專利名稱：固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型公開了一種固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生，屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
在本實(shí)用新型之前，已采用電解法制備臭氧的專利裝置均屬于常規(guī)電解槽的形式，如我們獲準(zhǔn)的中國專利ZL87202205.6；ZL92229584.0；ZL92244960.0所描述的發(fā)生器均采用陰極、陽極、電解液、電解槽體構(gòu)成，其陰、陽兩電極在電解槽內(nèi)部的兩側(cè)，兩電極之間保持一定體積的電解質(zhì)溶液。在電解工作時(shí)由于溫度升高和氣體的析出，不同程度地造成電解質(zhì)及水的損失，電解液濃度波動較大、因而工作穩(wěn)定性較差，需要定期補(bǔ)充電解液和水。另外，電解液泄露會引起設(shè)備漏電，因此，對電解槽的密封要求十分嚴(yán)格。此外，電極材料，特別是產(chǎn)生臭氧的陽極在電解液中不可避免地會受到化學(xué)和電化學(xué)的腐蝕，因而長期工作時(shí)陽極的穩(wěn)定性差。如專利ZL92229584.0中所涉及的陽極材料腐蝕量可達(dá)50克/10000安時(shí)。上述專利中所涉及的陽極材料在正常工作時(shí)其使用的電流密度均較低，一般在0.2～0.3A/cm2，因而就相同臭氧產(chǎn)量的發(fā)生器而言，其自身體積較大，相應(yīng)的造價(jià)也高。如ZL92244960.0專利中臭氧發(fā)生量為1克/小時(shí)的發(fā)生器體積約為10000立方厘米，相應(yīng)的造價(jià)約為600元。再者，上述的電解臭氧發(fā)生器其陽極產(chǎn)生臭氧的電流效率較低一般在6～10％。
本實(shí)用新型的目的在于克服上述已有電解法臭氧發(fā)生器的不足，提供一種固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器。該發(fā)生器不需要液體電解液，只需要補(bǔ)充產(chǎn)生臭氧所耗的水即可在1.0～2.5A/cm2的高電流密度區(qū)工作。其臭氧析出的陽極電流效率高達(dá)16～20％。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的所采取的技術(shù)措施是本實(shí)用新型的固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器由膜復(fù)合電極、陰陽極多孔集流板、陰陽極水槽、陰陽極氣體出口、陰陽極水槽水連通器組成。其技術(shù)特征在于所述的膜復(fù)合電極為三層結(jié)構(gòu)，中間為固體聚合物電解質(zhì)膜(陽離子交換膜)，在陽極/膜反應(yīng)界面產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)通過此膜遷移到陰極/膜反應(yīng)界面，在中間兩側(cè)分別為陰陽極多孔催化層，其中陰極多孔催化層由金屬鉑(Pt)碳(C)組成；陽極多孔催化層由金屬鉛(Pb)或鉛的氧化物組成。陰陽極水槽內(nèi)盛有不含電解質(zhì)的純水。陰陽電極電化學(xué)反應(yīng)式為陰極反應(yīng)式陽極反應(yīng)式陰陽極多孔集流板由多孔金屬鈦(Ti)組成，兩電極/膜反應(yīng)界面上產(chǎn)生的氣體則分別穿過多孔集流板逸出水面，陽極反應(yīng)所消耗的水(H2O)則也通過多孔集流板進(jìn)入陽極/膜反應(yīng)界面。陰陽極水槽由耐臭氧腐蝕的金屬，如不銹鋼或經(jīng)過處理的其它金屬(長期連續(xù)工作時(shí)兼作散熱器)，也可用塑料如ABS塑料組成(短時(shí)間間隙工作時(shí))。該水槽作為產(chǎn)生臭氧所需水的容器，陰陽極水連通器其作用是使兩極水槽內(nèi)水位保持平衡。
在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行和檢測，可在1.0～2.5A/cm2的電流密度范圍工作，其膜復(fù)合電極的面積，可根據(jù)臭氧產(chǎn)量自由選擇。陰陽極水槽內(nèi)的水為不含電解質(zhì)的純水，工作溫度為20～30℃，其陽極析臭氧電流效率為16～20％，即臭氧占陽極氣體總重量的19.4～23.1％，在發(fā)生器高電流密度運(yùn)行1000小時(shí)后經(jīng)采樣分析檢測，陰陽極水槽水中無催化層腐蝕產(chǎn)物，且陽極極臭氧電流效率無明顯衰減。


圖1，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，其中1—陰極水槽，2—?dú)錃獬隹冢?、5—分別為陰陽極多孔集流板，4—膜復(fù)合電極，6—臭氧出氣口，7—陽極水槽，8—陰陽極水槽連通器，9—固定螺絲孔。
圖2，為圖1中4膜復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)示意圖。其中10—陰極多孔催化層，11—固體聚合物電解質(zhì)膜，12—陽極多孔催化層。
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2。膜復(fù)合電極(4)位于發(fā)生器中間，其一側(cè)依次為陰極多孔集流板(3)、陰極水槽(1)；其另一側(cè)依次為陽極多孔集流板(5)、陽極水槽(7)；膜復(fù)合電極和兩側(cè)多孔集流板通過固定螺絲孔(9)緊固，陰陽極氣體出口(2)、(6)分別在陰陽極水槽上方。陰陽極水連通器(8)安置在陰陽極水槽的下底部；陽離子交換膜(11)，陰極多孔催化層(10)，由鉑、碳材質(zhì)組成，陽極多孔催化層(12)，由多孔鉛氧化物組成。陰陽極多孔集流板(5)，由金屬鈦組成。陰陽極水槽(1，7)，由不銹鋼組成。本發(fā)生器的固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極工作面積為4cm2；工作電流密度為2.0A/cm2；總工作電流為8A；工作溫度為20～30℃，在此工作條件下，陽極析臭氧電流效率為16％，已運(yùn)行1000小時(shí)其電流效率無明顯衰減。
本實(shí)施例由于使用電流密度大、陽極析臭氧電流效率高、無液體電解質(zhì)，因而使產(chǎn)生相同臭氧量的發(fā)生器的價(jià)格由原來的600元降至300元左右；其體積和重量也僅為原來發(fā)生器的三分之一，因此本實(shí)用新型更具有商品化生產(chǎn)前景。
本實(shí)用新型可廣泛用于環(huán)境保護(hù)、食品衛(wèi)生、醫(yī)療衛(wèi)生、水處理、果蔬保鮮以及科學(xué)研究等部門。
權(quán)利要求1.一種固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器，其特征在于它由膜復(fù)合電極、陰陽極多孔集流板、陰陽極水槽、陰陽極氣體出口、陰陽極水槽水連通器組成；膜復(fù)合電極(4)位于發(fā)生器中間，其一側(cè)依次為陰極多孔集流板(3)、陰極水槽(1)；其另一側(cè)依次為陽極多孔集流板(5)、陽極水槽(7)；膜復(fù)合電極和兩側(cè)多孔集流板通過固定螺絲孔(9)緊固，陰陽極氣體出口(2)、(6)分別在陰陽極水槽上方；陰陽極水連通器(8)安置在陰陽極水槽的下底部。
2.按權(quán)利要求1所述的固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器，其特征在于膜復(fù)合電極為三層結(jié)構(gòu)，中間為固體聚合物電解質(zhì)膜，其兩側(cè)分別為陰陽極多孔催化層；固體聚合物電解質(zhì)膜為陽離子交換膜，陰極多孔催化層由鉑、碳組成，陽極多孔催化層為鉛或鉛氧化物組成；
3.按權(quán)利要求1所述的固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器，其特征在于陰陽極多孔集流板為金屬鈦組成；
4.按權(quán)利要求1所述的固體聚合物電解質(zhì)膜復(fù)合電極電解臭氧發(fā)生器，其特征在于陰陽極水槽內(nèi)盛有不含電解質(zhì)的純水。
專利摘要本實(shí)用新型是由膜復(fù)合電極、陰陽極多孔集流板、陰陽極水槽、陰陽極氣體出口、陰陽極水槽水連通器組成。其膜復(fù)合電極為三層結(jié)構(gòu)，它位于發(fā)生器中間，其中間為固體聚合物電解質(zhì)膜，膜兩側(cè)分別為陰陽極多孔催化層，陰陽極水槽，水槽內(nèi)盛有不含電解質(zhì)的純水。陽極臭氧析出電流效率可達(dá)16～20％。本裝置具有設(shè)計(jì)獨(dú)特、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、造價(jià)低、臭氧濃度高、無液體電解質(zhì)、無噪聲、無氮氧化物，應(yīng)用廣泛。
文檔編號C25B1/00GK2229460SQ9324625
公開日1996年6月19日 申請日期1993年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月24日
發(fā)明者周元全, 吳秉亮, 高榮, 張紅 申請人:武漢大學(xué)