堆叠式电化学反应器的制作方法

本技术涉及二氧化碳的电化学催化转化反应器，具体涉及一种堆叠式电化学反应器。

背景技术：

1、近年来，国内外科研人员试图通过多种策略来提升电催化材料的电化学co2还原性能，力求实现某一目标产物在低过电位区间的高选择性转化，并发展了一系列性能优异的电化学co2还原电催化材料，极大地扩展了人们对电化学co2还原的基本认识和理解。然而，当前研究往往集中于电极催化剂材料本身的设计与优化。一个完整的电化学co2还原系统是由多个部分组成的，除催化剂材料本身外，电解液、离子交换膜、电解池等部分都可能对电化学co2还原系统的整体性能产生直接的影响。在已有催化剂性能的基础之上，完善电解池的结构可进一步提升电化学co2还原整体性能。

2、目前实验室中常用的是h型电解池和单片电解池，h型电解池中电流密度性能受限于结构很难提升，现阶段绝大多数的研究是基于常规h型电解池开展的。这种电解池容易组装、操作简单、成本低廉，可以较直观地反映催化剂的本征活性，适合快速评价并筛选电催化材料。然而，从h型电解池实验中获得的信息结果却往往忽略了电解池整体动态环境对电化学co2还原性能的影响，其较低的co2溶解度(<0.034mol.l-1)和受限的传质过程使得反应电流密度通常低于100ma.cm-2，难以满足工业生产中对电流密度(>200ma.cm-2)的要求。此外，由于碱性电解液(如koh等)中的氢氧根离子会与溶解的co2发生反应形成碳酸盐，因此它们在h型电解池中的使用也受到了极大的限制。除了电催化剂外，电极结构和电解池体系的设计对于电化学co2还原性能同样具有至关重要的影响，尤其是在产物分布、催化电流密度和稳定性等方面。根据burdyny和smith等建立的反应扩散模型，流动池中的co2扩散路径约为50mm，比传统h型电解池(约50μm)缩短了近3个数量级，它有效地克服了co2在水溶液中溶解度和扩散的限制，为实现高电流密度提供了可能。

3、基于单片流动电解池实现二氧化碳的电催化转化已经证明是可行的，基于类似的原理已经开发了两室(cn111733425a)、三室结构(cn111188046a)的二氧化碳电解池已经被证明是可行的。然而单片电解池虽然在实验室条件下具有相较于h型电解池更高的电流密度与更优的转化效率。但是为了保证反应效率，两侧的腔室均需要在扩散路径范围内，即电解池厚度有限，又因为离子交换膜、阴极与阳极催化剂膜层等尺寸有限，因此现有的单片电解池的单位时间产率有限，达不到工业量产的标准。

技术实现思路

1、针对现有的单片电解池单位时间产率低，难以满足实际生产需求的问题，本实用新型提供一种堆叠式电化学反应器。

2、本实用新型的技术方案提供一种堆叠式电化学反应器，包括施加有电压差的阳极板与阴极板和设置在阳极板与阴极板之间的多片中间板；阳极板、多片中间板、阴极板依次堆叠设置；在阳极板与中间板、阴极板与中间板以及相邻的中间板之间均设置有隔膜；阳极板面向隔膜的一侧表面、相邻的两个中间板中的一个在其相对的表面均形成有阳极室，阳极室由隔膜密封；阳极室中通入反应溶液；阴极板面向隔膜的一侧表面、相邻的两个中间板中的另一个在其相对的表面均形成有阴极室，阴极室由隔膜密封；阴极室中通过入反应气体；隔膜包括离子交换膜、设置在离子交换膜一侧的阳极催化剂层，设置在阳极催化剂层另一侧的阴极催化剂层。优选地，所述堆叠式电化学反应器形成有贯通堆叠设置的中间板的阳极入口主通道、阳极出口主通道、阴极入口主通道与阴极出口主通道；

3、多个所述阳极室均并联连接于所述阳极入口主通道与所述阳极出口主通道之间；

4、多个所述阴极室均并联连接于所述阴极入口主通道与所述阴极出口主通道之间。

5、优选地，所述堆叠式电化学反应器在阳极板与阴极板各自的外侧均设置有端板，两端板之间通过拉杆压紧；阳极入口主通道、阳极出口主通道、阴极入口主通道与阴极出口主通道在两端板中的同一端板上设置有流体通道。

6、优选地，所述阳极室中通入水或电解质溶液，所述阴极室中通入含二氧化碳的气体。

7、优选地，所述阳极室与所述阴极室均设置有反应区以及与反应区连通的入口通孔与出口通孔，入口通孔与出口通孔贯通至中间板的另一侧，并与中间板另一侧的阴极室与阳极室隔离。

8、优选地，所述中间板表面设置有包围密封所述反应区、所述入口通孔与所述出口通孔整体的密封圈，所述密封圈槽还分别包围密封由中间板的另一表面的入口通孔贯通至当前表面的第一通孔、由中间板的另一表面的出口通孔贯通至当前表面的第二通孔。

9、优选地，所述反应区设置有从入口通孔向出口通孔连通的流道，流道在反应区内绕行以基本覆盖反应区的所有区域。

10、优选地，所述流道平行设置多组，并呈往复折叠设置。

11、优选地，所述流道的宽度为0.5～2.5mm，深度为0.2～2.5mm，相邻流流道之间的脊的宽度为0.2～2.5mm。

12、优选地，所述反应区与所述入口通孔、所述出口通孔连接处形成为埋入中间板内的孔道。

13、本实用新型的堆叠式电化学反应器在单片电解池已经有较好的电流密度表现的基础上，由于采用了多片单片电解池堆叠设置的技术方案实现了电催化反应的产率与效率的数量级提升，可以应用于二氧化碳等电催化转化的大批量工业生产。其中间板3等结构部件为重复件堆叠，简化了装配机构，易于制造组装。并且具有贯通的通道使得堆叠后每个电催化反应单元之间的流量均匀性好，使得多个电催化单元之间能够维持反应平衡。

技术特征：

1.一种堆叠式电化学反应器，其特征在于，包括施加有电压差的阳极板(1)与阴极板(2)和设置在阳极板(1)与阴极板(2)之间的多片中间板(3)；阳极板(1)、多片中间板(3)、阴极板(2)依次堆叠设置；

2.如权利要求1所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述堆叠式电化学反应器形成有贯通堆叠设置的中间板(3)的阳极入口主通道(6)、阳极出口主通道(7)、阴极入口主通道(8)与阴极出口主通道(9)；

3.如权利要求2所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述堆叠式电化学反应器在阳极板(1)与阴极板(2)各自的外侧均设置有端板(g)，两端板(g)之间通过拉杆(h)压紧；阳极入口主通道(6)、阳极出口主通道(7)、阴极入口主通道(8)与阴极出口主通道(9)在两端板(g)之一的同一端板(g)上设置有流体通道。

4.如权利要求1所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述阳极室(a)中通入水或电解质溶液，所述阴极室(b)中通入含二氧化碳的气体。

5.如权利要求1所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述阳极室(a)与所述阴极室(b)均设置有反应区(51)以及与反应区(51)连通的入口通孔(52)与出口通孔(53)，入口通孔(52)与出口通孔(53)贯通至中间板(3)的另一侧，并与中间板(3)另一侧的阴极室(b)或阳极室(a)隔离。

6.如权利要求5所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述中间板(3)表面设置有包围密封所述反应区(51)、所述入口通孔(52)与所述出口通孔(53)整体的密封圈(561)，所述密封圈(561)还分别包围密封由中间板(3)的另一表面的入口通孔(52)贯通至当前表面所形成的第一通孔(54)、由中间板(3)的另一表面的出口通孔(53)贯通至当前表面所形成的第二通孔(55)。

7.如权利要求5所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述反应区(51)设置有从入口通孔(52)向出口通孔(53)连通的流道(511)，流道(511)在反应区(51)内绕行以基本覆盖反应区(51)的所有区域。

8.如权利要求7所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述流道(511)平行设置多组，并呈往复折叠设置。

9.如权利要求8所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述流道(511)的宽度为0.5～2.5mm，深度为0.2～2.5mm，相邻流道(511)之间的脊的宽度为0.2～2.5mm。

10.如权利要求5所述的堆叠式电化学反应器，其特征在于，所述反应区(51)与所述入口通孔(52)、所述出口通孔(53)连接处形成为埋入中间板(3)内的孔道。

技术总结
本技术提供一种堆叠式电化学反应器，包括施加有电压差的阳极板与阴极板和设置在阳极板与阴极板之间的多片中间板；阳极板、多片中间板、阴极板依次堆叠设置；中间板的一侧表面设置有阳极室，另一侧表面设置有阴极室；隔膜包括离子交换膜、设置在离子交换膜一侧的阳极催化剂层，设置在阳极催化剂层另一侧的阴极催化剂层。该堆叠式电化学反应器本技术的堆叠式电化学反应器由于采用了多片单片电解池堆叠设置的技术方案实现了电催化反应的产率与效率的数量级提升，可以应用于二氧化碳等电催化转化的大批量工业生产。

技术研发人员：靳宋超,蔡宏博,牛旭东,张元松
受保护的技术使用者：安徽伏碳科技有限公司
技术研发日：20230522
技术公布日：2024/1/15