本發(fā)明屬于膜電極電堆，具體的說(shuō)，是涉及一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆。
背景技術(shù)：
1、使用清潔、可再生的能源來(lái)替代傳統(tǒng)的化石能源，能夠減少源頭的碳排放，但是還需要開發(fā)高效的碳捕集、利用與封存(ccus)技術(shù)，以中和現(xiàn)有的碳排放。在ccus技術(shù)中，二氧化碳電還原技術(shù)是一種具有潛力的化學(xué)利用方式。這種技術(shù)能夠在常溫常壓下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品，如一氧化碳、甲酸、乙烯等。
2、在該技術(shù)領(lǐng)域的眾多反應(yīng)器中，膜電極反應(yīng)器因其較低的傳質(zhì)阻力和歐姆阻抗而備受關(guān)注。目前實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的膜電極反應(yīng)器面積往往較小，其處理量離工業(yè)規(guī)模相差較遠(yuǎn)，因此需要對(duì)膜電極反應(yīng)器進(jìn)行放大，具體而言，需要擴(kuò)大膜電極反應(yīng)器的反應(yīng)面積來(lái)提高二氧化碳的處理量。
3、但是在傳統(tǒng)膜電極反應(yīng)器的放大過(guò)程中，面臨能耗升高、處理量下降的問(wèn)題。如何在放大過(guò)程中降低多余的能耗、提高能耗產(chǎn)出比，成為了膜電極反應(yīng)器面向工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。而一個(gè)高效的膜電極反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將有效解決這一問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有膜電極反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，提供了一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其耦合了兩種不同的電化學(xué)流場(chǎng)，在同一個(gè)膜電極電堆內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一側(cè)物料的串聯(lián)進(jìn)料控制以及另一側(cè)物料的單獨(dú)進(jìn)料控制，并將其應(yīng)用于二氧化碳電還原反應(yīng)。
2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、本發(fā)明提供了一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，包括一組主體極板和n組擴(kuò)展極板，n為自然數(shù)；一組所述主體極板包括極板a、極板d、極板e(cuò)，一組所述擴(kuò)展極板包括極板b和極板c；所述極板a的一側(cè)面設(shè)置第一流道，所述極板b、所述極板c、所述極板d的兩側(cè)面分別設(shè)置第一流道和第二流道，所述極板e(cuò)的一側(cè)面設(shè)置第二流道；
4、一組主體極板與n組(其中n取自然數(shù))擴(kuò)展極板的內(nèi)部排列方式為a-(b-c)n-d-e，并且各個(gè)主體極板或擴(kuò)展極板的第一流道均與其相鄰的主體極板或擴(kuò)展極板的第二流道對(duì)向布置；
5、第一流道用于流經(jīng)第一物料，并實(shí)現(xiàn)第一物料在主體極板和擴(kuò)展極板中的串聯(lián)控制，第二流道用于流經(jīng)第二物料，并實(shí)現(xiàn)第二物料在主體極板和擴(kuò)展極板中的獨(dú)立控制。
6、進(jìn)一步的，所述所述極板a的外側(cè)設(shè)置有第一物料入口a，第一物料入口a與極板a的第一流道始端貫通；所述極板a的第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料出口a，第一物料出口a與極板a的第一流道末端貫通；
7、所述極板d在其第二流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料穿孔d；當(dāng)n＝0時(shí)，第一物料穿孔d與極板a的第一物料出口a相對(duì)設(shè)置；當(dāng)n≥1時(shí)，第一物料穿孔d與極板c的第一物料出口c相對(duì)設(shè)置；所述極板d在其第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料入口d，第一物料入口d與第一物料穿孔d相連通，實(shí)現(xiàn)第一物料在極板d5的板內(nèi)穿梭；所述極板d的外側(cè)設(shè)有第一物料出口d、第二物料進(jìn)口d和第二物料出口d，第一物料出口d與第一流道末端相連通，第一流道始端與第一物料入口d相連通；第二物料進(jìn)口d和第二物料出口d分別與所述極板d的第二流道始端和末端相連通；
8、所述極板e(cuò)的外側(cè)設(shè)有第二物料進(jìn)口e和第二物料出口e，第二物料進(jìn)口e和第二物料出口e分別與所述極板e(cuò)的第二流道始端和末端相連通。
9、進(jìn)一步的，所述極板b在其第二流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料穿孔b；當(dāng)n＝1時(shí)，第一物料穿孔b與極板a的第一物料出口a相對(duì)設(shè)置；當(dāng)n＞1時(shí)，第一物料穿孔b與極板c的第一物料出口c相對(duì)設(shè)置；極板b在其第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料入口b和第一物料出口b，第一物料入口b與第一物料穿孔b和極板b的第一流道始端分別連通，第一物料出口b與極板b的第一流道末端相連通；極板b的外側(cè)設(shè)置有第二物料入口b和第二物料出口b，第二物料入口b和第二物料出口b分別與極板b的第二流道始端和末端相連通；
10、所述極板c在其第二流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料穿孔c，第一物料穿孔c與極板b的第一物料出口b相對(duì)設(shè)置；極板c在其第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料入口c和第一物料出口c，第一物料入口c與第一物料穿孔c和極板c的第一流道始端分別連通，第一物料出口c與極板c的第一流道末端相連通；極板c的外側(cè)設(shè)置有第二物料入口c和第二物料出口c，第二物料入口c和第二物料出口c分別與極板c的第二流道始端和末端相連通。
11、其中優(yōu)選的，第一物料穿孔b與第一物料入口b在極板b的兩側(cè)面對(duì)應(yīng)設(shè)置；第一物料穿孔c與第一物料入口c在極板c的兩側(cè)面對(duì)應(yīng)設(shè)置。
12、進(jìn)一步的，第一流道和第二流道分別選擇單一蛇形流道、多通道蛇形流道、平行流道、交錯(cuò)流道、針狀流道中的一種。
13、進(jìn)一步的，同一極板的第二物料進(jìn)口和第二物料出口可位于同側(cè)也可位于兩側(cè)。
14、優(yōu)選的，對(duì)于陰極co2電還原耦合陽(yáng)極電解水，第一物料為co2，第二物料為電解液；第一流道優(yōu)選為蛇形流道；第二流道優(yōu)選為平行流道。
15、可選的，所述主體極板和所述擴(kuò)展極板的四角處分別設(shè)置有定位孔，所述定位孔用于所述主體極板和所述擴(kuò)展極板的連接。
16、可選的，相鄰兩層極板之間設(shè)置有膜電極組件，所述極板包括主體極板和擴(kuò)展極板；膜電極組件包括依次疊放的陰極、陰極墊片、膜、陽(yáng)極墊片、陽(yáng)極；所述陰極墊片和所述陽(yáng)極墊片的四角處分別設(shè)置有定位孔，所述陰極墊片和所述陽(yáng)極墊片設(shè)置有用于與各個(gè)極板的第一物料穿孔對(duì)準(zhǔn)的墊片穿孔。
17、可選的，在所述極板a不設(shè)置第一流道的側(cè)面和所述極板e(cuò)不設(shè)置第二流道的側(cè)面，分別設(shè)置有第一端板和第二端板；所述第一端板與極板a之間、所述第二端板與所述極板e(cuò)之間均依次設(shè)置有端板絕緣墊片和集流板。
18、本發(fā)明的有益效果是：
19、本發(fā)明的用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，能夠允許二氧化碳在電堆內(nèi)部以串聯(lián)的方式通過(guò)每一層膜電極，從而可以輕松實(shí)現(xiàn)原料二氧化碳更高的單程轉(zhuǎn)化率。該結(jié)構(gòu)還允許單獨(dú)控制不同層的陽(yáng)極液流動(dòng)，從而可以減少陽(yáng)極析氧反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣氣泡在流道內(nèi)部聚并而導(dǎo)致的局部電阻升高，提升系統(tǒng)的能量效率。此外，獨(dú)立的液相流場(chǎng)設(shè)計(jì)還為實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)提供了可能性，這在化學(xué)合成中尤為重要。在多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)中，不同的反應(yīng)步驟可能需要不同的酸堿度環(huán)境，而原料又要求一直處于反應(yīng)體系內(nèi)。因此本發(fā)明的電堆結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)對(duì)每個(gè)反應(yīng)單元的酸堿度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同步驟的最佳反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)物的高效轉(zhuǎn)化以及對(duì)產(chǎn)物選擇性的精準(zhǔn)控制。
1.一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，包括一組主體極板和n組擴(kuò)展極板，n為自然數(shù)；一組所述主體極板包括極板a、極板d、極板e(cuò)，一組所述擴(kuò)展極板包括極板b和極板c；所述極板a的一側(cè)面設(shè)置第一流道，所述極板b、所述極板c、所述極板d的兩側(cè)面分別設(shè)置第一流道和第二流道，所述極板e(cuò)的一側(cè)面設(shè)置第二流道；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，所述極板a的外側(cè)設(shè)置有第一物料入口a，第一物料入口a與極板a的第一流道始端貫通；所述極板a的第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料出口a，第一物料出口a與極板a的第一流道末端貫通；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，所述極板b在其第二流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料穿孔b；當(dāng)n＝1時(shí)，第一物料穿孔b與極板a的第一物料出口a相對(duì)設(shè)置；當(dāng)n＞1時(shí)，第一物料穿孔b與極板c的第一物料出口c相對(duì)設(shè)置；極板b在其第一流道所在側(cè)面設(shè)置有第一物料入口b和第一物料出口b，第一物料入口b與第一物料穿孔b和極板b的第一流道始端分別連通，第一物料出口b與極板b的第一流道末端相連通；極板b的外側(cè)設(shè)置有第二物料入口b和第二物料出口b，第二物料入口b和第二物料出口b分別與極板b的第二流道始端和末端相連通；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，第一物料穿孔b與第一物料入口b在極板b的兩側(cè)面對(duì)應(yīng)設(shè)置；第一物料穿孔c與第一物料入口c在極板c的兩側(cè)面對(duì)應(yīng)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，第一流道和第二流道分別選擇單一蛇形流道、多通道蛇形流道、平行流道、交錯(cuò)流道、針狀流道中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，同一極板的第二物料進(jìn)口和第二物料出口可位于同側(cè)也可位于兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，對(duì)于陰極co2電還原耦合陽(yáng)極電解水，第一物料為co2，第二物料為電解液；第一流道優(yōu)選為蛇形流道；第二流道優(yōu)選為平行流道。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，所述主體極板和所述擴(kuò)展極板的四角處分別設(shè)置有定位孔，所述定位孔用于所述主體極板和所述擴(kuò)展極板的連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，相鄰兩層極板之間設(shè)置有膜電極組件，所述極板包括主體極板和擴(kuò)展極板；膜電極組件包括依次疊放的陰極、陰極墊片、膜、陽(yáng)極墊片、陽(yáng)極；所述陰極墊片和所述陽(yáng)極墊片的四角處分別設(shè)置有定位孔，所述陰極墊片和所述陽(yáng)極墊片設(shè)置有用于與各個(gè)極板的第一物料穿孔對(duì)準(zhǔn)的墊片穿孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆，其特征在于，在所述極板a不設(shè)置第一流道的側(cè)面和所述極板e(cuò)不設(shè)置第二流道的側(cè)面，分別設(shè)置有第一端板和第二端板；所述第一端板與極板a之間、所述第二端板與所述極板e(cuò)之間均依次設(shè)置有端板絕緣墊片和集流板。