專利名稱：電化學空氣陰極制氧裝置及其方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種電化學空氣陰極制氧裝置及其方法。
在傳統(tǒng)的制氧方法中，有空氣壓縮制氧法，通過催化劑選擇吸附而分離氧，但其催化劑極易失效。有采用含氧化合物分解制氧法，但制氧量有限。還有電解水制氧法，需分離氧氣和氫氣，極不安全。中國專利申請公開號CN1085607A公開了“電化學雙極制氧方法和裝置”，公開號CN1136090A公開了“電化學氧陰極制氧方法及其生氧盒”，上述文獻公開了以空氣為原料的電化學制氧方法，該方法避免了傳統(tǒng)制氧存在的不足，但是前者在制氧過程中夾雜有少量的過氧化氫，這對人體是有害的；后者在制氧中使用7N的KOH高濃度強堿溶液，而生氧盒中只有一個氣液分離膜，使制得的氧氣會夾雜有少量“堿霧”，這對人體也是有害的。此外，兩者均不能使用弱堿性、中性和酸性電解質(zhì)溶液；另外，上訴文獻使用只使用鉑、銀作催化劑，不僅價格高而且極易催化劑“中毒”而導致失效。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種制氧簡單、應用范圍廣、安全可靠、成本低廉、壽命長、氧純度高的電化學空氣陰極制氧裝置及其方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下。
本發(fā)明的制氧裝置電解槽殼體上設置有空氣陰極，電解槽內(nèi)設置有惰性陽極，空氣陰極和惰性陽極分別設有陰極柱和陽極柱，并引出殼體，所述的電解槽上部設置有氣液分離器，所述氣液分離器由多孔氣液分離板、疏水氣液分離膜和氧氣出口構(gòu)成；電解槽與氣液分離器之間設置有回流管。
所述多孔氣液分離板和疏水氣液分離膜采用多孔泡沫層。所述疏水氣液分離膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合制成。所述的多孔氣液分離板由多孔ABS塑料板、橡塑材料、橡膠、金屬材料中的任一種制成。所述的空氣陰極是按防水膜、集流網(wǎng)、防水膜、催化膜的順序排列構(gòu)成；所述防水膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～4∶4～6的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合而成；所述集流網(wǎng)采用銅網(wǎng)，或黃銅網(wǎng)，或碳纖維網(wǎng)；所述催化膜由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合而成；所述催化膜中的催化劑在堿性或中性電解質(zhì)溶液中采用錳的氧化物，或氧化鈷，或錳鈷復合氧化物，在酸性電解質(zhì)溶液中采用鉑。所述的惰性陽極可選用泡沫鎳、多孔石墨、不銹鋼網(wǎng)、碳鋼鍍鉑、碳纖維、泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳或鍍鑭鎳復合氧化物中的任一種制成，用于中性或堿性溶液；或選用多孔石墨、碳鋼鍍鉑、二氧化鉛、碳纖維、鎳網(wǎng)鍍鉑中的任一種制成，用于酸性溶液。
本發(fā)明的制氧方法制氧裝置的空氣陰極按防水膜、集流網(wǎng)、防水膜、催化膜的順序排列壓制而成；所述防水膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～4∶4～6的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合制成；所述集流網(wǎng)采用銅網(wǎng)，或黃銅網(wǎng)，或碳纖維網(wǎng)；所述催化膜由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合而成；所述催化膜中的催化劑在堿性或中性電解質(zhì)溶液中采用錳的氧化物或氧化鈷或錳鈷復合氧化物，在酸性電解質(zhì)溶液中采用鉑；制氧裝置的惰性陽極在中性或堿性溶液中選用泡沫鎳、多孔石墨、不銹鋼網(wǎng)、碳鋼鍍鉑、碳纖維、泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳或鍍鑭鎳復合氧化物中的任一種制成，在酸性溶液選用多孔石墨、碳鋼鍍鉑、二氧化鉛、碳纖維、鎳網(wǎng)鍍鉑中的任一種制成；注入中性、堿性、酸性電解質(zhì)溶液中的任一種，令電解質(zhì)溶液高于空氣陰極；電解槽電壓為0.5～2.5伏；電流密度為800毫安/平方厘米以下；陰極柱和陽極柱接通直流電源，空氣中的氧氣在空氣陰極和惰性陽極上進行反應，即生成氧氣。
所述堿性電解質(zhì)溶液采用氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉堿性水溶液中的任一種。所述中性電解質(zhì)溶液采用硫酸鈉、硫酸鉀、硝酸鉀、硝酸鈉、高氯酸鉀、高氯酸鈉中性水溶液中的任一種。所述酸性電解質(zhì)溶液采用硫酸、硝酸、磷酸溶液中的任一種。
本發(fā)明以空氣為原料，電解槽中注入電解質(zhì)溶液，空氣陰極和惰性陽極上進行化學反應，生成氧氣，并通過氣液排出口經(jīng)多孔氣液分離板和疏水氣液分離膜氣液分離后從氧氣出口提取純氧，分離留下的電解液由帶刻度的回流管流回電解槽。電解槽中的電解液可為堿性、酸性或中性，其空氣陰極中的催化膜由聚四氟乙烯和活性碳混合輥壓而成，催化劑可根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性而選擇不同的組成。
本發(fā)明的制氧方法和裝置使用簡單、方便，在常溫、常壓下可連續(xù)大規(guī)模穩(wěn)定制取氧氣，無需更換催化劑，并可以廣泛使用堿性、酸性和中性等各種電解質(zhì)溶液，特別是使用中性電解質(zhì)溶液，徹底避免了氧氣中夾帶酸霧或堿霧，更加安全。空氣陰極和惰性陽極極化小，不論使用酸性、堿性或中性電解液，電解槽電壓都較低，因此節(jié)省電能。此外，本發(fā)明的制氧裝置成本低廉、壽命長。
下面結(jié)合附圖給出具體實施例進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。


圖1是本發(fā)明的制氧裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的空氣陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
在圖中，1-空氣陰極，2-惰性陽極，3-陰極柱，4-陽極柱，5-注液管，6-回流管，7-氣液排出口，8-多孔氣液分離板，9-疏水氣液分離膜，10-氧氣出口，11-集流網(wǎng)，12-防水膜，13-催化膜。
本發(fā)明的制氧裝置可以串聯(lián)和并聯(lián)，從而提高產(chǎn)氧速度。
如圖1所示，制氧裝置由電解槽和氣液分離器兩部分構(gòu)成，電解槽可以是在殼體兩側(cè)設置空氣陰極1，并且在殼體內(nèi)中間處，與兩側(cè)空氣陰極1平行設置有惰性陽極2。當然，空氣陰極可以是一個也可以是多個，空氣陰極與惰性陽極之間既可以是平行的，也可以是不平行的?？諝怅帢O1和惰性陽極2的間距可為2～20毫米?？諝怅帢O1和惰性陽極2分別設有陰極柱3和陽極柱4，并引出殼體。殼體上還設有帶密封蓋的注液管5；氣液分離器與電解槽殼體可以制作成一體，兩者以氣液排出口7為界，氣液分離器包括多孔氣液分離板8和疏水氣液分離膜9，以及設置在其頂部的氧氣出口10。在電解槽和氣液分離器之間還設有帶刻度的回流管6，經(jīng)分離后留下的電解液由回流管6流回電解槽中。上述的多孔氣液分離板8由ABS塑料、橡塑材料、橡膠、金屬材料中的任一種制作而成；疏水氣液分離膜9由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％的碳酸銨或脲素混合輥壓成膜，再在100℃～400℃恒溫熱處理4小時制成。
上述氣液分離器中的多孔氣液分離板和疏水氣液分離膜也可采用多孔泡沫層，其厚度以3～20毫米為宜，所述多孔泡沫層通常由ABS塑料、橡塑材料、橡膠、金屬材料中的任一種制作而成。
如圖2所示，空氣陰極1是按防水膜12、集流網(wǎng)11、防水膜12、催化膜13的順序排列壓制而成，其中防水膜12由聚四氟乙烯和乙炔黑按4～6∶6～4的比例，外加30％的碳酸銨或脲素混合輥壓而成膜后，經(jīng)100℃～400℃恒溫加熱4小時而成。
電化學空氣陰極制氧方法是以空氣為原料，在如圖1所示的裝置中進行，當裝置上的空氣陰極1和惰性陽極2分別通過陰極柱3和惰性陽極柱4接通直流電源后，空氣在電解質(zhì)溶液中的空氣陰極1和惰性陽極2上進行反應，生成氧氣。其中的電解質(zhì)溶液可使用酸性或堿性或中性電解質(zhì)溶液，即可選用硫酸、硝酸、磷酸、磺酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉、硫酸鉀、硫酸鈉、高氯酸鉀、高氯酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈉中的任一種溶液。組成空氣陰極1之一的催化膜13由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合輥壓而成，其中的催化劑在堿性或中性電解質(zhì)溶液中采用錳的氧化物或鈷氧化物或錳鈷復合氧化物；在酸性電解質(zhì)溶液中采用鉑催化劑。在堿性和中性電解質(zhì)溶液中，惰性陽極可選用泡沫鎳、多孔石墨、不銹鋼網(wǎng)、碳鋼鍍鉑、碳纖維、泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳或鍍鑭鎳復合氧化物中的任一種；在酸性電解液中惰性陽極選用多孔石墨、碳鋼鍍鉑、碳纖維、鎳網(wǎng)鍍鉑和二氧化鉛中的任一種。
在不同電解質(zhì)溶液中，空氣陰極和惰性陽極反應如下在酸性溶液中陰極上
陽極上在堿性溶液中陰極上陽極上實施例1使用圖1所示的電化學制氧裝置，空氣陰極和惰性陽極面積各100平方厘米，惰性陽極材料為鎳網(wǎng)鍍鉑，電解槽中注入35％的硫酸電解液，令電解液沒過空氣陰極1，陰極柱和陽極柱分別接通直流電源的負極和正極，工作電流調(diào)到2安培，產(chǎn)氧速度7毫升/分(注CN1136090A公開的“電化學陰極制氧方法及其生氧盒”的實例中示出的“限流2安培工作……理論產(chǎn)氧量為19.9毫升/分(35℃)，”這些數(shù)據(jù)是錯誤的，2安培電流工作，理論產(chǎn)氧量應為6.97毫升/分。)，槽電壓0.8～0.9伏、消耗功率≤1.8瓦、制取1升氧氣耗電能0.0043度。工作電流調(diào)到4安培、6安培，產(chǎn)氧速度分別為14毫升/分、21毫升/分。
實施例2使用圖1所示的電化學制氧裝置，空氣陰極和惰性陽極面積各為100平方厘米，惰性陽極材料為泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳，電解槽中注入6N氫氧化鈉電解液，陰極柱和陽極柱分別接通直流電源的負極和正極，電流調(diào)到2安培。產(chǎn)氧速度7毫升/分，槽電壓0.95～1.1伏、消耗功率≤2.2瓦、制取1升氧氣耗電能0.0052度。
實施例3使用圖1所示的電化學制氧裝置，將三個電化學制氧裝置串聯(lián)，每個制氧裝置的空氣陰極和惰性陽極面積各100平方厘米，惰性陽極材料為泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳，電解槽中注入30％濃度的碳酸鉀電解液，接通直流電源，電流調(diào)到2安培，總產(chǎn)氧速度為21毫升/分，總槽電壓2.85～3.3伏、消耗功率≤6.6瓦，制取1升氧氣耗電能0.0052度。
實施例4使用圖1所示的電化學制氧裝置，空氣陰極和惰性陽極面積各100平方厘米，惰性陽極材料為泡沫鎳，電解槽中注入1N硫酸鈉電解液，陰極柱和陽極柱分別接通直流電源的負極和正極，電流調(diào)到2安培，產(chǎn)氧速度7毫升/分，槽電壓1.1～1.2伏、消耗功率≤2.4瓦，制取1升氧氣耗電能0.0057度。
權(quán)利要求
1.一種電化學空氣陰極制氧裝置，電解槽殼體上設置有空氣陰極，電解槽內(nèi)設置有惰性陽極，空氣陰極和惰性陽極分別設有陰極柱和陽極柱，并引出殼體，其特征在于，所述的電解槽上部設置有氣液分離器，所述氣液分離器由多孔氣液分離板、疏水氣液分離膜和氧氣出口構(gòu)成；電解槽與氣液分離器之間設置有回流管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學空氣陰極制氧裝置，其特征在于，所述多孔氣液分離板和疏水氣液分離膜采用多孔泡沫層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學空氣陰極制氧裝置，其特征在于，所述疏水氣液分離膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學空氣陰極制氧裝置，其特征在于，所述的多孔氣液分離板由多孔ABS塑料板、橡塑材料、橡膠、金屬材料中的任一種制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學空氣陰極制氧裝置，其特征在于，所述的空氣陰極是按防水膜、集流網(wǎng)、防水膜、催化膜的順序排列構(gòu)成；所述防水膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～4∶4～6的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合而成；所述集流網(wǎng)采用銅網(wǎng)，或黃銅網(wǎng)，或碳纖維網(wǎng)；所述催化膜由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合而成；所述催化膜中的催化劑在堿性或中性電解質(zhì)溶液中采用錳的氧化物，或氧化鈷，或錳鈷復合氧化物，在酸性電解質(zhì)溶液中采用鉑。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學空氣陰極制氧裝置，其特征在于，所述的惰性陽極可選用泡沫鎳、多孔石墨、不銹鋼網(wǎng)、碳鋼鍍鉑、碳纖維、泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳或鍍鑭鎳復合氧化物中的任一種制成，用于中性或堿性溶液；或選用多孔石墨、碳鋼鍍鉑、二氧化鉛、碳纖維、鎳網(wǎng)鍍鉑中的任一種制成，用于酸性溶液。
7.一種用權(quán)利要求1所述裝置的電化學空氣陰極制氧方法，其特征在于，制氧裝置的空氣陰極按防水膜、集流網(wǎng)、防水膜、催化膜的順序排列壓制而成；所述防水膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～4∶4～6的比例，外加30％碳酸銨或脲素混合制成；所述集流網(wǎng)采用銅網(wǎng)，或黃銅網(wǎng)，或碳纖維網(wǎng)；所述催化膜由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合而成；所述催化膜中的催化劑在堿性或中性電解質(zhì)溶液中采用錳的氧化物或氧化鈷或錳鈷復合氧化物，在酸性電解質(zhì)溶液中采用鉑；制氧裝置的惰性陽極在中性或堿性溶液中選用泡沫鎳、多孔石墨、不銹鋼網(wǎng)、碳鋼鍍鉑、碳纖維、泡沫鎳鍍氫氧化亞鎳或鍍鑭鎳復合氧化物中的任一種制成，在酸性溶液中選用多孔石墨、碳鋼鍍鉑、二氧化鉛、碳纖維、鎳網(wǎng)鍍鉑中的任一種制成；注入中性、堿性、酸性電解質(zhì)溶液中的任一種，令電解質(zhì)溶液高于空氣陰極；電解槽電壓為0.5～2.5伏；電流密度為800毫安/平方厘米以下；陰極柱和陽極柱接通直流電源，空氣中的氧氣在空氣陰極和惰性陽極上進行反應，即生成氧氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學空氣陰極制氧方法，其特征在于，所述堿性電解質(zhì)溶液采用氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉堿性水溶液中的任一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學空氣陰極制氧方法，其特征在于，所述中性電解質(zhì)溶液采用硫酸鈉、硫酸鉀、硝酸鉀、硝酸鈉、高氯酸鉀、高氯酸鈉中性水溶液中的任一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學空氣陰極制氧方法，其特征在于，所述酸性電解質(zhì)溶液采用硫酸、硝酸、磷酸溶液中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學空氣陰極制氧裝置及其方法,空氣陰極和惰性陽極在酸性或堿性或中性電解液中反應生成氧氣,并經(jīng)多孔氣液分離板和疏水氣液分離膜氣液分離后提取純氧,分離后留下的電解液經(jīng)回流管返回電解槽。空氣陰極中的催化膜由聚四氟乙烯和活性碳混合壓輥而成,催化劑根據(jù)電解液的酸堿性而選擇。此裝置與方法簡單方便,在常溫常壓下連續(xù)大規(guī)模制氧,不需要更換催化劑,制氧安全省電,且氧氣純,徹底避免了氧氣中帶有酸霧或堿霧的缺點。
文檔編號C25B1/00GK1249361SQ9911955
公開日2000年4月5日 申請日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月3日
發(fā)明者李振亞, 劉稚蕙, 陳艷英 申請人:李振亞