[发明专利]诸如燃料电池这样的具有沸石膜的电解反应器

说明书

本发明涉及一种改良的电解反应器。

电解反应器是这样的反应器，即其中的化学反应是通过电方法引发发生的，例如一种液体化合物或离子溶液被添加或者从其中脱去一个或多个电子而形成产物，例如在从盐生产氢氧化钠和氯时。另一个主要的电解工艺是从铝土矿生产铝。

有很大范围的化学过程(尤其是电有机合成)在理论上可应用电解反应器来进行，并且这类过程应具有在溶液中进行的优点，不需应用高温，而且通常能以终产物的高选择性方式进行，如果有的话，也只有很少的副反应。

在一类电解反应器中存在盛有电解质的独立的阴极室和阳极室。阴极或阳极在所需终产品的生产中可起积极作用，例如它们可呈催化剂的形式或者它们可从导电材料制作，该导电材料对与之接触的液体呈惰性。

阳极室和阴极室需要隔离以防两室的液体扩散而引起操作效能的丧失，毒化电极等。然而，电流必定流过电解质并且生产率是电流的一个因素。要有适量的电流流过电解质而不能存在两室间液体的流通这一要求实际上难以达到，不管人们提出了很多建议以及电化学反应在理论上引人注目，但这一直是电化学方法的极有限应用的主要原因之一。

电化学反应器的一个特别广泛的应用是燃料电池。

在一类典型的燃料电池中，每个室是由两面涂有催化剂(例如由铂和钌制备的)的膜分开。阳极室可盛有燃料于水中的溶液，而阴极室则盛有作为氧化剂的空气。

应用有机燃料的燃料电池的一个问题是燃料能从阳极室扩散到阴极室，于是会在阴极引起自身放电反应，导致更低的电池电压和效率。对于有机燃料的氧化呈惰性的阴极能在阴极催化剂表面吸附有机分子，这将导致它们的氧还原效率的降低。

此外，有机燃料蒸汽通常是有害的，它们的逸出会导致形成爆炸性混合物。

一类人们熟知的燃料电池应用甲醇作燃料，并且液体燃料电池比氢燃料电池具有良好的已测试的优点。已提出了其它液体燃料，而且在理论上，任何可氧化的液体可用作所述燃料。

当甲醇与催化剂接触时，它分解而产生氢离子、二氧化碳和电子。电子流出电池而产生电流。氢离子迁移穿过膜到达电池的另一边，与来自空气的氧结合而形成水。水和CO₂是该电池仅有的废产物。但是，应用现有的膜，液态甲醇和甲醇蒸汽能扩散通过膜，并且甲醇和甲醇蒸汽从阳极室到阴极室的穿越会毒化现有的阴极而降低电池电压，损失效率。因此需要这样一种膜：它不能透过甲醇但能透过氢离子和水。迄今，已应用了基于氟化膜的膜，该膜由Du Pont制作并以商品名“Nafion”销售。该膜基本上由四氟乙烯与全氟乙烯基单体构成，该单体具有磺酸盐功能基，能传导质子而提供功能基。该昂贵的渗漏膜被公认为该电池设计的最弱部分。

已开发了对甲醇和甲醇蒸汽具有更低渗透性的其它膜，例如聚吲唑(polybenzidazole)或聚咪唑，但这些膜具有更低的离子电导率。

我们现已应用不同类型的膜设计了电解反应器电池，它减少了现有反应器的问题。

本发明提供了一种电解反应器，它包括通过沸石膜隔离的阳极室和阴极室，并且其中的阳极室适合盛装呈流体形式的第一种化合物，而阴极室则适合盛装呈流体形式的第二种化合物，而且其中电流可流过第一种化合物和第二种化合物，所述第一种化合物和/或第二种化合物通过电流的流通而被化学转变。

在燃料电池的情况下，阳极室盛有可氧化的燃料，阴极室则适合盛装空气或其它氧化剂，存在一种能催化所述燃料的氧化的催化剂。燃料电池中的电解质可以呈酸性或碱性，当该电解质呈酸性时，则所述沸石膜应基本耐酸；当该电解质呈碱性时，则所述膜应基本耐碱。阴极可包括这样的催化剂：例如该催化剂可以是铂或铂族金属配合物。

所述沸石膜可通过由大致耐酸的沸石(例如含很少的铝或者不含铝的沸石和沸石类原料)形成而基本上不受酸的影响，或者该沸石膜被处理而使其表面大致耐酸。

可被用于本发明的典型沸石包括但不限于沸石3A、4A、5A、13X、X、Y、ZSM5、MPOs、SAPOs、Silicalite、β、θ、ετχ。

当所述电解质呈碱性时，则该沸石膜可通过由大致耐碱的沸石(例如在高温下在pH10和以上长时间耐碱的沸石和沸石类原料)形成而基本上不受碱的影响。参见D.W.Breck“沸石分子筛”(“Zeolite MolecularSieves”)，1974，p.276，例如沸石P。