一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解co2和h2o制取合成氣的系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于熔融碳酸鹽電解技術領域，特別涉及一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H 20制取合成氣的系統。
【背景技術】
[0002]目前，以氣候變化為核心的全球環境問題日益嚴重，已經成為威脅人類可持續發展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當今國際社會關注的熱點。隨著全球對溫室氣體排放越來越關注，《京都議定書》、《巴厘島路線圖》的召開，進一步明確了全球CO2捕集和利用的時間表，推動了全球低碳經濟的發展。利用可再生能源(風能、太陽能等)，通過電化學方法將0)2和H 20電解轉化為合成氣、烴類等工業原料或燃料，不僅能夠實現CO2的轉化利用，而且能夠實現可再生能源的轉化，對減少CO 2排放及提高可再生能源利用率具有重要意義。
[0003]為了實現CO2的轉化，一般采用基于質子交換膜電解質的低溫電解池，采用金屬鉑作為催化劑，成本較高，而且對產物的組分調控困難。進而，為了能夠降低催化劑成本，控制產物組分，一些學者提出了采用基于陶瓷材料的固體氧化物電解池轉化CO2，但是固體氧化物電解池電池面積難于放大，工作溫度高達800°C，增大了對密封、集流等的要求。采用熔鹽作為電解質構建熔鹽電解池，其工作溫度較大可達600°C _700°C、無須采用貴金屬作為催化劑，而且電池面積易于放大，在軍事、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。但是已有的研宄中，多采用熔鹽電解質直接電解CO2，易于發生積碳等問題，使得電解池性能下降。因此，降低電極積碳，提高電解池壽命，能夠降低CO2的轉化成本，進一步促進CO2的轉化利用。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種基于熔融碳酸鹽電解池(Molten Carbonate Fuel Cell1MCEC)的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，能夠降低電解池陰極積碳，提高電解池壽命。
[0005]為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是:
[0006]一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，包括:
[0007]由陽極雙極板1、陽極Ni電極2、隔膜3、陰極Ni電極4以及陰極雙極板5按照自上到下的順序組裝構成的熔融碳酸鹽電解池單體，其中陽極雙極板I流道中填充有碳酸鹽電解質；
[0008]對所述電解池單體進行加熱的加熱系統；
[0009]連接于所述電解池單體正負極的使電解池單體工作在工作電壓下的電源裝置；
[0010]0)2與H 20混合氣供氣系統，其出口與電解池單體陰極流道連接；
[0011]空氣和/或N2供氣系統，其出口與電解池單體陽極流道連接；以及
[0012]合成氣收集系統，其入口與電解池單體陰極流道出口連接。
[0013]所述陽極雙極板I和陰極雙極板5的兩側均具有氣體流道，一側為陽極流道，另一側為陰極流道。
[0014]所述隔膜3具有多孔結構，孔隙率50%?75%，厚度為0.3?1.0_，平均孔徑為
0.25 ?0.8 μ mD
[0015]所述加熱系統為加熱爐，加熱溫度要求能達到600°C -700°C，使碳酸鹽電解質從固體融化為液體，并浸潤到隔膜3中。碳酸鹽電解質由Li2C03、Na2COjP K2CO3中的兩種或者三種混合構成，混合比例滿足所得混合物的共熔點低于600°C。
[0016]所述電解池單體有多個，串聯構成電解池堆。電解池單體的工作電壓為
1.2V-5.0V,電解池堆的工作電壓根據電解池單體的數量，按比例放大。
[0017]本實用新型反應過程為:
[0018]0)2與H2O的混合氣(H2O的摩爾比例不低于5% )在工作電壓作用下發生電解反應生成⑶和仏，并生成碳酸根離子，碳酸根離子通過電解質隔膜3，在陽極Ni電極2處生成02和CO 2。與此同時，電解池單體陽極流道通入的空氣和/或凡將生成的O 2和CO 2攜帶出陽極，從而實現0)2的轉化。
[0019]與現有技術相比，本實用新型在陽極雙極板流道中填充碳酸鹽電解質，以電解池單體為反應環境，COjPH2O作為原料氣，一方面能夠避免Ni電極的積碳，另一方面能夠實現電池的規模化。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型熔融碳酸鹽電解池單體的結構示意圖。
[0021]圖2是由多個熔融碳酸鹽電解池單體構成的電解池堆的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例詳細說明本實用新型的實施方式。
[0023]實施例1
[0024]如圖1所示，一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，包括:
[0025]由陽極雙極板1、陽極Ni電極2、隔膜3、陰極Ni電極4以及陰極雙極板5按照自上到下的順序組裝構成的熔融碳酸鹽電解池單體，其中陽極雙極板I流道中填充有碳酸鹽電解質；其中陽極雙極板I和陰極雙極板5的兩側均具有氣體流道，一側為陽極流道，另一側為陰極流道。陽極Ni電極2厚度為0.8mm，面積為500cm2。陰極Ni電極4厚度0.6mm，面積500cm2。碳酸鹽電解質由Li2COjP K2CCV混合組成，二者的摩爾比例62:38，總質量為120go隔膜3采用a -Li2AlO2,隔膜厚度為0.6mm，面積為500cm2。
[0026]對所述電解池單體進行加熱的加熱系統，如加熱爐；
[0027]連接于所述電解池單體正負極的使電解池單體工作在工作電壓下的電源裝置；
[0028]0)2與H 20混合氣供氣系統，其出口與電解池單體陰極流道連接；
[0029]空氣和/或N2供氣系統，其出口與電解池單體陽極流道連接；以及
[0030]合成氣收集系統，其入口與電解池單體陰極流道出口連接。
[0031]其中所采用的雙極板，均由304不銹鋼進行加工，流道結構采用直行流道。所采用的Ni電極，均采用流延法制備并在900°C下燒結制得。所采用的隔膜，均采用流延法制備。
[0032]利用上述結構，進行合成氣制取的方法如下:
[0033]將電解池單體放置到加熱爐中，加熱至600°C，碳酸鹽電解質從固體融化為液體，并浸潤到隔膜3中。通過外電路對電解池單體加電壓，工作電壓為2.0V。與此同時，陰極流道中通入摩爾比例為1:1的COJPH2O混合氣體，陽極流道中通入空氣。在陰極流道出口，即可收集到生成的C0、H2、H20和CO2的合成氣。
[0034]實施例2
[0035]結構與實施例1相同，具體尺寸規格有所不同:陽極Ni電極2厚度為0.8mm，面積為1000cm2。陰極Ni電極4厚度0.8mm，面積1000cm2。碳酸鹽電解質由Li2C0#P K 2C03混合組成，二者的摩爾比例43:57，總質量為240g。隔膜3采用γ-Li2AlO2，隔膜厚度為0.8mm，面積為1000cm2。
[0036]利用該結構，進行合成氣制取的方法如下:
[0037]將電解池單體放置到加熱爐中，加熱至650°C，碳酸鹽電解質從固體融化為液體，并浸潤到隔膜3中。通過外電路對電解池單體加電壓，工作電壓為3.0V。與此同時，陰極流道中通入摩爾比例為2:1的COJPH2O混合氣體，陽極流道中通入空氣。在陰極流道出口，即可收集到生成的C0、H2、H20和CO2的合成氣。
[0038]實施例3
[0039]如圖2所示，其利用50片實施例1中的電解池單體串聯組裝成電解池堆。
[0040]其中，陽極Ni電極2厚度為1.0mm，面積為10000cm2。陰極Ni電極4厚度1.0mm，面積1000cm20碳酸鹽電解質由Li2CO3' Na2C0#P K 2C03'混合組成，三者的摩爾比例為43:31:26，總質量為240(^。隔膜3采用a-Li2AlO2，隔膜厚度為1.0mm，面積為10000cm2。
[0041]利用該結構，進行合成氣制取的方法如下:
[0042]將電解池堆放置到加熱爐中，加熱至700°C，碳酸鹽電解質從固體融化為液體，并浸潤到隔膜3中。通過外電路對電解池堆加電壓，工作電壓為150.0V。與此同時，陰極流道中通入摩爾比例為1:2的0)2和H2O,陽極流道中通入N2，在陰極流道出口，即可收集到生成的CO、H2, H2O和CO2的合成氣。
【主權項】
1.一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解CO 2和H 20制取合成氣的系統，其特征在于，包括: 由陽極雙極板(I)、陽極Ni電極(2)、隔膜(3)、陰極Ni電極(4)以及陰極雙極板(5)按照自上到下的順序組裝構成的熔融碳酸鹽電解池單體，其中陽極雙極板(I)流道中填充有碳酸鹽電解質； 對所述電解池單體進行加熱的加熱系統； 連接于所述電解池單體正負極的使電解池單體工作在工作電壓下的電源裝置； 0)2與H 20混合氣供氣系統，其出口與電解池單體陰極流道連接； 空氣和/或隊供氣系統，其出口與電解池單體陽極流道連接；以及 合成氣收集系統，其入口與電解池單體陰極流道出口連接。
2.根據權利要求1所述基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，其特征在于，所述陽極雙極板(I)和陰極雙極板(5)的兩側均具有氣體流道，一側為陽極流道，另一側為陰極流道。
3.根據權利要求1所述基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，其特征在于，所述隔膜(3)具有多孔結構，孔隙率50%?75%，厚度為0.3?1.0mm，平均孔徑為 0.25 ?0.8 μ m。
4.根據權利要求1所述基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，其特征在于，所述加熱系統為加熱爐。
5.根據權利要求1所述基于熔融碳酸鹽電解池的電解0)2和H2O制取合成氣的系統，其特征在于，所述電解池單體有多個，串聯構成電解池堆。
【專利摘要】一種基于熔融碳酸鹽電解池的電解CO2和H2O制取合成氣的系統，包括：由陽極雙極板、陽極Ni電極、隔膜、陰極Ni電極以及陰極雙極板按照自上到下的順序組裝構成的熔融碳酸鹽電解池單體，其中陽極雙極板流道中填充有碳酸鹽電解質；對所述電解池單體進行加熱的加熱系統；連接于所述電解池單體正負極的使電解池單體工作在工作電壓下的電源裝置；CO2與H2O混合氣供氣系統、空氣和/或N2供氣系統以及合成氣收集系統，本實用新型在陽極雙極板流道中填充碳酸鹽電解質，以電解池單體為反應環境，CO2和H2O作為原料氣，一方面能夠避免Ni電極的積碳，另一方面能夠實現電池的規模化。
【IPC分類】C25B1-00, C25B1-02
【公開號】CN204529990
【申請號】CN201520077293
【發明人】許世森, 王洪建, 程健, 張瑞云, 王鵬杰, 任永強
【申請人】中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年2月4日