[发明专利]电解装置输出中高浓度多电子产物或CO的系统和方法

说明书

本发明描述用于提高COsubgt;x/subgt;电解装置的气相输出料流中的期望产物浓度的系统和方法。

引用并入

与本说明书同时提交PCT请求表作为本申请的一部分。本申请要求的在同时提交的PCT申请表中所确认的权益或优先权的每个申请通过引用将其整体并入本文并用于所有目的。

政府支持的声明

本发明是利用政府支持在以下资助下完成的：美国国家科学基金会授予的1738554号资助以及美国能源部科学办公室授予的DE-SC0018831-01号资助。政府在本发明中具有一定权益。

技术领域

本公开一般涉及电解碳氧化物还原领域，更具体地涉及用于生产一氧化碳、甲烷和多碳产物的电解碳氧化物反应器运行的系统和方法。

背景技术

用于碳氧化物(CO_x)还原的膜电极组件(MEA)可包括阴极层、阳极层、和聚合物电解质膜(PEM)，该聚合物电解质膜在阴极层和阳极层之间提供离子连通。包括这样的MEA的碳氧化物(CO_x)还原反应器(CRR)电化学还原CO_x并产生产物例如CO、烃例如甲烷和乙烯、和/或含氧和氢的有机化合物例如甲醇、乙醇和乙酸。可能难以获得高浓度的气相产物。

本文含有的背景技术和上下文描述仅出于一般呈现本公开的上下文的目的而提供。本公开的大部分内容呈现了发明人的工作，并且仅仅因为此类工作在背景技术部分中进行了描述或者在本文其他地方作为上下文被呈现，并不意味着此类工作被承认为现有技术。

发明内容

本公开的一方面涉及用于生产气相多电子产物的系统，包括：二氧化碳(CO₂)还原反应器，其包括膜电极组件，该膜电极组件包括一个或多个离子传导聚合物层和用于促进二氧化碳化学还原为一氧化碳的阴极催化剂；碳氧化物(CO_x)还原反应器，其包括仅有阴离子交换膜(AEM)的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括一个或多个离子传导聚合物层和用于促进碳氧化物化学还原为气相多电子产物的阴极催化剂，该CO_x还原反应器被配置为接收来自CO₂还原反应器的包含一氧化碳(CO)和未反应的CO₂的中间产物料流，将CO还原为多电子气相产物，将至少一些未反应的CO₂转化为碳酸氢盐，将碳酸氢盐传输至仅有AEM的MEA的阳极侧，以及输出包含多电子产物的阴极侧气相产物料流，其中在气相产物料流中CO₂的量小于在中间气相产物料流中的量。

在一些实施方案中，CO₂还原反应器包括双极的MEA。在一些实施方案中，CO₂还原反应器包括仅有阳离子交换膜的MEA。在一些实施方案中，CO₂还原反应器和CO_x还原反应器各自包括电化学槽的堆叠体，每个电化学槽包括MEA。

在一些实施方案中，CO_x还原反应器被配置为输出包含O₂和CO₂的阳极侧料流，该系统还包括分离器，该分离器被配置为分离阳极侧料流中的CO₂和O₂；和混合单元，该混合单元被配置为混合新鲜CO₂与分离的CO₂以用于输入至CO₂还原反应器。

在一些实施方案中，CO_x还原反应器被配置为输出包含CO₂的阳极侧料流，该系统还包括再循环回路，该再循环回路被配置为将来自阳极侧料流的CO₂再循环至CO₂还原反应器。