CN218910535U - 一种电催化制取一氧化碳装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电催化制取一氧化碳装置，包括：电解槽（1）、电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置（7），电解槽（1）分别与电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置相连接；气体吸收装置（7）上设有一氧化碳出口（8）。本实用新型的装置采用零极距的设计方式，将阴极钛网、气体扩散电极、质子交换膜、阳极网贴合压紧，最大程度降低槽电压；本装置使用纯水作为阴极电解液，提高了一氧化碳产物的纯度；均匀微孔的气体扩散电极促进了二氧化碳与水的气液混合提高了气液固三相界面，增高了反应面积和扩散速度。

Description

一种电催化制取一氧化碳装置

技术领域

本实用新型涉及一种电催化制取一氧化碳装置，属于二氧化碳资源化利用技术领域。

背景技术

全球变暖是人类的行为造成地球气候变化的后果。“碳”就是石油、煤炭、木材等由碳元素构成的自然资源。“碳”耗用得多，导致地球暖化的元凶二氧化碳也制造得多。随着人类的活动，全球变暖也在影响着人们的生活方式，带来越来越多的问题。

在自然界中，二氧化碳通过光合作用转化为碳水化合物，这种复杂的过程很难通过人类技术创新而工业化复制。目前一种技术上可行的方式是通过电化学方式将二氧化碳还原为较高能量的产物，诸如一氧化碳、甲烷、醇类等。而电能可来自风电、光伏、水力等可再生能源。这种新兴的、清洁且环境友好的能源转换方式，对缓解温室效应，实现碳中和具有重大意义。

目前电催化制取一氧化碳的装置，为解决二氧化碳在水溶液中溶解度低和水溶液导电性低的问题，多采用溶解了离子液体的有机溶剂或者添加了无机支持电解质的水溶液作为阴极液。但这两种方式都会导致阴极反应产物中混合了有机挥发物、无机杂质等，导致一氧化碳纯度的降低。

对于电催化还原二氧化碳，通常使用金属作为催化剂，具有导电性良好、制备简单的优点。选用不同的金属催化剂，电催化二氧化碳所产生的还原产物就不同。针对这一技术特点，本实用新型选用产生一氧化碳选择性高的一类金属催化剂，如金、银、锌、疤等。

实用新型内容

本实用新型目的在于提出一种电催化制取一氧化碳装置。

本实用新型提供的一种电催化制取一氧化碳装置，包括：电解槽(1)、电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置(7)，电解槽(1)分别与电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置相连接；气体吸收装置(7)上设有一氧化碳出口(8)。

所述的电解槽(1)包括阳极室、质子交换膜(16)、阴极室、密封及锁紧组件；

所述阳极室由阳极端板(9)、阳极网、阳极塑料板框、第一密封垫(25)组成：

本实用新型中，阳极塑料板框为阳极端板(9)的外部包裹结构，阳极端板材质为耐腐塑料，阳极端板材质可选地为PP、UPVC、PMMA等耐腐塑料，四边开有法兰孔，用于螺栓锁紧电解槽；阳极端板居中设有阳极导电柱出口(11)，用于伸出阳极导电柱(13)；阳极端板背面下部布置阳极液入口(10)，背面上部布置一气液出口(12)，用于排出阳极液和反应产生的氧气；其中所述阳极液为为水系无机电解质的水溶液。

所述阳极为网涂覆了氧化物催化层的阳极钛网(15)；所述氧化物催化层可选为钌、铱、铑、钽、钛的一种或几种混合的贵金属氧化物；同时，氧化物催化层也可以选择铈、钕等镧系稀土元素的一种或几种混合物的稀土氧化物，亦可以是掺杂稀土元素的贵金属氧化物；阳极导电柱(13)居中垂直焊接在阳极钛网(15)上；阳极导电柱(13)另外一端设计了一段螺牙，螺牙以下焊接一圆钛片作为第一密封平台(14)。密封平台主要作用是为了导电柱的密封。

阳极塑料板框的材质与阳极端板相同，设计成方型法兰形式，内部矩形空腔形成了阳极腔室，密封垫外尺寸与塑料板框相同，厚度0.5-3mm，材质可选为聚四氟乙烯、氟橡胶、三元乙丙橡胶的任意一种。

所述阴极室由阴极端板(19)、阴极网(18)、气体扩散电极(17)、阴极塑料板框、第二密封垫(26)组成；阴极塑料板框为阴极端板(19)的外部包裹结构。

阴极端板设计与阳极端板类似，区别在于阴极端板的入口位置靠下，与下端法兰孔平齐；此入口用于向电解槽中通入二氧化碳气体；阴极网及阴极导电柱与阳极的设计类似，区别在于阴极网材质为纯钛网、不锈钢网、镍网的一种；阴极钛网的作用是压紧气体扩散电极，并向气体扩散电极传输电子；阴极端板背面下部布置阴极端板入口(20)，背面上部布置阴极端板出口(21)，

阴极端板居中设有阴极导电柱出口(22)，用于伸出阴极导电柱(23)。阴极导电柱(23)另外一端也设计了一段螺牙，螺牙以下焊接一圆钛片作为第二密封平台(24)。

所述密封及锁紧组件包括阳极塑料板框、第一密封垫(25)、阴极塑料板框、第二密封垫(26)及螺栓组成。

阴极塑料板框的设计与阳极塑料板框类似，区别在于阴极塑料板框下端法兰边沉有一矩形槽；阴极塑料板框下端内侧设计一排小孔，与上述矩形槽想通，用于二氧化碳由阴极端板入口传至阴极塑料板框矩形槽，再通过上述一排小孔扩散至气体扩散电极(17)。

本实用新型所述的电解槽的组装是由一组不锈钢螺栓依次穿过阳极端板、密封垫、阳极塑料板框、密封垫、全氟磺酸质子交换膜、密封垫、阴极塑料板框、密封垫、阴极端板后锁紧组装而成，其中阴极室的密封垫有一个与阴极塑料板框矩形槽想对应的矩形孔，用于通过二氧化碳气体。

进一步的，其中所述阳极室内阳极钛网(15)为钛基DSA(形稳性阳极)电极，

其中所述阴极室内阴极网(18)及阴极导电柱(23)与阳极的设计类似，区别在于阴极网材质为纯钛网、不锈钢网、镍网的一种；阴极网(18)的作用是压紧气体扩散电极，并向气体扩散电极传输电子；

所述阴极室内的阴极网(18)被设计为气体或液体扩散电极；所述气体扩散电极(17)表面含有催化剂层；所述阴极室内电解液为水系电解质，通过质子交换膜(16)渗透补充电解质；

电解液循环系统包括储液罐(2)、循环泵(3)、气液分离器(4)，储液罐(2)分别和循环泵(3)、气液分离器(4)相连接；循环泵(3)和气液分离器(4)分别和阳极液入口(10)、气液出口(12)连接，用于阳极液的循环，其中阳极液为添加了无机电解质的水溶液，可选地例如浓度0.1-1mol/L的稀硫酸、硫酸钠水溶液。气液分离器(4)上设有氧气出口(5)。

所述的供气装置与阴极端板入口(20)相连接，所述的供气装置为二氧化碳压缩机(6)，用于将二氧化碳气体供给到阴极室内。

进一步的，所述的供气装置是指适用于二氧化碳气体的压缩机或输送装置及其配套的管路、阀门、压力表，二氧化碳气体压力输出0.1-0.4MPa。

所述的气体吸收装置(7)连接到阴极端板出口(21)，用于吸收未经反应的二氧化碳气体。

进一步的，所述的气体吸收装置(7)是逆流式气体吸收塔，吸收液向下喷淋，吸收混合气体中未反应的二氧化碳，提高一氧化碳气体的纯度。气体吸收装置(7)连接到阴极室的出口，用于吸收分离未经反应的二氧化碳气体；未反应的二氧化碳气体返回到进气装置前循环利用。

更进一步的，作为另一个实施例，所述的气体吸收装置(7)也可以采用膜法分离装置。

进一步的，所述质子交换膜(16)与所述气体扩散电极(17)紧密贴合在一起，质子透过质子交换膜(16)在气体扩散电极(17)表面与二氧化碳反应，生成的一氧化碳通过气体扩散电极(17)的孔隙到达电解槽出口而进入气体吸收装置(7)。

本实用新型中，质子交换膜(16)与阳极网(15)、阴极网(18)、气体扩散电极(17)紧密贴合在一起，达到零极距的设计要求；并且有效支撑质子交换膜，防止阴阳极室的气液压差导致质子膜的变形破损。在电催化反应时，质子透过质子交换膜(16)在气体扩散电极(17)表面与二氧化碳反应，生成的一氧化碳通过气体扩散电极(17)的孔隙到达电解槽出口而进入气体吸收分离装置；阴极室内的电解液由透过质子交换膜(16)的水分子补充，不需要配置阴极电解液循环投加装置。

更进一步的，本实用新型的质子交换膜(16)是全氟磺酸质子交换膜。

进一步的，所述的气体扩散电极(17)是具有均匀微孔的泡沫钛板、泡沫镍板或不锈钢板，表面负载了金、银、锌、钯或掺杂微量稀土元素的金、银、锌、钯中的一种或多种作为催化剂；

优选的，气体扩散电极(17)表面负载的催化剂锌指的是由通过对碱式碳酸锌前驱体退火，合成的分层多孔氧化锌纳米；所述微量稀土元素为稀土镧系元素中的一种或多种。气体扩散电极(17)是二氧化碳进入阴极室后扩散、破碎成微小气泡或液滴并得到电子还原成一氧化碳的主要场所。

本实用新型的有益效果为：

为弥补现有技术的不足，本装置采用零极距的设计方式，将阴极钛网、气体扩散电极、质子交换膜、阳极网贴合压紧，最大程度降低槽电压；本装置使用纯水作为阴极电解液，提高了一氧化碳产物的纯度；均匀微孔的气体扩散电极促进了二氧化碳与水的气液混合提高了气液固三相界面，增高了反应面积和扩散速度。

附图说明

图1为电催化制取一氧化碳装置的结构图示意图。

图2为电解槽结构示意图。

图3为第一密封垫和第二密封垫在电解槽的位置结构示意图。

图中：图中：1-电解槽，2-储液罐，3-循环泵，4-气液分离器，5-氧气出口，6-二氧化碳压缩机，7-气体吸收塔，8-一氧化碳出口，

9-阳极端板，10-阳极端板入口，11-阳极导电柱出口，12-阳极端板出口，13-阳极导电柱，14-第一密封平台，15-阳极钛网，16-质子交换膜，17-气体扩散电极，18-阴极网，19-阴极端板，20-阴极端板入口，21-阴极端板出口，22-阴极导电柱出口，23-阴极导电柱，24-第二密封平台。25-第一密封垫，26-第二密封垫。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

图1公开了电催化制取一氧化碳装置的结构，包括：

一个电解槽，具有阳极室、质子交换膜16、阴极室、密封及锁紧组件；其中阳极室内阳极为高寿命的掺杂稀土元素的IrO2·Ta2O5混合氧化物钛网15；质子交换膜16使用杜邦N117型全氟磺酸质子膜；阴极室内的阴极被设计为表面含有催化剂层的气体扩散电极17；阴极室内电解液为纯水，通过质子交换膜渗透而来的水补充；

在阳极室，电解液在催化剂的作用下，在阳极网界面发生析氧反应如下：

在阴极室，含CO₂电解液在催化剂的作用下，在扩散电极界面发生反应如下：

一个电解液循环系统，由储液罐2、循环泵3、气液分离器5及管路、阀门组成；循环泵3将阳极液从储液罐2中抽取上来通过阳极端板下端的阳极端板入口10注入阳极室中，反应产生的氧气与阳极液混合体从阳极端板上端的阳极端板出口12进入气液分离器5后，氧气通过氧气出口5管路排至大气，阳极液回流至储液罐；阳极液为0.5mol/L的稀硫酸；

一个进气装置，使用二氧化碳压缩机6将二氧化碳气体通过阴极端板下端的阴极端板入口20打入阴极室，反应产生的一氧化碳、二氧化碳混合气携带部分水从阴极端板上端的阴极端板出口21排出；二氧化碳进气压力控制在0.1MPa；

一个逆流式气体吸收塔；连接到阴极室的阴极端板出口21，吸收液向下喷淋，吸收混合气体中未反应的二氧化碳，提高一氧化碳气体的纯度。

如图2所示，电解槽内的质子交换膜16与阳极钛网15、气体扩散电极17、阴极网18紧密贴合在一起，达到零极距的设计要求；并且有效支撑质子交换膜，防止阴阳极室的气液压差导致质子膜的变形破损。阴极室内的电解液由透过质子交换膜的水分子补充，不需要配置阴极电解液循环投加装置。

电解槽由阳极端板9、阳极钛网15、阳极塑料板框、密封垫、质子交换膜16、密封垫、阴极塑料板框、阴极网18、气体扩散电极17、阴极端板19、螺栓组成。其中阳极端板、阴极端板使用厚度20mm的UPVC板加工而成；阳极钛网15、阴极网18材质均为纯钛，厚度为2mm网孔12*6*1.5mm，居中垂直焊接带密封平台的导电柱；阳极塑料板框、阴极塑料板框采用厚度5mm的UPVC板加工而成；密封垫2mm，材质为氟橡胶；气体扩散电极使用2层厚度为2mm的泡沫钛板，表面镀金作为活性催化剂。

电解槽的组装步骤如下：

第一步，在阳极导电柱13的第一密封平台14上安装一个氟橡胶O型圈，然后从阳极端板9中心孔伸出并锁紧螺母，使阳极端板与阳极网形成一个整体组件；

第二步，同样方式将阴极网18与阴极端板19组装在一起，形成一个整体组件；

第三步，先将一组不锈钢螺栓穿过阳极端板组件，螺栓朝上平放在桌面上之后，再依次将密封垫、阳极塑料板框、密封垫、全氟磺酸质子交换膜16、密封垫、阴极塑料板框、气体扩散电极17、密封垫、阴极端板组件穿过螺栓，锁紧螺母；组装过程中尤其注意各进出口、阴极塑料板框矩形槽的对应位置；

第四步，将各进出口的标准管件安装至阳极端板和阴极端板上。

特别要注意的是，在锁紧不锈钢螺母时需控制力度和行程，保证各方向阳极端板与阴极端板的距离基本相等；并且控制密封垫的压缩量，保证电解槽内部的阳极网、全氟磺酸质子交换膜、气体扩散电极、阴极网贴合压紧又不至于压变形。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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)

1.一种电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，包括：电解槽（1）、电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置（7），电解槽（1）分别与电解液循环系统、供气装置和气体吸收装置（7）相连接；气体吸收装置（7）上设有一氧化碳出口（8）。

2.根据权利要求1所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，电解槽（1）包括阳极室、质子交换膜（16）、阴极室、密封及锁紧组件；

所述阳极室由阳极端板（9）、阳极网、阳极塑料板框、第一密封垫（25）组成：

阳极端板材质为耐腐塑料，四边开有法兰孔，用于螺栓锁紧电解槽；阳极端板居中设有阳极导电柱出口（11），用于伸出阳极导电柱（13）；阳极端板背面下部布置阳极液入口（10），背面上部布置一气液出口（12），用于排出阳极液和反应产生的氧气；其中所述阳极液为为水系无机电解质的水溶液；

所述阳极为涂覆了氧化物催化层的阳极钛网（15）；所述氧化物催化层可选为钌、铱、铑、钽、钛的一种或几种混合的贵金属氧化物；阳极导电柱（13）居中垂直焊接在阳极钛网（15）上；阳极导电柱（13）另外一端设计了一段螺牙，螺牙以下焊接一圆钛片作为第一密封平台（14）；

阳极塑料板框的材质与阳极端板相同，设计成方型法兰形式；密封垫外尺寸与塑料板框相同，厚度0.5-3mm，材质可选为聚四氟乙烯、氟橡胶、三元乙丙橡胶的任意一种；

所述阴极室由阴极端板（19）、阴极网（18）、气体扩散电极（17）、阴极塑料板框、第二密封垫（26）组成；

极端板背面下部布置阴极端板入口（20），背面上部布置阴极端板出口（21），

阴极端板居中设有阴极导电柱出口（22），用于伸出阴极导电柱（23）；阴极导电柱（23）另外一端也设计了一段螺牙，螺牙以下焊接一圆钛片作为第二密封平台（24）；

所述密封及锁紧组件包括阳极塑料板框、第一密封垫（25）、阴极塑料板框、第二密封垫（26）及螺栓组成。

3.根据权利要求2所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，其中所述阳极室内阳极钛网（15）为钛基DSA电极。

4.根据权利要求2所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，其中所述阴极室内阴极网（18）材质为纯钛网、不锈钢网、镍网的一种。

5.根据权利要求1所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述的电解液循环系统包括储液罐（2）、循环泵（3）、气液分离器（4），储液罐（2）分别和循环泵（3）、气液分离器（4）相连接，循环泵（3）和气液分离器（4）分别和阳极液入口（10）、气液出口（12）连接；气液分离器（4）上设有氧气出口（5）。

6.根据权利要求1所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述的供气装置与阴极端板入口（20）相连接，所述的供气装置为二氧化碳压缩机（6），用于将二氧化碳气体供给到阴极室内。

7.根据权利要求1所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述的气体吸收装置连接到阴极端板出口（21），用于吸收未经反应的二氧化碳气体。

8.根据权利要求7所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述的气体吸收装置（7）是逆流式气体吸收塔，吸收液向下喷淋，吸收混合气体中未反应的二氧化碳，提高一氧化碳气体的纯度。

9.根据权利要求7所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述的气体吸收装置（7）也可以采用膜法分离装置。

10.根据权利要求2所述的电催化制取一氧化碳装置，其特征在于，所述质子交换膜（16）与所述气体扩散电极（17）紧密贴合在一起，质子透过质子交换膜（16）在气体扩散电极（17）表面与二氧化碳反应，生成的一氧化碳通过气体扩散电极（17）的孔隙到达电解槽出口而进入气体吸收装置（7）；所述阴极室内的电解液由透过质子交换膜的质子补充，不需要配置阴极电解液循环投加装置。

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