[发明专利]电化学反应器及电化学反应系统

说明书

本发明提供了一种电化学反应器及电化学反应系统，涉及二氧化碳还原技术领域。解决了现有反应器难以应对更为复杂的气‑液，气‑液‑固三相反应过程研究的技术问题。该电化学反应器包括传感器或影像采集器，还包括依次固接的阳极盖板、离子膜、阴极流道板和阴极盖板，阳极盖板具有阳极流道，阴极流道板具有阴极流道，阴极流道与阳极流道相对设置并形成反应区域，阴极盖板具有连通于反应区域的流体入口、流体出口及至少两个间隔设置的采样口；传感器能够采集反应区域的物理参数。该电化学反应系统包括上述电化学反应器。该电化学反应器及电化学反应系统能够实现电化学反应过程的实时检测。

技术领域

本发明涉及二氧化碳还原技术领域，具体而言，涉及一种电化学反应器及电化学反应系统。

背景技术

二氧化碳还原是一项重要的物质和能源转化储存技术，目前以催化反应为主，其中二氧化碳电化学还原具有反应条件温和(常温常压)，能量需求单一(仅需要电能)，法拉第效率高(大于80％)，装置结构简单、体积小，反应迅速、装置启动快等优点。利用二氧化碳电化学还原技术，能够在载人飞船、空间站等密闭环境中将航天员呼吸产生的二氧化碳转化成氧气，实现氧元素回收和含碳燃料制备，有望应用于未来载人太空探索任务。对于其他富含二氧化碳的地外天体(例如火星)进行原位资源利用，有望减少任务的物资携带需求，也具有重要价值。随着催化技术的发展，还原生成的碳氢产物也可进一步转化成糖类等有机物，最终实现可控的人工光合作用过程。综上，二氧化碳电化学还原技术是支撑人类地外生存任务和绿色低碳可持续发展社会的关键技术，是载人深空探索的核心能力之一。

目前，针对二氧化碳电化学还原的研究，主要集中在材料性能和催化机理上，使用的反应器以液相反应器为主。然而，二氧化碳在水系溶液中溶解度低，导致还原反应速率难以提高。同时，反应涉及多个物理化学过程，反应器内电解液、反应气体和催化剂之间存在气-液，气-液-固等多个三相界面，十分复杂。对于不同结构的反应器而言，其物质传输和状态也存在很大差异，这些对反应过程和产物也有重要影响。因此，在研究二氧化碳还原反应中实现对反应器内部物理参数的测量，将有助于加深对其物理和化学过程的理解，并揭示反应机理。在此基础上通过控制输入条件研究温度、湿度等参数对还原效率的影响，进而实现反馈控制，有助于提高系统能效，为二氧化碳还原规模化应用提供理论基础。

由于二氧化碳还原过程涉及多物理化学过程，不仅需要研究催化材料，也需要研究其他因素如气体扩散和电解液流动状态等，而现有反应器难以应对更为复杂的气-液，气-液-固三相反应过程研究。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种电化学反应器，以解决现有电化学反应器难以应对更为复杂的气-液，气-液-固三相反应过程研究的技术问题。

本发明所提供的电化学反应器，包括：传感器或影像采集器；

还包括依次固接的阳极盖板、离子膜、阴极流道板和阴极盖板，

所述阳极盖板朝向所述离子膜的端面具有阳极流道，所述阴极流道板具有阴极流道，所述阴极流道与所述阳极流道相对设置并形成反应区域，所述阴极盖板具有连通于所述反应区域的流体入口、流体出口及至少两个间隔设置的采样口；

所述传感器能够采集所述反应区域的物理参数，物理参数包括：温度、湿度、流体流速、机械结构性能及含碳气体中的至少一种；

所述影像采集器用于采集所述反应区域的运行状态。

进一步地，所述传感器具有多个；

所述阴极盖板具有多个用于安装所述传感器的安装孔，且间隔设置。

进一步地，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、温湿度传感器、应力传感器、微重力传感器、气敏传感器或红外光学传感器中的至少一种；

和/或，所述影像采集器为微型影像采集器，用于观测流道内部运行状态。