碳氧化物电解装置的恢复工序的制作方法

背景技术：

1、电解二氧化碳反应器必须平衡各种操作条件，例如阳极和阴极处的反应物组成，提供给阳极和阴极的电能，以及电解质、阳极和阴极的物理化学环境。平衡这些条件会对电解反应器的操作电压、法拉第产率以及在阴极处生成的产物(包括一氧化碳(co)和/或其它含碳产物(ccp)和氢气)的混合具有强烈影响。

2、本文所包含的背景和上下文描述仅用于一般地呈现本公开情景的目的。本公开的大部分内容呈现了发明人的工作，并且仅仅因为在背景部分中描述该工作或者作为本文别处的上下文呈现该工作，并不意味着承认该工作为现有技术。

技术实现思路

1、本公开的一些方面涉及操作用于碳氧化物还原的电解装置的方法，并且这样的方法可以如下操作为特征：(a)执行电解装置(electrolyzer)处的正常操作；(b)执行恢复或保护过程，该恢复或保护过程包括：(i)在电解装置的阴极和阳极之间产生电短路，和(ii)在电短接阴极和阳极时，使恢复气体流向阴极；和(c)重新开始(resume)电解装置处的正常操作。

2、在某些实施方案中，正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通向电解装置的阴极并以第一电流密度向电解装置施加电流，由此还原所述碳氧化物并产生含碳的还原产物。在一些实施方案中，重新开始正常操作包括停止或改变恢复气体向阴极的流动，和撤除电短路。

3、在某些实施方案中，正常操作包括以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。在某些实施方案中，正常操作包括使朝向电解装置的电流周期性地暂停和/或脉冲化。在某些实施方案中，执行电解装置处的正常操作包括执行正常操作持续至少约100小时的时段。

4、在某些实施方案中，该方法另外包括在重新开始电解装置处的正常操作之后，在再次执行恢复或保护过程或终止电解装置的操作之前继续执行电解装置处的正常操作持续至少约100小时。

5、在某些实施方案中，碳氧化物是co2和/或co并且含碳的还原产物包含co、烃、或有机含氧化合物。

6、在某些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。在一些实施方案中，执行恢复或保护过程持续约5至300分钟的时段。

7、在某些实施方案中，该方法另外包括确定可能损害电解装置性能的事件正在发生或可能发生，以及执行保护过程。

8、本公开的一些方面涉及操作用于碳氧化物还原的电解装置的方法，并且这样的方法可以如下操作为特征：(a)执行电解装置处的正常操作；(b)执行恢复或保护过程，该恢复或保护过程包括：(i)将电解装置转变为在该电解装置的阴极和阳极之间存在开路电压的状态，和(ii)在电解装置维持该开路电压时，使恢复气体流向阴极；和(c)重新开始电解装置处的正常操作。

9、在一些实施方案中，正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通向电解装置的阴极并以第一电流密度向电解装置施加电流，由此在电解装置的阴极和阳极之间产生操作电位并还原所述碳氧化物和产生含碳的还原产物。在一些实施方案中，重新开始正常操作包括停止或改变恢复气体向阴极的流动，以及返回操作电位。

10、在某些实施方案中，正常操作包括以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。在某些实施方案中，正常操作包括使朝向电解装置的电流周期性地暂停和/或脉冲化。在某些实施方案中，执行电解装置处的正常操作包括执行正常操作持续至少约100小时的时段。

11、在某些实施方案中，该方法另外包括在重新开始电解装置处的正常操作之后，在再次执行恢复或保护过程或终止电解装置的操作之前继续执行电解装置处的正常操作持续至少约100小时。

12、在某些实施方案中，碳氧化物是co2和/或co并且含碳的还原产物包含co、烃、或有机含氧化合物。

13、在某些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。在某些实施方案中，执行恢复或保护过程持续约5至300分钟的时段。

14、本公开的一些方面涉及操作用于碳氧化物还原的电解装置的方法，并且这样的方法可以如下操作为特征：(a)执行电解装置处的正常操作；(b)执行恢复或保护过程，该恢复或保护过程包括：(i)向电解装置施加反向电流，和(ii)在向电解装置施加反向电流时，使恢复气体流向阴极；和(c)重新开始电解装置处的正常操作。

15、正常操作可以包括将包含碳氧化物的反应物气体通入电解装置的阴极并以第一电流密度向电解装置施加电流，由此在电解装置的阴极和阳极之间产生操作电位并还原所述碳氧化物和产生含碳的还原产物。重新开始正常操作可以包括停止或改变恢复气体向阴极的流动，以及停止向电解装置施加反向电流。

16、在某些实施方案中，施加反向电流包括以至多约-50ma/cm2阴极平面表面积的量级施加阳极电流。

17、在某些实施方案中，正常操作包括以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。在某些实施方案中，正常操作包括使朝向电解装置的电流周期性地暂停和/或脉冲化。在某些实施方案中，执行电解装置处的正常操作包括执行正常操作持续至少约100小时的时段。

18、在某些实施方案中，该方法另外包括：在重新开始电解装置处的正常操作之后，在再次执行恢复或保护过程或终止电解装置的操作之前继续执行电解装置处的正常操作持续至少约100小时。

19、在某些实施方案中，碳氧化物是co2和/或co并且含碳的还原产物包含co、烃、或有机含氧化合物。

20、在某些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。在某些实施方案中，执行恢复或保护过程持续约5至300分钟的时段。

21、在一些实施方案中，该方法另外包括确定可能损害电解装置性能的事件正在发生或可能发生，以及执行保护过程。

22、本公开的某些方面涉及碳氧化物还原电解装置，其可以如下操作为特征：(a)至少一个膜电极组件(mea)，该膜电极组件包含：(i)包含促进碳氧化物还原的碳氧化物还原催化剂的阴极，(ii)包含促进氧化的催化剂的阳极，和(iii)设置在阴极和阳极之间的聚合物电解质膜(pem)层；(b)电源，该电源被配置成控制施加到碳氧化物还原电解装置的电流；和(c)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置成使所述电解装置执行以下操作：(1)执行mea的正常操作，其中正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通入mea的阴极并以第一电流密度向mea施加电流，(2)执行恢复或保护过程，所述恢复或保护过程包括：(i)在电解装置的阴极和阳极之间产生电短路，和(ii)在电短接阴极和阳极时，使恢复气体流向阴极，以及(3)通过停止或改变恢复气体向阴极的流动并撤除电短路，来重新开始mea处的正常操作。

23、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置在正常操作期间以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置在正常操作期间使流向mea的电流周期性暂停和/或脉冲化。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行正常操作持续至少约100小时的时段。

24、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被进一步配置成使得电解装置在重新开始mea处的正常操作之后，并且在再次执行恢复或保护过程或终止mea的操作之前，继续执行mea处的正常操作持续至少约100小时。

25、在某些实施方案中，所述恢复气体具有与反应物气体不同的组成。

26、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行恢复或保护过程持续约5至300分钟的时段。

27、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成确定可能损害电解装置性能的事件正在发生或可能发生，以及执行保护过程。

28、本公开的某些方面涉及碳氧化物还原电解装置，其可以如下操作为特征：(a)至少一个膜电极组件(mea)，该膜电极组件包含：(i)包含促进碳氧化物还原的碳氧化物还原催化剂的阴极，(ii)包含促进氧化的催化剂的阳极，和(iii)设置在阴极和阳极之间的聚合物电解质膜(pem)层；(b)电源，该电源被配置成控制施加到碳氧化物还原电解装置的电流；和(c)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置成使电解装置执行以下操作：(1)执行mea处的正常操作，其中正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通入mea的阴极并以第一电流密度向mea施加电流，(2)执行恢复或保护过程，所述恢复或保护过程包括：(i)将电解装置转变为在该电解装置的阴极和阳极之间存在开路电压的状态，和(ii)在电解装置维持该开路电压时，使恢复气体流向阴极，以及(3)通过停止或改变恢复气体向阴极的流动，和返回到操作电位，来重新开始mea处的正常操作。

29、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置在正常操作期间以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。

30、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被进一步配置成使得电解装置在重新开始mea处的正常操作之后，并在再次执行恢复或保护过程或终止mea的操作之前，继续执行mea处的正常操作持续至少约100小时。

31、在某些实施方案中，所述恢复气体具有与反应物气体不同的组成。

32、本公开的某些方面涉及碳氧化物还原电解装置，其可以如下操作为特征：(a)至少一个膜电极组件(mea)，该膜电极组件包含：(i)包含促进碳氧化物还原的碳氧化物还原催化剂的阴极，(ii)包含促进氧化的催化剂的阳极，和(iii)设置在阴极和阳极之间的聚合物电解质膜(pem)层；(b)电源，该电源被配置成控制施加到碳氧化物还原电解装置的电流；和(c)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置成使电解装置执行以下操作：(1)执行mea处的正常操作，其中正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通入mea的阴极并以第一电流密度向mea施加电流，(2)执行恢复或保护过程，所述恢复或保护过程包括：(i)向电解装置施加反向电流，和(ii)向电解装置施加反向电流时，使恢复气体流向阴极，以及(3)通过停止或改变恢复气体向阴极的流动，和停止向电解装置施加反向电流，来重新开始mea处的正常操作。

33、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置在正常操作期间以第一流速和以第一压力使反应物气体流向阴极。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置在正常操作期间使流向mea的电流周期性暂停和/或脉冲化。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行正常操作持续至少约100小时的时段。

34、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被进一步配置成使得电解装置在重新开始mea处的正常操作之后，并且在再次执行恢复或保护过程或终止mea的操作之前，继续执行mea处的正常操作持续至少约100小时。

35、在某些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。

36、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行恢复或保护过程持续约5至300分钟的时段。

37、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成确定可能损害电解装置性能的事件正在发生或可能发生，以及执行保护过程。

38、本公开的又一方面涉及操作碳氧化物还原电解装置的方法，该方法可以如下操作为特征：(a)执行电解装置处的正常操作，其中正常操作包括将包含碳氧化物的反应物气体通入电解装置的阴极并以第一电流密度向电解装置施加电流，由此还原碳氧化物并产生含碳还原产物；(b)执行包括以下的恢复过程：(i)停止或显著减小施加至电解装置的电流，和(ii)在停止或显著减小施加至电解装置的电流时，使阴极与液体接触；和(c)重新开始电解装置处的正常操作。在一些实施方案中，重新开始正常操作包括停止阴极与液体接触并向电解装置重新施加电流。

39、在一些实施方式中，使阴极与液体接触包括使液体流向阴极。在一些实施方案中，所述液体包含水。在一些实施方案中，所述水包含溶解的盐。在一些实施方案中，溶解的盐包含浓度为约20mm或更小的碳酸氢盐。

40、在一些实施方案中，恢复过程另外包括在使阴极与液体接触之后并且至少部分在重新开始正常操作之前使干燥气体流向阴极。在这样的实施方案中，所述干燥气体可以包含碳氧化物、惰性气体、空气或它们的任何组合。

41、在一些实施方案中，恢复过程还包括在使阴极与液体接触之前使恢复气体流向阴极。在这样的实施方案中，恢复气体可以具有与反应物气体不同的组成，可以在正常操作期间以与反应物气体不同的流速流向阴极，可以在正常操作期间以与反应物气体不同的压力接触阴极，或它们的任何组合。

42、对于执行恢复或保护操作的方法中的任何而言，可以如上文所述执行正常操作。此外，在一些实施方案中，在正常操作期间，液体不接触阴极。另外，对于执行恢复或保护操作的实施方案中的任何而言，可以如上文所述来表征碳氧化物和含碳的反应产物。

43、在一些实施方案中，执行恢复过程持续约5至300分钟的时段。

44、在一些实施方案中，该方法另外包括在重新开始电解装置处的正常操作之后，在再次执行恢复过程或终止电解装置的操作之前，继续执行电解装置处的正常操作持续至少约100小时。

45、在一些实施方案中，显著减小施加至电解装置的电流包括以至多约100ma/cm2阴极平面表面积的水平向阴极施加电流。在一些实施方案中，显著减小施加至电解装置的电流包括在阳极方向上向阴极施加电流。在一些实例中，在阳极方向上施加电流包括以至多约1ma/cm2阴极平面表面积的水平施加阳极电流。

46、在一些实施方案中，在停止或显著减小施加至电解装置的电流时，该方法另外包括在电解装置处的电压或电流扫描。在一些这样的实施方案中，循环执行电压或电流扫描。

47、本公开的某些其它方面涉及碳氧化物还原电解装置，该电解装置可以如下特征为特征：(a)至少一个膜电极组件(mea)，该膜电极组件包含：(i)包含促进碳氧化物还原的碳氧化物还原催化剂的阴极，(ii)包含促进氧化的催化剂的阳极，和(iii)设置在阴极和阳极之间的聚合物电解质膜(pem)层；(b)电源，该电源被配置成控制施加到碳氧化物还原电解装置的电流或电压；和(c)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置(1)执行mea处的正常操作，(2)执行包括以下的恢复过程：(i)停止或显著减小施加至mea的电流，和(ii)在停止或显著减小施加至mea的电流时，使阴极与液体接触，和(3)重新开始mea处的正常操作，其中重新开始正常操作包括停止阴极与液体的接触并向mea重新施加电流。正常操作可以包括将包含碳氧化物的反应物气体通入mea的阴极并以第一电流密度向mea施加电流。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置使液体流向阴极。

48、对于执行恢复或保护操作的任何系统而言，可以通过如上文所述系统来控制正常操作。此外，对于可以执行恢复或保护操作的任何方面而言，可以如上文所述来表征碳氧化物和含碳的反应产物。

49、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器进一步被配置成使得电解装置在重新开始mea处的正常操作之后，并在再次执行恢复过程或终止mea的操作之前，继续执行mea处的正常操作持续至少约100小时。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行恢复过程持续约5至300分钟的时段。

50、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被进一步配置成在使阴极与液体接触之前使得电解装置使恢复气体流向阴极。在这样的实施方案中，恢复气体可以具有与反应物气体不同的组成，可以在正常操作期间以与反应物气体不同的流速流至阴极，可以在正常操作期间以与反应物气体不同的压力接触阴极，或可以涉及它们的任何组合。

51、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被进一步配置成在使阴极与液体接触之后并且至少部分在重新开始常操作之前使得电解装置使干燥气体流向阴极。

52、在一些实施方式中，使阴极与液体接触包括使液体流向阴极。在一些实施方案中，所述液体包含水。在一些实施方案中，所述水包含溶解的盐。在一些实施方案中，溶解的盐包含浓度为约20mm或更小的碳酸氢盐。

53、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成通过以至多约100ma/cm2阴极平面表面积的水平向阴极施加电流从而使得电解装置显著减小施加至mea的电流。

54、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成通过在阳极方向上向阴极施加电流从而使得电解装置显著减小施加至mea的电流。在一些这样的实施方案中，在阳极方向上的电流具有至多约1ma/cm2阴极平面表面积的电流密度。

55、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行mea处的电压或电流扫描，同时停止或显著减小施加至mea的电流。在一些情况下，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置循环执行电压或电流扫描。

56、本公开的一些其它方面涉及操作碳氧化物还原用电解装置的方法，该方法可以如下操作为特征：(a)执行电解装置处的正常操作；(b)执行包括以下的恢复过程：(i)停止或显著减小施加至电解装置的电流，和(ii)在停止或显著减小施加至电解装置的电流时，使恢复气体流向阴极；和(c)重新开始电解装置处的正常操作，其中重新开始正常操作包括停止或改变恢复气体向阴极的流动并向电解装置重新施加电流。

57、正常操作可以包括将包含碳氧化物的反应物气体通入电解装置的阴极并以第一电流密度向电解装置施加电流，由此还原碳氧化物并产生含碳的还原产物。对于执行恢复或保护操作的方法中的任何而言，可以如上文所述执行正常操作。此外，在一些实施方案中，在正常操作期间，液体不接触阴极。另外，对于执行恢复或保护操作的实施方案中的任何而言，可以如上文所述表征碳氧化物和含碳的反应产物。

58、在某些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。在一些实施方案中，执行恢复过程持续约5至300分钟的时段。

59、在一些实施方案中，该方法另外包括在重新开始电解装置处的正常操作之后，在再次执行恢复过程或终止电解装置的操作之前，继续执行电解装置处的正常操作持续至少约100小时。

60、在某些实施方案中，显著减小施加至电解装置的电流包括以至多约100ma/cm2阴极平面表面积的水平向阴极施加电流。在某些实施方案中，显著减小施加至电解装置的电流包括在阳极方向上向阴极施加电流。例如，在阳极方向上施加电流包括以至多约1ma/cm2阴极平面表面积的水平施加阳极电流。

61、在某些实施方案中，在停止或显著减小施加至电解装置的电流时，该方法执行在电解装置处的电压或电流扫描。例如，循环执行电压或电流扫描。

62、本公开的又一方面涉及以如下元件为特征的系统：(a)至少一个膜电极组件(mea)，该膜电极组件包含：(i)包含促进碳氧化物的还原的碳氧化物还原催化剂的阴极，(ii)包含促进氧化的催化剂的阳极，和(iii)设置在阴极和阳极之间的聚合物电解质膜(pem)层；(b)电源，该电源被配置成控制施加至碳氧化物还原电解装置的电流；和

63、(c)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行以下操作：

64、a.执行mea处的正常操作，

65、b.执行恢复过程，所述恢复过程包括：(i)停止或显著减小施加至mea的电流，和(ii)在停止或显著减小施加至mea的电流时，使恢复气体流向阴极，和

66、c.重新开始mea处的正常操作。

67、正常操作可以包括将包含碳氧化物的反应物气体通入mea的阴极并以第一电流密度向mea施加电流。重新开始正常操作可以包括停止阴极与液体的接触并向mea重新施加电流。

68、对于执行恢复或保护操作的任何系统而言，可以通过如上文所述系统来控制正常操作。此外，对于可以执行恢复或保护操作的任何方面而言，可以如上文所述来表征碳氧化物和含碳的反应产物。

69、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行恢复过程持续约5至300分钟的时段。在某些实施方案中，所述一个或多个控制器进一步被配置成使得电解装置在重新开始mea处的正常操作之后，并在再次执行恢复过程或终止mea的操作之前，继续执行mea处的正常操作持续至少约100小时。在一些实施方案中，恢复气体具有与反应物气体不同的组成。

70、在一些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成通过以至多约100ma/cm2阴极平面表面积的水平向阴极施加电流来使电解装置显著减小施加至mea的电流。

71、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成通过在阳极方向上向阴极施加电流从而使得电解装置显著减小施加至mea的电流。例如，在阳极方向上的电流具有至多约1ma/cm2的阴极平面表面积的电流密度。

72、在某些实施方案中，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置执行mea处的电压或电流扫描，同时停止或显著减小施加至mea的电流。例如，所述一个或多个控制器被配置成使得电解装置循环执行电压或电流扫描。

73、本文将进一步描述本公开的这些和其它特征并且将参考附图进行描述。