RU2021138568A - Модульный пакет электролизера и способ конверсии диоксида углерода в газообразные продукты под высоким давлением и с высокой степенью конверсии - Google Patents
Модульный пакет электролизера и способ конверсии диоксида углерода в газообразные продукты под высоким давлением и с высокой степенью конверсии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2021138568A RU2021138568A RU2021138568A RU2021138568A RU2021138568A RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cell
- gas
- package
- electrolysis
- cathode
- Prior art date
Links
Claims (67)
1. Пакет (100', 100'') электролизера для конверсии газообразного диоксида углерода (СО2) в по меньшей мере один газофазный продукт, покидающий пакет (100', 100'') электролизера, содержащий:
- концевой блок (26) на стороне катода с входом (21) газа, входом (23) текучей среды, выходом (24) текучей среды и электрическим выводом;
- концевой блок (27) на стороне анода с выходом (22) газа и электрическим выводом;
- по меньшей мере две электролизные ячейки (40), расположенные между концевым блоком (26) на стороне катода и концевым блоком (27) на стороне анода, при этом каждая электролизная ячейка (40) содержит:
катодный токоприемник (5; 5а, 5b, 5 с, 5d);
анодный токоприемник (10);
мембраноэлектродную сборку, содержащую:
ионообменную мембрану (7) с первой стороной и второй
стороной,
слой катодного катализатора (6b), расположенный на указанной первой стороне в соприкосновении с мембраной (7),
газодиффузионный слой (6а) на стороне катода, расположенный на слое катодного катализатора (6b) в соприкосновении с катодным катализатором (6b),
слой анодного катализатора (8b), расположенный на указанной второй стороне в соприкосновении с мембраной (7),
газодиффузионный слой (8а) на стороне анода, расположенный на слое анодного катализатора (8b) в соприкосновении с анодным катализатором (8b);
проставочный элемент (9а, 9b), расположенный между катодным токоприемником (5; 5а, 5b, 5 с, 5d) и анодным токоприемником (10), при этом указанный проставочный элемент (9а, 9b) выполнен с возможностью:
фиксации мембраноэлектродной сборки между катодным токоприемником (5; 5а, 5b, 5 с, 5d) и анодным токоприемником (10) в положении между катодным токоприемником (5; 5а, 5b, 5 с, 5d) и
анодным токоприемником (10), причем:
газодиффузионный слой (6а) на стороне катода находится в частичном соприкосновении с катодным токоприемником (5; 5а, 5b, 5 с, 5d), тем самым образуя внутриплоскостную проточную структуру (5'') на стороне катода между ними, и
газодиффузионный слой (8а) на стороне анода находится в частичном соприкосновении с анодным токоприемником (10), тем самым образуя внутриплоскостную проточную структуру (5') на стороне анода между ними;
отделения катодного токоприемника (5; 5а, 5b, 5 с, 5d) и анодного токоприемника (10) друг от друга;
уплотненный непрерывный газовый тракт ячейки, проходящий между входом (46) газа в ячейку и выходом (47) газа из ячейки в пределах ячейки (40) через проточную структуру (5'') на стороне катода;
уплотненный непрерывный тракт текучей среды ячейки, проходящий между входом (48) текучей среды в ячейку и выходом (49) текучей среды из ячейки в пределах ячейки (40) через проточную структуру (5') на стороне анода;причем
- электрический вывод концевого блока (26) на стороне катода, указанные по меньшей мере две электролизные ячейки (40) и электрический вывод концевого блока (27) на стороне анода последовательно соединены электрически; и
- газовые тракты электролизных ячеек (40) с каналами (34, 35) перемещения газа, проходящими между соседними ячейками (40) через катодный токоприемник (5; 5а, 5b, 5 с, 5d), проставочный элемент (9а, 9b) и анодный токоприемник (10) образуют непрерывный газовый тракт, проходящий от входа (21) газа к выходу (22) газа для подачи СО2 к каждому газодиффузионному слою (6а) на стороне катода для конверсии СО2 в газофазный продукт путем проведения по меньшей мере одной катодной реакция электролиза в проточной структуре (5'') на стороне катода каждой электролизной ячейки (40) и для выпуска продукта через указанный выход (22) газа, и
- тракты текучей среды электролизных ячеек (40) с каналами (38, 39) перемещения текучей среды, проходящими между соседними ячейками (40) через катодный токоприемник (5; 5а, 5b, 5 с, 5d), проставочный элемент (9а, 9b) и анодный токоприемник (10) образуют непрерывный тракт текучей среды, проходящий от входа (23) текучей среды к выходу (24) текучей среды для подачи жидкого анолита в каждую проточную структуру (5') на стороне анода для выполнения указанной катодной реакции электролиза, при этом по меньшей мере одна анодная реакция электролиза происходит в проточной структуре (5') на стороне анода каждой электролизной ячейки (40), и для выпуска жидкофазного анолита и одного или нескольких продуктов реакции, полученных в ходе указанной анодной реакции электролиза, через указанный выход (24) текучей среды.
2. Пакет (100', 100'') электролизера по п. 1, отличающийся тем, что:
по меньшей мере часть газовых трактов электролизных ячеек (40) соединены друг с другом последовательно; или
по меньшей мере часть газовых трактов электролизных ячеек (40) соединены друг с другом параллельно.
3. Пакет (100', 100'') электролизера по п. 2, отличающийся тем, что проставочный элемент (9а, 9b) содержит внутренний канал (36) перемещения газа, проходящий через него в первой периферийной области проставочного элемента (9а, 9b), при этом указанный проставочный элемент (9а, 9b) дополнительно содержит вторую периферийную область, расположенную диаметрально противоположно первой периферийной области, при этом указанная вторая периферийная область выполнена с возможностью функционирования в качестве средства выбора пути соединения друг с другом трактов двух соседних ячеек в газовом тракте пакета (100', 100'') электролизера, при этом указанное средство выполнено в виде дополнительного внутреннего канала (36) перемещения газа во второй периферийной области.
4. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в наружной кромке каждого концевого блока (26) на стороне катода, концевого блока (27) на стороне анода и катодного токоприемника (5; 5а, 5b, 5 с, 5d), проставочного элемента (9а, 9b) и анодного токоприемника (10) каждой электролизной ячейки (40) пакета (100', 100'') электролизера сформировано облегчающее сборку углубление (52) для обеспечения быстрой и правильной сборки / повторной сборки пакета (100', 100'').
5. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что:
напорная камера (31) на стороне катода сформирована в концевом блоке (26) на стороне катода, и
напорная камера (32) на стороне анода сформирована в концевом блоке (27) на стороне анода, причем
указанный газовый тракт направлен через напорную камеру (31) на стороне катода и напорную камеру (32) на стороне анода для обеспечения возможности адаптивного регулирования давления на электролизных ячейках (40) и, тем самым, равномерного распределения давления по всем указанным электролизным ячейкам (40).
6. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что:
катодный токоприемник (5; 5a, 5b, 5c, 5d) каждой электролизной ячейки (40) сформирован в качестве второго компонента (40b) двухкомпонентной сборной биполярной пластины (40'), и
анодный токоприемник (10) каждой электролизной ячейки (40) сформирован в качестве первого компонента (40а) двухкомпонентной сборной биполярной пластины (40').
7. Пакет (100', 100'') электролизера по п. 6, отличающийся тем, что второй компонент (40b) двухкомпонентной сборной биполярной пластины (40') содержит систему (5'') проточных каналов в своей поверхности, обращенной к мембране (7), расположенную с возможностью обеспечения равномерного распределения газа по газодиффузионному слою (6а) на стороне катода.
8. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 6, 7, отличающийся тем, что первый компонент (40а) двухкомпонентной сборной биполярной пластины (40') содержит систему проточных каналов (5') в своей поверхности, обращенной к мембране (7), расположенную с возможностью обеспечения равномерного распределения текучей среды по газодиффузионному слою (8а) на стороне анода.
9. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что указанные первый и второй компоненты (40а, 40b) двухкомпонентной сборной биполярной пластины (40') дополнительно содержат отверстия (41, 42, 43, 44, 46, 47, 48, 49) и соответствующие полости (33а, ЗЗЬ, 33 с, 33d), полностью окружающие указанные отверстия, для связи по текучей среде / газу между противоположными боковыми поверхностями указанного первого и второго компонентов (40а, 40b).
10. Пакет (100', 100'') электролизера по п. 9, отличающийся тем, что полости (33а, 33b, 33 с, 33d) уплотнены по отдельности, когда пакет (100, 100'') собран.
11. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что газодиффузионный слой (8а) на стороне анода каждой электролизной ячейки (40) выбран из группы, состоящей из: титановых (Ti-) фритт в виде прессованного титанового порошка с разным средним размером частиц, никелевых (Ni-) фритт в виде прессованного никелевого порошка с разным средним размером частиц, титановой (Ti-) сетки и никелевой (Ni-) сетки.
12. Пакет электролизера по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что катодный катализатор (6b) выбран из группы, состоящей из: катализатора ''серебро - углерод'' и катализатора ''медь - углерод''.
13. Пакет электролизера по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что анодный катализатор (8b) выбран из группы, состоящей из: IrOx, RuOx, NiOx и TiOx.
14. Пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что число электролизных ячеек (40) составляет не более десяти, предпочтительно от трех до семи, более предпочтительно от трех до шести.
15. Электролизная установка (200) для конверсии газообразного диоксида углерода (СО2) в по меньшей мере один газофазный продукт, при этом установка (200) содержит:
пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-14;
источник (201) газообразного СО2; источник жидкого анолита (213);
внешний источник (220) питания с первым полюсом с первым электрическим зарядом и вторым полюсом со вторым электрическим зарядом, при этом второй электрический заряд противоположен по знаку первому электрическому заряду; при этом первый полюс электрически соединен с электрическим выводом концевого блока (26) на стороне катода пакета (100', 100'') электролизера, а второй полюс электрически соединен с электрическим выводом концевого блока (27) на стороне анода пакета (100', 100'') электролизера;
узел циркуляции на стороне катода для осуществления циркуляции газообразного СО2 от указанного источника (201) газообразного СО2 по газовому тракту пакета (100', 100'') электролизера в по меньшей мере один приемник продукта; и
узел циркуляции на стороне анода для осуществления циркуляции жидкого анолита (213) от указанного источника жидкого анолита (213) по тракту текучей среды пакета (100', 100'') электролизера.
16. Электролизная установка (200) по п. 15, отличающаяся тем, что узел циркуляции на стороне катода дополнительно содержит увлажнитель (203), расположенный выше по потоку от пакета электролизера для увлажнения СО2 до его подачи в пакет (100', 100'') электролизера.
17. Электролизная установка (200) по п. 15 или 16, отличающаяся тем, что узел циркуляции на стороне катода дополнительно содержит регулятор (209) противодавления, расположенный ниже по потоку от пакета (100', 100'') электролизера для увеличения дифференциального давления, преобладающего в пакете (100', 100'') электролизера.
18. Электролизная установка (200) по любому из пп. 15-17, отличающаяся тем, что узел циркуляции на стороне катода дополнительно содержит водоотделитель (208), расположенный ниже по потоку от пакета (100', 100'') электролизера и выше по потоку от регулятора (209) противодавления для удаления влаги из одного или нескольких газообразных продуктов.
19. Электролизная установка (200) по любому из пп. 15-18, отличающаяся тем, что узел циркуляции на стороне анода также содержит блок регенерации (211) жидкого анолита для регенерации анолита (213) при необходимости и/или отделения одного или нескольких продуктов реакции, образовавшихся в ходе одной или нескольких анодных реакций электролиза, от анолита (213).
20. Электролизная установка (200) по п. 19, отличающаяся тем, что блок (211) регенерации анолита термически связан со средством (212) кондиционирования для регулирования температуры анолита (213).
21. Электролизная установка (200) по любому из пп. 15-20, отличающаяся тем, что анолит представляет собой водный раствор гидроксида калия (КОН).
22. Способ конверсии газообразного диоксида углерода (СО2) в по меньшей мере один газофазный продукт, включающий в себя этапы, на которых:
создают пакет (100', 100'') электролизера по любому из пп. 1-14;
применяя указанный пакет (100', 100'') электролизера, собирают электролизную установку (200) по любому из пп. 13-21;
осуществляют циркуляцию газообразного СО2 через пакет (100', 100'') электролизера электролизной установки (200);
одновременно с циркуляцией СО2, осуществляют циркуляцию жидкого анолита (213) через пакет (100', 100'') электролизера электролизной установки (200); и
продолжая осуществлять циркуляцию СО2 и анолита, осуществляют катодные реакции электролиза и анодные реакции электролиза в пакете (100', 100'') электролизера для конверсии газообразного СО2, в непрерывном потоке, в по меньшей мере один газофазный продукт;
отделяют указанный по меньшей мере один газофазный продукт от газообразного СО2;
при необходимости, необязательно осуществляют регенерацию анолита (213); и
выпускают указанный по меньшей мере один газофазный продукт из электролизной установки (200).
23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что для получения смеси водорода и монооксида углерода в качестве газофазного продукта применяют катодный катализатор ''серебро - углерод'' (Ag/С).
24. Способ по п. 22, отличающийся тем, что для получения этилена в качестве газофазного продукта применяют катодный катализатор ''медь - углерод'' (Cu/С).
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021138568A true RU2021138568A (ru) | 2023-06-27 |
| RU2817540C2 RU2817540C2 (ru) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Phillips et al. | Zero gap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage as hydrogen gas | |
| CN114174558A (zh) | 模块化电解器池和在升高的压力下以高转化率将二氧化碳转化成气态产物的方法 | |
| CN103806014B (zh) | 一种质子交换膜水电解装置 | |
| WO2017100841A1 (en) | Electrochemical cell that operates efficiently with fluctuating currents | |
| US8691060B2 (en) | Water electrolysis apparatus | |
| KR101848292B1 (ko) | 고면적, 다공성 타입의 유로 내장형 전기화학적 전극 및 이를 가지는 스택형 전기분해 시스템 | |
| JP2016527396A (ja) | アルカリ溶液の電解セル | |
| JP2008536015A (ja) | 電気化学セル構造 | |
| US20130206609A1 (en) | Method and apparatus for producing gas | |
| WO2015002953A1 (en) | Hydrogen system and method of operation | |
| Hnát et al. | Hydrogen production by electrolysis | |
| CN114402095B (zh) | 错流式水电解 | |
| RU2021138568A (ru) | Модульный пакет электролизера и способ конверсии диоксида углерода в газообразные продукты под высоким давлением и с высокой степенью конверсии | |
| JP2012511634A (ja) | 可燃性ガスを生成及び分離するための方法及び装置 | |
| US20090181281A1 (en) | Electrochemical cell bipolar plate | |
| JP4838879B2 (ja) | 水電解装置 | |
| JP5095715B2 (ja) | 水電解装置 | |
| JP5095714B2 (ja) | 水電解装置 | |
| KR101720559B1 (ko) | 스택형 전기분해 시스템 | |
| CN216237301U (zh) | 一种高效的质子交换膜电解槽 | |
| RU194839U1 (ru) | Регенеративный топливный элемент с открытым катодом | |
| Vasudevan | Electrolysis-Inevitable energy transformer in a world of sustainable energy | |
| US6833167B2 (en) | Methanol fuel cell comprising a membrane which conducts metal cations | |
| KR20050025490A (ko) | 연료전지의 공기 공급 장치 및 이를 위한 메니폴드 구조 | |
| CN117396637A (zh) | 使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池 |