CN1720633A - 氟分离和生成装置 - Google Patents

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CN1720633A CNA2003801051706A CN200380105170A CN1720633A CN 1720633 A CN1720633 A CN 1720633A CN A2003801051706 A CNA2003801051706 A CN A2003801051706A CN 200380105170 A CN200380105170 A CN 200380105170A CN 1720633 A CN1720633 A CN 1720633A
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S·J·维斯克
L·C·德永和
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Abstract

本发明公开了一种从气体混合物中电解分离氟的方法和装置。还记载了从含氟/氟化合物的固体、气体或液体中生成氟的方法和装置。

Description

氟分离和生成装置
对相关申请的交叉引用
本申请要求以2002年10月4日提交的申请序列号为60/416,309的美国专利申请作为优先权基础，该申请全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在政府支持下做出的。与美国能源部签署的许可(合同)号为DE-AC03-76F00098，政府对本发明拥有一定的权利。
背景技术
本发明主要涉及氟分离和氟生成装置领域，更具体地说，涉及一种具有非同寻常的和意想不到的电化学性能的新型电解装置。
半导体工业中广泛使用含氟的气体混合物。这些物质中很多是有害且昂贵的，因此必须从排放气流中予以去除或净化。故而需要一种装置和方法来从气体混合物中分离氟，并生成工业中所需要的氟。
从其它气体中分离氟(F2)有几种途径，包括低温蒸馏、渗透膜和电解分离。电解分离具有潜在的优点，即在室温下于小型设备(compactunit)中以高流通量(high flux)生产高纯度的氟气。也已知许多气体混合物的电化学分离方法。美国专利5,618,405所述技术教导了采用电化学电池从高温气体混合物中分离卤化物，该专利的全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。另一项技术称为“外部电池”法(“outer-cell”method)，待分离废气的气体组分首先在吸收塔中被吸收到洗涤溶液中；然后，含有污染组分的洗涤溶液在一个相连的电解池中被阴极还原或阳极氧化。这一方案需要两种不同的装置，即，一个用于吸收，一个用于电解。另一种技术是“内部电池”法(“inner-cell”method)，其中吸收和电化学转化发生在同一个电解池中，因为污染物的浓度通过电化学转化总是保持在低水平。再一种方法是“间接”电解法，其中湿法化学废气处理所使用的氧化剂和还原剂通过电解所使用的洗涤溶液得以再生。
美国专利6,071,401和5,840,174的全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中，该专利公开了一种带有固定床(fixed-bed)电极的用于净化废气的电解池。在进行还原净化时，向气体扩散电极提供氢气，在氧化净化时则提供氧气。
美国专利6,030,591的全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中，所述专利公开了通过低温处理、膜分离和/或吸收的方式分离含氟化合物。
美国专利6,514,314和5,820,655的全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中，该专利公开了一种陶瓷膜结构的氧气分离方法。
内部电池法的一个缺点是净化后气体中的杂质残留量高。就氯气而言，残留量比极限值5ppm高大约10倍。通常，由固态装置产生的气体的纯度比由含液体(或熔融物)的电池产生的气体的纯度高得多。
现有技术方法的另一个缺点是包含电解池的装置需要两个液体回路，即阴极回路和阳极回路，结果使得该设备变得复杂且易出故障。
固态电化学装置多为电池，所述电池包括两个多孔电极，即阳极和阴极，以及将两个电极分隔开的质密(dense)的固体电解质和/或膜。就本申请而言，无论其在装置的运行过程中是否施加有电压或有电压在其中产生，除非在所使用的上下文中可以明确或清楚地看出其它含义，术语“电解质”应该理解为包含用于电化学装置的固体氧化物膜。在很多实施方式中，固体膜是一种由能够传导诸如氟离子的离子类，且电子传导性低的材料所组成的电解质。在其它实施方式，例如气体分离装置中，固体膜可以由离子电子混合传导型材料(mixedionic electronic conducting material“MIEC”)组成。在各种情况下，电解质/膜都必须质密且尽可能没有针孔(“气密”)以防止电化学反应物混合。在所有这些装置中，较低的电池总内阻有助于性能的改善。
固态电化学装置通常为带有陶瓷电极和电解质的电化学电池，并且有两种基本样式：管式和板式。管式通常比板式更易于实施，因此已提议用于商业应用。然而，管式提供的功率密度低于板式，这是因为管式固有的相对较长的电流路径导致相当大的电阻功率损失。板式理论上具有比管式更高的效率，但是通常被认为具有明显的安全性和可靠性问题，这是由于板式电池堆(planar stack)的密封和接管(sealing and manifolding)的复杂性造成的。
发明内容
本发明记载了一种用于从气体混合物中电解除去氟的电解池。本发明的另一个目的是从含氟/氟化物的原料(气体、液体或固体)，例如HF、NF3、CF4、SF6等中分离氟。本发明通过描述该电解池以实现前述用于制造优于现有技术的电池的新颖方法。本发明上述以及其它特征和优点将在以下说明书和附图中，通过将本发明的原理实例化的方式予以详细说明。
附图说明
结合以下详细说明与附图，将使本发明易于理解。
图1示出了现有技术的一个板式的固态电化学装置。
图2示出了依据本发明一个实施方案的氟分离装置。
图3示出了依据本发明一个实施方案的氟分离装置。
图4示出了铂电极的电流/电压关系。
图5示出了铂电极的电流/电压关系。
具体实施方案
下面将详细介绍本发明一些具体的实施方案。其中一些具体实施方案的实例图解于附图中。虽然本发明是结合这些具体实施方案加以描述的，但应该理解其目的并不在于将本发明局限于所描述的实施方案中。相反，其目的在于涵盖各种替代方案、改进方案和等价方案，只要这些方案可以包括在如所附权利要求定义的本发明主旨和范围内。在以下描述中，为了透彻地理解本发明，将会提出许多具体细节。本发明可在没有某些或全部所述具体细节的情况下得以实施。此外，为了不使本发明出现不必要的混淆，对公知的工艺操作没有进行详细描述。
在本说明书和权利要求书中，单数形式的“一个”和“这个”包括复数指代，除非上下文清楚地另外指出。除非另外定义，本发明使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域中普通技术人员的通常理解具有相同的含义。
下面是对固态设备组件和结构的概述。本说明书包括主题的背景和主题的介绍，并提供设计与制造的细节，所述细节可被用于本发明的组件、装置和方法中。
虽然图1所描述的设计旨在用做固体氧化物燃料电池(SOFC)，但是相同或相似的装置设计也可以用于氟分离，这取决于用作电极和分隔物材料的选择、装置运行的环境(向每个电极提供的气体)、施加的压力或电压，以及装置的操作。例如，如上所述，对于燃料电池，将一种氢基(hydogen-based)燃料(通常是在装置运行中转变成氢气的甲烷)提供给燃料电极，而将空气提供给空气电极。在空气电极/电解质界面处形成的氧离子(O2-)迁移通过电解质，并在燃料电极/电解质界面处与氢气反应生成水，以此释放由互连部件(interconnect)/电流收集器收集的电能。
图1示出了一个板式固态电化学装置的基本设计，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)。电池100包括阳极102(“燃料电极”)、阴极104(“空气电极”)和将两个电极分隔开的固体电解质106。在常规的SOFC中，电极和电解质通常由陶瓷材料制成，这是因为陶瓷能够耐受装置运行时的高温。例如，SOFC通常在约950℃运行。该运行温度是由多个因素决定的，尤其是甲烷转变成氢气所需要的、和出于对反应效率的考虑的温度。另外，典型的固态离子装置，例如SOFC，具有一个将SOFC构建在其上的结构元件。在常规的板式SOFC中，所述结构元件是一个厚的固体电解质板，然后将多孔电极丝网印刷(screen-printed)到电解质上。多孔电极强度低且电导率不高。作为一种选择，也可将厚的多孔电极和薄的电解质膜共同烧制(co-fired)，形成电极/电解质双层结构。
决定本发明固态电化学装置运行温度的另一个需考虑的因素是电解质/膜的电导率。常规装置必须在足够高的温度下运行以使陶瓷电解质对能量生成反应(在SOFC的情况下；对气体分离器或生成器则是其它反应)具有足够的离子传导率。
本发明的典型装置在约120℃运行，但是，该温度范围可以在100-300℃之间，并优选在120-150℃之间，这部分地取决于对电解质的选择。对于优选的电解质PbSnF4，运行温度大约是120℃。对于另一种电解质，例如LaF3，该温度在300-500℃之间，原因在于LaF3的电导率。如果电解池在低于150℃运行，可以将聚四氟乙烯或聚四氟乙烯基材料用于装置的密封及类似用途。
已有多种在基材上形成电解质薄层的方法，例如EVD/CVD。然而，EVD/CVD是一种复杂且昂贵的技术，应用该技术的陶瓷基设备依然需要高的运行温度以使其全效运行。不幸的是，大多数金属在这样温度下的氧化环境中是不稳定的，很快就转变成脆的氧化物。本发明考虑将溅射作为在基材上形成薄膜电解质的方法。该方法所涉及的溅射可以从现有技术中得到，例如见于P.Hagenmuller，A.Levasseur，C.Lucat，J.M.Reau和G.Villeneuve的“固体中的快速离子传递。电极与电解质。North-Holland。1979，637-42页。阿姆斯特丹，荷兰。”(P.Vashishta，J.N.Mundy和G.K.Shenoy编辑)，1979，其全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。采用这种方法制成的膜通常比较薄，厚度小于约1微米。
本发明一种优选方法为按照下述实施例1所述熔融的方式，制备厚度为10-50微米的电解质膜。
再次参照图1，在所描绘方式中，电池100可以和其它类似的电池110如常见形式一样叠置在一起，以增加设备的负载能力。该实施方案包括在本发明中。为了叠置，电池需要有与各电极相邻的双极互连部件(bipolar interconnects)108，在本发明中，该互连部件是电传导而不是离子传导的。在本发明中，互连部件108允许电池产生的电流在电池之间流动并被收集待用。这些互连部件通常形成为总管(manifold)，原料气和载气可以通过其提供给各自电极(允许气体在通道中横向移动，但是不允许气体混合(垂直移动))。由于F2的腐蚀性，用于互连部件的材料必须是抗腐蚀的。可以考虑使用聚四氟乙烯和聚四氟乙烯基材料。互连部件也可以是抗F2腐蚀的材料，例如镍或镍合金，或者优选不锈钢。本发明中的导电性互连部件可以用于分隔阳极和阴极室，并向电极提供电流。如果本发明装置的运行温度等于或低于300℃，则可以采用铝和铝合金。根据使用的温度，普通技术人员很容易选择确定互连部件材料。
本发明阴极和阳极采用的电极材料可以是不同的。优选地，阳极材料应该具有对氟的电化学生成而言，低的超电压(over potential)，阴极应该具有就电解质的还原而言，高的超电压，所谓电解质还原，即当采用PbSnF4时，电沉积的是铅和锡。最优选铂作为阳极，最优选石墨作为阴极。超电压等于施加电压减去初始或平衡电压和电解质上的IR降。在运行中可以不需要参考电极(reference electrode)，本领域技术人员能够对任何特定的电解质的超电压进行优化。该值将使得设备能够在所选择的特定电解质的电压范围或稳定窗口(stabilitywindow)内运行。当然，本领域普通技术人员很容易理解，设备在过高的电压下运行将产生过大的电流并破坏电解质。当设备采用PbSnF4作为电解质、Sn/SnF2作为参考电极时，本发明的窗口(window)相对于Sn/SnF2参考电极为约0到约5-6伏。
本发明所述的氟生成或分离装置的电极(阳极和阴极)优选由这样的材料制成：该材料在施加于装置的电压和低于该电压的条件下不产生高挥发性或电绝缘性的氟化物。更重要的是，电极材料必须选用不与薄膜电解质发生有害反应的材料。非限制性的例子有，金属，例如铂、金、镍、钯、铜、银，这些金属的合金，以及石墨形态的碳。优选的阴极材料是碳，更优选石墨形态的碳。优选的阳极材料是铂。本领域技术人员将理解，阳极和阴极可以是同种材料，这取决于对电解质的选择。
电极的一个优选实施方案是，在用于气体分离和生成装置的高表面积的电解质材料、电极材料和气体之间形成了三相边界。这是通过提供小颗粒(高表面积)的铂粉末，即铂黑(0.05微米到20微米，优选0.7微米到2微米)，并在1000psi压力下压制(pressing)实现的。在运行中，所有三相互相渗透，导致三相边界贯穿。
本发明的另一个实施方案中使用了碳电极。该电极可以由含有煤焦油沥青(coal tar pitch)作为粘合剂的石油焦炭制备。优选地，用40wt％(重量百分比)的煤焦油沥青作为粘合剂形成碳阳极，这将导致有效内表面的增加，其原因在于碳阳极中孔的适宜的孔径和分布。类似的阳极在本领域是已知的，并在Ahn等人的韩国化学学会学报(Journal of Korean Chemical Society)，2001，45卷，No.5中描述，其全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。
为了用电解方法从杂质气体中有效地分离氟，优选采用一种能够传导氟离子的质密膜，该膜在环境温度或稍高于环境温度时具有适当高的离子传导率。这样的材料是已知的。两个非限制性的例子是PbSnF4和LaF3，两者对氟离子都具有高的离子传导率。PbSnF4的离子传导率在室温下是10-3Ω-1cm-1；因此电阻率(ρ)在室温下是103Ωcm。根据关系式R＝ρ(长度/面积)，则R＝1000(长度/1cm2)。对于1mm厚的PbSnF4板而言，面电阻率(R·面积)＝100Ωcm2；如果我们把电解质的厚度降低到10微米，则在室温下ASR＝1Ωcm2。这意味着，当一个装置运行的电流密度为1amp/cm2时，在室温下电解质电阻仅引起1伏的iR损失。还有其它氟离子导体，例如LaF3，其在20℃时的LaF3离子传导率为5×10-5S/cm。
作为电流密度的函数，F2/F-电极超电压是重要的。在本发明的一个实施方案中，采用碳基电极，就像用于HF氧化一样，然而，已知这些电极逐渐钝化，使得超电压变大。最近，Groult等人提出这是由于在碳电极表面上形成了CFx，它抑制了电极的浸润(wetting)，参照H.Groult，D.Devilliers，S.Durand-Vidal，F.Nicolas和M.Combest，Electrochimica Acta，44，2793(1999)，其内容通过引用的方式纳入本说明书中。本发明并不特别涉及以熔融KF-HF浸润碳电极，因此这一现象对于和杂质气体相混合的氟气的氧化还原可能不是一个问题。Pletcher提出F2/F-氧化还原反应的超电压在铂电极上比在碳电极上低得多，参照A.G.Doughty，M.Fleischmann和D.Pletcher，Electroanal.Chem.And Interfacial Electrochem.，51，329(1974)，其内容通过引用的方式纳入本说明书中。铂电极的电流电压关系在图1和图2中示出。考虑到F2选出(evolution)的低超电压，其对于高表面积的多孔铂电极有可能具有很低的超电压。
在本发明的一个实施方案(图2)中，提供了一个厚的PbSnF4盘片(disk)(0.1-2.5mm，优选1-2mm厚)，其上涂布薄的(50微米)Pt/PbSnF4复合电极。本发明所使用的电极的厚度可以在2微米到100微米之间，优选10到50微米之间。可以使用一个铂参考电极监控阳极和阴极的超电压。
在另一个更优选的实施方案中，氟气分离和生成装置采用图3所示的结构。在此，电解质的厚度被最小化以消除iR损失，膜由一个导电基质承载。优选地，该基质是一个不锈钢多孔载体(support)，在其上沉积一层Pt/PbSnF4料浆，然后再沉积一层质密的PbSnF4膜(2-200μm，优选～10-20μm)，再在该膜上沉积第二层Pt/PbSnF4电极。本发明考虑氟气分离装置，可制备成平板状(覆盖区(footprint)较小的设备)或者制备成管状(简化封装)。本领域普通技术人员可以理解到，不改变本发明本质的其它形状也可以采用。
制造本发明的氟气分离装置的方法在本领域中是已知的。本发明还提供了一些新的技术，使用这些技术可以制造出具有意想不到的优越性能的电极/电解质界面。本发明的发明人的美国专利6,605,316描述了固态电化学装置的结构和制造技术，其内容通过引用的方式纳入本说明书中。本发明的发明人的其它未决的已公开申请描述了适于制造本发明所述的电化学装置的技术。美国公开专利申请2003-0021900 A1描述了一种制备无裂缝质密膜的方法；美国公开专利申请2003 0175439 A1描述了制备电解质质密膜的工艺；美国公开专利申请2002-0081762 A1描述了电解质的结构和制备工艺。以上专利和专利申请的内容均在此通过引用的方式纳入本说明书中。另外，美国专利6,613,106公开了对本发明的电解池有用的膜电极组件，其全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。
本发明的电解质膜包括一种能够传导氟的材料。该材料必须是固体，而且不能是多孔的，以使得没有气体从膜中穿过。电解质必须是气密的。优选的材料是PbSnF4。PbF2/SnF2体系中有多种的新材料。这些材料包括宽范围的Pb1-xSnxF2固溶体(0x0.50，立方晶系-PbF2氟石型0x0.30，四方晶系-PbSnF4氟石型0.30＜x0.50)和化学计量的Pb2SnF6、PbSnF4和PbSn4F10。另外，所有这些化学计量的化合物在加热时都发生相变。处于这些相的所述化合物也是性能很好的氟离子导体，位居所有氟离子导体中最好之列，其中PbSnF4是最好的。球磨(ball-milling)被广泛用于氧化物和其它强晶格材料的加工，并发现其经常导致缓慢的无定形化。球磨也用于为发生固态反应提供所需的能量。令人感到惊奇的是，球磨引起的相变发生得很快(约5分钟)，在进一步的研磨中(检验时间最长为1小时)不再发生无定形化或半径减小。当x值较小时，会观察到类似PbF2的特性，而当x值最大时，它表现出类似PbSnF4的特性，当x移向固溶体的中心时，转化逐渐变慢，而在固溶体的中心未观察到任何变化。在给定的球磨时间点，所得到的颗粒尺寸是锡在样品中所占比例x的函数。
用于电解质的其它材料为稀土金属掺杂或未掺杂的LaF3，掺杂用的稀土金属优选Er。本领域已知的能够传递氟离子的其它电解质材料也考虑用于本发明。
本发明的一个实施方案中采用陶瓷电解质，该电解质基本上不透气，但允许氟离子可通过。这种电解质及其制备方法的一个实例在本领域是已知的，见于美国专利4,707,224，其全部内容在此通过引用的方式纳入本说明书中。相对于该专利，本发明所具有的一个意想不到的优点是，本发明的电极是用溅射和/或蒸镀制备的，除了可能的膜中针孔和其它缺陷外，不存在均一的三相边界。
可用于本发明的结构所连接的基质材料是多孔金属(porousmetal)，例如过渡金属铬、银、铜、铁和镍，或多孔合金如低铬铁素体钢，例如405和409型(11-15％的铬)，中铬铁素体钢，例如430和434型(16-18％的铬)，高铬铁素体钢，例如442、446型和E-Brite(19-30％的铬)，铬基合金如Cr5Fe1Y，含铬镍基Inconel合金，包括Inconel 600(Ni 76％、Cr 15.5％、Fe 8％、Cu 0.2％、Si 0.2％、Mn 0.5％和C 0.08％)。
在本发明的一些实施方案中，基底可以是多孔金属陶瓷，该陶瓷掺有一种或多种过渡金属Ni、Cr、Fe、Cu和Ag，或它们的合金。
本发明的两个电极，或两者之一还可以有保护层。所述保护层除了为电解质提供保护之外，还应该传导负极放电时产生的离子。该保护层可以通过溅射或蒸镀法沉积制得。用于保护层的材料可以包括碱金属和碱土金属氟化物，例如CaF2、MgF2或KF。同样，本发明考虑采用和优选的是掺杂或未掺杂的LaF3。所述保护层将电极与电解质分隔开。该保护层的厚度小于1微米。这些内容在本领域是已知的，并由美国专利6,025,094公开，其全部内容在此纳入本说明书中。
本发明所述固态电化学装置还可以用作氟气生成装置。在这种情况下，例如HF、NF3、CF4、和SF6的气体，可以通过电化学方式转化为氟气。本发明所述气体混合物也可以用作进料气以生成氟。实施例4描述了根据这一构思的一个实施方案。同样考虑的有采用液体(非限制性的例子包括KF*HF熔融物)和固体(非限制性的例子包括KF、PBF2、CoF3)作为进料。在该实施方案中使用的阴极可与用于氟气分离装置的阴极不同，这取决于氟的来源，但是阳极和电解质可以与分离装置中所述的阳极和电解质相同，因为化学机理是相同的。如果采用例如NF3作为输入原料，优选的用于氟气生成装置的阴极材料是Pt。本领域技术人员可以根据所选择的进料挑选合适的阴极材料。选择的标准是使反应的超电压最小化，所述反应使气体还原成氟离子F-和残余气体(当原料气是NF3时，残余气体是N2)。
如上所述，本发明所述的技术和其产生的结构，可以用于多种电化学装置的制造，以降低成本、提高性能和可靠性、降低运行温度，以获得有效的设备。应该理解，所述制造技术和结构可以用于平板、六边形或管式固态电化学装置设计。
实施例
以下实施例描述并举例说明本发明的具体实施方案的各个方面和特征。应该理解的是，以下实施例只是示例性的，本发明不受这些实施例中提出的细节的限制。
实施例1：薄膜电解质电池可以通过熔融固化制备。将Pt-PbSnF4粉末混合物均匀地铺展在一个多孔不锈钢载体的上表面，在模具中以1000PSI模压形成1-20微米厚的压制膜，优选5-10微米。将PbSnF4粉末基本均匀地铺展在双层结构上，并以5000PSI模压。将电池放置在一个封闭的圆筒内，该圆筒可以用F2或惰性气体(He、Ar或N2)中的F2清洗，并加热到PbSnF4的熔点390℃。冷却后，电解质固化成质密的膜。将第二层Pt-PbSnF4电极喷到电解质膜上，厚度为1-20微米，优选5-10微米。
实施例2：电解质承载电池可以通过以下方法制备。在搅拌下，将Pb(NO3)2的饱和水溶液滴加到SnF2的饱和水溶液中，并用5％的HF酸化。形成的白色沉淀物通过真空过滤收集，在室温下在真空烘箱中干燥过夜。将所得粉末在50KPSI下于室温下单轴模压5分钟。所得盘片在100℃时采用交流阻抗光谱法测定的电导率是3×10-2S/cm。在一个直径稍大于电解质盘片的模具中，将Pt或Pt-PbSnF4粉末混合物以干的或以在异丙醇中的糊状物的形式铺展在盘片的两个面上，然后在1000PSI下压制形成多孔电极。
实施例3：根据本发明的一个实施方案运行的氟气分离装置。参照图3(现示出可选组件)，膜电极组件可以夹在两个铝板(未示出)之间，由一个聚四氟乙烯片(未示出)分隔开。象图2中一样，图3中的“F2”指的是氟/含氟化合物或含氟气体化合物和其它气体的气体混合物。阳极室和阴极室可以设有气体入口和出口。通过Viton或Kalrez O型环在各个面(未示出)上和板之间形成气密性密封。电力由电源(未示出)以恒定电压(恒压模式)、或恒定电流(恒流模式)的方式通过铝板直接施加到电极上。氟源可以是含F2的N2，或其它含F2的气体混合物。从阴极室出来的未反应的F2可以在气体洗涤器中中和，或者再循环以提高效率。阳极腔室(未示出)可以用惰性载气清洗，或者，如果相应的质量流量控制器被关闭，可以产生纯的F2。
实施例4：本发明一个实施方案的氟气生成装置的运行。运行的过程与实施例3类似，但是阴极材料必须具有电化学活性以还原氟前体。例如，一种优选的用于存储氟的化学品是NF3。它可以在阴极依下列反应式还原：
                      
将N2释放到排放气中，F-进入到电解质中。如前述实施例所述，F-被传输到阳极并被氧化成F2。如前述实施例所述，阴极材料可以是金属，优选铂粉末，最优选活化的铂(铂黑)。
虽然为了清楚理解，对本发明进行了详细描述，本领域技术人员将理解，可以对所描述的优选实施方案进行调整和改进，而不偏离本发明的范围和主旨。而且，本发明所描述的工艺分布和分类机械特征可以同时或分别实施。因此，所描述的实施方案应该被看作是示例性的而非限制性的，本发明不应该被限制为本发明给出的细节，而应该由以下权利要求及其等同物的全范围予以定义。

Claims (23)

1.一种固态电解装置，包括：
一个阴极，
一个阳极，和
设置在阳极和阴极之间的、能够进行氟离子交换的固体电解质。
2.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述装置设置于一个基质上。
3.按照权利要求2的固态电解装置，其中：
所述基质由选自下列的材料组成：铬、银、铜、铁、镍、低铬铁素体钢、中铬铁氧素钢、高铬铁素体钢、铬基合金、陶瓷材料、金属陶瓷、含铬镍基Inconel合金和不锈钢。
4.按照权利要求3的固态电解装置，其中：
所述基质由不锈钢组成。
5.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述电解质由选自下列的材料组成：PbSnF4、LaF3和掺杂的LaF3。
6.按照权利要求5的固态电解装置，其中：
所述电解质包括PbSnF4。
7.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述阳极和阴极各自独立地包括以下材料中的一种：铂、金、镍、钯、铜、银和石墨形态的碳。
8.按照权利要求7的固态电解装置，其中：
所述阴极包括铂。
9.按照权利要求8的固态电解装置，其中：
所述阴极包括直径在0.05-20微米的铂颗粒。
10.按照权利要求9的固态电解装置，其中：
铂颗粒的直径在0.7微米到2微米之间。
11.按照权利要求7的固态电解装置，其中：
石墨形态的碳包含约40wt％的煤焦油沥青。
12.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述装置能够在100-300℃温度范围内运行。
13.按照权利要求12的固态电解装置，其中：
所述装置能够在120-150℃温度范围内运行。
14.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述电解质通过CVD、EVD、溅射或熔融固化沉积。
15.按照权利要求14的固态电解装置，其中：
所述电解质通过熔融固化沉积。
16.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
在所述阳极和所述电解质之间，或所述阴极和所述电解质之间，或阳极和电解质之间，以及阴极和电解质之间设置一个薄的保护层。
17.按照权利要求16的固态电解装置，其中：
所述保护层包括一种掺杂或未掺杂的碱金属或碱土金属氟化物，或者掺杂或未掺杂的LaF3。
18.按照权利要求17的固态电解装置，其中：
所述保护层包括掺杂或未掺杂的LaF3。
19.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述装置能够从混合气体中分离氟气。
20.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述装置能够由进料源生成氟。
21.按照权利要求20的固态电解装置，其中：
进料源包括固体、液体或气体。
22.按照权利要求21的固态电解装置，其中：
所述气体包括NF3。
23.按照权利要求1的固态电解装置，其中：
所述装置为管式。
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