CN207418877U - 三室电化学反应器 - Google Patents

Abstract

提供一种三室电化学反应器，包括阴极板、阴极、惰性微孔膜、中间室板、阳离子交换膜、阳极和阳极板；所述中间室板具有中央区域和围绕所述中央区域的外周区域，所述中央区域为具有流槽的流场区域，所述流场区域两侧分别受到所述阳离子膜和所述惰性微孔膜的限制形成中间室。本实用新型的三室电化学反应器，可以引导阴极气体和电解液在阴极的两侧通过不同的输送路径流入，从而既实现阴极气液两相流体都达到在阴极上的均匀分布，又不明显妨碍电极面积的扩大。

Description

三室电化学反应器

技术领域

本实用新型涉及电化学领域，具体涉及三室电化学反应器。

背景技术

电化学反应器是将一个氧化还原化学反应分解为阴极电还原和阳极电氧化两个反应并将它们统一在一起的特殊化学反应装置。按照完成电化学反应需要的反应物、生成物或其他媒介物质的物料状态的不同，电化学反应器可分为有流体参与阴阳极反应和无流体参与阴阳极反应两种。对有流体参与的电化学反应而言，反应器在结构上一般具有一个阴极室和一个阳极室，以完成反应物、生成物或其他媒介流体与电极的直接交换。这种结构的电化学反应器称为两室池，其比较适合于阴阳极均为单相流体的情况，难于适应阴阳极其中任意一个为两相流体的情况。

近年来逐渐兴起的二氧化碳电还原制备甲酸或合成气技术属于一种阴极气液两相混合进料的情形。现阶段的二氧化碳电还原技术广泛采用两室池反应器，这严重地限制了该技术的进一步发展和大规模推广应用。为了抑制析氢副反应的进行，当前技术状态下二氧化碳的电还原普遍采用碳酸氢盐溶液(或碳酸盐，下同)来稳定阴极主反应所需的pH环境。但二氧化碳在此溶液中的溶解度较小，在大面积电极的情况下若采用阴极饱和溶液进料易出现二氧化碳供应不足的问题，若采用活塞流'的进料方式(气液交替)则又很难保证气液两相在整个阴极面积上的均匀分布。

显然，除了发展阴极单一气相进料技术之外，开发新型的反应器以保证气液两相在大面积电极上都达到均匀分布是二氧化碳电还原技术发展的又一个选择。在此方面，美国Dioxide Materials公司提出了一个两膜三室的电化学反应器模型(Electrochemicalconversion of CO₂to formic acid utilizing Sustainion^TMmembranes,Journal ofCO₂Utilization,20(2017)208–217)来制备甲酸，如图1所示。该模型包括阳极板11'、阳极9'、阳离子膜8'、阴离子膜5”、阴极4'和阴极板1'，其中阴离子膜5'和阳离子膜8'将反应器分隔为三个室：阳极室34'、阴极室35'和中间室33'，阴极室35'通二氧化碳气体，中间室33'通水。该模型较好地解决了气液两相的均匀分布问题，但其前提是在阴极催化剂层中引入阴离子聚合物来代替碳酸氢盐溶液，这又产生了其他方面的问题。

在Dioxide Materials公司提出的反应器模型中，中间室通水是为了完成甲酸根离子与质子的复合并带出甲酸，但水的导电性很差，故在中间室引入电解质微球来增加导电性，为此这个模型可称为填充型三室电化学反应器。电解质微球在中间室的填充堆积虽然增加了导电性，但却带来了液体流动阻力的极大增加，从而导致模型的有效性只能局限于小面积电极，并不能很好地满足大规模合成的需要。故需要开发出新的反应器模型，既要满足气液分布均匀的需要，又要避免衍生出其他问题。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本新型提出一种三室电化学反应器，包括阴极板、阴极、惰性微孔膜、中间室板、阳离子交换膜、阳极和阳极板；所述中间室板具有中央区域和围绕所述中央区域的外周区域，所述中央区域为具有流槽的流场区域，所述流场区域两侧分别受到所述阳离子膜和所述惰性微孔膜的限制形成中间室。

根据本新型的一实施方式，当所述反应器用于甲酸电化学合成时，所述中间室通入碳酸氢盐溶液。

根据本新型的另一实施方式，所述中间室板的外周区域设置有进出孔；所述进出孔是盲孔，与所述流场区域相连通，形成中间室与电解池外部进行物质交换的通道。

根据本新型的另一实施方式，所述中间室板由一块薄板形成。

根据本新型的另一实施方式，所述中间室板由胶合或扣接在一起的两块薄板组成，所述两个薄板中至少一个上具有流场区域。

根据本新型的另一实施方式，所述中间室板的厚度小于2mm。

根据本新型的另一实施方式，所述阴极和阳极均为多孔电极。

根据本新型的另一实施方式，所述惰性微孔膜为亲水膜。

本实用新型借助引入的惰性微孔膜将原来仅有阳离子膜的两室池转变为三室电化学反应器，引导阴极气体和电解液在阴极的两侧通过不同的输送路径流入，从而既实现阴极气液两相流体都达到在阴极上的均匀分布，又不明显妨碍电极面积的扩大。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是现有三室电化学反应器的示意图；

图2是本实用新型的三室电化学反应器示意图；

图3是本实用新型的三室电化学反应器结构示意图(东北等轴测)；

图4是本实用新型的三室电化学反应器结构示意图(西南等轴测)；

图5是示出实施例1的三室电化学反应器中间室外表面的剖切旋转图；

图6是示出实施例1的三室电化学反应器中间室内部结构的剖切旋转图；以及

图7是示出实施例2的三室电化学反应器中间室内部结构的分解示图。

其中，附图标记说明如下：

1阴极板；2中间室进孔密封圈；3阴极密封圈；4,4'阴极；5,5'惰性微孔膜；6中间室进孔；7中间室板；8,8'阳离子交换膜；9,9'阳极；10阳极密封圈；11,11'阳极板；12阳极密封槽；13阳极流场；14螺栓孔；15阴极嵌入区；16中间室出孔；17中间室流场；18中间室出孔密封圈；19阴极出孔；20阴极进孔；21中间室出孔密封槽；22阴极密封槽；23阴极流场；24中间室进孔密封槽；25阳极出孔；26阳极进孔；27中间室板的近阴极部分；28中间室板的近阳极部分；29中间室流场活性区；30中间室流场非活性区；31中间室流场密封槽(或注胶槽)；32电解质微球；33,33'中间室；34,34'阳极室；35,35'阴极室

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

如图2所示，三室电化学反应器包括阳极板11、阳极9、阳极离子膜8、惰性微孔膜5、阴极4和阴极板1，其中惰性微孔膜5和阳离子膜8'将反应器分隔为三个室：阳极室34、阴极室35和中间室33，阴极室35通二氧化碳气体，中间室33通入碳酸氢盐溶液，例如但不限于KHCO₃溶液。

以下结合具体实施例对本实用新型做详细说明。

实施例1

图3和图4为以碳酸氢盐溶液作为中间室电解质溶液的三室电化学反应器的简明结构，按照组装顺序包括阴极板1，阴极密封圈3，阴极4，中间室进出孔密封圈2和18，惰性微孔膜5，中间室板7，阳离子交换膜8，阳极9，阳极密封圈10和阳极板11。在阴阳极密封圈3和10的外围，在阴极板1、阳极板11和中间室板7上具有相对应的螺栓孔，通过螺栓将各元件夹紧在一起。

在阴极板1和阳极板11的内侧分别刻有阴极密封槽22和阳极密封槽12，分别定位容纳阴阳极密封圈3和10。在阴极板1和阳极板11的内侧，在阴阳极密封槽22和12的内围，分别刻有由流槽和脊构成的阴极流场23和阳极流场13，阴阳极板1和11上的流槽分别受阴阳极4和9的限制形成了阴极室和阳极室。在阴极板1和阳极板11分别刻有贯穿极板的阴极进出孔19,20和阳极进出孔25,26，它们分别与阴极室和阳极室相连通，承担阴极室和阳极室与外界的物料传输功能。

中间室板7是半中空型结构，图5和图6分别展示了其外表面和内部形态。中间室板7中部对应于阳极大小的区域为中间室流场17的活性区29，它由通透并排的直流道和脊构成。在中间室板的阴极侧外表面上，在比中间室流场活性区略大的区域(包含中间室流场活性区)刮掉一薄层，形成阴极嵌入区15，其厚度比阴极4与惰性多孔膜5的厚度和略小(电解池安装夹紧好后，阴极4和多孔膜5受压后的厚度和将等于阴极嵌入区15的厚度。阴极4、多孔膜5和阴极嵌入区三者的尺寸相同)。在阴阳极密封槽的外部，在中间室板上的近阴极部分刻有中间室进出孔6和16，均为盲孔。在中间室板的内部，中间室进出孔6和16通过中间室流场17的非活性区30与活性区29相连通。中间室流场17中的流道受到中间室板7、阳离子交换膜8和惰性多孔膜5的限制形成了中间室。在阴极板1上对应于中间室进出孔6和16的位置处也刻有通孔，也称为中间室进出孔6和16，在它们外围刻有中间室进出孔密封槽21和24，以定位容纳中间室进出孔密封圈。电解池组装夹紧后，中间室通过其进出孔与外界保持物质传输。

阴极流场23、中间室流场活性区29和阳极流场13三者相互对应并尺寸相同。阳极9的大小适配阳极流场13的尺寸，而它们的大小受阳极密封圈10内圈尺寸限制。阳离子交换膜8的尺寸比阳极9的大，大出的部分接受阳极密封圈10的密封，但阳离子交换膜8的尺寸比阳极密封圈10的外圈略小，也即阳极密封圈10的一部分压在阳离子交换膜8外围的中间室板上。阴极密封圈3的内圈与阳极密封圈10的内圈相同，但比阴极4的尺寸小，故阴极密封圈3的一部分压在阴极4的边沿部分上；阴极密封圈3的外圈比阴极4的尺寸大，故其另外部分压在阴极嵌入区15外围的中间室板7上。为防止中间室板被压塌陷，阴阳极密封圈3和10与中间室流场非活性区30的交叠部分选取在并排的脊上。

阴极和阳极均可为多孔电极，允许水、电解液和气体通过(但阳极还可为其他形态)，惰性微孔膜为亲水膜，也允许水、电解液和气体透过。当三室电化学反应器作为将二氧化碳转化为甲酸的反应器时，阳极室可以通水等液体(做其他用途时，阳极室也可以通入气体)，中间室通碳酸氢钾溶液，阴极室通二氧化碳气体。中间室的碳酸氢钾溶液可少量透过微孔膜渗入到阴极之中，容许阴极催化剂工作于所需求的pH环境。阴极室保持比中间室略大的压力，防止液体大量透过微孔膜和阴极进入阴极室。正常工作状态下，允许阴极室中的二氧化碳微量进入中间室，进入中间室的二氧化碳气体通过中间室出孔随同碳酸氢钾溶液排出中间室。工作时阴极上产生甲酸根离子及碳酸氢根离子，它们通过微孔膜进入中间室溶液；阳极上阳极反应产生质子，质子通过阳离子膜进入中间室溶液；在中间室溶液环境中，质子与碳酸氢根完成复合释放出二氧化碳，甲酸根离子取代部分碳酸氢根离子形成甲酸钾与碳酸氢钾的混合溶液。

在正常工作状态下，中间室电解液仅需小流量碳酸氢钾溶液的流动，且中间室活性区内的流道具有并排、直形和无阻挡等特点，故在中间室流场活性区两端的压力降很小，从而中间室的面积可以扩展以满足大尺寸电解池的需要。中间室流场活性区中的槽提供了电解质溶液流动的通道，槽中充满的电解溶液支持了阴阳极之间的离子导电，同时稳定了阴极反应所需的pH环境。中间室流场活性区中的脊维持了中间室受压时结构的稳定，同时对阴阳极、阳离子膜和惰性微孔膜给予机械支撑。中间室板可以选择玻璃、陶瓷等惰性绝缘材料，但更合适的是选择硬质塑料(如聚碳酸酯等)。

为了更好地说明本实用新型的基本思想，本实用新型将反应器的阴极板和阳极板视为集多种功能(包括夹板、绝缘板、集流板和流场板等)于一身的单一元件。但为了更好完成各功能，有时需要将其分解为不同材质的多个元件，此时若没有更合适的处理方法，亦可使用本实用新型提供的基本思想将各个元件叠合为一个。

实施例2

为了降低中间室液体的离子导电电阻，应尽可能降低中间室液体层的厚度(即活性区流槽的槽深)，但这与降低中间室液体流动阻力的目的相矛盾，故需要中间室液体层具有适当的厚度，以兼顾两方面的要求。一般说来，这个液体层厚度不超过2mm，但这种厚度级别对中间室板的厚度也形成了极大的限制，遂导致出现中间室流场成型的难度提高。这个难度主要体现在如实施例1中所采用的整体型中间室流场，为此可以采用组合型的中间室流场成型方法，如图7所示。组合型中间室流场的成型由两块中间室薄板的叠合来完成，这两个薄板相当于将整体型中间室板剖开而形成的两个部分。两个薄板中至少一个上面具有中间室流场，而中间室流场的外围具有注胶槽31，在注胶槽31注胶并将两个薄板粘接在一起。或者，注胶槽31也可视作为密封槽，通过添加密封垫圈来完成中间室流场的成型。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种三室电化学反应器，其特征在于，包括阴极板、阴极、惰性微孔膜、中间室板、阳离子交换膜、阳极和阳极板；所述中间室板具有中央区域和围绕所述中央区域的外周区域，所述中央区域为具有流槽的流场区域，所述流场区域两侧分别受到所述阳离子膜和所述惰性微孔膜的限制形成中间室。

2.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，当所述反应器用于甲酸电化学合成时，所述中间室通入碳酸氢盐溶液。

3.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述中间室板的外周区域设置有进出孔；所述进出孔是盲孔，与所述流场区域相连通。

4.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述中间室板由一块薄板形成。

5.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述中间室板由胶合或扣接在一起的两块薄板组成，所述两个薄板中至少一个上具有流场区域。

6.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述中间室板的厚度小于2mm。

7.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述阴极和阳极均为多孔电极。

8.根据权利要求1所述的三室电化学反应器，其特征在于，所述惰性微孔膜为亲水膜。