[发明专利]电场直流增强式燃料电池反应器的工业放大方法及装置

说明书

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O^2-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O^2-，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。