固态电解质模块及其制备方法以及固态电解质反应电堆及其应用

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2024-10-17 16:08:54

权利要求

1.一种固态电解质模块的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：

将磺化后的电解质基体和造孔剂混合，顺次进行压制、干燥、水浴和烧结，得到所述的固态电解质模块。

2.如权利要求1所述的固态电解质模块的制备方法，其特征在于，所述磺化后的电解质基体包括磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯或磺化后的苯乙烯，所述造孔剂为氯化钠;所述磺化后的电解质基体和造孔剂的质量比为0.5~1.5：2.5~3.5;

所述压制的压力为15~20MPa，压制的时间为2~6min。

3.如权利要求1或2所述的固态电解质模块的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为100~150℃，干燥的时间为1.5~2.5h;

所述水浴的温度为35~45℃，水浴的次数为7~9次;单次水浴的时间为0.4~0.6h;

所述烧结的温度为150~250℃，烧结的时间为2~4h。

4.权利要求1~3任意一项所述的固态电解质模块的制备方法制备得到的固态电解质模块。

5.一种固态电解质反应电堆，其特征在于，所述固态电解质反应电堆包括n个电解单元，n≥1;

单个电解单元包含依次层叠设置的阳极端板、阳极导流板、阳极腔框架、阳极泡沫双极板、第一垫圈、阳极、阳离子交换膜、固态电解质腔、阴极、第二垫圈、阴极泡沫双极板、阴极腔框架、阴极导流板和阴极端板;相邻两个电解单元的阳极端板和阴极端板相接触;

单个电解单元的固态电解质腔填充有权利要求4所述的固态电解质模块。

6.如权利要求5所述的固态电解质反应电堆，其特征在于，所述阳极为阳极气体扩散电极;

所述阳极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液混合，进行球磨得到阳极浆料;

将阳极浆料喷涂至阳极气体扩散层表面，得到阳极气体扩散电极。

7.如权利要求6所述的固态电解质反应电堆，其特征在于，所述Nafion溶液的质量分数为3~7%，所述氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液的质量体积比为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL;

所述球磨的温度为5~15℃，球磨的时间为20~40min;

所述喷涂的浆料压力为0.1~0.35bar，喷涂的雾化压力为2.5~4.5bar，喷涂的喷辐压力为0.5~1.5bar。

8.如权利要求5所述的固态电解质反应电堆，其特征在于，所述阴极为阴极气体扩散电极;

所述阴极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液混合，进行球磨得到阴极浆料;

将阴极浆料喷涂至阴极气体扩散层表面，得到阴极气体扩散电极。

9.如权利要求8所述的固态电解质反应电堆，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为55~65%，所述炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液的质量体积比为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL;

所述球磨的温度为5~15℃，球磨的时间为20~40min;

所述喷涂的浆料压力为0.1~0.35bar，喷涂的雾化压力为2.5~4.5bar，喷涂的喷辐压力为0.5~1.5bar。

10.权利要求5~9任意一项所述固态电解质反应电堆在电合成过氧化氢中的应用。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及过氧化氢合成技术领域，尤其涉及一种固态电解质模块及其制备方法以及固态电解质反应电堆及其应用。

背景技术

[0002]过氧化氢(H2O2)是一种极为重要的无机化合物，广泛应用于医疗、化工、造纸和冶金等领域。近年来，电合成H2O2技术因其低成本、操作简单和及时性获得了广泛关注，其反应装置的可移植性和模块化属性为大规模电合成过氧化氢提供了潜在可能。然而，电化学反应依赖具有高导电性的电解质，传统的电合成过氧化氢方法需要向反应器中加入大量的支持电解质，这就导致了获得的过氧化氢含有Na+、K+、SO42-等杂质离子，需要利用提纯技术进一步净化，这增加了处理成本。膜电极组件通过将产出的过氧化氢从气体扩散层向空气面排出，可以合成纯过氧化氢，但这种方式会导致过氧化氢在排出过程中淹没气体扩散层的孔隙通道，必然存在法拉第效率降低的问题。

[0003]以不溶于水的固态电解质替代液态电解质，为电合成纯过氧化氢开辟了一个新的途径。申请号为202111345121.6、名称为一种气体扩散阴极及原位产过氧化氢的电化学反应器的专利采用该方法合成了过氧化氢。然而该专利是以固态电解质和液态电解质(Na2SO4)混合的方法进行的电合成实验，并未得到高浓度的纯过氧化氢。同时，鉴于大部分固态电解质的小颗粒属性(粒径在6微米至500微米之间)，导致在使用过程中不易装配，且具有一定的流动性，容易随通入的纯水流出，导致使用场景受限。

[0004]基于此，提出一种电合成纯H2O2的固态电解质反应电堆，提升固态电解质的使用便利性，实现纯过氧化氢的高效合成，具有十分重要的意义。

发明内容

[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种固态电解质模块及其制备方法以及固态电解质反应电堆及其应用。一方面，通过制作多孔固态电解质模块替代传统的液态电解质，得到不含有任何杂质离子的纯过氧化氢;另一方面，设计可多槽串联的电堆结构，实现大流量、高浓度纯过氧化氢的在线合成。

[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种固态电解质模块的制备方法，包含下列步骤：

将磺化后的电解质基体和造孔剂混合，顺次进行压制、干燥、水浴和烧结，得到所述的固态电解质模块。

[0007]作为优选，所述磺化后的电解质基体包括磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯或磺化后的苯乙烯，所述造孔剂为氯化钠;所述磺化后的电解质基体和造孔剂的质量比为0.5~1.5：2.5~3.5;

所述压制的压力为15~20MPa，压制的时间为2~6min。

[0008]作为优选，所述干燥的温度为100~150℃，干燥的时间为1.5~2.5h;

所述水浴的温度为35~45℃，水浴的次数为7~9次;单次水浴的时间为0.4~0.6h;

所述烧结的温度为150~250℃，烧结的时间为2~4h。

[0009]本发明还提供了所述的固态电解质模块的制备方法制备得到的固态电解质模块。

[0010]本发明还提供了一种固态电解质反应电堆，所述固态电解质反应电堆包括n个电解单元，n≥1;

单个电解单元的固态电解质腔填充有所述的固态电解质模块。

[0011]作为优选，所述阳极为阳极气体扩散电极;

所述阳极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液混合，进行球磨得到阳极浆料;

将阳极浆料喷涂至阳极气体扩散层表面，得到阳极气体扩散电极。

[0012]作为优选，所述Nafion溶液的质量分数为3~7%，所述氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液的质量体积比为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL;

所述球磨的温度为5~15℃，球磨的时间为20~40min;

所述喷涂的浆料压力为0.1~0.35bar，喷涂的雾化压力为2.5~4.5bar，喷涂的喷辐压力为0.5~1.5bar。

[0013]作为优选，所述阴极为阴极气体扩散电极;

所述阴极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液混合，进行球磨得到阴极浆料;

将阴极浆料喷涂至阴极气体扩散层表面，得到阴极气体扩散电极。

[0014]作为优选，所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为55~65%，所述炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液的质量体积比为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL;

所述球磨的温度为5~15℃，球磨的时间为20~40min;

所述喷涂的浆料压力为0.1~0.35bar，喷涂的雾化压力为2.5~4.5bar，喷涂的喷辐压力为0.5~1.5bar。

[0015]本发明还提供了所述固态电解质反应电堆在电合成过氧化氢中的应用。

[0016]本发明的有益效果是：

本发明提供了一种固态电解质模块的制备方法，包含下列步骤：将磺化后的电解质基体和造孔剂混合，顺次进行压制、干燥、水浴和烧结，得到固态电解质模块;本发明创造性的将微米级的固态电解质颗粒制备成任意形状的多孔块状固体，极大的提升了其使用的便利性，所得固态电解质模块具有优异的离子传导性和透水性。固态电解质反应电堆使用固态电解质模块作为离子导体，可高效合成不含任何杂质的纯过氧化氢。

[0017]本发明提供了一种固态电解质反应电堆，电堆由两个端板及层叠设置于两个端板之间的多个电解槽单元组成，结构简单、紧凑，电合成反应过程中槽压低、能耗小，具备大规模移植装配、生产的潜力。同时，电堆电合成反应仅需要水和氧气，产物为纯过氧化氢，反应物廉价、易制取，产物不含杂质，无需进一步提纯。整体电合成过氧化氢工艺绿色、环保、可控，能够实现能源的绿色、高效利用。本发明提供的固态电解质反应电堆，通过控制不同的进水流速，能产出近10wt.%的纯过氧化氢，法拉第效率可达90%。

附图说明

[0018]图1为实施例1中固态电解质反应电堆的具体结构示意图(图1中，1为第一阳极端板，2为第一阳极导流板，3为第一阳极腔框架，4为第一阳极泡沫双极板，5为第一垫圈，6为第一阳极，7为第一阳离子交换膜，8为第一固态电解质腔，9为第一阴离子膜，10为第一阴极，11为第二垫圈，12为第一阴极泡沫双极板，13为第一阴极腔框架，14为第一阴极导流板，15为第一阴极端板，16为第二阳极端板，17为第二阳极导流板，18为第二阳极腔框架，19为第二阳极泡沫双极板，20为第三垫圈，21为第二阳极，22为第二阳离子交换膜，23为第二固态电解质腔，24为第二阴离子膜，25为第二阴极，26为第四垫圈，27为第二阴极泡沫双极板，28为第二阴极腔框架，29为第二阴极导流板，30为第二阴极端板，31为第三阳极端板，32为第三阳极导流板，33为第三阳极腔框架，34为第三阳极泡沫双极板，35为第五垫圈，36为第三阳极，37为第三阳离子交换膜，38为第三固态电解质腔，39为第三阴离子膜，40为第三阴极，41为第六垫圈，42为第三阴极泡沫双极板，43为第三阴极腔框架，44为第三阴极导流板，45为第三阴极端板，46为塑料螺栓套);

图2为应用例1中固态电解质反应电堆的阴极进出料示意图;

图3为应用例1中固态电解质反应电堆的固态电解质腔进出料示意图;

图4为应用例1中固态电解质反应电堆的阳极进出料示意图;

图5为应用例1~2中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图;

图6为应用例1和应用例3~4中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图;

图7为应用例1和应用例5中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图;

图8为应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的产量随时间变化的示意图;

图9为应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的pH随时间变化的示意图;

图10为应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的槽压随时间变化的示意图。

具体实施方式

[0019]本发明提供了一种固态电解质模块的制备方法，包含下列步骤：

将磺化后的电解质基体和造孔剂混合，顺次进行压制、干燥、水浴和烧结，得到所述的固态电解质模块。

[0020]在本发明中，所述磺化后的电解质基体包括磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯或磺化后的苯乙烯，所述造孔剂为氯化钠;磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯的制备方法包含下列步骤：

将苯乙烯-二乙烯基苯(CAS号为9052-95-3)和1,2-二氯乙烷混合进行溶胀，得到溶胀后的苯乙烯-二乙烯基苯;将溶胀后的苯乙烯-二乙烯基苯与硫酸溶液混合，进行磺化反应，磺化反应结束后进行洗涤，得到磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯。

[0021]在本发明中，所述1,2-二氯乙烷的用量根据本领域常规技术手段确定，能够浸没苯乙烯-二乙烯基苯即可;所述溶胀的时间优选为11~13h，进一步优选为11.5~12.5h，更优选为12h;所述硫酸溶液的质量分数优选为97~98%，更优选为97.5%;所述硫酸溶液的用量根据本领域常规技术手段确定，能够浸没溶胀后的苯乙烯-二乙烯基苯即可;所述磺化反应的温度优选为60~130℃，进一步优选为80~110℃，更优选为90~100℃，磺化反应的时间优选为2~4h，进一步优选为2.5~3.5h，更优选为3~3.2h;洗涤包含顺次进行的丙酮洗涤和水洗，丙酮洗涤的目的为除去1,2-二氯乙烷，水洗直至滤液为中性。

[0022]在本发明中，磺化后的苯乙烯的制备方法与磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯的制备方法相同，仅需要将原料中的苯乙烯-二乙烯基苯替换为苯乙烯即可。

[0023]在本发明中，所述磺化后的电解质基体和造孔剂的质量比优选为0.5~1.5：2.5~3.5，进一步优选为0.7~1.3：2.7~3.3，更优选为1~1.1：3~3.1。

[0024]在本发明中，混合的方式为研磨，研磨的时间优选为25~35min，进一步优选为27~33min，更优选为30~31min;研磨结束后进行干燥，除去水分，然后再进行后续的压制;所述干燥的温度优选为60~80℃，进一步优选为65~75℃，更优选为70~72℃;干燥的时间优选为22~26h，进一步优选为23~25h，更优选为23.5~24h。

[0025]在本发明中，所述压制的压力优选为15~20MPa，进一步优选为16~19MPa，更优选为17~18MPa;压制的时间优选为2~6min，进一步优选为3~5min，更优选为4min。

[0026]在本发明中，压制后干燥的目的为去除附着的空气和水分，并提高压制所得电解质片的机械强度，所述干燥的温度优选为100~150℃，进一步优选为110~140℃，更优选为120~130℃;干燥的时间优选为1.5~2.5h，进一步优选为1.7~2.3h，更优选为1.9~2.0h。

[0027]在本发明中，所述水浴的温度优选为35~45℃，进一步优选为37~43℃，更优选为40~41℃;水浴的次数优选为7~9次，更优选为8次;单次水浴的时间优选为0.4~0.6h，进一步优选为0.45~0.55h，更优选为0.5h;单次水浴结束后，需要更换水，再进行下一次水浴;单次水浴用水量根据本领域常规技术手段确定，能够浸没干燥所得样品即可;水浴的目的为去除NaCl模板，形成多孔骨架。

[0028]在本发明中，所述烧结的温度优选为150~250℃，进一步优选为170~230℃，更优选为200~210℃;烧结的时间优选为2~4h，进一步优选为2.5~3.5h，更优选为2.8~3h。

[0029]本发明还提供了所述的固态电解质模块的制备方法制备得到的固态电解质模块。

[0030]本发明还提供了一种固态电解质反应电堆，所述固态电解质反应电堆包括n个电解单元，n≥1;

单个电解单元的固态电解质腔填充有所述的固态电解质模块。

[0031]在本发明中，固态电解质反应电堆整体通过塑料螺栓套固定连接;固定连接时，单个电解单元中，阳极泡沫双极板安装在阳极腔框架内，阴极泡沫双极板安装在阴极腔框架内，分别起到分配阳极流场、阴极流场和导电的作用;阳极泡沫双极板和阴极泡沫双极板的材料根据本领域常规技术手段选择，本发明中阳极泡沫双极板和阴极泡沫双极板独立地优选为泡沫镍、泡沫钛或多孔石墨板。

[0032]在本发明中，单个电解单元中，阳极端板、阳极导流板、阳极腔框架、固态电解质腔、阴极腔框架、阴极导流板、阴极端板上均设置有导流孔;所述导流孔包含阳极进料导流孔、阳极出料导流孔、阴极进料导流孔、阴极出料导流孔、固态电解质腔进料导流孔和固态电解质腔出料导流孔。

[0033]在本发明中，固态电解质腔和阴极之间还可以包含阴离子膜;当包含阴离子膜时，阴离子膜上也设置有导流孔;所述导流孔包含阳极进料导流孔、阳极出料导流孔、阴极进料导流孔、阴极出料导流孔、固态电解质腔进料导流孔和固态电解质腔出料导流孔。

[0034]在本发明中，电堆的阴极进料口、阴极出料口、固态电解质腔的进料口、固态电解质腔的出料口均设置在第n个电解单元中阴极端板的侧面，电堆的阳极进料口、阳极出料口均设置在第n个电解单元中阳极端板的侧面。

[0035]在本发明中，n≥1，优选地，n≥2，进一步优选地，n≥3，更优选地，n≥4。

[0036]在本发明中，阳极进料优选为水，阴极进料优选为氧气或潮湿氧气，固态电解质腔进料优选为水。

[0037]在本发明中，所述阳极为阳极气体扩散电极。

[0038]在本发明中，所述阳极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液混合，进行球磨得到阳极浆料;

将阳极浆料喷涂至阳极气体扩散层表面，得到阳极气体扩散电极。

[0039]在本发明中，所述阳极气体扩散层优选为碳纸和/或碳布。

[0040]在本发明中，所述Nafion溶液的质量分数优选为3~7%，进一步优选为4~6%，更优选为5%;所述氧化铱、异丙醇、水和Nafion溶液的质量体积比优选为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL，进一步优选为0.7~1.3g：32~38mL：22~28mL：0.7~1.3mL，更优选为1~1.1g：35~36mL：25~26mL：1~1.1mL。

[0041]在本发明中，所述混合优选包含下列步骤：将氧化铱和异丙醇混合，得到溶液a;将水和Nafion溶液混合，得到溶液b;将溶液b逐滴滴加到溶液a中，完成混合。

[0042]在本发明中，所述球磨的温度优选为5~15℃，进一步优选为7~13℃，更优选为9~10℃;球磨的时间优选为20~40min，进一步优选为25~35min，更优选为30~32min。

[0043]在本发明中，喷涂时，优选将阳极浆料置入催化剂涂层质子膜(CCM)平面喷涂设备的浆料桶，所述喷涂的浆料压力优选为0.1~0.35bar，进一步优选为0.15~0.3bar，更优选为0.2~0.25bar;喷涂的雾化压力优选为2.5~4.5bar，进一步优选为3~4bar，更优选为3.5~3.8bar;喷涂的喷辐压力优选为0.5~1.5bar，进一步优选为0.7~1.3bar，更优选为0.9~1bar。

[0044]在本发明中，喷涂结束后，进行干燥，阳极浆料在阳极气体扩散层表面形成阳极催化层，得到阳极气体扩散电极;所述干燥的温度优选为50~70℃，进一步优选为55~65℃，更优选为60~62℃;干燥的时间优选为22~26h，进一步优选为23~25h，更优选为23.5~24h。

[0045]在本发明中，单个电解单元中，阳极气体扩散电极中的阳极气体扩散层侧紧贴阳极泡沫双极板，并通过第一垫圈防水密封，阳极催化层侧紧贴阳离子交换膜，阳离子交换膜起到防水和向固态电解质腔传导质子的作用，阳极发生反应如下：

H2O-2e-→O2+H+。

[0046]在本发明中，所述阴极为阴极气体扩散电极。

[0047]在本发明中，所述阴极气体扩散电极的制备方法包含下列步骤：

将炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液混合，进行球磨得到阴极浆料;

将阴极浆料喷涂至阴极气体扩散层表面，得到阴极气体扩散电极。

[0048]在本发明中，所述阴极气体扩散层优选为碳纸、碳布、碳毡、不锈钢网和ePTFE膜中的一种或几种。

[0049]在本发明中，所述聚四氟乙烯乳液的质量分数优选为55~65%，进一步优选为57~63%，更优选为60~61%;所述炭黑、异丙醇、水和聚四氟乙烯乳液的质量体积比优选为0.5~1.5g：30~40mL：20~30mL：0.5~1.5mL，进一步优选为0.7~1.3g：32~38mL：22~28mL：0.7~1.3mL，更优选为1~1.1g：35~36mL：25~26mL：1~1.1mL。

[0050]在本发明中，所述混合优选包含下列步骤：将炭黑和异丙醇混合，得到溶液a;将水和聚四氟乙烯乳液混合，得到溶液b;将溶液b逐滴滴加到溶液a中，完成混合。

[0051]在本发明中，所述球磨的温度优选为5~15℃，进一步优选为7~13℃，更优选为9~10℃;球磨的时间优选为20~40min，进一步优选为25~35min，更优选为30~32min。

[0052]在本发明中，喷涂时，优选将阴极浆料置入催化剂涂层质子膜(CCM)平面喷涂设备的浆料桶，所述喷涂的浆料压力优选为0.1~0.35bar，进一步优选为0.15~0.3bar，更优选为0.2~0.25bar;喷涂的雾化压力优选为2.5~4.5bar，进一步优选为3~4bar，更优选为3.5~3.8bar;喷涂的喷辐压力优选为0.5~1.5bar，进一步优选为0.7~1.3bar，更优选为0.9~1bar。

[0053]在本发明中，喷涂结束后，阴极浆料在阴极气体扩散层表面形成阴极催化层，得到阴极气体扩散电极;所述干燥的温度优选为50~70℃，进一步优选为55~65℃，更优选为60~62℃;干燥的时间优选为22~26h，进一步优选为23~25h，更优选为23.5~24h。

[0054]在本发明中，单个电解单元中，阴极气体扩散电极中的阴极气体扩散层侧紧贴阴极泡沫双极板，并通过第二垫圈防水密封，阴极催化层侧紧贴固态电解质腔，与固态电解质模块直接接触，阴极发生反应如下：

O2+H++2e-→H2O2。

[0055]在本发明中，当固态电解质腔和阴极之间包含阴离子膜时，阴极进料优选为潮湿氧气，此时阴极反应为：

O2+H2O+2e-→HO2-。

[0056]在本发明中，固态电解质腔的反应为：

H++HO2-→H2O2。

[0057]在本发明中，气体扩散电极较传统的“三明治”气体扩散电极结构简单，气体扩散层还兼具集流体的作用;利用喷涂来制备气体扩散电极，可实现催化层均匀负载在气体扩散层上，同时喷涂设备可实现全自动化，使得电极制作工艺简单、可靠，具有大规模生产的可能性。

[0058]在本发明中，单个电解单元的固态电解质腔填充有所述的固态电解质模块，在固态电解质腔中组成多孔介质区域，水从固态电解质腔一端进入，经过多孔介质区域，将其中反应合成的过氧化氢带出，中间不产生任何杂质离子和化合物，通过调整进水流速，可灵活地调节过氧化氢的出口浓度。

[0059]在本发明中，固态电解质腔设置有多路并行的蛇形流道，多个固态电解质腔蛇形流道的进出口并联形成电堆反应主流道，以排出过氧化氢;阴阳极的泡沫双极板起到集流体的作用，同时作为一种多孔流道，分别连接阴阳极进、出料口，互相并联成为电堆进、出料的次流道。

[0060]本发明还提供了所述固态电解质反应电堆在电合成过氧化氢中的应用。

[0061]下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0062]实施例1

将苯乙烯-二乙烯基苯和1,2-二氯乙烷混合，溶胀12h，得到溶胀后的苯乙烯-二乙烯基苯;将溶胀后的苯乙烯-二乙烯基苯和质量分数为98%的硫酸溶液混合，在100℃下进行磺化反应，设置磺化反应的时间为3h，反应结束后顺次进行丙酮洗涤和水洗，水洗直至滤液为中性，得到磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯;将1g磺化后的苯乙烯-二乙烯基苯和3g氯化钠研磨30min使其充分混合，然后在80℃下干燥24h，将干燥后的混合粉末倒入金属模具中使其均匀摊开，施加18MPa的压力，压制4min，得到电解质片;将电解质片在150℃下干燥2h;然后，将干燥后的样品放入40℃的水中进行水浴(水浴的次数为8次，单次水浴的时间为0.5h，单次水浴结束后，需要更换水，再进行下一次水浴)，最后在200℃下烧结3h，得到固态电解质模块;

阴、阳极气体扩散层均选用碳纸，碳纸的厚度为0.19mm，密度为0.44g/cm3，孔隙率为78%;

将0.15g氧化铱和5mL异丙醇混合，得到溶液a;将4mL水和0.15mL质量分数为5%的Nafion溶液混合，得到溶液b;将溶液b逐滴滴加到溶液a中，完成混合，然后将得到的体系在10℃下球磨20min，得到阳极浆料;将阳极浆料置入催化剂涂层质子膜(CCM)平面喷涂设备的浆料桶，设置浆料压力为0.25bar，雾化压力为3.5bar，喷辐压力为1bar，将阳极浆料喷涂至碳纸表面，在60℃下干燥24h，得到阳极气体扩散电极;

将0.15g炭黑和5mL异丙醇混合，得到溶液a;将4mL水和0.15mL质量分数为60%的聚四氟乙烯乳液混合，得到溶液b;将溶液b逐滴滴加到溶液a中，完成混合，然后将得到的体系在10℃下球磨20min，得到阴极浆料;将阴极浆料置入催化剂涂层质子膜(CCM)平面喷涂设备的浆料桶，设置浆料压力为0.25bar，雾化压力为3.5bar，喷辐压力为1bar，将阴极浆料喷涂至碳纸表面，在60℃下干燥24h，得到阴极气体扩散电极;

本实施例中固态电解质反应电堆的具体结构示意图，如图1所示;固态电解质反应电堆包括3个电解单元，固态电解质反应电堆包括依次层叠设置的第一阳极端板1、第一阳极导流板2、第一阳极腔框架3、第一阳极泡沫双极板4、第一垫圈5、第一阳极6、第一阳离子交换膜7、第一固态电解质腔8、第一阴离子膜9、第一阴极10、第二垫圈11、第一阴极泡沫双极板12、第一阴极腔框架13、第一阴极导流板14、第一阴极端板15、第二阳极端板16、第二阳极导流板17、第二阳极腔框架18、第二阳极泡沫双极板19、第三垫圈20、第二阳极21、第二阳离子交换膜22、第二固态电解质腔23、第二阴离子膜24、第二阴极25、第四垫圈26、第二阴极泡沫双极板27、第二阴极腔框架28、第二阴极导流板29、第二阴极端板30、第三阳极端板31、第三阳极导流板32、第三阳极腔框架33、第三阳极泡沫双极板34、第五垫圈35、第三阳极36、第三阳离子交换膜37、第三固态电解质腔38、第三阴离子膜39、第三阴极40、第六垫圈41、第三阴极泡沫双极板42、第三阴极腔框架43、第三阴极导流板44和第三阴极端板45;固态电解质模块填充在第一固态电解质腔、第二固态电解质腔和第三固态电解质腔中;固态电解质反应电堆整体通过塑料螺栓套46固定连接，固定连接时，任一阳极泡沫双极板安装在相应阳极腔框架内，任一阴极泡沫双极板安装在相应阴极腔框架内，阳极泡沫双极板和阴极泡沫双极板均为泡沫镍，泡沫镍的孔隙率为95%，厚度为4mm;任一阳极中的阳极气体扩散层侧紧贴阳极泡沫双极板，并通过垫圈防水密封，阳极催化层侧紧贴阳离子交换膜;任一阴极中的阴极气体扩散层侧紧贴阴极泡沫双极板，并通过垫圈防水密封，阴极催化层侧紧贴阴离子膜;第一阳极端板、第一阳极导流板、第一阳极腔框架、第一固态电解质腔、第一阴离子膜、第一阴极腔框架、第一阴极导流板、第一阴极端板、第二阳极端板、第二阳极导流板、第二阳极腔框架、第二固态电解质腔、第二阴离子膜、第二阴极腔框架、第二阴极导流板、第二阴极端板、第三阳极端板、第三阳极导流板、第三阳极腔框架、第三固态电解质腔、第三阴离子膜、第三阴极腔框架、第三阴极导流板和第三阴极端板均设置有阳极进料导流孔、阳极出料导流孔、阴极进料导流孔、阴极出料导流孔、固态电解质腔进料导流孔和固态电解质腔出料导流孔;电堆的阴极进料口、阴极出料口、固态电解质腔的进料口、固态电解质腔的出料口均设置在第3个电解单元中阴极端板的侧面，电堆的阳极进料口、阳极出料口均设置在第3个电解单元中阳极端板的侧面。

[0063]应用例1

使用实施例1中的固态电解质反应电堆进行生产试验，设置固定恒流2A，反应器的电流密度经计算结果为80mA/cm2，反应采用先静态再过流的方式进行，先关闭蠕动泵，在静态条件下反应60min，前30min每隔15min取2mL样，通过草酸钛钾法测试过氧化氢浓度及pH，记录槽压;静态条件反应之后，打开蠕动泵，在过流状态下进行电解反应，每隔30min取样，测试过氧化氢浓度及pH，记录槽压。

[0064]其中，反应时，潮湿氧气以100mL/min的流量进入固态电解质反应电堆，通过阴极进料流道，平均分配至每个阴极气体扩散层，在阴极发生还原反应;本应用例中固态电解质反应电堆的阴极进出料示意图，如图2所示。水以1.5mL/min的流量进入固态电解质反应电堆，通过固态电解质腔进料流道，平均分配至每个固态电解质腔，用以将产生的过氧化氢带出;本应用例中固态电解质反应电堆的固态电解质腔进出料示意图，如图3所示。水以10mL/min的流量进入固态电解质反应电堆，通过阳极进料流道，平均分配至每个阳极气体扩散层，在阳极发生氧化反应;本应用例中固态电解质反应电堆的阳极进出料示意图，如图4所示。从图2中可以看出，水从第三阴极端板阴极进料入口流入，经过电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道，分别在第一、第二和第三阴极导流板的内孔中流入阴极泡沫双极板，反应后在电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道中交汇，从第三阴极端板上的阴极出料口处流出。从图3中可以看出，水从第三阴极端板上的固态电解质腔进料入口流入，经过电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道，分别在第一、第二和第三固态电解质腔的内孔中流入固态电解质腔，与固态电解质模块中合成的纯过氧化氢混合，之后在电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道中交汇，从第三阴极端板上的固态电解质腔出料口处流出。从图4中可以看出，水从第三阳极端板阳极进料入口流入，经过电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道，分别在第一、第二和第三阳极导流板的内孔中流入阳极泡沫双极板，反应后在电堆中各个板上的导流孔堆叠形成的流道中交汇，从第三阳极端板阳极出料口处流出。

[0065]应用例2

控制应用例1中其它条件不变，更改固定恒流为3A，反应器的电流密度为120mA/cm2。

[0066]应用例3

控制应用例1中其它条件不变，更改水以4.5mL/min的流量进入固态电解质反应电堆。

[0067]应用例4

控制应用例1中其它条件不变，更改水以9mL/min的流量进入固态电解质反应电堆。

[0068]应用例5

控制应用例1中其它条件不变，去除固态电解质反应电堆中的所有阴离子膜，阴极进料更改为氧气(干燥的氧气)。

[0069]应用例1~2中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图，如图5所示，图5中，柱状为过氧化氢产量变化情况，虚线为法拉第效率变化情况;应用例1和应用例3~4中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图，如图6所示，图6中，柱状为过氧化氢产量变化情况，虚线为法拉第效率变化情况;应用例1和应用例5中固态电解质反应电堆在过流状态时的过氧化氢产量及法拉第效率变化示意图，如图7所示，图7中，柱状为过氧化氢产量变化情况，虚线为法拉第效率变化情况。从图5~7中可以看出，过氧化氢产量与电流密度成正比，与固态电解质腔流速成反比;法拉第效率与电流密度成反比，与固态电解质腔流速成正比;相比于无阴离子膜，有阴离子膜时，过氧化氢产量与法拉第效率都更高。本发明可根据不同的产量需求和成本效益，灵活的调整电流密度或固态电解质腔流速或阴离子膜，获得不同浓度的纯过氧化氢。

[0070]应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的产量随时间变化的示意图，如图8所示;应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的pH随时间变化的示意图，如图9所示;应用例3中固态电解质反应电堆合成过氧化氢的槽压随时间变化的示意图，如图10所示。从图8~10中可以看出，本发明可以在静态条件下合成近10wt.%的纯过氧化氢，在过流状态下，能持续稳定的合成高浓度纯过氧化氢。同时，由于固态电解质模块极高的离子传导速率，该电堆电压稳定在3~5V之间，所需能耗极小。

[0071]由以上实施例可知，本发明提供了一种固态电解质反应电堆，电堆由两个端板及层叠设置于两个端板之间的多个电解槽单元组成，结构简单、紧凑，电合成反应过程中槽压低、能耗小，具备大规模移植装配、生产的潜力。同时，电堆电合成反应仅需要水和氧气，产物为纯过氧化氢，反应物廉价、易制取，产物不含杂质，无需进一步提纯。整体电合成过氧化氢工艺绿色、环保、可控，能够实现能源的绿色、高效利用。本发明提供的固态电解质反应电堆，通过控制不同的进水流速，能产出近10wt.%的纯过氧化氢，法拉第效率可达90%。

[0072]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

说明书附图(10)