一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器

技术领域

本发明涉及电解还原装置技术领域，尤其涉及一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器。

背景技术

现代人类活动显著加大了空气中“温室气体”CO2含量，对全球气候变化、空气质量以及能源安全等造成了严重的负面影响。

CO2电化学还原(CO2 electrochemical reaction,CO2ER)高值化生成碳氢/碳氧化合物等有用产品和燃料有较好的研究价值和应用前景。其优点可归纳为：(1)可在温和条件下进行，无需高温高压，不受阳光和气候等限制；(2)可耦合光伏、风力和核能等清洁能源并易于大规模化；(3) 通过电极电势可以间接控制反应速率和产物选择性，为探寻可控可选择的固碳方式提供方案。

目前，有别于传统的H型电解池(H-type cell)，用于CO2电化学还原的新型电解池有以下两种，流动电解池(Flow-cell)和膜电极电解池 (MEA-cell)，其中流动电解池采用三通道模式，分别为一条气相与两条液相通道，气相通道用于传输反应物CO2以及气相产物，两条液相通道分别用于阴极电解液和阳极电解液的流动；而膜电极电解池选用电极-隔膜复合材料，因而采用双通道模式，分别为一条气相与一条液相通道；模式的多样性导致装置的多样性，市场上现存的各类装置均只能适配一种测试模式，有待找到良好的解决方案。

传统的CO2电催化还原反应器结构具有以下缺陷：(1)结构单一，模块间依赖性强，无法做到“一器两用”，不具备拓展性；(2)采用四螺钉式固定结构，无法控制四个边角同步旋紧，常常因不能均匀压紧而导致漏液现象；(3)模块松散，安装操作难度大，各模块在安装过程中无处固定，易散落，不易于独自安装。

由此，如何改善上述缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器，解决了现有反应器存在的适用性差，密封性差，操作困难，而导致的测试性能不佳的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器，包括反应器壳体14以及与其相配置的挤压式旋盖1，挤压式旋盖1依次将阴极气体输运饼2、第一密封橡胶垫3、阴极气体扩散电极4、第二密封橡胶垫5、交换输运饼6、第三密封橡胶垫7、隔膜8、第四密封橡胶垫9、阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13挤压封装在反应器壳体14内；其中阴极气体扩散电极4、阳极电极12和交换输运饼6通过引线与电化学工作站电极相连；阴极气体输运饼2上连通气流软管；交换输运饼6和阳极液体输运饼10的管道连接电解液瓶。

所述的阴极气体输运饼2，第一密封橡胶垫3，阴极气体扩散电极4和第二密封橡胶垫5由上至下紧密贴合构成了阴极反应模块，第一密封橡胶垫3和第二密封橡胶垫5中间均设有气体扩散电极开口。

所述的交换输运饼6、第三密封橡胶垫7、隔膜8、第四密封橡胶垫9由上至下紧密贴合构成了隔膜交换模块，第三密封橡胶垫7和第四密封橡胶垫9中间均设有电解所需隔膜的开口。

所述的阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13由上至下紧密贴合构成了阳极反应模块，第五密封橡胶垫11 中间设有液体扩散电极开口。

所述的反应器壳体14为容纳载体，分为两个部分，下部为各个模块容纳堆叠层，上部为螺纹层14a，用于与挤压式旋盖1旋入连接；下部侧壁设有对称的两个通孔14b以及矩形凹槽14c，通孔14b供气体与液体输运软管以及测试电极引线穿过壳体侧壁；矩形凹槽14c供被挤压封装单元的矩形外凸结构嵌入。

所述挤压式旋盖1的挤压面设置有挤压凸起结构1c，本体外周设置有外螺纹1b旋入反应器壳体14；顶端设有用于加固旋入深度扳手受力构件 1a。

所述阴极气体输运饼2的两侧设置有矩形定位外凸结构2d,中部开设有第一反应槽2b；第一反应槽2b两侧设有第一气体流动管道2a和第二气体流动管道2c。

所述交换液体输运饼6和阳极液体输运饼10结构相同，两侧设置有矩形定位外凸结构6d，中部开设有使隔膜与电解液接触第二反应槽6b，第二反应槽6b外侧本体上设有第一液体流动管道6a、第二液体流动管道6c 以及参比电极引线6e，参比电极引线6e连接至电化学工作站对电极触头相连。

第一密封橡胶垫3、第二密封橡胶垫5、第三密封橡胶垫7、第四密封橡胶垫9、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13均设有矩形外凸结构，其外凸尺寸均与阴极气体输运饼2、阳极液体输运饼10和交换液体输运饼6的矩形外凸结构相同。

一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器，包括反应器壳体14以及与其相配置的挤压式旋盖1，挤压式旋盖1依次将阴极气体输运饼2、第一密封橡胶垫3、阴极气体扩散电极4、隔膜8、阳极电极12、第四密封橡胶垫9、阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11和第六密封橡胶垫13挤压封装在反应器壳体14内，其中阴极气体扩散电极4和阳极电极12通过引线与电化学工作站电极相连；阴极气体输运饼2连通气流软管；阳极液体输运饼10的管道连接电解液瓶。

本发明具有以下有益效果：

(1)本申请的二氧化碳电解反应器装置，包括阳极模块和阴极模块，相比传统的流动电解池和膜电极电解池，结构简单，操作方便。

(2)本申请的二氧化碳电解反应器装置，采用等受力型挤压式旋盖1，其下表面设有直径小于阴极气体输运饼的挤压凸起结构，通过螺纹旋入，降低挤压凸起结构，压实各反应模块，保证各个方向均等受力，并采用多层密封橡胶垫，保证各模块所有组件紧密贴合，相比于传统的四螺钉型电解器，密封性好，操作简单。

(3)本申请的二氧化碳电解反应器装置，采用可拓展式结构，可通过去除隔膜交换模块中的交换输运饼6，同时加深挤压旋盖旋入深度完成组装，将阴极气体扩散电极，质子交换膜和阳极气体扩散电极复合成三明治结构，置于阴极气体运输饼与阳极液体运输饼中间，以获得新型复合材料研究拓展应用，满足膜电极电解池(MEA-cell)的测试需求。

(4)本申请的二氧化碳电解反应器装置，所述挤压式旋盖1上表面设有扳手受力构件，组装与拆卸时，仅需装卸一次，节省装卸时间，降低操作难度。

(5)本申请的二氧化碳电解反应器装置，在阴极气体输运饼，阳极液体输运饼，交换液体输运饼，第一至第六密封橡胶垫形状上，均设有矩形外凸结构，便于安装时固定方向，同时避免挤压旋盖旋入时带动其旋转导致材料摩擦受损，从而起到保护材料，便于安装的效果。

(6)本申请的二氧化碳电解反应器装置，二氧化碳的电解电流大，电流效率高，可长时间稳定运行。

附图说明

图1为本发明的二氧化碳电解反应器装置的结构示意图。

图2为本发明的挤压式旋盖1的结构示意图。

图3为本发明的阴极气体输运饼2的结构示意图。

图4为本发明的交换液体输运饼6(阳极液体输运饼10)的结构示意图。

图5为本发明的反应器壳体14的结构示意图。

图6为本发明的二氧化碳电解反应器装置，在实施例1工作条件下的装配结构示意图。

图7为本发明的二氧化碳电解反应器装置，在实施例1工作条件下的内部流动情况示意图。

图8为本发明的二氧化碳电解反应器装置，在实施例2工作条件下的装配结构示意图。

图9为本发明的二氧化碳电解反应器装置，在实施例2工作条件下的内部流动情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，依据实际工作模式，对本发明实施方式中的技术方案进行进一步清楚、完整的描述。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参照图1，一种可同时作流动和膜电极电解池的二氧化碳电解反应器，包括反应器壳体14以及与其相配置的挤压式旋盖1，挤压式旋盖1依次将阴极气体输运饼2、第一密封橡胶垫3、阴极气体扩散电极4、第二密封橡胶垫5、交换输运饼6、第三密封橡胶垫7、隔膜8、第四密封橡胶垫9、阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13挤压封装在反应器壳体14内；其中，阴极气体扩散电极4、阳极电极12和交换输运饼引6通过引线与电化学工作站电极相连；阴极气体输运饼2上连通气流软管；交换输运饼6和阳极液体输运饼10的管道连接电解液瓶。所述第一至第五密封橡胶垫3,5,7,9,11，中间均设有开口，第六橡胶垫13 中间无开口。

所述的阴极气体输运饼2，第一密封橡胶垫3，阴极气体扩散电极4和第二密封橡胶垫5由上至下紧密贴合构成了阴极反应模块，第一密封橡胶垫3和第二密封橡胶垫5中间均设有气体扩散电极开口。

所述的第三密封橡胶垫7、隔膜8、第四密封橡胶垫9由上至下紧密贴合构成了隔膜交换模块，第三密封橡胶垫7和第四密封橡胶垫9中间均设有电解所需隔膜的开口。

所述的阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13由上至下紧密贴合构成了阳极反应模块，第五密封橡胶垫11 中间设有液体扩散电极开口。

参照图5，所述的反应器壳体14为容纳载体，分为两个部分，下部为个各模块容纳堆叠层，上部为螺纹层14a，用于与挤压式旋盖1旋入连接；下部侧壁设有对称的两个通孔14b以及矩形凹槽14c，通孔14b供气体与液体输运软管以及测试电极引线穿过壳体侧壁；矩形凹槽14c供被挤压封装单元的矩形外凸结构嵌入，并保证尺寸上其能之配合，保证输运饼不会旋转损坏电极表面。

参照图2，所述挤压式旋盖1的挤压面设置有挤压凸起结构1c，本体外周设置有外螺纹1b旋入反应器壳体14；顶端设有用于加固旋入深度扳手受力构件1a。通过螺纹1b旋入，降低挤压凸起结构1c，压实各反应模块，采用等高式挤压结构，保证各个方向平衡受力，避免传统四螺钉结构因旋入深度不同的漏液问题。

参照图3，所述阴极气体输运饼2的两侧设置有矩形定位外凸结构2d, 中部开设有第一反应槽2b，在该位置气体、液体反应物与阴极电极发生反应；第一反应槽2b两侧设有第一气体流动管道2a和第二气体流动管道2c，分别为反应物(通常是二氧化碳)与反应产物(含有氢气，甲烷等)的输运通道。

参照图4，所述交换液体输运饼6两侧设置有矩形定位外凸结构6d，中部开设有使隔膜与电解液接触第二反应槽6b，第二反应槽6b外侧本体上设有第一液体流动管道6a、第二液体流动管道6c以及参比电极引线6e，连接至外侧壁可与电化学工作站对电极触头相连。

所述阳极液体输运饼10结构相同，两侧设置有矩形定位外凸结构10d，中部开设有使隔膜与电解液接触第三反应槽10b，第二反应槽10b外侧本体上设有第三液体流动管道10a、第四液体流动管道10c以及参比电极引线 10e，参比电极引线10e连接至外侧壁可与电化学工作站对电极触头相连。

所述阳极电极12放置在双层密封橡胶垫11,13中部，引线(如细铜条) 应与电极接触并从一端引出。

所述阴极气体扩散电极4应放置在双层密封橡胶垫3,5中部，引线(如细铜条)应与电极接触并从一端引出。

第一密封橡胶垫3、第二密封橡胶垫5、第三密封橡胶垫7、第四密封橡胶垫9、第五密封橡胶垫11、阳极电极12和第六密封橡胶垫13均设有矩形外凸结构，其外凸尺寸均与阴极气体输运饼2，阳极液体输运饼10，交换液体输运饼6的矩形外凸结构相同。

安装时，依照反应器壳体14，第六密封橡胶垫13，阳极电极12，第五密封橡胶垫11，阳极液体输运饼10，第四密封橡胶垫9，隔膜8，第三密封橡胶垫7，交换输运饼6，第二密封橡胶垫5，阴极气体扩散电极4，第一密封橡胶垫3，阴极气体输运饼2，挤压式旋盖1的顺序依次装入，并用扳手旋紧旋盖。

参照图6、图7，然后将气流软管分别接至第一气体流动管道2a、第二气体流动管道端口2c，第一电解液瓶的液流管道分别接至第一液体流动管道6a、第二液体流动管道端口6c，第二电解液瓶的液流管道分别接至第三液体流动管道10a、第四液体流动管道端口10c。

将阴极气体扩散电极4的阴极引线与电化学工作站工作电极相连接，将阳极电极12的阳极引线与电化学工作站对电极相连接。

可选的，将交换液体输运饼6的导电探针6e与电化学工作站参比电极相连接。

阴极气体扩散电极4选用镀铜的PTFE膜。

阳极电极12选用疏水碳纸。

隔膜8选用Nafion

阴极引线和阳极引线均采用细铜箔。

电解时，二氧化碳气体由第一气体流动管道2a进入第一反应槽2b，与阴极气体扩散4电极接触发生反应后，由第二气体流动管道2c排出。在气相色谱仪上可检测到气体特征峰，由此得到气体种类与含量数据；在电化学工作站上可获得电压电流关系。

参照图6、图7，第一电解液瓶的电解液由第一液体流动管道6a进入第二反应槽6b，与阴极气体扩散电极4和隔膜8接触发生反应后，由第二液体流动管道6c排出。

第二电解液瓶的电解液由第三液体流动管道10a进入第三反应槽10b，与隔膜8和阳极电极12接触发生反应后，由第四液体流动管道10c排出。

实施例2

本实施例的二氧化碳电解反应器装置，应用于膜电极电解池 (MEA-cell)的二氧化碳气体电解还原测试方法时，在实施例1装置基础上，略去第二密封橡胶垫5，交换输运饼6，第三密封橡胶垫组件7，其安装时包括反应器壳体14以及挤压式旋盖1，挤压式旋盖1依次将阴极气体输运饼2、第一密封橡胶垫3、阴极气体扩散电极4、隔膜8、阳极电极12、第四密封橡胶垫9、阳极液体输运饼10、第五密封橡胶垫11和第六密封橡胶垫13挤压封装在反应器壳体14内。

参照图8、图9，然后将气流软管分别接至第一气体流动管道2a、第二气体流动管道端口2c，第一电解液瓶的液流管道分别接至第一液体流动管道2a、第二液体流动管道2c端口。

参照图8，将阴极气体扩散电极4的阴极引线与电化学工作站工作电极相连接，将阳极电极12的阳极引线与电化学工作站对电极相连接。

电解时，二氧化碳气体由第一气体流动管道2a进入第一反应槽2b，与阴极气体扩散4电极接触发生反应后，由第二气体流动管道2c排出。在气相色谱仪上可检测到气体特征峰，由此得到气体种类与含量数据；在电化学工作站上可获得电压电流关系。

第一电解液瓶的电解液由第一液体流动管道2a进入第二反应槽2b，与阴极气体扩散电极4和隔膜8接触发生反应后，由第二液体流动管道2c排出。所述隔膜8可选用质子交换膜(PEM)。所述装置整体结构，对于新型膜电极电解池研究(MEA-cell)也可以适用。

所述的膜电极电解池方法，可通过去除隔膜交换模块6，同时加深挤压旋盖1旋入深度完成组装，将阴极气体扩散电极4，质子交换膜8和阳极气体扩散电极12复合成三明治结构，置于阴极气体运输饼2与阳极液体运输饼10中间，以获得新型复合材料研究拓展应用。组装应遵循以下步骤，首先，依次于反应器壳体中放入阳极反应模块，隔膜交换模块，阴极反应模块，外凸结构应嵌入凹槽，引线应置于壳体开口方向14b；其次，旋入挤压式旋盖1，并用扳手旋紧；最后穿过壳体通孔连接气相与液相导管，将电极引线与测试装置连接。