CN104701563B - 仿生电化学池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生电化学池，包括用于发生电化学反应的腔室、互称为对电极的分置于两个腔室的阳极和阴极、导流板以及推动电解液定向流动的泵；根据需要，还可以在腔室上连接能够进行产物或杂质分离的分离器。其中，所述的两个腔室被导流板隔开，所述导流板由限流板和管路阵列构成。其功能是，电解液在泵的推动下，同时在导流板的限制下，在电极表面上以相同或相近的速度定向无返混地从一个电极区流入对电极区，最后从出口流出。其有益效果是，它能加快电极间物质的传质过程，从而加快电化学反应的速度；它能允许在合适的地方加入反应物，还能及时分离产物，从而阻止产物对反应的干扰或者在对电极上的消耗，大幅度降低副反应发生的几率。

Description

仿生电化学池

技术领域

本发明涉及一种电化学反应器，尤其是一种仿生电化学池，属于化学反应器领域。

背景技术

电化学池是电化学反应发生的场所，至少具有四个关键部件或成分：电源或用电器、阳极、阴极和电解液，它们共同被置于一个容器中。如上第一个部件是电源时，则称为电解池；若是用电器，则称为电池。因此，电化学池可用于发电，也可用电能分解已有物质产生新的物质。

电化学池在工作时，将一个电化学反应分为两半：即氧化半反应和还原半反应。其中，氧化半反应在阳极上进行，还原半反应在阴极上进行，二者之间通过电解液交换反应所需的化学物质，通过外电路交换电子。例如，锌空气电池的空气阴极上，在接受来自于阳极的电子的同时，氧气被还原，与液体水分子结合形成水合氢氧根离子：

1/2O_2(g)+H₂O_(l)+2e＝2OH^- _(aq)

金属锌阳极上，Zn向外电路释放两个电子的同时，与从空气阴极扩散来的OH^-结合形成ZnO和水：

Zn_(s)+2OH^- _(aq)＝ZnO_(s)+H₂O_(l)+2e

总反应是：

Zn_(s)+1/2O_2(g)＝ZnO_(s)

类似地，电解精炼铜过程中，在精铜阴极上，电解液中的Cu²⁺被还原为金属铜：

Cu²⁺ _(aq)+2e＝Cu_(s)

而粗铜阳极被氧化为Cu²⁺进入电解液，同时向外电路释放出电子：

Cu_(s)＝Cu²⁺ _(aq)+2e

总反应是：

Cu_(s)＝Cu_(s)

在电解水过程中，水在阳极被氧化，产生氧气、质子和电子：

H₂O_(l)＝1/2O_2(g)+2H⁺ _(aq)+2e

而在阴极，质子被还原为氢气：

2H⁺ _(aq)+2e＝H_2(g)

总反应是：

H₂O_(l)＝H_2(g)+1/2O_2(g)

从以上电化学过程可以看出，在电化学池的两个电极之间，分别存在电解液中的离子和外电路中的电子的定向移动，而且，许多电化学反应的物质传递方向是单一的。一般地，电解液中的物质(包括电解液、反应物、中间产物、产物等)混合在一起，电极间物质的扩散速度缓慢，很多情况下完全限制了反应的速度，成为电化学反应速度的主控因素。此外，若反应物是根据反应进行的情况外加的，如前述锌空气电池中的氧气，或者产生的产物需要及时移出反应体系，如前述电解水产生的氢气和氧气，就会存在反应物进入反应体系和气泡附着在电极上造成电极可利用面积减小的问题，它们都严重影响电化学反应的进行，造成大量的无效能耗。

因此，为了使电化学池中氧化还原反应快速地进行，需要增强物质传递的速度。在一般化学工业中，关于反应物和产物传递过程的强制传递过程的研究极其重要。得到了广泛的研究，但关于电化学池中物质的强制传递过程研究相对较少。

鉴于生物体系中，连有特定腺体的各反应器(脏器)通过管路连接，实现各种物质在腺体提供的催化剂的高效催化或促进下转化、吸收和排泄的需求；其特点是管路中物质的流动方向是定向的，没有返混，入口与出口与外界环境相通。如上关于电化学反应过程的描述中可以看出，电化学池具有类似的要求，为此，我们研究了使电解液定向流动起来的方法，从而形成了本发明技术。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种使电解液定向无返混快速流动，使电极间物质的传递过程加快，从而大大加快电化学反应速度，且使产物得到及时分离的仿生电化学池。

技术方案：本发明所述的仿生电化学池，包括互称为对电极的阳极和阴极、导流板、用于发生电化学反应的腔室以及推动电解液定向流动的泵或其它器件；其中，所述腔室用导流板分成两个部分，阳极和阴极分置于其中，阳极所在的腔室为阳极区，阴极所在的腔室为阴极区，阳极区和阴极区互称为对电极区，导流板由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成，腔室上设有入口和出口；工作时电解液在泵或其它器件的推动下从入口进入腔室，流过阳极区或阴极区，在导流板的限制下，集中的电解液分散在该电极区的电极平面上，以相同或相近的速度定向无返混地流过该电极平面，然后进入对电极区，最后从对电极区的出口流出仿生电化学池。

其中，所述导流板的限流板与管路阵列垂直或者成一定角度；所述管路阵列的一端端部与限流板所在平面齐平或者突出限流板。导流板的管路阵列靠近电极的一端所在的平面与电极所在的平面平行、并且两个平面之间保持一固定的距离。

所述腔室上设有反应物入口，该反应物入口与电解液的入口分置于同一个电极的两侧。

所述腔室的出口处设有用于分离电极反应产物或杂质的电解液纯化与产物分离系统。该电解液纯化与产物分离系统为气液分离器、液液分离器和固液分离器中的至少一种。

另外，所述腔室的出口和入口之间设有电解液循环装置，便于电解液的循环使用。

值得一提的是，导流板除了由上述的限流板和管路阵列构成，还可以为平面隔板，并且电解液无法通过该隔板，所以腔室上还需要设有将阳极区和阴极区连通的管路，并且该管路上设置用于分离电极反应产物或杂质的电解液纯化与产物分离系统。同时地，该电解液纯化与产物分离系统可以是气液分离器、液液分离器和固液分离器中的至少一种。

在此情况下，所述腔室的阳极区和/或阴极区上在电极的同一侧同时设有反应物入口和产物出口，并且在该侧还设有由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成的导流板。

还有一种情形是在腔室内阳极的一侧或两侧、阴极的一侧或两侧均设有由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成的导流板。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：该仿生电化学池中，电解液可以无返混地定向快速流动，强化电化学池中各物质在电极间的扩散；同时可以在合适的地方快速加入反应物，还能及时分离产物，阻止产物对反应的干扰或者在对电极上的消耗，从而大幅度降低副反应发生的几率。

附图说明

图1A为本发明由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成的导流板的结构示意图；

图1B-1D为图1A E-E方向的截面图；

图2为当反应物为气体或液体时本发明电化学池电极腔室的结构示意图；

图3为当反应物为固体时本发明电化学池电极腔室的结构示意图；

图4-9分别为不同电化学反应类型的电化学池电极腔室的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，其中，附图中画出了主要部件，省略的部件用文字描述。

本发明是一种仿生的电化学池，它具有生物体系消化系统的特征，即由一条管子连接多个分别实现特定功能的器件构成，管子中的物料定向移动没有返混。所述功能器件主要包括阳极、阴极、导流板、用以发生电化学反应的腔室8等；如果需要，它还可以包括电解液循环装置、电解液净化器和产物分离器(后两个可称作电解液纯化与产物分离系统)；电解液储槽和接电端子为公知的电化学反应所需装置，故没有写入权项中，其中，接电端子与外电路功能器件之间方便地用电线连接电化学池的电源或用电器。

其中，阳极或阴极是不通透的固体电极6或者允许流体通过的多孔电极7。阳极和阴极分别处于用隔板或导流板分开的设置有反应物、产物和电解液的出入口的两个腔室内(分别称为阳极区和阴极区)，阳极和阴极互称为对电极。阳极的功能是，使进入阳极区的反应物在阳极上发生氧化反应；阴极的功能是，使进入阴极区的反应物在阴极上发生还原反应。导流板的功能是使原来集中的电解液分散在一个平面上，使得到达电极平面上各个位置的电解液以相同或相近的流速定向流动。电解液储槽的功能是储存电解液，减少电解液流动阻力。电解液循环装置的功能为，使电解液从电解液槽流出，在阳极区(或阴极区)电解液入口进入，在导流板的限定下无返混地流向对电极区，然后流出对电极区电解液出口进入电解液槽，方便电解液循环使用。电解液纯化和产物分离系统的功能是净化电解液、分离产物，它们被置于产生杂质或必须分离产物的电极区之后，这样流出该电极区的电解液中的产物和杂质被分离和净化，然后电解液进入后续的部件(对电极区或电解液槽)。电解液储槽可以与电解液循环装置、电解液净化器和产物分离器合并为一体，即电解液循环装置、电解液净化器、产物分离器同时具有储存电解液的功能；它们共同构成电解液循环、纯化与产物分离系统。另外，外电路功能器件可以是用电器或电源。同时，可以采用计量泵或其它工具推动电解液以一定速度定向流动。

根据电极反应产物是否需要分离，电极(阳极或阴极)可分为简单电极和复合电极两类，其中，由简单电极构成的仿生电化学池不包括上述的“电解液纯化与产物分离系统”，而复合电极包括“电解液纯化与产物分离器系统”，用于电极反应产生的产物或杂质的分离。至于电源、用电器等外电路，属于外围通用设备，本发明不做涉足。以下按照各部件分类进行叙述：

1.导流板

导流板在本发明中的作用是使原来集中的电解液分散在一个平面上然后再汇聚到一起，实现电极平面上各个位置的电解液以相同或相近的流速定向流动，非常关键。导流板1由限流板2和管路阵列3构成(管路阵列有数根相互平行的管子4组成)，它们相互垂直或者成一定角度，如图1所示。图1A是顺着管子方向看的导流板的视图，图1B～1D是图1A E-E方向的截面图。其中，图1B表示的是限流板与管路阵列垂直的情况，图1C和1D是限流板与管路阵列不垂直的情况；特别的，图1C表示了左侧流体流动方向不需要控制的情况，因此管路阵列一端端部与限流板所在平面齐平，其余可以突出限流板所在平面。一般地，图1B所示的导流板用于控制气体流动的情况，图1C和1D所示的导流板用于控制液体流动的情况。

导流板也可以根据需要做成其它形状，如底面为长方形、椭圆的柱体。

2.简单电极

简单电极不包含电解液纯化与产物分离器。该类电极上，反应物在电极上转化为电解液成分，或者产物直接沉积在电极上而自然分离。根据电极反应的反应物的状态，可以分为简单气体电极、简单液体电极和简单固体电极三类。对于前两种电极，为了防止反应物与电解液之间的相互干扰，将反应物与电解液分置于电极的两侧，通过调节压力使之在电极催化剂上接触反应，形成的产物立即离开电极。为此，需要如图2所示的装置：在该装置中，包括了一种多孔电极7，这样气体和液体能自由穿越，在电极催化剂的作用下与集流体发生电子传递，生成的产物直接进入电解液，然后经导流板进入下一个功能区。这里导流板是一种装了众多管子(管路阵列)的限流板，它允许管子间的电解液经管路阵列流到限流板的另一侧，而不会发生返混。根据需要，管路阵列靠电极的一端所在的平面与电极所在的平面平行且相互间有一固定的距离。用于控制电解液流动的导流板的管路阵列与限流板成一定角度，以保证流动在每个管子中的电解液的压力一致。

对于简单固体电极，固体溶解进入电解液，或者相反，可以采用如图3所示的装置。

3.复杂电极

复杂电极是简单电极与气液、液液或固液分离器组合形成的电极，它用于电极反应产生气体，或者与电解液不相容的液体，或者固体粉末的情况。因为这些气体、液体和固体会干扰反应的进行，必须把分离出来使电解液得到纯化。只有纯化的电解液才可以到下一个电极。

4.电解液储存及其循环器

使用计量泵或其它器件推动电解液流动。为了使电解液定向均衡流动，需要使用管道和导流板。根据需要，导流板除了包括图1A-D所示的部件，还可以是简单的平板(隔板5)，以彻底将两个电极区隔离开，参见附图6、8、9。

5.电解液纯化和产物分离器

可以参照常规化工分离装置设计和建造。

本发明的仿生电化学池使用时，将其电解液出入口与电解液储槽连接。然后，根据电极反应的特点，让电解液以指定方式无返混地流过电化学池的阳极(或阴极)区，然后再流向其对电极区，最后流出仿生电化学池；所述指定方式，是指根据需要，在电解液流经电极前后(前方和/或后方)，增加数目不限的导流板、分离器和反应物添加器等部件，形成具有专门功能的区域，最终高效率地实现电化学反应的目的。

需要指出的是，本发明公开的仿生电化学池可以用于任何电化学反应，其所需要的部件根据反应特点灵活配置，每种器件使用的种类及其数量不限。多个仿生电化学池也可以串、并联使用，形式不拘。对于反应物或产物来说，气体和液体反应物可视为一类，装置通用，固体则自成一类。下面给出几种代表性的实例来说明所说的灵活配置是怎样的：

实施例1.不消耗气体和液体反应物的电化学反应过程

以电解精炼铜为例说明此类过程的仿生电化学池的设计。首先，电解铜的反应如下：

粗铜阳极：Cu＝Cu²⁺+2e

精铜阴极：Cu²⁺+2e＝Cu

总反应：Cu_(粗)＝Cu_(纯)

其电解液为CuSO₄和H₂SO₄的混合液。因此，电解液从阴极的一端进入，其中铜离子获得电子沉积在精铜阴极上，过剩的SO₄ ^2-在导流板的控制下被电解液夹带着从管路阵列无返混地流到粗铜板阳极，在那里SO₄ ^2-与阳极氧化产生的Cu²⁺结合并离开阳极区。因为粗铜的阳极溶解过程会使一些其中含有的杂质脱落下来形成阳极泥，因此流过阳极的电解液需要先经过一个固液分离器，在那里阳极泥被分离，然后再让电解液又流入阴极区。如此电解液定向循环流动，使铜的精制过程得以持续(图4)。在本装置中，固液分离器同时也是电解液储存器。

此类装置，如用于产生与电解液不相溶的液体或气体的反应，将固液分离器换做液液或气液分离器；如产生的产物溶于电解液，则固液分离器换做任何适合的产物分离器。分离器也可以根据需要设置两个或多个。

实施例2.仅在一个电极上消耗气体或液体反应物的电化学反应过程

以牺牲锌阳极CO₂电化学还原反应为例说明。该反应为消耗气体反应物CO₂的电化学反应：

CO₂阴极：2CO₂+2e＝C₂O₄ ^2-

锌阳极：Zn+C₂O₄ ^2-＝ZnC₂O₄+2e

总反应：Zn+2CO₂＝ZnC₂O₄

其电解液为无水的高氯酸四丁基铵的乙腈溶液。因此，CO₂从多孔阴极的一侧进入，电解液从多孔阴极的另一侧进入，把反应产生的C₂O₄ ^2-通过管路阵列带入阳极区；随后，进入阳极区的含有C₂O₄ ^2-电解液直接与金属锌接触反应，然后将产生的ZnC₂O₄带入固液分离器。ZnC₂O₄分离后得到的干净电解液被泵入阴极区继续使用(图5)。

本装置也可用于其它类似的气固、液固电化学反应。作为液固电化学反应池时，液体从图5左侧CO₂入口进入，在多孔电极上反应，产物进入电解液。

实施例3.在一个或两个电极上产生气体的电化学反应过程

以可充式锌-空气电池的充电过程为例说明。该过程反应如下：

阳极：2OH^-＝1/2O₂+H₂O+2e

阴极：ZnO+H₂O+2e＝Zn+2OH^-

总反应：ZnO＝Zn+1/2O₂

其电解液为KOH溶液。因此，电解液从多孔阳极的一侧进入，然后把形成的氧气带入气液分离器，在那里氧气逸出反应体系。之后电解液进入阴极区，与氧化锌接触反应使锌沉积在电极上，然后将产生的OH^-带离反应体系。如有被电解液带离的固体ZnO，可以在此后做固液分离，否则此电解液可以直接泵入阳极循环使用(图6)。

对于两个电极上都产生气体的电化学反应，可以将左侧电极室的不通透固体电极换成多孔电极，同时该电极室盖上也开有电解液入口，并在出口处增加一个气液分离器，气液分离器电解液出口与对电极区的电解液入口相连。这样电解液从右侧进入，穿过多孔电极，把形成的气体带入气液分离器让气体逸出反应体系，然后电解液从左侧入口进入，穿过左侧的多孔电极并把电极上形成的气体带入第二个气液分离器让气体逸出体系，然后电解液再从右侧进入完成循环。

实施例4.在两个电极上均消耗气体的电化学反应过程

以氢燃料电池为例说明。该电池反应如下：

阳极：H₂＝2H⁺+2e

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e＝H₂O

总反应：H₂+1/2O₂＝H₂O

其电解液为H₃PO₄溶液。因此，H₂从多孔阳极的一侧进入，电解液从多孔阳极的另一侧进入，把反应产生的H⁺通过管路阵列带入阴极区；在阴极上，H⁺与来自多孔阴极的氧分子结合形成水并释放出电子。然后，电解液把形成的水带入蒸发器，在那里部分水被驱离电解液。之后电解液又可以被泵入阳极区循环使用了(图7)。

实施例5.在一个电极上消耗气体另一个电极释放气体的电化学反应过程

以电化学还原CO₂为例说明。该电解池反应如下：

阳极：H₂O＝2H⁺+1/2O₂+2e

阴极：CO₂+2H⁺+2e＝HCOOH

总反应：H₂O+CO₂＝HCOOH+1/2O₂

其电解液为KHCO₃溶液。因此，电解液从多孔阳极的一侧进入，把反应产生的氧气和H⁺先经过气液分离器除去氧气，然后通过管路阵列带入阴极区；在阴极上，H⁺与来自多孔阴极的CO₂分子结合形成甲酸并释放出电子。然后，电解液把形成的甲酸带入甲酸分离器，在那里大部分甲酸被分离。之后电解液又可以被泵入阳极区循环使用了(图8)。

实施例6.在一个电极上或两个电极上都产生不溶于电解液的气体或液体的电化学反应过程

以电化学还原CO₂制CO的反应为例说明。该电解池反应如下：

阳极：H₂O＝2H⁺+1/2O₂+2e

阴极：CO₂+2H⁺+2e＝CO+H₂O

总反应：H₂O+CO₂＝CO+H₂O+1/2O₂

其电解液可以为KHCO₃溶液。因此，电解液从多孔阳极的一侧进入，把反应产生的氧气和H⁺先经过气液分离器除去氧气，然后通过管路阵列带入阴极区；在阴极上，H⁺与来自多孔阴极的CO₂分子结合形成水分子和CO。CO可能在阴极的两侧都形成，因此左侧的气体室设有出口，把混有CO₂的CO排出；同时，电解液把右侧形成的CO及其它副产物带入产物分离器。之后电解液又可以被泵入阳极区循环使用了(图9)。

对于在两个电极上都产生不溶于电解液的气体或液体的反应，只需要把图9所示装置的左侧同样地拷贝到右侧即可。这样在反应物入口一侧形成的产物也被及时地移出反应体系，而不产生其它副效应。

Claims (10)

1.一种仿生电化学池，其特征在于：包括互称为对电极的阳极和阴极、导流板、用于发生电化学反应的腔室以及推动电解液定向流动的泵或其它器件；其中，所述腔室用导流板分成两个部分，阳极和阴极分置于其中，阳极所在的腔室为阳极区，阴极所在的腔室为阴极区，阳极区和阴极区互称为对电极区，导流板由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成，腔室上设有入口和出口；工作时电解液在泵或其它器件的推动下从入口进入腔室，流过阳极区或阴极区，在导流板的限制下，集中的电解液分散在对电极的电极平面上，以相同或相近的速度定向无返混地流过该电极平面，然后进入对电极区，最后从对电极区的出口流出仿生电化学池。

2.根据权利要求1所述仿生电化学池，其特征在于：所述导流板的限流板与管路阵列垂直或者成一定角度；所述管路阵列的一端端部与限流板所在平面齐平或者突出限流板。

3.根据权利要求2所述仿生电化学池，其特征在于：所述导流板的管路阵列靠近电极的一端所在的平面与电极所在的平面平行、并且两个平面之间保持一固定的距离。

4.根据权利要求1-3任一所述仿生电化学池，其特征在于：所述腔室上设有反应物入口，该反应物入口与电解液的入口分置于同一个电极的两侧。

5.根据权利要求1-3任一所述仿生电化学池，其特征在于：所述腔室的出口处设有用于分离电极反应产物或杂质的电解液纯化与产物分离系统。

6.根据权利要求5所述仿生电化学池，其特征在于：所述电解液纯化与产物分离系统为气液分离器、液液分离器和固液分离器中的至少一种。

7.根据权利要求5所述仿生电化学池，其特征在于：所述腔室的出口和入口之间设有电解液循环装置。

8.一种仿生电化学池，其特征在于：包括互称为对电极的阳极和阴极、导流板、用于发生电化学反应的腔室以及推动电解液定向流动的泵或其它器件；其中，所述腔室用导流板分成两个部分，阳极和阴极分置于其中，阳极所在的腔室为阳极区，阴极所在的腔室为阴极区，阳极区和阴极区互称为对电极区，所述导流板为平面隔板，同时腔室上设有将阳极区和阴极区连通的管路，并且该管路上设置用于分离电极反应产物或杂质的电解液纯化与产物分离系统；工作时电解液在泵或其它器件的推动下从入口进入腔室，流过阳极区或阴极区，在导流板的限制下，集中的电解液分散在对电极的电极平面上，以相同或相近的速度定向无返混地流过该电极平面，然后进入对电极区，最后从对电极区的出口流出仿生电化学池。

9.根据权利要求1或8所述仿生电化学池，其特征在于：所述腔室的阳极区和/或阴极区上在电极的同一侧同时设有反应物入口和产物出口，并且在该侧还设有由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成的导流板。

10.根据权利要求1或8所述仿生电化学池，其特征在于：所述阳极或阴极的一侧或两侧均设有由限流板和安插在限流板上的管路阵列构成的导流板。