[发明专利]用于二氧化碳电解的装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于二氧化碳电解的装置及其运行的方法，所述装置包括：具有阳极和阴极的电解池，其中，阳极和阴极与电压源相连，其中，阴极设计为气体扩散电极，在气体扩散电极上在第一侧上连接有气体室，在第二侧上连接有阴极室；连接到电解池上的电解质循环回路；用于向气体室中供应含二氧化碳的气体的气体供应部，其中，气体室具有电解质出口，并且所述电解质出口配设有截断器，所述装置设计成当气体室和阴极室之间的压力差超过阈值时将截断器打开。

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于二氧化碳电解的装置和方法。

目前，化石燃料的燃烧覆盖了世界能源需求的约80％。这些燃烧过程在2011年世界范围内向大气排放了约340亿吨二氧化碳(CO2)。这种释放也是处理大量二氧化碳的最简单的方法(大型褐煤发电厂每天超过50000吨)。

关于温室气体二氧化碳对气候的不利影响的讨论导致了考虑二氧化碳的再利用。二氧化碳是一种强成键的分子，因此很难再还原成可用的产品。

在自然界中，CO2通过光合作用转化为碳水化合物。这种复杂的过程很难在产业规模上再现。目前技术上可行的方法是CO2的电化学还原。在此，二氧化碳在输入电能的情况下转化为在能量方面价值更高的产物，例如CO、CH4、C2H4或C1-C4醇。电能又优选来自可再生能源，例如风能或光伏技术。

为了电解CO2，通常使用金属作为催化剂。金属的种类影响电解产物。例如，CO2在Ag、Au、Zn上以及有限地在Pd、Ga上几乎仅仅还原成CO，相反地在铜上可以看到多种烃作为还原产物。除了纯金属，金属合金以及由金属和起共催化作用的金属氧化物构成的混合物也被关注，因为它们可以提高确定的烃的选择性。

在CO2电解中，气体扩散电极(GDE)可以与在氯碱电解中类似地被用作阴极，以在液态电解质、气态CO2和固体银颗粒之间建立三相边界。在此也使用也由燃料电池技术已知的电解池，其具有两个电解质腔，其中，电解质腔由离子交换膜分隔。

工作电极是多孔气体扩散电极。它包括金属网，其上施加有由PTFE、活性炭、催化剂和其他成分构成的混合物。它包括孔隙系统，反应物渗入孔隙系统中并且在三相界面处反应。

对应电极是施加有铂或铱-混合氧化物的板件。GDE在一侧上与电解质接触。在另一侧上，它被供应CO2，所述CO2经由过压被挤压穿过GDE(所谓的对流运行方式)。在此，GDE可以包含对该过程具有催化作用的各种金属和金属化合物。GDE的作用原理例如由文献EP297377 A2、EP 2444526 A2和EP 2410079 A2已知。

与氯碱电解和燃料电池技术相比的区别是，在二氧化碳电解中产生的产物是气态的而不是液态的。另外，所使用的CO2与由电解质产生的碱金属或碱土金属氢氧化物形成盐。例如，当使用钾盐作为电解质时形成KOH，并且产生盐KHCO3和K2CO3。由于运行条件，在GDE内和在GDE上从气体侧发生盐的结晶析出。

二氧化碳在银电极上的电化学转化根据以下反应式进行：

阴极：CO2+2e-+H2O→CO+2OH-

伴随对应反应

阳极：6H2O→O2+4e-+4H3O+

由于电化学条件，化学反应式的电荷平衡对于H3O+或OH-是以不一致的方式进行的。尽管存在酸性电解质，但在GDE处出现局部的碱性pH值。为了碱性燃料电池技术的运行，引入的氧气必须不含CO2，因为否则将根据以下反应式形成KHCO/K2CO3：

CO2+KOH→KHCO3

CO2+2KOH→K2CO3+H2O