用于自动优化COX电解反应器的方法和系统与流程

背景技术：

1、大气中二氧化碳(co2)的积累是全球变暖的主要原因。在排放点源或直接从空气中(直接通过空气捕获)捕获二氧化碳，并使用脱碳化的电源将其转化为有价值的化学物质和燃料是一种既降低二氧化碳的大气浓度又为当前化石燃料衍生原料提供可持续替代品的有前途的方法。在设想的转化技术中，基于聚合物-电解质-膜的电还原技术，因其多功能性(可在较宽范围的温度和压力下使用，可间歇使用)和产生多种产品的适应性而脱颖而出。

2、据报道，电还原co2产生一氧化碳(carbon monoxide)、co、甲酸、乙烯、乙醇、乙烷、丙醇、丙烯、乙醛以及其他产物。多篇综述介绍了这一技术的潜力。目前还在探索碳酸氢根和碳酸根离子(hco3-和co32-)的电还原技术，其中co2在低(分别为高)碱性浓度水溶液中有利地析出。这是特别令人感兴趣的，因为主要的co2捕获技术包括使co2与碱性水溶液接触以形成这种含碳酸氢盐和碳酸盐的化合物，这种化合物本身具有有限的捕获程度值。目前，co电还原越来越受到关注。据报道，结合确保co2转化为co的第一步(通过任何方式，例如但不限于电还原、co2的加氢或含碳原料(例如但不限于废物、生物质)的气化)，co电还原是生产某些商品(例如乙烯)的潜在经济可行的方式。co和含n的反应物(例如但不限于nh3、no2和no3-)的共电还原对于重塑涉及c-n键产生的工业化学过程也具有重要意义。

3、在以下公开内容中，co2、co和氧代碳家族的其他成员将被统称为cox。cox电解反应器通常由一个或多个堆叠组成，每个堆叠包括至少一个或多个彼此堆叠的电池。在堆叠中，每个单独的电池包括两个由离子传导介质(例如但不限于聚合物电解质膜连接)连接的半电池，电池包括：阳极室，其中用于进行水或替代反应物的氧化；以及阴极室，其中用于将至少cox还原成目标产物。每个半电池由确保电接触和向多孔导电载体(例如气体扩散层(gdl)或多孔金属载体)提供反应物的流场组成，后者与催化剂直接接触，在催化剂表面发生反应。由两个多孔载体和各自的催化剂以及中心的一个或多个膜形成的组件被称为膜电极组件(mea)。在堆叠中，单个电池由导电极板(双极或单极)物理支撑在其两侧。双极板在其每一侧支撑一个和下一个电池的流场，并确保两个相邻电池之间的串联连接。在堆叠的每一端，终端极板被称为单极板，因为它仅在其一侧支持流场和相邻的电池。为简明起见，在下文中，电池将共同指代包括两个流场和支撑极板的中央催化组件(例如但不限于在离子传导介质是基于膜的情况下的mea)。

4、其他多种电解反应器配置是可能的。一些现有技术研究报道了在高压下以高转化率将二氧化碳转化为气态产物的圆形模块化电解器和方法，或者提供了用于气态二氧化碳转化的矩形电解器的实例。在所有情况下，核心都集中在电池的结构上。

5、多种膜电极组件也是可能的。人们已经付出了巨大的努力来探索不同的化学性质(例如，金属合金、单金属位点催化剂、分子种类、添加剂的使用)和不同的结构(例如，纳米颗粒、枝晶、薄膜)的候选催化剂。在所有情况下，探索努力都集中在对电催化系统的化学改性，以提高其性能和稳定性。

6、cox电解反应器很复杂，因此经常发生失效和性能下降。它们可能很难维护：对于负责维护它们的操作人员来说，进入其中是困难的。由于上述原因，运营成本可能会很高。在工业化的道路上，现在需要最大限度地提高反应器性能度量以及生产能力系数(即工厂生产的实际运行速率与最大生产率之间的比率)。还希望限制包括多个电解电池的电解反应器的维护成本并减少维护时间。解决方案可以是在停止系统进行维护操作之前，尽可能长时间地保持堆叠性能的方法，并使这种维护操作的持续时间最小化。

技术实现思路

1、本发明公开了与碳捕获和利用领域相关的方法和系统。在本公开中描述的方法和系统对于通过电化学还原将大气中积累的cox转化为其他化学物质，例如有价值的和可持续的化学物质和/或燃料，以及自动控制和优化包括电解堆叠的电解系统或电解器的效率是对环境有益的。

2、本发明的具体实施方案涉及在给定性能水平下增加电解系统利用时间的方法和系统。电解系统的性能水平会由于衰减电池和/或堆叠衰减的影响而降低。如本文所使用的，术语“衰减电池”包括由于检测到的电池的工作状态而预测其性能将下降的电池、其性能已经显著下降的电池、以及其性能已经下降至实际上不再起作用的失效电池。类似地，术语“衰减堆叠”包括由于检测到的堆叠运行状态而预测其性能会下降的堆叠、其性能已经显著下降的堆叠以及其性能已经下降至实际上不再起作用的失效堆叠。衰减/失效堆叠可以包括包含多于可接受数量的衰减/失效电池的堆叠。本文描述的一些方法针对电解系统的性能的监测、衰减和/或失效状态的识别、以及最小化衰减、避免失效和/或解决失效的动作的触发。在这方面，公开的方法包括识别衰减和/或失效的电池和/或堆叠，以及修改这种电池和/或堆叠的运行状态以延迟进一步衰减和最终失效。这种方法包括，例如，改变系统中的操作参数以延长电池和/或堆叠的运行。所述方法还包括在衰减电池中识别失效电池(例如衰减已经超过某个极限的电池或根本不工作的电池)。在这些情况下，运行状态的修改可以包括系统中电池和/或堆叠的实际禁用。一旦失效电池的数量超过了可接受的值，使得转化的cox的总量过低(例如因为太多的电池被禁用)，则可以通过机械辅助装置(例如但不限于本公开中举例说明的那些)执行更换步骤，以尽可能快和尽可能有效地更换失效电池。

3、在本公开中，术语“衰减电池”包括其工作特性(如电阻)不同于参考值的电池。电阻的例子将通常在本公开中使用，但是相关领域的技术人员将认识到，可以使用其他操作特性来识别衰减或失效的电池，例如那些直接或间接依赖于电阻的特性(例如，电压和电流)。电池电阻定义为电池电压(电池的两个电极之间的电势差)和流经电池的电流之间的比率。电池电阻可以通过不同的方法获得，例如但不限于使用阻抗光谱技术，或者可以从电流和电池电压的测量中推断。或者，电池电阻可以直接从电池电压测量值和与第一电池串联的一个或多个电池的电流中推断出来。

4、参考值可取决于多种因素，例如但不限于系统的几何形状、反应的性质、目标产品的类型和操作条件。电池电阻的参考值可以基于系统或系统组件的预期行为的知识来确定。也可以相对于其他电池的电阻来定义，例如通过将该电池的电阻与多个电池内的一组电池的平均电阻进行比较。参考值可以是固定值，或者也可以结合校正因子以说明系统的操作条件，例如电池之间的温度差。在这种情况下，不同的参考值可以用于不同操作条件下的不同电池。基于上述定义，衰减电池的电阻可以由相对而言与其参考值不同的电阻来定义。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少0.1％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少0.5％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少1％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少1.5％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少3％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少5％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少10％。这些差值可以是正值的，也可以是负值的。在本发明的具体实施方案中，可以由系统操作人员根据期望的性能水平来调整用于定义衰减电池的阈值。

5、在本发明的具体实施方案中，衰减电池为失效电池，即特定操作特性(例如，电阻)相对于参考值的差异超过特定阈值的电池。因此，失效电池可以由相对其参考值不同的电阻来定义。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少3％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少5％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少10％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少20％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少30％。在本发明的具体实施方案中，电阻与其参考值相差至少50％。这些差值可以是正值的，也可以是负值的。在本发明的具体实施方案中，可以由系统操作人员根据期望的性能水平来调整用于定义衰减电池的阈值。

6、通过识别衰减电池/堆叠，然后相应地修改系统的运行状态(例如，通过改变运行参数以避免进一步衰减)，可以延长系统的寿命。通过识别失效电池/堆叠，然后相应地修改系统的运行状态(例如通过禁用这种电池/堆叠)，即使在失效之后也可以延长系统的寿命。此外，当过多的电池/堆叠被禁用时，本发明还提出了允许快速更换电池而不会对系统的整体性能产生重大影响的系统和机制。

7、因此，本发明的具体实施方案提供了延长电解系统寿命的方法，以及处理电池和堆叠衰减、失效和更换的快速方法。这可以在本发明的领域中产生显著的益处，因为与电极更稳定的其他应用相比，本文所公开的特定应用的电解系统中的电极需要更频繁地更换。类似地，在其他系统中，旁路或禁用可能不那么重要，因为如果一个电池没有产生尽可能多的电力，对发电系统等造成的危害可能较小。

8、在本发明的具体实施方案中，提供了用于控制具有多个电解电池的电解系统的方法，其中电解系统将包含cox的流体转化为至少一种化学物质。所述方法包括使用至少一个传感器监测多个电解电池。所述方法还包括通过监测而识别多个电解电池中的衰减电池。所述方法还包括在识别出衰减电解电池，并且在继续运行多个电解电池中的至少一个其它电池时，修改多个电解电池的运行状态。

9、在本发明的具体实施方案中，提供了电解系统。所述系统包括多个电解电池，其被配置为接收包含cox的流体并将cox转化为至少一种化学物质。所述系统还包括至少一个传感器，所述传感器被配置成监测多个电解电池。所述系统还包括至少一个处理器和可由所述至少一个处理器访问并存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由至少一个处理器执行时，所述指令使系统使用所述至少一个传感器监测多个电解电池；通过监测而识别多个电解电池中的衰减电池；并且在识别出衰减电池以及在继续运行多个电解电池中的至少一个其它电池时，修改多个电解电池的运行状态。

10、在本发明的具体实施方案中，提供了电解系统。所述系统包括电解电池堆叠。电解电池堆叠的电池包括板，例如但不限于极板。所述系统还包括位于电解电池堆叠的第一端的第一堆叠外壳。所述系统还包括至少一个锁定机构，用于使板和第一堆外壳在一定程度的压缩下从堆叠的第二端移开。堆叠的一部分，例如一组电池，进一步单独称为“子堆叠”。