CN1065005C - 电化学氧阴极制氧方法及其电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学氧阴极制氧方法及其电解槽。该电解槽主要由氧阴板、金属阳极、电解液、气液分离膜组成。该制氧方法以环境中空气为原料加直流电后在氧阳极上氧被还原，所生成的氢氧根离子同时全部在阳极上氧化成氧气。氧气与电解液经气液分离膜分离，其特点是无附产物氢及过氧化氢有害物质产生，结构极其简单、产氧快、纯度高、能耗低、极氧效率高、安全可靠，特别适用于公共场所和家庭等供氧场合。

Description

电化学氧阴极制氧方法及其电解槽

本发明涉及一种制氧方法及装置，特别是采用电化学方法制得氧气的方法及其电解槽。

已知的制氧方法及装置可分为物理型和化学型两大类。物理型氧发生器是靠把空气压缩后通过某种催化剂的选择吸附，达到将空气中氧浓缩的效果，这种发生器的主要缺点是因催化剂的失效需要经常更换或活化催化剂。化学制氧有采用投放生氧剂制氧的方式，其方法比较简单，但生氧剂制氧量有限，不能长期连续使用。传统的水电解制氧也属于化学制氧之列。直流电通过电解槽后，在阴极上析氢，阳极上析氧。因而必须将氢氧分离，这不但使装置复杂，而且由于氢氧混合体系是一种易燃、易爆的危险体系，因而使用比较危险，处理方法及装置复杂。

中国专利CN1085607A公开的电化学双极制氧法及装置，以空气为原料，通过电解槽内的空气阴极将氧还原成过氧化氢离子和氢氧根离子，过氧化氢离子在金属催化网上分解成氧气和氢氧根离子，然后氢氧根离子在金属阳极上进行电化学氧化生成氧气。该方法虽然避免了传统水电解法在阴极上析氢的问题，但由于有中间产物过氧化氢，且若经金属网催化分解不彻底，就会使得在生成的氢气中央杂少量的过氧化氢，这对人体是有害的。同时该方法及装置设有气液分离及电解液循环系统，工艺转化及设备较复杂，析氧效率仍待提高。

本发明的目的是克服上述制氧方法及装置的不足，而提供一种简单、安全、高效的电化学制氧方法及电解槽。它制氧速度快、纯度高、无中间产物过氧化氢及附产物氢气，能耗低，体积小。

本发明的目的是这样实现的：

一种电化学氧阴极制氧方法，以空气为原料，采用碱性电解液，其特征在于：阴极由防水导电透气膜、导电网及催化膜组成，阴极上构成催化膜的电催化剂采用铂或银，在电解槽的氧气出口处设有气液分离膜，通电后，周围环境空气中的氧穿过阴极的防水透气膜，并在该阴极的催化层上进行电化学还原生成氢氧根离子，其反应式为： 所生成的氢氧根离子同时在阳极上氧化成氧气，其反应式为： ，生成的氧气经过电解槽上部气液分离膜后，纯净的氧气从氧气出口孔排出，所述制氧及气液分离过程均在电解槽内完成。

所述阴极是在防水导电透气膜上敷撒银粉经碾压制成摧化膜，在防水导电透气膜中还经冷压烧结夹有镀银的铜网作阴极的导电网。

所述催化膜为粘结的粉末层或丝网层面。

所述气液分离膜采用聚四氟乙烯薄膜。

一种用于电化学氧阴极制氧方法的电解槽，该电解槽的外壁用防水导电透气膜、导电网、催化膜组成的阴极制作，其催化膜在电解槽内侧一面与电解液接触，在电解槽上方中央插入阳极并固定，该阳极插入电解液中；在电解槽的上部，设有氧气出口，该出口处设有气液分离膜，于该气液分离膜以下，设有便于密封的注液孔。

所述防水导电透气膜由石墨粉和聚四氟乙烯乳剂按重量比为6∶4的比例在60℃-70℃的温度下调合后碾压制成。

所述阳极的材质为镍片或泡沫镍板。

本发明的优点是在于与吸附型物理方法制氧相比，它可在常温、常压下工作不需要定期活化或更换催化剂；与靠投放生氧剂制氧法相比，它可以连续稳定供氧，不需添加反应剂；与传统的水电解法相比，它没有氢且槽压低、省电；与已公开的专利CN1085607A电化学双极制氧法相比，它没有中间产物过氧化氢及电解液循环系统，析氧效率高，因此它是一种结构简单、使用方便、产氧快、纯度高、省电、高效、不析氢、无过氧化氢、安全可靠的新型制氧装置。尤其要指出的是还可根据不同需要方便地将多个电解槽组合成不同产氧量大小的发生器，因而具有广泛的应用范围，特别适用于家庭以及高原边远地区的供氧场合，具有较大的实用价值和社会经济效益。

本发明还包括一种用于上述制氢方法的电解槽，结构简单、安全、高效，制氧速度快、纯度高、无中间产物过氧化氢及附产物氢气，能耗低，体积小。

现结合附图进一步详细描述本发明的实施例。

附图说明：

图1是本发明电解槽的结构示意图；

图2是图1中阴极的结构示意图。

附图编号

1．阴极      2．阳极      3．导电透气膜

4．导电网    5．催化膜    6．气液分离膜

7．注液孔    8．电解槽    9．上盖

10．氧气出口

本发明制氧方法及电解槽如图1所示，其电解槽8是一个扁长方形的盒体结构，在盒体长面的下侧有一个方形窗口，窗口上粘结密封有一块由防水导电透气膜3、导电网4、催化膜5组成的阴极1见图2，阴极1上的催化膜5在盒体内侧与电解液接触。在盒体上方密封有防水透气膜6，防水透气膜为聚四氟乙烯薄膜，厚度为0．1-0．2毫米。镍片制成的金属阳极2从盒体顶端插入电解液之中。在盒体宽面上靠近防水透气膜的下方，有一注液孔7，以便于向盒体内加注电解液，注液孔7上加密封盖，如塞子或螺纹盖等，以防电解液泄漏、挥发。在盒体顶端盖有带管嘴的上盖9，可将制得的氧气从氧气出口10送出。

将直流电源的负极与电解槽阴极1相接，电源正极与电解槽阳极2相接，导通电源，空气中的氧气穿过防水导电透气膜3在电解液及电催化剂的作用下还原成氢氧根离子、氢氧根离子在阳极2上氧化生成氧气，经防水透气膜6将电解液和氧气分离后的氧气穿过防水透气膜6从盒体上盖9的氧气出口10流出。

根据本发明的设计，还可做成圆柱形、方盒形或各种容器形状，其容器外壁的一部分可用阴极1材料制作。也可将容器的全部外壁均用阴极1材料制作。为保证强度可相应加上支撑固定的网架，在容器上方中央插入阳极2固定，作为制氧的单体结构。

若将上述电解槽多个串联组合，将所制得氧气汇集起来经水洗杯洗涤净化，则可构成供家庭及公共场合、医院等保健、医疗使用的生氧量较大的制氧装置。

如图2，本发明的阴极1由防水导电透气膜3、导电网4、催化膜5组成，其防水导电透气膜3是由石墨粉和聚四氟乙烯乳剂按重量比6∶4的比例在60℃-70℃的温度下调合后碾压制成。石墨粉可采用乙炔墨粉。催化膜5的电催化剂采用金属铂或银或大环化合物，催化膜5为粉末层面或网状层面。

本实施例中，是在防水导电透气膜3上敷撒银粉经碾压制成催化膜5，在防水导电透气膜3中还经冷压烧结夹有镀银的铜网作阴极1的导电网4。

采用本发明制氧方法，电解槽用普通工程塑料注塑而成，阴、阳两极导电板面积均为100平方毫米，从注液孔7注入200毫升7NKOH水溶液作为电解液并封上注液孔7。

在电解槽阴极1上加负电，阳极2上加正电，限流2安培时工作，槽压在1．1-1．3之间(室温)，消耗功率≤6．5瓦，阳极2上则可产生纯氧，理论产氧量为19．9毫升／分，实际产氧量则为20毫升／分(35℃)，氧气浓度为99．5％，析氧效率为100％。

电解槽内电解液理论上无损耗，实际使用中有极少量自然挥发，一般可使用2-3年再补水。

Claims (7)

1．一种电化学氧阴极制氧方法，以空气为原料，采用碱性电解液，其特征在于：阴极(1)由防水导电透气膜(3)、导电网(4)及催化膜(5)组成，阴极(1)上构成催化膜(5)的电催化剂采用铂或银，在电解槽的氧气出口处设有气液分离膜(6)，通电后，周围环境空气中的氧穿过阴极的防水透气膜，并在该阴极(1)的催化层上进行电化学还原生成氢氧根离子，其反应式为： ，所生成的氢氧根离子同时在阳极上氧化成氧气，其反应式为： ，生成的氧气经过电解槽(8)上部气液分离膜(6)后，纯净的氧气从氧气出口孔排出，所述制氧及气液分离过程均在电解槽内完成。

2．根据权利要求1所述的制氧方法，其特征在于：所述阴极是在防水导电透气膜(3)上敷撒银粉经碾压制成摧化膜(5)，在防水导电透气膜(3)中还经冷压烧结夹有镀银的铜网作阴极(1)的导电网(4)。

3．根据权利要求1所述的制氧方法，其特征在于：所述催化膜(5)为粘结的粉末层或丝网层面。

4．根据权利要求1所述的制氧方法，其特征在于：所述气液分离膜(6)采用聚四氟乙烯薄膜。

5．一种用于权利要求1所述的制氧方法的电解槽，其特征在于：该电解槽(8)的外壁用防水导电透气膜(3)、导电网(4)、催化膜(5)组成的阴极(1)制作，其催化膜(5)在电解槽(8)内侧一面与电解液接触，在电解槽(8)上方中央插入阳极(2)并固定，该阳极(2)插入电解液中；在电解槽(8)的上部设有氧气出口(10)，该出口处设有气液分离膜(6)，于该气液分离膜(6)以下，设有便于密封的注液孔(7)。

6．根据权利要求5所述的电解槽，其特征在于：所述防水导电透气膜(3)由石墨粉和聚四氟乙烯乳剂按重量比为6∶4的比例在60℃-70℃的温度下调合后碾压制成。

7．根据权利要求5所述的电解槽，其特征在于：所述阳极(2)的材质为镍片或泡沫镍板。

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