[发明专利]用于电化学地利用二氧化碳的装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于电化学地利用二氧化碳的方法和电解装置。用于电化学地利用二氧化碳的电解装置包括至少一个电解槽，其中，所述电解槽包括具有阳极的阳极室和具有阴极的阴极室，在所述阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜，并且阳极在阳极室中直接与所述第一膜邻接，并且在第一膜和阴极之间在阴极室中布置有阴离子选择性的第二膜，并且第二膜至少部分地、但是不完全地直接与所述第一膜邻接。

技术领域

本发明涉及一种用于电化学地利用二氧化碳的方法和电解装置。

背景技术

对电的需求随着一天中时间的变化强烈波动。随着由可再生能源产生的电的比例的升高，发电量也在一天中随时间变化波动。为了能够在电量需求较低时平衡在多日照和强风时对电的过量供应，需要可调节的发电厂或者存储器以便存储这些能量。

一种目前考虑的解决方案是将电能转化成尤其能够用作基础化学品或者包括一氧化碳和氢气在内的合成气的价值产物。电解是一种用于将电能转化成价值产物的可行的技术。

将水电解为氢气和氧气是现有技术中已知的方法。而近几年也研究了将二氧化碳电解为价值产物、例如尤其是一氧化碳、乙烯或者甲酸，并且致力于研发能够与经济利益相符地转化二氧化碳流的电化学系统。

电解单元的一种有利构型是低温电解装置，在所述低温电解装置中借助气体扩散电极将作为反应原料气体的二氧化碳转化至阴极室中。二氧化碳在电化学池的阴极处还原成价值产物并且水在阳极被氧化为氧气。由于在阴极处的扩散限制，在应用含水的电解质时可能除了形成一氧化碳外也不利地形成氢气，原因是含水的电解质中的水同样被电解。

防止在阴极不期望地产生氢气的方法或者装置常常导致其它的限制。尤其在使用质子传导膜时，阴极可能不利地不直接贴靠在所述质子传导膜上，原因是在这种情况下由于在阴极处相对较高的质子浓度促进了氢气的产生。因此，为了防止所述情况而在质子传导膜和阴极之间设有由电解质填充的缝隙。然而不利的是纯水不能用作电解质，原因是纯水的导电性过小并且在所述缝隙中可能形成大幅的电压降。使用矿物酸、尤其稀释的硫酸作为电解质将促进不期望地产生氢气，原因是这升高了阴极处的质子浓度。

因此在现有技术中提高阴极和质子传导膜之间的缝隙内部的导电性，方式是将碱或者导电盐加入水中。然而在非酸性的环境中，在还原二氧化碳时不利地在阴极产生了氢氧根。所述氢氧根又和其它二氧化碳产生碳酸氢根(碳酸氢盐)或者碳酸根(碳酸盐)。这些通常与碱中的阳离子或者导电盐中的阳离子一同构成了难以溶解的物质，所述物质可能作为固体在电解槽中析出并且因此不利地干扰电解槽的运行。

在二氧化碳电解装置中，在阴极室中使用缝隙导致了其它的缺点：尤其是缝隙上的电压降显著地升高了电解槽的能量需求，从而降低了电解槽的效率。

选择合适的阴极材料可以作为用于防止产生氢气而对电解槽的另一种优化，所述材料则必须针对氢气的产生具有的尽可能高的超电压。然而这些金属往往不利地是有毒的或者会导致负面的环境影响。可以考虑的金属尤其是镉、汞和铊。将这些金属用作阴极材料在此通常对能够在电解槽中制造的产物造成局限，原因是所述产物决定性地取决于阴极处的反应机理。然而不利的是上述金属不适于生产期望的价值材料、尤其是一氧化碳、甲酸或者乙烯。

发明内容

因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电解槽以及用于运行电解槽的方法，在所述电解槽中抑制氢气的产生并且所述电解槽能够高能效地运行。

所述技术问题通过按照本发明的电解装置以及按照本发明的用于运行电解装置的方法解决。

按照本发明的用于电化学地利用二氧化碳的电解装置包括至少一个电解槽或者说电解池，其中，所述电解槽包括具有阳极的阳极室和具有阴极的阴极室。在阳极室和阴极室之间布置有阳离子渗透性的第一膜。阳极在此直接与所述第一膜邻接。按照本发明在第一膜和阴极之间布置有阴离子选择性或者说阴离子选择透过的第二膜并且所述第二膜部分地、但是不完全地直接与第一膜邻接，并且其中，所述第二膜至少部分地直接与阴极邻接。