Design methodology for mass transfer-enhanced large-scale electrochemical reactor for CO 2 reduction

传质 Péclet编号 体积流量 扩散 电化学 流量(数学) 放大 连续反应器 材料科学 传质系数 分析化学(期刊) 化学 热力学 电极 机械 物理 色谱法 物理化学 经典力学 催化作用 生物化学
作者
Byungchan Jung,Seongho Park,Chulwan Lim,Woong Hee Lee,Youngsub Lim,Jonggeol Na,Chul‐Jin Lee,Hyung‐Suk Oh,Ung Lee
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:424: 130265-130265 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.130265
摘要

The electrochemical conversion of CO2 using a continuous flow membrane reactor is a promising technology. This is because the membrane reactor can achieve high productivity and selectivity by enhancing the mass transfer of CO2. In an industrial-scale reactor, the extrinsic properties that facilitate the mass transfer rate are crucial because the uniform flow distribution and high production rate can only be achieved when the interface and flow patterns are properly designed. Herein, we experimentally measured the production rate of CO in a large-scale electrochemical CO2 reduction reactor by varying the pH, interface, and flow pattern. The result indicated that optimization of the flow pattern alone can improve the production rate of CO by 28% indicating that a high convection rate through gas diffusion electrode (GDE) results in a high production rate. A three-dimensional computational fluid dynamic model was developed to quantify the effect of the new flow pattern on the mass transfer. From the model, the Peclet number increased by 28%, which is consistent with the CO partial current increment. This result indicates that the convective mass transfer improves the production rate. Additionally, we proposed a general guideline for the flow pattern design for a large-scale electrochemical CO2 reduction reactor that maximizes convective mass transfer through a GDE.
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