具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置

本申请涉及二氧化碳电化学还原领域，尤其涉及具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置。

背景技术：

1、随着全球工业化发展的持续推进，化石燃料消耗产生的二氧化碳作为现存最主要的温室气体在大气中不断积累，这将导致一系列严重的环境污染和气候变化问题。在诸多二氧化碳转化与利用技术中，二氧化碳电还原策略因其具有反应条件温和、可持续性好等优势而受到广泛关注。

2、在对于二氧化碳电还原的早期研究中，间歇式电解槽较为常用，二氧化碳气体分子作为多相催化反应的原料需要首先溶解于电解液中，进而通过迁移扩散至电极表面参与反应。由于二氧化碳在水溶液中的溶解度低，这极大地减缓了电极表面气体反应物的供应，导致反应速率较慢。相较而言，具有多孔结构的气体扩散型电极能够直接将二氧化碳从气相输送至催化剂表面，有效削弱了的传质限制。因此，与间歇式电解槽相比，对于装配有气体扩散型电极的流动电解池，其二氧化碳电还原的理论反应活性可提高了几个数量级(例如达到10ka/m2)。

3、然而，气体扩散型电极催化剂层需要具备亲水性以便与电解液直接接触形成通路，在长时间的电解过程中，溶液浸润和盐类析出使得电解液渗透并堵塞气体扩散孔道，最终减少了二氧化碳气体进入催化剂表面的机会，导致反应活性的大幅降低。因而在实际工况下，气体扩散型电极往往需要通过工艺复杂、高成本的结构调控来增强整体的稳定性，即便如此，优化后电极的实际活性(1～2ka/m2)依然远低于10ka/m2的理论活性，具有较大的局限性。基于此，二氧化碳电还原领域亟待开辟出一条气体扩散型电极之外的技术路线，在维持体系内高反应速率的同时进一步提升运行稳定性。

4、多相流技术作为一项应用广泛的微化工技术，可实现气液两相间的传质过程强化，进而提升二氧化碳电还原反应速率。目前，基于多相流技术的电解装置一般采用装置外预混合再电解的方案，即先于外部管路中生成多相流，而后通入电解装置中进行反应。然而，多相流在外部管路内输送的过程中，其流型往往会发生变化，进而可能造成气液相接触面积缩小，最终导致传质效率下降；同时，电解装置外部的多相流生成模块及配套管路占据大量空间，使得反应体系复杂化。公布号为cn116288441a的专利申请公开的二氧化碳电解装置即使用上述多相流技术为电解池的阴极提供反应原料，其也具有上述值得在意的问题。

5、因此，二氧化碳电还原反应装置还有改进空间。

技术实现思路

1、为了解决或缓解背景技术提到的至少一个问题，本申请提供了具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置。

2、本申请提供给的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置包括顺序设置的：

3、阴极板，所述阴极板上设置有阴极第一进料通道和阴极第二进料通道，所述阴极第一进料通道用于通入阴极第一物料，所述阴极第二进料通道用于通入阴极第二物料；

4、阴极电极，所述阴极电极上设置有连接于所述阴极第一进料通道的第一孔和连接于所述阴极第二进料通道的第二孔；

5、阴极流道板，所述阴极流道板包括设置有未镂空的沟槽的第一区和镂空的第二区，所述第一区设置于所述阴极流道板的在厚度方向上靠近所述阴极电极的一侧，所述第一孔和所述第二孔都连接于所述第一区，所述第一区连接于所述第二区，使得所述阴极第一物料和所述阴极第二物料能够分别通过所述阴极第一进料通道和所述阴极第二进料通道进入所述第一区，在所述第一区交汇混合，而后进入所述第二区。

6、在至少一个实施方式中，所述阴极第一物料和所述阴极第二物料交汇处的所述阴极第一物料所在的流道垂直于所述阴极第二物料所在的流道。

7、在至少一个实施方式中，所述第一区包括第一流道，所述第一孔和所述第二孔分别连接于所述第一流道的上下游，所述第二孔的轴线方向垂直于所述阴极流道板。

8、在至少一个实施方式中，所述第一孔的轴线方向和所述第二孔的轴线方向都垂直于所述阴极流道板。

9、在至少一个实施方式中，所述第一区包括相互垂直的第一流道和第二流道，所述第一孔连接于所述第一流道，所述第二孔连接于所述第二流道。

10、在至少一个实施方式中，所述第一区包括第三流道，所述第三流道位于所述阴极第一物料和所述阴极第二物料交汇处的下游。

11、在至少一个实施方式中，所述二氧化碳电还原反应装置还包括顺序设置的离子交换膜、阳极电极和阳极板，所述离子交换膜贴合于所述阴极流道板。

12、在至少一个实施方式中，所述二氧化碳电还原反应装置还包括顺序设置的阳极膜电极、阳极集流体和阳极板，所述阳极膜电极贴合于所述阴极流道板。

13、在至少一个实施方式中，所述阴极板还具有阴极出料通道。

14、在至少一个实施方式中，所述阳极板具有阳极进料通道和阳极出料通道。

15、本申请将多相流生成位点直接内置于阴极板和阴极流道板之间，在阴极电极表面直接原位生成连续多相流，使得气液两相接触面积在电还原装置内始终保持在较大的水平。解决了背景技术所提到的外部管路中生成多相流，而后通入电解装置中进行反应时会产生的气液相接触面积缩小，最终导致传质效率下降的问题。本申请实施方式可以不在电还原反应装置外额外设置多相流生成模块及其配套管路，相比于背景技术简化了体系流路，使得操作更加便捷，运行和维护成本得以进一步降低。

技术特征：

1.一种具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，包括顺序设置的：

2.根据权利要求1所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述阴极第一物料和所述阴极第二物料交汇处的所述阴极第一物料所在的流道垂直于所述阴极第二物料所在的流道。

3.根据权利要求2所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述第一区(310)包括第一流道(311)，所述第一孔(210)和所述第二孔(220)分别连接于所述第一流道(311)的上下游，所述第二孔(220)的轴线方向垂直于所述阴极流道板(300)。

4.根据权利要求3所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述第一孔(210)的轴线方向和所述第二孔(220)的轴线方向都垂直于所述阴极流道板(300)。

5.根据权利要求2所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述第一区(310)包括相互垂直的第一流道(311)和第二流道(312)，所述第一孔(210)连接于所述第一流道(311)，所述第二孔(220)连接于所述第二流道(312)。

6.根据权利要求2所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述第一区(310)包括第三流道(313)，所述第三流道(313)位于所述阴极第一物料和所述阴极第二物料交汇处的下游。

7.根据权利要求1所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述二氧化碳电还原反应装置还包括顺序设置的离子交换膜(410)、阳极电极(510)和阳极板(600)，所述离子交换膜(410)贴合于所述阴极流道板(300)。

8.根据权利要求1所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述二氧化碳电还原反应装置还包括顺序设置的阳极膜电极、阳极集流体和阳极板(600)，所述阳极膜电极贴合于所述阴极流道板(300)。

9.根据权利要求1所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述阴极板(100)还具有阴极出料通道(130)。

10.根据权利要求7或8所述的具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置，其特征在于，所述阳极板(600)具有阳极进料通道(610)和阳极出料通道(620)。

技术总结本申请提供了具有多相流直接生成功能的二氧化碳电还原反应装置。该二氧化碳电还原反应装置包括顺序设置的阴极板、阴极电极和阴极流道板。阴极板上设置有阴极第一进料通道和阴极第二进料通道。阴极电极上设置有连接于阴极第一进料通道的第一孔和连接于阴极第二进料通道的第二孔。阴极流道板包括设置有未镂空的沟槽的第一区和镂空的第二区，第一区设置于阴极流道板的在厚度方向上靠近阴极电极的一侧，第一孔和第二孔都连接于第一区，第一区连接于第二区，使得阴极第一物料和阴极第二物料能够分别通过阴极第一进料通道和阴极第二进料通道进入第一区，在第一区交汇混合，而后进入第二区。技术研发人员：陆奇,李明翰受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23