仿生电化学池制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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：1/2O2(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)+1/2O2(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)＝1/2O2(g)+2H+(aq)+2e而在阴极，质子被还原为氢气：2H+(aq)+2e＝H2(g)总反应是：H2O(l)＝H2(g)+1/2O2(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，从而形成了本专利技术技术。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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：本专利技术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：本专利技术与现有技术相比，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为本专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷立旭，张瑞，李光华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32