CN101407918A - 一种电化学合成硼氢化物的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学合成硼氢化物的装置，包括阴极室和阳极室构成的电解池，所述的阴极室和阳极室通过多孔陶瓷片隔开，其中阴极和阳极分别位于阴极室和阳极室的内部，阴极室侧面设有氢气进口，所述的阴极可以分为上下两部分，其中下半部分(8a)为多孔泡沫式结构，上半部分(8b)为实体结构，所述氢气进口通过管道(11)直接与阴极内部相连接，残余氢气通过氢气出口(5)导出，通过管道(10)和增压泵(13)后进入管道(11)。本发明具有结构简单、电流效率较高、占地面积小等优点，并且阴极采用下半部分为多孔泡沫式结构，加速了氢气的扩散，增大了反应面积，提高了电流效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学合成装置，具体的讲涉及一种电化学合成硼氢化物的装置，属于燃料电池氢源领域。
背景技术
当今，燃料电池备受各国重视，被认为是21世纪首选的高效、清洁的发电装置，目前，限制燃料电池发展的主要问题是氢的储存，常用的储氢方式储氢能量较低。硼氢化物是一种高储氢含量的材料，既能催化水解释放氢气作为高容量、高纯氢源材料，又可直接通过电化学方式作为高容量负极材料。
近来，美国的chryler group和日本的H-Gene Tech.Alliance正在开发以碱金属硼氢化合物为燃料的新型燃料电池，其原理为：
硼氢化物是在1942年由Schlesinger等人首次合成的。由于它在含硼高能燃料、造纸及纺织工业等领域有着广泛的应用，使之在50年代末期先后在欧、美等国投入工业化生产。
目前，工业上合成硼氢化物主要采用传统的合成方法包括硼酸酯法(亦称Schlesinger法)及硼砂法(亦称Bayer法)，硼酸酯法是用气相硼酸三甲酯与氢化钠反应生成硼氢化物，由于反应时放热较多，控温比较困难；而硼砂法需在较高的压力下才能获得较高的转化率。
近几年，国外还开发了通过加入还原剂方法制备硼氢化物的工艺，此类反应一般需要在高温下进行，另外，还需要保持一定的高压。
美国学者Cooper在US3734842中公开了一种电解法合成硼氢化物的工艺，其不需要加入还原剂，降低了生产成本。但是由于该工艺使用贵金属催化剂，使得电流效率降低，而传统的电解槽结构不利于反应物与电极内部的接触，因而电流效率较低，为此，公开号为CN1584122的中国专利提出了一种三电解槽系统，即将所述电解槽分成三个相互隔离的室：阳极室、阴极A室和阴极B室，阳极室与阴极A室通过阳离子交换膜隔开，阴极A室和阴极B室通过多孔阴极隔开，该装置虽然在一定程度上提高了电流效率，但是造价昂贵，并且占地面积较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、电流效率较高、占地面积小并且连续循环的新型电化学合成硼氢化物的装置。
其具体技术方案如下：一种电化学合成硼氢化物的装置，包括阴极室和阳极室构成的电解池，所述的阴极室和阳极室通过多孔陶瓷片隔开，其中阴极和阳极分别位于阴极室和阳极室的内部，其特征在于：所述的阳极室上部设有氧气出口，阴极室上部设有MBO2和MAlO2的加料口以及氢气出口，阴极室的侧面设有氢气进口，所述的阴极可以分为上下两部分，其中所述的阴极下半部分为多孔泡沫式结构，上半部分为实体结构，所述氢气进口通过管道直接与阴极内部相连接，残余氢气通过所述氢气出口导出，通过管道和增压泵后进入连接氢气进口与阴极内部的管道中。多孔泡沫式阴极结构有利于气体的扩散，增大了反应面积，并且阴极室的氢气进口直接连接到阴极内部，可以使残余氢气经阴极内部从所述阴极与电解质的界面逸出。
所述的阴极也可以是平板式，在阴极室中设有若干阴极板，所述阴极板底部通过管道与氢气进口相连接，氢气在若干阴极板之间扩散，增大了反应面积，从而加快了反应速度。
所述的电解池材料可以是石英玻璃或氧化铝陶瓷。
所述的阴极材料可以是铝、铁或石墨。
所述的阳极材料可以是石墨。
所述的多孔陶瓷片可由多孔氧化铝、多孔二氧化硅或多孔氧化镁陶瓷中的一种制成，用于抑制阳极室与阴极室中的液体相混合，也可以作为气体隔离层，防止阴极室和阳极室中产生的气体互相扩散。
所述阴极室和阳极室中还包括：熔融电解质和助熔剂，其中所述熔融电解质为M3AlF6，M7B3O8中的一种或两种，所述助熔剂为MAlF4(SAF)、AlF3或CaF2中的一种或几种的混合物，其中M为碱金属阳离子。
电解反应时，封闭所述MBO2和MAlO2的加料口，防止因反应剧烈，导致电解液外溢。
电化学合成硼氢化物的原理为：在阴极上产生中间物质-金属铝，然后铝与氢气及熔融电解液中的3MBO2·2M2O发生氧化还原反应生成MBH4和MAlO2，MAlO2则由阴极电化学反应重新生成金属铝而构成反应循环。阴极电化学反应产生的O2-则在电场力的作用下由阴极向阳极移动，在石墨阳极上将O2-氧化成氧气，由阳极室的氧气出口导出。氧气也会和阳极材料石墨发生反应而生成二氧化碳：O2+C＝CO2，因而由所述阳极室氧气出口导出的气体中还包含有CO2。
本发明的主要化学反应为：
阴极电化学反应：4MAlO2+12e＝4Al+4M++8O2-
阳极电化学反应：6O2-＝3O2+12e
阴极化学反应：4Al+6H2+(3MBO2·2M2O)＝3MBH4+4MAlO2
综合阴极反应：6H2+(3MBO2·2M2O)+12e＝3MBH4+4M++8O2
所述MBO2可以为KBO2，NaBO2，LiBO2中的任意一种，所述MAlO2可以为KAlO2，NaAlO2，LiAlO2中的任意一种。
本发明的电解温度范围为400℃-600℃，电压为1.8V-5V，电流效率大于50％。
与现有技术相比，本发明公开的电解池具有结构简单、电流效率较高、占地面积小等优点，并且反应过程中的H2和MAlO2连续循环，使得电解池内部反应充分，不会形成死角，而阴极采用下半部分为多孔泡沫式结构，上半部分为实体结构，并且阴极室的氢气进口直接连接到阴极内部，可以使残余氢气经阴极内部从所述阴极与电解质的界面逸出，加速了氢气的扩散，增大了反应面积，提高了电流效率。因此，与传统电解池相比，产率提高了50％。
附图说明
图1是本发明的用于制备硼氢化物的电解池结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种电解制备硼氢化钠的装置，包括阴极室2和阳极室3构成的石英玻璃电解池1，其中阴极室2和阳极室3通过多孔氧化铝陶瓷片12隔开；所述的阴极室2的上部设有氢气出口5以及NaBO2和NaAlO2的加料口6，阴极室侧面设有氢气入口4、所述的阳极室的上部设有氧气出口7；铝阴极8和石墨阳极9分别位于阴极室2和阳极室3的内部，以电解质界面为限，将铝阴极8分为上下两部分，下半部分8a为多孔泡沫式结构，上半部分8b为实体结构，同时向阴极室2和阳极室3中加入Na3AlF6和NaAlF4(SAF)，NaBO2和NaAlO2溶液则通过加料口6加入阴极室2，氢气通过管道11通入阴极内部，并通过阴极上的孔扩散到表面，接通电源后，阴极表面产生Al层和O2-，其中Al将与阴极表面的氢气发生反应，从而生成硼氢化钠。O2则在电场的作用下由阴极向阳极移动，在阳极上通过电化学反应生成氧气，通过阳极室的氧气出口7导出。残余氢气通过所述氢气出口5导出，通过管道10和增压泵13后进入管道11。氧气和阳极材料石墨发生反应而生成二氧化碳，由所述阳极室氧气出口7导出。电解温度为400℃，电压为1.8V，电解1小时，电流效率达50％。
实施例2
如图1所示，一种电解制备硼氢化钾的装置，包括阴极室2和阳极室3构成的氧化铝陶瓷电解池1，其中阴极室2和阳极室3通过多孔二氧化硅陶瓷片12隔开；所述的阴极室2的上部设有氢气出口5以及KBO2和KAlO2的加料口6，阴极室侧面设有氢气入口4、所述的阳极室的上部设有氧气出口7；铁阴极8和石墨阳极9分别位于阴极室2和阳极室3的内部，同时向阴极室2和阳极室3中加入K3AlF6、K7B3O8和NaAlF4、AlF3和CaF2，KBO2和KAlO2溶液则通过加料口6加入阴极室2，氢气通过管道11通入阴极内部，电解温度为500℃，电压为2.0V，电解1小时，电流效率达55％。其余同实施例1。
实施例3
如图1所示，一种电解制备硼氢化锂的装置，包括阴极室2和阳极室3构成的氧化铝陶瓷电解池1，其中阴极室2和阳极室3通过多孔氧化镁陶瓷片12隔开；所述的阴极室2的上部设有氢气出口5以及LiBO2和LiAlO2的加料口6，阴极室侧面设有氢气入口4、所述的阳极室的上部设有氧气出口7；石墨阴极8和石墨阳极9分别位于阴极室2和阳极室3的内部，同时向阴极室2和阳极室3中加入Li7B3O8和LiAlF4、AlF3和CaF2，LiBO2和LiAlO2溶液则通过加料口6加入阴极室2，氢气通过管道11通入阴极内部，电解温度为600℃，电压为3.6V，电解1小时，电流效率达52％。其余同实施例1。
Claims (9)
1.一种电化学合成硼氢化物的装置，包括阴极室(2)和阳极室(3)构成的电解池(1)，所述的阴极室(2)和阳极室(3)通过多孔陶瓷片(12)隔开，其中阴极(8)和阳极(9)分别位于阴极室(2)和阳极室(3)的内部，其特征在于：所述的阳极室(3)上部设有氧气出口(7)，阴极室(2)上部设有MBO2和MAlO2的加料口(6)以及氢气出口(5)，阴极室侧面设有氢气进口(4)，所述的阴极(8)可以分为上下两部分，其中下半部分(8a)为多孔泡沫式结构，上半部分(8b)为实体结构，所述氢气进口(4)通过管道(11)直接与阴极内部相连接，残余氢气通过所述氢气出口(5)导出，通过管道(10)和增压泵(13)后进入管道(11)。
2.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述的电解池材料为石英玻璃或氧化铝陶瓷中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述的阴极材料为铝、铁或石墨中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述的阳极材料为石墨。
5.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述的多孔陶瓷片由多孔氧化铝、多孔二氧化硅或多孔氧化镁陶瓷中的一种制成。
6.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述阴极室和阳极室中还包括熔融电解质和助熔剂。
7.根据权利要求6所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述熔融电解质为M3AlF6、M7B3O8中的一种或两种的混合物，其中M为碱金属阳离子。
8.根据权利要求6所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述助熔剂为MAlF4、AlF3或CaF2中的一种或几种的混合物，其中M为碱金属阳离子。
9.根据权利要求1所述的电化学合成硼氢化物的装置，其特征在于：所述MBO2为KBO2、NaBO2、LiBO2中的任意一种，所述MAlO2为中KAlO2、NaAlO2、LiAlO2中的任意一种。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090415 |