采用钛金属、钛合金或不锈钢材料制成；
和/或，位于所述密封隔膜与所述离子膜之间的阴极气体扩散层采用碳纸、碳布、碳纳米管或多孔聚四氟乙烯材料；和/或，位于所述离子膜与所述阳极盖板之间的阳极催化层采用铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱(IrO2)或镍(Ni)材料；和/或，所述离子膜采用阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。
本实施例中，电化学反应器中设置了用于采集反应区域的传感器，在反应过程中，可以实时采集反应区域的物理参数(例如：温度、湿度、机械结构性能、流体流速及含碳气体中的一种或多种)，以实时了解反应过程中电化学反应器的内部物理参数；影像采集器能够采集反应区域的运行状态；再者，反应区域并不是在储液瓶或储液容器内部，而是在阳极流道与阴极流道及相对应的反应区域进行反应，此时为气相反应，克服了二氧化碳在电解液的低溶解度问题。此外，多个采样口相互独立，用于采集气体，可以采用胶垫密封，可以利用气相色谱采样针取样检测。
本发明的第二个目的在于提供一种电化学反应系统，以解决现有电化学反应器难以应对更为复杂的气-液，气-液-固三相反应过程研究的技术问题。
该电化学反应系统，包括：
电化学反应模块，包括上述电化学反应器；
电解液循环模块，包括储液容器和蠕动泵，所述储液容器用于储存电解液，所述蠕动泵通过管路连接于所述储液容器和所述电化学反应器的阳极侧之间；
供气模块，包括储气容器和质量流量计，所述质量流量计通过管路连接于所述储气容器和所述电化学反应器的阴极侧之间；
气体收集模块，包括第一气体收集容器和第二气体收集容器，所述第一气体收集容器连通于所述电化学反应器的阳极侧，所述第二气体收集容器连通于所述电化学反应器的阴极侧；以及，
电化学工作站，包括与所述电化学反应器电连接的电源。
进一步地，还包括气相色谱检测设备，连接于所述电化学反应器的阴极侧。
进一步地，所述储液容器采用聚醚醚酮材料制成。
由于本发明所提供的电化学反应系统包括上述电化学反应器，故具有电化学反应器的所有优点，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例电化学反应器分解立体结构示意图；
图2为本发明实施例电化学反系统的示意图；
图3为本发明实施例电化学反应系统的二氧化碳还原测试原理示意图；
图4为本发明实施例电化学反应系统，不同流速、电压下的温度测试图；
图5为本发明实施例电化学反应系统，不同流速、电压下的湿度测试图；
图6为本发明实施例电化学反应系统，同一流速，不同电压、不同取样位置CO、H2的法拉第电流测试图。
附图标记说明：
10-电化学反应模块；
100-电化学反应器；
110-传感器；
120-阳极盖板；121-阳极流道；
130-离子膜；
140-阴极流道板；141-阴极流道；
150-阴极盖板；
151-流体入口；152-流体出口；153-采样口；154-安装孔；
20-电解液循环模块；
210-储液容器；220-蠕动泵；
30-供气模块；
310-储气容器；320-质量流量计；
40-气体收集模块；
410-第一气体收集容器；420-第二气体收集容器；
50-电化学工作站。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在地外等特殊环境下，进行人工光合成反应将二氧化碳还原为含碳氢产物和氧气，实现氧气回收和原位资源利用。为实现对反应过程进行系统研究，本发明提供一种电化学反应及电化学反应系统，主要通过多物理传感器检测多相反应过程，且能够实现对反应工况如温度、湿度、流速等进行调控。解决了反应过程反应器内部物理参数、运行状态无法观测等问题。除此之外，利用气相反应克服了二氧化碳在电解液的低溶解度问题，利用钛金属一体结构制造阳极板，解决电解液腐蚀问题。
如图1所示，本实施例所提供的电化学反应器，包括：传感器110或影像采集器；
还包括依次固接的阳极盖板120、离子膜130、阴极流道板140和阴极盖板150。
其中，阳极盖板120朝向离子膜130的端面具有阳极流道121，阴极流道板140具有阴极流道141，阴极流道141与阳极流道121相对设置并形成反应区域，阴极盖板150具有连通于反应区域的流体入口151、流体出口152及至少两个间隔设置的采样口153；
传感器110能够采集反应区域的物理参数，物理参数包括：温度、湿度、机械结构性能、流体流速及含碳气体中的至少一种；
影像采集器用于采集反应区域的运行状态。
本实施例中，电化学反应器中设置了用于采集反应区域的传感器，在反应过程中，可以实时采集反应区域的物理参数(例如：温度、湿度、机械结构性能、流体流速及含碳气体中的一种或多种)，以实时了解反应过程中电化学反应器的内部物理参数；影像采集器能够采集反应区域的运行状态；再者，反应区域并不是在储液瓶或储液容器内部，而是在阳极流道121与阴极流道141及相对应的反应区域进行反应，此时为气相反应，克服了二氧化碳在电解液的低溶解度问题。此外，多个采样口154相互独立，用于采集气体，可以采用胶垫密封，还可以利用气相色谱采样针取样检测。
本实施例中，可以将多个传感器的感应头均匀分布于反应区域的固定位置，将多个采样口均匀分布于与反应区域相对应的固定位置。
不同位置的传感器可以进行温度和湿度等物理参数的在线检测，研究其对反应过程的影响。通过对反应器加热，研究不同温度条件下的反应情况。另外，反应器设置独立的气体取样口可快速取样并测试不同位置二氧化碳还原产物的积累情况，分析反应过程和法拉第效率的变化。
本实施例中，传感器110具有多个；相应的，阴极盖板150具有多个用于安装传感器110的安装孔154，且间隔设置。具体的，安装孔154可以为圆孔、方形孔或矩形孔，可以根据传感器110的外形形状加工制成相应形状孔。安装时，传感器110穿入或穿过安装孔154，其感应头能够伸入至反应区域的相应位置处，具有结构简单，安装方便的优点。
本实施例中，传感器110包括温度传感器、湿度传感器、温湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、微重力传感器、气敏传感器或红外光学传感器中的至少一种；其中，温度传感器能够检测电化学反应器内部相应位置的温度，湿度传感器能够检测电化学反应器内部相应位置的湿度，应力传感器能够探测电化学反应器内部相应位置的机械结构性能，微重力传感器能够跟踪电化学反应器内部相应位置的运行状态，气敏传感器或红外光学气体传感器能够检测微量含碳气体。
本实施例中，传感器可选择采用温湿度传感器，对反应过程中的温湿度进行检测。但不限于此，根据研究内容的需要可以选用探测机械结构性能的应力传感器，跟踪反应器运动状态的微重力传感器，检测微量含碳气体的气敏传感器或红外光学气体传感器，观测流道内部状态的工业内窥镜。在微重力环境下和狭小空间进行实验，利用传感器检测控制模块，内窥镜等研究小型封闭反应器内部气、液状态以及气液分离等物理现象有重要意义，有利于充分利用实验条件，尽可能多的获取实验数据。传感器由外部桌面软硬件进行控制，对于独立移动设备可以用微型电脑编写预制程序进行智能控制。
优选的，温湿度传感器选用小尺寸的SHT31或其他SHT3X高精度温湿度传感器，其检测湿度范围在0-100％RH，检测精度在±2％RH，检测温度反应在-40℃～125℃，精度在±0.2℃；信号采集可选用串行RS485或IIC等通信方式，相应的信号采集程序可使用C语言，Python语言等编写；传感器的位置根据流道分布和采样口布置进行定位，例如，分别布置在相应的流道入口，流道出口和流道内部，用于检测相应位置的温、湿度。
本实施例中，电化学反应器还包括用于观测流道内部运行状态的微型光学影像采集器。微型光学影像采集器包括工业内窥镜等，用来观测阳极流道及阴极流道的内部运行状态。
采用上述传感器及微型光学影像采集器，能够发挥各自的优势，能够研究小型封闭电化学反应器的内部气、液状态及气液分离等物理现象，并实时动态测量，尽可能多的获取相关实验数据。
本实施例中，阴极盖板150与阴极流道板140之间设置有密封隔膜160。密封隔膜160的设置能够对阴极侧的阴极流道板及阴极流道进行密封，防止电解液或气体从该侧泄漏。
本实施例中，阳极流道121为蛇形流道、交指流道或回形流道，用于研究气、液流体流动过程对反应的影响。
本实施例中，阴极流道141为蛇形流道、交指流道或回形流道，用于研究气、液流体流动过程对反应的影响。
本实施例中，阳极流道121的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，其特征长度可设计为0.5～5mm，流道长度根据传感器布局及功能需求设计为10～100mm。
本实施例中，阴极流道141的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，其特征长度可设计为0.5～5mm，流道长度根据传感器布局及功能需求设计为10～100mm。
本实施例中，阳极盖板120及其阳极流道121采用金属钛或钛合金材料制成。钛金属材料可有效避免阳极电解液，电化学反应对阳极流道、阳极盖板的腐蚀。阳极盖板120与阳极流道121可以为一体结构，还可以为分体结构，即，在阳极盖板120设置敞口凹槽，该凹槽底部封闭，敞口朝向离子膜130，阳极盖板120具有集流板的功能。
本实施例中，阴极盖板150采用尼龙、亚克力或聚醚醚酮(PEEK)材料制成；具有耐腐蚀、绝缘性的优点。
本实施例中，阴极流道板140及其阴极流道141采用钛金属、钛合金或不锈钢材料制成；具有结构强度高，耐电化学腐蚀的优点。
本实施例中，位于密封隔膜160与离子膜130之间的阴极气体扩散层采用碳纸、碳布、碳纳米管或多孔聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE)材料。
本实施例中，位于离子膜130与阳极盖板120之间的阳极催化层采用铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱(IrO2)或镍(Ni)材料。
本实施例中，离子膜130采用阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。
需要说明的是，各隔板(包括阳极盖板、离子膜、阴极流道板、隔膜阴极盖板等)间采用硅胶垫或氟胶垫分隔密封，以防止电解液、气体泄漏。
与现有的二氧化碳还原反应装置相比，本发明实施例具有以下优点：
①阴极侧采用干、湿二氧化碳气体，克服二氧化碳在溶液中溶解度低的缺点，提高了二氧化碳还原电流密度。
②在反应流道增加独立的气体采样口，可用于对内部不同位置积累产气体进行快速检测。
③阳极采用钛金属直接加工流道，集流板和盖板，结构简单。钛金属、钛合金能有效避免电解液腐蚀。
④对反应区域的物理参数进行实时动态测量，有助于加深对二氧化碳还原过程的理解，揭示反应机理。温、湿度传感器可实时检测当地温度、湿度对入口气体流速和湿度进行精确的反馈控制，通过控制输入条件研究温度、湿度等参数对还原效率的影响，进而为二氧化碳还原规模化应用提供研究基础。
⑤温、湿度传感器可根据需要更换成其他类型的微型检测器，能够用于检测反应装置的状态，结合积累的实验数据估计当前电化学效率等；用于研究入口不同工况条件对反应过程的影响，电解液在不同类型膜，不同膜厚度等条件下的渗透分析以及气体扩散层亲疏水性对二氧化碳还原反应的影响。
⑥传感器实时动态测量能够有效积累实验数据，并为微重力环境测试中提供数据支持，可根据地面测试结果进行预设的自动反馈控制保证平稳运行，或根据多传感器监测数据进行调整以保证其在最佳工作状态下长期稳定运行。
本实施例中，电化学反应器的制作方法，包括如下步骤：
S100，根据三维绘图软件设计的模型、图纸，采用机械加工方式加工金属钛板，阴极流道以及亚克力阴极盖板等组件。
S102，利用商用的Ag纳米颗粒制备一定浓度的浆料，喷涂在厚度为200μm，面积为20mm*60mm的碳纸上，负载量在1～5mg/cm2，如此，制成阴极材料。
S104，选取厚度为200μm的碳纸，裁剪成面积为20mm*60mm的矩形，将所裁剪碳纸用异丙醇、乙醇和去离子水分别超声处理30分钟，再用去离子水冲洗放入真空干燥箱中干燥1小时。称量5mg颗粒大小为20nm的Ir/C粉末，溶解在20ml无水乙醇和去离子水的混合溶液中，向内加入0.5ml Nafion溶液，搅拌均匀，将制备好的Ir/C浆料喷涂在碳纸上，制备成阳极电极材料，载量为0.24mg/cm2，如此，制成阳极材料。
将阴离子交换膜置于1.5wt％浓度的NaCl溶液中，常温浸泡24小时，然后在去离子水浸泡半小时，冲洗取用，如此，制成离子膜。
S106，将S104制备的阳极材料和离子膜与S102制备的阴极材料放入阳极盖板和阴极流道之间，并用硅胶垫封装好。阴、阳极侧和传感器周围用厚度为0.3mm硅胶进行密封。
S108，将温、湿度传感器分布安装于指定采样位置，用上下两层0.8mm的硅胶进行密封，将其放置在阴极流道板和阴极盖板之间，连接通信和供电线路，开启检测硬件。
S110，将S106和S108整个装置通过绝缘螺钉紧固密封，将导线连接于阳极侧和阴极侧相应位置处。
本实施例还提供一种电化学反应系统，如图2、图3所示，该电化学反应系统包括：电化学反应模块10、电解液循环模块20、供气模块30、气体收集模块40以及电化学工作站50。
电化学反应模块10，包括上述电化学反应器100。
电解液循环模块20，包括储液容器210和蠕动泵220，储液容器210用于储存电解液，蠕动泵220通过管路连接于储液容器210和电化学反应器100的阳极侧之间。储液容器210可以采用储液瓶，采用一进两出的形式，电解液体由蠕动泵驱动从储液瓶流入到电化学反应器阳极侧，发生水氧化反应生成的氧气和电解液再循环进入储液瓶，产气在储液瓶上方排入相应的气体收集容器中。用于储存电解液的储液瓶可以采用聚醚醚酮(PEEK)等耐腐蚀的材料。电解液可以选用浓度范围为0～1mol/L的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾及磷酸缓冲盐溶液等电解液。蠕动泵的流量范围可以选择为0～100ml/min。电解液利用蠕动泵220进行非接触驱动，从而避免腐蚀，使系统可靠性大大增加。
供气模块30，包括储气容器310和质量流量计320，质量流量计320通过管路连接于储气容器310和电化学反应器100的阴极侧之间。
气体收集模块40，包括第一气体收集容器410和第二气体收集容器420，第一气体收集容器410连通于电化学反应器100的阳极侧，第二气体收集容器420连通于电化学反应器100的阴极侧。采样口154设置于电化学反应器100的阴极侧，采样口154能够连通气相色谱检测设备，对于狭小空间无法使用气相色谱的工作场所可用气体传感器代替气相检测设备完成对产物浓度的检测。本实施例中，第一气体收集容器410和第二气体收集容器420采用集气袋。
电化学工作站50，包括与电化学反应器100电连接的电源。
本实施例中，还包括气相色谱检测设备60，连接于电化学反应器100的阴极侧。
本实施例中，如图2、图3所示，将阳极侧、蠕动泵和储液瓶三者构成闭合回路；阴极侧、质量流量计320和储气袋通过管路连接。阴、阳两侧的集流板(本实施例中为阳极盖板、阴极集流板)分别引出极耳与电化学工作站50连接。利用上述电化学反应器100进行电催化二氧化碳还原反应，其方法为，将电化学反应器100的阴极侧进气口(流体入口151)通过管路经质量流量计320控制与二氧化碳气瓶(储气容器310)连接，阳极侧的液体进出口通过胶管经蠕动泵与储液瓶连接，电解液选择使用浓度为0.5mol/L的KHCO3溶液，二氧化碳纯度为99.99％。阴、阳极侧的出口分别与相应位置的集气袋、储液瓶连通。通过质量流量计320、蠕动泵220精确控制气、液的流量，保证气体流速在50ml/min或100ml/min；阳极侧的电解液流速为50ml/min。将装置的阴、阳极侧的基板导电极耳与电化学工作站连接，阴极侧接负极，阳极侧接正极，向电化学反应器的阳极侧和阴极侧之间施加2.8V或3.0V工作电压，利用传感器程序检测和记录相应的温度、湿度数据。
需要注意的是，在步骤S108中，当采用温、湿度传感器时，则利用传感器程序检测和记录相应的温度、湿度数据；在步骤S108中，当采用微重力传感器，则此时，利用色谱取样针抽取不同位置的气体，并利用气相色谱进行产气检测。
本实施例中，如图4所示，可以通过在电化学反应器相应位置设置温度传感器或者温湿度传感器，其中温湿度传感器为温度、湿度一体传感器，其具有两种功能，即温度传感器和湿度传感器，对于本发明实施例电化学反应器的实验而言，温度作为一组实时检测数据。请继续参照图4，在外环、入口、中间、出口处均设置温度传感器，其中，“外环”指电化学反应器所处的实验室环境，“入口”指电化学反应器阴极侧气体入口，“中间”指电化学反应器阴极侧相应流道约一半流程位置处，“出口”指电化学反应器阴极侧气体出口，为反应器产物，载气的出口，在电化学反应器所处的实验室环境设置传感器，以检测环境温度，需要说明的是，在反应过程中，不对环境加热或制冷；从图4中曲线对比分析可知，在不同气流和不同反应槽电压下，示出了反应器不同位置传感器测试温度曲线，槽电压指阴、阳两极之间的电压；从图4中的曲线图可知，电化学反应过程中，电化学反应器不同位置的温度与外环温度的差别不大，说明在电化学反应过程中热量变化很小，可以忽略不计。根据本发明实施例所提供的电化学反应器，如果增加外部加热装置，可以利用传感器实时检测不同工作区域的温度范围，用以避免反应器内部过热对催化剂、离子膜等材料或反应器本身造成不可逆损坏，为设备停机保护提供可靠的检测数据。
本实施例中，如图5所示，可以通过在电化学反应器相应位置设置湿度传感器或温湿度传感器，例如，在“外环”、“入口”、“中间”、“出口”处均设置温湿度传感器，图5为在不同气体流速和不同反应器槽电压下，不同位置传感器测试相对湿度的测试曲线。从图5可知，在三个位置的测试结果出现了增加现象，这说明，在电化学反应过程中，有部分水分从阳极液相侧渗透到了阴极气相侧且随着流道的增长，相对湿度增加趋于饱和。需要说明的是，该处的外环指电化学反应器所处的实验室环境，需测得该实验室内的空气湿度，测试结果用来对比反应气体，入口相对湿度几乎为零，为纯CO2气体；外环与入口相比，说明通入气体无水蒸气；入口、中间、出口，该三个位置的测试结果增加，说明在电化学反应过程中，有部分水分从阳极侧液相渗透到了阴极侧气相侧且随着流道的增长相对湿度趋于饱和。而过多的水蒸气会液化导致阴极侧催化剂淹没在水溶液中，出现水淹现象，该水淹现象不利于气相二氧化碳还原。图5中，对于湿度的测试意义在于，实时检测不同区域的相对湿度。相对湿度检测对于通过改变气体流速或启停设备等方式调节阴极侧相对湿度有重要的实际应用意义，例如，可以实现阴极侧内相对湿度的反馈调节，使其保持稳定。
本实施例中，如图6所示，在该图中，示出了流速为100sccm，在不同槽电压下，流道中间和反应器出口累计还原产物换算的法拉第电流图；从图6中可以看出，随着电化学反应过程的积累，出口的总电流密度比中间位置的总电流大，即产物更多；2.8V电压比3.0V电压的电流整体偏高，说明2.8V下的二氧化碳还原能力更强；3.0V的氢气电流明显更大，高电位下产氢气能力更强。需要说明的是，槽电压指阴阳两极间电压，与传感器放置位置无直接关系；可理解为测试的外部条件，类似于大气压力、温度等试验条件。
综上，本发明实施例所提供的电化学反应系统，可用于对催化材料、膜电极或气体扩散层的性能研究；也可通过内置传感器对电化学反应器相应流道入口的温度、湿度、流速等物理参数进行监测，研究反应物理化学过程，并对反应过程进行反馈控制。电化学反应器的结构紧凑，所需空间小；阴极侧采用气相反应，可直接用浓度较高或者纯的二氧化碳气体，克服了二氧化碳在电解液中溶解度低的不足。阳极侧采用蠕动泵驱动避免电解液对泵的腐蚀问题，流动电解液能迅速将反应过程中产生的氧气带走，降低了气泡在催化电极表面聚集引起的过电势，电化学反应器和电化学反应系统可应用于一般环境或模拟微重力和微重力等环境。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
最后，还需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电化学反应器，其特征在于，包括：传感器(110)或影像采集器；
还包括依次固接的阳极盖板(120)、离子膜(130)、阴极流道板(140)和阴极盖板(150)，
所述阳极盖板(120)朝向所述离子膜(130)的端面具有阳极流道(121)，所述阴极流道板(140)具有阴极流道(141)，所述阴极流道(141)与所述阳极流道(121)相对设置并形成反应区域，所述阴极盖板(150)具有连通于所述反应区域的流体入口(151)、流体出口(152)及至少两个间隔设置的采样口(153)；
所述传感器(110)能够采集所述反应区域的物理参数，物理参数包括：温度、湿度、流体流速、机械结构性能及含碳气体中的至少一种；
所示影像采集器用于采集所述反应区域的运行状态。
2.根据权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于，所述传感器(110)具有多个；所述阴极盖板(150)具有多个用于安装所述传感器(110)的安装孔(154)，且间隔设置。
3.根据权利要求2所述的电化学反应器，其特征在于，所述传感器(110)包括温度传感器、湿度传感器、温湿度传感器、应力传感器、微重力传感器、气敏传感器或红外光学传感器中的至少一种；
和/或，所述影像采集器为微型影像采集器，用于观测流道内部运行状态。
4.根据权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于，所述阴极盖板(150)与所述阴极流道板(140)之间设置有密封隔膜(160)。
5.根据权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于，所述阳极流道(121)为蛇形流道、交指流道或回形流道，和/或，所述阴极流道(141)为蛇形流道、交指流道或回形流道。
6.根据权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于，所述阳极流道(121)的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，和/或，所述阴极流道(141)的横截面形状为矩形、正方形或半圆形。
7.根据权利要求4所述的电化学反应器，其特征在于，
所述阳极盖板(120)及其阳极流道(121)采用金属钛或钛合金材料制成；和/或，所述阴极盖板(150)采用尼龙、亚克力或聚醚醚酮材料制成；和/或，所述阴极流道板(140)及其阴极流道(141)采用钛金属、钛合金或不锈钢材料制成；
和/或，位于所述密封隔膜(160)与所述离子膜(130)之间的阴极气体扩散层采用碳纸、碳布、碳纳米管或多孔聚四氟乙烯材料；和/或，位于所述离子膜(130)与所述阳极盖板(120)之间的阳极催化层采用铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱(IrO2)或镍(Ni)材料；和/或，所述离子膜(130)采用阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。
8.一种电化学反应系统，其特征在于，包括：
电化学反应模块(10)，包括权利要求1-7任一项所述的电化学反应器(100)；
电解液循环模块(20)，包括储液容器(210)和蠕动泵(220)，所述储液容器(210)用于储存电解液，所述蠕动泵(220)通过管路连接于所述储液容器(210)和所述电化学反应器(100)的阳极侧之间；
供气模块(30)，包括储气容器(310)和质量流量计(320)，所述质量流量计(320)通过管路连接于所述储气容器(310)和所述电化学反应器(100)的阴极侧之间；
气体收集模块(40)，包括第一气体收集容器(410)和第二气体收集容器(420)，所述第一气体收集容器(410)连通于所述电化学反应器(100)的阳极侧，所述第二气体收集容器(420)连通于所述电化学反应器(100)的阴极侧；以及，
电化学工作站(50)，包括与所述电化学反应器(100)电连接的电源。
9.根据权利要求8所述的电化学反应系统，其特征在于，还包括气相色谱检测设备(60)，连接于所述电化学反应器(100)的阴极侧。
10.根据权利要求8所述的电化学反应系统，其特征在于，所述储液容器(210)采用聚醚醚酮材料制成。
CN202110640118.0A 2021-06-08 2021-06-08 电化学反应器及电化学反应系统 Active CN113481525B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110640118.0A CN113481525B (zh) 2021-06-08 2021-06-08 电化学反应器及电化学反应系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110640118.0A CN113481525B (zh) 2021-06-08 2021-06-08 电化学反应器及电化学反应系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113481525A true CN113481525A (zh) 2021-10-08
CN113481525B CN113481525B (zh) 2022-11-15

Family

ID=77934501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110640118.0A Active CN113481525B (zh) 2021-06-08 2021-06-08 电化学反应器及电化学反应系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113481525B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114689671A (zh) * 2022-03-29 2022-07-01 嘉庚创新实验室 电化学反应设备
WO2023062081A3 (de) * 2021-10-14 2023-07-06 Igas Energy Gmbh Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060144700A1 (en) * 2003-06-10 2006-07-06 The C & M Group, Llc Apparatus and process for mediated electrochemical oxidation of materials
US20090068522A1 (en) * 2006-11-22 2009-03-12 Samsung Sdi Co., Ltd. Monopolar type membrane electrode assembly having sensing element
US20090258413A1 (en) * 2008-04-15 2009-10-15 Sony Corporation Reactor
CN101748423A (zh) * 2008-12-19 2010-06-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种高效电催化原位生成过氧化氢的电化学反应器
CN102150037A (zh) * 2008-07-11 2011-08-10 康奈尔大学 集成电荷传感器的纳米流体通道及基于该纳米流体通道的方法
CN105473771A (zh) * 2013-07-31 2016-04-06 卡勒拉公司 使用金属氧化的电化学氢氧化物系统和方法
CN106521541A (zh) * 2016-11-18 2017-03-22 北京化工大学 一种流速可调的电还原二氧化碳的电解槽反应装置
CN107109672A (zh) * 2014-09-15 2017-08-29 卡勒拉公司 使用金属卤化物形成产物的电化学系统和方法
CN108193225A (zh) * 2018-01-09 2018-06-22 大连理工大学 一种膜电极构型co2电还原电解池
CN108570686A (zh) * 2017-03-07 2018-09-25 帕洛阿尔托研究中心公司 用于调节室内气氛中的二氧化碳浓度的系统和方法
US20200087233A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Carbon dioxide electrolytic device and method of electrolyzing carbon dioxide
CN111926344A (zh) * 2020-08-01 2020-11-13 中国空间技术研究院 光合成反应装置、膜电极的制作方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060144700A1 (en) * 2003-06-10 2006-07-06 The C & M Group, Llc Apparatus and process for mediated electrochemical oxidation of materials
US20090068522A1 (en) * 2006-11-22 2009-03-12 Samsung Sdi Co., Ltd. Monopolar type membrane electrode assembly having sensing element
US20090258413A1 (en) * 2008-04-15 2009-10-15 Sony Corporation Reactor
CN102150037A (zh) * 2008-07-11 2011-08-10 康奈尔大学 集成电荷传感器的纳米流体通道及基于该纳米流体通道的方法
CN101748423A (zh) * 2008-12-19 2010-06-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种高效电催化原位生成过氧化氢的电化学反应器
CN105473771A (zh) * 2013-07-31 2016-04-06 卡勒拉公司 使用金属氧化的电化学氢氧化物系统和方法
CN107109672A (zh) * 2014-09-15 2017-08-29 卡勒拉公司 使用金属卤化物形成产物的电化学系统和方法
CN106521541A (zh) * 2016-11-18 2017-03-22 北京化工大学 一种流速可调的电还原二氧化碳的电解槽反应装置
CN108570686A (zh) * 2017-03-07 2018-09-25 帕洛阿尔托研究中心公司 用于调节室内气氛中的二氧化碳浓度的系统和方法
CN108193225A (zh) * 2018-01-09 2018-06-22 大连理工大学 一种膜电极构型co2电还原电解池
US20200087233A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Carbon dioxide electrolytic device and method of electrolyzing carbon dioxide
CN111926344A (zh) * 2020-08-01 2020-11-13 中国空间技术研究院 光合成反应装置、膜电极的制作方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023062081A3 (de) * 2021-10-14 2023-07-06 Igas Energy Gmbh Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse
CN114689671A (zh) * 2022-03-29 2022-07-01 嘉庚创新实验室 电化学反应设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN113481525B (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113481525B (zh) 电化学反应器及电化学反应系统
Liang et al. Electrolytic cell design for electrochemical CO2 reduction
Chen et al. Operational constraints and strategies for systems to effect the sustainable, solar-driven reduction of atmospheric CO 2
EP3795719A1 (en) Electrochemical reaction device
CN101603987B (zh) 质子交换膜高温电导率的测试装置和方法
WO2017100840A1 (en) Methods of improving the efficiency of gas-liquid electrochemical cells
Bosserez et al. Design of compact photoelectrochemical cells for water splitting
CN111304675B (zh) 一种多用途电化学二氧化碳还原电解池
CN101586245B (zh) 制氢反应器及系统和集气方法、光氢能转化效率测量系统及光氢能/光电转化效率测量方法
Liu et al. Kinetic insights of proton exchange membrane water electrolyzer obtained by operando characterization methods
CN103884728A (zh) 一种用于电催化反应的同步辐射原位检测装置
CN114002284B (zh) 一种用于碳中和测试的差分电化学质谱流动电解池及其设计方法
CN102517604B (zh) 间接电解制氢用碳载核壳型铂铜-铂催化剂及其制备方法
CN114540852B (zh) 一种二氧化碳电还原仿生电解池及其运行方法
CA2042512A1 (en) Gas-recirculating electrode for electrochemical system
Sakthivel et al. A portable limiting current solid-state electrochemical diffusion hole type hydrogen sensor device for biomass fuel reactors: engineering aspect
Bosserez et al. Minimization of ionic transport resistance in porous monoliths for application in integrated solar water splitting devices
CN111871350B (zh) 一种生物油电化学加氢提质装置
CN111850594A (zh) 基于离子液体双电层催化二氧化碳还原的电解装置及应用
Bruce et al. Development of a single crystal sample holder for interfacing ultrahigh vacuum and electrochemical experimentation
CN108232257B (zh) 一种利用废热发电的氢离子热电池
CN105806739B (zh) 一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器
CN113219017A (zh) 一种双工作电极电化学微通道流通池装置
CN203069551U (zh) 燃料电池气体传感器
Yakdehige Design of an Alkaline Electrolysis Stack

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant