[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，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，在所述阴极上在第一侧面上连接气体室并且在第二侧面上连接阴极室，‑连接在电解池上的电解质循环回路，‑用于将含有二氧化碳的气体供应到气体室中的气体供应部，其特征在于，‑气体室具有用于电解质、二氧化碳和电解产物气体的出口，‑所述出口通过返回连接部与气体供应部连接，‑设有用于将二氧化碳和产物气体在循环回路中循环的泵设备，所述循环回路由气体室和返回连接部构成。

技术领域

本发明涉及一种用于二氧化碳电解的装置，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，在所述阴极上在第一侧面上连接气体室并且在第二侧面上连接阴极室；连接在电解池上的电解质循环回路；用于将含有二氧化碳的气体供应到气体室中的气体供应部。本发明还涉及一种用于运行二氧化碳电解的装置的方法，所述装置具有包含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，在所述阴极上在第一侧面上连接气体室并且在第二侧面上连接阴极室，其中将含有二氧化碳的气体借助气体供应部引导到气体室中。

背景技术

目前，通过化石燃料的燃烧覆盖了全球约80％的能源需求。在2011年，通过燃烧过程向全球大气排放了大约340亿吨二氧化碳(CO2)。所述释放是处理大量二氧化碳的最简单方法(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负面影响的讨论导致了再次利用二氧化碳的想法。CO2是强键合的分子，因此难以将其再次还原为有用的产物。

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工业规模上重现。目前技术上可行的方式是CO₂的电化学还原。二氧化碳通过输入电能转化成较高能量的产物如CO，CH4，C2H4或C1-C4-醇。电能又优选地来自可再生能源，例如风能或光伏。

为了CO2的电解，通常使用金属作为催化剂。金属的类型影响电解产物。例如，CO2在Ag，Au，Zn上并且有限地在Pd，Ga上几乎完全被还原为CO，而在铜上观察到大量的烃作为还原产物。除了纯金属之外，金属合金以及金属和具有共催化活性的金属氧化物的混合物也被关注，因为它们可以提高特定烃的选择性。

在CO2电解中，可以类似于在氯碱电解中那样，使用气体扩散电极(GDE)作为阴极，以在液体电解质、气态CO2和固体银颗粒之间建立三相边界。在这种情况下，如燃料电池技术中也已知的那样，使用具有两个电解质室的电解池，其中电解质室由离子交换膜隔开。

工作电极是多孔的气体扩散电极。它包括金属网，在金属网上施加由PTFE、活性炭、催化剂和其他组分形成的混合物。它包括一个孔系统，反应物进入所述孔系统并且在三相界面处起反应。

对应电极是涂有铂或铱混合氧化物的片。GDE在一侧与电解质接触。在另一侧其被供给CO2，所述CO2经由过压被挤压穿过GDE(所谓的对流操作方式)。GDE可含有对该过程具有催化作用的各种金属和金属化合物。GDE的功能方式例如由EP 297377 A2，EP 2444526A2和EP 2410079 A2已知。

与氯碱电解和燃料电池技术相比，二氧化碳电解中的所得产物是气态的而不是液态的。此外，所用的CO2与由电解质形成的碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物形成盐。例如，当钾盐用作电解质时，形成KOH并形成盐KHCO3和K2CO3。由于工作条件，会出现GDE中及其上的盐从气体侧结晶。

在银电极上CO2的电化学转化根据以下反应式进行：

阴极：CO2+2e-+H2O→CO+2OH-

伴有对应反应：

阳极：6H2O→O2+4e-+4H3O+