CN101320819A - 一种电化学制氧电池及装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种电化学制氧电池；包括一个电化学电池或多个电化学电池的堆叠；每个电化学电池包括第一侧气体隔离板，第一侧气体扩散层，第一侧催化电极，电解质膜，第二侧催化电极，第二侧气体扩散层，上述各层依次相叠；氧气产生于第一侧，第二侧气体扩散层的与第二侧催化电极相背的表面上方有空间供空气通过；其特征在于：第二侧的零部件具有自增湿作用，能够保留第二侧反应生成水的至少10％。还披露了一种电化学制氧装置，包括所述的电化学制氧电池，一水泵，一水箱，一内置电源或与外置电源的接口。与现有技术相比，本发明的电化学电池，结构简单，散热方便，非常适合于产品化。

Description

一种电化学制氧电池及装置

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其是一种电化学制氧电池及装置。

背景技术

采用电解水获得高纯度氧气，是一种方便易行，单位成本较低的方法。但是，在获得氧气的过程中同时获得的氢气，如果不加以利用而排放入周围的空气中，即导致了能量的浪费，又会带来燃烧或爆炸的危险。

如果将产生的氢气导入另外的燃料电池，将燃料电池输出的电能回馈给电解电池，虽然可以解决上述缺陷，但是却显著增加了系统的复杂性、成本、体积、重量。

美国专利003992271公开了一种浓缩氧气的方法，包括提供一个催化阴极，提供一个催化阳极，在阴极与阳极之间放置一个阳离子交换膜，并与两极保持电气接触；向阴极提供含氧气的氧化剂，在阴极与阳极之间提供直流电压，在阳极浓缩氧气；向阳极提供含铱量5～50％的铂铱合金催化剂。

采用上述专利技术，空气中的氧气与从阳极穿透电解质膜到达阴极的质子直接反应生成水。其优点是降低了要求输送给电解电池的电压，节约了能量；同时避免了氢气的排放。

但是，上述专利技术在产品化方面是不足的。当按照其提供的单电池结构进行堆叠以获得足够的额定能力时，存在下述问题：至少需要3条通道(其中有2条与阴极连通)纵向穿越所述的每个电化学电池，结构仍然较为复杂；为了排出在反应过程中产生的热量，需要另外增加用于散热的空气或水的通道，结构仍然较为复杂。另外，上述背景专利也没有充分公开构筑完整的产品所需要的其它技术。

发明内容

为了克服上述背景技术结构复杂，散热困难，不便于产品化的缺陷，本发明提出了如下的技术方案：

一种电化学制氧电池；包括一个电化学电池或多个电化学电池的堆叠；每个电化学电池包括第一侧气体隔离板，第一侧气体扩散层，第一侧催化电极，电解质膜，第二侧催化电极，第二侧气体扩散层，上述各层依次相叠；氧气产生于第一侧，第二侧气体扩散层的与第二侧催化电极相背的表面上方有空间供空气通过；其特征在于：第二侧的零部件具有自增湿作用，能够保留第二侧反应生成水的至少10％。

采用保水增湿设计以后，第二侧气体扩散层可以以非常开放的方式与外界空气直接连通，便于空气流过，流过的空气，既能起到供氧的作用，同时又足以起到散热的作用，因此也就不再需要额外的散热流通道。空气中的氧气可以通过扩散到达电解质膜表面的第二侧催化电极，与从第一侧穿透电解质膜到达第二侧的质子直接反应生成水，降低了要求输送给电化学电池的电压。在空气不足，通风不良的情况下，从第一侧穿透电解质膜到达第二侧的质子也有可能先生成氢气，然后再与氧气反应生成水。在意外情况下，有可能向外泄漏。

只要保水增湿作用足够强，水分的损失速度较慢，也就不必在第二侧的空气流出口，另外安装水分回收装置，因而结构较为简单。

测定保水比率的一种方法是，根据电流及计量比，计算一定时间内第二侧反应生成水，同时测定在该时间段内系统中水的损失量，即可推算出保水比率。

在优化的情况下，所有纵向穿越所述的每个电化学电池的通道仅与第一侧气体扩散层相连通，而与第二侧气体扩散层不连通；纵向穿越是指从电化学反应区之内穿越，或者从其外穿越，并通过横向通道引入电化学反应区。这类通道，只需考虑第一侧的供水及排氧，两个通道已经足够，一个通道也可以工作了。

用于增湿的第一种推荐方案是：所述自增湿零部件主要由第二侧气体扩散层构成，该第二侧气体扩散层是憎水的，并且其面密度不小于5mg/cm2。这种扩散层往往包含两个子层，其中一层为CBL碳黑层，另一层为碳纸层；常规的布置是CBL在内(贴近催化电极)，碳纸在外(面向空气)，但是也可以布置成碳纸在内，CBL在外。

这种设计的优点在于，可以将被电渗迁移作用带到第二侧以及在第二侧反应所生成的水，尤其是液态水，挡住，并通过较高的浓差梯度的作用扩散回到第一侧，从而减少水分的损失，不必频繁地补水。当然，少量的水分损失仍然是不可避免的，为了向第一侧提供水分补充从第二侧的蒸发消耗，第一侧气体扩散层最好是亲水的。

用于增湿的第二种推荐方案是：所述的自增湿结构为在第二侧气体扩散层之上，还有一层导电的开孔层，其上密集分布有贯穿两面的小孔，开孔区域的面积和不开孔区域的面积之比小于7∶3。

这种小孔可以保证空气的扩散，但是在未开孔的部位下方的第二侧气体扩散层中，空气只能横向扩散，然后在开孔处与外界进行交换。由于扩散距离的延长，使得水分的损失较为困难。

用于增湿的第三种推荐方案是：所述的第二侧气体扩散层之上的供空气通过的空间，与第二侧气体扩散层相对应的表面积，仅占第二侧气体扩散层上表面面积的70％以下，第二侧气体扩散层上表面面积的其余部分，与固体导电材料相贴。

为了使得电流能够传递到上方的另一片电化学电池，或者整个堆叠中的电流引出板，第二侧气体扩散层上方不可能全部是空间，必然需要与固体导电材料向贴。而第二侧气体扩散层中，位于这一部分面积下方的空气，只能通过横向扩散至与上方空间相对应的部位，然后与外界进行交换。由于扩散距离的延长，使得水分的损失较为困难。

为了得到所需的第二侧气体扩散层上方的空间，推荐的方案是，所述的电化学电池还包括第二侧导流板，所述的第二侧导流板位于第二侧气体扩散层之上，其面向气体扩散层的一面开有流道。

由于不一定需要专用的散热空气流，优选的方案是，所有穿过所述电化学电池的堆叠的空气流道，均与所述电化学电池有传质接触。

为了降低催化剂的担载量，提高其利用率，优选方案是，所述第一侧催化电极及所述第二侧催化电极附着于所述电解质膜的表面。

推荐的密封方案是，所述电解质膜的尺寸形状与所述第一侧气体隔离板相同，且大于所述第一侧气体扩散层，因而形成一个环形密封区域，该密封区域被密封材料所充填，从而将第一侧气体扩散层与外界大气隔离。

为了便于第二侧的水扩散回到第一侧，可以采用较薄的电解质膜，厚度小于100微米，进一步优选小于25微米。这样，只需较小的浓差即可及时反扩散。

一种电化学制氧装置，包括所述的电化学制氧电池，一水泵，一水箱，一内置电源或与外置电源的接口。

虽然自然对流也能够提供反应所需的空气，但是效果并不理想，优选方案是，还包括至少一风机；当所述的电化学制氧装置运行时，所述的风机对所述电化学制氧电池的所述第二侧气体扩散层的表面吹风或抽风。

所述的风机优选情况是轴流风机或贯流风机。

还可以包括温度测控装置，所述的温度测控装置包括温度传感器，并能通过调整所述风机的运行速度控制所述电化学制氧电池的运行温度。

由于氢离子得到充分利用，当其运行时，每个电化学电池两极之间的平均电压小于1.4V，甚至小于1V。

考虑到在故障情况下可能会发生氢气的产生与泄漏，因此，还可以包括氢气浓度测控装置，所述的氢气浓度测控装置包括气体传感器。当氢气浓度超过预设值时，所述的氢气浓度测控装置能够采取下列措施中的至少一项：增大所述风机的风量；减小或撤除施加于所述电化学电池的电压或电流；停止所述电化学装置的运行。

另外，制氧装置在运行过程中，要求不断地补充水分。但是，家用的自来水中含有各种杂质、离子，如果不进行处理，长期使用后，就会积累在电化学电池内部，对其性能造成不利影响。所以，所述的电化学制氧装置，还包括一水提纯装置。常用的水提纯装置可以是离子交换树脂，渗透膜等。

从理论上来说，所述制氧装置输出的是纯氧，而人体长时间吸入纯氧，可能会导致一些不良的副作用。所以，所述的电化学制氧装置，还包括一空氧混合装置，其能够将输出的纯氧，与适量的空气相混合，输出富氧空气。

与现有技术相比，本发明的技术方案，结构简单，散热方便，非常适合于产品化。

附图说明

图1是本发明的电化学制氧电池的结构单元的示意图。

图2是本发明的电化学制氧装置的框图。

图3是本发明的电化学制氧电池的另一种结构单元的示意图。

具体实施方式

例1

首先参阅图1。包括第一侧气体隔离板1，第一侧气体扩散层2，密封材料3，附着了第一侧催化电极和第二侧催化电极的电解质膜4，第二侧气体扩散层5，第二侧导流板6，密封圈7，流道口8，纵向通道9。

其中第一侧气体隔离板1采用0.5mm厚的不透气柔性石墨板；第一侧气体扩散层2采用镀金的金属编制网及镀金的金属微孔网复合组成，是亲水的；电解质膜为Nafion膜，厚20微米，第一侧催化电极为铱黑，第二侧催化电极为铂黑，两侧催化剂均附着于所述电解质膜的表面；第二侧气体扩散层5为致密憎水CBL与碳纸复合组成，其面密度6mg/cm2；第二侧导流板6为硬石墨板，密封材料3及密封圈7均为硅胶。密封材料3为环形，夹在尺寸基本相同的第一侧气体隔离板1及电解质膜4之间，包围第一侧气体扩散层2。

从密封圈7处穿过电池的两个纵向通道9仅与第一侧气体扩散层2连通，由于密封圈7的密封作用，与第二侧气体扩散层5及外部大气不连通。上述电化学电池多个堆叠并在两端增加导电板及端板并压紧，即形成电化学电池堆。所述电化学电池堆安装紧密、没有漏风，所以不存在与所述电化学电池没有传质接触的空气流道穿过所述电化学电池的堆叠。

第二侧气体扩散层之上的供空气通过的空间，也就是第二侧导流板中的流道，与第二侧气体扩散层相对应的表面积，仅占第二侧气体扩散层上表面面积的50％，第二侧气体扩散层上表面面积的其余部分，与导流板的下表面相贴，实现电流的传递。

第一轮原型实验表明，上述电化学电池堆在每片0.8V时已能够输出氧气，工作电流为每平方厘米80mA，在每片1.2V时工作电流为每平方厘米220mA。经测定，其保水比率为30％。

然后参阅图2。包括电化学电池堆11，轴流风机12，纯净水箱13，水泵14，电源15，开关16，温度传感器17，氢气传感器18，主控制器19，空氧混合器20，水净化器21。

电源15的输出与开关16的一端相连接，电化学电池堆11的输入与开关16的另一端相连接，轴流风机12的进风口面向电化学电池堆11一侧各片电化学电池的第二侧导流板侧壁的流道口，电化学电池堆11的另一侧直接与大气相通。水泵14的出口经过水净化器21与电化学电池堆11的一个纵向通道连接，电化学电池堆11的另一个纵向通道与纯净水箱13的入口连接，纯净水箱13下方的出口与水泵14的入口连接，纯净水箱13上方的另一出口为氧气输出口，与空氧混合器20的入口连接。温度传感器17埋入电化学电池堆11，氢气传感器18靠近轴流风机12的出风口安装。主控制器19与电源15、开关16、轴流风机12、水泵14有控制连接，并与温度传感器17、氢气传感器18有监测连接。

其中，水净化器21采用渗透膜结构；空氧混合器20的结构借鉴了射流抽吸泵的结构，当纯氧流过时，产生一定的负压，将外界的空气吸入，混合得到富氧空气。

当系统运行时，主控制器19打开开关16，电源15向电化学电池堆11供电；与此同时，主控制器19开启水泵14，纯净水箱13中的水经过水净化器21处理后进入电化学电池堆11；与此同时，主控制器19打开轴流风机12以较低转速进行抽风，空气流流过电化学电池堆11。于是，发生持续不断的电化学反应，从电化学电池堆11流入纯净水箱13的水中，包含反应产生的氧气气泡，在纯净水箱13中实现气水分离，氧气从纯净水箱13的另一出口输出至空氧混合器20后得到富氧空气。随着电化学电池堆11温度的上升，主控制器19从温度传感器17获得信号，并逐步提高风机12的转速，使得电化学电池堆11的温度稳定在理想范围内。如果意外故障导致氢气产生并排出，主控制器19从氢气传感器18获得信号，于是切断开关16，停止氢气的产生并发出警告声。

例2

图3的另一种结构单元，与例1中的结构单元基本相同，唯一的区别是，在第二侧气体扩散层5与第二侧导流板6之间，还有一层开孔层10，是一种导电的薄板，其上密集分布有贯穿两面的小孔。开孔区域的面积和不开孔区域的面积之比约为1∶1。

原型实验表明，上述电化学电池堆的性能在其它方面与例1的电化学电池堆相同，但是其保水率更高，达到40％左右。

Claims (20)

1，一种电化学制氧电池；包括一个电化学电池或多个电化学电池的堆叠；每个电化学电池包括第一侧气体隔离板，第一侧气体扩散层，第一侧催化电极，电解质膜，第二侧催化电极，第二侧气体扩散层，上述各层依次相叠；氧气产生于第一侧，第二侧气体扩散层的与第二侧催化电极相背的表面上方有空间供空气通过；其特征在于：第二侧的零部件具有自增湿作用，能够保留第二侧反应生成水的至少10％。

2，如权利要求1所述的电化学制氧电池，其特征在于：所有纵向穿越所述的每个电化学电池的通道仅与第一侧气体扩散层相连通，而与第二侧气体扩散层不连通；纵向穿越是指从电化学反应区之内穿越，或者从其外穿越，并通过横向通道引入电化学反应区。

3，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述自增湿零部件主要由第二侧气体扩散层构成，该第二侧气体扩散层是憎水的，并且其面密度不小于5mg/cm2。

4，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述的自增湿结构为在第二侧气体扩散层之上，还有一层导电的开孔层，其上密集分布有贯穿两面的小孔，开孔区域的面积和不开孔区域的面积之比小于7∶3。

5，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述的第二侧气体扩散层之上的供空气通过的空间，与第二侧气体扩散层相对应的表面积，仅占第二侧气体扩散层上表面面积的70％以下，第二侧气体扩散层上表面面积的其余部分，与固体导电材料相贴。

6，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述的电化学电池还包括第二侧导流板，所述的第二侧导流板位于第二侧气体扩散层之上，其面向气体扩散层的一面开有流道。

7，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所有穿过所述电化学电池的堆叠的空气流道，均与所述电化学电池有传质接触。

8，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述第一侧催化电极及所述第二侧催化电极附着于所述电解质膜的表面。

9，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述电解质膜的尺寸形状与所述第一侧气体隔离板相同，且大于所述第一侧气体扩散层，因而形成一个环形密封区域，该密封区域被密封材料所充填，从而将第一侧气体扩散层与外界大气隔离。

10，如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，其特征在于：所述电解质膜的厚度小于100微米。

11，如权利要求10所述的一种电化学制氧电池，其特征在于：所述电解质膜的厚度小于25微米。

12，一种电化学制氧装置，包括如权利要求1或2所述的电化学制氧电池，一水泵，一水箱，一内置电源或与外置电源的接口。

13，如权利要求12所述的电化学制氧装置，其特征在于：还包括至少一风机；当所述的电化学制氧装置运行时，所述的风机对所述电化学制氧电池的所述第二侧气体扩散层的表面吹风或抽风。

14，如权利要求13所述的电化学制氧装置，其特征在于：还包括温度测控装置，所述的温度测控装置包括温度传感器，并能通过调整所述风机的运行速度控制所述电化学制氧电池的运行温度。

15，如权利要求12所述的电化学制氧装置，其特征在于：当其运行时，每个电化学电池两极之间的平均电压小于1.4V。

16，如权利要求12或13所述的电化学制氧装置，其特征在于：还包括氢气浓度测控装置，所述的氢气浓度测控装置包括气体传感器。

17，如权利要求12所述的电化学制氧装置，其特征在于：还包括一水提纯装置。

18，如权利要求17所述的电化学制氧装置，其特征在于：所述的水提纯装置是离子交换树脂或渗透膜。

19，如权利要求12所述的电化学制氧装置，其特征在于：还包括一空氧混合装置，其能够将输出的纯氧，与适量的空气相混合，输出富氧空气。

20，一种如权利要求16所述的电化学制氧装置的控制方法，其特征在于：当氢气浓度超过预设值时，所述的氢气浓度测控装置能够采取下列措施中的至少一项：增大所述风机的风量；减小或撤除施加于所述电化学电池的电压或电流；停止所述电化学装置的运行。

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