一种新型高温电化学制尿素电解池装置

1.本实用新型属于电化学及电催化反应设备技术领域，具体涉及一种新型高温电化学制尿素电解池装置。


背景技术：

2.尿素，又名脲、碳酰胺，化学式为co(nh2)2，是化学工业中的重要原料。尿素较稳定、易保存，使用方便，对土壤破坏力小，是含氮量最高的化肥氮源。然而目前尿素的工业生产以二氧化碳和氨气为原料，其中工业制取氨气在高温高压下进行，能耗高，操作危险。此外，工业上利用二氧化碳和氨气制取尿素，首先生成氨基甲酸铵，后经过脱水形成尿素，该反应条件也为高温高压，能耗较高，其反应方程式为：
3.2nh3 co2→
nh2coonh4→
co(nh2)2 h2o
4.通过电解技术，利用电能合成具有高附加值化学品对于人类社会的可持续发展具有重要意义。目前，已有报道在室温下将氮气和二氧化碳电化学还原制备尿素，是一种较新的方法。然而该种方法通常在室温下采用h型电解池(h-cell)，将氮气和二氧化碳气体通入阴极电解液中，利用溶解的氮气和二氧化碳进行反应。但这种使用h-cell及利用溶解气体的方法，反应效率低，尿素产率小，其中最重要的原因包括：一是在室温下氮气的活化转化较为困难；二是只靠溶解的二氧化碳和氮气反应导致传质困难；三是阴极副反应析氢严重。
5.因此寻找一种新型的高温电化学制尿素电解池装置，在较高温度下原位活化氮气和二氧化碳，并利用气相直接进行耦合制备尿素，同时在阴极添加耐高温电解液层抑制析氢反应并降低过电势，是领域内研究人员未来关注的重点。


技术实现要素：

6.鉴于此，针对现有室温h-cell电化学制备尿素技术的不足，本实用新型提供一种新型高温电化学制尿素电解池装置，该装置可在较高温度下，利用氮气和二氧化碳的直接耦合，实现尿素的规模化生产。该电解池组装方法简单、成本低廉、反应效率显著，未来在工业生产中有良好的应用前景。
7.为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种新型高温电化学制尿素电解池装置，包括阴极板、阴极流道、阳极板、阳极流道、阴极气体扩散层、阴极催化剂层、普通垫片、阴极电解液室垫片、阴极电解液层、固态电解质层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、加热系统、高温压紧螺丝、电解池保温箱。
8.作为一种新型高温电化学制尿素电解池装置，高温电解池的阴极板和阳极板上分别刻有供气液流通的阴极流道和阳极流道，阴极板上有阴极流道进口和阴极流道出口，阳极板上有阳极流道进口和阳极流道出口，每侧极板上均设有一个电源接口；阴极板和阳极板之间通过普通垫片分隔，普通垫片与阴极板之间可额外增加一个阴极电解液室垫片，用于存放阴极电解液层；阴极电解液室垫片上设有电解液进口和电解液出口；阴极板、阳极板、普通垫片及阴极电解液室垫片通过高温压紧螺丝连接固定；阴极板上和阳极板上设有
加热系统，电解池外部设有电解池保温箱；阴极板、阳极板、普通垫片及阴极电解液室垫片之间形成封闭空间，该封闭空间内设有催化剂层、气体扩散层、电解质及电解液层，其排列顺序由阴极板至阳极板依次为，阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阴极电解液层、固态电解质层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层。
9.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，电解池阴极板和阳极板为圆形、方形或菱形。
10.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，电解池的阴极板、阴极流道、阳极板、阳极流道、加热系统、高温压紧螺丝、阴极流道进口、阴极流道出口、阳极流道进口、阳极流道出口、电源接口的材质为石墨、不锈钢、工程塑料中的一种或二种以上。
11.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，电解池保温箱用于保证电解池内反应温度，其材质为无机保温材料、有机保温材料中的一种或二种以上。
12.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，普通垫片和阴极电解液室垫片用于密封电解池、避免双极板短路，此外，阴极电解液室垫片用于构建一个阴极电解液室；垫片材质为硅胶、聚四氟乙烯、工程塑料的一种或二种以上。
13.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层的材质为碳纸、碳布、多孔金属及合金、多孔金属化合物、多孔不锈钢中的一种或二种以上。
14.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极催化剂层、阳极催化剂层的材质为非金属、非贵金属、贵金属中的一种或二种以上。
15.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极板、阳极板、普通垫片及阴极电解液室垫片之间形成封闭空间，该封闭空间内设有催化剂层、气体扩散层、电解质及电解液层，各层厚度总和与封闭空间厚度一致。
16.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，所述阴极流道进口、阴极流道出口设于阴极板外侧，阳极流道进口、阳极流道出口设于阳极板外侧，电解液进口、电解液出口设于阴极电解液室垫片外侧，进口及出口位置可根据实际反应需求互换。
17.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阳极反应物为水蒸气，由阳极流道进口进入阳极流道，经阳极气体扩散层分散后到达阳极催化剂层表面，被氧化成氧气，由阳极流道出口流出，同时生成的质子穿过固态电解质层、阴极电解液层，到达阴极催化剂层表面。
18.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极反应物为二氧化碳和氮气，由阴极流道进口进入阴极流道，经阴极气体扩散层分散后到达阴极催化剂层表面，与从阳极过来的质子，在阴极催化剂层表面耦合生成尿素，由阴极流道出口流出。
19.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极电解液层具有离子交换、增强阴极反应选择性等功能，材质为离子液体、有机溶剂、有机高分子、无机盐复合物中的一种或二种以上，阴极电解液层具有一定流动性，或呈不具有流动性的片状，其厚度与阴极电解液室垫片一致，阴极电解液层可根据实际反应需求使用或撤掉。
20.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，固态电解质层具有离子交换功能，其材质为有机高分子、硅氧化物、磷氧化物、硼氧化物、金属及合金、金属化合物中的一种或二种以上，固态电解质层呈片状。
21.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阳极流道为环形、蛇形、平行形、交叉
形、折线形中的一种或二种以上，阳极气体扩散层、阳极催化剂层呈片状。
22.作为一种新型的高温电化学制尿素电解池，阴极流道为环形、蛇形、平行形、交叉形、折线形中的一种或二种以上，阴极气体扩散层、阴极催化剂层呈片状。
23.该装置组装过程简单、尺寸易控、材质成本低，反应强化效果显著，在工业生产中有良好的应用前景。
附图说明
24.图1为实施例高温电化学制尿素电解池装置结构示意图。
25.图中：阴极板1、阴极流道2、阳极板3、阳极流道4、阴极气体扩散层5、阴极催化剂层6、普通垫片7、阴极电解液室垫片8、阴极电解液层9、固态电解质层10、阳极催化剂层11、阳极气体扩散层12、加热系统13、高温压紧螺丝14、电解池保温箱15，阴极流道进口16、阴极流道出口17、阳极流道进口18、阳极流道出口19、电源接口20、电解液进口21、电解液出口22。
26.图2为实施例高温电化学制尿素电解池高温电化学制尿素电解池装置主体块材不包含气体扩散层、催化剂层、电解液层、固态电解质层、电解池保温箱结构示意图。
27.图3为实施例高温电化学制尿素电解池装置的阴极板1及阴极流道2结构示意图。
28.图4为实施例高温电化学制尿素电解池装置的阳极板3及阳极流道4结构示意图。
29.图5为实施例高温电化学制尿素电解池装置的高温压紧螺丝14 结构示意图。
30.图6为实施例高温电化学制尿素电解池装置的普通垫片7结构示意图。
31.图7为实施例高温电化学制尿素电解池装置的阴极电解液室垫片8结构示意图。
32.图8为实施例高温电化学制尿素电解池装置的气体扩散层、催化剂层、电解质层、电解液层结构示意图。
33.图中：阴极气体扩散层5、阴极催化剂层6、阴极电解液层9、固态电解质层10、阳极催化剂层11、阳极气体扩散层12。
34.图9为实施例高温电化学制尿素电解池装置的电解池保温箱15 结构示意图。
具体实施方式
35.下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。可在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下进行各种修改和变型，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本实用新型的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本实用新型的研发现状和意义，并不旨在限制本实用新型或本技术的应用领域。
36.实施例
37.本实用新型实施例提供的一种新型高温制尿素电解池装置，其核心单元结构示意图如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的核心单元结构包括阴极板1、阴极流道2、阳极板3、阳极流道4、阴极气体扩散层5、阴极催化剂层6、普通垫片7、阴极电解液室垫片8、阴极电解液层9、固态电解质层10、阳极催化剂层11、阳极气体扩散层12、加热系统13、压紧螺丝14、电解池保温箱15，阴极流道进口16、阴极流道出口17、阳极流道进口18、阳极流道出口19、电源接口20、电解液进口21、电解液出口22。
38.本实用新型实施例中，电解池阴极板1和阳极板3为圆形，阳极流道4、阴极流道2为环形，其中阴极板1和阴极流道2结构示意图如图3所示，阳极板3和阳极流道4结构示意图如图4所示。
39.本实用新型实施例中，电解池的阴极板1、阴极流道2、阳极板3、阳极流道4、加热系统13、阴极流道进口16、阴极流道出口17、阳极流道进口18、阳极流道出口19、电源接口20的材质为不锈钢，压紧螺丝14的材质为工程塑料，压紧螺丝的结构示意图如图5所示。
40.本实用新型实施例中，普通垫片7和阴极电解液室垫片8用于密封电解池、避免双极板短路，此外，阴极电解液室垫片8用于构建一个阴极电解液室；垫片材质为膨体聚四氟乙烯，普通垫片7结构示意图如图6 所示，阴极电解液室垫片8结构示意图如图7所示。
41.本实用新型实施例中，阴极气体扩散层5材质为多孔钛，阳极气体扩散层12的材质为不锈钢网。
42.本实用新型实施例中，阴极催化剂层6材质为金属合金，阳极催化剂层11的材质贵金属。
43.本实用新型实施例中，阴极板1、阳极板3、普通垫片7 及阴极电解液室垫片8之间形成封闭空间，该封闭空间内设有阴极气体扩散层5、阴极催化剂层6、阴极电解液层9、固态电解质层10、阳极催化剂层11、阳极气体扩散层12,各层厚度及结构示意图如图8所示。
44.本实用新型实施例中，阳极反应物为水蒸气，由阳极流道进口18 进入阳极流道4，经阳极气体扩散层12分散后到达阳极催化剂层11 表面，被氧化成氧气，由阳极流道出口19流出，同时生成的质子穿过固态电解质层10和阴极电解液层9，到达阴极催化剂层6表面。
45.本实用新型实施例中，阴极反应物为二氧化碳和氮气，由阴极流道进口16进入阴极流道2，经阴极气体扩散层5分散后到达阴极催化剂层6表面，与从阳极过来的质子，在阴极催化剂层6表面耦合生成尿素，由阴极流道出口17流出。
46.本实用新型实施例中，阴极电解液层9具有离子交换、增强阴极反应选择性等功能，材质为离子液体。阴极电解液层9具有一定流动性，其厚度与阴极电解液室垫片8一致。
47.本实用新型实施例中，固态电解质层10具有离子交换功能，其材质为硅氧化物、金属磷酸化物、金属合金的复合物，固态电解质层10呈片状。
48.本实用新型实施例中，电解池保温箱15，用于保证电解池内反应温度，其材质为保温棉，其结构示意图如图9所示。