CN101967650B - 自呼吸式电化学纯氧发生组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了自呼吸式电化学纯氧发生组件，其结构简单、制造氧气过程简单，制造氧气的过程中无污染，且制造出的氧气纯净度高。其特征在于：其包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜包括中心部分以及四周外露部分，多孔气体端板、阴极密封框片、所述质子交换膜的四周外露部分、阳极密封框片、氧气端板依次紧固连接，所述多孔气体端板的正中均布有小孔，所述小孔正对着所述阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层连通外部直流电源负极，所述氧气端板中部开有氧气通孔，所述氧气通孔连通氧气输出管，所述阳极气体扩散层连通外部直流电源正极。

Description

自呼吸式电化学纯氧发生组件
技术领域
    本发明涉及电化学制造纯氧的技术领域，具体为自呼吸式电化学纯氧发生组件。
背景技术
现有的电化学纯氧的制造设备，均需要在电解槽或/和电解液的环境中制造，其结构复杂、制造氧气过程繁琐，且制造氧气过程中易造成污染、氧气的纯净度不达标。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了自呼吸式电化学纯氧发生组件，其结构简单、制造氧气过程简单，制造氧气的过程中无污染，且制造出的氧气纯净度高。
自呼吸式电化学纯氧发生组件，其技术方案是这样的：
其特征在于：其包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜包括中心部分以及四周外露部分，多孔气体端板、阴极密封框片、所述质子交换膜的四周外露部分、阳极密封框片、氧气端板依次紧固连接，所述多孔气体端板的正中均布有小孔，所述小孔正对着所述阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层连通外部直流电源负极，所述氧气端板中部开有氧气通孔，所述氧气通孔连通氧气输出管，所述阳极气体扩散层连通外部直流电源正极。
其进一步特征在于：所述多孔气体端板为导电材料构成时，所述阴极气体扩散层直接贴合所述多孔气体端板的内表面，所述多孔气体端板外侧通过导线连接外部直流电源负极；
所述多孔气体端板为非导电材料时，所述阴极气体扩散层、阴极密封框片、多孔气体端板三者围成的中间阴极空腔内装有阴极集电层，所述阴极气体扩散层连接阴极集电层，所述阴极集电层为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其外端穿过所述多孔气体端板，连接外部直流电源负极；
所述氧气端板为导电材料构成时，所述阳极气体扩散层贴合所述氧气端板的内表面，所述氧气端板外侧通过导线连接外部直流电源正极；
所述氧气端板为非导电材料时，所述阳极气体扩散层、阳极密封框片、氧气端板三者围成的中间阳极空腔内装有阳极集电层，所述阳极气体扩散层连接所述阳极集电层，所述阳极集电层为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其外端穿过所述氧气端板的金属丝孔、连接外部直流电源正极，所述阳极集电层和金属丝孔间的间隙填装有密封胶；
螺丝依次穿过多孔气体端板、阴极密封框片、质子交换膜的四周外露部分、阳极密封框片后，紧固于所述氧气端板；
所述质子交换膜具体为氢离子交换膜。
采用本发明的结构后，外接的直流电源的电压差大于0.65 V且小于1.45V时，空气经由多孔空气端板的小孔、阴极气体扩散层通过扩散传递的方式被吸到阴极催化层，电子经由阴极侧集电层、阴极气体扩散层，进入阴极催化层，之后在阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层的共同作用下生成氧气，氧气从氧气输出管输出，其结构简单、制造氧气的过程简单；由于制造氧气的整个膜电极组件被封装于内部，产生的纯氧只能从氧气输出管输出，制造出的氧气纯净度高；采用膜电极组件制造氧气，其制造氧气的过程中无污染。
附图说明
图1为本发明的具体实施例一的三维装配结构示意图；
图2为本发明的具体实施例二的三维装配结构示意图；
图3为本发明中膜电极组件的结构示意放大图。
具体实施方式
具体实施例一：见图1、图3，其包括膜电极组件1，膜电极组件1包括阳极气体扩散层9、阳极催化层10、质子交换膜11、阴极催化层12、阴极气体扩散层13，质子交换膜11包括中心部分以及四周外露部分14，螺丝7依次穿过多孔气体端板5、阴极密封框片4、质子交换膜的四周外露部分14、阳极密封框片15后、紧固于氧气端板6，多孔气体端板5为非导电材料，阴极气体扩散层13、阴极密封框片4、多孔气体端板5三者之间围成有中间阴极空腔，中间阴极空腔内装有阴极集电层3，阴极气体扩散层13连接阴极集电层3，阴极集电层3为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其金属丝可以为铂丝、金丝、银丝、镀铂丝、镀金丝、镀银丝，阴极集电层3外端穿过多孔气体端板5，连接外部直流电源16的负极，多孔气体端板5的正中均布有小孔17，小孔17正对着阴极气体扩散层13，氧气端板6为非导电材料，阳极气体扩散层9、阳极密封框片15、氧气端板6三者围成有中间阳极空腔，中间阳极空腔内装有阳极集电层2，阳极气体扩散层9连接阳极集电层2，阳极集电层2为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其金属丝可以为铂丝、金丝、银丝、镀铂丝、镀金丝、镀银丝，阳极集电层2外端穿过氧气端板6的金属丝孔18、连接外部直流电源16的正极，阳极集电层2和金属丝孔18间的间隙填装有密封胶（属于现有成熟技术、图中未画出）；氧气端板6中部开有氧气通孔19，氧气通孔19连通氧气输出管8，质子交换膜11具体为氢离子交换膜。
具体实施例二：见图2、图3，其包括膜电极组件1，膜电极组件1包括阳极气体扩散层9、阳极催化层10、质子交换膜11、阴极催化层12、阴极气体扩散层13，质子交换膜11包括中心部分以及四周外露部分14，螺丝7依次穿过多孔气体端板5、阴极密封框片4、质子交换膜的四周外露部分14、阳极密封框片15后，紧固于氧气端板6，多孔气体端板5的正中均布有小孔17，小孔17正对着阴极气体扩散层13，多孔气体端板5为导电材料构成，导电材料可以是石墨板、铂板、金板、银板、镀铂板、镀金板、镀银板，阴极气体扩散层13直接贴合多孔气体端板5的内表面，多孔气体端板5外侧通过导线20连接外部直流电源16的负极，氧气端板6为导电材料构成，导电材料可以是石墨板、铂板、金板、银板、镀铂板、镀金板、镀银板，阳极气体扩散层9贴合氧气端板6的内表面，氧气端板6外侧通过导线21连接外部直流电源16的正极，氧气端板6中部开有氧气通孔19，氧气通孔19连通氧气输出管8，质子交换膜11具体为氢离子交换膜。
其原理如下：外接直流电源16电压差大于0.65V且小于1.45V时，有氧气产生，此时，空气经由多孔空气端板5的小孔17、阴极气体扩散层13通过扩散传递的方式被吸到阴极催化层12内，电子被传导至阴极气体扩散层13后进入阴极催化层12，在阴极催化层12内空气中的氧气与电子以及经由质子交换膜11传递来的氢离子发生如下电化学反应，并生成水，即，阴极反应：O2+4H++4e- à2H2O。
生成的水依靠浓差扩散方式通过质子交换膜11被传递到阳极催化层10中并被分解成氧气、电子和氢离子，即发生如下电化学反应：2H2O à O2+4H++4e-，纯氧由此被浓缩而成；在阳极催化层10里生成的氢离子在电场力的作用下通过质子交换膜11传递到阴极催化层12；在阳极催化层10里生成的电子经由阳极气体扩散层9引出，并最终返回到阴极催化层12中；浓缩而成的纯氧经由阳极气体扩散层9、氧气端板6的氧气通孔19，最后从氧气出气管8被释放。
阴极密封框片4置于质子交换膜的四周外露部分14和多孔空气端板5之间、阳极密封框片15置于质子交换膜的四周外露部分14和氧气端板6之间，在螺丝7的预紧力作用下形成无缝隙的密封面，其作用是保证所有产生的纯氧只能进入氧气通孔19，而不能从其它地方泄漏出去；同时也防止了环境中的气体漏入自呼吸式电化学纯氧发生组件的阳极区域中。

Claims (7)

1.自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：其包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜包括中心部分以及四周外露部分，多孔气体端板、阴极密封框片、所述质子交换膜的四周外露部分、阳极密封框片、氧气端板依次紧固连接，所述多孔气体端板的正中均布有小孔，所述小孔正对着所述阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层连通外部直流电源负极，所述氧气端板中部开有氧气通孔，所述氧气通孔连通氧气输出管，所述阳极气体扩散层连通外部直流电源正极。
2.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：所述多孔气体端板为导电材料构成时，所述阴极气体扩散层直接贴合所述多孔气体端板的内表面，所述多孔气体端板外侧通过导线连接外部直流电源负极。
3.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：所述多孔气体端板为非导电材料时，所述阴极气体扩散层、阴极密封框片、多孔气体端板三者围成的中间阴极空腔内装有阴极集电层，所述阴极气体扩散层连接阴极集电层，所述阴极集电层为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其外端穿过所述多孔气体端板，连接外部直流电源负极。
4.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：所述氧气端板为导电材料构成时，所述阳极气体扩散层贴合所述氧气端板的内表面，所述氧气端板外侧通过导线连接外部直流电源正极。
5.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：所述氧气端板为非导电材料时，所述阳极气体扩散层、阳极密封框片、氧气端板三者围成的中间阳极空腔内装有阳极集电层，所述阳极气体扩散层连接所述阳极集电层，所述阳极集电层为导电金属丝绕形成螺旋状或网状，其外端穿过所述氧气端板的金属丝孔、连接外部直流电源正极，所述阳极集电层和金属丝孔间的间隙填装有密封胶。
6.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：螺丝依次穿过多孔气体端板、阴极密封框片、质子交换膜的四周外露部分、阳极密封框片后，紧固于所述氧气端板。
7.根据权利要求1所述的自呼吸式电化学纯氧发生组件，其特征在于：所述质子交换膜具体为氢离子交换膜。
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