專利名稱：一種用于電解制備硼氫化物的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電解裝置，具體地說是一種用于電解制備硼氫化物的裝置——三電解槽系統(tǒng)，屬于能源材料、燃料電池氫源領域。
背景技術：
氫能經濟是人類社會為緩解資源和環(huán)境問題提出的一種能源發(fā)展方向，這項發(fā)展的核心內容是以氫氣替代現(xiàn)有化石燃料(煤、石油)作為清潔、綠色、便于攜帶輸運的燃料。而以氫為燃料的燃料電池則是高效、清潔的一種發(fā)電裝置，并逐漸成為便攜式電子產品和電動汽車的理想配套電源。目前，限制燃料電池發(fā)展和應用的主要問題是氫的儲存，而現(xiàn)采用的儲氫方式，儲氫量都較低，如高壓氫瓶(1％)、貯氫合金(1.5～3％)等。硼氫化物是一種高儲氫含量的材料，如LiBH4(36.8％)、Na BH4(21.2％)、K BH4(14.8％)，不僅如此，這些化合物既能催化水解釋放氫氣作為高容量、高純氫源材料，又可直接通過電化學方式作為高容量負極材料。
硼氫化物催化水解反應硼氫化物直接電化學氧化反應E0＝-12.4V正因為如此，近來，美國Millennium Cell公司正在開發(fā)以堿金屬硼氫化物為直接燃料的新型燃料電池。他們指出通過硼氫化物直接電化學反應，可提供更高能量密度(如NaBH4理論容量為5673mAh/g)和簡單的電池裝置。
目前，工業(yè)上制備硼氫化物主要沿用傳統(tǒng)的Schlesinger法和Bayer法。這兩種合成路線制備1mol NaBH4均要消耗4mol金屬鈉制備所用的金屬鈉采用高溫電解生產的，因此制備NaBH4的成本高，產量小?？紤]硼氫化物的水解和放電產物均為BO2-，如果能用電化學方法實現(xiàn)BO2-回收和循環(huán)制備BH4-，這是硼氫化物成本大幅度下降的誘人途徑，并將硼氫化物的應用開拓廣闊的市場。
Cooper(US3437842)，Hale(US4931154)中曾報道電解法制備硼氫化物，但由于使用貴金屬催化劑，使得電流效率低(＜20％)。同時傳統(tǒng)電解制硼氫化物的電解裝置均采用兩槽結構，即基本的陰極室和陽極室，而這種單一的陰極室對于電解制硼氫化物來說，不利于反應物與電極內部的接觸和形成適合反應的電場環(huán)境，因而電流效率低。我們認為采用電解法制備硼氫化物，其核心技術是不僅在于提供廉價、低釋氫、高催化活性的催化劑，更重要的是建立結構合理的電解裝置。

發(fā)明內容
為了克服以往電解裝置電流效率低的缺點，本發(fā)明提出一種新型的用于電解制備硼氫化物的裝置——三電解槽系統(tǒng)，從而實現(xiàn)偏硼酸鹽高效電化學還原成硼氫化物。
具體技術方案如下一種用于電解制備硼氫化物的裝置——三電解槽系統(tǒng)，其結構示意圖如圖1所示。電解制備硼氫化物的電解槽分成三個相互隔離的室即陽極室、陰極A室和陰極B室。陽極室與陰極A室采用陽離子交換膜隔開，而陰極A室與陰極B室采用多孔陰極隔開。陽極室的底部設有陽極進液管，上部設有陽極出液管和出氣管，陰極A室和陰極B室都分別設有陰極進液管，上部也都分別設有陰極出液管，陽極置于陽極室的電解槽內壁并與陽離子交換膜相對。
該電解槽系統(tǒng)陽極采用釕鈦氧化物、氧化鉛、鎳、鉑或石墨，或者是其中任意兩種的混合物；多孔陰極采用儲氫合金、碳材料、金屬硼化物、鎳或鐵，或者是其中任意兩種的混合物；陽離子交換膜為全氟磺酸膜、磺化苯基咪唑膜或陽離子交換樹脂。
陽極室中盛有1～8mol/L的堿液(KOH、NaOH、LiOH)或酸液(HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4)，而陰極A室中盛有0.1～6mol/L的堿液(KOH、NaOH、LiOH)，陰極B室盛有0.1～4mol/L的偏硼酸鹽或與0.1～6mol/L的堿液(KOH、NaOH、LiOH)的混合物。
電解制硼氫化物的工作原理是外電流通過陽極，產生陽極極化，產生氧氣，而通過陰極時發(fā)生陰極極化，陰極B室中的偏硼酸根通過陰極向陰極A室遷移的過程中發(fā)生還原反應，生成硼氫根。
由于陰極A室與陰極B室的溶液被陰極隔開，兩室溶液互不串通，但可通過多孔陰極進行物質交換。
工作時，堿液或酸液從陽極進液管流入陽極室，并在陽極表面發(fā)生氧化反應，生成氧氣，氧氣從陽極室的上部排出。偏硼酸鹽溶液或與堿液的混合物通過陰極B室進液管流入，偏硼酸鹽穿過陰極，同時發(fā)生電化學還原反應，生成相應的硼氫化物，并擴散到陰極A室和陰極B室，而含硼氫化物的溶液經陰極A室出液管和陰極B室出液管流出。
本發(fā)明的裝置適用的偏硼酸鹽包括偏硼酸的鉀鹽、鈉鹽或鋰鹽，其濃度為0.1～4mol/L。
本發(fā)明電解溫度范圍為10～80℃，電流密度為10～500mA/cm2，電流效率大于50％。
本發(fā)明的優(yōu)點在于電解裝置采用與傳統(tǒng)兩電解槽所不同的三電解槽系統(tǒng)，這種結構更有利于增大反應物與電極內部的接觸面積，通暢產物的擴散通道，同時多孔陰極內部不同的電場環(huán)境提供了還原反應所需的必要條件，因此與傳統(tǒng)電解槽結構相比，具有更高的電流效率。
本發(fā)明的裝置為制備硼氫化物提供了一種更為經濟可行的途徑，同時為燃料電池的發(fā)展提供了一種更廉價的氫源材料，因此具有重要應用前景。


圖1是本發(fā)明的用于電解制備硼氫化物的裝置的結構示意圖。
圖中1—電解槽，2—陽極室，3—陰極A室，4—陰極B室，5—陽極，6—陽離子交換膜，7—多孔陰極，8—陽極進液管，9—陰極A室進液管，10—陰極A室出液管，11—陰極B室進液管11，12—陰極B室出液管 13—陽極出液管，14—陽極出氣管。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明的結構裝置進一步說明。
本發(fā)明電解制硼氫化物裝置示意圖如圖1所示。電解制硼氫化物的電解槽1包括相互隔離的三個室陽極室2、陰極A室3和陰極B室4。陽極室2與陰極A室3采用陽離子交換膜6隔開，而陰極A室3與陰極B室4采用多孔陰極7隔開。堿液或酸液從陽極進液管8流入陽極室2，并在陽極5表面發(fā)生氧化反應，生成氧氣，氧氣從陽極室上部的陽極出氣管14排出。偏硼酸鹽溶液或與堿液的混合物通過陰極B室4進液管11流入，偏硼酸鹽穿過陰極7，同時發(fā)生電化學還原反應，生成相應的硼氫化物，并擴散到陰極A室3和陰極B室4，而含硼氫化物的溶液經陰極A室出液管10和陰極B室出液管12流出。
實施例1選擇鎳片為陽極，多孔儲氫合金電極為陰極，陽極室溶液為2mol/L的NaOH溶液，陰極A室為0.5mol/L的NaOH溶液，陰極B室為0.5mol/L的NaBO2溶液，電解溫度為25℃，電流密度為25mA/cm2，電解1小時，電流效率達到50％。
實施例2選擇鎳片為陽極，多孔儲氫合金電極為陰極，陽極室溶液為2mol/L的NaOH溶液，陰極A室為0.5mol/L的NaOH溶液，陰極B室溶液為0.5mol/L的NaBO2溶液和2mol/L的NaOH溶液的混合液，電解溫度為25℃，電流密度為25mA/cm2，電解1小時，電流效率達到50％。
權利要求
1.一種用于電解制備硼氫化物的裝置，其特征在于電解槽(1)分成三個相互隔離的陽極室(2)、陰極A室(3)和陰極B室(4)，陽極室(2)與陰極A室(3)采用陽離子交換膜(6)隔開，而陰極A室(3)與陰極B室(4)采用多孔陰極(7)隔開，陽極室(2)的底部設有陽極進液管(8)，上部設有陽極出液管(13)和出氣管(14)，陰極A室(3)和陰極B室(4)底部分別設有陰極進液管(9和11)，上部也分別設有陰極出液管(10和12)，陽極(5)置于陽極室(2)的電解槽(1)內壁并與陽離子交換膜(6)相對。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的陽極(5)為釕鈦氧化物、氧化鉛、鎳、鉑或石墨，或者是其中任意兩種的混合物。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的多孔陰極(7)為儲氫合金、碳材料、金屬硼化物、鎳、鐵，或其中任意兩種的混合物。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的陽離子交換膜(6)為全氟磺酸膜、磺化苯基咪唑膜或陽離子交換樹脂。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于陽極室(2)中的溶液為酸性溶液或堿性溶液，溶液濃度為1～8mol/L。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于陰極A室(3)中的溶液為堿性溶液，溶液濃度為0.1～6mol/L。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于陰極B室(4)中的溶液為偏硼酸鹽或堿性溶液，或其二者的混合物。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于所述的偏硼酸鹽為偏硼酸的鉀鹽、鈉鹽或鋰鹽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于電解制備硼氫化物的裝置——三電解槽系統(tǒng)，電解制備硼氫化物的電解槽分成三個相互隔離的室陽極室、陰極A室和陰極B室，陽極室與陰極A室采用陽離子交換膜隔開，而陰極A室與陰極B室采用多孔陰極隔開。這種裝置有利于增大反應物與電極內部的接觸面積，通暢產物的擴散通道，同時多孔陰極內部不同的電場環(huán)境提供了還原反應所需的必要條件，因此與傳統(tǒng)電解槽結構相比，具有更高的電流效率。本發(fā)明的裝置為制備硼氫化物提供了一種更為經濟可行的途徑，同時為燃料電池的發(fā)展提供了一種更廉價的氫源材料，因此具有重要應用前景。
文檔編號C25B1/00GK1584122SQ20041001329
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者曹余良, 楊漢西, 光先勇, 艾新平, 喻敬賢 申請人:武漢大學