专利名称：膜反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜反应器，尤其涉及一种用于二氧化碳电化学还原转化利用的膜反应器。
背景技术：
以化石能源为核心的资源枯竭问题和以气候变化为核心的环境问题是当前人类面临的两大危机。自工业革命以来的上百年里，大量使用化石能源导致其资源短缺，对环境也产生了严重的负面影响，以地球变暖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。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循环的平衡，造成CO2在大气中的积累，一方面形成温室效应引起气候变化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源将CO2转化成含碳的化工原料或燃料则是实现能源和环境可持续发展亟待解决的关键课题。资源化利用CO2主要可通过化学转化、光化学还原、电化学或化学还原、生物转化、CO2与甲烷的重构、CO2的无机转化方面进行。其中化学转化、CO2与甲烷的重构均需要在高温(900-1200K)进行，输入输出能量不匹配。而光化学还原的效率小于1%，最大效率仅为4.5%，反应选择性及效率均限制了其应用。CO2的无机转化易形成CaCO3废弃物。生物转化CO2反应器仍处于探索阶段。电化学还原易使分子结构稳定的CO2形成激发态CO2阴离子，进一步生产甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有机产品，其过程的能源利用效率高，目前已成为研究的重点。与其他CO2转化利用路线相比，电化学转化颇具吸引力。电化学CO2转化一方面可以通过控制不同的阴 极还原电位和催化剂从而得到不同的产物；另外反应无需在高温高压下进行，所以对反应装置要求低，体系简单，造价低廉，操作条件温和。同时，CO2电化学转化可望有效的利用风能、太阳能等可再生能源作为电解电源，作为新型的储能方式。目前国内外在研究CO2电化学还原问题主要集中在CO2电化学基础研究，电化学反应器是CO2转换的关键技术。反应器和系统研究均处于起步阶段，在反应器方面多采用槽式电解池，传统的槽式电解池效率低下，通量小，不利于产业化。且反应器对能量的利用率不闻。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高二氧化碳电化学还原转化率以及能量循环利用率的膜反应器。—种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括:一燃料电池，所述燃料电池具有一正极端以及一负极端；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内；以及一阴极设置在所述阴极室内；其中，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，用于给二氧化碳电化学转化提供电解电压，所述预期产物包括氢气以及氧气，所述燃料电池进一步具有一燃料进料口，氧化剂进料口以及反应物出料口，所述氢气作为燃料通入所述燃料进料口，所述氧气作为氧化剂通入所述氧化剂进料口。相较于现有技术，本发明实施例提供的膜反应器在电化学转化二氧化碳的同时，可进一步利用电化学反应产物，从而提高了该膜反应器的能量循环利用率。
图1为本发明实施例提供的膜反应器的剖面正视结构示意图。图2为本发明实施例提供的具有燃料电池的膜反应器的剖面正视结构示意图。图3为本发明实施例提供的膜反应器的阴极正视结构示意图。图4为本发明实施例提供的二氧化碳电化学转化利用方法的流程图。主要元件符号说明
权利要求
1.一种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括: 一燃料电池，所述燃料电池具有一正极端以及一负极端； 一腔体； 一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室； 一阳极设置在所述阳极室内；以及 一阴极设置在所述阴极室内； 其特征在于，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，用于给二氧化碳电化学转化提供电解电压，所述预期产物包括氢气以及氧气，所述燃料电池进一步具有一燃料进料口，氧化剂进料口以及反应物出料口，所述氢气作为燃料通入所述燃料进料口，所述氧气作为氧化剂通入所述氧化剂进料口。
2.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。
3.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极室进一步包括一阴极进料口，用于使阴极电解液与所述二氧化碳从该阴极进料口向该阴极室持续并流进料，从而使该阴极电解液及二氧化碳流经该阴极催化剂表面发生三相反应。
4.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的开孔率为30%至90%。
5.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的厚度为2毫米至30晕米。
6.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的孔为通孔，从所述多孔导电支撑层厚度方向的一端延伸到另一端。
7.如权利要求6所述的膜反应器，其特征在于，所述通孔在所述多孔导电支撑层厚度方向曲线状延伸。
8.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的材料为耐阴极电解液腐蚀的金属或合金。
9.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极催化剂设置于所述多孔导电支撑层的孔中。
10.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层具有一支撑骨架，所述阴极催化剂设置于该支撑骨架上。
11.如权利要求2所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极催化剂为锌、镉、铟、钛、锡、铅、秘、IE、钼、铜、银及金中一种或上述材料任意组合的合金或上述材料至少一种的氧化物或承载至少一种上述材料的载体型催化剂。
12.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述阳极包括一多孔扩散层以及一阳极催化剂层设置于该多孔扩散层表面，所述阳极催化剂层位于该多孔扩散层以及电解质隔膜之间。
13.如权利要求12所述的膜反应器，其特征在于，所述阳极催化剂层与所述电解质隔膜零间距设置。
14.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述电解质隔膜为增强型离子交换膜。
15.如权利要求14所述的膜反应器，其特征在于，所述增强型离子交换膜为增强型全氟磺酸膜、增强型全氟羧酸膜或增强型全氟磺酸/全氟羧酸复合膜。
16.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述电解质隔膜的厚度为50微米至500微米。
17.如权利要求1至16中任一项所述的膜反应器，其特征在于，所述燃料电池进一步包括一水输送管道，与所述反应物出料口连接，用于将所述氢气与氧气的反应产物补给到所述阴极室或阳极室中。
18.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述电源进一步包括一直流电源以及一电能控制器，所述燃料电池、电能控制器以及直流电源依次并联连接，所述直流电源的正负极分别与所述阳极与阴极电连接，用于给所述二氧化碳的电化学转化提供电力，所述电能控制器将所述燃料电池 的电能转化为所述膜反应器电解还原二氧化碳所需的直流电能。
全文摘要
本发明涉及一种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括一燃料电池，所述燃料电池具有一正极端以及一负极端；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内；以及一阴极设置在所述阴极室内；其中，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，用于给二氧化碳电化学转化提供电解电压，所述预期产物包括氢气以及氧气，所述燃料电池进一步具有一燃料进料口，氧化剂进料口以及反应物出料口，所述氢气作为燃料通入所述燃料进料口，所述氧气作为氧化剂通入所述氧化剂进料口。该膜反应器具有较好的二氧化碳电化学转化利用效率以及能量循环利用率。
文档编号C25B9/06GK103160850SQ20111041170
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者王诚, 赵晨辰, 刘志祥, 郭建伟, 何向明 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司