专利名称：电化学空气阴极制氧装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学空气阴极制氧装置及其方法。
在传统的制氧方法中，有空气压缩制氧法，通过催化剂选择吸附而分离氧，但其催化剂极易失效。有采用含氧化合物分解制氧法，但制氧量有限。还有电解水制氧法，需分离氧气和氢气，极不安全。中国专利申请公开号CN1085607A公开了“电化学双极制氧方法和装置”，公开号CN1136090A公开了“电化学氧阴极制氧方法及其生氧盒”，上述文献公开了以空气为原料的电化学制氧方法，该方法避免了传统制氧存在的不足，但是前者在制氧过程中夹杂有少量的过氧化氢，这对人体是有害的；后者在制氧中使用7N的KOH高浓度强碱溶液，而生氧盒中只有一个气液分离膜，使制得的氧气会夹杂有少量“碱雾”，这对人体也是有害的。此外，两者均不能使用弱碱性、中性和酸性电解质溶液；另外，上诉文献使用只使用铂、银作催化剂，不仅价格高而且极易催化剂“中毒”而导致失效。
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种制氧简单、应用范围广、安全可靠、成本低廉、寿命长、氧纯度高的电化学空气阴极制氧装置及其方法。
本发明的技术方案概述如下。
本发明的制氧装置电解槽壳体上设置有空气阴极，电解槽内设置有惰性阳极，空气阴极和惰性阳极分别设有阴极柱和阳极柱，并引出壳体，所述的电解槽上部设置有气液分离器，所述气液分离器由多孔气液分离板、疏水气液分离膜和氧气出口构成；电解槽与气液分离器之间设置有回流管。
所述多孔气液分离板和疏水气液分离膜采用多孔泡沫层。所述疏水气液分离膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％碳酸铵或脲素混合制成。所述的多孔气液分离板由多孔ABS塑料板、橡塑材料、橡胶、金属材料中的任一种制成。所述的空气阴极是按防水膜、集流网、防水膜、催化膜的顺序排列构成；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％碳酸铵或脲素混合而成；所述集流网采用铜网，或黄铜网，或碳纤维网；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剂在碱性或中性电解质溶液中采用锰的氧化物，或氧化钴，或锰钴复合氧化物，在酸性电解质溶液中采用铂。所述的惰性阳极可选用泡沫镍、多孔石墨、不锈钢网、碳钢镀铂、碳纤维、泡沫镍镀氢氧化亚镍或镀镧镍复合氧化物中的任一种制成，用于中性或碱性溶液；或选用多孔石墨、碳钢镀铂、二氧化铅、碳纤维、镍网镀铂中的任一种制成，用于酸性溶液。
本发明的制氧方法制氧装置的空气阴极按防水膜、集流网、防水膜、催化膜的顺序排列压制而成；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％碳酸铵或脲素混合制成；所述集流网采用铜网，或黄铜网，或碳纤维网；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剂在碱性或中性电解质溶液中采用锰的氧化物或氧化钴或锰钴复合氧化物，在酸性电解质溶液中采用铂；制氧装置的惰性阳极在中性或碱性溶液中选用泡沫镍、多孔石墨、不锈钢网、碳钢镀铂、碳纤维、泡沫镍镀氢氧化亚镍或镀镧镍复合氧化物中的任一种制成，在酸性溶液选用多孔石墨、碳钢镀铂、二氧化铅、碳纤维、镍网镀铂中的任一种制成；注入中性、碱性、酸性电解质溶液中的任一种，令电解质溶液高于空气阴极；电解槽电压为0.5～2.5伏；电流密度为800毫安/平方厘米以下；阴极柱和阳极柱接通直流电源，空气中的氧气在空气阴极和惰性阳极上进行反应，即生成氧气。
所述碱性电解质溶液采用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钾、碳酸氢钠碱性水溶液中的任一种。所述中性电解质溶液采用硫酸钠、硫酸钾、硝酸钾、硝酸钠、高氯酸钾、高氯酸钠中性水溶液中的任一种。所述酸性电解质溶液采用硫酸、硝酸、磷酸溶液中的任一种。
本发明以空气为原料，电解槽中注入电解质溶液，空气阴极和惰性阳极上进行化学反应，生成氧气，并通过气液排出口经多孔气液分离板和疏水气液分离膜气液分离后从氧气出口提取纯氧，分离留下的电解液由带刻度的回流管流回电解槽。电解槽中的电解液可为碱性、酸性或中性，其空气阴极中的催化膜由聚四氟乙烯和活性碳混合辊压而成，催化剂可根据电解质溶液的酸碱性而选择不同的组成。
本发明的制氧方法和装置使用简单、方便，在常温、常压下可连续大规模稳定制取氧气，无需更换催化剂，并可以广泛使用碱性、酸性和中性等各种电解质溶液，特别是使用中性电解质溶液，彻底避免了氧气中夹带酸雾或碱雾，更加安全。空气阴极和惰性阳极极化小，不论使用酸性、碱性或中性电解液，电解槽电压都较低，因此节省电能。此外，本发明的制氧装置成本低廉、寿命长。
下面结合附图给出具体实施例进一步说明本发明是如何实现的。
图1是本发明的制氧装置的整体结构示意图；图2是本发明的空气阴极结构示意图。
在图中，1-空气阴极，2-惰性阳极，3-阴极柱，4-阳极柱，5-注液管，6-回流管，7-气液排出口，8-多孔气液分离板，9-疏水气液分离膜，10-氧气出口，11-集流网，12-防水膜，13-催化膜。
本发明的制氧装置可以串联和并联，从而提高产氧速度。
如图1所示，制氧装置由电解槽和气液分离器两部分构成，电解槽可以是在壳体两侧设置空气阴极1，并且在壳体内中间处，与两侧空气阴极1平行设置有惰性阳极2。当然，空气阴极可以是一个也可以是多个，空气阴极与惰性阳极之间既可以是平行的，也可以是不平行的。空气阴极1和惰性阳极2的间距可为2～20毫米。空气阴极1和惰性阳极2分别设有阴极柱3和阳极柱4，并引出壳体。壳体上还设有带密封盖的注液管5；气液分离器与电解槽壳体可以制作成一体，两者以气液排出口7为界，气液分离器包括多孔气液分离板8和疏水气液分离膜9，以及设置在其顶部的氧气出口10。在电解槽和气液分离器之间还设有带刻度的回流管6，经分离后留下的电解液由回流管6流回电解槽中。上述的多孔气液分离板8由ABS塑料、橡塑材料、橡胶、金属材料中的任一种制作而成；疏水气液分离膜9由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％的碳酸铵或脲素混合辊压成膜，再在100℃～400℃恒温热处理4小时制成。
上述气液分离器中的多孔气液分离板和疏水气液分离膜也可采用多孔泡沫层，其厚度以3～20毫米为宜，所述多孔泡沫层通常由ABS塑料、橡塑材料、橡胶、金属材料中的任一种制作而成。
如图2所示，空气阴极1是按防水膜12、集流网11、防水膜12、催化膜13的顺序排列压制而成，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％的碳酸铵或脲素混合辊压而成膜后，经100℃～400℃恒温加热4小时而成。
电化学空气阴极制氧方法是以空气为原料，在如图1所示的装置中进行，当装置上的空气阴极1和惰性阳极2分别通过阴极柱3和惰性阳极柱4接通直流电源后，空气在电解质溶液中的空气阴极1和惰性阳极2上进行反应，生成氧气。其中的电解质溶液可使用酸性或碱性或中性电解质溶液，即可选用硫酸、硝酸、磷酸、磺酸、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钾、碳酸氢钠、硫酸钾、硫酸钠、高氯酸钾、高氯酸钠、硝酸钾、硝酸钠中的任一种溶液。组成空气阴极1之一的催化膜13由聚四氟乙烯和活性碳按5～25∶95～75的比例混合辊压而成，其中的催化剂在碱性或中性电解质溶液中采用锰的氧化物或钴氧化物或锰钴复合氧化物；在酸性电解质溶液中采用铂催化剂。在碱性和中性电解质溶液中，惰性阳极可选用泡沫镍、多孔石墨、不锈钢网、碳钢镀铂、碳纤维、泡沫镍镀氢氧化亚镍或镀镧镍复合氧化物中的任一种；在酸性电解液中惰性阳极选用多孔石墨、碳钢镀铂、碳纤维、镍网镀铂和二氧化铅中的任一种。
在不同电解质溶液中，空气阴极和惰性阳极反应如下在酸性溶液中阴极上
阳极上在碱性溶液中阴极上阳极上实施例1使用图1所示的电化学制氧装置，空气阴极和惰性阳极面积各100平方厘米，惰性阳极材料为镍网镀铂，电解槽中注入35％的硫酸电解液，令电解液没过空气阴极1，阴极柱和阳极柱分别接通直流电源的负极和正极，工作电流调到2安培，产氧速度7毫升/分(注CN1136090A公开的“电化学阴极制氧方法及其生氧盒”的实例中示出的“限流2安培工作……理论产氧量为19.9毫升/分(35℃)，”这些数据是错误的，2安培电流工作，理论产氧量应为6.97毫升/分。)，槽电压0.8～0.9伏、消耗功率≤1.8瓦、制取1升氧气耗电能0.0043度。工作电流调到4安培、6安培，产氧速度分别为14毫升/分、21毫升/分。
实施例2使用图1所示的电化学制氧装置，空气阴极和惰性阳极面积各为100平方厘米，惰性阳极材料为泡沫镍镀氢氧化亚镍，电解槽中注入6N氢氧化钠电解液，阴极柱和阳极柱分别接通直流电源的负极和正极，电流调到2安培。产氧速度7毫升/分，槽电压0.95～1.1伏、消耗功率≤2.2瓦、制取1升氧气耗电能0.0052度。
实施例3使用图1所示的电化学制氧装置，将三个电化学制氧装置串联，每个制氧装置的空气阴极和惰性阳极面积各100平方厘米，惰性阳极材料为泡沫镍镀氢氧化亚镍，电解槽中注入30％浓度的碳酸钾电解液，接通直流电源，电流调到2安培，总产氧速度为21毫升/分，总槽电压2.85～3.3伏、消耗功率≤6.6瓦，制取1升氧气耗电能0.0052度。
实施例4使用图1所示的电化学制氧装置，空气阴极和惰性阳极面积各100平方厘米，惰性阳极材料为泡沫镍，电解槽中注入1N硫酸钠电解液，阴极柱和阳极柱分别接通直流电源的负极和正极，电流调到2安培，产氧速度7毫升/分，槽电压1.1～1.2伏、消耗功率≤2.4瓦，制取1升氧气耗电能0.0057度。
权利要求
1.一种电化学空气阴极制氧装置，电解槽壳体上设置有空气阴极，电解槽内设置有惰性阳极，空气阴极和惰性阳极分别设有阴极柱和阳极柱，并引出壳体，其特征在于，所述的电解槽上部设置有气液分离器，所述气液分离器由多孔气液分离板、疏水气液分离膜和氧气出口构成；电解槽与气液分离器之间设置有回流管。
2.根据权利要求1所述的电化学空气阴极制氧装置，其特征在于，所述多孔气液分离板和疏水气液分离膜采用多孔泡沫层。
3.根据权利要求1所述的电化学空气阴极制氧装置，其特征在于，所述疏水气液分离膜由聚四氟乙烯和乙炔黑按6～8∶4～2的比例，外加30％碳酸铵或脲素混合制成。
4.根据权利要求1所述的电化学空气阴极制氧装置，其特征在于，所述的多孔气液分离板由多孔ABS塑料板、橡塑材料、橡胶、金属材料中的任一种制成。
5.根据权利要求1所述的电化学空气阴极制氧装置，其特征在于，所述的空气阴极是按防水膜、集流网、防水膜、催化膜的顺序排列构成；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％碳酸铵或脲素混合而成；所述集流网采用铜网，或黄铜网，或碳纤维网；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剂在碱性或中性电解质溶液中采用锰的氧化物，或氧化钴，或锰钴复合氧化物，在酸性电解质溶液中采用铂。
6.据权利要求1所述的电化学空气阴极制氧装置，其特征在于，所述的惰性阳极可选用泡沫镍、多孔石墨、不锈钢网、碳钢镀铂、碳纤维、泡沫镍镀氢氧化亚镍或镀镧镍复合氧化物中的任一种制成，用于中性或碱性溶液；或选用多孔石墨、碳钢镀铂、二氧化铅、碳纤维、镍网镀铂中的任一种制成，用于酸性溶液。
7.一种用权利要求1所述装置的电化学空气阴极制氧方法，其特征在于，制氧装置的空气阴极按防水膜、集流网、防水膜、催化膜的顺序排列压制而成；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％碳酸铵或脲素混合制成；所述集流网采用铜网，或黄铜网，或碳纤维网；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剂在碱性或中性电解质溶液中采用锰的氧化物或氧化钴或锰钴复合氧化物，在酸性电解质溶液中采用铂；制氧装置的惰性阳极在中性或碱性溶液中选用泡沫镍、多孔石墨、不锈钢网、碳钢镀铂、碳纤维、泡沫镍镀氢氧化亚镍或镀镧镍复合氧化物中的任一种制成，在酸性溶液中选用多孔石墨、碳钢镀铂、二氧化铅、碳纤维、镍网镀铂中的任一种制成；注入中性、碱性、酸性电解质溶液中的任一种，令电解质溶液高于空气阴极；电解槽电压为0.5～2.5伏；电流密度为800毫安/平方厘米以下；阴极柱和阳极柱接通直流电源，空气中的氧气在空气阴极和惰性阳极上进行反应，即生成氧气。
8.根据权利要求7所述的电化学空气阴极制氧方法，其特征在于，所述碱性电解质溶液采用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钾、碳酸氢钠碱性水溶液中的任一种。
9.根据权利要求7所述的电化学空气阴极制氧方法，其特征在于，所述中性电解质溶液采用硫酸钠、硫酸钾、硝酸钾、硝酸钠、高氯酸钾、高氯酸钠中性水溶液中的任一种。
10.根据权利要求7所述的电化学空气阴极制氧方法，其特征在于，所述酸性电解质溶液采用硫酸、硝酸、磷酸溶液中的任一种。
全文摘要
本发明公开了一种电化学空气阴极制氧装置及其方法,空气阴极和惰性阳极在酸性或碱性或中性电解液中反应生成氧气,并经多孔气液分离板和疏水气液分离膜气液分离后提取纯氧,分离后留下的电解液经回流管返回电解槽。空气阴极中的催化膜由聚四氟乙烯和活性碳混合压辊而成,催化剂根据电解液的酸碱性而选择。此装置与方法简单方便,在常温常压下连续大规模制氧,不需要更换催化剂,制氧安全省电,且氧气纯,彻底避免了氧气中带有酸雾或碱雾的缺点。
文档编号C25B1/00GK1249361SQ9911955
公开日2000年4月5日 申请日期1999年9月3日 优先权日1999年9月3日
发明者李振亚, 刘稚蕙, 陈艳英 申请人:李振亚