RU2817540C2 - Modular package of electrolytic cell and method of conversion of carbon dioxide into gaseous products under high pressure and with high degree of conversion - Google Patents
Modular package of electrolytic cell and method of conversion of carbon dioxide into gaseous products under high pressure and with high degree of conversion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817540C2 RU2817540C2 RU2021138568A RU2021138568A RU2817540C2 RU 2817540 C2 RU2817540 C2 RU 2817540C2 RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A RU 2021138568 A RU2021138568 A RU 2021138568A RU 2817540 C2 RU2817540 C2 RU 2817540C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- cathode
- anode
- package
- electrolysis
- Prior art date
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 75
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 52
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 141
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 94
- 239000000047 product Substances 0.000 claims abstract description 79
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 54
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 53
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims abstract 11
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 208
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 25
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims description 14
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- RRKGBEPNZRCDAP-UHFFFAOYSA-N [C].[Ag] Chemical compound [C].[Ag] RRKGBEPNZRCDAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N methylidenecopper Chemical compound [Cu].[C] AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 73
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 26
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 24
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 21
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 17
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 15
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 11
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 10
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 10
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 5
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- -1 hydroxide ions Chemical class 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 229920002449 FKM Polymers 0.000 description 2
- RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-O Imidazolium Chemical compound C1=C[NH+]=CN1 RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-O pyridinium Chemical compound C1=CC=[NH+]C=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- 239000012492 regenerant Substances 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 2
- 238000004832 voltammetry Methods 0.000 description 2
- SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-O 1H-indol-1-ium Chemical compound C1=CC=C2[NH2+]C=CC2=C1 SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003937 Aquivion® Polymers 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010020772 Hypertension Diseases 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-O Piperidinium(1+) Chemical compound C1CC[NH2+]CC1 NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- WTKZEGDFNFYCGP-UHFFFAOYSA-O Pyrazolium Chemical compound C1=CN[NH+]=C1 WTKZEGDFNFYCGP-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O Pyrrolidinium ion Chemical compound C1CC[NH2+]C1 RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000004675 formic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к области получения газофазных продуктов под высоким давлением и с высокой степенью конверсии путем электролиза газообразного диоксида углерода. Изобретение также относится к новому модульному пакету электролизера для осуществления указанного электролиза и, тем самым, конверсии углекислого газа в разнообразные газофазные продукты, предпочтительно - готовые к дальнейшему применению в качестве сырья для производственных процессов.The present invention relates to the field of obtaining gas-phase products under high pressure and with a high degree of conversion by electrolysis of carbon dioxide gas. The invention also relates to a new modular electrolyser package for carrying out said electrolysis and thereby converting carbon dioxide into a variety of gas-phase products, preferably ready for further use as raw materials for production processes.
Уровень техникиState of the art
Диоксид углерода (СО2) является парниковым газом; поэтому подход, предусматривающий применение энергии из возобновляемых источников для его конверсии в транспортное топливо и товарные химикаты, обеспечивает преимущество, состоящее в одновременном производстве продукции и ослаблении воздействия углеродных выбросов на окружающую среду. Потенциальная возможность производства больших количеств химикатов по всему миру путем электрохимического восстановления (и гидрогенизации) СО2 повышает важность данной стратегии. Электрохимический синтез химикатов с использованием энергии из возобновляемых источников (например, солнечной или ветровой) способствует снижению вредного воздействия химической промышленности на окружающую среду и повышению ее соответствия принципам устойчивого развития. Разнообразие продуктов, которые могут быть получены на основе СО2 с помощью электролизеров на основе полимерно-электролитных мембран (ПЭМ), делает последние чрезвычайно перспективными. В число промышленных предприятий, заинтересованных в таких технологиях, входят как энергетические/коммунальные предприятия, так и производители цемента, предприятия обрабатывающей промышленности и нефтегазового сектора.Carbon dioxide (CO 2 ) is a greenhouse gas; Therefore, an approach that uses renewable energy to convert it into transportation fuels and commodity chemicals offers the benefit of simultaneously producing products and mitigating the environmental impact of carbon emissions. The potential to produce large quantities of chemicals worldwide through electrochemical reduction (and hydrogenation) of CO 2 increases the importance of this strategy. Electrochemical synthesis of chemicals using energy from renewable sources (such as solar or wind) helps reduce the harmful environmental impact of the chemical industry and increase its compliance with the principles of sustainable development. The variety of products that can be obtained from CO 2 using electrolyzers based on polymer electrolyte membranes (PEMs) makes the latter extremely promising. Industrial enterprises interested in such technologies range from energy/utility companies to cement manufacturers, manufacturing and oil and gas sectors.
Аналогично электролизерам на основе ПЭМ для разложения воды (т.е. генераторам Н2/О2), электролизер СО2 на основе ПЭМ в обычной конфигурации содержит два проточных канала - один для анолита, а другой - для католита, разделенные ионообменной мембраной, находящейся в непосредственном соприкосновении с катализаторами. Катодный электрокатализатор иммобилизован на пористом газодиффузионном слое (ГДС), обычно находящемся в соприкосновении с потоком жидкого католита, при этом подача газообразного СО2 также происходит через ГДС. Данная схема позволяет преодолеть некоторые из известных в области техники недостатков, а именно: (i) ограничение тока из-за низкой концентрации СО2 у электрода; (ii) переход Н+ от анода через мембрану с последующим закислением католита и, как следствие, повышенной селективностью выделения Н2; (iii) диффузия продуктов к аноду, где происходит их окисление (переход продуктов). В настоящее время отсутствует серийное промышленное производство таких устройств, однако большинство их компонентов (т.е. ГДС и катализаторы), а также установки лабораторных масштабов (с электродами размером ~5 см2) уже доступны. При этом конструкция электролизеров СО2 на основе ПЭМ и их рабочие режимы требуют тщательной оптимизации для электролиза СО2.Similar to PEM-based electrolyzers for water decomposition (i.e., H 2 /O 2 generators), a PEM-based CO 2 electrolyzer in a conventional configuration contains two flow channels - one for the anolyte and the other for the catholyte, separated by an ion exchange membrane located in direct contact with catalysts. The cathode electrocatalyst is immobilized on a porous gas diffusion layer (GDL), usually in contact with a flow of liquid catholyte, while the supply of gaseous CO 2 also occurs through the GDL. This circuit overcomes some of the disadvantages known in the art, namely: (i) current limitation due to the low concentration of CO 2 at the electrode; (ii) transition of H + from the anode through the membrane with subsequent oxidation of the catholyte and, as a consequence, increased selectivity for the release of H2 ; (iii) diffusion of products to the anode, where they are oxidized (transition of products). Currently, there is no mass industrial production of such devices, but most of their components (i.e., HDS and catalysts), as well as laboratory-scale installations (with electrodes measuring ~5 cm 2 ) are already available. At the same time, the design of CO 2 electrolyzers based on FEM and their operating modes require careful optimization for CO 2 electrolysis.
Всесторонний анализ электролиза СО2 на основе ПЭМ приведен, например, в журнале «Progress in Energy and Combustion Science» («Достижения в энергетике и теплотехнике»), №62 (2017), стр. 133-154, с подробным описанием параметров, влияющих на показатели работы проточных электролизеров СО2. Анализ охватывает основные принципы конструкции электрохимического элемента (микроструйного или на основе мембраны), применяемые материалы (например, катализаторы, подложки и т.п.), а также рабочие режимы (например, тип электролита, влияние давления, температуры и т.п.).A comprehensive analysis of CO 2 electrolysis based on TEM is given, for example, in the journal “Progress in Energy and Combustion Science”, No. 62 (2017), pp. 133-154, with a detailed description of the parameters influencing on the performance of CO 2 flow electrolyzers. The analysis covers the basic design principles of the electrochemical cell (microfluidic or membrane-based), the materials used (e.g. catalysts, substrates, etc.), and operating conditions (e.g., type of electrolyte, influence of pressure, temperature, etc.) .
В опубликованной европейской патентной заявке №3,375,907 А1 раскрыто устройство электролиза диоксида углерода в виде одноячейкового электролизера, содержащего анодную часть, включающую в себя анод, окисляющий воду или гидроксидные ионы с образованием кислорода; катодную часть, включающую в себя катод, восстанавливающий диоксид углерода с образованием углеродного соединения, тракт катодного раствора, по которому катодный раствор поступает к катоду, и газовый тракт, по которому диоксид углерода поступает к катоду; разделитель, отделяющий анодную часть от катодной части; и устройство контроля дифференциального давления, контролирующее разность давлений катодного раствора и диоксида углерода для регулирования количества диоксида углерода, получаемого в результате реакции восстановления в катодной части.Published European Patent Application No. 3,375,907 A1 discloses a carbon dioxide electrolysis apparatus in the form of a single-cell electrolyzer comprising an anode portion including an anode that oxidizes water or hydroxide ions to produce oxygen; a cathode portion including a cathode that reduces carbon dioxide to form a carbon compound, a cathode solution path through which the cathode solution is supplied to the cathode, and a gas path through which carbon dioxide is supplied to the cathode; a separator separating the anode portion from the cathode portion; and a differential pressure control device for controlling the pressure difference between the cathode solution and carbon dioxide to control the amount of carbon dioxide produced by the reduction reaction in the cathode portion.
Опубликованная заявка на патент США №2018/0274109 А1 относится к одноячейковому устройству электролиза диоксида углерода, оснащенному блоком подачи регенеранта, включающим в себя блок подачи газа с возможностью подачи газообразного вещества к, по меньшей мере аноду или катоду; блоком управления регенерацией, прекращающим подачу тока от источника питания и подачу диоксида углерода и электролитического раствора и управляющим блоком подачи регенеранта в соответствии с критериями необходимой мощности электролитической ячейки.Published US patent application No. 2018/0274109 A1 relates to a single-cell carbon dioxide electrolysis device equipped with a regenerant supply unit, including a gas supply unit capable of supplying a gaseous substance to at least an anode or a cathode; a regeneration control unit that stops the supply of current from the power source and the supply of carbon dioxide and electrolytic solution and a control unit for supplying the regenerant in accordance with the criteria for the required power of the electrolytic cell.
Опубликованная заявка на патент США №2013/0105304 А1 относится к способам и системам электрохимической конверсии диоксида углерода в органические продукты, в том числе - формиаты и муравьиную кислоту. Вариант осуществления системы содержит первую электрохимическую ячейку, содержащую катодное отделение, содержащее катод с развитой поверхностью и жидкий католит на основе бикарбоната, насыщенный диоксидом углерода. Система также содержит анодное отделение, содержащее анод и жидкий кислый анолит. Первая электрохимическая ячейка выполнена с возможностью создания потока продукта при создании электрического напряжения между анодом и катодом. Еще один вариант осуществления системы может содержать отдельную вторую электрохимическую ячейку, схожую с первой и соединенную с ней по текучей среде.Published US patent application No. 2013/0105304 A1 relates to methods and systems for the electrochemical conversion of carbon dioxide into organic products, including formates and formic acid. An embodiment of the system comprises a first electrochemical cell comprising a cathode compartment comprising a surface-developed cathode and a liquid bicarbonate-based catholyte saturated with carbon dioxide. The system also contains an anode compartment containing an anode and liquid acidic anolyte. The first electrochemical cell is configured to create a product flow by creating an electrical voltage between the anode and the cathode. Another embodiment of the system may comprise a separate second electrochemical cell similar to and fluidly coupled to the first.
В опубликованной заявке на патент США №2016/0369415 А1 раскрыты слои катализатора для применения в электрохимических устройствах, в частности - электролизерах, сырье для которых включает в себя, по меньшей мере, СО2 или Н2О. Слои катализатора содержат каталитически активный элемент и ион-проводящий полимер. Ион-проводящий полимер содержит положительно заряженные циклические аминогруппы. Ион-проводящий полимер содержит по меньшей мере одно из следующих соединений: имидазолий, пиридиний, пиразолий, пирролидиний, пирролий, пиримидий, пиперидиний, индолий, триазиний и их полимеры. Каталитически активный элемент включает в себя по меньшей мере один из следующих элементов: V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Sn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Та, W, Re, Ir, Pt, Au, Hg, Al, Si, In, Tl, Pb, Bi, Sb, Те, U, Sm, Tb, La, Се и Nd.US Patent Application Published No. 2016/0369415 A1 discloses catalyst layers for use in electrochemical devices, particularly electrolysers, the feedstock of which includes at least CO 2 or H 2 O. The catalyst layers contain a catalytically active element and ion-conducting polymer. The ion-conducting polymer contains positively charged cyclic amino groups. The ion-conducting polymer contains at least one of the following compounds: imidazolium, pyridinium, pyrazolium, pyrrolidinium, pyrrolium, pyrimidium, piperidinium, indolium, triazinium, and polymers thereof. The catalytically active element includes at least one of the following elements: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, Hg, Al, Si, In, Tl, Pb, Bi, Sb, Te, U, Sm, Tb, La, Ce and Nd.
В опубликованной заявке на патент США №2017/0321334 А1 раскрыта мембраноэлектродная сборка (МЭС) для применения в реакторе восстановления СО2. МЭС содержит катодный слой, содержащий восстановительный катализатор и первый ион-проводящий полимер, а также анодный слой, содержащий окислительный катализатор и второй ион-проводящий полимер. Между анодным и катодным слоями расположена ПЭМ, содержащая третий ион-проводящий полимер. ПЭМ создает связь по ионам между анодным слоем и катодным слоем. Сборка также содержит слой катодного буфера, содержащий четвертый ион-проводящий полимер, между катодным слоем и ПЭМ. Также имеется три класса ион-проводящих полимеров: анионпроводящие, катионпроводящие и проводящие катионы и анионы. По меньшей мере два из первого, второго, третьего и четвертого ион-проводящих полимеров относятся к разным классам ион-проводящих полимеров.Published US Patent Application No. 2017/0321334 A1 discloses a membrane electrode assembly (MEA) for use in a CO 2 reduction reactor. The MES comprises a cathode layer containing a reduction catalyst and a first ion-conducting polymer, as well as an anode layer containing an oxidation catalyst and a second ion-conducting polymer. Between the anode and cathode layers there is a PEM containing a third ion-conducting polymer. TEM creates an ion bond between the anode layer and the cathode layer. The assembly also contains a cathode buffer layer containing a fourth ion-conducting polymer between the cathode layer and the TEM. There are also three classes of ion-conducting polymers: anion-conducting, cation-conducting, and conducting cations and anions. At least two of the first, second, third and fourth ion-conducting polymers belong to different classes of ion-conducting polymers.
Международная публикация № WO 2017/176600 А1 относится к электрокаталитическому способу конверсии СО2. Способ предусматривает применение новой каталитической комбинации, целью которой является преодоление одного или нескольких ограничений, в том числе - низких степеней конверсии, высоких перенапряжений и низких показателей эффективности конверсии электронов (а именно - показателей селективности), низких скоростей каталитических реакций и высокой потребности датчиков в электроэнергии. Каталитическая комбинация или смесь содержит по меньшей мере один каталитически активный элемент в виде частиц на подложке или без подложки, средний размер которых составляет от приблизительно 0.6 нм до 100 нм, предпочтительно от 0.6 нм до 40 нм, и наиболее предпочтительно от 0.6 нм до 10 нм. Каталитическая комбинация также содержит вспомогательный полимер, могущий содержать, например, положительно заряженные циклические аминогруппы, например, имидазолий или пиридиний. Каталитическая комбинация каталитически активного элемента и вспомогательного полимера очень эффективна при применении в слое катодного катализатора единственной электрохимической ячейки для конверсии СО2 в разнообразные продукты реакции.International publication No. WO 2017/176600 A1 refers to the electrocatalytic method for CO 2 conversion. The method involves the use of a new catalytic combination, the purpose of which is to overcome one or more limitations, including low conversion rates, high overvoltages and low electron conversion efficiencies (namely selectivity indicators), low rates of catalytic reactions and high energy demands of sensors . The catalytic combination or mixture contains at least one catalytically active element in the form of supported or unsupported particulates having an average particle size of from about 0.6 nm to 100 nm, preferably from 0.6 nm to 40 nm, and most preferably from 0.6 nm to 10 nm . The catalytic combination also contains an auxiliary polymer, which may contain, for example, positively charged cyclic amino groups, for example imidazolium or pyridinium. The catalytic combination of a catalytically active element and an auxiliary polymer is very effective when using a single electrochemical cell in the cathode catalyst bed to convert CO 2 into a variety of reaction products.
В патенте США №10,208,385 В2 раскрыто устройство электролиза диоксида углерода с единственной электролизной ячейкой для конверсии СО2 в разнообразные продукты, в частности - СО, причем ячейка включает в себя катод, анод, блок подачи диоксида углерода, блок подачи электролитического раствора и разделитель для отделения указанных катода и анода друг от друга. Помимо ячейки, устройство электролиза диоксида углерода дополнительно содержит источник питания; блок управления реакцией, инициирующий реакцию восстановления и реакцию окисления путем пропускания электрического тока от источника питания к аноду и катоду. В указанную ячейку подают газообразный СО2 на катод и жидкий электролит на по меньшей мере одну сторону анода. Распределение газа и одной или нескольких жидкостей в ячейке происходит соответственно по газовым и жидкостным трактам, сформированным в катодном и анодном токоприемниках.US Patent No. 10,208,385 B2 discloses a carbon dioxide electrolysis apparatus with a single electrolysis cell for converting CO 2 into a variety of products, in particular CO, the cell including a cathode, an anode, a carbon dioxide supply unit, an electrolytic solution supply unit and a separator for separating the specified cathode and anode from each other. In addition to the cell, the carbon dioxide electrolysis device further comprises a power source; a reaction control unit that initiates a reduction reaction and an oxidation reaction by passing an electrical current from a power source to the anode and cathode. Said cell is supplied with CO 2 gas to the cathode and liquid electrolyte to at least one side of the anode. The distribution of gas and one or more liquids in the cell occurs, respectively, along gas and liquid paths formed in the cathode and anode current collectors.
Из приведенного выше обзора уровня техники следует, что основное внимание в области электролиза СО2 уделяется разработке новых катализаторов для повышения активности и селективности по продукту при применении одноячейковых конструкций. При этом максимально достижимая в простой электрохимической ячейке периодического действия скорость реакции зачастую ограничена низкой растворимостью (~30 ммоль) СО2 в воде. Аналогичные проблемы возникают при подаче раствора (католита) к катоду электролизера непрерывного действия, поэтому предпочтительными были бы электролизные ячейки с непосредственной подачей газообразного СО2 (т.е. без электролита).From the above review of the prior art, the focus in the field of CO 2 electrolysis is on the development of new catalysts to improve activity and product selectivity when using single-cell designs. At the same time, the maximum reaction rate achievable in a simple periodic electrochemical cell is often limited by the low solubility (~30 mmol) of CO 2 in water. Similar problems arise when supplying a solution (catholyte) to the cathode of a continuous electrolyzer, so electrolysis cells with a direct supply of CO 2 gas (i.e. without electrolyte) would be preferable.
Таким образом, существует потребность в повышении степени конверсии СО2 до практически значимого уровня. Иначе говоря, для преодоления ограничений, связанных с массопереносом, существует потребность в установке непрерывного действия с непосредственной подачей газообразного СО2 и в способе электрохимического восстановления СО2 с высокой степенью конверсии (например, с плотностью тока не менее 150 мА см-2).Thus, there is a need to increase the degree of CO 2 conversion to a practically significant level. In other words, to overcome the limitations associated with mass transfer, there is a need for a continuous operation plant with direct supply of gaseous CO 2 and a method for electrochemical reduction of CO 2 with a high degree of conversion (for example, with a current density of at least 150 mA cm -2 ).
В области техники существует единое мнение о том, что для обеспечения экономической целесообразности указанного процесса важно производить (i) любой продукт с максимально возможной селективностью; (ii) продукты, имеющие экономическую ценность; и (iii) продукты, легко поддающиеся сепарации. Для достижения данных целей существует потребность в электролизных ячейках/пакетах, работающих с:There is a consensus in the technical field that to make the process economically feasible, it is important to produce (i) any product with the greatest possible selectivity; (ii) products having economic value; and (iii) products that can be easily separated. To achieve these goals, there is a need for electrolysis cells/packs that work with:
• высокой плотностью тока (следствием которой является высокая скорость реакции);• high current density (the consequence of which is a high reaction rate);
• высокой фарадеевской эффективностью для желаемого продукта(-ов) (т.е. большая доля вложенного суммарного тока затрачена на образование продукта (jproduct), и, как следствие, высокой селективностью по заданному продукту), в данном случае:• high Faraday efficiency for the desired product(s) (i.e. a large proportion of the total current input spent on the formation of the product (j product ), and, as a consequence, high selectivity for a given product), in this case:
• низким перенапряжением (определяющим• low overvoltage (determining
энергетический КПД процесса, определяемый следующим образом:energy efficiency of the process, defined as follows:
где E0 anode и E°cathode - стандартные восстановительно-окислительные потенциалы соответственно анодной и катодной реакций, a Vcell - измеренное напряжение ячейки; иwhere E 0 anode and E° cathode are the standard redox potentials of the anodic and cathodic reactions, respectively, and V cell is the measured cell voltage; And
• высокой эффективностью конверсии (которую отражает соотношение преобразованного СО2 и сырьевого СО2), определяемой следующим образом:• high conversion efficiency (which is reflected by the ratio of converted CO 2 and raw CO 2 ), defined as follows:
Если электролизная ячейка/пакет не соответствует какому-либо из этих пунктов, она не может на практике конкурировать с другими не-электрохимическими технологиями.If an electrolysis cell/pack does not meet any of these points, it cannot practically compete with other non-electrochemical technologies.
Поэтому также существует потребность в новом пакете электролизера СО2 и способе с конфигурацией пакета и рабочими параметрами, оптимизированными для достижения вышеуказанных целей.Therefore, there also exists a need for a new CO 2 electrolyser package and method with package configuration and operating parameters optimized to achieve the above objectives.
Также существует потребность в создании, в частности - для случаев промышленного применения, крупногабаритного и модульного пакета ячеек электролизера СО2, т.е. многоячейкового пакета электролизера, состоящего из более чем одной, предпочтительно - из нескольких электролизных ячеек, причем указанные ячейки могут быть относительно просты и недороги в производстве.There is also a need to create, in particular for industrial applications, a large-sized and modular package of CO 2 electrolyzer cells, i.e. a multi-cell electrolyzer stack consisting of more than one, preferably several, electrolysis cells, said cells being relatively simple and inexpensive to manufacture.
В большинстве случаев, газообразный СО2 получают из промышленных источников при высоких давлениях. Кроме того, для промышленных процессов с применением разнообразных газофазных веществ на основе углерода, например, синтез-газа, монооксида углерода, метана, этана, этилена и т.п., в качестве сырья для производства других продуктов, необходимо, чтобы сырье также находилось под высоким давлением; здесь и далее понятие ''высокое давление'' означает значения дифференциального давления в диапазоне от приблизительно 0 бар до не более, чем приблизительно 30 бар.In most cases, CO 2 gas is obtained from industrial sources at high pressures. In addition, for industrial processes using a variety of gas-phase carbon-based substances, such as synthesis gas, carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, etc., as raw materials for the production of other products, it is necessary that the raw materials also be under high blood pressure; Hereinafter, the term “high pressure” means differential pressure values in the range from approximately 0 bar to no more than approximately 30 bar.
С учетом вышесказанного, очевидна потребность в пакете электролизера СО2, способного выдерживать высокие давления, в частности - на его катодной стороне.With this in mind, there is an obvious need for a CO 2 electrolyser package capable of withstanding high pressures, particularly on its cathode side.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание пакета электролизера СО2 с возможностью удобного и простого изменения конструкции в случае необходимости изменения производительности или даже типа производимого продукта.It is yet another object of the present invention to provide a CO 2 electrolyser package that can be conveniently and easily redesigned if there is a need to change the capacity or even the type of product being produced.
Дополнительные задачи, а также аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут изложены в нижеследующем описании.Additional objects, as well as aspects, features and advantages of the present invention will be set forth in the description that follows.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Вышеуказанные цели достигаются в многоячейковом или многослойном пакете электролизера непрерывного действия по п. 1 формулы. Дополнительные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого пакета изложены в пунктах 2-14 формулы. Вышеуказанные задачи также решены посредством установки электролиза СО2 по п. 15 для конверсии исходного газообразного диоксида углерода в один или несколько конечных газофазных продуктов.The above goals are achieved in a multi-cell or multi-layer package of a continuous electrolyzer according to
Предпочтительные варианты осуществления предлагаемой установки электролиза СО2 охарактеризованы в пунктах 14-21 формулы.Preferred embodiments of the proposed CO 2 electrolysis installation are described in paragraphs 14-21 of the formula.
Вышеуказанные задачи также решаются за счет способа конверсии газообразного диоксида углерода (СО2) в по меньшей мере один газофазный продукт по пункту 22 формулы. Предпочтительные варианты способа изложены в пунктах 23 и 24 формулы.The above problems are also solved by the method of converting gaseous carbon dioxide (CO 2 ) into at least one gas-phase product according to claim 22 of the formula. Preferred variants of the method are set out in
В частности, изобретение относится к новым компонентам и новой сборке пакета электролизера диоксида углерода с возможностью работы при высоких дифференциальных давлениях с высокими степенями конверсии. В его основе лежит электрохимическое восстановление газообразного диоксида углерода до газофазных продуктов (см. Таблицу 1 ниже) и реакция окисления (например, воды Н2О - 2е- = 2Н+ + 0.5 О2) соответственно на катодной и анодной сторонах; применяемый диоксид углерода предпочтительно увлажняют до подачи в пакет электролизера.In particular, the invention relates to new components and a new carbon dioxide electrolyser package assembly capable of operating at high differential pressures with high conversion rates. It is based on the electrochemical reduction of carbon dioxide gas to gas-phase products (see Table 1 below) and the oxidation reaction (for example, water H 2 O - 2e - = 2H + + 0.5 O 2 ) respectively on the cathode and anodic sides; The carbon dioxide used is preferably humidified before entering the electrolyser package.
Благодаря предложенным технологическим нововведениям и модульному строению, предложенная конфигурация пакета электролизера обладает высокой варьируемостью по величине и адаптируемостью. Величину пакета можно легко варьировать, как с точки зрения размера/габаритов, так и с точки зрения числа применяемых ячеек, без выхода за пределы допустимого давления. Таким образом, в соответствии с идеей многослойной конфигурации, новой для области электролиза СО2, создан пакет электролизера СО2, число ячеек в котором может составлять до десяти или более, предпочтительно от двух до семи, более предпочтительно - от трех до шести, и наиболее предпочтительно составляет три, или четыре, или пять, или шесть.Thanks to the proposed technological innovations and modular structure, the proposed electrolyzer package configuration is highly variable in size and adaptable. The size of the package can be easily varied, both in terms of size/dimensions and the number of cells used, without exceeding the permissible pressure limits. Thus, in accordance with the idea of a multilayer configuration, new to the field of CO 2 electrolysis, a CO 2 electrolyzer package is created, the number of cells in which can be up to ten or more, preferably from two to seven, more preferably from three to six, and most preferably three, or four, or five, or six.
Кроме того, конфигурация пакета позволяет соединять индивидуальные электролизные ячейки параллельно, или последовательно, или комбинированно с точки зрения управления газом. Неожиданно было установлено, что изменение только одного элемента пакета электролизера (и перестановки других) позволяет перейти от последовательной к параллельной схеме. Это позволяет эксплуатировать пакет таким образом, чтобы достичь необычайно высокой степени конверсии или эффективности конверсии в зависимости от потребностей. Применяемые катализаторы, газодиффузионные слои и ионообменные мембраны обеспечивают возможность адаптации для получения разных газофазных продуктов. Благодаря этому, предлагаемый пакет электролизера СО2 может найти применение во многих отраслях промышленности, например, в химической, нефтяной и энергетической. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено пакетами исключительно для электролизера СО2, при этом после соответствующих обычных модификаций оно может найти применение и в других электрохимических установках (например, в качестве пакетов для восстановления N2 для получения аммиака).In addition, the configuration of the package allows individual electrolysis cells to be connected in parallel, or in series, or in combination in terms of gas control. Unexpectedly, it was found that changing only one element of the electrolyzer package (and rearranging others) makes it possible to switch from a series to a parallel circuit. This allows the package to be operated in such a way as to achieve an unusually high conversion rate or conversion efficiency depending on the needs. The catalysts, gas diffusion layers and ion exchange membranes used provide the possibility of adaptation to obtain different gas-phase products. Due to this, the proposed CO 2 electrolyzer package can find application in many industries, such as chemical, petroleum and energy. It should be noted that the present invention is not limited to packages exclusively for a CO 2 electrolyser, but after suitable conventional modifications it can also find application in other electrochemical installations (for example, as packages for N 2 recovery for ammonia production).
Согласно настоящему изобретению, несколько ячеек (слоев электрокатализатора и мембран) соединены последовательно (электрически) и ограничены сборными биполярными пластинами, функционирующими как анод одной ячейки на одной стороне и как катод для следующей ячейки на другой стороне (аналогично топливным элементам на основе ПЭМ или электролизерам разложения воды).According to the present invention, multiple cells (electrocatalyst layers and membranes) are connected in series (electrically) and are delimited by assembled bipolar plates functioning as the anode of one cell on one side and as the cathode for the next cell on the other side (similar to FEM fuel cells or decomposition electrolyzers). water).
Указанная особая многоячейковая конфигурация пакета реализована за счет применения двух компонентных сборных биполярных пластин для формирования указанных индивидуальных электролизных ячеек. В данном случае, первый компонент той или иной сборной биполярной пластины образует анодную часть ячейки, а второй компонент указанной сборной биполярной пластины образует катодную часть ячейки, расположенной вслед за указанной ячейкой. Так можно формировать серию электролизных ячеек, причем некоторые элементы проточной структуры катодного/анодного трактов в пакете, т.е. полости и каналы для потока газа в катодной части, а также полости и каналы для потока жидкости в анодной части пакета, созданы на/в противоположных боковых поверхностях и между противоположными боковыми поверхностями первого и второго компонентов сборных биполярных пластин.This special multi-cell stack configuration is achieved by using two component prefabricated bipolar plates to form said individual electrolysis cells. Here, the first component of said bipolar plate assembly forms the anode portion of the cell, and the second component of said bipolar plate assembly forms the cathode portion of the cell located downstream of said cell. In this way, it is possible to form a series of electrolysis cells, with some elements of the flow structure of the cathode/anode paths in the package, i.e. cavities and channels for gas flow in the cathode part, as well as cavities and channels for liquid flow in the anode part of the package, are created on/in opposite side surfaces and between opposite side surfaces of the first and second components of the prefabricated bipolar plates.
Кроме того, последовательная/параллельная конфигурация проточных каналов создана путем выборочного формирования кольцеобразных проставочных элементов, т.е. дистанционных элементов анодной стороны, на которые по существу оперты следующие сборные биполярные пластины в пакете электролизера, когда пакет собран, со сквозными каналами; в частности, в соответствии с модульным строением, предусмотрено два вида проставочных элементов - первый тип с единственным внутренним каналом перемещения газа в периферийной части проставочного элемента и второй тип с двумя каналами перемещения газа, расположенными диаметрально противоположно друг другу в периферийной части проставочного элемента. При сборке пакета электролизера, применение проставочного элемента первого типа между следующими друг за другом сборными биполярными пластинами позволяет сформировать непрерывный газовый тракт в пакете (т.е. индивидуальные ячейки соединены последовательно с точки зрения управления газом в пакете), а результатом применения проставочного элемента второго типа между следующими друг за другом сборными биполярными пластинами является образование газового тракта с параллельными участками в пакете (т.е. газовые тракты ячеек в каждой из индивидуальных ячеек соединены параллельно с точки зрения управления газом в пакете). Применение указанных особых проставочных элементов также позволяет создать упорядоченный газовый тракт в пределах многослойного пакета электролизера, могущего содержать как последовательные, так и параллельные участки.In addition, the series/parallel flow channel configuration is created by selectively forming ring-shaped spacer elements, i.e. anode side spacer elements upon which the subsequent prefabricated bipolar plates in the electrolyzer stack are substantially supported when the stack is assembled, with through channels; in particular, in accordance with the modular structure, two types of spacer elements are provided - the first type with a single internal gas movement channel in the peripheral part of the spacer element and the second type with two gas movement channels located diametrically opposite to each other in the peripheral part of the spacer element. When assembling an electrolyzer package, the use of a spacer element of the first type between successive prefabricated bipolar plates allows the formation of a continuous gas path in the package (i.e., individual cells are connected in series from the point of view of gas control in the package), and the result of the use of a spacer element of the second type is between successive prefabricated bipolar plates is the formation of a gas path with parallel sections in the package (ie, the gas paths of the cells in each of the individual cells are connected in parallel from the point of view of controlling the gas in the package). The use of these special spacer elements also makes it possible to create an ordered gas path within a multilayer cell stack, which can contain both serial and parallel sections.
Таким образом, сборные биполярные пластины и концевые блоки выполняют комплексную функцию:Thus, prefabricated bipolar plates and end blocks perform a complex function:
(i) они образуют токоприемники, находящиеся в соприкосновении со слоями катализатора, (ii) при подаче реагентов к слою катализатора через каналы, сформированные в указанных пластинах, они обеспечивают подачу реагентов в активную зону пакета и надлежащий вывод продуктов, (iii) они вносят вклад в механическую прочность пакета. Кроме того, они также играют важную роль в регулировании теплообмена пакета электролизера. Для данной цели сформирована система внутриплоскостных проточных каналов в поверхности каждого из указанных элементов для увеличения площади поверхности и облегчения процессов перемещения. Указанные проточные каналы упорядочены с образованием разнообразных схем распределения потока особой геометрии, впервые специально оптимизированных.(i) they form current collectors in contact with the catalyst layers, (ii) when reactants are supplied to the catalyst layer through channels formed in said plates, they ensure the supply of reactants to the active zone of the stack and the proper removal of products, (iii) they contribute in the mechanical strength of the package. In addition, they also play an important role in regulating the heat transfer of the electrolyser package. For this purpose, a system of in-plane flow channels has been formed in the surface of each of these elements to increase the surface area and facilitate movement processes. These flow channels are ordered to form a variety of flow distribution patterns of special geometries, specially optimized for the first time.
Еще одним компонентом, применяемым в предлагаемом пакете электролизера СО2, является специально спроектированный и собранный конструктивный элемент на стороне анода, выполненный из титановой (Ti) фритты (Ti-фритты). Указанная Ti-фритта изготовлена из титанового порошка с разным средним размером частиц. На практике, Ti-фритту изготавливают путем прессования частиц титана. Анодный катализатор либо размещен непосредственно на Ti-фритту путем, например, влажного химического синтеза, либо синтезирован отдельно с последующей иммобилизацией на Ti-фритте.Another component used in the proposed CO 2 electrolyser package is a specially designed and assembled anode side structural member made of titanium (Ti) frit (Ti-frit). This Ti frit is made of titanium powder with different average particle sizes. In practice, a Ti frit is made by pressing titanium particles. The anode catalyst is either placed directly on the Ti frit by, for example, wet chemical synthesis, or synthesized separately and then immobilized on the Ti frit.
Катодный катализатор, применяемый в предлагаемом пакете электролизера СО2, иммобилизован на углеродной подложке с развитой поверхностью (т.е. ГДС), находящейся в непосредственном соприкосновении со сборной биполярной пластиной. Подача газообразного СО2 к катализатору происходит через данный ГДС. При этом катализатор находится в непосредственном соприкосновении с ПЭМ, облегчающей ионный перенос.The cathode catalyst used in the proposed CO 2 electrolyzer package is immobilized on a carbon substrate with a developed surface (i.e., GDS), which is in direct contact with the prefabricated bipolar plate. The supply of CO 2 gas to the catalyst occurs through this GDS. In this case, the catalyst is in direct contact with the PEM, which facilitates ion transfer.
Еще одним компонентом, применяемым в предлагаемом пакете электролизера СО2, является напорная камера, сформированная в особых концевых блоках, расположенных на обоих концах пакета - т.е. на стороне катода и на стороне анода. Указанные напорные камеры обеспечивают адаптивное регулирование давления на ячейках с обеих сторон и тем самым равномерное распределение давления по ячейкам. Данное строение предотвращает деформацию корпуса пакета и, тем самым, уменьшение площади контакта между внутренними компонентами. Результатом является постоянная устойчивость пакета даже под высоким давлением. Важно отметить, что применение концевых блоков устраняет необходимость в движущихся частях (например, поршнях или клапанах) или упругопластических элементах в качестве средств регулирования давления в пакете. Кроме того, в отличие от внешнего регулирования давления, применение напорных камер в указанных концевых блоках по существу безопасно, так как давление в напорных камерах никогда не сможет превысить давление, возникающее в электролизных ячейках. Для обеспечения не зависящих от давления электрохимических показателей, напорные камеры применены парами, т.е. одна на стороне катода, а другая - на стороне анода предлагаемого пакета электролизера.Another component used in the proposed CO 2 electrolyzer package is a pressure chamber formed in special end blocks located at both ends of the package - i.e. on the cathode side and on the anode side. These pressure chambers provide adaptive pressure control on the cells on both sides and thereby uniform pressure distribution across the cells. This structure prevents deformation of the package body and, thereby, a reduction in the contact area between the internal components. The result is constant stability of the bag even under high pressure. It is important to note that the use of end blocks eliminates the need for moving parts (such as pistons or valves) or elasto-plastic elements as means of regulating the pressure in the stack. In addition, unlike external pressure control, the use of pressure chambers in these end blocks is essentially safe, since the pressure in the pressure chambers can never exceed the pressure occurring in the electrolysis cells. To ensure pressure-independent electrochemical performance, pressure chambers are used in pairs, i.e. one on the cathode side and the other on the anode side of the proposed electrolyser package.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Далее изобретение будет раскрыто на примерах прилагаемых чертежей, где:The invention will be further described using the accompanying drawings as examples, where:
- Фиг. 1 упрощенно иллюстрирует работу предлагаемой установки электролиза диоксида углерода с подачей (увлажненного) газообразного СО2 на стороне катода и подачей подготовленного анолита на стороне анода применяемой в ней электролизной ячейки/пакета;- Fig. 1 simplifies the operation of the proposed carbon dioxide electrolysis plant with the supply of (humidified) CO 2 gas on the cathode side and the supply of the prepared anolyte on the anode side of the electrolysis cell/package used in it;
- Фиг. 2А - схематический вид в поперечном разрезе однослойной электролизной ячейки с возможностью применения в установке электролиза диоксида углерода на Фиг. 1;- Fig. 2A is a schematic cross-sectional view of a single-layer electrolysis cell suitable for use in the carbon dioxide electrolysis plant of FIG. 1;
- Фиг. 2В - перспективный вид части примера ячейки на Фиг. 2А;- Fig. 2B is a perspective view of a portion of the example cell of FIG. 2A;
- Фиг. 3А и 3В - полные виды соответственно сверху и снизу в аксонометрии частного примера осуществления предлагаемого пакета электролизера с тремя ячейками для конверсии углекислый газ в разнообразные газофазные продукты;- Fig. 3A and 3B are complete top and bottom axonometric views, respectively, of a particular example of the implementation of the proposed electrolyzer package with three cells for the conversion of carbon dioxide into a variety of gas-phase products;
- Фиг. 4 - изображение в частично разобранном виде предлагаемого многоячейкового пакета электролизера, содержащего n ячеек, с одной электролизной ячейкой в разобранном виде;- Fig. 4 is a partially disassembled image of the proposed multi-cell electrolyzer package containing n cells, with one electrolysis cell in disassembled form;
- Фиг. 5 - вид снизу предпочтительной двухкомпонентной сборной биполярной пластины, применяемой в качестве первого (анодного) компонента промежуточной электролизной ячейки (ячейки i+1) пакета, а также второй (катодной) части соседней промежуточной электролизной ячейки (ячейки /) пакета (в данном случае: 0<i<n-1, /, n - целые числа);- Fig. 5 is a bottom view of a preferred two-component bipolar plate assembly used as the first (anodic) component of the intermediate electrolysis cell (cell i+1) of the stack, as well as the second (cathode) part of the adjacent intermediate electrolysis cell (cell i) of the stack (in this case: 0<i<n-1, /, n - integers);
- Фиг. 5А - вид биполярной пластины на Фиг. 5 в поперечном разрезе сборной по оси А-А;- Fig. 5A is a view of the bipolar plate in FIG. 5 in a cross section of the assembly along the A-A axis;
- Фиг. 5В - вид сборной биполярной пластины на Фиг. 5 в поперечном разрезе по оси В-В;- Fig. 5B is a view of the bipolar plate assembly of FIG. 5 in cross section along the B-B axis;
- Фиг .6 - вид в поперечном разрезе 3-ячейкового пакета по оси А-А на Фиг. 3А, собранного с образованием параллельной конфигурации потока с точки зрения подачи СО2 в пакет; в данном случае, система проточных каналов и полостей, обозначенная серым цветом, представляет путь потока газа в пакете от входа СО2 к выходу СО2 и продукта;- Fig.6 is a cross-sectional view of a 3-cell package along the axis A-A in Fig. 3A assembled to form a parallel flow configuration in terms of supplying CO 2 to the stack; in this case, the system of flow channels and cavities, indicated in gray, represents the flow path of the gas in the package from the CO 2 inlet to the CO 2 and product outlet;
- Фиг. 7 - вид в поперечном разрезе 3-ячейкового пакета по оси А-А на Фиг. 3А, собранного с образованием последовательной конфигурация сточки зрения подачи СО2 в пакет; в данном случае, система проточных каналов и полостей, обозначенная серым цветом, представляет путь потока газа в пакете от входа СО2 к выходу СО2 и продукта;- Fig. 7 is a cross-sectional view of a 3-cell package along axis AA in FIG. 3A, assembled to form a sequential configuration in terms of supplying CO 2 to the package; in this case, the system of flow channels and cavities, indicated in gray, represents the flow path of the gas in the package from the CO 2 inlet to the CO 2 and product outlet;
- Фиг. 8 - вид в поперечном разрезе 3-ячейкового пакета по оси В-В на Фиг. 3А в последовательной/параллельной конфигурации; в данном случае, система проточных каналов и полостей, обозначенная серым цветом, представляет путь потока текучей среды (т.е. анолита) в пакете от входа анолита к выходу анолит и анодного продукта (в частности - O2, если анолитом служит вода);- Fig. 8 is a cross-sectional view of a 3-cell package along the B-B axis in FIG. 3A in serial/parallel configuration; in this case, the system of flow channels and cavities, indicated in gray, represents the flow path of the fluid (i.e., anolyte) in the package from the anolyte inlet to the outlet of the anolyte and anode product (in particular - O 2 if the anolyte is water);
- Фиг. 9 иллюстрирует различные схемы потока, сформированные на поверхности катодного токоприемника, применяемого в предлагаемом пакете электролизера; в данном случае, Фиг. 9(а) - (с) изображают некоторые примеры конструкции с подачей СО2 в ячейку в центре и отбором СО2 из ячейки по наружному периферийному кольцу, а Фиг. 9(d) изображает еще один пример конструкции с подачей СО2 в ячейку по периметру катодного токоприемника и отбором СО2 из ячейки также по периметру катодного токоприемника, но в месте, расположенном напротив точки, где происходит ввод СО2, после прохождения по двойной спиральной схеме;- Fig. 9 illustrates various flow patterns formed on the surface of a cathode current collector used in the proposed electrolyser package; in this case, Fig. 9(a) - (c) show some examples of a design with CO 2 supplied to the cell in the center and CO 2 withdrawn from the cell along the outer peripheral ring, and FIG. 9(d) depicts another example of a design with CO 2 supplied to the cell along the perimeter of the cathode susceptor and CO 2 withdrawn from the cell also along the perimeter of the cathode susceptor, but in a place located opposite the point where CO 2 is introduced, after passing along the double helical scheme;
- Фиг. 10A иллюстрирует возможный предпочтительный вариант осуществления проставочного элемента на стороне анода, применяемого для создания последовательной конфигурации потока газа между двумя соседними ячейками/сборными биполярными пластинами в многоячейковом пакете электролизера после сборки;- Fig. 10A illustrates a possible preferred embodiment of an anode side spacer element used to create a series gas flow pattern between two adjacent cells/bipolar plate assemblies in a multi-cell cell stack after assembly;
- Фиг. 10В иллюстрирует возможный предпочтительный вариант осуществления проставочного элемента на стороне анода, применяемого для создания параллельной конфигурации потока газа между двумя соседними ячейками/сборными биполярными пластинами в многоячейковом пакете электролизера после сборки;- Fig. 10B illustrates a possible preferred embodiment of an anode side spacer element used to create a parallel gas flow configuration between two adjacent cells/bipolar plate assemblies in a multi-cell cell stack after assembly;
- Фиг. 11А и 11В изображают возможный предпочтительный вариант осуществления анодного токоприемника, т.е. анодной части сборной биполярной пластины на Фиг. 5, сверху и снизу соответственно, со схемой потока, сформированной в одной из его боковых поверхностей, с выделением полостей, сформированных для кольцевых уплотнений;- Fig. 11A and 11B depict a possible preferred embodiment of the anode current collector, i.e. the anode part of the assembled bipolar plate in Fig. 5, top and bottom respectively, with a flow pattern formed in one of its side surfaces, highlighting the cavities formed for the ring seals;
- Фиг. 12А и 12В - изображения в разобранном виде одной ячейки в многослойном пакете электролизера, собранном с образованием последовательной или параллельной конфигурации потока газа соответственно;- Fig. 12A and 12B are exploded views of one cell in a multilayer cell stack assembled to form a series or parallel gas flow configuration, respectively;
- Фиг. 13 иллюстрирует эффекты увеличения числа индивидуальных электролизных ячеек в предлагаемом пакете электролизера, собранном с образованием последовательной или параллельной конфигурации потока газа; в частности, на графике (а) представлены конверсии СО2 в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В / ячейка, возможные при применении 1-ячейкового и 3-ячейкового электролизера с последовательным соединением при разных расходах подачи СО2, а на графике (b) представлена конверсия СО2 в ходе электролиза при разных напряжениях ячейки, возможная при применении пакета электролизера, содержащего одну ячейку или три параллельно соединенные ячейки (при идентичной нормированной подаче газа в ячейки);- Fig. 13 illustrates the effects of increasing the number of individual electrolysis cells in an inventive electrolyzer stack assembled to form a series or parallel gas flow configuration; in particular, graph (a) shows CO 2 conversions during electrolysis at ΔU = -2.75 V / cell, possible when using a 1-cell and 3-cell electrolyzer with a series connection at different CO 2 supply flow rates, and graph (b ) the conversion of CO 2 during electrolysis at different cell voltages is presented, which is possible when using an electrolyzer package containing one cell or three parallel-connected cells (with an identical normalized gas supply to the cells);
- Фиг. 14 изображает график плотности тока в зависимости от рабочего напряжения ячейки предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2, применяемого для получения синтез-газа (смеси Н2/СО на серебряном катализаторе) или углеводорода (СН4 и С2Н4 на медном катализаторе), полученный способом вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала (ВАМЛРП) со скоростью развертки v=10 мВ/с-1, с содержащими разные катализаторы отрицательными газодиффузионными электродами (ГДЭ);- Fig. 14 depicts a graph of current density depending on the operating voltage of the cell of the proposed 3-cell package of a CO 2 electrolyzer used to produce synthesis gas (H 2 /CO mixture on a silver catalyst) or hydrocarbon (CH 4 and C 2 H 4 on a copper catalyst) , obtained by voltammetry with linear potential scan (VAMLRP) with a scan rate v=10 mV/s -1 , with negative gas diffusion electrodes (GDE) containing different catalysts;
- Фиг.15 - хроноамперометрическая кривая, полученная при ΔU=-3 В / ячейка для предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2, с применением содержащего 1 мг/см-2 серебра отрицательного ГДЭ, иммобилизованного на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления;- Fig. 15 - chronoamperometric curve obtained at ΔU=-3 V / cell for the proposed 3-cell CO 2 electrolyzer package, using negative GDE containing 1 mg/cm -2 silver, immobilized on carbon paper “Sigracet39BC” by sputtering;
- Фиг. 16 представляет газовые хроматограммы, полученные в ходе хроноамперометрического измерения при ΔU=-2.75 В / ячейка, выполненного с применением предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2 с серебряным [график (а)] или медным [график (b) катализаторами];- Fig. 16 shows gas chromatograms obtained from a chronoamperometric measurement at ΔU=-2.75 V/cell performed using the proposed 3-cell CO 2 electrolyzer stack with silver [graph (a)] or copper [graph (b) catalysts];
- Фиг. 17 изображает плотности неполного тока для образования СО и Н2 (ординаты слева), а также отношение плотностей неполного тока (ординаты справа) при разных напряжениях пакета (полученные путем хроноамперометрических и газохроматографических измерений);- Fig. 17 depicts the partial current densities for the formation of CO and H 2 (ordinates on the left), as well as the ratio of partial current densities (ordinates on the right) at different stack voltages (obtained by chronoamperometric and gas chromatographic measurements);
- Фиг. 18 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от количества серебряного катализатора в отрицательном ГДЭ;- Fig. 18 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the amount of silver catalyst in the negative GDE;
- Фиг.19 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от применяемого межкатодного расстояния;- Fig. 19 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU=-2.75 V depending on the intercathode distance used;
- Фиг. 20 представляет плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от глубины схемы потока на катодной стороне предлагаемого пакета электролизера;- Fig. 20 represents partial current densities for H 2 and CO production (left ordinates) and CO 2 conversion (right ordinates) during electrolysis at ΔU=-2.75 V as a function of the depth of the flow pattern on the cathode side of the proposed electrolyzer stack;
- Фиг. 21 иллюстрирует плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от расхода диоксида углерода (нормализованного по площади поверхности) в катодном отделении предлагаемого пакета электролизера;- Fig. 21 illustrates the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the consumption of carbon dioxide (normalized by surface area) in the cathode compartment of the proposed electrolyzer package ;
- Фиг. 22 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от температуры анолита (гидроксид калия (KOH) в концентрации 1М) (при расходе подачи ~9 см3 см-2 мин-1) в предлагаемом пакете электролизера;- Fig. 22 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the temperature of the anolyte (potassium hydroxide (KOH) in a concentration of 1 M) (at a flow rate feed ~9 cm 3 cm -2 min -1 ) in the proposed electrolyzer package;
- Фиг. 23 представляет кривые ВАМЛРП, полученные при скорости развертки v=10 мВ/с-1 при различных дифференциальных давлениях СО2 в ходе электролиза в предлагаемом пакете электролизера; и- Fig. 23 presents VAMLRP curves obtained at a scan speed v=10 mV/s -1 at various differential pressures of CO 2 during electrolysis in the proposed electrolyzer package; And
- Фиг. 24 изображает плотности тока при разных напряжениях пакета (график А) и отношение плотностей неполного тока (график В) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В, обе в зависимости от дифференциального давления СО2.- Fig. 24 depicts the current densities at different stack voltages (graph A) and the ratio of partial current densities (graph B) during electrolysis at ΔU=-2.75 V, both depending on the differential pressure of CO 2 .
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Фиг. 1 иллюстрирует пример осуществления установки 200 электролиза СО2, содержащей (электрохимический) пакет 100 электролизера СО2, выполненный с возможностью генерирования газообразных продуктов под высокими давлениями с высокими степенями конверсии путем электролиза газообразного СО2, подаваемого в пакет 100, содержащий катод 101 на катодной стороне, анод 103 на анодной стороне и разделитель 102 для отделения указанных катода 101 и анода 102 друг от друга; в данном случае, разделитель 102 предпочтительно представляет собой элемент на основе ПЭМ (например, анионообменной мембраны, или катионообменной мембраны, или биполярной мембраны). Указанный пакет 100 содержит по меньшей мере один вход 101а газа и по меньшей мере один выход 101b газа, оба связанные по газу с катодной стороной пакета 100. Указанный пакет 100 также содержит по меньшей мере один вход 103а текучей среды и по меньшей мере один выход 103b текучей среды, оба связанные по текучей среде с анодной стороной пакета 100. Установка 200 дополнительно содержит источник 201 газообразного СО2, увлажнитель 203 для увлажнения газообразного СО2, источник 220 питания для подачи энергии электрохимическому пакету 100, блок 211 регенерации анолита для регенерации анолита 213, применяемого на анодной стороне пакета 100, водоотделитель 208 для удаления влаги из одного или нескольких газообразных продуктов, полученного путем электролиза газообразного СО2 на катодной стороне пакета 100, регулятор 209 противодавления для создания давления в пакет 100 с целью поддержания высокого давления (до 30 бар включительно, предпочтительно до 20 бар включительно) в пакете 100, а также выход 216 газообразного продукта, выходящий в приемник газофазного продукта (не показан). Источником 201 СО2 может быть либо источник чистого газообразного СО2, либо источник, из которого СО2 поступает в виде газовой смеси. Установка 200 необязательно дополнительно содержит регулятор 202 массового расхода для точного регулирования массового расхода газообразного СО2, подаваемого на катодную сторону пакета 100, и соответствующие манометры 210, 210' для определения давления, преобладающего в пакете 100. Источник 201 СО2 соединен с входом 101а газа пакета 100 соответствующей трубой 204, а выход 216 продукта соединен с выходом 101 b газа пакета 100 трубой 207. Результатом является образование непрерывного тракта потока от указанного источника 201 СО2 к выходу 216 продукта через катодную сторону пакета 100. Регулятор 202 массового расхода предпочтительно установлен в трубе 204 ниже по потоку от источника 201 СО2. Увлажнитель 203 предпочтительно установлен в трубе 204 ниже по потоку от регулятора 202 массового расхода для увлажнения газообразного СО2 перед его поступлением в пакет 100. Увлажнитель 203 предпочтительно представляет собой термостатированный увлажнитель барботажного типа, при этом также возможно применение увлажнителя любого другого типа. Манометр 210 необязательно также установлен в трубе 204 для непрерывного контроля давление на входе в пакет 100. Водоотделитель 208 установлен в трубе 207 ниже по потоку от пакета 100. Регулятор 209 противодавления установлен в трубе 207 ниже по потоку от указанного водоотделителя 208. Специалисту в данной области техники будет понятно, что водоотделитель 208 и регулятор 209 противодавления могут представлять собой водоотделитель и регулятор давления любого типа. Дополнительный манометр 210' необязательно установлен в трубе 207 между пакетом 100 и регулятором 209 противодавления для непрерывного контроля давления на выходе из пакета 100. Это также позволяет определять перепад давления на пакете 100 посредством манометров 210, 210'.Fig. 1 illustrates an exemplary embodiment of a CO 2 electrolysis plant 200 comprising an (electrochemical) CO 2 electrolyzer package 100 configured to generate gaseous products under high pressures with high conversion rates by electrolyzing CO 2 gas supplied to the
Анодная сторона пакета 100 связана по текучей среде через ее выход ЮЗЬ текучей среды и трубу 205 с впускным отверстием 211а блока 211 регенерации анолита. Кроме того, анодная сторона пакета 100 связана по текучей среде через ее вход 103а текучей среды и трубу 206 с выпускным отверстием 211b блока 211 регенерации анолита. Таким образом, образован замкнутый непрерывный тракт потока на анодной стороне пакета 100 между указанной анодной стороной и блоком 211 регенерации анолита. По данному замкнутому тракту потока осуществляют циркуляцию анолита 213 с помощью насоса 215, предпочтительно установленного в трубе 206, проходящей между анодной стороной, через соответствующую систему каналов текучей среды, сформированных в аноде, и блок 211 регенерации для регенерации (при необходимости) анолита, отработанного при одной или нескольких электрохимических реакциях на анодной стороне пакета 100. Кроме того, для обеспечения возможности вентиляции указанного блока 211 регенерации анолита, указанный блок также содержит вентиляционные средства 214 с возможностью удаления через них избыточного газа, скапливающегося в блоке 211 регенерации после отделения от отработанного анолита 213 в процессе регенерации анолита 213. Для обеспечения оптимальной работы установки 200 электролиза СО2 и, в свою очередь, пакета 100, блок 211 регенерации анолита термически связан с соответствующими средствами 212 кондиционирования для регулирования температуры анолита 213, то есть его охлаждения/нагрева. Специалисту в данной области техники будет понятно, что для этой цели возможно применение средств кондиционирования, т.е. охладителя/нагревателя, любого типа.The anode side of the
Что касается источника электропитания пакета 100, отрицательный полюс источника 220 питания электрически связан с катодной стороной пакета 100, в частности - с контактной пластиной на стороне катода, а положительный полюс источника 220 питания электрически связан с анодной стороной пакета 100, в частности - с контактной пластиной на стороне анода (как будет подробно раскрыто ниже). Источник 220 питания может представлять собой либо электрическую сеть, либо какой-либо локальный источник электроэнергии, т.е. солнечный, ветровой, ядерный. Источник 220 питания также может представлять собой одноразовый или перезаряжаемый аккумулятор.With respect to the power supply of the
В работе, диоксид углерода (чистый или в виде газовой смеси) сперва увлажняют при контролируемой температуре (предпочтительно в диапазоне от приблизительно 20°С до приблизительно 70°С), а затем подают на катодную сторону пакета 100. В данном случае, на катод не подают какой-либо раствор. В случае подачи только увлажненного газообразного СО2 на катодную сторону, концентрация реагента на катализаторе остается очень высокой, что позволяет обеспечить высокие скорости реакции (токи). Кроме того, из-за отсутствия подачи раствора, не происходит вымывание непрореагировавшего реагента с потоком раствора. Так как реагент данного типа оказывает важное и комплексное влияние на показатели работы пакета, данная модификация с точки зрения типа подачи представляет собой важное отличие от большинства известных решений. В ходе электролитических реакций в предлагаемой установке 200 электролиза СО2 происходит образование только газофазных продуктов в пакете 100. В зависимости от применяемых в пакете 100 катализаторов и проводимых реакций электролиза СО2 (см. Таблицу 1), получают разнообразные продукты; в число примеров в данном случае входят: (i) синтез-газ (смесь СО/Н2 контролируемого состава) и (ii) этилен. Газообразные продукты, образующиеся в катодной части, т.е. в системе проточных каналов, сформированных в конструктивных элементах на стороне катода (раскрыты ниже), покидают пакет 100 с последующим вводом в водоотделитель 208 для удаления влаги. Анолит 213 (применяемый в виде водного раствора, тип которого зависит от типа применяемого разделителя 102, т.е. применяемой ионообменной мембраны) непосредственно и непрерывно подают на анодную сторону пакета 100 с помощью насоса 215. Далее указанный анолит 213 течет через пакет 100 в системе проточных каналов, сформированных в конструктивных элементах на стороне анода, и собирает газообразный кислород, образующийся в ходе реакции электролиза СО2, на его пути.In operation, carbon dioxide (pure or as a gas mixture) is first humidified at a controlled temperature (preferably in the range of about 20° C. to about 70° C.) and then applied to the cathode side of the
Когда поток анолита 213 покинет пакет 100 и до начала его рециркуляции в указанный пакет 100, происходит высвобождение содержащегося в анолите 213 кислорода в блоке 211 регенерации анолита и его сброс через указанные вентиляционные средства 214. Следует отметить, что совместно с конверсией СО2 можно осуществлять иные обоснованные электролитические процессы (помимо водяного окисления, например, получение хлора или окисление спиртов), как будет понятно специалисту в данной области техники; конфигурация указанной установки 200 / пакета 100 пригодна не только для водяного окисления. Кроме того, в ходе работы установки 200, регулятор 209 противодавления непрерывно регулирует давление в пакете 100. Таким образом, в отличие от большинства известных решений, пакет 100 электролизера работает по существу при постоянном дифференциальном давлении.When the flow of
Фиг. 2А - схематический вид в поперечном разрезе примера одной электролизной ячейки на основе ПЭМ с возможностью применения в пакете 100 электролизера СО2 / установке 200 на Фиг. 1; Фиг. 2В - перспективный вид части ячейки вблизи от оси b-b на Фиг. 2А. Указанная ячейка содержит ПЭМ, в частности - ионообменную мембрану 7, 102, удерживаемую на месте (т.е. на стороне катода и на стороне анода) проставочными элементами 9(а, b), расположенными на противоположных сторонах указанной мембраны 7 вдоль ее наружной кромочной части. Мембрана 7 функционирует как разделительный элемент, отделяя друг от друга катод 101 и анод 103 (т.е. катодную и анодную стороны) ячейки. На катодной стороне, слой (катодного) катализатора 6b расположен рядом и в непосредственном соприкосновении с мембраной 7. На слое катализатора 6b, а именно - на его поверхности, обращенной от мембраны 7, расположен газодиффузионный слой 6а в непосредственном соприкосновении с указанный слой катализатора 6b. На газодиффузионном слое 6а расположена пластина катодного токоприемника 5 в непосредственном соприкосновении с указанным газодиффузионным слоем 6а.Fig. 2A is a schematic cross-sectional view of an example of one FEM-based electrolysis cell for use in the CO 2 electrolyzer stack 100/
В данном случае, мембрана 7 представляет собой анионообменную мембрану, имеющуюся в продаже под торговыми наименованиями ''Fumasep'', ''Selemion'' и «Sustanion», в качестве только некоторых примеров, в работе обеспечивающую возможность переноса гидроксид-ионов (ионов ОН-; зарядов и, следовательно, тока) между катодной и анодной сторонами ячейки через свою основную часть, при этом вода (Н2О), диффундирующая через нее с анодной на катодную сторону, участвует в электролитическом восстановлении СО2 на катодной стороне. Так как в данном случае не происходит перенос электронов через мембрану 7, указанная мембрана 7 работает по существу как слой электроизоляции между катодной и анодной сторонами ячейки. Специалисту в данной области техники будет понятно, что, в зависимости оттого, какая электролитическая реакция должна быть проведена на катодной стороне, также возможно применение катионообменных мембран, имеющихся в продаже под торговыми наименованиями, например, «Nafion» и «Aquivion», или дополнительных биполярных мембран (например, «Fumasep FBM») в качестве мембраны 7.In this case,
Катодный токоприемник 5, с одной стороны, функционирует как токораспределительный элемент, т.е. равномерно распределяет электрический ток, полученный из внешнего источника питания через контактную пластину на стороне катода (раскрытую ниже), по газодиффузионному слою 6а на стороне катода, а с другой стороны - образует соответствующее пространство для сжатия указанного газодиффузионного слоя 6а на стороне катода. Катодный токоприемник 5 содержит систему внутриплоскостных проточных каналов 5'' высотой М, сформированных на/в поверхности катодного токоприемника 5, обращенной к мембране 7; указанная система проточных каналов 5'' соответствует различным геометрическим структурам (см., например, Фиг. 9). Сформированные в виде упорядоченной системы проточные каналы 5'' обеспечивают равномерное распределение газообразного СО2 по газодиффузионному слою 6а на стороне катода. Катодный токоприемник 5 также содержит, в виде сквозных отверстий, вход для подачи газообразного СО2 к газодиффузионному слою 6а и выход для выпуска газообразного продукта, образующегося на катодной стороне ячейки в ходе реакции электролиза (восстановления) СО2.The cathode
В работе, газодиффузионный слой 6а на стороне катода обеспечивает возможность переноса СО2 к слою катодного катализатора 6b в соприкосновении с мембраной 7, где происходит реакция восстановления газообразного СО2 с образованием желаемого продукта. Газодиффузионный слой 6а также обеспечивает возможность переноса указанного газообразного продукта (в виде смеси, также содержащей некоторое количество непреобразованного СО2) по системе проточных каналов на стороне катода к выходу СО2 и продукта ячейки. Для обеспечения эффективных переносных свойств, в качестве газодиффузионного слоя 6а на стороне катода возможно применение любой из углеродной ткани, углеродного войлока или углеродной пленки, предпочтительно - модифицированной микропористым слоем, как известно специалисту в данной области техники. В качестве катодного катализатора 6b возможно применение множества катализаторов, в данном случае - предпочтительно катализаторов «серебро – углерод» (Ag/С) и «медь – углерод» (Cu/С). Суммарная толщина газодиффузионного слоя 6а и слоя катодного катализатора 6b равна Н, как показано на Фиг. 2В, и представляет собой расстояние между катодными отделениями.In operation, the
В свою очередь, на анодной стороне слой анодного катализатора 8b расположен рядом и в непосредственном соприкосновении с мембраной 7; в данном случае наиболее предпочтительными являются анодные катализаторы на основе 1 IrOx, RuOx, ΝiΟx и TiOx. На слое анодного катализатора 8b, на его поверхности, обращенной от мембраны 7, расположен газодиффузионный слой 8а на стороне анода в непосредственном соприкосновении с указанным слоем анодного катализатора 8b. Указанный газодиффузионный слой 8а на стороне анода сформирован из слоя титановой фритты (Ti-фритты) в виде прессованного титанового порошка с разным средним размером частиц (предпочтительно в диапазоне 50-200 мкм) или слоя никелевой фритты (Ni-фритты) в виде прессованного никелевого порошка с разным средним размером частиц (предпочтительно в диапазоне 50-200 мкм), титановой сетки (Ti-сетки) или никелевой сетки (Ni-сетки), при этом диапазон толщины проволоки и размера отверстий обеих сеток составляет, например, 50-200 мкм. На газодиффузионном слое 8а на стороне анода расположена пластина анодного токоприемника 10 в непосредственном соприкосновении с указанным газодиффузионным слоем 8а. Анодный токоприемник 10 также содержит систему проточных каналов 5', сформированных в поверхности анодного токоприемника 10, обращенной к мембране 7.In turn, on the anode side, a layer of
Анодный токоприемник 10, с одной стороны, функционирует как токораспределительный элемент, т.е. равномерно распределяет электрический ток, полученный из внешнего источника питания через контактную пластину на стороне анода (раскрытую ниже) по газодиффузионному слою 8а на стороне анода, а с другой стороны - образует соответствующее пространство для сжатия газодиффузионного слоя 8а на стороне анода. Анодный токоприемник 10 также содержит, в виде сквозных отверстий, вход для подачи жидкого анолита к газодиффузионному слою 8а на стороне анода и выход для выпуска смеси жидкого анолита с анодными продуктами (например, газообразным O2, если анолит также содержит воду), образующейся на анодной стороне ячейки в ходе реакций электролиза (окисления) анолита, происходящих на анодной стороне.The anode
Специалисту в данной области техники будет понятно, что газодиффузионный слой 6а на стороне катода, слой катодного катализатора 6b, мембрана 7, слой анодного катализатора 8b и газодиффузионный слой 8а на стороне анода могут быть объединены с образованием единого целого, т.е. мембраноэлектродной сборки и нанесены в виде указанной сборки для построения модульной электролизной ячейки за счет размещения мембраноэлектродной сборки между катодным токоприемником 5 и анодным токоприемником 10 с возможностью электрического соединения и связи по газу / текучей среде между ними и установки указанной сборки в правильное положение с помощью проставочных элементов 9а, 9b на стороне анода. Также следует отметить, что полученная таким образом электролизная ячейка, изображенная на Фиг. 2, представляет собой электролизную ячейку с по существу нулевым зазором и, как раскрыто ниже, может найти применение для построения многоячейковых пакетов 100'' электролизера СО2 модульного строения.One skilled in the art will appreciate that the cathode side
Фиг. 3 и 4 иллюстрируют примеры многоячейковых пакетов 100', 100'' электролизера с более чем одним модулем электролизной ячейки. В частности, Фиг. 3А и 3В - виды в аксонометрии соответственно сверху и снизу пакета 100' электролизера, содержащего три электролизные ячейки, выполненные с возможностью конверсии газообразного СО2 в газообразные продукты под высокими давлениями и с высокими степенями конверсии путем электролиза. Фиг. 4 -изображение в разобранном виде предлагаемого многоячейкового пакета 100'' электролизера, содержащего n ячеек 40 (n - целое положительное число), с одной электролизной ячейкой из серии ячеек 40 в разобранном виде. При этом число n целесообразно выбирать из диапазона от по меньшей мере одного до десяти или более; в частности, число n применяемых ячеек предпочтительно составляет от двух до семи, более предпочтительно - от трех до шести, и наиболее предпочтительно - три, или четыре, или пять, или шесть в одном пакете 100'' электролизера.Fig. 3 and 4 illustrate examples of multi-cell electrolyzer stacks 100', 100'' with more than one electrolysis cell module. In particular, FIG. 3A and 3B are perspective views, respectively, from above and below an electrolyzer package 100' containing three electrolysis cells configured to convert CO 2 gas into gaseous products under high pressures and high conversion rates by electrolysis. Fig. 4 is an exploded view of a proposed multi-cell electrolyzer package 100'' containing n cells 40 (n is a positive integer), with one electrolysis cell from a series of
Как видно из Фиг. 3А, 3В и 4, пакеты 100', 100'' электролизера имеют модульное строение, компоненты, применяемые для построения пакетов 100', 100'', выполнены в виде пластинчатых элементов разного функционального назначения. Пластинчатые компоненты могут быть произвольной плоской формы; в примерах осуществления на Фиг. 3А, 3В и 4 компоненты выполнены по существу по форме круга. Кроме того, для ускорения сборки и/или повторной сборки указанных компонентов в пакеты 100', 100'', каждый из пластинчатых компонентов выполнен с облегчающим сборку углублением 52, сформированным в его наружной кромке. Облегчающие сборку углубления 52 четко указывают, как правильно объединять компоненты в пакет; при правильном размещении/ориентации компонентов, указанные углубления 52 выровнены друг с другом.As can be seen from FIG. 3A, 3B and 4, the packages 100', 100'' of the electrolyser have a modular structure, the components used to build the packages 100', 100'' are made in the form of plate elements for different functional purposes. The plate components can be of any flat shape; in the exemplary embodiments of FIGS.
По окончании сборки указанных компонентов в пакет, полученный таким образом пакет содержит индивидуальные электролизные ячейки, расположенные бок о бок в продольном направлении. Здесь и далее, понятие «продольное» характеризует направление, по существу перпендикулярное плоскостям поверхностей указанных пластинчатых компонентов. На Фиг. 3А, 3В и 4 показано, что пластинчатые компоненты выполнены с множеством сквозных отверстий в указанном продольном направлении. Часть указанных отверстий представляют собой расточки 1а под винты 1 с термоусадочными трубками и прокладками для сборки указанных компонентов в пакеты 100', 100'' с последующим плотным соединением указанных компонентов путем навинчивания винтовых гаек 14 с прокладками на винты 1, вставленные в соответствующие расточки 1а. Остальные отверстия, сформированные в указанных пластинчатых компонентах, выполненные с возможностью надлежащего выравнивания друг с другом и уплотнения специальными средствами уплотнения каналов (подробно раскрытыми ниже), которые могут быть размещены по окружности каждого отверстия и между пластинчатыми компонентами, служат для формирования продольной проточной части систем каналов перемещения на катодной и анодной сторонах в пределах пакетов 100', 100''. В частности, на катодной стороне одно из указанных отверстий служит в качестве входа 21 газа для ввода газообразного СО2 в электролизные ячейки 40, собранные с образованием последовательной или параллельной (или смешанной) конфигурации сточки зрения подачи СО2 и его перемещения в пакете, а два других из указанных отверстий служат в качестве: (i) входа 23 текучей среды для ввода жидкого анолита в электролизные ячейки 40, собранные с образованием последовательной/параллельной конфигурации, и (ii) выхода 24 текучей среды для выпуска отработанного анолита с газообразными анодными продуктами (например, О2), образующимися в индивидуальных ячейках 40 одной или нескольких реакций электролиза на стороне анода. В свою очередь, на анодной стороне одно из указанных отверстий служит в качестве выхода 22 газа для выпуска непрореагировавшего СО2, в избытке поступившего с газообразными катодными продуктами, образующимися в ячейках 40 в ходе электролиза СО2 на стороне катода.Upon completion of the assembly of these components into a package, the package thus obtained contains individual electrolysis cells located side by side in the longitudinal direction. Hereinafter, the term “longitudinal” characterizes a direction substantially perpendicular to the planes of the surfaces of said plate components. In FIG. 3A, 3B and 4 show that the plate components are configured with a plurality of through holes in said longitudinal direction. Part of these holes are
В примере на Фиг. 4 предлагаемый многоячейковый пакет 100'' электролизера СО2 применяют для разложения газообразного СО2 путем электролиза и получения, в зависимости от применяемых катализаторов и анолита, разнообразных газообразных продуктов. Для этой цели пакет 100'' содержит некоторое число n электролизных ячеек 40, расположенных рядом друг с другом и с возможностью герметичного соединения по текучей среде / газу друг с другом посредством продольной части систем каналов перемещения на катодной и анодной сторонах. Кроме того, указанные электролизные ячейки 40 электрически соединены друг с другом и с электрическими выводами пакета 100'', т.е. с контактными пластинами 4, 11 последовательно на стороне катода и на стороне анода. Таким образом, пакет 100'' содержит серию электролизных ячеек 40, состоящую из межсоединенных промежуточных ячеек, расположенных между концевым блоком 26 на стороне катода и концевым блоком 27 на стороне анода на противоположных концах указанной серии в продольном направлении.In the example in FIG. 4, the proposed multi-cell package 100'' of a CO 2 electrolyzer is used for the decomposition of gaseous CO 2 by electrolysis and the production, depending on the catalysts and anolyte used, of various gaseous products. For this purpose, the package 100'' contains a number n of
Концевой блок 26 на стороне катода замыкает серию электролизных ячеек 40 на катодной стороне пакета 100''. Внутренняя поверхность концевого блока 26 на стороне катода находится в непосредственном соприкосновении с первой ячейкой 40 указанной серии, а наружная поверхность концевого блока 26 на стороне катода на практике открыта в окружающую среду. Концевой блок 26 на стороне катода сам по себе имеет модульное строение; он содержит контактную пластину 4 на стороне катода с рассматриваемой внутренней поверхностью, изоляцию 3 на стороне катода, расположенную на указанной контактной пластине 4 на стороне катода, и концевую пластину 2 на стороне катода с указанной наружной поверхностью, расположенной на изоляции 3 на стороне катода. Концевая пластина 2 на стороне катода содержит отверстия, связанные по газу / текучей среде соответственно с катодными и/или анодными системами каналов перемещения пакета 100'' через соответствующие отверстия, сформированные в изоляции 3 и контактной пластине 4 и надлежаще выровненные с рассматриваемыми отверстиями, т.е. входом 21 газа для подачи СО2, входом 23 текучей среды для подачи анолита и выходом 24 текучей среды для выпуска отработанного анолита (и анодного продукта). В собранном состоянии пакета 100'', отверстия, сформированные в концевом блоке 26 на стороне катода на одной оси друг с другом, образуют непрерывные продольные уплотненные проточные каналы, каждый из которых выходит в соответствующее отверстие первой электролизной ячейки 40. В данном случае, уплотнение обеспечено за счет уплотнительных элементов соответствующего размера, предпочтительно в виде уплотнительных колец 15, 16, 17, выполненных из коррозионно-стойкой пластмассы (например, марки Viton8), расположенных между концевой пластиной 2 и изоляцией 3, изоляцией 3 и контактной пластиной 4, а также между контактной пластиной 4 и указанной первой ячейкой по окружности соответствующих отверстий. Концевая пластина 2 на стороне катода служит в качестве элемента механического упрочнения и для повышения непроницаемости пакета 100'' под давлением за счет сквозных винтов 1. Изоляция 3 на стороне катода служит в качестве электроизоляции между концевой пластиной 2 и контактной пластиной 4 на стороне катода. Изоляция 3 на стороне катода также вмещает напорную камеру на стороне катода, предотвращающую возможные смещения внутренних компонентов пакета 100'' в сторону концевой пластины 2 на стороне катода при повышении давления пакета 100'' после начала его работы. Указанная напорная камера выполнена в виде полости в основной части изоляции 3 на стороне катода и проходит на некоторый участок концевой пластины 2 на стороне катода, когда пакет 100'' собран. В таком случае, напорная камера на стороне катода уплотнена уплотнительным кольцом 15, размещенным в кольцевом желобе по окружности указанной полости в изоляции 3 на стороне катода между изоляцией 3 и концевой пластиной 2. Кроме того, контактная пластина 4 на стороне катода обеспечивает электрическое соединение с внешним источником электроэнергии, одновременно функционируя как токораспределительный элемент, равномерно распределяющий электрический ток, полученный из указанного power источник через внутреннюю поверхность концевого блока 26 на стороне катода по крайней снаружи поверхности каждой первой ячейки в серии промежуточных ячеек 40. Контактная пластина 4 на стороне катода также облегчает подачу газообразного СО2 в первую электролизную ячейку 40 пакета 100'', а также ввод жидкого анолита в первую электролизную ячейку 40 пакета 100'' и выпуск отработанного анолита из нее.The cathode
Концевой блок 27 на стороне анода замыкает серию электролизных ячеек 40 на анодной стороне пакета 100''. Внутренняя поверхность концевого блока 27 на стороне анода находится в непосредственном соприкосновении с последней, т.е. n-ой, ячейкой 40 указанной серии, а наружная поверхность концевого блока 27 на стороне анода на практике открыта в окружающую среду. Концевой блок 27 на стороне анода сам по себе имеет модульное строение; он содержит контактную пластину 11 на стороне анода с рассматриваемой внутренней поверхностью, изоляцию 12 на стороне анода, расположенную на указанной контактной пластине 11 на стороне анода и концевую пластину 13 на стороне анода с указанной наружной поверхностью, расположенную на изоляции 12 на стороне анода.The anode
Концевая пластина 13 на стороне анода содержит отверстие, связанное по газу с катодной системой каналов перемещения пакета 100'' через соответствующие отверстия, сформированные в изоляции 12 на стороне анода и контактной пластине 11 на стороне анода и надлежаще выровненные с рассматриваемым отверстием, т.е. выходом 22 газа для выпуска СО2 и катодного продукта. В собранном состоянии пакета 100'', отверстия, сформированные в концевом блоке 27, на стороне анода на одной оси друг с другом образуют непрерывный продольный уплотненный проточный канал, выходящий в соответствующее отверстие последней электролизной ячейки 40. В данном случае, уплотнение обеспечено за счет уплотнительных элементов соответствующего размера, предпочтительно в виде уплотнительных колец, размещенных между указанной последней ячейкой и контактной пластиной 11 на стороне анода, контактной пластиной 11 на стороне анода и изоляцией 12 на стороне анода, а также между изоляцией 12 на стороне анода и концевой пластиной 13 на стороне анода по окружности указанных отверстий; рассматриваемые уплотнительные кольца аналогичны/эквивалентны уплотнительным кольцам, применяемым в концевом блоке 26 на стороне катода. В данном случае, контактная пластина 11 на стороне анода обеспечивает электрическое соединение с внешним источником электроэнергии, одновременно функционируя как токораспределительный элемент, равномерно распределяющий электрический ток, полученный из указанного источника энергии, через внутреннюю поверхность концевого блока 27 на стороне анода по крайней снаружи поверхности каждой последней ячейки в серии промежуточных ячеек 40. Контактная пластина 11 на стороне анода также облегчает выпуск газообразного СО2, смешанного с продуктом электролиза, из последней электролизной ячейки 40 пакета 100''. Изоляция 12 на стороне анода служит в качестве электроизоляции между контактной пластиной 11 на стороне анода и концевой пластиной 13 на стороне анода. Изоляция 12 на стороне анода также вмещает напорную камеру на стороне анода, πредтвращающую возможные смещения внутренних компонентов пакета 100'' в сторону концевой пластины 13 на стороне анода, при повышении давления пакета 100'' после начала его работы. Указанная напорная камера выполнена в виде полости в основной части изоляции 12 на стороне анода и проходит на некоторый участок концевой пластины 13 на стороне анода, когда пакет 100'' собран. В таком случае, напорная камера на стороне анода уплотнена уплотнительным кольцом 15, размещенным в кольцевом желобе по окружности указанной полости в изоляции 12 на стороне анода между изоляцией 12 и концевой пластиной 13 на стороне анода. Кроме того, концевая пластина 13 на стороне анода служит в качестве элемента механического упрочнения и для повышения непроницаемости пакета 100'' под давлением за счет винтовых гаек 14 с прокладками, навинченных на винты 1, проходящих через всю конструкцию пакета 100'' в расточках 1а от концевой пластины 2 на стороне катода. Согласно общепринятой практике, контактная пластина 4 на стороне катода и контактная пластина 11 на стороне анода электрически соединены соответственно с отрицательным и положительным полюсами внешнего источника энергии.The anode
В примерах на Фиг. 5, 5А и 5В, изображающих виды двухкомпонентной сборной биполярной пластины 40' соответственно снизу, в поперечном разрезе по оси А-А и в поперечном разрезе по оси В-В, первый компонент 40а сборки 40' (т.е. анодный токоприемник 10 в одной ячейке) и второй компонент 40b сборки 40' (т.е. катодный токоприемник 5(а, b, с, d) в одной ячейке) содержат на своих противоположных боковых поверхностях некоторые элементы систем каналов перемещения катодной и анодной сторон. В частности, первый компонент 40а содержит входные/выходные отверстия для систем проточных каналов на стороне катода и на стороне анода в пределах ячейки 40'. Указанными отверстиями являются: входной канал 41 перемещения газа в ячейку и выходной канал 42 перемещения газа из ячейки для подачи и перемещения газа (т.е. СО2, желаемого продукта) на катодной стороне в сборной биполярной пластине 40', а также канал 48 входа анолита в ячейку, канал 49 выхода анолита из ячейки, канал 43 перемещения анолита в ячейке и канал 44 перемещения анолита и анодного продукта в ячейке для подачи и перемещения текучей среды (т.е. анолита; отработанного анолита с анодным продуктом, например, газообразным 02) на анодной стороне в сборной биполярной пластине 40'. Первый компонент 40а также содержит внутриплоскостную систему проточных каналов 5' текучей среды определенной геометрии на/в своей боковой поверхности, обращенной, при нахождении в составе пакета, в сторону концевого блока на стороне катода. Указанные отверстия ведут от указанной боковой поверхности к противоположной боковой поверхности первого компонента 40b, где каждое из указанных отверстий ведет в соответствующую полость, полностью окружающую его, т.е. полости 33а, 33b, 33с, 33d. Указанные полости и отверстия создают связь по текучей среде с соответствующими продольными проточными каналами 41', 42', 43', 44' текучей среды, сформированными во втором компоненте 40b. Указанный второй компонент 40b также содержит канал 46 входа газа в ячейку и канал 47 выхода газа из ячейки для подачи и перемещения газа (т.е. СО2, желаемого продукта) на катодной стороне в сборной биполярной пластине 40', а также внутриплоскостную систему проточных каналов 5'' газа определенной геометрии (см. Фиг. 9). Указанные полости снабжены соответствующими уплотнительными элементами, в частности - уплотнительными кольцами 16, 17, 17', 19, выполненными из коррозионно-стойкой пластмассы (например, Viton8) для уплотнения проточных каналов, когда пакет собран, и поддержания преобладающего давления в пакете во время работы.In the examples in FIGS. 5, 5A and 5B, respectively, showing bottom views of the two-piece bipolar plate assembly 40', in cross section along axis A-A and in cross section along axis B-B, of the
Первый и второй компоненты 40а, 40b сборки 40' выполнены из того же электропроводного состава, что и остальные части пакета, обеспечивающие проведение электричества, например, титана, нержавеющей стали, разнообразных сплавов и композиционных материалов. Отверстия и полости сформированы способом механической обработки, в частности - фрезерования на станке с числовым программным управлением (ЧПУ).The first and
Из Фиг. 4 видно, что после сборки предлагаемого пакета 100'' электролизера СО2 между концевыми блоками 26, 27 на стороне катода и на стороне анода расположены n по существу идентичных промежуточных электролизных ячеек 40, причем электролизные ячейки 40 соединены друг с другом (i) последовательно с точки зрения управления мощностью (электрическим током) пакета 100'', (ii) параллельно с точки зрения подачи и перемещения анолита в пакете 100'' и (iii) последовательно, или параллельно, или комбинированно с точки зрения с точки зрения подачи и перемещения СО2 в пакете 100''. Каждая ячейка 40 сформирована из двухкомпонентных сборных биполярных мембран 40' (см. Фиг. 5А и 5В). В частности, каждая ячейка 40 содержит первый (анодный) компонент 40а /-ной сборной биполярной мембраны 40', второй (катодный) компонент 40b соседней, т.е. (j-1)-ной сборной биполярной мембраны 40' (в данном случае, 1<j<n, целое число), раскрытую выше мембраноэлектродную сборку, расположенную между первым и вторым компонентами 40а, 40b, и проставочный элемент 9а, 9b на стороне анода, вставленный между первым и вторым компонентами 40а, 40b сборной биполярной мембраны 40' в ее периферийной области. Признак (i) является следствием электрической связи между следующими друг за другом ячейками 40 в пакете 100''. Признак (ii) является следствием физического построения, т.е. числа продольных каналов, выполненных в проставочных элементах 9а, 9b на стороне анода для перемещения газа на катодной стороне, и фактической ориентации, в которой тот или иной проставочный элемент 9а, 9b расположен в пакете 100''. В частности, на Фиг. 10А показано, что один продольный канал 36 выполнен в проставочных элементах 9а для применения при соединении двух соседних ячеек с возможностью образования последовательного проточного канала газа на катодной стороне пакета 100''; соответствующая конфигурация ячейки проиллюстрирована в разобранном виде на Фиг. 12А. Кроме того, на Фиг.10В показано, что два продольных канала 36 выполнены в проставочном элементе 9b для применения при соединении двух соседних ячеек с возможностью образования проточных каналов газа, проходящих параллельно на катодной стороне пакета 100''; в данном случае, продольные каналы 36 сформированы в диаметрально противоположных местах проставочного элемента 9b. Соответствующая конфигурация ячейки проиллюстрирована в разобранном виде на Фиг. 12В.From Fig. 4, it can be seen that after assembly of the proposed CO 2 electrolyzer package 100'', n substantially identical
Далее будет подробнее раскрыто управление газом на стороне катода и управление текучей средой на стороне анода для предпочтительного варианта осуществления многоячейкового пакета 100'' электролизера, содержащего три индивидуальные ячейки 40 или сборные биполярные пластины 40'. В частности, Фиг. 6 изображает 3-ячейковый пакет 100' электролизера в поперечном разрезе по оси А-А на Фиг. 3А с газовым трактом пакета, обозначенным серым цветом; в данном случае, пакет 100' собран с образованием параллельной конфигурации газовых трактов индивидуальных ячеек 40 с точки зрения подачи и перемещения СО2 в пакете 100'. Фиг. 7 иллюстрирует 3-ячейковый пакет 100' электролизера в поперечном разрезе по оси А-А на Фиг. 3А с газовым трактом пакета, также обозначенным серым цветом; в данном случае, пакет 100' собран с образованием последовательной конфигурации газовых трактов индивидуальных ячеек 40 с точки зрения подачи и перемещения СО2 в пакете 100'. Фиг. 8 изображает 3-ячейковый пакет 100' электролизера в поперечном разрезе по оси В-В на Фиг. 3А с трактом текучей среды пакета, обозначенная серым цветом; в данном случае, пакет 100' собран с образованием любой из последовательной и параллельной конфигураций индивидуальных ячеек 40 с точки зрения подачи и перемещения СО2 в пакете 100', при этом тракты текучей среды ячеек объединены с образованием параллельной конфигурации тракта текучей среды пакета с точки зрения подачи и перемещения анолита в пакете 100'.The cathode-side gas control and the anode-side fluid control for a preferred embodiment of a multi-cell electrolyzer stack 100'' comprising three
Фиг. 6 иллюстрирует непрерывный газовый тракт пакета, проходящий от входа 21 газа к выходу 22 газа через напорную камеру 31 на стороне катода, сформированную в концевом блоке на стороне катода, в частности в изоляции 3 на стороне катода, далее через расточки, сформированные в изоляции 3 на стороне катода и контактной пластине 4 на стороне катода, выходящие во вход 46 газа в ячейку, сформированный в катодном токоприемнике, далее через указанный вход 46 газа в ячейку 46 в желоба 45 схемы 5'' потока (см. Фиг. 9), сформированные в поверхности катодного токоприемника, обращенной к газодиффузионному слою на стороне катода, и в первую электролизную ячейку 40, расположенную в серии применяемых ячеек 40. Газовый тракт пакета проходит далее в виде внутри плоскостного газового тракта первой ячейки 40, образованной между токоприемником на стороне катода и газодиффузионным слоем на стороне катода, находящимися в частичном соприкосновении друг с другом, и выходит из первой ячейки 40 через выход 47 газа из ячейки, связанный по газу с уплотненной полостью 33b; указанная полость 33b сформирована в поверхности анодного токоприемника. Газовый тракт пакета далее проходит от указанной полости 33b через выходной канал 35 перемещения газа, далее через расточки, сформированные в контактной пластине 11 на стороне анода и изоляции 12 на стороне анода, в напорную камеру 32 на стороне анода, сформированную в концевом блоке на стороне анода, в частности - в изоляции 12 на стороне анода, далее из указанной напорной камеры 32 на стороне анода к выходу 22 газа. В данном случае, выходной канал 35 перемещения газа образован выходными каналами 42' перемещения газа из ячейки (см. Фиг. 9), сформированными в катодном токоприемнике, внутренним каналом 36 перемещения газа проставочного элемента 9b на стороне анода (см. Фиг. 10В) и выходным каналом 42 перемещения газа из ячейки, сформированным в анодном токоприемнике (см., например, Фиг. 11А).Fig. 6 illustrates a continuous gas path of the stack extending from the
Кроме того, для подачи СО2 во вторую и любые последующие ячейки 40, тракт пакета проходит от напорной камеры 31 на стороне катода через входной канал 34 перемещения газа в уплотненные полости 33а, сформированные в указанной поверхности анодного токоприемника индивидуальных ячеек 40, причем каждая из полостей 33а соединена с входом 46 газа в ячейку ячейки 40. Таким образом, в работе, все ячейки 40 связаны по газу с указанным входным каналом 34 перемещения газа, что означает то, что конфигурация перемещения газа пакета 100' электролизера является параллельной. Входной канал 34 перемещения газа, образованный входным каналом 41 перемещения газа в ячейку, сформированным в катодном токоприемнике, дополнительным внутренним каналом 36 перемещения газа проставочного элемента 9b на стороне анода и входным каналом 41 газа в ячейку, заканчивается концом входного канала 34а перемещения газа, т.е. представляет собой глухой желоб.In addition, to supply CO 2 to the second and any
Фиг. 7 иллюстрирует непрерывный газовый тракт пакета, проходящий от входа 21 газа к выходу 22 газа. В данном случае, когда многоячейковый пакет 100' электролизера собран, за счет (Г) применения проставочного элемента 9а на стороне анода с единственным внутренним каналом 36 перемещения газа (вместо двух) и того, что (ii) указанный проставочный элемент 9а на стороне анода расположен в соседних ячейках в ориентации с поворотом на 180° вокруг оси, перпендикулярной проставочному элементу 9а в его центре, тракт пакета образует последовательно соединенные тракты ячеек в результате разбиения входного канал 34 перемещения газа и выходного канала 35 перемещения газа (см. Фиг. 6).Fig. 7 illustrates a continuous gas path of the package extending from
Фиг. 8 иллюстрирует непрерывный тракт текучей среды пакета, проходящий от входа 23 текучей среды к выходу 24 текучей среды через непрерывный канал перемещения входного потока, образованный сквозным каналом 43' в катодном токоприемнике, сквозным каналом 38 в проставочном элементе и сквозным каналом 43 в анодном токоприемнике электролизных ячеек, далее через уплотненные полости 33с, связанные по потоку с входами 48 текучей среды в ячейки, далее через схемы 5' потока и сквозные каналы 49 в уплотненные полости 33d, далее из полостей 33d, связанных по текучей среде с непрерывным каналом перемещения выходного потока, образованным сквозным каналом 44 в анодном токоприемнике, сквозным каналом 39 в проставочном элементе и сквозным каналом 44' в катодном токоприемнике электролизных ячеек.Fig. 8 illustrates a continuous stack fluid path extending from
Далее на примерах Фиг. 9-11 будут подробнее раскрыты конструктивные компоненты одной электролизной ячейки 40, например, проиллюстрированной на Фиг. 4 в разобранном виде, сформированной из двухкомпонентных сборных биполярных пластин 40'.Next, using the examples of Fig. 9-11 will detail the structural components of one
В частности, Фиг. 9 изображает четыре возможных варианта осуществления катодного токоприемника 5а, 5b, 5 с, 5d (образующего второй компонент 40b применяемых двухкомпонентных сборных биполярных пластин), причем каждый вариант осуществления содержит ту или иную систему внутриплоскостных проточных каналов или схему 5'' потока. Схема 5'' потока играет решающую роль в обеспечении равномерной подачи СО2 на катодную сторону ячеек и эффективного отбора продукта из них. В данном случае, подача СО2 происходит по проходящему продольно каналу 46 входа газа в ячейку, а отбор продукта осуществляют по каналу 47 выхода газа из ячейки, также проходящему в продольном направлении. Между указанными входным и выходным каналами 46 и 47 происходит перемещение газообразного СО2 и его непрерывное участие в реакции электролиза на катоде и, как следствие, конверсия в газообразный продукт в желобах 45 непрерывной схемы 5'' потока, находящихся в соприкосновении с мембраноэлектродной сборкой (не показана). Как видно из Фиг. 9, в трех примерах конфигурации потока, а именно -конфигурациях потока на Фиг. 5(а) - 5(c), соответствующих лабиринтной схеме потока, схеме потока типа сдвинутых окружностей и радиальной двойной спиральной схеме потока, газообразный СО2 подают в центре, т.е. канал 46 входа газа в ячейку расположен в центре катодного токоприемника, и отбирают по всей окружности наружного кольца, т.е. канал 47 выхода газа из ячейки расположен в периферийной части катодного токоприемника. Фиг. 5d) иллюстрирует дополнительную конфигурацию потока, при которой СО2 подают по периметру катодного токоприемника и отбирают, например, в диаметрально противоположном месте катодного токоприемника после прохождение по двойной спиральной схеме, т.е. и канал 46 входа газа в ячейку, и выходной канал 47 расположены в периферийной области катодного токоприемника. Неожиданно было установлено, что, в отличие от топливных элементов, наилучшие показатели во всех случаях демонстрировали схемы потока с подачей СО2 в центре схемы потока.In particular, FIG. 9 depicts four possible embodiments of the cathode
Следует отметить, что для применения катодных токоприемников 5а, 5b, 5 с, 5d других схем 5'' потока совместно с тем же анодным токоприемником 10 в многослойном пакете, иначе говоря - для применения второго компонента 40b различных схем 5'' потока двухкомпонентной биполярной пластины 40' с единственным типом первого компонента 40а (т.е. с уникальной схемой потока 5'), входной канал перемещения газа 41 сформирован особым образом. В частности, форма указанного входного канала перемещения газа 41 является круглой на стороне второго компонента 40b со схемой 5'' потока и узкой продолговатой на противоположной стороне второго компонента 40b для покрытия канала 46 входа газа в ячейку независимо от того, сформирован ли он в центре или в периферийной области второго компонента 40b.It should be noted that for the use of cathode
Фиг. 10A и 10В изображают возможные варианты осуществления проставочных элементов 9а, 9b на стороне анода, предназначенных для размещения между катодным токоприемником и анодным токоприемником в каждой электролизной ячейке 40 многоячейкового пакета 100', 100'' электролизера для создания соответственно последовательной или параллельной конфигурации проточного канала газа на стороне катода. Эти два типа проставочных элементов 9а, 9b на стороне анода по существу идентичны, за исключение числа внутренних каналов 36 перемещения газа, проходящих в продольном направлении. В случае выбора данной уникальной конструкции, проставочные элементы на стороне анода представляют собой проставочные элементы, выполненные с возможностью функционирования в качестве средства выбора пути соединения друг с другом трактов двух соседних ячеек в газовом тракте пакета электролизера. Проставочные элементы 9а, 9b на стороне анода выполнены из диэлектриков, предпочтительно - из пластмасс или тефлона. Таким образом, указанные проставочные элементы 9а, 9b на стороне анода просты и дешевы в изготовлении, даже в промышленных масштабах и автоматизированным способом.Fig. 10A and 10B depict possible embodiments of anode-
Фиг. 11 изображает анодный токоприемник 10 (образующий первый компонент 40а двухкомпонентных сборных биполярных пластин), применяемый в предлагаемых пакетах электролизера СО2, при этом Фиг. 11А - это вид сверху, а Фиг. 11В - вид снизу анодного токоприемника 10, с выделением полостей 33а, 33b, 33c, 33d, выполненных для создания уплотненного соединения по газу / текучей среде для управления газом / текучей средой пакета, а также для вмещения необходимых уплотнительных элементов, т.е. разнообразных уплотнительных колец.Fig. 11 depicts the anode current collector 10 (forming the
И наконец, Фиг. 12А и 12В иллюстрируют в разобранном виде одну ячейку 40 многоячейкового пакета электролизера, собранного с образованием соответственно последовательной и параллельной конфигураций потока газа на стороне катода. Фиг. 12А и 12В также демонстрируют преимущество применяемого модульного строения. В частности, применение вместо проставочного элемента 9а на стороне анода с единственным внутренним каналом 36 перемещения газа проставочного элемента 9b на стороне анода, содержащего два внутренних канала 36 перемещения газа, позволяет без труда менять конфигурацию потока рассматриваемой ячейки 40 с последовательной на параллельную и наоборот. Т.е. просто разобрав пакет электролизера на ячейки, а любую из ячеек на компоненты, заменив проставочный элемент(-ы) на стороне анода проставочным элементом(-ами) на стороне анода, нужным для желаемой конфигурации потока газа на стороне катода, затем повторно собрав каждую ячейку из компонентов, а затем собрав пакет из ячеек, можно получить многоячейковый пакет электролизера с желаемым вариантом управления потоком газа. Таким образом, предлагаемый многослойный пакет электролизера можно просто и быстро приспосабливать к производственным нуждам и практически без промедления.And finally, Fig. 12A and 12B illustrate an exploded view of one
Далее изобретение и его преимущества будут дополнительно раскрыты на примере экспериментальных измерений, проведенных на пакетах электролизера СО2, выполненных с одной или тремя ячейками, в последнем случае соединенным последовательно / параллельно.Next, the invention and its advantages will be further disclosed by the example of experimental measurements carried out on CO 2 electrolyzer packages made with one or three cells, in the latter case connected in series/parallel.
Как сказано выше, предлагаемый пакет электролизера СО2 выполнен с по меньшей мере одной, предпочтительно - с более чем одной ячейками, т.е. его основная часть, осуществляющая электролиз СО2, образована индивидуальными электролизными ячейками, электрически соединенными последовательно, а с точки зрения управления газом в пакете - с образованием последовательной или параллельной конфигурации; число ячеек, применяемых для построения пакета, достигает десяти или более и предпочтительно находится в диапазоне от двух до семи, более предпочтительно - от трех до шести, и наиболее предпочтительно составляет три, или четыре, или пять, или шесть.As stated above, the proposed CO 2 electrolyser package is made with at least one, preferably more than one, cells, i.e. its main part, carrying out the electrolysis of CO 2 , is formed by individual electrolysis cells, electrically connected in series, and from the point of view of controlling the gas in the package, forming a series or parallel configuration; the number of cells used to construct the package is ten or more, and preferably ranges from two to seven, more preferably from three to six, and most preferably three, or four, or five, or six.
Пример 1 - РаботаExample 1 - Work
Данный пример содержит краткое сравнение некоторых рабочих характеристик 3-ячейкового пакет, собранного с образованием последовательной конфигурации, а затем - параллельной конфигурации (с точки зрения управления газом на стороне катода), и 1-ячейкового пакета (т.е. одной ячейки).This example provides a brief comparison of some of the performance characteristics of a 3-cell stack assembled to form a series configuration, then a parallel configuration (from a cathode-side gas control perspective), and a 1-cell stack (i.e., a single cell).
Фиг. 13 иллюстрирует эффекты увеличения числа индивидуальных электролизных ячеек, применяемых в возможном варианте осуществления предлагаемого пакета, собранного с образованием последовательной или параллельной конфигурации потока газа. В частности, на графике (а) представлены конверсии СО2 в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В / ячейка, возможные при применении 1-ячейкового и 3-ячейкового последовательно соединенного пакета при разных расходах подачи СО2. На графике (b) представлена конверсия СО2 в ходе электролиза при разных напряжениях пакета, возможная при применении одной ячейки или трех параллельно соединенных ячеек, (при идентичной нормированной подаче газа в ячейки). Серия измерений выполнена с подачей анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С к аноду (с расходом подачи 1.5 дм3 мин-1). В качестве слоя катодного катализатора, 3 мг/см-2 серебра (Ag) было иммобилизовано на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. В качестве анодного катализатора, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2. Кроме того, был задан расход СО2 8.3 см3 см-2 мин-1 для измерений представленных на (b).Fig. 13 illustrates the effects of increasing the number of individual electrolysis cells used in an exemplary embodiment of the proposed stack assembled to form a series or parallel gas flow configuration. In particular, graph (a) shows CO 2 conversions during electrolysis at ΔU = -2.75 V / cell, which are possible when using a 1-cell and 3-cell series-connected package at different CO 2 supply flow rates. Graph (b) shows the conversion of CO 2 during electrolysis at different package voltages, which is possible when using one cell or three parallel-connected cells (with identical normalized gas supply to the cells). A series of measurements was carried out with the supply of KOH anolyte in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50°C to the anode (with a supply flow rate of 1.5 dm 3 min -1 ). As a cathode catalyst layer, 3 mg/cm -2 silver (Ag) was immobilized on Sigracet39BC carbon paper by sputtering. As an anodic catalyst, 1 mg/cm -2 of iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 . In addition, the CO 2 flow rate was set to 8.3 cm 3 cm -2 min -1 for the measurements presented in (b).
Как видно из графика (а), когда три электролизные ячейки соединены последовательно (по сравнению с 1-ячейковым пакетом в тех же условиях):As can be seen from graph (a), when three electrolysis cells are connected in series (compared to a 1-cell stack under the same conditions):
• улучшается конверсия СО2;• CO 2 conversion improves;
• данный эффект тем более выражен, чем выше расход; и• this effect is more pronounced the higher the flow rate; And
• достигнута конверсия приблизительно 40%.• approximately 40% conversion achieved.
Как видно из графика (b), когда три электролизные ячейки соединены параллельно (по сравнению с 1-ячейковым пакетом в тех же условиях):As can be seen from graph (b), when three electrolysis cells are connected in parallel (compared to a 1-cell stack under the same conditions):
• можно увеличить число ячеек без изменения рабочих характеристик;• you can increase the number of cells without changing the performance characteristics;
• поток СО2 внутри пакета разделен равномерно; и• CO 2 flow inside the package is evenly divided; And
• конверсия и неполные токи СО аналогичны в 3-ячейковой конфигурации, что наглядно подтверждает возможность изменения масштаба процесса.• conversion and partial CO currents are similar in the 3-cell configuration, which clearly confirms the possibility of changing the scale of the process.
Фиг. 14 иллюстрирует зависимость плотности тока от рабочего напряжения ячейки предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2, применяемого для получения синтез-газа (смесь Н2/СО на серебряном катализаторе) или углеводорода (СН4 и С2Н4 на медном катализаторе). Кривые были получены способом вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала (ВАМЛРП) при скорости развертки v=10 мВ/с-1 с содержащими разные катализаторы отрицательными газодиффузионными электродами (ГДЭ). Серия измерений выполнена с непрерывной подачей анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи -9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1. В качестве слоя катодного катализатора, 1 мг/см-2 серебра (Ag) было иммобилизовано на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Cu-содержащий ГДЭ был сформирован электроосаждением. В качестве слоя анодного катализатора, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Кроме того, пакет был снабжен проставочным элементом толщиной 300 мкм.Fig. 14 illustrates the dependence of the current density on the operating voltage of the cell of the proposed 3-cell package of a CO 2 electrolyzer used to produce synthesis gas (H 2 /CO mixture on a silver catalyst) or hydrocarbon (CH 4 and C 2 H 4 on a copper catalyst). The curves were obtained by linear potential sweep voltammetry (VAMLRP) at a scan rate v=10 mV/s -1 with negative gas diffusion electrodes (GDE) containing different catalysts. A series of measurements was carried out with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50 ° C into the anode compartment (with a flow rate of -9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with flow rate u=2.5 cm 3 cm -2 min -1 . As a cathode catalyst layer, 1 mg/cm -2 silver (Ag) was immobilized on Sigracet39BC carbon paper by sputtering. Cu-containing GDE was formed by electrodeposition. As an anodic catalyst layer, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". In addition, the package was equipped with a
Электрохимические показатели ячеек подтверждают низкую потребность в напряжении. Благодаря отличному электрическому соединению друг с другом различных компонентов пакета, усиливающемуся под давлением, рабочее напряжение пакета является достаточно низким (от 2.5 до 3.0 В). Следствием этого являются хорошие показатели эффективности (40-50%). Образование синтез-газа (смеси Н2/СО) было продемонстрировано в присутствии катализатора «серебро - углерод», а получение этилена было продемонстрировано в присутствии катализатора «медь - углерод».The electrochemical performance of the cells confirms the low voltage requirement. Due to the excellent electrical connection between the various components of the package, which increases under pressure, the operating voltage of the package is quite low (from 2.5 to 3.0 V). The consequence of this is good efficiency rates (40-50%). The formation of synthesis gas (H 2 /CO mixture) has been demonstrated in the presence of a silver-carbon catalyst, and the production of ethylene has been demonstrated in the presence of a copper-carbon catalyst.
Фиг. 15 демонстрирует стабильную работу пакета электролизера. Представленная хроноамперометрическая кривая были получена при ΔU=-3 В / ячейка для предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2, с применением отрицательного ГДЭ, содержащего 1 мг/см-2 серебряного катализатора, иммобилизованного на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Пакет был снабжен проставочным элементом толщиной 270 мкм. Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1Μ температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи -9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 15 demonstrates the stable operation of the electrolyzer package. The presented chronoamperometric curve was obtained at ΔU=-3 V/cell for the proposed 3-cell CO 2 electrolyzer package, using negative GDE containing 1 mg/cm -2 silver catalyst immobilized on carbon paper "Sigracet39BC" by sputtering. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The package was equipped with a spacer element with a thickness of 270 microns. The measurement was performed with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1Μ at a temperature of Τ = 50°C into the anode compartment (with a flow rate of -9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with flow rate u=2.5 cm 3 cm -2 min -1 .
Фиг. 16 представляет получение разных газообразных продуктов восстановления СО2 с помощью пакета электролизера с разными катализаторами. Газовые хроматограммы были получены в ходе хроноамперометрического измерения при ΔU=-2.75 В / ячейка, выполненного с применением предлагаемого 3-ячейкового пакета электролизера СО2, содержащего напыленный ГДЭ, содержащий 3 мг/см-2 серебряного катализатора [график (а)], и ГДЭ с медным катализатором, сформированным электроосаждением медных нанокубов на угольную бумагу «Sigracet39BC» [график (b)]. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Содержащий серебро ГДЭ и слой анодного катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Пакет был снабжен проставочным элементом толщиной 270 мкм. Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи - 9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u ~ 2.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 16 represents the production of different gaseous CO 2 reduction products using an electrolyzer stack with different catalysts. Gas chromatograms were obtained from a chronoamperometric measurement at ΔU=-2.75 V/cell performed using the proposed 3-cell CO 2 electrolyzer stack containing sprayed GDE containing 3 mg/cm -2 silver catalyst [graph (a)], and GDE with a copper catalyst formed by electrodeposition of copper nanocubes onto Sigracet39BC carbon paper [graph (b)]. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. The silver-containing GDE and the anodic catalyst layer contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The package was equipped with a spacer element with a thickness of 270 microns. The measurement was performed with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50 ° C into the anode compartment (with a flow rate of 9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with a flow rate u ~ 2.5 cm 3 cm -2 min -1 .
Пример 2 - Состав суммарного продукта в зависимости от напряженияExample 2 - Composition of the total product depending on voltage
Данный пример подтверждает то, что состав синтез-газа (соотношение Н2/СО) можно просто регулировать путем изменения напряжения пакета. Чем выше напряжение пакета, тем больше количество получаемого Н2.This example confirms that the composition of the synthesis gas (H 2 /CO ratio) can be simply adjusted by changing the voltage of the package. The higher the voltage of the package, the greater the amount of H 2 received.
Фиг. 17 изображает плотности неполного тока для образования СО и Н2 (ординаты слева), а также отношение плотностей неполного тока (ординаты справа) при разных напряжениях пакета (полученные путем хроноамперометрических и газохроматографических измерений), при применении содержащего 3 мг/см-2 серебра отрицательного ГДЭ, иммобилизованного на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Пакет был снабжен проставочным элементом толщиной 300 мкм. Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 17 depicts the partial current densities for the formation of CO and H 2 (ordinates on the left), as well as the ratio of partial current densities (ordinates on the right) at different package voltages (obtained by chronoamperometric and gas chromatographic measurements), when using negative silver containing 3 mg/cm -2 GDE immobilized on Sigracet39BC carbon paper by spraying. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The package was equipped with a
Пример 3- Влияние содержания катализатораExample 3 - Effect of catalyst content
Данный пример подтверждает то, что скорость восстановления диоксида углерода в высокой степени зависит от количества иммобилизованного катодного катализатора. Плотность неполного тока для образования СО достигает максимума при среднем содержании катализатора.This example confirms that the rate of carbon dioxide reduction is highly dependent on the amount of immobilized cathode catalyst. The partial current density for CO formation reaches a maximum at medium catalyst content.
Фиг. 18 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от количества серебряного катализатора в отрицательном ГДЭ. Слой катодного серебряного катализатора был иммобилизован на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 18 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the amount of silver catalyst in the negative GDE. The silver cathode catalyst layer was immobilized on Sigracet39BC carbon paper by sputtering. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The measurement was performed with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50 ° C into the anode compartment (with a flow rate of ~ 9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with flow rate u=2.5 cm 3 cm -2 min -1 .
Пример 4 - Влияние межкатодного расстояния (сжатия ГДС)Example 4 - Effect of intercathode distance (GDS compression)
Данный пример демонстрирует дополнительное преимущество предлагаемой конструкции пакета. Изменение только одного пластмассового элемента позволяет изменять сжатие газодиффузионного слоя (ГДС). Следует отметить, что данный параметр влияет и на состав суммарного продукта, и на конверсию. Важно отметить, что, в случае необходимости применения разных ГДС, пакет можно быстро и просто приспосабливать под них (в отличие от установок типа топливных элементов, где газонепроницаемость и сжатие ГДС обеспечивают за счет прокладки определенной толщины, которая должна быть тщательно подобрана для применяемого ГДЭ).This example demonstrates an additional benefit of the proposed package design. Changing just one plastic element allows you to change the compression of the gas diffusion layer (GDL). It should be noted that this parameter affects both the composition of the total product and the conversion. It is important to note that, if it is necessary to use different GDS, the package can be quickly and easily adapted to them (unlike installations such as fuel cells, where the gas tightness and compression of the GDS is ensured by laying a certain thickness, which must be carefully selected for the GDS used) .
Фиг. 19 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от применяемого межкатодного расстояния. Для катода, слой катодного серебряного катализатора 1 мг/см-2 был иммобилизован на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=1.25 см3 см2 мин-1.Fig. 19 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the intercathode distance used. For the cathode, a layer of 1 mg/cm -2 cathode silver catalyst was immobilized on "Sigracet39BC" carbon paper by sputtering. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt. % ionomer "Sustanion". The measurement was performed with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50 ° C into the anode compartment (with a flow rate of ~ 9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with flow rate u=1.25 cm 3 cm 2 min -1 .
Пример 5 - Влияние применяемой в катодном токоприемнике схемы потока Данный пример наглядно подтверждает то, что конфигурация схемы потока (см. Фиг. 9) оказывает выраженное влияние на время пребывания газообразного СО2 в предлагаемом пакете электролизера и, как следствие, на показатели работы пакета. В данном случае, представлено влияние глубины Μ желоба (см. Фиг. 2В) для схемы потока на Фиг. 9(а). Согласно данному примеру, существует оптимальная глубина желоба и, следовательно, время пребывания, обеспечивающее высокие степени конверсии.Example 5 - Influence of the flow pattern used in the cathode current collector This example clearly confirms that the configuration of the flow pattern (see Fig. 9) has a pronounced impact on the residence time of gaseous CO 2 in the proposed electrolyzer package and, as a consequence, on the performance of the package. In this case, the effect of the trough depth M (see FIG. 2B) is presented for the flow pattern in FIG. 9(a). According to this example, there is an optimal trough depth and therefore residence time that ensures high conversion rates.
Фиг. 20 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от глубины Μ желобов схемы потока, применяемой на катодной стороне предлагаемого пакета электролизера. Для катода, слой катодного серебряного катализатора 3 мг/см-2 был иммобилизован на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс.% иономера «Sustanion». Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи - 9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры)) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 20 depicts the partial current densities for H 2 and CO production (left ordinates) and CO 2 conversion (right ordinates) during electrolysis at ΔU=-2.75 V as a function of the flute depth Μ of the flow pattern employed on the cathode side of the proposed electrolyzer stack. For the cathode, a layer of 3 mg/cm -2 cathode silver catalyst was immobilized on "Sigracet39BC" carbon paper by sputtering. For the anode, 1 mg/cm -2 iridium black was immobilized on a porous titanium frit. Both catalyst layers contained 15 wt.% Sustanion ionomer. The measurement was performed with a continuous supply of anolyte KOH in a concentration of 1 M at a temperature of Τ = 50 ° C into the anode compartment (with a flow rate of 9 cm 3 cm -2 min -1 ), and the cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with flow rate u=2.5 cm 3 cm -2 min -1 .
Пример 6 - Влияние расхода диоксида углерода в пакете электролизераExample 6 - Effect of carbon dioxide flow in the electrolyser package
Данный пример должен подтвердить то, что чем выше расход СО2, тем выше степень конверсии (плотность тока) предлагаемого пакета электролизера. При этом происходит снижение отношения преобразованного СО2 к расходу подачи (поэтому нужно найти и применять оптимальное значение для расхода СО2).This example should confirm that the higher the CO 2 consumption, the higher the degree of conversion (current density) of the proposed electrolyzer package. In this case, the ratio of the converted CO 2 to the supply flow rate decreases (therefore, it is necessary to find and apply the optimal value for the CO 2 flow rate).
Фиг. 21 иллюстрирует плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от расхода диоксида углерода (нормализованного по площади поверхности) в катодном отделении предлагаемого пакета электролизера. В данном случае, для катода также был иммобилизован слой катодного серебряного катализатора 3 мг/см-2 на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion». Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1).Fig. 21 illustrates the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the consumption of carbon dioxide (normalized by surface area) in the cathode compartment of the proposed electrolyzer package . In this case, for the cathode, a layer of
Пример 7 - Влияние температуры анолита (пакета)Example 7 - Effect of anolyte (package) temperature
Данный пример должен подтвердить то, что высокая скорость реакции и селективность могут быть обеспечены при высоких температурах, которые можно без труда регулировать за счет температуры анолита. Важно отметить, что компоненты пакета электролизера выполнены устойчивыми к воздействию горячих (щелочных) растворов, как в данном примере.This example should confirm that high reaction rates and selectivity can be achieved at high temperatures, which can be easily controlled by the temperature of the anolyte. It is important to note that the components of the electrolyzer package are made resistant to hot (alkaline) solutions, as in this example.
Фиг. 22 изображает плотности неполного тока для образования Н2 и СО (ординаты слева) и конверсии СО2 (ординаты справа) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В в зависимости от температуры анолита (KOH в концентрации 1М) (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1) в предлагаемом пакете электролизера. Катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=2.5 см3 см-2 мин-1. В данном случае, для катода также был иммобилизован слой катодного серебряного катализатора 3 мг/см-2 на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Оба слоя катализатора содержали 15 масс. % иономера «Sustanion».Fig. 22 depicts the partial current densities for the formation of H 2 and CO (ordinates on the left) and the conversion of CO 2 (ordinates on the right) during electrolysis at ΔU = -2.75 V depending on the temperature of the anolyte (KOH at a concentration of 1 M) (with a feed flow rate of ~9 cm 3 cm -2 min -1 ) in the proposed electrolyzer package. The cathode compartment was purged with humidified (demineralized water at room temperature) CO 2 with a flow rate of u=2.5 cm 3 cm -2 min -1 . In this case, for the cathode, a layer of
Пример 8 - Влияние давления в пакете электролизераExample 8 - Effect of pressure in the electrolyzer package
Данный пример должен подтвердить то, что при более низких напряжениях пакета преобладающим катодным процессом является восстановление СО2, а при более высоких напряжениях пакета преобладает восстановление воды. С ростом давления СО2 происходит сдвиг перехода от одного к другому из этих двух процессов в сторону более высоких плотностей тока, обеспечивая возможность протекания электровосстановления СО2 с более высокими скоростями. Наклон кривой ВАМЛРП при более низких напряжениях пакета постепенно растет с ростом давления СО2. Таким образом, при работе пакета электролизера под давлением, те же плотности тока могут быть достигнуты при более низких напряжениях пакета. Об этом также свидетельствует осциллограмма кривых ВАМЛРП, полученных для разных давлений СО2 при заданных напряжениях пакета.This example should confirm that at lower stack voltages, the predominant cathodic process is CO 2 reduction, and at higher stack voltages, water reduction predominates. With increasing CO 2 pressure, the transition from one to the other of these two processes shifts towards higher current densities, allowing the electroreduction of CO 2 to occur at higher rates. The slope of the VAMLRP curve at lower stack voltages gradually increases with increasing CO 2 pressure. Thus, when the cell stack is operated under pressure, the same current densities can be achieved at lower stack voltages. This is also evidenced by the oscillogram of the VAMLRP curves obtained for different CO 2 pressures at given package voltages.
Фиг. 23 представляет кривые ВАМЛРП, полученные при скорости развертки v=10 мВ/с-1 при различных дифференциальных давлениях СО2 в диапазоне от 1 бар до 10 бар в ходе электролиза в предлагаемом пакете электролизера. В данном случае, для катода также был иммобилизован слой катодного серебряного катализатора 3 мг/см-2 на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см 2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=12.5 см3 см-2 мин-1.Fig. 23 presents VAMLRP curves obtained at a scan rate of v=10 mV/s -1 at various differential CO 2 pressures ranging from 1 bar to 10 bar during electrolysis in the proposed electrolyzer package. In this case, for the cathode, a layer of
Кроме того, Фиг. 24 изображает плотности тока при разных напряжениях пакета (график А) и отношение плотностей неполного тока (график В) в ходе электролиза при ΔU=-2.75 В, при этом оба графика отражают зависимость от дифференциального давления СО2, преобладающего в пакете электролизера во время его непрерывной работы. В данном случае, для катода также был иммобилизован слой катодного серебряного катализатора 3 мг/см-2 на угольной бумаге «Sigracet39BC» путем напыления. Для анода, 1 мг/см-2 иридиевой черни было иммобилизовано на пористой титановой фритте. Измерение было выполнено при непрерывной подаче анолита KOH в концентрации 1М температурой Τ=50°С в анодное отделение (с расходом подачи ~9 см3 см-2 мин-1), а катодное отделение было продуто увлажненным (деминерализованной водой комнатной температуры) СО2 с расходом u=12.5 см3 см-2 мин-1.In addition, FIG. 24 depicts current densities at different package voltages (graph A) and the ratio of partial current densities (graph B) during electrolysis at ΔU = -2.75 V, while both graphs reflect the dependence on the differential pressure of CO 2 prevailing in the electrolyzer package during its continuous operation. In this case, for the cathode, a layer of
Из Фиг. 24 следует, что селективность по получению СО значительно возрастает с ростом давления СО2. Следовательно, также обеспечена возможность регулирования состава получаемого синтез-газа (соотношение Н2/СО).From Fig. 24 it follows that the selectivity for producing CO increases significantly with increasing CO 2 pressure. Consequently, it is also possible to regulate the composition of the resulting synthesis gas (H 2 /CO ratio).
Краткие выводыBrief conclusions
Как следует из вышесказанного, настоящее изобретение обеспечивает следующее / характеризуется следующим:As can be seen from the above, the present invention provides/is characterized by the following:
• конструкция электрохимического пакета для эффективной электрохимической конверсии диоксида углерода;• design of the electrochemical package for efficient electrochemical conversion of carbon dioxide;
• регулирование давления до 30 бар включительно (предпочтительно 20 бар) посредством напорных камер на стороне катода и на стороне анода;• pressure regulation up to and including 30 bar (preferably 20 bar) by means of pressure chambers on the cathode side and on the anode side;
• допустимое давление, т.е. давление, прилагаемое к пакету электролизера, улучшает координацию различных компонентов, уплотнительных элементов и электрических соединений пакета за счет компенсации негативных последствий неполного соответствия размеров компонентов из-за погрешностей изготовления и тем самым улучшает показатели работы пакета;• permissible pressure, i.e. the pressure applied to the electrolyser package improves the coordination of the various components, sealing elements and electrical connections of the package by compensating for the negative consequences of incomplete sizing of components due to manufacturing errors and thereby improves the performance of the package;
• высокая механическая прочность компонентов (например, применение каркасов из нержавеющей стали, титана, металлических сплавов или композиционных материалов);• high mechanical strength of components (for example, the use of frames made of stainless steel, titanium, metal alloys or composite materials);
• особая система уплотнения, включающая в себя уплотнительные кольца, установленные в углубления/желоба и напорную камеру, как на анодной, так и на катодной сторонах;• a special sealing system, including sealing rings installed in the recesses/grooves and the pressure chamber, both on the anode and cathode sides;
• модульное строение позволяет легко варьировать структуру пакета, как в части величины или физических размеров, так и в части числа ячеек и выхода продукта;• modular structure allows you to easily vary the structure of the package, both in terms of size or physical dimensions, and in terms of the number of cells and product yield;
• многоячейковое строение с последовательной и параллельной подачей газа (важное с точки зрения возможности наращивания), означающее то, что исходный поток газообразного СО2 либо (i) делят в пакете и подают во все ячейки (в нескольких ячейках происходит параллельная конверсия), либо (ii) весь подаваемый СО2 проходит одну за другой все ячейки (последовательная конфигурация);• multi-cell structure with sequential and parallel gas supply (important from the point of view of scalability), meaning that the initial flow of gaseous CO 2 is either (i) divided in a package and supplied to all cells (parallel conversion occurs in several cells), or ( ii) all supplied CO 2 passes one after another through all cells (sequential configuration);
• вышеуказанные два сценария (т.е. управление газом на катодной стороне по последовательной или параллельной схеме) реализованы с применением одних и тех же конструктивных элементов за счет разной сборки, возможность которой обеспечена модульным строением пакета электролизера и многофункциональностью элементов, в частности - проставочного элемента на стороне анода, чья особая конструкция обеспечивает возможность управления газом по последовательной или параллельной схеме в одном и том же пакете;• the above two scenarios (i.e. gas control on the cathode side using a series or parallel circuit) are implemented using the same structural elements due to different assembly, the possibility of which is ensured by the modular structure of the electrolyzer package and the multifunctionality of the elements, in particular the spacer element on the anode side, whose special design makes it possible to control the gas in a series or parallel circuit in the same package;
• модульное строение пакета позволяет комбинировать указанные два сценария, то есть соединять некоторые из электролизных ячеек параллельно, а остальные - последовательно, в одном и том же пакете;• the modular structure of the package allows you to combine these two scenarios, that is, connect some of the electrolysis cells in parallel, and the rest in series, in the same package;
• модульное строение также позволяет применять разные ионообменные мембраны, газодиффузионные слои и катализаторы без изменения общей конфигурации (с одновременным поддержанием допустимого давления);• the modular structure also allows the use of different ion exchange membranes, gas diffusion layers and catalysts without changing the overall configuration (while maintaining the permissible pressure);
• высокие степени конверсии как следствие:• high conversion rates as a result:
непосредственной подачи газа, direct gas supply,
возможности работы под высоким давлением, ability to work under high pressure,
регулируемого времени пребывания (за счет геометрии пакета), adjustable residence time (due to the geometry of the package),
особых схем потока (подача СО2 в центре, радиальный отбор продуктов); special flow patterns (CO 2 supply in the center, radial selection of products);
• новое конструктивное решение для соединения нескольких индивидуальных ячеек друг с другом для облегчения перемещения газа и жидкости в пакете электролизера;• a new design solution for connecting several individual cells to each other to facilitate the movement of gas and liquid in the electrolyzer package;
• широкое разнообразие катализаторов, пригодных для применения в электролизере, в том числе, помимо прочих, на основе Sn, Pb, Ag, Cu, Au, С, Fe, Со, Ni, Zn, Ti, Μn, Mo, Cr, Nb, Pt, Tr, Rh, Ru, разных двухкомпонентных композиций на их основе и их оксидов;• a wide variety of catalysts suitable for use in the electrolyzer, including, but not limited to, those based on Sn, Pb, Ag, Cu, Au, C, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Mn, Mo, Cr, Nb, Pt, Tr, Rh, Ru, various two-component compositions based on them and their oxides;
• множество разных продуктов, образующих разные композиции, в том числе, помимо прочих - водород, монооксид углерода, этилен, метан;• many different products forming different compositions, including, but not limited to, hydrogen, carbon monoxide, ethylene, methane;
• возможность получения, в том числе - в промышленном масштабе, например, синтез-газа и этилен в пакетах электролизера СО2 с катализатором «серебро - углерод» и катализатором «медь - углерод» соответственно;• the possibility of producing, including on an industrial scale, for example, synthesis gas and ethylene in CO 2 electrolyzer packages with a silver-carbon catalyst and a copper-carbon catalyst, respectively;
• возможность оптимизации рабочих параметров (расхода входного потока, увлажнения, давления, температуры пакета, схемы потока и ее глубины, сжатия ГДС);• the ability to optimize operating parameters (input flow rate, humidification, pressure, package temperature, flow pattern and its depth, HDS compression);
• возможность регулирования состава синтез-газ просто путем изменения напряжения пакета.• the ability to regulate the composition of the synthesis gas simply by changing the voltage of the package.
Специалисту в данной области техники также будет понятно, что решения по настоящему изобретению, рассматриваемые по отдельности или в какой-либо комбинации, не ограничены раскрытыми примерами осуществления, т.е. пакеты электролизера выполнены с возможностью конверсии газообразного диоксида углерода, однако они также могут найти применение в других электрохимических установка (например, восстановления N2 до аммиака).One skilled in the art will also understand that the embodiments of the present invention, considered individually or in any combination, are not limited to the disclosed embodiments, i.e. The electrolyzer packages are designed to convert carbon dioxide gas, but they can also find application in other electrochemical plants (for example, the reduction of N 2 to ammonia).
С учетом вышесказанного, с технологической точки зрения, сборка многоячейковых электролизеров, аналогичных проиллюстрированному на Фиг. 1, вместо множества одноячейковых пакетов, работающих по параллельной схеме, позволяет снизить капитальные затраты, так как каркас пакета и контур циркуляции анолита нужно будет построить только один раз, а для включения в состав дополнительной ячейки потребуется только дополнительная сборная биполярная пластина, несколько уплотнительных элементов и дополнительная мембраноэлектродная сборка.In view of the above, from a technological point of view, the assembly of multi-cell electrolyzers similar to that illustrated in FIG. 1, instead of many single-cell packages operating in parallel, allows to reduce capital costs, since the frame of the package and the anolyte circulation circuit will need to be built only once, and to include an additional cell, only an additional prefabricated bipolar plate, several sealing elements and additional membrane-electrode assembly.
Claims (66)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021138568A RU2021138568A (en) | 2023-06-27 |
RU2817540C2 true RU2817540C2 (en) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2062750C1 (en) * | 1992-12-10 | 1996-06-27 | Владимир Николаевич Серебряков | Method of generation of synthesis gas for production of products of the basic organic synthesis and synthetic fuel |
RU36381U1 (en) * | 2003-10-30 | 2004-03-10 | Григорьев Сергей Владимирович | Electrochemical device |
WO2018071818A1 (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | Stafford Wheeler Sheehan | Systems and methods for variable pressure electrochemical carbon dioxide reduction |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2062750C1 (en) * | 1992-12-10 | 1996-06-27 | Владимир Николаевич Серебряков | Method of generation of synthesis gas for production of products of the basic organic synthesis and synthetic fuel |
RU36381U1 (en) * | 2003-10-30 | 2004-03-10 | Григорьев Сергей Владимирович | Electrochemical device |
WO2018071818A1 (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | Stafford Wheeler Sheehan | Systems and methods for variable pressure electrochemical carbon dioxide reduction |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220259745A1 (en) | Modular electrolyzer stack and process to convert carbon dioxide to gaseous products at elevated pressure and with high conversion rate | |
Zhang et al. | Status and perspectives of key materials for PEM electrolyzer | |
Holst et al. | Cost forecast for low-temperature electrolysis-technology driven bottom-up prognosis for PEM and alkaline water electrolysis systems | |
Larrazábal et al. | Analysis of mass flows and membrane cross-over in CO2 reduction at high current densities in an MEA-type electrolyzer | |
Weekes et al. | Electrolytic CO2 reduction in a flow cell | |
US11293107B2 (en) | Systems and methods for variable pressure electrochemical carbon dioxide reduction | |
EP2612390B1 (en) | Assembly for reversible fuel cell | |
US11701631B2 (en) | Carbon compound manufacturing system and method of controlling carbon compound manufacturing system | |
US20230287587A1 (en) | Water electrolyzer | |
Nelabhotla et al. | Power-to-gas for methanation | |
CA3186013A1 (en) | Electrochemical cell for carbon dioxide reduction towards liquid chemicals | |
Hnát et al. | Hydrogen production by electrolysis | |
Fernández-Caso et al. | Coupling glycerol oxidation reaction using Ni-Co foam anodes to CO2 electroreduction in gas-phase for continuous co-valorization | |
RU2817540C2 (en) | Modular package of electrolytic cell and method of conversion of carbon dioxide into gaseous products under high pressure and with high degree of conversion | |
JPH07252682A (en) | Water electrolyzing cell using high-polymer electrolyte membrane | |
EP2797148B1 (en) | Electrochemical cell and reactor comprising same | |
KR101667110B1 (en) | Electrochemical unit cell | |
JPH0244910B2 (en) | ||
NL2032221B1 (en) | Device for performing a biologically catalysed electrochemical reaction | |
US20240309523A1 (en) | Electrode, membrane electrode assembly, electrochemical cell, stack, and electrolyzer | |
Masel et al. | Electrochemical device for converting carbon dioxide to a reaction product | |
US20240158930A1 (en) | Electrochemical cell including ph differential | |
RU2021138568A (en) | MODULAR PACKAGE OF ELECTROLYSER AND METHOD FOR CONVERSING CARBON DIOXIDE INTO GAS-LIKE PRODUCTS UNDER HIGH PRESSURE AND WITH A HIGH DEGREE OF CONVERSION | |
Chaiwarit | Novel electrochemical packed-bed reactor for carbon dioxide reduction | |
KR20230131747A (en) | Composite electrode separator and composite hydrogen production stack including same |