本發(fā)明屬于膜電極電堆，具體的說，是涉及一種用于二氧化碳電還原的膜電極電堆。
背景技術：
1、使用清潔、可再生的能源來替代傳統的化石能源，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，以中和現有的碳排放。在ccus技術中，二氧化碳電還原技術是一種具有潛力的化學利用方式。這種技術能夠在常溫常壓下將二氧化碳轉化為高附加值的化學品，如一氧化碳、甲酸、乙烯等。
2、在該技術領域的眾多反應器中，膜電極反應器因其較低的傳質阻力和歐姆阻抗而備受關注。目前實驗室規(guī)模的膜電極反應器面積往往較小，其處理量離工業(yè)規(guī)模相差較遠，因此需要對膜電極反應器進行放大，具體而言，需要擴大膜電極反應器的反應面積來提高二氧化碳的處理量。
3、但是在傳統膜電極反應器的放大過程中，面臨能耗升高、處理量下降的問題。如何在放大過程中降低多余的能耗、提高能耗產出比，成為了膜電極反應器面向工業(yè)應用的關鍵問題。而一個高效的膜電極反應器結構設計，將有效解決這一問題。
技術實現思路
1、本發(fā)明旨在解決現有膜電極反應器結構設計的相關技術問題，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流場，在同一個膜電極電堆內實現了對一側物料的串聯進料控制以及另一側物料的單獨進料控制，并將其應用于二氧化碳電還原反應。
2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過以下的技術方案予以實現：
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組擴展極板，n為自然數；一組所述主體極板包括極板a、極板d、極板e，一組所述擴展極板包括極板b和極板c；所述極板a的一側面設置第一流道，所述極板b、所述極板c、所述極板d的兩側面分別設置第一流道和第二流道，所述極板e的一側面設置第二流道；
4、一組主體極板與n組(其中n取自然數)擴展極板的內部排列方式為a-(b-c)n-d-e，并且各個主體極板或擴展極板的第一流道均與其相鄰的主體極板或擴展極板的第二流道對向布置；
5、第一流道用于流經第一物料，并實現第一物料在主體極板和擴展極板中的串聯控制，第二流道用于流經第二物料，并實現第二物料在主體極板和擴展極板中的獨立控制。
6、進一步的，所述所述極板a的外側設置有第一物料入口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的第一流道所在側面設置有第一物料出口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面設置有第一物料穿孔d；當n＝0時，第一物料穿孔d與極板a的第一物料出口a相對設置；當n≥1時，第一物料穿孔d與極板c的第一物料出口c相對設置；所述極板d在其第一流道所在側面設置有第一物料入口d，第一物料入口d與第一物料穿孔d相連通，實現第一物料在極板d5的板內穿梭；所述極板d的外側設有第一物料出口d、第二物料進口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的外側設有第二物料進口e和第二物料出口e，第二物料進口e和第二物料出口e分別與所述極板e的第二流道始端和末端相連通。
9、進一步的，所述極板b在其第二流道所在側面設置有第一物料穿孔b；當n＝1時，第一物料穿孔b與極板a的第一物料出口a相對設置；當n＞1時，第一物料穿孔b與極板c的第一物料出口c相對設置；極板b在其第一流道所在側面設置有第一物料入口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的外側設置有第二物料入口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面設置有第一物料穿孔c，第一物料穿孔c與極板b的第一物料出口b相對設置；極板c在其第一流道所在側面設置有第一物料入口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的外側設置有第二物料入口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的兩側面對應設置；第一物料穿孔c與第一物料入口c在極板c的兩側面對應設置。
12、進一步的，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、交錯流道、針狀流道中的一種。
13、進一步的，同一極板的第二物料進口和第二物料出口可位于同側也可位于兩側。
14、優(yōu)選的，對于陰極co2電還原耦合陽極電解水，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展極板的四角處分別設置有定位孔，所述定位孔用于所述主體極板和所述擴展極板的連接。
16、可選的，相鄰兩層極板之間設置有膜電極組件，所述極板包括主體極板和擴展極板；膜電極組件包括依次疊放的陰極、陰極墊片、膜、陽極墊片、陽極；所述陰極墊片和所述陽極墊片的四角處分別設置有定位孔，所述陰極墊片和所述陽極墊片設置有用于與各個極板的第一物料穿孔對準的墊片穿孔。
17、可選的，在所述極板a不設置第一流道的側面和所述極板e不設置第二流道的側面，分別設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之間均依次設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部以串聯的方式通過每一層膜電極，從而可以輕松實現原料二氧化碳更高的單程轉化率。該結構還允許單獨控制不同層的陽極液流動，從而可以減少陽極析氧反應產生的氧氣氣泡在流道內部聚并而導致的局部電阻升高，提升系統的能量效率。此外，獨立的液相流場設計還為實現多級串聯反應提供了可能性，這在化學合成中尤為重要。在多級串聯反應中，不同的反應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體系內。因此本發(fā)明的電堆結構能夠通過對每個反應單元的酸堿度進行獨立調節(jié)，以適應不同步驟的最佳反應條件，實現對反應物的高效轉化以及對產物選擇性的精準控制。
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組擴展極板，n為自然數；一組所述主體極板包括極板a、極板d、極板e，一組所述擴展極板包括極板b和極板c；所述極板a的一側面設置第一流道，所述極板b、所述極板c、所述極板d的兩側面分別設置第一流道和第二流道，所述極板e的一側面設置第二流道；
2.根據權利要求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的外側設置有第一物料入口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的第一流道所在側面設置有第一物料出口a，第一物料出口a與極板a的第一流道末端貫通；
3.根據權利要求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面設置有第一物料穿孔b；當n＝1時，第一物料穿孔b與極板a的第一物料出口a相對設置；當n＞1時，第一物料穿孔b與極板c的第一物料出口c相對設置；極板b在其第一流道所在側面設置有第一物料入口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的外側設置有第二物料入口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.根據權利要求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的兩側面對應設置；第一物料穿孔c與第一物料入口c在極板c的兩側面對應設置。
5.根據權利要求1-3中任一項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、交錯流道、針狀流道中的一種。
6.根據權利要求1-3中任一項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口和第二物料出口可位于同側也可位于兩側。
7.根據權利要求1-3中任一項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，對于陰極co2電還原耦合陽極電解水，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.根據權利要求1-3中任一項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展極板的四角處分別設置有定位孔，所述定位孔用于所述主體極板和所述擴展極板的連接。
9.根據權利要求1-3中任一項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置有膜電極組件，所述極板包括主體極板和擴展極板；膜電極組件包括依次疊放的陰極、陰極墊片、膜、陽極墊片、陽極；所述陰極墊片和所述陽極墊片的四角處分別設置有定位孔，所述陰極墊片和所述陽極墊片設置有用于與各個極板的第一物料穿孔對準的墊片穿孔。
10.根據權利要求1-3中任一項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不設置第一流道的側面和所述極板e不設置第二流道的側面，分別設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之間均依次設置有端板絕緣墊片和集流板。