一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器。该反应器中部设有零距离反应装置，该装置依次设有第一块硅胶垫片(1)、第二块硅胶垫片(2)、离子交换膜(5)、第三块硅胶垫片(3)、第四块硅胶垫片(4)，这四块硅胶垫片中间设有连通槽，第一块硅胶垫片(1)和第二块硅胶垫片(2)的连通槽中设置阴极(9)，第三块硅胶垫片(3)和第四块硅胶垫片(4)的连通槽中设置阳极(10)。该反应器能显著提高二氧化碳电化学还原进程中的电流密度，极大的减少了能量损耗。

A continuous multi compartment fuel cell membrane electrode structure carbon dioxide electrochemical reduction reactor

【技术实现步骤摘要】
一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器
本专利技术属于二氧化碳电化学还原反应器领域，特别涉及一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器。
技术介绍
工业革命以来，人口的急剧膨胀以及化石燃料的大量燃烧，使得大气中的二氧化碳浓度越来越高，目前已达到411ppm。过多的二氧化碳累积将造成温室效应和海平面上升等众多环境问题。因此，如何控制并减少大气中二氧化碳的含量已经成为人们研究和关注的焦点。其中有效手段之一是通过电化学反应将二氧化碳转化成为可以利用的能源燃料和化学品。新型催化剂材料是CO2电催化还原的关键，而新型催化剂材料能否运用到CO2电化学反应器中将是CO2还原是否可以运用到工业实际中的关键(EnergEnvironSci.6(6),1711(2013))。因此，从更加长远的角度出发，CO2电化学反应器的设计与开发新型催化剂材料同样重要。对于CO2电催化还原而言，改进传统的H型反应器设计一个外部电路短、溶液传质阻力小的新型反应器对于提升体系能量效率至关重要。目前，大部分的CO2电催化还原实验都是基于传统的H型反应器进行，而传统的H型反应器存在许多的不足，例如：电流效率低、电极之间距离过大、传质阻力过大、不能流动以及无法连续工作等问题，很难满足日益发展的CO2电催化还原研究。因此，研究者们开始了关于CO2电催化还原反应器的探索，设计出可以改善反应环境的反应器(JElectrochemSoc.160(1),F69(2013))。据报道，流动式反应器可以很好的通过液体的流动减少浓差极化，而膜电极电极可以很好的减少电极之间的距离，从而降低能耗损失(ChemEngJ.207,278(2012))。值得注意的是膜电极(MEA)技术已被广泛应用在燃料电池领域，但是应用于二氧化碳电化学还原器研究还未受到广泛关注。中国专利CN109659571A公开了燃料电池膜电极(MEA)反应器不仅可以缩短电极之间的距离，增大二氧化碳与催化剂的接触面积，同时还可将生成的副产物有效传输出反应器之外，提高产物检测的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器，以克服现有技术中二氧化碳电化学还原器电流效率低、电极之间距离过大等缺陷。本专利技术提供一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器，该反应器中部设有零距离反应装置，所述零距离反应装置依次设有第一块硅胶垫片、第二块硅胶垫片、离子交换膜、第三块硅胶垫片、第四块硅胶垫片，所述第一块硅胶垫片、第二块硅胶垫片、第三块硅胶垫片和第四块硅胶垫片中间都设有连通槽，所述第一块硅胶垫片和第二块硅胶垫片的连通槽中设置阴极，所述阴极为气体扩散电极，所述第三块硅胶垫片和第四块硅胶垫片的连通槽中设置阳极；所述零距离反应装置外侧设有多个隔室，所述隔室是由两块中间设有第五块硅胶垫片的板组成，所述多个隔室除最外面的板外的所有板与所有第五块硅胶垫片中间都设有连通槽。所述阴极一侧的隔室中的第五块硅胶垫片的连通槽中设置有另外一个阴极，所述另外一个阴极为气体扩散电极。所述阴极一侧的两块板的边缘分别设有用于放置参比电极和电解液的小孔。所述板为特氟龙板。所述用于放置电解液的小孔包括溶液流出口和溶液流入口，所述溶液流出口、溶液流入口分别与填充式气液分离装置的第一端口、第五端口连接，所述填充式气液分离装置类似U型管，所述填充式气液分离装置的一个管口上方设置第一端口和第二端口，另一个管口上方设置第三端口、第四端口和第五端口。所述气体扩散电极的基底上涂覆含有锡的混合溶液。所述锡为商业锡，所述商业锡为100nm粒径商业锡、50nm粒径商业锡中的至少一种。所述基底为碳纸；气体扩散电极上锡的负载量为1～50mg/cm2。所述气体扩散电极的制备方法包括：将锡分散到异丙醇溶液中，加入Nafion溶液，搅拌，将得到的混合溶液涂覆到基底上，烘干，即得，其中锡、异丙醇溶液和Nafion溶液的比例为2～120mg:95～4000μL:20～1000mg。所述Nafion溶液中Nafion的质量分数为3wt％～30wt％；搅拌时间为5～120min。本专利技术涉及的硅胶垫片是防止电解液溶液泄漏和产物气体的扩散。本专利技术利用填充式气液分离装置将CO2气体与电解液混合之后再流动进入阴极室，并且填充式气液分离装置可以分离CO2和气/液产物以实现有效的CO2电化学还原。有益效果(1)本专利技术能显著提高二氧化碳电化学还原进程中的电流密度，极大的减少了能量损耗。(2)本专利技术结构简单，操作简便，能极大的降低反应时的能耗，在二氧化碳电化学还原、锂离子电池等领域具有良好的应用前景。因为CO2气体在填充式气液分离装置中与电解液混合之后再流入反应器，不仅使电解液中的CO2气体更加均匀便于反应，其次CO2气体不会同产物气体一同流出反应器，降低了反应气体的收集难度，并提高了测试的灵敏度。附图说明图1为本专利技术中连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器拆分的结构示意图。图2为本专利技术中填充式气液分离装置的结构示意图。图3为本专利技术中连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器整体结构示意图以及部分放大图。图4为实施例1的负载有商业锡的气体扩散电极运用在连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器在二氧化碳饱和的0.5MKHCO3中的循环伏安曲线图。图5为实施例4的负载有商业锡的气体扩散电极运用在连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器的线性伏安扫描图。图6为实施例6的负载有商业锡的气体扩散电极运用在连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器的线性伏安扫描图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1本实施例提供一种气体扩散电极，气体扩散电极的基底上负载有商业锡，基底为1cm*1cm的日本Toray公司生产的H-090型碳纸电极。气体扩散电极的制备方法为：将3mg商业锡(上海阿拉丁有限公司，粒径<100nm)分散到100μL的(质量分数为99.7％)异丙醇溶液(分析纯)中，加入25mg质量分数为5％的Nafion溶液，在搅拌(1h)下得到催化剂溶液。用微量移液枪取上述催化剂溶液(80μL)涂抹至基底上，放入烘箱中60℃烘干两小时后得到负载有商业锡的气体扩散电极(Sn/GDL)。商业锡载量为2mg/cm2。实施例2本实施例提供一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器，其结构如图1所示，该反应器中部设有零距离反应装置，零距离反应装置依本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器，该反应器中部设有零距离反应装置，其特征在于，所述零距离反应装置依次设有第一块硅胶垫片(1)、第二块硅胶垫片(2)、离子交换膜(5)、第三块硅胶垫片(3)、第四块硅胶垫片(4)，所述第一块硅胶垫片(1)、第二块硅胶垫片(2)、第三块硅胶垫片(3)和第四块硅胶垫片(4)中间都设有连通槽，所述第一块硅胶垫片(1)和第二块硅胶垫片(2)的连通槽中设置阴极(9)，所述阴极(9)为气体扩散电极，所述第三块硅胶垫片(3)和第四块硅胶垫片(4)的连通槽中设置阳极(10)；/n所述零距离反应装置外侧设有多个隔室，所述隔室是由两块中间设有第五块硅胶垫片(6)的板(7)组成，所述多个隔室除最外面的板(7)外的所有板(7)与所有第五块硅胶垫片(6)中间都设有连通槽。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续式多隔室类燃料电池膜电极结构二氧化碳电化学还原反应器，该反应器中部设有零距离反应装置，其特征在于，所述零距离反应装置依次设有第一块硅胶垫片(1)、第二块硅胶垫片(2)、离子交换膜(5)、第三块硅胶垫片(3)、第四块硅胶垫片(4)，所述第一块硅胶垫片(1)、第二块硅胶垫片(2)、第三块硅胶垫片(3)和第四块硅胶垫片(4)中间都设有连通槽，所述第一块硅胶垫片(1)和第二块硅胶垫片(2)的连通槽中设置阴极(9)，所述阴极(9)为气体扩散电极，所述第三块硅胶垫片(3)和第四块硅胶垫片(4)的连通槽中设置阳极(10)；
所述零距离反应装置外侧设有多个隔室，所述隔室是由两块中间设有第五块硅胶垫片(6)的板(7)组成，所述多个隔室除最外面的板(7)外的所有板(7)与所有第五块硅胶垫片(6)中间都设有连通槽。


2.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述阴极(9)一侧的隔室中的第五块硅胶垫片(6)的连通槽中设置有另外一个阴极(18)，所述另外一个阴极(18)为气体扩散电极。


3.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述阴极(9)一侧的两块板(7)的边缘分别设有用于放置参比电极和电解液的小孔；板(7)为特氟龙板。


4.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述用于放置电解液的小孔包括溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔锦丽，刘俊宇，彭芦苇，刘佩旋，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31