专利名称：氮气电化学发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电解装置，特别是用于分离空气中氮气的电化学分离装置。
背景技术：
目前，公知的氮气电化学发生器，大多采用电化学法分离空气中氧氮制取氮气， 电解分离池阴、阳两极由导电金属和催化剂组成。碱性溶液作电解液，两极电化 学反应阴极反应02 + 2H20 + 4 e- — 40H-， OH—在电场的作用下穿过特制的 隔膜，在阳极失去电子释放出氧气；阳极反应40H— - 4e—— 2 H20+ 02。
依据法拉第定律，当电流通过电解质溶液时溶解和析出的物质量与通过的电量 成正比，因此在一定时间内，有多少电流通过电解分离池就对应有多少氧气被分离。 电解分离池刚开始加电解电流时，电解分离池中氧气浓度最高，电解电流最大，此 时的电解电流称为最大电解电流，分离氧气的量称为最大分离氧气量。最大电解电 流越大电解分离池最大分离氧气的能力就越强。空气中氧气约占20%氮气约占79%, 通过测量电解分离池的电解电流就能换算出分离氧气量，也就能换算出制取氮气的 量》
最大电解电流由电解分离池中电解液电导和催化剂活性决定，电解液电导减小 和催化剂活性减弱引起最大电解电流减小，电解分离池最大分离氧气的能力就减弱。 当输入的空气中含氧气量超过电解分离池最大分离氧气量或电解分离池最大电解电 流减小(即最大分离氧气能力下降)时，采用一个电解分离池就无法分离完输入空 气中的所有氧气，也不能从电解电流指示中知道氧气是否分离完及氧气的具体含量， 如外加一个昂贵的含氧气量指示仪器，成本会增高操作也不方便，也无法分离完剩 余的氧气。未分离完氧气随制取的氮气一起输出，输出的氮气中含氧气量就会很高， 达不到高纯氮气中相应的氧气含量要求，如用含氧气量很高的氮气作气相色谱载气， 色谱柱寿命会大大縮短。
例如中国专利申请号92223052.8、 93115931.8采用一个电解分离池，阴、阳 两极由导电金属和催化剂组成，直接分离空气中氧气制取氮气，当输入的空气中含 氧气量超过电解分离池最大分离氧气量时，制取的氮气中含氧气量就会很高。当采
3用K0H等碱性溶液作电解液时，易与空气中C01、C02等含碳化合物生成碳酸根离子， 降低了电解液电导和最大电解电流。如果电解分离池的温度降低，电解分离池中电 解液电导、阴阳两极催化剂活性也降低，通过电解分离池的最大电解电流也减小。 由于电解分离池分离氧气量的变化、电解液电导变化、环境温度变化都会引起最大 电解电流变化，那么制取的氮气中氧气含量也在变化，达不到相应的氧气含量要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种氮气电化学发生器，以提高制取的产品氮气的纯度。
本新型的目的是这样实现的 一种氮气电化学发生器，包括电解分离池，主要 由电解电源、阳极和阴极以及设置在阳极和阴极之间的微孔隔膜组成，阳极和阴极 由导电金属和催化剂组成；还具有恒温加热器，恒温加热器设置在电解分离池的电 解液之中或者在电解分离池的阳极和/或阴极的邻近处位置。
上述电解分离池为结构相同的两个，第一电解分离池的气体输出管路连通第二 电解分离池的气体输入管路。
为了克服现有的氮气电化学发生器采用一个电解分离池分离空气中氧气制取氮 气；制取氮气中氧气含量受空气中的C(X、 C02和环境温度影响不稳定，制取的氮气中 氧气具体含量无法知道，制取的氮气中氧气含量高等问题。
本实用新型采用一个或两个串联的恒温电解分离池，消除了环境温度对电解液 电导和催化剂活性的影响，有效提高了产品氮气的纯度。采用两个串联的电解分离 池时，该电化学装置制取的氮气含氧气量为零，当输入的空气中含氧气量超过两个 电解分离池最大分离氧气量之和时，指示输出的氮气含氧气量大于零；在电解液电 导(即电解分离池的最大分离氧气量)降低时，提示更换新的电解液来保持电解分 离池最大分离氧气的能力。
具体来说，本实用新型在发生器中采用的电解分离池，其阳极和阴极用电解分 离池绝缘密封圈密封，在电解分离池的阳极和阴极之间用微孔隔膜将气和电解液隔 开。电解液通过阳极，空气或氮气氧气通过阴极分离氧气。电解电源负极金属连接 线一端连接电解分离池阴极，另一端连接电解电源和电解电流指示装置负电源端。 电解电源正极金属连接线一端连接电解分离池阳极，另一端连接电解电源和电解电 流指示装置正电源端。在发生器中采用了性能相同的两个电解分离池，第一个电解分离池气体输出接 第二个电解分离池气体的输入，空气从第一个电解分离池的入口输入，氮气从第二 个电解分离池输出。
用第一个电解分离池的电解电流指示装置指示输出氮气的流量，第二个电解分 离池的电解电流指示装置指示输出氮气中的含氧气量。当第一个电解分离池的电解 电流指示装置指示的最大电解电流小于电解液首次使用最大电解电流的O. 9倍时，或 第二电解池电解电流大于电解液首次使用的电解电流l. l倍时，指示第一电解池的电 解液电导减小，需要更换新的电解液来保持第一电解分离池的最大电解电流。当第 二个电解分离池的电解电流指示装置指示的电解电流小于电解液首次使用最大电解 电流的0.9倍时，指示第二电解池电解液电导减小，需要更换新的电解液来保持第二 电解分离池的最大电解电流。
用恒温加热器对第一、第二电解分离池电解液直接加热至温度为2(TC 9(rC， 还可以用恒温加热器对第一、第二电解分离池的阴极或阳极加热间接加热电解液至 温度为20。C 9(TC，那么阳极和阴极之间催化剂的温度也在20。C 9(rC，这样可增 加电解液电导和催化剂的活性，提高电解分离池的最大电解电流。电解液温度高于 9(TC时，电解液的蒸发速度和消耗加快，对电解分离池绝缘密封圈及整个电解分离 池的耐温、耐碱腐蚀要求提高，提高了制造成本，综合考虑电解液温度以2(TC 90
r为最佳。
本实用新型的有益效果是
1、 本装置制造成本低、操作方便。
2、 电解反应在恒温条件下进行，有利于增大电解液电导和保持催化剂活性，提 高电解池效率，更能有效提高产品氮气的纯度。
采用串联在一起的两个电解分离池，二次分离空气中氧氮，制取的氮气中氧气 含量为零，低于一次分离制取的氮气中氧气含量；当采用KOH等碱性溶液作电解液时， 与空气中C(X、C02等含碳化合物生成碳酸根离子，降低了电解液电导和最大电解电流， 本实用新型能指示电解液电导的变化，及时提醒更换新的电解液，保持电解分离池 最大分离氧气的能力；能在低温环境下保持电解分离池的温度，增加电解分离池中 电解液的电导，提高催化剂的活性，提高电解分离池最大分离氧气能力，提高了产 品氮气的纯度。
53、便于利用电解电流来指示电解液的电导以及指示电解产物氮气的纯度状况 (具体阐述见第五部分)。
图1是本实用新型第一个实施例的结构图； 图2是本实用新型第二个实施例的结构图； 图3是本实用新型第三个实施例的结构图； 图4是本实用新型第四个实施例的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图中1、(电解分离池)阳极；la、板式阳极；2、(电解分离池)阴极；2a、 板式阴极；3、(电解分离池中)微孔隔膜；4、(电解分离池)绝缘密封圈；5、恒温 加热器；6、电解电源负极金属连接线；7、电解电源正极金属连接线；8、电解电源 和电解电流大小指示装置；9、电解液；10、进入电解分离池的空气；11、经第一电 解分离池分离氧气后剩下的氮气和微量氧气；12、经第二电解分离池分离微量氧气 后剩下的高纯氮气；13、电解分离池分离的氧气；14、(板式电解分离池储存)电解 液容器；15、(板式电解分离池的)导液管路；16、(板式电解分离池的)导液管路； 17、连接两个独立电解分离池的气路管；18、第一电解分离池；18a、第一电解分离 池；19、第二电解分离池；19a、第二电解分离池。
参见图3，本新型包括电解分离池，主要由电解电源8、阳极1和阴极2以及设 置在阳极和阴极之间的微孔隔膜3所组成，恒温加热器5设置在电解分离池的电解 液之中或者在电解分离池的阳极1和/或阴极2的邻近处位置。电解分离池的阳极1 和阴极2之间设置有绝缘密封圈4。还具有电流大小指示装置，电解电流大小指示 装置设置在电解电源的供电回路之中。特别地，电解分离池为结构相同的两个，第 一电解分离池18的气体输出管路连通第二电解分离池19的气体输入管路。
参见图1图2，第一、第二电解分离池18、 19的结构为作为阳极的圆柱内桶 沿同一轴线设置在作为阴极的圆柱外桶内，二者之间设置有微孔隔膜(图1中，恒 温加热器设置在靠近阴极和/或阳极位置，图2中，恒温加热器设置在内桶电解液之 中)。参见图3图4，第一、第二电解分离池18a、 19a的结构为板式阳极la和板 式阴极2a分别设置在池体的顶部和底部，电解液容器14设置在池体上方，且经导液管路15、 16与池体连通(图3中，恒温电加热器设置在靠近阴极和/或阳极位置， 图4中，恒温加热器设置在电解液容器14内的电解液之中)。
在图1所示实施例中，是由第一圆柱桶型电解分离池与第二圆柱桶型电解分离 池串接组成，用恒温加热器对第一圆柱桶型电解分离池、第二圆柱桶型电解分离池 电解液直接加热至温度为20°C 90°C (即电解温度、下同)，还可以用恒温加热器 对第一圆柱桶型电解分离池、第二电解分离池的阴极或阳极加热，间接加热电解液 至温度为2(TC 9(TC，那么微孔隔膜和催化剂的温度也在2(TC 9(rC内，这样可增
加电解液电导、微孔隔膜和催化剂的活性，提高电解分离池的最大电解电流和分离 氧气的效率。
第一个电解分离池的电解电流指示装置指示分离了空气中多少氧气，由于空气 中氧气约占20%氮气约占79%比例基本恒定，就可换算成制取了多少氮气；第二个电 解分离池的电解电流指示装置指示的电解电流与第一个电解分离池输出的氮气中含 微量氧大小成正比；当第二个电解分离池的电解电流指示装置指示的电解电流小于 第一个电解分离池的电解电流指示装置指示的电解电流，理论上第二个电解分离池 制取的氮气含氧量为零。
当第二个电解分离池的电解电流大于或等于第一个电解分离池的电解电流时， 第二个电解分离池制取的氮气中含氧气量大于零。
在输入到第一个电解分离池空气流量与第一、第二电解分离池电解液首次使用 相同的情况下；当第一个电解分离池的电解电流指示装置指示的最大电解电流小于 电解液首次使用最大电解电流的0. 9倍时，或第二电解池电解电流大于电解液首次 使用的电解电流l.l倍时，指示第一电解池的电解液电导减小，需要更换新的电解 液来保持第一电解分离池的最大电解电流。当第二个电解分离池的电解电流指示装 置指示的电解电流小于电解液首次使用最大电解电流的0.9倍时，指示第二电解池 电解液电导减小，需要更换新的电解液来保持第二电解分离池的最大电解电流。
概括而言，本装置由两个性能相同的电解分离池串联，第一个电解分离池气体 输出接第二个电解分离池气体的输入，空气输入第一个电解分离池的入口，氮气从 第二个电解分离池输出。用恒温加热器直接或间接加热第一、第二电解分离池的电 解液。第一个电解分离池的电解电流指示装置指示输出氮气的流量，第二个电解分 离池的电解电流指示装置指示输出氮气中的含氧气量。第一个电解分离池的电解电流指示装置指示的电解电流减小，或第二个电解分离池的电解电流指示装置指示的 电解电流增大时，指示第一电解池电解液电导减小，需要更换电解液来保持电解分 离池的最大电解电流。当第二个电解分离池的电解电流指示装置指示的最大电解电 流减小时，指示第二电解池电解液电导减小，需要更换电解液来保持电解分离池的 最大电解电流。该发生器制取的氮气氧含量为零，非常适合作气相色谱载气和要求 高纯氮气的场所。
权利要求1、一种氮气电化学发生器，包括，电解分离池主要由电解电源(8)、阳极(1)和阴极(2)以及设置在阳极和阴极之间的微孔隔膜(3)所组成，其中阳极和阴极由导电金属和催化剂组成，其特征是还具有恒温加热器(5)，恒温加热器设置在电解分离池的电解液之中或者在电解分离池的阳极(1)和/或阴极(2)的邻近处位置。
2、 根据权利要求1所说氮气电化学发生器，其特征是所述电解液的电解温度为2(TC 90。C。
3、 根据权利要求1或2所述氮气电化学发生器，其特征是所述电解分离 池的阳极(1)和阴极(2)之间设置有绝缘密封圈(4)。
4、 根据权利要求3所述氮气电化学发生器，其特征是还具有电解电流大 小指示装置，电解电流大小指示装置设置在电解电源的供电回路之中。
5、 根据权利要求4所述氮气电化学发生器，其特征是所述电解分离池为结构相同的两个，第一电解分离池(18)的气体输出管路连通第二电解分离池(19) 的气体输入管路。
6、 根据权利要求5所述氮气电化学发生器，其特征是所述第一、第二电解分离池(18、 19)的结构为作为阳极的圆柱内桶沿同一轴线设置在作为阴极的圆柱外桶内，二者之间设置有微孔隔膜(3)。
7、 根据权利要求5所述氮气电化学发生器，其特征是所述第一、第二电解分离池(18a、 19a)的结构为板式阳极(la)和板式阴极(2a)分别设置在 池体的顶部和底部，电解液容器(14)设置在池体上方，且经导液管路(15、 16) 与池体连通。
8、 根据权利要求7所述氮气电化学发生器，其特征是所述恒温加热器(5) 设置在电解液容器(14)内的电解液(9)中。
专利摘要一种氮气电化学发生器，包括电解分离池，主要由电解电源、阳极和阴极以及设置在阳极和阴极之间的微孔隔膜和催化剂所组成，其中阳极和阴极由导电金属和催化剂组成；恒温加热器设置在电解分离池的电解液之中或者在电解分离池的阳极和/或阴极的邻接处位置。本装置在恒温条件下进行电解制氮，具有制造成本低、操作方便、产品纯度高的特点。
文档编号C01B21/00GK201343571SQ20092007901
公开日2009年11月11日 申请日期2009年2月12日 优先权日2009年2月12日
发明者张辉友, 张雅勤 申请人:成都知本科技开发有限责任公司