用于電化學(xué)地利用二氧化碳的裝置和方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于電化學(xué)地利用二氧化碳的方法和電解裝置。用于電化學(xué)地利用二氧化碳的電解裝置包括至少一個(gè)電解槽，其中，所述電解槽包括具有陽極的陽極室和具有陰極的陰極室，在所述陽極室和陰極室之間布置有陽離子滲透性的第一膜，并且陽極在陽極室中直接與所述第一膜鄰接，并且在第一膜和陰極之間在陰極室中布置有陰離子選擇性的第二膜，并且第二膜至少部分地、但是不完全地直接與所述第一膜鄰接。

Devices and methods for electrochemically utilizing carbon dioxide

The invention relates to a method and an electrolytic device for electrochemically utilizing carbon dioxide. An electrolytic device for electrochemically utilizing carbon dioxide includes at least one electrolytic cell, in which the electrolytic cell includes an anode chamber with an anode and a cathode chamber with a cathode. A first membrane with cationic permeability is arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and the anode is directly adjacent to the first membrane in the anode chamber, and between the first membrane and the cathode chamber. A second film with anion selectivity is arranged, and the second film is directly adjacent to the first film at least partially, but not completely.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】用于電化學(xué)地利用二氧化碳的裝置和方法本專利技術(shù)涉及一種用于電化學(xué)地利用二氧化碳的方法和電解裝置。對(duì)電的需求隨著一天中時(shí)間的變化強(qiáng)烈波動(dòng)。隨著由可再生能源產(chǎn)生的電的比例的升高，發(fā)電量也在一天中隨時(shí)間變化波動(dòng)。為了能夠在電量需求較低時(shí)平衡在多日照和強(qiáng)風(fēng)時(shí)對(duì)電的過量供應(yīng)，需要可調(diào)節(jié)的發(fā)電廠或者存儲(chǔ)器以便存儲(chǔ)這些能量。一種目前考慮的解決方案是將電能轉(zhuǎn)化成尤其能夠用作基礎(chǔ)化學(xué)品或者包括一氧化碳和氫氣在內(nèi)的合成氣的價(jià)值產(chǎn)物。電解是一種用于將電能轉(zhuǎn)化成價(jià)值產(chǎn)物的可行的技術(shù)。將水電解為氫氣和氧氣是現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法。而近幾年也研究了將二氧化碳電解為價(jià)值產(chǎn)物、例如尤其是一氧化碳、乙烯或者甲酸，并且致力于研發(fā)能夠與經(jīng)濟(jì)利益相符地轉(zhuǎn)化二氧化碳流的電化學(xué)系統(tǒng)。電解單元的一種有利構(gòu)型是低溫電解裝置，在所述低溫電解裝置中借助氣體擴(kuò)散電極將作為反應(yīng)原料氣體的二氧化碳轉(zhuǎn)化至陰極室中。二氧化碳在電化學(xué)池的陰極處還原成價(jià)值產(chǎn)物并且水在陽極被氧化為氧氣。由于在陰極處的擴(kuò)散限制，在應(yīng)用含水的電解質(zhì)時(shí)可能除了形成一氧化碳外也不利地形成氫氣，原因是含水的電解質(zhì)中的水同樣被電解。防止在陰極不期望地產(chǎn)生氫氣的方法或者裝置常常導(dǎo)致其它的限制。尤其在使用質(zhì)子傳導(dǎo)膜時(shí)，陰極可能不利地不直接貼靠在所述質(zhì)子傳導(dǎo)膜上，原因是在這種情況下由于在陰極處相對(duì)較高的質(zhì)子濃度促進(jìn)了氫氣的產(chǎn)生。因此，為了防止所述情況而在質(zhì)子傳導(dǎo)膜和陰極之間設(shè)有由電解質(zhì)填充的縫隙。然而不利的是純水不能用作電解質(zhì)，原因是純水的導(dǎo)電性過小并且在所述縫隙中可能形成大幅的電壓降。使用礦物酸、尤其稀釋的硫酸作為電解質(zhì)將促進(jìn)不期望地產(chǎn)生氫氣，原因是這升高了陰極處的質(zhì)子濃度。因此在現(xiàn)有技術(shù)中提高陰極和質(zhì)子傳導(dǎo)膜之間的縫隙內(nèi)部的導(dǎo)電性，方式是將堿或者導(dǎo)電鹽加入水中。然而在非酸性的環(huán)境中，在還原二氧化碳時(shí)不利地在陰極產(chǎn)生了氫氧根。所述氫氧根又和其它二氧化碳產(chǎn)生碳酸氫根(碳酸氫鹽)或者碳酸根(碳酸鹽)。這些通常與堿中的陽離子或者導(dǎo)電鹽中的陽離子一同構(gòu)成了難以溶解的物質(zhì)，所述物質(zhì)可能作為固體在電解槽中析出并且因此不利地干擾電解槽的運(yùn)行。在二氧化碳電解裝置中，在陰極室中使用縫隙導(dǎo)致了其它的缺點(diǎn)：尤其是縫隙上的電壓降顯著地升高了電解槽的能量需求，從而降低了電解槽的效率。選擇合適的陰極材料可以作為用于防止產(chǎn)生氫氣而對(duì)電解槽的另一種優(yōu)化，所述材料則必須針對(duì)氫氣的產(chǎn)生具有的盡可能高的超電壓。然而這些金屬往往不利地是有毒的或者會(huì)導(dǎo)致負(fù)面的環(huán)境影響。可以考慮的金屬尤其是鎘、汞和鉈。將這些金屬用作陰極材料在此通常對(duì)能夠在電解槽中制造的產(chǎn)物造成局限，原因是所述產(chǎn)物決定性地取決于陰極處的反應(yīng)機(jī)理。然而不利的是上述金屬不適于生產(chǎn)期望的價(jià)值材料、尤其是一氧化碳、甲酸或者乙烯。因此本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種電解槽以及用于運(yùn)行電解槽的方法，在所述電解槽中抑制氫氣的產(chǎn)生并且所述電解槽能夠高能效地運(yùn)行。所述技術(shù)問題通過按照權(quán)利要求1所述的電解裝置以及按照權(quán)利要求10所述的用于運(yùn)行電解裝置的方法解決。按照本專利技術(shù)的用于電化學(xué)地利用二氧化碳的電解裝置包括至少一個(gè)電解槽或者說電解池，其中，所述電解槽包括具有陽極的陽極室和具有陰極的陰極室。在陽極室和陰極室之間布置有陽離子滲透性的第一膜。陽極在此直接與所述第一膜鄰接。按照本專利技術(shù)在第一膜和陰極之間布置有陰離子選擇性或者說陰離子選擇透過的第二膜并且所述第二膜至少部分地、但是不完全地直接與第一膜鄰接。在按照本專利技術(shù)的運(yùn)行用于電化學(xué)地利用二氧化碳的電解裝置的方法中進(jìn)行下列步驟。首先提供電解裝置，所述電解裝置具有帶有陽極的陽極室和帶有陰極的陰極室。在此，在陽極室和陰極室之間布置有陽離子滲透性的第一膜。陽極直接與所述第一膜鄰接并且在第一膜和陰極之間布置有陰離子選擇性的第二膜。所述第二膜在此至少部分地，但是不完全地直接與第一膜鄰接。二氧化碳在電解槽中接著在陰極室中的陰極處分解為產(chǎn)物。未轉(zhuǎn)化的二氧化碳同時(shí)以碳酸氫根或者碳酸根的形式通過第二膜從陰極傳送走。陽極的氫離子同時(shí)被傳送穿過第一膜。在第一膜和第二膜之間，氫離子和碳酸根或者碳酸氫根反應(yīng)生成二氧化碳和水。所放出的二氧化碳能夠通過流動(dòng)通道或者第一膜和第二膜之間的孔釋放。通過按照本專利技術(shù)的方法和按照本專利技術(shù)的電解裝置可行的是，使用不帶有縫隙并且不帶有所述縫隙中的導(dǎo)電鹽的電解槽。通過陰離子選擇性膜有利地減少了在陰極產(chǎn)生氫氣。陰離子選擇性膜典型地包括共價(jià)鍵合的季胺(NR4+)，從而使氫離子無法穿過陰離子選擇性膜。此外按照本專利技術(shù)的方法和按照本專利技術(shù)的電解裝置有利地實(shí)現(xiàn)了釋放未轉(zhuǎn)化的二氧化碳并且因此防止二氧化碳進(jìn)入陽極室中，并且由此也防止在所述陽極室中產(chǎn)生的氧氣與二氧化碳混合。在按照本專利技術(shù)的電解裝置中僅使用水和二氧化碳。能夠有利地避免使用導(dǎo)電鹽或者堿。水在陽極分解為質(zhì)子和氧氣。所述質(zhì)子能夠從陽極通過陽離子選擇性膜遷移、尤其通過陽離子選擇性膜滲透至第一膜和第二膜之間的間隙中。二氧化碳在陰極轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物、尤其是一氧化碳、甲酸或者乙烯。未轉(zhuǎn)化的二氧化碳能夠與水相中的氫氧離子作為碳酸氫根或者碳酸根通過陰離子選擇性膜遷移或者滲透至所述間隙中。第一膜和第二膜達(dá)到水的飽和。碳酸氫根或者碳酸根和氫離子能夠在間隙中反應(yīng)生成二氧化碳和水。所述二氧化碳隨即有利地通過流動(dòng)通道或者多孔結(jié)構(gòu)從間隙中導(dǎo)引出電解裝置。在流動(dòng)通道和/或多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間和陰極的外表面之間尤其可以具有其它的排放開口，以確保二氧化碳和水的再循環(huán)。作為陰離子選擇性膜可以使用可商業(yè)獲取的膜。尤其包括AGCChemicals的SelemiomAMV、Tokuyama的Neosepta或者Fuma有限責(zé)任公司的FumasepFAB。在這些膜中固定有正電荷、尤其是季胺NR4+。膜的總帶電量通過溶解在水相中的移動(dòng)的相對(duì)離子、尤其氫氧離子平衡。這種陰離子選擇性膜有利地防止氫離子向陰極轉(zhuǎn)移。陰極材料能夠有利地非常靈活地進(jìn)行選取。即能夠根據(jù)期望的價(jià)值產(chǎn)物選擇陰極材料。第二膜至少部分地直接與陰極鄰接。為了利用陰極的內(nèi)表面，所述陰極通過大孔連接在陰離子選擇性膜上。所述大孔在此典型地具有至少1微米的直徑。陰極在陰離子選擇性膜上的連接能夠以有利的方式通過陰離子選擇性的聚合物實(shí)現(xiàn)。所述連接優(yōu)選借助與在制備時(shí)滲入一部分膜側(cè)的陰極孔中的聚合物相同的聚合物的溶液實(shí)現(xiàn)。尤其陰極的表面由膜材料的溶液潤(rùn)濕并且隨即壓在第二膜上。液相包括離子的成分、尤其是氫氧根和碳酸氫根，它們?cè)陉帢O產(chǎn)生并且在陰離子選擇性膜內(nèi)是可移動(dòng)的，因此它們能夠有利地通過所述膜被傳送。這實(shí)現(xiàn)了陰極與陰離子選擇性膜的連接并且由此也實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的還原。在此重要的是，在陰極和陰離子選擇性膜中可移動(dòng)的是相同的離子，在水的情況下尤其是氫氧離子。傳導(dǎo)陰離子的膜在陰極上的連接在此典型地通過用傳導(dǎo)陰離子的聚合物浸漬陰極的膜側(cè)實(shí)現(xiàn)。陰離子選擇性的第二膜在此至少部分地直接鄰接在陰極上。所施加的聚合物通過聚合作用成為膜的一部分。在本專利技術(shù)的其它有利的設(shè)計(jì)方案和擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，在第一和第二膜之間布置有共同的接觸面，其中所述接觸面的尺寸處于第一膜的膜面積的至少80％至98％的范圍中。膜在電解槽中相互接觸，然而這些膜并不完全接觸。一方面有利的是它們不完全接觸，因?yàn)檫@樣流動(dòng)通道或者細(xì)孔能夠保持開放，以便能夠?qū)⑽崔D(zhuǎn)化的二氧化本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于電化學(xué)地利用二氧化碳的電解裝置，包括至少一個(gè)電解槽(1)，其中，所述電解槽(1)?包括帶有陽極(4)的陽極室(13)以及帶有陰極(5)的陰極室(14)，?在陽極室(13)和陰極室(14)之間布置有陽離子滲透性的第一膜(3)，并且?陽極(4)在陽極室中(13)直接與所述第一膜(3)鄰接，其特征在于，在第一膜(3)和陰極(5)之間布置有陰離子選擇性的第二膜(2)并且所述第二膜(2)至少部分地但是不完全地直接與第一膜(3)鄰接，并且其中，所述第二膜(2)至少部分地直接與陰極(5)鄰接。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】2016.05.31 DE 102016209451.31.一種用于電化學(xué)地利用二氧化碳的電解裝置，包括至少一個(gè)電解槽(1)，其中，所述電解槽(1)-包括帶有陽極(4)的陽極室(13)以及帶有陰極(5)的陰極室(14)，-在陽極室(13)和陰極室(14)之間布置有陽離子滲透性的第一膜(3)，并且-陽極(4)在陽極室中(13)直接與所述第一膜(3)鄰接，其特征在于，在第一膜(3)和陰極(5)之間布置有陰離子選擇性的第二膜(2)并且所述第二膜(2)至少部分地但是不完全地直接與第一膜(3)鄰接，并且其中，所述第二膜(2)至少部分地直接與陰極(5)鄰接。2.按權(quán)利要求1所述的電解裝置，其中，在所述第一膜(3)和第二膜(2)之間布置有共同的接觸面(9)，其中，所述接觸面(9)的尺寸處于第一膜和/或第二膜的膜面積的至少80％至98％的范圍中。3.按前述權(quán)利要求之一所述的電解裝置，其中，在所述第一膜(3)和第二膜(2)之間布置有距離保持裝置(11)。4.按前述權(quán)利要求之一所述的電解裝置，其中，所述陰極(5)和/或第二膜(2)包括排放開口，所述排放開口用于將二氧化碳和水從距離保持裝置(11)導(dǎo)引至氣體側(cè)的陰極室中。5.按權(quán)利要求3或4所述的電解裝置，其中，所述距離保持裝置(11)包括網(wǎng)眼、格柵(8)或者多孔結(jié)構(gòu)。6.按前述權(quán)利要求之一所述的電解裝置，其中，在所述陰極(5)和第二膜(2)之間至少部分地布置有傳導(dǎo)陰離子的聚合物(12...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M哈內(nèi)布思，EM費(fèi)爾南德斯桑奇斯，H蘭德斯，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西門子股份公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：德國(guó),DE