一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法

摘要

一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，将碳酸盐电解质填充到电解池阳极流道中，然后将阳极双极板、阳极Ni电极、隔膜、阴极Ni电极以及阴极双极板按自上到下顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体；将电解池单体放置到加热炉中加热使碳酸盐电解质从固体融化为液体并浸润到隔膜中；对电解池单体通电使其工作在工作电压下；将CO2与H2O的混合气通入到阴极流道中，空气和/或N2通入到阳极流道中；最后即可在电解池单体阴极流道出口收集由CO、H2、H2O和CO2组成的合成气，本发明采用熔融碳酸盐作为电解质，CO2和H2O作为原料气，能避免Ni电极的积碳，产生的合成气能够用于化工原料或燃料，实现CO2的高效转化与利用。

权利要求

1.一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，包括如下步骤：将碳酸盐电解质填充到阳极双极板(1)的流道中，然后将阳极双极板(1)、阳极Ni电极(2)、隔膜(3)、阴极Ni电极(4)以及阴极双极板(5)按照自上到下的顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体；

将电解池单体放置到加热炉中，加热至600℃-700℃，使碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜(3)中；

通过外电路对电解池单体通电，使电解池单体工作在工作电压下；

将CO2与H2O的混合气通入到电解池单体阴极流道中，将空气和/或N2通入到电解池单体阳极流道中；

在电解池单体阴极流道出口收集由CO、H2、H2O和CO2组成的合成气；

其中，所述碳酸盐电解质由Li2CO3、Na2CO3和K2CO3中的两种或者三种混合构成，混合比例满足所得混合物的共熔点低于600℃。

2.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述阳极双极板(1)和阴极双极板(5)采用不锈钢材料制成，两侧具有气体流道，一侧用于阳极流道，另一侧用于阴极流道，用作气体分布和导电。

3.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述阳极Ni电极(2)和阴极Ni电极(4)，采用流延法制得，并经过900℃的高温烧结。

4.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述隔膜(3)采用α-LiAlO2或γ-LiAlO2制得，具有多孔结构，孔隙率50％～75％，厚度为0.3～1.0mm，平均孔径为0.25～0.8μm。

5.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述电解池单体的工作电压为1.2V-5.0V。

6.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，将多个电解池单体串联构成电解池堆。

7.根据权利要求6所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述电解池堆的工作电压根据电解池单体的数量，按比例放大。

8.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，其特征在于，所述CO2与H2O的混合气中，H2O的摩尔比例不低于5％。

说明书

一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的

方法

技术领域

[0001] 本发明属于熔融碳酸盐电解技术领域，特别涉及一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法。

背景技术

[0002] 目前，以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。随着全球对温室气体排放越来越关注，《京都议定书》、《巴厘岛路线图》的召开，进一步明确了全球CO2捕集和利用的时间表，推动了全球低碳经济的发展。利用可再生能源(风能、太阳能等)，通过电化学方法将CO2和H2O电解转化为合成气、烃类等工业原料或燃料，不仅能够实现CO2的转化利用，而且能够实现可再生能源的转化，对减少CO2排放及提高可再生能源利用率具有重要意义。

[0003] 为了实现CO2的转化，一般采用基于质子交换膜电解质的低温电解池，采用金属铂作为催化剂，成本较高，而且对产物的组分调控困难。进而，为了能够降低催化剂成本，控制产物组分，一些学者提出了采用基于陶瓷材料的固体氧化物电解池转化CO2，但是固体氧化物电解池电池面积难于放大，工作温度高达800℃，增大了对密封、集流等的要求。采用熔盐作为电解质构建熔盐电解池，其工作温度较大可达600℃-700℃、无须采用贵金属作为催化剂，而且电池面积易于放大，在军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。但是已有的研究中，多采用熔盐电解质直接电解CO2，易于发生积碳等问题，使得电解池性能下降。因此，降低电极积碳，提高电解池寿命，能够降低CO2的转化成本，进一步促进CO2的转化利用。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于熔融碳酸盐电解池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCEC)的电解CO2和H2O制取合成气的方法，能够降低电解池阴极积碳，提高电解池寿命。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，包括如下步骤：

[0007] 将碳酸盐电解质填充到阳极双极板1的流道中，然后将阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体；

[0008] 将电解池单体放置到加热炉中，加热至600℃-700℃，使碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中，一方面起到传导碳酸根离子的作用，另一方面还可以阻隔气体穿透；

[0009] 通过外电路对电解池单体通电，使电解池单体工作在工作电压下；

[0010] 将CO2与H2O的混合气通入到电解池单体阴极流道中，将空气和/或N2通入到电解池单体阳极流道中；

[0011] 其反应过程为：

[0012] CO2与H2O的混合气在工作电压作用下发生电解反应生成CO和H2，并生成碳酸根离子，碳酸根离子通过电解质隔膜3，在阳极Ni电极2处生成O2和CO2。与此同时，电解池单体阳极流道通入的空气和/或N2将生成的O2和CO2携带出阳极，从而实现CO2的转化。

[0013] 最后在电解池单体阴极流道出口收集由CO、H2、H2O和CO2组成的合成气。

[0014] 所述碳酸盐电解质由Li2CO3、Na2CO3和K2CO3中的两种或者三种混合构成，混合比例满足所得混合物的共熔点低于600℃。

[0015] 所述阳极双极板1和阴极双极板5采用不锈钢材料制成，两侧具有气体流道，一侧用于阳极流道，另一侧用于阴极流道，用作气体分布和导电。

[0016] 所述阳极Ni电极2和阴极Ni电极4，采用流延法制得，并经过900℃的 高温烧结。

[0017] 所述隔膜3采用α-LiAlO2或γ-LiAlO2制得，具有多孔结构，孔隙率50％～75％，厚度为0.3～1.0mm，平均孔径为0.25～0.8μm。

[0018] 所述电解池单体的工作电压为1.2V-5.0V。

[0019] 将多个电解池单体串联构成电解池堆。

[0020] 所述电解池堆的工作电压根据电解池单体的数量，按比例放大。

[0021] 所述CO2与H2O的混合气中，H2O的摩尔比例不低于5％。

[0022] 与现有技术相比，本发明采用熔融碳酸盐作为电解质，CO2和H2O作为原料气，一方面能够避免Ni电极的积碳，另一方面能够易于实现电池规模的方法。所产生的合成气，能够用于化工原料或燃料，从而实现CO2的高效转化与利用。

附图说明

[0023] 图1是本发明熔融碳酸盐电解池单体的结构示意图。

[0024] 图2是由多个熔融碳酸盐电解池单体构成的电解池堆的结构示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0026] 本发明实施例中所采用的双极板，均由304不锈钢进行加工，流道结构采用直行流道。

[0027] 本发明实施例中所采用的Ni电极，均采用流延法制备并在900℃下烧结制得。

[0028] 本发明实施例中所采用的隔膜，均采用流延法制备。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1所示，一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，首先将碳酸盐电解质填充到阳极双极板1的流道中，然后将阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体。

[0031] 其中，阳极Ni电极2厚度为0.8mm，面积为500cm2。阴极Ni电极4 厚度0.6mm，面积2
500cm 。碳酸盐电解质由Li2CO3和K2CO3混合组成，二者的摩尔比例62:38，总质量为120g。隔膜3采用α-Li2AlO2，隔膜厚度为0.6mm，面积为500cm2。

[0032] 之后，将电解池单体放置到加热炉中，加热至600℃，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池单体加电压，工作电压为2.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为1:1的CO2和H2O混合气体，阳极流道中通入空气。在阴极流道出口，即可收集到生成的CO、H2、H2O和CO2的合成气。

[0033] 实施例2

[0034] 如图1所示，一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，首先将碳酸盐电解质填充到阳极双极板1的流道中，然后将阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体。

[0035] 其中，阳极Ni电极2厚度为0.8mm，面积为1000cm2。阴极Ni电极4厚度0.8mm，面积1000cm2。碳酸盐电解质由Li2CO3和K2CO3混合组成，二者的摩尔比例43:57，总质量为240g。隔膜3采用γ-Li2AlO2，隔膜厚度为0.8mm，面积为1000cm2。

[0036] 之后，将电解池单体放置到加热炉中，加热至650℃，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池单体加电压，工作电压为3.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为2:1的CO2和H2O混合气体，阳极流道中通入空气。在阴极流道出口，即可收集到生成的CO、H2、H2O和CO2的合成气。

[0037] 实施例3

[0038] 如图1所示，一种基于熔融碳酸盐电解池的电解CO2和H2O制取合成气的方法，首先将碳酸盐电解质填充到阳极双极板1的流道中，然后将阳极双极板1、阳极Ni电极2、隔膜3、阴极Ni电极4以及阴极双极板5按照自上到下的顺序组装构成熔融碳酸盐电解池单体。

[0039] 再如图2所示，将50片所得电解池单体组装成电解池堆。

[0040] 其中，阳极Ni电极2厚度为1.0mm，面积为10000cm2。阴极Ni电极4厚度1.0mm，面积10000cm2。碳酸盐电解质由Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合组成，三者的摩尔比例为43:31:26，总质量为2400g。隔膜3采用α-Li2AlO2，隔膜厚度为1.0mm，面积为10000cm2。

[0041] 之后，将电解池堆放置到加热炉中，加热至700℃，碳酸盐电解质从固体融化为液体，并浸润到隔膜3中。通过外电路对电解池堆加电压，工作电压为150.0V。与此同时，阴极流道中通入摩尔比例为1:2的CO2和H2O，阳极流道中通入N2，在阴极流道出口，即可收集到生成的CO、H2、H2O和CO2的合成气。

[0042] 实施例4

[0043] 与实施例3不同之处在于，阳极流道中通入空气和N2的混合气体。