CN213925048U - 一种二氧化碳气相电解还原装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种二氧化碳气相电解还原装置，包括：阳极机构，包括依次相贴合的阳极流道板、阳极集流体和阳极气体扩散电极；阴极机构，包括依次相贴合的阴极流道板、阴极集流体和阴极气体扩散电极；隔膜。本申请的电解还原装置，相比传统的H型电解池的三电极体系结构，结构简单，操作方便；还包括第一垫片和第二垫片，第一垫片和第二垫片的材料均为聚四氟乙烯，采用聚四氟乙烯材料不仅可防止电解装置短路，同时可起到提高电解装置密封性的作用；还包括第一柱体和第二柱体，通过设置第一柱体可使使阳极集流体与阳极气体扩散电极紧密贴合，通过设置第二柱体可使阴极集流体与阴极气体扩散电极紧密贴合。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解还原装置技术领域，尤其涉及一种二氧化碳气相电解还原装置。
背景技术
在加快清洁能源开发利用的同时，水电、风电、光伏发电出现送出难、消纳难问题，尤其在我国西北部地区弃风弃光现象严重。2019年全年弃水电量约691亿千瓦时，弃风电量277亿千瓦时，弃光电量54.9亿千瓦时，“三弃”电量共约1023亿千瓦时，超过同期三峡电站的发电量。电化学还原二氧化碳技术作为一种应对能源系统变化挑战的方法，可以解决可再生能源供需不匹配的问题，将过剩的电能转化为具有高附加值的化学品储存，同时减少二氧化碳排放，缓解环境压力。
早期研究多在H型电解池中进行，但是这与二氧化碳电化学还原技术的实际工业应用方式差别较大，实验室通常采用H型电解池主体由阴极室和阳极室两部分构成，由质子交换膜分离两者并传导质子，其阴极室内置有工作电极与参比电极，与阳极室内的对电极构成CO2电还原的三电极体系，显然三电极体系的电解池结构复杂。
因此，如何改善上述缺陷，成为本领域技术人员急需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种二氧化碳气相电解还原装置，以解决现有技术中存在的技术缺陷。
第一方面，本实用新型提供了一种二氧化碳气相电解还原装置，包括：
阳极机构，包括依次相贴合的阳极流道板、阳极集流体和阳极气体扩散电极，所述阳极流道板上开设有电解液入口，所述阳极流道板靠近阳极集流体一侧面设有阳极腔室，所述电解液入口与所述阳极腔室连通，所述阳极集流体上对应阳极腔室处开设有多个第一穿孔，所述阳极气体扩散电极贴合于阳极集流体的第一穿孔处；
阴极机构，包括依次相贴合的阴极流道板、阴极集流体和阴极气体扩散电极，所述阴极流道板设有气体入口，所述阴极流道板靠近阴极集流体一侧面开设有阴极腔室，所述气体入口与所述阴极腔室连通，所述阴极集流体上对应阴极腔室处开设有多个第二穿孔，所述阴极气体扩散电极贴合于阴极集流体的第二穿孔处；
隔膜，位于阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极之间。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，还包括第一垫片，其分别位于所述阳极流道板和所述阳极集流体之间以及所述阳极集流体和所述阳极气体扩散电极之间，所述第一垫片上对应阳极腔室处开设有第一通孔。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，还包括第二垫片，其分别位于所述阴极流道板和所述阴极集流体之间以及所述阴极集流体和所述阴极气体扩散电极之间，所述第二垫片上对应阴极腔室处开设有第二通孔。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述阳极腔室内还设有多个第一柱体，所述第一柱体一端伸出阳极腔室外并抵触于所述阳极集流体上。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述阴极腔室内还设有多个第二柱体，所述第二柱体一端伸出阴极腔室外并抵触于所述阴极集流体上。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述阳极流道板上开设有电解液出口，所述电解液出口连通所述阳极腔室。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述阴极流道板上开设有气体出口，所述气体出口连通所述阴极腔室。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述阳极流道板、所述阳极集流体、所述第一垫片、所述阴极流道板、所述阴极集流体、所述第二垫片上对应位置均设有螺纹孔，一螺栓螺接所述螺纹孔。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述隔膜为聚合物电解质膜。
可选的，所述的二氧化碳气相电解还原装置，所述螺栓、第一垫片和第二垫片的材料均为聚四氟乙烯。
本实用新型的一种二氧化碳气相电解还原装置相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，包括阳极机构和阴极机构，相比传统的H型电解池的三电极体系结构，结构简单，操作方便；
(2)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，包括第一垫片和第二垫片，第一垫片和第二垫片的材料均为聚四氟乙烯，采用聚四氟乙烯材料不仅可防止电解装置短路，同时可起到提高电解装置密封性的作用；
(3)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，包括第一柱体，通过设置第一柱体可使使阳极集流体与阳极气体扩散电极紧密贴合；
(4)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，还包括第二柱体，通过设置第二柱体可使阴极集流体与阴极气体扩散电极紧密贴合；
(5)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，在阳极流道板、阳极集流体、第一垫片、阴极流道板、阴极集流体、第二垫片上对应位置均设有螺纹孔，然后通过螺栓螺接螺纹孔从而使得电解还原装置的各部件均螺接在一起便于安装和拆卸；
(6)本申请的二氧化碳气相电解还原装置，二氧化碳转化为一氧化碳的电流大，电流效率高，可长时间稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的其中一个实施例中二氧化碳气相电解还原装置的结构示意图；
图2为本实用新型的另一个实施例中阴极流道板的结构示意图；
图3为本实用新型的另一个实施例中阳极流道板的结构示意图；
图4为本实用新型的另一个实施例中阳极集流体的结构示意图；
图5为本实用新型的二氧化碳气相电解还原装置的装配结构示意图；
图6为本实用新型实施例1中在50mA/cm2电流下稳定性示意图；
图7为本实用新型实施例1中在100mA/cm2电流下稳定性示意图；
图8为本实用新型实施例2中在不同电电位下电流密度和电流效率示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1～5所示，本实用新型提供了一种二氧化碳气相电解还原装置，包括：
阳极机构，包括依次相贴合的阳极流道板1、阳极集流体2和阳极气体扩散电极3，阳极流道板1上开设有电解液入口11，阳极流道板1靠近阳极集流体2一侧面设有阳极腔室12，电解液入口11与阳极腔室12连通，阳极集流体2上对应阳极腔室12处开设有多个第一穿孔21，阳极气体扩散电极3贴合于阳极集流体2的第一穿孔21处；
阴极机构，包括依次相贴合的阴极流道板4、阴极集流体5和阴极气体扩散电极6，阴极流道板4设有气体入口41，阴极流道板4靠近阴极集流体5一侧面开设有阴极腔室42，气体入口41与阴极腔室42连通，阴极集流体5上对应阴极腔室处开设有多个第二穿孔，阴极气体扩散电极6贴合于阴极集流体的第二穿孔处；
隔膜7，位于阳极气体扩散电极3和阴极气体扩散电极6之间。
需要说明的是，本申请实施例中，阳极机构包括依次相贴合的阳极流道板1、阳极集流体2和阳极气体扩散电极3，阳极流道板1上开设有电解液入口11，该电解液入口11可为一通道，阳极流道板1靠近阳极集流体2一侧面开设有阳极腔室12，电解液入口11与阳极腔室12连通，从电解液入口11加入的电解液可流入至阳极腔室12中，阳极集流体2上对应阳极腔室12处开设有多个第一穿孔21，具体的，该第一穿孔21呈阵列排布，阳极气体扩散电极3贴合在阳极集流体2上呈阵列排布的第一穿孔21处，阳极腔室12内的电解液经第一穿孔21流入至阳极气体扩散电极3表面，进而发生阳极反应；阴极机构包括依次相贴合的阴极流道板4、阴极集流体5和阴极气体扩散电极6，阴极流道板4上开设有气体入口41，该气体入口41可为一通道，同时在阴极流道板4靠近阴极集流体的一侧面开设有阴极腔室42，气体入口41与阴极腔室42之间相互连通，通过气体入口41可向阴极腔室42内通入二氧化碳气体，而在阴极集流体5上对应阴极腔室处开设有多个第二穿孔，第二穿孔呈阵列排布，阴极气体扩散电极6贴合在阴极集流体5上呈阵列排布的第二穿孔处，阴极腔室内的二氧化碳气体经第二穿孔流入至阴极气体扩散电极6表面，进而发生阴极反应；具体的，本申请实施例中，阳极集流体2和阴极集流体5的的材料可为不锈钢、钛合金等，在工作时，将阳极集流体2和阴极集流体5分别接电源的正极和负极，进而实现阳极气体扩散电极3和阴极气体扩散电极6上的电化学反应。本申请的电解还原装置，相比传统的H型电解池的三电极体系结构，结构简单，操作方便。
具体的本申请实施例中，电解液入口11通入的电解液为KOH溶液，浓度为1～2mol/L，气体入口41通入的二氧化碳为加湿后的二氧化碳，加湿程度为2～10％；阳极气体扩散电极3表面发生吸氧反应，加湿后的二氧化碳在阴极气体扩散电极6表面和水反应生成一氧化碳和氢气。
在一些实例中，阳极气体扩散电极3可为泡沫镍或者阳极气体扩散电极3包括碳纸以及负载在碳纸上的催化剂涂层，具体的催化剂涂层可为IrO2或IrRuOx等，催化剂涂层的负载量为1～2mg/cm2，具体的，本申请实施例中负载上催化剂涂层负载在碳纸朝向隔膜7的一侧。
在一些实例中，阴极气体扩散电极6包括碳纸以及负载在碳纸上的催化剂涂层，具体的催化剂涂层可为IrO2、IrRuOx以及氮掺杂碳材料负载金纳米颗粒等，催化剂涂层的负载量为1～2mg/cm2，具体的，本申请实施例中负载上催化剂涂层负载在碳纸朝向隔膜7的一侧。
在一些实例中，还包括第一垫片8，其分别位于阳极流道板1和阳极集流体2之间以及阳极集流体2和阳极气体扩散电极3之间，第一垫片8上对应阳极腔室12处开设有第一通孔81。具体的，本申请实施例中，第一垫片8贴合在阳极流道板1和阳极集流体2之间、以及阳极集流体2和阳极气体扩散电极3之间，第一垫片8上对应阳极腔室12处开设有第一通孔81，第一通孔81的面积略大于阳极气体扩散电极3面积，阳极气体扩散电极3贴合在第一通孔81处，电解液经第一通孔、流入阳极集流体2上再经过第一垫片8上的第一通孔81流入阳极气体扩散电极3表面。
在一些实例中，还包括第二垫片9，其分别位于阴极流道板4和阴极集流体5之间以及阴极集流体5和阴极气体扩散电极6之间，第二垫片9上对应阴极腔室42处开设有第二通孔91。具体的，本申请实施例中，第二垫片9贴合在阴极流道板4和阴极集流体5之间、以及阴极集流体5和阴极气体扩散电极6之间，第二垫片9上对应阴极腔室42处开设有第二通孔91，第二通孔91的面积略大于阴极气体扩散电极6的面积，阴极气体扩散电极6贴合在第二通孔91处，二氧化碳气体经第二通孔91流入阴极集流体5上再经过第二垫片9上的第二通孔91流入阴极气体扩散电极6表面。
在一些实例中，阳极腔室12内还设有多个第一柱体13，第一柱体13一端伸出阳极腔室12外并抵触于阳极集流体2上。在本申请实施例中，在阳极腔室12内设置多个第一柱体13，该第一柱体13的一端稍伸出阳极腔室12外，这样在阳极气体扩散电极3、阳极集流体2与阳极流道板1相互贴合时，第一柱体13可紧紧贴在阳极集流体2，如此可挤压阳极集流体2，使得阳极集流体2与阳极气体扩散电极3紧密贴合。若还包括第一垫片8，则第一柱体13穿过第一垫片8上的第一通孔81使阳极集流体2与阳极气体扩散电极3紧密贴合。
在一些实例中，阴极腔室42内还设有多个第二柱体43，第二柱体43一端伸出阴极腔室42外并抵触于阴极集流体5上。在本申请实施例中，在阴极腔室42内设置多个第二柱体43，该第二柱体43的一端稍伸出阴极腔室42外，这样在阴极流道板4、阴极集流体5和阴极气体扩散电极6相互贴合时，第二柱体43可紧紧贴在阴极集流体5上，如此可挤压阴极集流体5，使得阴极集流体5与阴极气体扩散电极6紧密贴合。若还包括第二垫片9，则第二柱体43穿过第二垫片9上的第二通孔91使阴极集流体5与阴极气体扩散电极6紧密贴合。具体的，实际中阳极流道板1与阴极流道板4的结构相同，阳极集流体2与阴极集流体5的结构相同。
在一些实例中，阳极流道板1上开设有电解液出口14，电解液出口14连通阳极腔室12。在本申请实施例中，通过开设电解液出口14可使阳极腔室12中未反应的电解液经电解液出口14排出。
在一些实例中，阴极流道板4上开设有气体出口，气体出口连通阴极腔室42。在本申请实施例中，通过开设气体出口可使阴极腔室42中未反应完全的二氧化碳气体经气体出口排出。
在一些实例中，阳极流道板1、阳极集流体2、第一垫片8、阴极流道板4、阴极集流体5、第二垫片9上对应位置均设有螺纹孔，一螺栓10螺接螺纹孔。在本申请实施例中通过设置螺纹孔，然后通过螺栓10螺接螺纹孔从而使得电解还原装置的各部件均螺接在一起便于安装和拆卸。
在一些实例中，隔膜7为聚合物电解质膜。隔膜7用于隔开阴极反应和阳极反应，聚合物电解质膜为碱性阴离子交换膜，具体的可采用Fumasep系列膜，Sustainion膜中的一种。
在一些实例中，螺栓10、第一垫片8和第二垫片9的材料均为聚四氟乙烯；采用聚四氟乙烯材料可防止电解装置短路，同时第一垫片8和第二垫片9采用聚四氟乙烯材料可起到提高电解装置密封性的作用。
在一些实例中，阳极气体扩散电极3和阴极气体扩散电极6的面积相等。
以下进一步以具体实施例说明书本实用新型的二氧化碳气相电解还原装置的实用方法。
实施例1
本申请实施例的二氧化碳气相电解还原装置，包括阳极流道板、阳极集流体、阳极气体扩散电极、隔膜、阴极流道板、阴极集流体、阴极气体扩散电极、第一垫片、第二垫片、第一柱体、第二柱体和螺栓；
具体的，阳极气体扩散电极包括碳纸以及负载在碳纸上的IrRuOx催化剂涂层，负载量为1mg/cm2；
阴极气体扩散电极包括碳纸以及负载在碳纸上的氮掺杂碳材料负载金纳米颗粒催化剂涂层，负载量为1mg/cm2；
隔膜采用碱性阴离子交换膜
FAA-3-50；
电解液入口加入流速为15mL/min的1M KOH溶液
气体入口通入流速为15mL/min的二氧化碳气体。
将阳极集流体、阴极集流体分别接通电源正负极后进行二氧化碳电催化还原实验，分别测试在50mA/cm2和100mA/cm2电流下稳定性结果分别如图6～7所示。从图6～7中可以看出电解器稳定性良好，产CO的电流效率均在90％以上。
实施例2
本申请实施例的二氧化碳气相电解还原装置，包括阳极流道板、阳极集流体、阳极气体扩散电极、隔膜、阴极流道板、阴极集流体、阴极气体扩散电极、第一垫片、第二垫片、第一柱体、第二柱体和螺栓；
具体的，阳极气体扩散电极为泡沫镍；
阴极气体扩散电极包括碳纸以及负载在碳纸上的氮掺杂碳材料负载金纳米颗粒催化剂涂层，负载量为1mg/cm2；
隔膜采用碱性阴离子交换膜
FAA-3-50；
电解液入口加入流速为15mL/min的2M KOH溶液
气体入口通入流速为15mL/min的二氧化碳气体。
将阳极集流体、阴极集流体分别接通电源正负极后进行二氧化碳电催化还原实验，工作电压为1.6～2.6V，实验运行的环境温度为25℃，测试在不同电电位下电流密度和电流效率，结果如图8所示，从图8中可以看出，2.2V时，电解池总电流密度超过200mA/cm2，CO的电流效率超过90％。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，包括：
阳极机构，包括依次相贴合的阳极流道板、阳极集流体和阳极气体扩散电极，所述阳极流道板上开设有电解液入口，所述阳极流道板靠近阳极集流体一侧面设有阳极腔室，所述电解液入口与所述阳极腔室连通，所述阳极集流体上对应阳极腔室处开设有多个第一穿孔，所述阳极气体扩散电极贴合于阳极集流体的第一穿孔处；
阴极机构，包括依次相贴合的阴极流道板、阴极集流体和阴极气体扩散电极，所述阴极流道板设有气体入口，所述阴极流道板靠近阴极集流体一侧面开设有阴极腔室，所述气体入口与所述阴极腔室连通，所述阴极集流体上对应阴极腔室处开设有多个第二穿孔，所述阴极气体扩散电极贴合于阴极集流体的第二穿孔处；
隔膜，位于阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极之间。
2.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，还包括第一垫片，其分别位于所述阳极流道板和所述阳极集流体之间以及所述阳极集流体和所述阳极气体扩散电极之间，所述第一垫片上对应阳极腔室处开设有第一通孔。
3.如权利要求2所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，还包括第二垫片，其分别位于所述阴极流道板和所述阴极集流体之间以及所述阴极集流体和所述阴极气体扩散电极之间，所述第二垫片上对应阴极腔室处开设有第二通孔。
4.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述阳极腔室内还设有多个第一柱体，所述第一柱体一端伸出阳极腔室外并抵触于所述阳极集流体上。
5.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述阴极腔室内还设有多个第二柱体，所述第二柱体一端伸出阴极腔室外并抵触于所述阴极集流体上。
6.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述阳极流道板上开设有电解液出口，所述电解液出口连通所述阳极腔室。
7.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述阴极流道板上开设有气体出口，所述气体出口连通所述阴极腔室。
8.如权利要求3所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述阳极流道板、所述阳极集流体、所述第一垫片、所述阴极流道板、所述阴极集流体、所述第二垫片上对应位置均设有螺纹孔，一螺栓螺接所述螺纹孔。
9.如权利要求1所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述隔膜为聚合物电解质膜。
10.如权利要求8所述的二氧化碳气相电解还原装置，其特征在于，所述螺栓、第一垫片和第二垫片的材料均为聚四氟乙烯。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |