1.一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，所述二氧化碳电催化还原装置包括电催化装置主体(1)、电热装置(7)、气路结构和液路结构，所述气路结构包括气体分析仪器(5)、真空泵(8)、二氧化碳气源和干燥器(2)，所述二氧化碳气源经所述干燥器(2)连通所述电催化装置主体(1)的气路进口，所述电催化装置主体(1)的气路出口通过电控三通阀(6)并联连接输送管和真空泵(8)，所述输送管和所述真空泵(8) 二者的出气口并联连接到所述气体分析仪器(5)，所述气体分析仪器(5)连接到气体管路输出管输出气体产物，所述电热装置(7)用于加热所述电催化装置主体(1)；
其特征在于：所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法包括下列步骤：
步骤一、采集检测信号并上传控制模块；
步骤二、控制模块分析信号判断是否将装置转变为除水状态，通过气体分析仪器(5)采集的一氧化碳及二氧化碳浓度信号分析一氧化碳的浓度是否下降以及下降幅度是否超过设定的下降阈值；
步骤三、将二氧化碳电催化还原装置转变为除水状态；
步骤四、维持除水状态一段时间，通过加热所述电催化装置主体(1)和负压快速进气，让阴极的水分加速蒸发并将抽取的气体经真空泵(8)最终排入所述气体管路输出管；
步骤五、将所述二氧化碳电催化还原装置转变为正常运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述干燥器(2)与所述电催化装置主体(1)的气路进口之间设有质量流量计(3)，用于限制或调节进入所述气路进口的二氧化碳流量；所述气路出口处还设有电子气压计(4)，所述电子气压计(4)用于检测所述电催化装置主体(1)中阴极流道(106)内的气压。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述电催化装置主体(1)的液路进口经开关阀一(10)连接到电解液供应源，所述电催化装置主体(1)的液路出口经开关阀二(11)连接到气液分离器(12)，所述气液分离器(12)的气体出口和液体出口分别向外输出氧气和液体产物。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述电热装置(7)设有伸入所述电催化装置主体(1)中的导热柱(13)，所述电催化装置主体(1)包括若干电解单元，所述电解单元包括阴极板(101)、工作电极(102)、离子交换膜(103)、对电极(104)和阳极板，所述阴极板(101)和所述阳极板二者的底部均设有延伸到内部的插孔，所述导热柱(13) 外部绝缘并插入所述插孔并与所述插孔内壁接触导热。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：相邻的所述阴极板(101)和所述阳极板一体化形成双极板(105)，则所述插孔也设置于所述双极板(105)底部。
6.根据权利要求2所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述电催化装置主体(1)还设有检测自身内部温度的电子温度计，所述的二氧化碳电催化还原装置还包括控制模块，所述控制模块分别与所述电子气压计(4)、所述气体分析仪器(5)、所述电子温度计相连采集相应检测信号，所述控制模块还分别连接控制所述电控三通阀(6)、质量流量计(3)、电热装置(7)和真空泵(8)。
7.根据权利要求6所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述步骤二中，设定下降阈值为5%，当检测得到一氧化碳的浓度下降并且下降幅度超过5%的下降阈值，执行步骤三；否则维持原有状态继续进行二氧化碳的电催化还原反应，回到步骤一。
8.根据权利要求7所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述步骤三中，通过控制模块发出命令，让电控三通阀(6)将所述电催化装置主体(1)的气路出口从通过输送管直接连接到所述气体分析仪器(5)切换为连接到所述真空泵(8) 再到气体分析仪器(5)；之后控制模块根据电控三通阀(6)的反馈信号进一步发出命令，一方面控制所述真空泵(8)启动，抽出所述电催化装置主体(1)内的产物送到气体分析仪器(5)，另一方面控制电热装置(7)加热电催化装置主体(1)内的温度，让温度上升到60-80摄氏度。
9.根据权利要求8所述的一种二氧化碳电催化还原装置的多效除水方法，其特征在于：所述步骤三中，在启动真空泵(8)后，通过电子气压计(4)检测得到的实际气压，启动质量流量计(3)以控制负压大小，通过质量流量计(3)控制二氧化碳的进气流量，让所述气路结构中保持一定负压，降低所述气体出口的压力到10-50 KPa。

技术领域
[0001]本发明属于碳转化技术领域，具体涉及一种多效除水的二氧化碳电催化还原装置。
背景技术
[0002]气体扩散电极(GDE)技术是一种能将二氧化碳电催化还原从而制备合成气的碳转化技术，也是能将二氧化碳资源化利用的有效途径之一，该技术的优点是能突破气体溶解度限制。其电解单元由阴极一侧到阳极一侧依次包括有阴极板、工作电极(阴极)、离子交换膜、对电极(阳极)和阳极板，工作电极和对电极上涂布有催化剂实现电催化反应、阴极板和阳极板二者内侧相对，同时二者的内侧分别设有对应的阴极流道和阳极流道，前者用于通入二氧化碳气体而后者用于通入反应用的电解液，通电后实现对二氧化碳气体的电催化还原。
[0003]该技术采用的二氧化碳电催化还原装置采用电堆结构，由多个电解单元连接组成装置，有多个电解单元同时反应完成二氧化碳资源化利用。在使用一段时间后发现二氧化碳转化率降低，经研究发现这是由于电解液中进行离子交换时，离子会带着结合水从电解单元的阳极侧透过离子交换膜到达电解单元的阴极侧。随着运行时间增加，上述现象导致不断透过离子交换膜的水浸没部分催化剂，使催化剂与二氧化碳反应气接触面积变小，二氧化碳转化率因此降低，并且水的存在还会促进产氢导致CO的法拉第效率降低。
发明内容
[0004]本发明的目的是提供一种多效除水的二氧化碳电催化还原装置，用于解决现有技术中由于离子交换过程中的结合水透过离子交换膜，在阴极聚集，一段时间后浸没催化剂阻隔二氧化碳反应气接触催化剂，从而降低二氧化碳转化并促进产氢的技术问题。
[0005]所述的一种多效除水的二氧化碳电催化还原装置，包括电催化装置主体、电热装置、气路结构和液路结构，所述气路结构包括气体分析仪器、真空泵、二氧化碳气源和干燥器，所述二氧化碳气源经所述干燥器连通所述电催化装置主体的气路进口，所述电催化装置主体的气路出口通过电控三通阀并联连接输送管和真空泵，所述输送管和所述真空泵二者的出气口并联连接到所述气体分析仪器，所述气体分析仪器连接到气体管路输出管输出气体产物，所述电热装置用于加热所述电催化装置主体。
[0006]优选的，所述干燥器与所述电催化装置主体的气路进口之间设有质量流量计，用于限制或调节进入所述气路进口的二氧化碳流量；所述气路出口处还设有电子气压计，所述电子气压计用于检测所述电催化装置主体中阴极流道内的气压。
[0007]优选的，所述电催化装置主体的液路进口经开关阀一连接到电解液供应源，所述电催化装置主体的液路出口经开关阀二连接到气液分离器，所述气液分离器的气体出口和液体出口分别向外输出氧气和液体产物。
[0008]优选的，所述电热装置设有伸入所述电催化装置主体中的导热柱，所述电催化装置主体包括若干电解单元，所述电解单元包括阴极板、工作电极、离子交换膜、对电极和阳极板，所述阴极板和所述阳极板二者的底部均设有延伸到内部的插孔，所述导热柱外部绝缘并插入所述插孔并与所述插孔内壁接触导热。
[0009]优选的，相邻的所述阴极板和所述阳极板一体化形成双极板，则所述插孔也设置于所述双极板底部。
[0010]优选的，所述电催化装置主体还设有检测自身内部温度的电子温度计，所述的二氧化碳电催化还原装置还包括控制模块，所述控制模块分别与所述电子气压计、所述气体分析仪器、所述电子温度计相连采集相应检测信号，所述控制模块还分别连接控制所述电控三通阀、质量流量计、电热装置和真空泵。
[0011]优选的，采用所述二氧化碳电催化还原装置实现的多效除水方法包括下列步骤：
[0012]步骤一、采集检测信号并上传控制模块；
[0013]步骤二、控制模块分析信号判断是否将装置转变为除水状态，通过气体分析仪器采集的一氧化碳及二氧化碳浓度信号分析一氧化碳的浓度是否下降以及下降幅度是否超过设定的下降阈值；
[0014]步骤三、将二氧化碳电催化还原装置转变为除水状态；
[0015]步骤四、维持除水状态一段时间，通过加热所述电催化装置主体和负压快速进气，让阴极的水分加速蒸发并将抽取的气体经真空泵排入所述气体管路输出管；
[0016]步骤五、将所述二氧化碳电催化还原装置转变为正常运行状态。
[0017]优选的，所述步骤二中，设定下降阈值为5％，当检测得到一氧化碳的浓度下降并且下降幅度超过5％的下降阈值，执行步骤三；否则维持原有状态继续进行二氧化碳的电催化还原反应，回到步骤一。
[0018]优选的，所述步骤三中，通过控制模块发出命令，让电控三通阀将所述电催化装置主体的气路出口从通过输送管直接连接到所述气体分析仪器切换为连接到所述真空泵再到气体分析仪器；之后控制模块根据电控三通阀的反馈信号进一步发出命令，一方面控制所述真空泵启动，抽出所述电催化装置主体内的产物送到气体分析仪器，另一方面控制电热装置加热电催化装置主体内的温度，让温度上升到60-80摄氏度。
[0019]优选的，所述步骤三中，在启动真空泵后，通过电子气压计检测得到的实际气压，启动质量流量计以控制负压大小，通过质量流量计控制二氧化碳的进气流量，让所述气路结构中保持一定负压，降低所述气体出口的压力到10-50KPa。
[0020]本发明的优点在于：本方案在通过仪器检测一氧化碳浓度下降幅度达到阈值后即能在不拆卸电催化装置主体的前提下将装置转变为除水状态。同时本方案综合考虑了催化剂和离子交换膜不耐高温的限制，在不影响离子交换膜和催化剂的前提下利用电热装置和切换后连接的真空泵实现对电催化装置主体内部的加热和施加负压，以60-80摄氏度的温度结合10-50KPa的负压作用实现该侧水分的快速蒸发去除。此过程通过相应真空泵、质量流量计、电子气压计、电子温度计和电热装置的配合得以实现，无需通过拆卸电催化装置主体来快速去除阴极的水分，因此也避免拆卸组装电催化装置主体所带来的不便，保持了反应过程的连续性。
附图说明
[0021]图1为本发明一种多效除水的二氧化碳电催化还原装置的结构示意图。
[0022]图2为本发明中电催化装置主体及电热装置的结构示意图。
[0023]图3为本发明中电解单元的结构示意图。
[0024]图4为本发明中控制系统的示意图。
[0025]图5为采用本发明的除水方法的基本流程图。
[0026]附图中的标记为：1、电催化装置主体，101、阴极板，102、工作电极，103、离子交换膜，104、对电极，105、双极板，106、阴极流道，2、干燥器，3、质量流量计，4、电子气压计，5、气体分析仪器，6、电控三通阀，7、电热装置，8、真空泵，9、气体产物输出管，10、开关阀一，11、开关阀二，12、气液分离器，13、导热柱。
具体实施方式
[0027]下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和伸入的理解。
[0028]如图1-5所示，本发明提供了一种多效除水的二氧化碳电催化还原装置，包括电催化装置主体1、电热装置7、气路结构和液路结构，所述气路结构包括气体分析仪器5、真空泵8、二氧化碳气源和干燥器2，所述二氧化碳气源经所述干燥器2连通所述电催化装置主体1的气路进口，所述电催化装置主体1的气路出口通过电控三通阀6并联连接输送管和真空泵8，所述输送管和所述真空泵8二者的出气口并联连接到所述气体分析仪器5，所述气体分析仪器5连接到气体管路输出管输出气体产物，所述电热装置7用于加热所述电催化装置主体1。
[0029]所述电热装置7设有伸入所述电催化装置主体1中的导热柱13，所述电催化装置主体1包括若干电解单元，所述电解单元包括阴极板101、工作电极102(阴极)、离子交换膜103、对电极104(阳极)和阳极板，所述阴极板101和所述阳极板二者的底部均设有延伸到内部的插孔，所述导热柱13外部绝缘并插入所述插孔并与所述插孔内壁接触导热。
[0030]所述电催化装置主体1的液路进口经开关阀一10连接到电解液供应源，所述电催化装置主体1的液路出口经开关阀二11连接到气液分离器12，所述气液分离器12的气体出口和液体出口分别向外输出氧气和液体产物。
[0031]所述阴极板101的侧表面设有阴极流道106，所述阳极板的侧表面设有阳极流道。相邻的所述阴极板101和所述阳极板一体化形成双极板105，则所述插孔也设置于所述双极板105底部。所述双极板105一侧为阴极板101部分并在侧表面设有阴极流道106，所述双极板105的另一侧为阳极板部分并在侧表面设有阳极流道。所述阴极流道106的两端分别为所述电催化装置主体1的气路进口和气路出口，所述阳极流道的两端分别为所述电催化装置主体1的液路进口和液路出口。
[0032]所述干燥器2与所述电催化装置主体1的气路进口之间设有质量流量计3，用于限制或调节进入所述气路进口的二氧化碳流量。所述气路出口处还设有电子气压计4，所述电子气压计4用于检测所述电催化装置主体1中阴极流道106内的气压。
[0033]所述气体分析仪器5用于检测相应电解模块输出的气体产物中一氧化碳与二氧化碳的浓度数据，从产物监测结果看到CO法拉第效率降低5％以上即表明电催化反应效率明显下降，需要对电催化还原装置中阴极进行除水。
[0034]所述气体分析仪器5可以采用红外光谱仪或其他能检测处气体产物中一氧化碳与二氧化碳的浓度的检测装置，针对出气管输送的气体成分进行分析检测。由于阴极有水时，水的存在会促进产氢导致CO的法拉第效率降低，因此通过相应气体分析仪器5能比较灵敏准确地测出电催化反应是否降低及降低幅度。
[0035]所述电催化装置主体1还设有检测自身内部温度的电子温度计，所述的二氧化碳电催化还原装置还包括控制模块，所述控制模块分别与所述电子气压计4、所述气体分析仪器5、所述电子温度计相连采集相应检测信号，所述控制模块还分别连接控制所述电控三通阀6、质量流量计3、电热装置7和真空泵8。
[0036]本装置在运行过程中的一种多效除水方法具体包括下列步骤：
[0037]步骤一、采集检测信号并上传控制模块。该步骤采集的检测信号包括所述电催化装置主体1内的温度信号、所述电催化装置主体1中气路结构的气压信号和气体分析仪器5测得的一氧化碳与二氧化碳的浓度信号。
[0038]由于本方案中电催化反应的适宜温度约在50-70摄氏度，因此正常运行状态下，电催化装置主体1会将内部温度控制在反应的适宜温度范围。质量流量计3在正常反应时的流量也处于电催化装置主体1中二氧化碳最适宜的进气流量的范围。正常反应产生的一氧化碳产量稳定，因此测得的是符合正常状态的一氧化碳及二氧化碳浓度信号。上述检测信号采集后上传到控制模块。
[0039]步骤二、控制模块分析信号判断是否将装置转变为除水状态，根据采集的一氧化碳及二氧化碳浓度信号分析一氧化碳的浓度是否下降以及下降幅度是否超过设定的下降阈值。这里可设定下降阈值为5％，这样当通过CO法拉第效率检测得到一氧化碳的浓度下降并且下降幅度超过5％的下降阈值，控制模块即可发出命令让本装置转变为除水状态，再执行步骤三；否则维持原有状态继续进行二氧化碳的电催化还原反应，回到步骤一循环重复步骤一和步骤二直至系统停止或一氧化碳的浓度下降超过下降阈值。
[0040]步骤三、将二氧化碳电催化还原装置转变为除水状态。该步骤通过控制模块发出命令，让电控三通阀6将所述电催化装置主体1的气路出口从通过输送管直接到所述气体分析仪器5切换为连接到所述真空泵8再到气体分析仪器5。之后控制模块根据电控三通阀6的反馈信号进一步发出命令，一方面控制所述真空泵8启动，抽出所述电催化装置主体1内的气体产物经气体分析仪器5送到气体产物输出管9，另一方面控制电热装置7加热电催化装置主体1内的温度，让温度上升到适合让水分快速蒸发又不会直接加热损坏工作电极102和离子交换膜103的温度范围——60-80摄氏度。该步骤中还会启动质量流量计3，真空泵8启动后会抽取所述电催化还原装置主体的负极流道中的气体，通过质量流量计3控制二氧化碳的进气流量，能让所述气路结构中保持一定负压，并能通过电子气压计4检测得到的实际气压判断是否调节质量流量计3以控制负压大小，一般需要降低所述气体出口的压力到10-50KPa，这样既能提高气体朝真空泵8方向的流速，也能通过负压增加水的蒸发速度。
[0041]步骤四、维持除水状态一段时间，通过加热所述电催化装置主体1和负压快速进气，让阴极的水分加速蒸发并将抽取的气体经真空泵8最终排入所述气体管路输出管。这样在维持除水状态的时间内还能继续同时进行电催化反应，实现碳吸收和相应的资源化利用。具体维持时间则可以通过多次实验的结果进行设定。
[0042]步骤五、将所述二氧化碳电催化还原装置转变为正常运行状态。即到达设定的除水时间后，控制模块发出命令，电控三通阀6切换回所述气路出口连通气体分析仪器5的状态，质量流量计3回复正常工作时的流量范围，电热装置7停止加热并关闭真空泵8，真空泵8停止运行。此时再通过气体分析仪器5采集一氧化碳与二氧化碳的浓度信号，如果满足正常运行的阈值要求则维持正常运行状态，否则，若CO法拉第效率仍相比正常运行状态较低，且相应下降幅度仍超出下降阈值为5％，则转至步骤三，重新将装置切换为除水状态，并重复步骤三至五。
[0043]上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。