CN117926298A - 用于二氧化碳反应器控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统，优选包括二氧化碳反应器。一种用于二氧化碳反应器控制的方法，优选包括基于所需输出组成选择二氧化碳反应器方面，在受控工艺条件下运行二氧化碳反应器以产生所需输出组成，和/或改变工艺条件以改变输出组成。

Description

用于二氧化碳反应器控制的系统和方法
本申请是申请日为2019年01月22日、申请号为201980021305.1的发明名称为“用于二氧化碳反应器控制的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月22日提交的美国临时申请序列号62/619,996、于2018年1月22日提交的美国临时申请序列号62/620,109以及于2018年1月15日提交的美国临时申请序列号62/685,771的权益，这些申请中的每一个通过此引用而全文并入。
政府支持声明
本发明是在政府支持下根据由国家科学基金会授予的基金号1738554以及由能源部科学办公室授予的基金号DE-SC0015872、DE-SC0017725和DE-SC0018549进行的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明一般涉及二氧化碳反应器领域，更具体地涉及一种用于二氧化碳反应器领域中反应器控制的新的和有用的系统和方法。
背景技术
用于二氧化碳反应器控制的典型系统和方法集中于与一氧化碳(CO)和/或其它含碳产物(CCP)的生产相关的方面的最大化，例如使CO与其它反应器产物的比率(例如，CO：H2比率)、CO浓度和/或总CO输出或输出速率最大化。
因此，在二氧化碳反应器领域中需要产生一种新的和有用的用于反应器控制的系统和方法。
附图说明
图1是方法的实例的流程图表示。
图2A-2B分别是系统的实施方案和实施方案的变型的示意性表示。
图2C-2D分别是系统的实施方案的第一和第二实例的示意性表示。
图3是系统的实例的示意性表示。
图4A-4B分别是理想化的和非理想化的反应器输出与电流密度的关系的实例。
具体实施方式
本发明的优选实施方案的以下描述并不旨在将本发明限制于这些优选实施方案，而是使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。
1.概述。
用于二氧化碳反应器控制的系统和/或方法优选用于控制反应器生产的方面，例如与反应器产物的数量、浓度和/或比率相关的方面。用于二氧化碳反应器控制的典型系统和方法集中于与一氧化碳(CO)和/或其它含碳产物(CCP)(例如含碳物质(CCS))的生产相关的方面的最大化，例如CO与其它反应器产物的比率(例如CO：H2比率)、CO浓度和/或总CO输出或输出速率的最大化。
然而，本发明人已经发现，对于一些应用，简单地使方面值最大化可能是不期望的，并且这样的方面的任意控制(例如，动态或选择性方面控制以满足在目标方面值范围内的值)而不是简单的最大化可能是有益的。例如，可能期望选择性地控制反应器产物的CO：H2比率(例如，使得能够在从对于给定系统和/或工艺可能的最高CO：H2比率降至约1:3CO：H2或更低的范围内进行任意控制)。通过这样的控制，反应器输出可以更有效地用于诸如经由费托工艺的液态烃生产(例如，控制反应器以产生约1:2CO：H2输出比率)、化学合成工艺和/或气体(例如，合成气)发酵工艺(例如，生物反应器)的应用(例如，其中反应器输出直接供给至后续输入)。
2.系统。
该系统可以包括二氧化碳反应器，例如从包括二氧化碳(例如，如图2A-2D所示)的输入物(优选地，输入料流，例如流体流)产生含碳产物(例如，CO、烷烃、醇等)和/或氢的反应器。反应器优选地接受气相二氧化碳输入物和/或使用气相二氧化碳进行反应(例如，是气相反应器)，但是可以另外地或替代地接受液相二氧化碳、超临界流体相二氧化碳、固相二氧化碳和/或任何其它合适的二氧化碳输入物。反应器优选地是电解槽(例如，电化学反应器)，更优选地是气相聚合物电解质膜电解槽，但是可以另外地或替代地包括任何其它合适的反应器。
反应器优选包括一个或多个：电极(例如阳极、阴极)、催化剂(例如在阴极和/或阳极内和/或与阴极和/或阳极相邻)、气体扩散层(例如与阴极和/或阳极相邻)和/或流场(例如在电极和/或气体扩散层内和/或与电极和/或气体扩散层相邻限定，例如跨过气体扩散层与阴极相对限定的一个或多个通道)。在一些实施方案中，反应器包括一个或多个聚合物电解质膜(PEM)，优选提供反应器的阳极和阴极之间的离子连通。在一个变型中，反应器包括膜堆叠，所述膜堆叠包括：阴极层，其包括还原催化剂和离子传导聚合物；PEM膜(例如双极膜、单极膜等)；膜，其包括一个或多个阴离子导体例如阴离子交换膜(AEM)、质子和/或阳离子导体例如质子交换膜和/或任何其它合适的离子传导聚合物；膜，其包括一个或多个缓冲层；等)；和阳极层，其包括氧化催化剂和离子传导聚合物。每层的离子传导聚合物可以是相同或不同的离子传导聚合物。
在一些实例方案中，催化剂(例如，还原催化剂、氧化催化剂)中的一种或多种可以包括催化剂颗粒(例如，限定颗粒的多孔网络)，优选地纳米颗粒。催化剂中的一种或多种可以附加地或可替代地包括一种或多种聚合物电解质，优选地其中聚合物电解质与催化剂纳米颗粒混合(例如，布置在多孔网络内，诸如负载到由多孔网络限定的开放区域中)。催化剂纳米颗粒可以限定一个或多个特征尺寸(例如，平均尺寸、中值尺寸、最小尺寸、最大尺寸、在颗粒尺寸分布的特定百分位处的尺寸等)，和/或多孔网络可以限定孔隙率(例如，网络内的空空间的分数)、密度、回路性(例如，每层厚度、面积和/或体积的特征路径长度，诸如通过空空间的路径或沿着互连颗粒的路径等)和/或任何其它合适的多孔网络度量。
在一个实例(“反应器配置A”)中，系统包括：碳纤维纸气体扩散层(例如，Sigracet39BC)；催化剂层，其包括在Vulcan碳和阴离子导电聚合物上的按重量计约20％的约4nm的金颗粒(例如，Fumasep FAA-3)；双极PEM；和流场，例如单一、双重、三重或四重蛇形流场或交叉流场。在具体实例中，电极限定约25cm2的面积，但可另外或可替代地限定任何其它合适的面积。
在一些实施方式中，反应器包括一个或多个元件，例如在美国专利申请序列号15/586,182中所描述的，该美国专利申请于2017年5月3日提交，标题为“具有用于CO2、CO和其它化合物的电化学反应的先进架构的反应器”，其全部内容通过引用并入本文。然而，反应器可另外地或替代地包括任何合适布置的任何其它合适的元件。
下面提供关于系统和/或方法的可选实例方案和/或元件的附加信息(例如，如图3中的实例所示)。
本发明的系统可任选地包括二氧化碳输入物的上游源，其连接到本发明的二氧化碳反应器的输入，包括以下的一个或多个：沼气生产系统；乙醇发酵系统例如玉米乙醇生产系统、啤酒生产系统、葡萄酒生产系统；天然气加工系统；水泥生产系统；能够生产高炉煤气的高炉系统例如钢高炉系统；焦炭煤气生产系统；动力装置系统例如石油动力装置系统、天然气动力装置系统、煤动力装置系统；石油精炼系统；乙烯生产系统；氨生产系统；氢气生产系统例如水煤气变换系统；天然气加工装置(例如Benfield加工)；环氧乙烷生产系统；铝熔炼系统；液化天然气(LNG)生产系统；固体原料气化器(例如城市固体废物、生物质或煤原料)；重整器(例如蒸汽甲烷重整器、自热重整器)；进行Boudouard反应的系统；二氧化碳工艺的直接空气捕获(DAC)；和/或能够生产二氧化碳的任何其它系统。二氧化碳的上游源可直接连接到本发明的二氧化碳反应器的输入(例如用作输入，例如经由阴极流场和/或气体扩散层连接到还原催化剂等)，或者作为选择，上游源可以任一顺序连接到纯化系统；气体压缩系统；或纯化系统和气体压缩系统；然后它们连接到本发明的二氧化碳系统的输入。可以使用多个纯化和/或气体压缩系统(例如洗涤器等)。
本发明的系统可以进一步包括下游系统的输入，其能够转化来自本发明的二氧化碳反应器的化学输出，连接至本发明的二氧化碳反应器的输出。本发明的下游系统可以包括以下的一个或多个：生物反应器系统；费-托系统；厌氧发酵系统；合成气发酵系统；聚酮生产系统；甲酸酯生产系统；甲酰胺生产系统；加氢甲酰化系统；甲醇合成系统；乙烯聚合系统；和/或能够转化来自本发明的二氧化碳反应器的化学输出的任何其他系统。本发明的二氧化碳反应器输出可以直接连接(例如，经由阴极流场和/或气体扩散层)至下游系统，和/或二氧化碳反应器输出可以任一顺序连接至纯化系统；气体压缩系统；或纯化系统和气体压缩系统两者；然后其优选连接至下游系统的输入。可以使用多个纯化系统和/或气体压缩系统。
本发明的下游系统可以产生二氧化碳输出以及其它产物输出。本发明的系统可以进一步包括在下游系统的含二氧化碳输出和二氧化碳反应器的输入之间的连接。下游系统的含二氧化碳输出可以直接连接到本发明的二氧化碳反应器的输入，或者可选地，下游的含二氧化碳输出可以任一顺序连接到纯化系统；气体压缩系统；或纯化系统和气体压缩系统二者；然后，其连接到本发明的二氧化碳反应器的输入。可以使用多个纯化系统和/或气体压缩系统。
本发明的二氧化碳反应器可以制备可用于下游系统和工艺的一系列产物(例如，甲烷、乙烯、一氧化碳(CO)、分子氢(H2)、乙醇、甲酸盐、甲酸、乙酸盐、乙酸、丙醇、丁醇、乙烷、甲醇)。不同的二氧化碳反应器(例如，包括不同的层堆叠、催化剂和/或催化剂层、PEM、流场、气体扩散层、细胞压缩构造和/或任何其它合适的方面等)可以用于实现不同的还原产物(例如，产物组成如HCR)；然而，不同的还原产物可以另外地或替代地通过调节操作参数实现，和/或以其它方式实现。许多可能的下游系统和工艺释放CO2(实例包括甲烷的生物利用、甲酸或甲酸盐的生物利用、乙酸或乙酸盐的生物利用、费-托、甲醇合成)。尺寸适合于特定应用的二氧化碳再循环系统可以用于许多这些情况，以将CO2从下游系统输出物返回到本发明的二氧化碳反应器的输入物，以增加整个工艺的碳效率。
本发明的系统还可包括连接到本发明的二氧化碳反应器的电能源，电能源包括以下中的一个或多个：太阳能电能生产系统；风能电能生产系统；地热电能生产系统；化石燃料电能生产系统；或能够产生电能的任何其它系统。
本发明的系统可以用于以化学能的形式储存电能。例如，发电厂可以在非高峰使用期间产生过量的电力。本发明的系统能够快速地响应于消耗过量电力的需求。它们不需要预热来运行，并且它们可以在通电和断电状态之间循环，而不会使本发明的二氧化碳反应器劣化。快速响应于电力利用需求的能力允许本发明的系统与间歇性电源(例如太阳能发电系统和风能发电系统)一起良好地工作。
本发明的系统的一个实施方案可包括上游生物反应器、二氧化碳反应器和间歇性电能源。当电能可从太阳能、或风能、或低非高峰需求、或其它来源获得时，可使用电能可用性检测装置来启动二氧化碳反应器。此外，该系统可通过例如升高上游生物反应器的温度并增加上游生物反应器的营养物流量来提高上游生物反应器的输出。对于其它上游二氧化碳源，可根据需要使用其它装置来增加向本发明的二氧化碳反应器的输入的二氧化碳流量。
本发明的系统还可包括在与本发明的二氧化碳反应器相连的系统(例如传感器、系统等)中的测量条件、输出和输入的装置。这种装置可包括化学性质测量系统，例如气相色谱仪、质谱仪、红外光谱仪、可见光光谱仪和/或紫外光光谱仪；温度检测装置；流速测量装置；电力供应检测器；和/或任何其它监测系统。监测系统可监测输入和/或输出料流的参数、输入和/或输出料流的一个分量的参数(例如杂质浓度、二氧化碳浓度、产物浓度等)，和/或监测所述流的任何其它合适的参数。
本发明的系统可进一步包括用于响应在与本发明的二氧化碳反应器连接的系统中测量的条件的装置(例如，传感器、系统等)。这样的装置可包括用于调节流速、温度、功耗或其它系统参数的系统。
本发明的系统可以包括一个或多个二氧化碳反应器。
然而，该系统可以另外或替代地包括以任何合适布置的任何其它合适元件。
3.方法。
该方法优选使用上述系统实施，但可以另外或者可选地使用任何其它合适的系统实施。该方法优选包括在受控工艺条件下运行反应器(例如，如下面进一步详细描述的)以产生期望比率(例如，分子氢与CCP比率(HCR)和/或CCP与分子氢比率)的期望输出(例如，CO、H2等)，和/或改变工艺条件以改变输出和/或输出比率(例如，如图1所示)。
运行反应器可以包括：提供一种或多种输入物(例如，气体、液体、固体等)，例如二氧化碳、二氧化碳源(例如，废气)和/或水；使所有或一些输入物经历反应(例如，通过跨装置电极施加电压)，从而产生产物；和/或从反应器中除去产物(例如，作为输出气流)。这样的反应可以包括例如还原二氧化碳和/或水以产生产物例如CO(和/或其它CCP，例如甲酸、甲醇、乙二醛、甲烷、乙酸、乙醇醛、乙二醇、乙醛、乙醇、乙烯、羟基丙酮、烯丙醇、丙醛、正丙醇等)、H2和/或O2。然而，运行反应器可以另外地或替代地包括使任何其它合适的反应发生，和/或可以另外地或替代地包括以任何合适的方式进行的任何其它合适的元件。
该方法可以包括控制系统以实现期望的一组工艺条件(例如，方面)，例如已知产生期望的输出度量值(例如，期望的CCP：H2比率，例如CO：H2比率)的工艺条件。该方法可以另外地或替代地包括改变工艺条件，例如基于实际输出和期望输出之间的差(例如，以减小或消除该差)。例如，该方法可以包括：施加初始的一组工艺条件；监测一个或多个输出度量(例如，CCP：H2比率)；确定输出度量不同于目标输出度量(例如，大于或小于目标)；改变一个或多个工艺条件以减小输出度量差(例如，减小或增加工艺条件值，例如输出度量趋向于随着增加的工艺条件值而增加或减小的条件)；以及可选地继续监测输出度量和/或改变工艺条件(例如，基于输出度量实现工艺条件的闭环控制)。
该方法可以任选地包括确定目标输出度量，其用于确定要靶向哪个或哪些参数或方面(例如，对于给定应用或下游系统的关键参数)。可以针对给定过程选择一个或多个目标输出度量。目标输出度量可以是：与应用(例如，上述应用，诸如Fi scher-Tropes)相关联(例如，针对其预先确定、由其支配等)的输出度量；随机选择；经验确定(例如，通过下游应用性能的迭代测试和监测)；优化(例如，基于下游应用操作参数、反应器操作参数等)；由用户指定；和/或以其他方式确定。
该方法可以可选地包括确定目标输出度量的目标值，该目标值用来(从值的范围)识别到目标的值。在一些变型中，目标值可以是最大值或最小值(例如，最大或最小实际可实现值、理论最大值或最小值等)。然而，目标值可以附加地或替代地不是极值(例如，可以是最大值和最小值之间的中间值或值的范围)。目标值可以是：与应用相关联的值(例如，预定的、预先关联的)；随机选择的；经验确定的(例如，通过迭代目标值选择、下游应用性能的监测、以及基于应用性能的目标值调整)；优化的(例如，基于下游应用操作参数、反应器操作参数等)；或以其他方式确定的。然而，目标值可以是任何其他合适的值，并且可以任何合适的方式确定。
在一些条件下，所述方法可实现大于95％(例如，高达100％)的二氧化碳转化率(例如，CO分数产率)，例如其中在这样的条件下运行的系统可实现至少阈值转化度量。然而，所述方法可另外地或替代地包括实现大于50％、60％、70％、80％、90％；在10％-100％之间，例如10-40％、30-50％、40-60％、50-70％、60-75％、70-85％、80-95％、90-95％、92-98％和/或95-100％的二氧化碳转化和/或任何其它合适的二氧化碳转化。
该方法优选包括将反应器产物(或其子集)进料至产物的下游消耗者(例如，如上所述，例如关于反应器输出的应用；如下所述，例如在附录中；等)。该方法可任选包括在产生反应器产物之后(例如，在将改变的产物进料至下游消耗者之前，等)改变反应器产物。改变反应器产物可任选包括纯化产物(例如，从反应器输出料流中除去杂质，例如SOx和/或NOx)。改变反应器产物可另外地或作为选择包括将另外的气体(和/或其它物质)混合到反应器输出料流(和/或输入料流)中，例如以实现所需的输出度量。在一种变型中，如果反应器输出的CO：H2比率不同于所需值，则可通过将反应器输出与其它气体(例如，基本上纯的CO和/或H2；CO和H2的另一种混合物，例如反应器的预先产生和储存的输出、第二反应器的输出、其它系统的输出和/或废气等)混合来调节该比率。例如，可监测输出料流(和/或反应器的任何其它部分中的气体)的CO：H2比率(例如，在反应器生产期间连续地监测)，并可通过在其它气体中混合(例如，加入CO和/或富CO混合物以提高该比率，加入H2和/或富H2混合物以降低该比率)来补偿与所需值的偏差。该实例优选还包括改变工艺条件以校正反应器输出(例如，如上所述，关于闭环控制)。在其中将外部气体供应(例如，一种或多种其它系统例如钢厂的输出和/或废气)进料至下游消耗者(例如，气体发酵罐)的第二种变化形式中，反应器产物用于改变外部气体供应的CCP：H2比率(例如，CO：H2比率)(例如，如果外部气体供应的CCP：H2比率不同于所需值，则在反应器产物中混合以实现所需值)。例如，基于外部气体供应与所需值的偏差，可控制工艺条件以改变反应器产物的CO：H2比率(例如，响应于贫CO的外部气体供应提高该比率，响应于富CO的外部气体供应降低该比率)，和/或可控制混合到外部气体供应中的反应器产物的量(例如，以实现所需值)。然而，反应器输出料流可另外地或作为选择以任何其它合适的方式改变，或者可在没有改变的情况下使用。
在一些实例中，所述方法包括确定与系统的一个或多个上游和/或下游元件(例如，下游反应器、上游输入等)相关的一个或多个度量(例如，操作度量)。这样的操作度量可以包括例如：反应器条件，例如温度、压力等；下游反应器和/或上游源输出度量，例如输出量、组成、纯度等；与下游反应器的其它输入相关的度量，例如输入量、组成、纯度等；反应器效率度量；和/或任何其它合适的度量。在这样的实例中，所述方法优选包括基于度量改变二氧化碳反应器操作(例如，以改善和/或保持下游反应器的操作；改善和/或保持二氧化碳反应器的操作，例如以适应上游源的变化；改善和/或保持目标输出度量，例如HCR或还原产物浓度，例如给定的变化的二氧化碳源；等)，例如通过改变二氧化碳反应器输出的HCR。然而，所述方法可以另外地或替代地包括以任何其它合适的方式确定任何其它合适的度量和/或起作用(例如，基于度量)。
4.工艺条件。
工艺条件可以包括：输入二氧化碳流速和/或压力、输入气体水合、电流密度、电压(例如，优选地保持在1.5V和3V之间，另外地或替代地在小于1.5V、2V-2.5V之间、2V-4V之间、大于4V和/或任何其他合适的电压下操作)和/或温度。工艺条件可以另外地或替代地包括系统配置，例如气体扩散层方面、催化剂方面、流场方面和/或PEM方面。然而，任何其他合适的工艺条件可以是受控的或靶向的。工艺条件可以是不受控的(例如，由上游系统指示)、受控的以满足目标值(例如，其中目标值可以基于接收反应器输出、瞬时或预期的反应器操作参数或以其他方式确定的应用来确定)或以其他方式确定的。
工艺条件优选包括大于大气压(例如，在阈值压力范围内和/或大于阈值压力范围，诸如1-5、5-10、10-20、20-50、50-100、100-300、300-1000、1-10、5-50、10-100、20-500和/或大于1000atm、14-50、50-150、100-300、200-500、500-1000、750-1500、1000-3000、3000-10,000、10,000-20,000和/或大于20,000ps i等)和/或大于通常在除了气相电解槽之外的电解槽中可行的压力(例如，输入气体压力、反应器压力等)，但可以另外或替代地包括基本上等于1个大气压、小于1个大气压的压力和/或任何其它合适的压力。工艺条件优选包括大于典型室温(例如，在阈值温度范围内和/或大于阈值温度范围，诸如25-50、40-60、50-100、50-75、70-100和/或大于100℃等)和/或大于通常在除了气相电解槽之外的电解槽中可行的温度(例如，反应器温度)，但可以另外或替代地包括基本上等于室温(例如，20-30℃)、小于室温和/或任何其它合适的温度。然而，工艺条件可以另外或替代地包括任何其它合适的工艺条件。
较高的二氧化碳流速可导致CCP例如CO的产量增加(例如，由于用于还原的二氧化碳的更大可得性)，并因此导致CCP：H2比增加(并且相应地，较低的二氧化碳流速可导致CCP产量降低和CCP：H2比降低)。在一些实施方案中，较高的二氧化碳流速还可导致二氧化碳转化效率降低，从而用未反应的二氧化碳稀释输出料流(例如，合成气输出)。例如，二氧化碳流速(例如，在反应器入口处测量的)可保持在0.1-1000sccm/cm2范围内的一个或多个值(例如，0.1-1、1-10、10-100和/或100-1000sccm/cm2)。
在基于输入气体流速的控制的第一具体实例中，使用具有三重蛇形流场的反应器配置A，反应器压力基本上保持在120ps i，电流密度基本上保持在500mA/cm2，并且反应器温度基本上保持在30℃。在该具体实例中，基本上纯的二氧化碳气体以各种流速输入，其中12sccm/cm2、20sccm/cm2和40sccm/cm2的输入料流速(例如，在反应器入口处测量)分别产生约1:1、2:1.1和4:1的CO：H2比。
在基于输入气体流速的控制的第二具体实例中，使用具有蛇形流场的反应器配置A，反应器压力基本上保持在130ps i，并且电流密度基本上保持在500mA/cm2。在该具体实例中，在40sccm/cm2流速下的基本上纯的二氧化碳气体输入产生约8:2的CO：H2比，而12sccm/cm2流速产生约1:1的比。
较高的二氧化碳压力可导致增加的CCP分数产率和/或CCP：H2比率(并且相应地，较低的二氧化碳压力可导致降低的CCP分数产率和/或CCP：H2比率)。首先，增加的二氧化碳压力可导致用于还原的二氧化碳的更大的可用性，从而增加CCP的总产量。其次，催化剂处的较高压力可减少水入侵催化剂(例如，从阴极)，从而降低可用于还原的水量，这可直接增加CCP：H2比率和/或可减少对催化剂反应位点和/或反应能量的竞争(例如，从而有利于二氧化碳的还原)。因此，在一些实施方案中(例如，其中期望高CCP分数产率和/或CCP：H2比率)，可使用高反应器压力(例如，大于100ps i，高达但不大于二氧化碳相变压力，如1070psi的临界压力等)。例如，反应器压力可保持在1-1100ps i(例如，1-10、10-100、100-300、200-600和/或500-1100ps i)范围内的一个或多个值，和/或在任何其它合适的压力下。
在基于反应器压力的控制的具体实例中，使用具有单一蛇形流场的反应器配置A，以100sccm/cm2输入基本上纯的二氧化碳气体，电流密度基本上保持在150mA/cm2，并且反应器温度基本上保持在20℃。在这个具体实例中，反应器压力基本上保持在各种压力，其中25、50、75和100ps i的反应器压力分别产生约3:2、2.4:1、3:1和5:1的CO：H2比和约59％、69％、75％和84％的CO分数产率。
增加输入气体水合可导致增加的水还原(例如，由于更大的用于还原的水可用性)，并因此导致降低的CCP：H2比率。对于基本上纯的二氧化碳输入，仅少量的水到达催化剂(几乎仅来自反应器的阴极侧)，导致较高的CCP：H2比率。相比之下，当使用水合的输入气体时，来自输入气体的显著量的水可到达催化剂并反应。例如，输入气体水合(例如，输入气体中的水蒸气的比率)可保持在0％(例如，基本上纯的二氧化碳、基本上未水合的输入气体)至100％(例如，0-1％、1-3％、3-5％、5-7％、7-10％、10-15％、15-25％、25-50％、50-75％和/或75-100％)范围内的一个或多个值。
在基于输入气体水合的控制的具体实例中，使用具有单个蛇形流场的反应器配置A，电流密度基本上保持在50mA/cm2，反应器压力基本上保持在12ps i，并且反应器温度基本上保持在20℃。在该具体实例中，具有不同水合量的二氧化碳气体以100sccm/cm2输入，其中，纯二氧化碳输入气体产生大约3:2的CO：H2比，具有12.2％水合的输入气体产生大约1:5.67的CO：H2比，并且中间水合量产生这两个值之间的CO：H2比。
反应器可以表现出关于电流密度的CCP和H2生产的不同方案。在理想化的反应器中，在低电流密度下，不发生水还原，并且所有电流都去还原二氧化碳，导致CO生产对电流的基本上线性依赖并且基本上没有H2生产；而在较高的电流密度下，使用另外的电流(例如，高于基本上所有二氧化碳已经被消耗的阈值电流)来还原水，导致H2生产对另外的电流的基本上线性依赖和基本上恒定的CO生产(例如，如图4A所示)。在许多典型的反应器中，这些想法被放宽，但是仍然表现出两种一般方案：CO生产比H2生产在低电流密度方案中增加得快得多，然后在较高的电流密度方案中接近平稳状态，而H2生产更快地增加(例如，如图4B所示)。所述方法可以包括通过在宽范围的电流密度中的任一种或所有下操作(例如，在低和/或高电流密度方案内控制反应器操作等)来控制CO和/或H2生产(例如，控制CO：H2比率)。在一些实施方案中，使用气相输入二氧化碳可以实现相对高的电流密度(而使用含水二氧化碳的反应器可以被限制于数十mA/cm2或更小的电流密度)。例如，所述方法可以包括在1mA/cm2和100A/cm2之间的电流密度(例如，1-75mA/cm2、50-100mA/cm2、100-200mA/cm2、200-500mA/cm2、500-1000mA/cm2、50-1000mA/cm2、0.5-10A/cm2、1-2A/cm2、2-5A/cm2、5-10A/cm2、5-100A/cm2、10-20A/cm2、20-50A/cm2、50-100A/cm2等；在阈值下、高于阈值或低于阈值，例如50mA/cm2、65mA/cm2、80mA/cm2、90mA/cm2、100mA/cm2、110mA/cm2、120mA/cm2、130mA/cm2、140mA/cm2、150mA/cm2、200mA/cm2、300mA/cm2、500mA/cm2、700mA/cm2、1000mA/cm2、1500mA/cm2等)下和/或在任何其它合适的电流密度下操作。
在一些实施方案中，提高的反应器温度可以导致降低的CO：H2比(例如，由于水从阴极的进入增加，水的反应性提高等)。该方法可以包括将反应器温度控制在操作范围内，例如在最低温度(例如，水冻结温度例如0℃)和最大温度(例如，40℃、50℃、60℃、75℃等；水沸腾温度例如100℃)之间的范围内，以便控制CO：H2比和/或任何其它合适的输出度量。
在基于反应器温度的控制的具体实例中，使用具有四重蛇形流场的反应器配置A，以70sccm/cm2输入基本上纯的二氧化碳气体，电流密度基本上保持在150mA/cm2，并且反应器压力基本上保持在100ps i。在这个具体实例中，反应器温度基本上保持在各种温度，其中反应器温度26.7℃、35℃、38.7℃和41.9℃分别产生约1:0.4、2:1、1:1.8和1:3的CO：H2比。
气体扩散层(GDL)的特征可另外地或替代地用于影响CCP和/或H2生产。例如，GDL疏水性可改变H2生产(例如，通过影响水输送)，其中更亲水的GDL有利于H2生产(从而降低CCP：H2比率)并且更疏水的GDL抑制H2生产(从而增加CCP：H2比率)。其他GDL特征，如厚度和/或孔径也可用于改变反应器输出。
膜(例如，聚合物电解质膜)的特性可另外地或替代地用于影响CCP和/或H2生产。在实例中，有利于CCP生产的阴离子交换膜可用于实现高CCP：H2比率，有利于H2生产的阳离子交换膜可用于实现低CCP：H2比率，且呈现各种阴离子和阳离子输送特性(例如，迁移率)的杂化膜(例如，使得能够实现阴离子和阳离子输送)可用于实现各种中间比率(例如，对于较高比率有利于阴离子输送的膜，对于较低比率有利于阳离子输送的膜)。
催化剂的特性(例如，粒度、催化剂物质等)可以另外地或可替代地用于影响CCP和/或H2生产。例如，较大的催化剂颗粒可能导致差的二氧化碳输送，从而抑制CCP生产并降低CCP：H2比率，而较小的催化剂颗粒可以有利于CCP生产，从而增加比率。具有高的析氢转换频率(“氢位点”)的活性位点和具有高的二氧化碳还原转换频率(“二氧化碳位点”)的那些的相对数量可以另外地或可替代地取决于催化剂粒度：较大的催化剂颗粒通常具有较高的氢位点与二氧化碳位点的比率，有利于H2生产，而较小的催化剂颗粒通常具有较低的比率，有利于CO生产。催化剂类型(例如，催化剂物质)可以另外地或可替代地用于控制反应器输出，如通过采用一种或多种催化剂材料的混合物，其中第一组催化剂材料(例如，金)有利于二氧化碳还原并且第二组催化剂材料(例如，铂)有利于水还原。在实例中，基本上纯的金催化剂可以用于实现高的CCP：H2比率，基本上纯的铂催化剂可以用于实现低的CCP：H2比率，并且不同组成的金-铂混合物(例如，合金化颗粒、金颗粒和铂颗粒的混合物等)可以用于实现各种中间比率(例如，对于较高的比率更多的金，对于较低的比率更多的铂)。催化剂可以另外地或可替代地包括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和/或其组合。催化剂可以另外地或可替代地与一种或多种载体结构(例如，载体颗粒、载体基体等)、优选地导电载体结构如碳、掺杂硼的金刚石和/或掺杂氟的氧化锡结合(例如，附接、载持、嵌入、邻近、接触等)。然而，催化剂可以另外地或可替代地包括任何其他合适的材料。
在基于催化剂粒度的控制的一个具体实例中，使用具有两种催化剂粒度的反应器配置A的变型，两者均具有基本上保持在30℃的反应器温度、基本上保持在100ps i的反应器压力、交叉流场、在10sccm/cm2下的基本上纯的二氧化碳气体输入和基本上保持在500mA/cm2下的电流密度。第一组催化剂颗粒具有4nm的特征尺寸(如在标准反应器配置A中)，产生1:1.6的HCR和3.8V的电压。第二组催化剂颗粒具有20nm的特征尺寸，产生1:2.8的HCR和4.2V的电压。
反应器单元压缩的特性可以另外地或替代地用于影响CCP和/或H2生产。在基于反应器单元压缩的控制的具体实例中，反应器配置A使用两个不同的垫圈厚度(导致对于较大的垫圈厚度的较大的压缩)，两者都具有基本上保持在30℃的反应器温度、基本上保持在100ps i的反应器压力、三重蛇形流场、在40sccm/cm2的基本上纯的二氧化碳气体输入、以及基本上保持在500mA/cm2的电流密度。第一垫圈是0.012英寸厚，导致1:4的HCR和3.6V的电压。第二垫圈是0.010英寸厚，导致1:10.1的HCR和3.8V的电压。
流场的特性可另外地或替代地用于影响CCP和/或H2生产。在基于流场特性的控制的第一具体实例中，反应器配置A在两组不同的工艺条件下使用，两者的反应器温度基本上保持在30℃且反应器压力基本上保持在120ps i。在第一组条件下，使用交叉流场，基本上纯的二氧化碳气体以10sccm/cm2输入，且电流密度基本上保持在160mA/cm2，导致1.6:1的CO：H2比。在第二组条件下，使用四重蛇形流场，基本上纯的二氧化碳气体以40sccm/cm2输入，且电流密度基本上保持在120mA/cm2，导致18.5:1的CO：H2比。
在基于流场特性的控制的第二具体实例中，反应器配置A在两组不同的工艺条件下使用，两者的反应器温度基本上保持在30℃，反应器压力基本上保持在100ps i，基本上纯的二氧化碳以40sccm/cm2气体输入，并且电流密度基本上保持在500mA/cm2。在第一组条件下，使用交叉流场，并且基本上保持3.6V的电压，得到1.6:1的CO：H2比。在第二组条件下，使用三重蛇形流场，并且基本上保持3.8V的电压，得到10.1:1的CO：H2比。
然而，可以另外地或替代地采用任何其它合适的流场来控制反应器输出，工艺条件可以另外地或替代地包括任何其它合适的反应器条件，并且该方法可以另外地或替代地包括以任何合适的方式控制反应器输出。
5杂质耐受性。
在一些实例方案中，诸如其中反应器在高压下运行和/或催化剂保持在低电压(例如相对于阳极的负电压)的实例方案，系统和/或方法可以实现对杂质和/或稀释二氧化碳输入的高耐受性(例如与其它二氧化碳反应器相比)，诸如对由一个或多个反应器输入中的杂质引起的中毒的耐受性和/或对由诸如甲烷、CO、O2和/或N2的物质稀释的输入的耐受性。例如，该方法可以包括确定目标过程条件(例如诸如PEM类型、高目标反应器压力等的反应器配置)以实现杂质和/或稀释输入耐受性(例如总是选择这样的过程条件；响应于反应器输入的当前和/或预期状态，诸如不纯和/或稀释状态等，选择这样的过程条件)。这些杂质可以包括通常存在于反应器输入料流中的物质(例如煤和/或天然气燃烧的产物，诸如来自燃煤或天然气发电厂的输出)，诸如SOx和/或NOx，和/或可以包括任何其它合适的杂质。在一个实例中，系统和/或方法能够使用包括高达4％ CO、6％ O2、10％ N2、800ppmNOx和/或100ppmSOx的输入料流有效地起作用，其中CO、O2和N2杂质的总和优选地不大于10％。
在稀释输入耐受性的具体实例中，使用具有单一蛇形流场的反应器配置A，电流密度基本上保持在160mA/cm2，反应器压力基本上保持在110ps i，反应器温度基本上保持在20℃，并且在甲烷或氮气中具有各种稀释水平的含二氧化碳的气体以200sccm/cm2输入。在这个具体实例中，反应器性能对直至至少50％甲烷的甲烷稀释具有高度耐受性，其中0％、25％和50％的甲烷浓度导致CO：H2比在9.5:1与8.5:1之间并且CO分数产率大于90％。使用75％甲烷观察到更显著的性能降低，其中CO分数产率降低到大约84％。在这个具体实例中，观察到对氮气稀释的类似耐受性，其中0％、25％、50％和75％的氮气浓度导致CO：H2比在9:1与8:1之间，并且最高达50％的氮气浓度导致CO分数产率大于85％(其中75％氮气浓度导致CO分数产率大约为81％)。
在杂质的耐受性的具体实例中，使用具有单一蛇形流场的反应器配置A，电流密度基本上保持在150mA/cm2，反应器压力基本上保持在100ps i，反应器温度基本上保持在20℃和25℃之间，并且具有各种杂质的含二氧化碳的气体以100sccm/cm2输入。在该具体实例中，将各种杂质条件下的反应器输出度量(例如CO产率分数)与相同条件下但使用基本上不含杂质的二氧化碳输入的基线反应器性能进行比较。在该具体实例中，对于4％或更低的CO浓度、对于800ppm或更低的NOx浓度、对于120ppm或更低的SOx浓度、或对于6％或更低的氧浓度，反应器性能显示出不显著偏离基线性能。
然而，所述系统和/或方法可另外地或替代地对不纯的和/或稀释的输入显示出任何合适的耐受性，或者不显示出这样的耐受性。
6：系统配置选择。
该方法可以可选地包括优选地基于输出HCR考虑、诸如基于期望的输出HCR(例如，给定的特定组的工艺条件和/或可接受的工艺条件范围)和/或HCR范围来选择一个或多个系统配置。
在一些实施方案中，这包括：在第一反应器(例如，电解槽，优选气相电解槽)处，接受包括二氧化碳的输入物并从输入物(例如，在第一组工艺条件下)电化学产生第一还原产物(例如，包括分子氢和/或在第一HCR处的除二氧化碳之外的一种或多种CCP)；确定期望的HCR和/或HCR范围(例如，基于下游反应器度量、市场价格度量、效率度量和/或任何其他合适的度量)；以及基于第一HCR和/或期望的HCR选择系统配置(例如，用于第二反应器)(例如，使得第二反应器将或可以输出具有比第一HCR更接近期望的HCR的还原产物；优选地基本上在第一组工艺条件下，但是附加地或可选地在任何其他合适的工艺条件下)。例如，可以选择第二反应器的配置使得第二反应器将优选地在与第一反应器的条件基本上相同的条件下(例如，当在第一组工艺条件下接受输入时)从输入物产生第二还原产物，其中第二还原产物包括分子氢和与第一还原产物相同的CCS(例如，包括基本上所有存在于第一还原产物中的物质)，其中第二还原产物限定与第一HCR基本上不同的第二HCR，优选地其中第二HCR比第一HCR更接近期望的HCR.对于本实例和/或本文描述的任何其他实施方案，第一HCR和第二HCR之间的基本差异可以包括第二HCR：比第一HCR更接近期望的HCR；与第一HCR(例如，比第一HCR大或小)相差至少1％、5％、10％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、0.5-5％、2-10％、5-25％、20-50％、40-80％和/或75-100％；和/或另外地与第一HCR不同。
在一些实施方案中，选择系统配置可以包括选择PEM的一个或多个方面，例如改变输出HCR。这种选择可以包括选择膜组成(例如，不同的聚合物物质)和/或微结构，选择膜层厚度，和/或选择PEM的任何其它合适方面。在一些实例中，这种选择包括选择阴离子交换膜和/或质子交换膜的厚度(例如，其中具有更多AEM的双极PEM将倾向于产生比具有更多质子交换膜的双极PEM更低的输出HCR)。在第一具体实例中，选择较薄的AEM(例如，比参考AEM厚度(例如第一反应器AEM的厚度)更薄，比基本上对应于最佳CCP产量的优化AEM厚度更薄等)可以导致配置成产生更高输出HCR的反应器，而选择较厚的AEM(例如，比参考AEM厚度更厚，但是优选不比优化AEM厚度更厚)可以导致配置成产生较低输出HCR的反应器。
选择系统配置可以另外地或替代地包括选择一个或多个反应器催化剂(例如，还原催化剂、氧化催化剂)的一个或多个方面，例如以改变输出HCR。在一些变型中，选择反应器催化剂方面可以包括选择催化剂层厚度(例如，其中较厚的还原催化剂将倾向于产生较高的HCR)。在一个实例中，选择较厚的还原催化剂层(例如，比参考还原催化剂层厚度例如第一反应器还原催化剂层的厚度厚，比基本上对应于最佳CCP产量的优化的还原催化剂层厚度厚等)可以导致配置为产生较高输出的HCR的反应器，而选择较薄的还原催化剂层(例如，比参考还原催化剂层厚度薄，但是优选地不比优化的还原催化剂层厚度薄)可以导致配置为产生较低输出的HCR的反应器。
选择反应器催化剂方面可以另外地或替代地包括(例如，在其中催化剂层包括限定多孔网络的催化剂颗粒、优选纳米颗粒的实例中)选择催化剂孔隙率(例如，其中更多孔的还原催化剂网络将倾向于产生较低的HCR)。在一个实例中，选择较少多孔的还原催化剂网络(例如，比参考还原催化剂更少多孔，如第一反应器还原催化剂网络的孔隙率，比基本上对应于最佳CCP生产的优化的还原催化剂更少多孔，等等)可以产生被配置成产生较高输出HCR的反应器，而选择更多多孔的还原催化剂(例如，比参考还原催化剂更多孔，但优选地不比优化的还原催化剂更多孔)可以产生被配置成产生较低输出HCR的反应器。
选择反应器催化剂方面可以另外地或替代地包括(例如，在其中催化剂层包括催化剂颗粒(优选纳米颗粒)和一种或多种聚合物电解质的实例中，诸如其中催化剂颗粒限定包含聚合物电解质和/或混合到包括聚合物电解质的介质中的多孔网络)选择催化剂与聚合物电解质比率(CPR)(例如，其中较高还原催化剂CPR将倾向于产生较高HCR)，诸如通过选择聚合物电解质负载到多孔还原催化剂网络中的程度。在一个实例中，选择较高还原催化剂CPR(例如，比参考还原催化剂CPR(诸如第一反应器还原催化剂网络的CPR)更高的CPR，比基本上对应于最佳CCP产生的优化还原催化剂更高的CPR等)可以导致被配置成产生较高输出HCR的反应器，而选择较低CPR还原催化剂(例如，比参考还原催化剂更低的CPR，但优选地不低于优化还原催化剂CPR)可以导致被配置成产生较低输出HCR的反应器。
选择反应器催化剂方面可以另外地或替代地包括(例如，在其中催化剂层包括催化剂颗粒，优选纳米颗粒的实例中)选择特征催化剂粒度(例如，其中较大的粒度将倾向于产生较高的HCR)。在一个实例中，选择较大的还原催化剂粒度(例如，大于参考还原催化剂(如第一反应器还原催化剂)的颗粒，大于基本上对应于最佳CCP生产的优化的还原催化剂等)可以导致反应器被配置为产生较高输出的HCR，而选择较小的还原催化剂粒度(例如，小于参考还原催化剂的颗粒，但优选不小于优化的还原催化剂的颗粒)可以导致反应器被配置为产生较低输出的HCR。然而，该方法可以另外地或替代地包括选择任何其他合适的反应器催化剂方面。
该方法可以另外地或替代地包括选择反应器单元压缩(例如，其中较低的压缩将倾向于导致较高的HCR，而较高的压缩将倾向于导致较低的HCR)、流场和/或系统的任何其它合适的方面。
7.附录。
下面提供关于系统和/或方法的可选实例和/或元件的附加信息。
来自本发明的二氧化碳反应器的产物气体可用于一个或多个下游工艺中。例如，构造用于合成气生产的本发明的二氧化碳反应器可输出CO、H2和/或CO2的流。该输出料流可被供给到生物反应器的输入，在所述生物反应器中，微生物(例如，产乙醇梭菌(Clos tridium autoethanogenum)、食一氧化碳梭菌(Clos tr idium carboxidovorans)、杨氏梭菌(Clos tr idium l jungdahl ii)、拉氏梭菌(Clos tr idium ragsda lei)、热乙酸梭菌(Clos tr idium thermoacet icum)、热自养梭菌(Clos tr idiumthermoautotrophicum)、粘液真杆菌(Eubacter ium l imosum)、产生消化链球菌(Peptostreptococcus productus)、食甲基丁酸杆菌(Butyr ibacter ium methylotrophicum)、产乙酸菌(Acetogens)、大肠杆菌(E.col i)等)使用CO、H2的能量和/或CO和CO2中包含的一些碳来制备一种或多种生物产品(例如，乙醇、乙酸、丁醇、丁酸、甲烷等)。未利用的碳可从下游生物反应器的输出端释放(例如，作为CO2，任选地与水蒸气和/或其它挥发性化合物一起)。
释放下游生物反应器的输出物的CO2可任选地再循环回到本发明的二氧化碳反应器的输入(例如，以增加生物产品生产的碳效率，以控制二氧化碳反应器的运行等)。在一些实施方案中，可能期望在CO2进入(例如，重新进入)本发明的二氧化碳反应器之前处理该CO2。例如，可以除去水蒸气，可以除去将抑制二氧化碳反应器功能的任何挥发性产物，和/或可以将CO2加压到本发明的二氧化碳反应器的运行所需的水平。离开生物反应器的二氧化碳可以接近大气压和/或具有任何其它合适的压力，并且典型的二氧化碳反应器压力可以是20ps i至800ps i、50ps i至400ps i、100ps i至500ps i、和/或任何其它合适的范围。在一些实例中，通过相分离器和/或干燥剂(例如，相分离器，随后是干燥剂)除去水蒸气。在一些实例中，通过氧化、吸附到合适的吸附剂上、和/或冷凝除去挥发性产物。可以使用CO2压缩机将CO2的压力升高到适合于本发明的二氧化碳反应器的压力。如果二氧化碳反应器能够在低压CO2上运行并且不受水蒸气或在从下游生物反应器输出的CO2流中发现的任何挥发性化合物抑制，则可以简化系统以除去不必要的纯化和压缩系统和方法。
对于下游生物反应器中的每升培养基，可能需要在1sccm到1000sccm或1sccm到2000sccm或10sccm到500sccm范围内或来自本发明的二氧化碳反应器的输出端的任何其它合适的气体范围的流速。对于下游生物反应器中的每升培养基，释放的CO2可在1sccm到2000sccm或10sccm到1000sccm或10sccm到500sccm范围内或任何其它合适的范围。对于下游生物反应器中的每升培养基，离开生物反应器的输出气流中的水蒸气可为1体积％到2体积％的流、2体积％到5体积％的流、5体积％到10体积％的流、10体积％到25体积％的流、25体积％到50体积％的流、50体积％到90体积％的流和/或任何其它合适的量。离开下游生物反应器的挥发性产物可构成小于0.1体积％的流、小于0.5体积％的流、小于1体积％的流、小于4体积％的流和/或任何其它合适的量的流。
一些微生物方法可使用由本发明的二氧化碳反应器产生的合成气。CO、H2和CO2的合成气输出料流可用作下游生物反应器的原料，在所述下游生物反应器中进行微生物方法以制备一系列有用的化合物(实例包括乙醇、乙酸、丁醇、丁酸、甲烷)。合成气流本身可不含有下游生物反应器中微生物生长所需的所有营养物。可能需要将其它营养物添加到生物反应器中以使微生物生长并产生产物。合适的微生物的实例包括自产乙醇梭菌(Clos tridium autoethanogenum)、食一氧化碳梭菌(Clos tr idium carboxidovorans)、杨氏梭菌(Clos tr idium l jungdahl ii)、拉氏梭菌(Clos tr idium ragsda lei)、热乙酸梭菌(Clos tr idium thermoacet icum)、热自养梭菌(Clos tr idiumthermoautotrophicum)、粘液真杆菌(Eubacter ium l imosum)、产生消化链球菌(Peptostreptococcus productus)、甲基营养丁酸杆菌(Butyr ibacter ium methylotrophicum)、产乙酸菌(Acetogens)和/或大肠杆菌(E.col i)。
一种可能特别难以引入下游生物反应器的营养物是硫。许多微生物需要硫用于某些氨基酸合成和酶促过程。本发明的耐硫二氧化碳反应器可简化硫添加到下游生物反应器(例如，除了将合成气提供到下游生物反应器之外)。呈一种或多种含硫物质(SCS)(诸如H2S、SO2和/或其它硫氧化物(SOx))形式的硫可存在于进料到本发明的二氧化碳反应器的输入物的CO2气体中。H2S可不改变地穿过本发明的二氧化碳反应器并且与合成气输出料流一起离开。SCS(例如，SO2和/或SOx)可不改变地穿过和/或其可转化成一种或多种其它SCS(例如，H2S)，并且优选与合成气输出料流一起输出。进一步包含硫物质(例如，H2S、SO2和/或SOx)的合成气可随后进料到下游生物反应器的输入(例如，不需要额外的硫营养物)。硫物质浓度可在1ppm-10ppm、5ppm-50ppm、5ppm-100ppm、10ppm至200ppm、20ppm至1000ppm和/或任何其它合适的范围内。
在一些实例中，二氧化碳反应器可以联接到一个或多个气体发酵反应器(例如，二氧化碳反应器的下游，诸如接受二氧化碳反应器的一种或多种产物)。所述方法可以任选地包括基于这种联接控制反应器操作，诸如优化碳效率和/或能量效率。如表1中所示的能量平衡中所见，在纯CO作为输入的情况下，产乙酸剂是最能量有效的，并且在许多情况下，也展现对所需最终产物的最高选择性。然而，存在其中出于许多原因，可以设计整合的电化学-气体发酵系统以利用含氢合成气的情况。
表1
在下游生物反应器中使用CO用于大部分或所有电子转移化学通常导致CO2的产生，其然后可以在生物反应器的输出料流中排出。通常，随着合成气中氢气的比率增加，产生更少的CO2，并且可以在高于一定的氢气与一氧化碳比率的化学计量下消除CO2副产物。在气体发酵成乙醇的情况下，例如，小于1:2的CO：H2比率通常将导致所有输入碳掺入乙醇最终产品中。因此，对本发明的二氧化碳反应器的输出料流中CO：H2比率进行计时可以使得操作者能够通过转向更多H2产生来优化碳效率(例如，以使CO2排放最小化)和/或通过转向更高CO产生来优化能量效率。监测输入成本，例如一天中的时间电价或对碳利用的激励可以在任何时间告知最佳操作参数。以这种方式调整生产还可以例如通过向更大乙醇产生(例如，更高CO)或更大乙酸盐产生(例如，更高H2)驱动来改变输出。监测输出的市场价格可以在任何给定时间告知最佳操作参数(例如，其中操作参数基于市场价格确定，例如以优化产品的市场价格或优化来自反应器操作的总利润)。
然而，该系统和/或方法可以另外或替代地包括任何其它合适的元件。
一个可选实施方案优选地在存储计算机可读指令的计算机可读介质中实现上述方法中的一些或全部。所述指令优选地由优选地与通信路由系统集成的计算机可执行组件执行。所述通信路由系统可以包括通信系统、路由系统和定价系统。所述计算机可读介质可以存储在任何适当的计算机可读介质上，例如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何适当的设备。所述计算机可执行组件优选地是处理器，但是所述指令可以可选地或附加地由任何适当的专用硬件设备执行。
虽然为了简洁而被省略，但是系统和/或方法的实施方案可以包括各种系统部件和各种方法过程的每个组合和排列，其中本文所描述的方法和/或过程的一个或多个实例可以通过和/或使用本文所描述的系统、元件和/或实体的一个或多个实例来异步地(例如，顺序地)、同时地(例如，并行地)或以任何其他合适的顺序执行。
附图示出了根据优选实施方案、示例配置及其变型的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、段、步骤或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实现中，框中所标注的功能可以不按图中所标注的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
如本领域技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可以对本发明的优选实施方案进行修改和改变而不脱离在以下权利要求中限定的本发明的范围。
1.一种用于电解槽控制的方法，包括：
.在第一气相电解槽处，接收包含气相二氧化碳的输入物；
.在所述第一气相电解槽处，在接受所述输入物的同时，在一组工艺条件下，由所述输入物电化学地产生第一还原产物，其中：
.所述第一还原产物包含分子氢和含碳物质(CCS)，其中所述CCS不是二氧化碳；以及
.所述第一还原产物限定第一分子氢与CCS比(HCR)；
.基于所需的HCR，选择第二气相电解槽的构造，使得所述第二气相电解槽在所述一组工艺条件下接受所述输入的同时将由所述输入产生第二还原产物，其中：
.所述第二还原产物包含分子氢和CCS；以及
.该第二还原产物限定了与该第一HCR实质上不同的第二HCR。
2.根据实施方案1所述的方法，其中：
.第一气相电解槽包括：第一阴极、第一阳极和包含聚合物电解质物质的第一聚合物电解质膜(PEM)，其中第一PEM布置在第一阴极和第一阳极之间；
.第二气相电解槽包括：第二阴极、第二阳极和包含所述聚合物电解质物质的第二PEM，其中所述第二PEM布置在所述第二阴极和所述第二阳极之间；以及
.选择所述配置包括基于所需的HCR来选择所述第二PEM。
3.根据实施方案2所述的方法，其中：
.所述第一PEM包括限定第一层厚度的第一阴离子交换膜(AEM)；
.选择所述第二PEM包括选择第二AEM，所述第二AEM限定实质上小于所述第一层厚度的第二层厚度；以及
.该第二HCR实质上大于该第一HCR。
4.根据实施方案1所述的方法，其中：
.第一气相电解槽包括：第一阴极、第一阳极、包含聚合物电解质物质的第一聚合物电解质膜(PEM)和第一还原催化剂层，其中：
.第一PEM，其设置在第一阴极和第一阳极之间；以及
.第一还原催化剂层，其设置在第一阴极和第一PEM之间；
.第二气相电解槽包括：第二阴极、第二阳极、包含所述聚合物电解质物质的第二PEM，和第二还原催化剂层，其中：
.第二PEM，其设置在第二阴极和第二阳极之间；以及
.第二还原催化剂层，其设置在第二阴极和第二PEM之间；以及
.选择构造包括基于所需的HCR选择第二还原催化剂层。
5.根据实施方案4所述的方法，其中：
.第一还原催化剂层包含：
.催化剂纳米颗粒的第一多孔网络；以及
.布置在第一多孔网络内的聚合物电解质物质；以及
.第二还原催化剂层包含：
.催化剂纳米颗粒的第二多孔网络；以及
.聚合物电解质物质，其布置在第二多孔网络内。
6.根据实施方案5所述的方法，其中：
.所述第一还原催化剂层限定第一聚合物电解质与催化剂纳米颗粒比率(ECR)；
.选择第二还原催化剂层包括选择实质上大于第一ECR的第二ECR；以及
.该第二HCR实质上大于该第一HCR。
7.根据实施方案5所述的方法，其中：
.所述第一多孔网络限定第一孔隙率；
.选择第二还原催化剂层包括选择实质上小于第一孔隙率的第二孔隙率；以及
.该第二HCR实质上大于该第一HCR。
8.根据实施方案5所述的方法，其中：
.所述第一多孔网络限定第一特征纳米颗粒尺寸；
.选择第二还原催化剂层包括选择实质上大于第一特征纳米颗粒尺寸的第二特征纳米颗粒尺寸；以及
.该第二HCR实质上大于该第一HCR。
9.如实施方案8所述的方法，其中所述第一和第二特征性纳米颗粒尺寸是中值尺寸。
10.根据实施方案4所述的方法，其中：
.所述第一还原催化剂层限定第一层厚度；
.选择第二还原催化剂层包括选择实质上大于第一层厚度的第二层厚度；以及
.该第二HCR实质上大于该第一HCR。
11.根据实施方案1所述的方法，还包括：
.响应于选择所述构造，将所述第二气相电解槽构造成所述构造；
.在配置所述第二气相电解槽之后，在所述第二气相电解槽处，接受包含气相二氧化碳的第二输入物；以及
.在所述第二气相电解槽处，在接受所述第二输入物的同时，在第二组工艺条件下，由所述输入物电化学产生第三还原产物，其中：
.第三还原产物包括分子氢和CCS；以及
.该第三还原产物限定第三HCR，其中该第一HCR与所需HCR之间的第一差异大于该第三HCR与该所需的HCR之间的第二差异。
12.根据实施方案11所述的方法，其中：
.所述第二输入实质上等同于所述输入物；
.所述第二组工艺条件实质上等同于所述组的工艺条件；以及
.该第三HCR实质上等于该第二HCR。
13.根据实施方案11所述的方法，其中：
.所述输入物限定第一湿度；
.所述第二输入物限定实质上大于所述第一湿度的第二湿度；
.所需的HCR大于该第一HCR；以及
.该方法还包括基于所需的HCR选择第二湿度。
14.根据实施方案1所述的方法，其中所述CCS是一氧化碳。
15.根据实施方案1所述的方法，其中所述组的工艺条件包括电解槽温度大于50℃和输入压力大于10个大气压。
16.一种用于电解槽控制的方法，包括在气相电解槽处从包含气相二氧化碳的输入物电化学产生包含分子氢和含碳物质(CCS)的还原产物，其中所述CCS不是二氧化碳，其中电化学产生所述还原产物包括：
.在第一时间间隔期间，产生具有第一分子氢与CCS比(HCR)的还原产物，包括在第一组工艺条件下操作所述气相电解槽；以及
.在所述第一时间间隔之后的第二时间间隔期间，调节电解槽操作以改变所述还原产物HCR，包括在第二组工艺条件下操作所述气相电解槽以产生具有与所述第一HCR实质上不同的第二HCR的所述还原产物。
17.根据实施方案16所述的方法，其中：
.在第一时间间隔期间，输入物定义第一湿度；
.调节电解槽操作包括改变输入物湿度，使得在第二时间间隔期间，输入物限定了实质上大于第一湿度的第二湿度；以及
.该第二HCR大于该第一HCR。
18.根据实施方案16所述的方法，其中响应于确定与所述第一HCR实质上不同的所需的HCR来执行调节电解槽操作以改变所述还原产物HCR。
19.根据实施方案18所述的方法，还包括：
.将所述还原产物提供至下游反应器；以及
.确定与所述下游反应器相关的操作度量；其中，基于所述操作度量来执行确定所需的HCR。
20.根据实施方案19所述的方法，其中：
.下游反应器为生物反应器；
.所述输入物还包含含硫物质(SCS)，其中所述输入物中的SCS的浓度为至少5ppm；以及
.所述方法还包括向生物反应器提供与还原产物混合的SCS。
21.根据实施方案16所述的方法，其中：
.所述第一组工艺条件包括大于50℃的第一电解槽温度和大于10个大气压的第一输入物压力；以及
.第二组工艺条件包括大于50℃的第二电解槽温度和大于10个大气压的第二输入物压力。

Claims (10)

1.用于电解槽控制的方法，其包括:
.在气相电解槽处，所述气相电解槽包含与聚合物电解质膜接触的具有还原催化剂和离子传导聚合物的阴极层，接受包含气相二氧化碳的第一输入物，
.在所述气相电解槽处，在接受所述第一输入物的同时，在一组工艺条件下从所述第一输入物电化学产生第一还原产物料流，其中所述第一还原产物料流包含分子氢和一氧化碳，其中所述第一还原产物料流限定第一分子氢与一氧化碳比(HCR)；
.在所述气相电解槽的操作期间监测所述第一HCR；以及
.将分子氢和/或一氧化碳添加至所述第一还原产物料流以产生具有期望的第二HCR的第二产物料流。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括从第二电解槽产生分子氢，其中将来自所述第二电解槽的所述分子氢添加至所述第一还原产物料流以获得所述期望的第二HCR。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的第二HCR在1:5至3:1的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的第二HCR大于或等于2:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述第二产物料流引导至包含费-托反应器的下游系统。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述下游系统包含纯化系统。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述下游系统包含气体压缩系统。
8.用于从二氧化碳产生液态烃的方法，所述方法包括：
使用二氧化碳还原电解槽将二氧化碳化学还原成一氧化碳，所述二氧化碳还原电解槽包含与聚合物电解质膜接触的具有还原催化剂和离子传导聚合物的阴极层以促进将所述二氧化碳化学还原成所述一氧化碳；
将来自所述二氧化碳还原电解槽的所述一氧化碳、和氢输送至反应器；以及
在所述反应器中，从所述一氧化碳和所述氢产生液态烃混合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中输送至所述反应器的氢和一氧化碳的分子氢与一氧化碳比在1:5至3:1的范围内。
10.根据权利要求8所述的方法，其中输送至所述反应器的氢和一氧化碳的分子氢与一氧化碳比大于或等于2:1。
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