CN104868148B - 电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大方法及装置，将电场增强式燃料电池反应单元并联，将催化电极反应界面扩大化、多维化、微通道化。燃料电池反应单元由离子膜（５）、化学反应室和催化离子化室组成；化学反应室和催化离子化室位于离子膜两侧；催化离子化室包括离子化主电极（６）、分散电极（３）和激化物料，在催化离子化室的两端分别设置了激化物料进口（７）和激化物料出口（10）；化学反应室包括化学反应主电极（12）、分散电极、化学反应物料和催化剂（２），在化学反应室两端分别设置了化学反应物料进口（13）和化学反应物料出口（4）。本发明可显著改变直流电场增强式燃料电池反应器催化反应速率、产物产率，实现工业化、规模化。
Description
技术领域
本发明涉及一种电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大方法及装置，属催化化学技术领域。
背景技术
1981年M.Stoukides发现当从暴露在乙烯和氧气环境的Ag膜催化剂表面供给或除去O2-时，CO2生成速率可提高20％。1989年Bebelis在SOFC膜反应器中进行了乙烯深度氧化为CO2的实验，Pt为催化剂电极，首次提出的概念。1990年C.G.Vayenas在Nature上宣布只要施加使催化剂极化至一定程度的电流或电压，催化反应速率将显著增加，命名此现象为电场增强催化效应(NEMCA、EPOC)效应，这里反应器可称为电增强式燃料电池反应器，在离子膜上施加较小的电流或电势，就能引起催化反应速率、产物产率或选择性的显著变化，即化学反应可通过电化学方式在线控制。
1991年C.G.Vayenas在Pt/β"-Al2O3燃料电池上，利用碱性根离子(OH-)作溢流子，进行C2H4氧化反应时发生了电场增强催化效应，首次表明除了O2-，其他离子也能作溢流子而发生NEMCA效应。1994年Neophytides在nature发表文章表明EPOC也可以在液相中，该反应体系为KOH溶液，陶瓷膜上加正向电压1～2V，氢氧化的速率提高了400％，1个OH-溢流子可引起20个氢原子反应。
1993年M.Stoukides在以Ag为催化剂电极，SCY为电解质的膜反应器中进行了甲烷偶合，结果表明：外加电流(<50mA)时，偶合反应速率为开路时的800％，且生成C2烃的选择性大大提高。1997年Athanasiou在以复合氧化物为催化剂电极，YSZ为电解质的膜反应器中进行了甲烷氧化反应，发现闭路并外加微小电流时，反应速率提高30％。
1998年W.An采用质子交换膜、外加电场实现大豆油加氢反应。1999年George在science发表文章，报道了在陶瓷膜上外加电场，在570℃、1个大气压力下将氢气和氮气合成了氨气，实现了常规条件下不能发生的反应。
2006年Maeia在质子交换膜反应器外加小电流，2-3-二甲基丁烯的异构速率增加了500％。2007年F.Sapounatz在质子膜燃料电池发生NEMCA效应时，CO氧化速率提高了400％；CO和水汽在电池运行模式下，两极之间有电流时的反应速率比开路时的高200％。2010年R.Karoum利用NEMCA效应，丙烯可在200℃就可以深度氧化，且转化率提高40％。
1999年马紫峰进行了甲烷在SOFC中氧化性能的实验研究。1999年马忠龙进行了NEMCA泵氧实验，实验结果与国外结果相似。2005年刘瑞泉利用发现质子交换膜外加电场(流)在大气压下将氢气和氮气合成氨气。2012年李金洋研究外加电场对微生物燃料电池的影响，发现：较低的直流电场(±1V)能够促进生物挂膜，且负电场效果更好，而较高的直流电场(+3V和±5V)不利于甚至损害生物挂膜。
电增强式燃料电池反应器能增强催化化学反应进程，显著改变催化反应速率、产物产率或选择性，是一种新的化工生产方法，与传统反应器相比,具有独特的优越性：它可通过控制外电路方便地在线控制化学反应进程,而且反应物被电解质膜所分隔,催化反应分别在阴阳两极进行,有利于提高反应的选择性；采用电化学原理,污染小,符合环境友好化学工艺研究的方向。
但目前这种燃料电池反应器基本上是停留在实验室单个燃料电池反应器的层面上，还没有大规模电池组反应器出现报道，而且化学反应仅仅只在电极催化层界面处发生，限制了有效催化反应区域的容积，还有催化剂的活性不够高。所以目前这种燃料电池反应器的时空产率也远低于传统的反应器，生产能力、规模还达不到实现工业化生产的要求，真正用于工业化生产例子还没有。
发明内容
本发明的目的是，针对电增强式燃料电池反应器存在的时空产率、基本停留在实验室单个燃料电池反应器的层面上等问题，本发明提出一种电增强式燃料电池反应器的工业放大方法，以及实现这个方法的装置。
实现本发明的技术方案是，本发明将若干个具有电场增强催化反应的燃料电池反应单元并联起来，形成具有工业规模的电场增强催化反应器；将催化剂层堆积成多维微电极，将催化电极反应界面扩大化、多维化、微通道化，提高其时空产率的工业放大方法，包括如下工业放大方法及装置。
本发明中燃料电池反应单元由离子膜、化学反应室和催化离子化室组成；化学反应室和催化离子化室位于离子膜两侧；催化离子化室包括离子化主电极、分散电极和激化物料，分散电极垂直于离子化主电极分布，在催化离子化室的两端分别设置了激化物料进口和激化物料出口；化学反应室包括化学反应主电极、分散电极、化学反应物料和催化剂，分散电极垂直于化学反应主电极分布，在化学反应室两端分别设置了化学反应物料进口和化学反应物料出口。
增强催化燃料电池反应单元的电路由一个离子膜等效电阻和一个双向稳压二极管组成。在每个反应单元的正负极之间并联－个双向稳压二极管，保证了加在离子膜上的电压不超过极限，保护了离子膜。
离子膜只通过氧离子类的负离子物质，则离子化主电极为阴极，接电源的负极；化学反应室主电极为阳极，接电源的正极。
离子膜只通过氢离子类的正离子物质，则离子化主电极为阳极极，接电源的正极，化学反应室主电极为阴极，接电源的负极。
离子膜只许可激化物料离子化后通过，其他物料不能通过，可激化物料除包括氧气和氢气外，还有氢氧根离子。
本发明中的多维微电极是由催化剂堆积而成，分散电极将直流电传导到颗粒状催化剂上，使得催化剂层都带电，堆积的催化剂则形成了微电极。
本发明电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大方法如下：
本方法在电场增强催化反应器的化学反应室和催化离子化室的两侧分别安装与物料进入方向垂直的分散电极；在化学反应室输入化学反应物料和催化剂，使化学反应物料和催化剂在化学反应室内松散堆积；在催化离子化室输入激化物料；由于催化剂颗粒具有微通道，且具有导电性，整个催化剂区域物料便于通过，形成微电极，从而扩大电极催化反应容积。
本发明将多个增强催化燃料电池反应单元并联在一起；
每个增强催化燃料电池反应单元的化学反应室与催化离子化室所需的物料输入、输出的分管路各自并联成总反应器物料输入、输出的总管路。
每个增强催化燃料电池反应单元的化学反应室与催化离子化室的分电极各自并联成总反应器的阴极、阳极。
本发明的有益效果是，本发明通过将多个增强催化燃料电池反应单元并联在一起，形成具有工业规模的电场增强催化反应器。本发明将催化剂层堆积成多维微电极，将催化电极反应界面扩大化、多维化、微通道化，提高其时空产率的工业放大。
附图说明
图1为电场增强式燃料电池反应器结构图；
图2为本发明采用的催化剂颗粒结构示意图，该催化剂具有较多的微通道，且能导电，实现微电极多维催化；
图3是电场增强式氧离子膜燃料电池反应器的电路图，其中，离子化主电极为阴极，接电源的负极，化学反应室主电极为阳极，接电源的正极；
图4是电场增强式氢离子膜燃料电池反应器的电路图，其中，离子化主电极为阳极极，接电源的正极，化学反应室主电极为阴极，接电源的负极；
图5是电场增强式燃料电池反应器的工艺路线图，电场增强催化单元并联连接，化学反应室、催化离子化室的分管各自并联成总管，实现了工业放大。
图中，1是反应器壳体；2是化学反应室催化剂；3是分散电极；4是化学反应物料出口；5是离子膜；6是离子化主电极；7是激化物料进口；8是电场增强催化反应单元；9是第n个增强催化反应单元；10是激化物料出口；11是离子化室催化剂；12是化学反应室主电极；13是化学反应物料进口；14是微通道；15是催化剂活性成分；16是催化剂构架材料；17是稳压直流电源；18是开关；19是电场增强催化反应器的阴极排；20是离子膜等效电阻；21是双向稳压二极管；22是增强催化反应单元电路；23是电场增强催化反应器的阳极排；24第n个反应单元电路；25是反应物料输入总管；26是反应物料输入分管；27是化学反应室；28是催化离子化室；29是化学反应物料输出分管；30是化学反应物料输出总管；31是激化物料输入总管；32是激化物料输入分管；33是激化物料输出分管；34是激化物料输出总管。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明做进一步详细的说明：
实施例1：
电场增强式燃料电池反应单元结构:化学反应室、离子化室的催化剂活性成为为微纳米Ag颗粒,催化剂骨架材料为铁碳材料，催化剂具有大量微通道，孔隙率达30％。化学反应室的催化剂堆积成20mm、直径200mm的圆柱形。离子化室的催化剂堆积成10mm、直径200mm的圆柱形。分散电极为铁碳材料，共有20根。主电极为紫铜材料。离子膜材料为YSZ(ZrO2,含8％Y2O3)。化学反应室的反应体系为C2H4(18％)-N2(74％)-O2(8％),主反应生成环氧乙烷，反应器温度200℃，常压，激化物料为空气中的O2。稳压电源供5V直流电源，容量可达1A。
当采用1个电场增强式燃料电池反应单元时，反应体系流量可达120cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为13％，选择性为80％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为70％，选择性为95％。
当采用10个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达1100cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为13％，选择性为80％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为68％，选择性为93％。
当采用20个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达2100cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为13％，选择性为80％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为69％，选择性为92％。
实施例2：
电场增强式燃料电池反应单元结构:化学反应室、离子化室的催化剂活性成为为微纳米Ag颗粒,催化剂骨架材料为Al2O3，催化剂具有大量微通道，孔隙率达30％。化学反应室的催化剂堆积成20mm、直径200mm的圆柱形。离子化室的催化剂堆积成10mm、直径200mm的圆柱形。没有分散电极，主电极为紫铜材料。离子膜材料为YSZ(ZrO2,含8％Y2O3)。化学反应室的反应体系为C2H4(18％)-N2(74％)-O2(8％),主反应生成环氧乙烷，反应器温度200℃，常压，激化物料为空气中的O2。稳压电源供5V直流电源，容量可达1A。
当采用1个电场增强式燃料电池反应单元时，反应体系流量可达120cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为8％，选择性为70％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为40％，选择性为80％。
当采用10个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达1130cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为8％，选择性为70％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为25％，选择性为85％。
当采用20个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达2400cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为8％，选择性为70％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为26％，选择性为86％。
实施例3：
电场增强式燃料电池反应单元结构:化学反应室、离子化室的催化剂活性成为为微纳米Ag颗粒,催化剂骨架材料为铁碳材料，催化剂具有大量微通道，孔隙率达30％。化学反应室的催化剂堆积成20mm、直径200mm的圆柱形。离子化室的催化剂堆积成10mm、直径200mm的圆柱形。分散电极为铁碳材料，共有20根。主电极为紫铜材料。离子膜材料为YSZ(ZrO2,含8％Y2O3)。化学反应室的反应体系为C2H4(18％)-NO(8％)-N2(64％)-O2(10％),主反应生成环氧乙烷、二氧化氮，反应器温度200℃，常压，激化物料为空气中的O2。稳压电源供5V直流电源，容量可达1A。
当采用1个电场增强式燃料电池反应单元时，反应体系流量可达120cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为20％，NO转化率为30％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为80％，NO转化率为93％。
当采用10个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达1190cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为22％，NO转化率为31％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为78％，NO转化率为93％。
当采用20个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达2280cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为21％，NO转化率为31％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为80％，NO转化率为92％。
实施例4：
电场增强式燃料电池反应单元结构:化学反应室、离子化室的催化剂活性成为为微纳米Ag颗粒,催化剂骨架材料为Al2O3，催化剂具有大量微通道，孔隙率达30％。化学反应室的催化剂堆积成20mm、直径200mm的圆柱形。离子化室的催化剂堆积成10mm、直径200mm的圆柱形。没有分散电极，主电极为紫铜材料。离子膜材料为YSZ(ZrO2,含8％Y2O3)。化学反应室的反应体系为C2H4(18％)-NO(8％)-N2(64％)-O2(10％),主反应生成环氧乙烷、二氧化氮，反应器温度200℃，常压，激化物料为空气中的O2。稳压电源供5V直流电源，容量可达1A。
当采用1个电场增强式燃料电池反应单元时，反应体系流量可达120cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为15％，NO转化率为20％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为42％，NO转化率为58％。
当采用10个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达1190cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为14％，NO转化率为21％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为48％，NO转化率为60％。
当采用20个电场增强式燃料电池反应单元组成的反应器，反应体系流量可达2380cm3/min。不加电场时，C2H4的转化率为16％，NO转化率为22％。当在每个离子膜层上施加3V电压、30mA直流电，C2H4的转化率为50％，NO转化率为62％。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，举例不对本发明的实质内容构成限制。技术人员在阅读了说明书后，对以前所述的具体实施方式做修改或变形，不背离发明的实质和范围。
Claims (5)
1.一种电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大装置，其特征在于，所述装置由若干个具有电场增强催化反应的燃料电池反应单元并联而成；所述燃料电池反应单元由离子膜、化学反应室和催化离子化室组成；所述化学反应室和催化离子化室位于离子膜两侧；催化离子化室包括离子化主电极、分散电极和激化物料，分散电极垂直于离子化主电极分布，在催化离子化室的两端分别设置了激化物料进口和激化物料出口；化学反应室包括化学反应主电极、分散电极、化学反应物料和催化剂，分散电极垂直于化学反应主电极分布，在化学反应室两端分别设置了化学反应物料进口和化学反应物料出口；所述化学反应室和离子化室的催化剂均堆积成具有大量的微通道多维微电极，将催化电极的反应截面扩大化。
2.根据权利要求1所述的电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大装置，其特征在于，所述燃料电池反应单元的化学反应室和催化离子化室的两侧分别安装与物料进入方向垂直的分散电极；在化学反应室输入化学反应物料和催化剂颗粒，使化学反应物料和催化剂在化学反应室内松散堆积；在催化离子化室输入激化物料。
3.根据权利要求1所述电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大装置，其特征在于，所述离子膜只通过氧离子类的负离子物质，则离子化主电极为阴极，接电源的负极；化学反应室主电极为阳极，接电源的正极；
离子膜只通过氢离子类的正离子物质，则离子化主电极为阳极极，接电源的正极，化学反应室主电极为阴极，接电源的负极。
4.根据权利要求2所述的电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大装置，其特征在于，所述催化剂颗粒具有微通道，且具有导电性，整个催化剂区域物料便于通过，形成微电极，从而扩大电极催化反应容积。
5.根据权利要求3所述的电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大装置，其特征在于，所述离子膜只许可激化物料离子化后通过，其他物料不能通过，可激化物料除包括氧气和氢气外，还有氢氧根离子。
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