CN214991887U

CN214991887U - 一种微量氧气发生模块及其纯氧发生系统

Info

Publication number: CN214991887U
Application number: CN202023232304.0U
Authority: CN
Inventors: 胡鸣若
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2030-12-29

Abstract

本实用新型提供了一种微量氧气发生模块及其纯氧发生系统，其能解决因装配问题导致的阳极侧和阴极侧的接触电阻增大的技术问题。一种微量氧气发生模块，其包括依次层叠为一整体的阴极集电板、膜电极、阳极集电板和纯氧集气腔，阴极集电板和阳极集电板均设有集电线路，阴极支撑层和阳极支撑层均设有导电基底层，其特征在于：导电基底层的硬度低于集电线路的硬度，在束缚件包裹所提供的预紧力作用下，集电线路与导电基底层相互挤压并且能够维持部分或全部嵌入导电基底层的状态。集电线路能够部分或全部嵌入导电基底层，集电线路与导电基底层相邻的一侧端面能够被导电基底层完全贴合，两者形成紧密的接触，进而能够减小阴极侧和阳极侧的接触电阻。

Description

一种微量氧气发生模块及其纯氧发生系统

技术领域

本实用新型涉及通过电化学方法制造微流量纯氧的技术领域，尤其涉及微型便携式制氧装置，具体涉及一种微量氧气发生模块及其纯氧发生系统。

背景技术

中国专利CN103173781A公开了通过在多孔气体端板、膜电极、氧气端板和内部集气底座的外部缠绕绝缘带，使多孔气体端板与阴极气体扩散层紧密贴合，在外部缠绕的绝缘带的束缚下，多孔气体端板会微微拱起，在多孔气体端板和阴极气体扩散层之间会形成微缝隙，该微缝隙只有在显微条件下才能发现，肉眼无法识别，导致接触电阻增大，集电效果很差。在此基础上，中国专利CN105040021B公开了一种纯氧发生组件的结构及包含该组件的微氧治疗仪，该实用新型在气体端板和膜电极（阴极气体扩散层一侧）之间设置金属垫片，在绝缘带的束缚下，金属垫片很容易与气体端板以及阴极气体扩散层紧密贴合，进而减小接触电阻、降低组件的输入电压、增强集电效果，从而减缓组件的电化学腐蚀速度，延长组件使用寿命。

但是我们在批量试生产的过程中发现：采用金属垫片后，金属垫片需要居中于阴极气体扩散层、且金属垫片的四条边需要基本与阴极气体扩散层的4条边平行，如果不是这样放置，也就是说在两者之间产生了错位现象，那么在缠绕绝缘带后，绝缘带所施加的预紧力不能通过无孔气体端板均匀施加在金属垫片上，因此会发生比原来没有使用金属垫片更大的接触电阻的情况，即，采用显微的方法观察后可以发现在发生错位现象后，不仅金属垫片与阴极气体扩散层之间会出现微缝隙，而且在金属垫片和无孔气体端板之间会出现另一条额外的微缝隙，这两条微缝隙引起了两个接触电阻，因此发生了比原来没有使用金属垫片更大的接触电阻的情况，从而使整个纯氧发生组件正负极两端的电压升高，因此处于正极高电位处的阳极所受到电位升高，阳极（正极）处的电化学腐蚀速率增加，阳极催化剂逐步失效，从而使纯氧发生组件氧气流量减小甚至不出氧。虽然能够设计专用夹具，并且通过导电粘结剂将预先将金属垫片与阴极气体扩散层连接，以防止在叠放、装配时发生错位，但该操作会大幅降低产品的生产效率，并且成本较高。

实用新型内容

本实用新型提供了一种微量氧气发生模块及其纯氧发生系统，其能解决因装配问题导致的阳极侧和阴极侧的接触电阻增大的技术问题。

其技术方案是这样的，一种微量氧气发生模块，其包括依次层叠设置并通过束缚件包裹为一整体的阴极集电板、阴极支撑层、催化反应层、阳极支撑层、阳极集电板和纯氧集气腔，所述阴极集电板和所述阳极集电板均设有集电线路，所述阴极支撑层和所述阳极支撑层均设有导电基底层，其特征在于：所述导电基底层的硬度低于所述集电线路的硬度，在束缚件包裹所提供的预紧力作用下，所述集电线路与所述导电基底层相互挤压并且能够维持部分或全部嵌入所述导电基底层的状态。

本实用新型的微量氧气发生模块，省略了金属垫片，导电基底层相对于集电线路采用低硬度材质，并且在束缚件包裹所提供的预紧力作用下，集电线路能够部分或全部嵌入导电基底层，集电线路与导电基底层相邻的一侧端面能够被导电基底层完全贴合，两者形成紧密的接触，同时，这种部分嵌入或全部嵌入的结构，还能够防止集电线路和导电基底层在束缚件的预紧力作用下发生变形，保证了集电线路和导电基底层之间具有优异的电接触性能，减缓组件的电化学腐蚀速度，延长组件使用寿命。

进一步的，所述集电线路为细长状结构，所述细长状结构包括杆状、条状和线状结构。

进一步的，所述阴极支撑层的导电基底层为阴极导电基底层，所述阴极导电基底层的下侧贴合有阴极导电催化层，所述催化反应层包括自上而下设置的阴极催化层、固态电解质膜、阳极催化层，所述阴极催化层的面积小于固态电解质膜和阴极导电催化层，所述阴极导电催化层和所述固态电解质膜位于所述阴极催化层外周的一圈间隙通过阴极粘合层封装；

所述阴极导电催化层含有导电碳粉和阴极辅助催化剂，所述阴极辅助催化剂能够催化反应空气中的有害气体，所述有害气体是能够使阴极催化层的阴极催化剂中毒失效的气体。

进一步的，所述阳极支撑层的导电基底层为阳极导电基底层，所述阳极导电基底层的上侧贴合有阳极导电催化层，所述阳极导电催化层含有导电碳粉和阳极辅助催化剂，所述阳极催化层含有阳极催化剂，所述阳极辅助催化剂的氧化电位低于所述阳极催化剂的氧化电位。

进一步的，所述阴极支撑层的导电基底层为阴极导电基底层，所述阴极导电基底层的下侧贴合有阴极导电催化层，所述催化反应层包括自上而下设置的阴极催化层、固态电解质膜、阳极催化层，所述阴极催化层的面积小于固态电解质膜和阴极导电催化层，所述阳极支撑层的导电基底层为阳极导电基底层，所述阳极导电基底层的上侧贴合有阳极导电催化层；

所述阴极导电基底层、所述阴极导电催化层均含有水分子输送材料和吸湿材料，所述阴极催化层、所述阳极催化层均含有吸湿材料，所述阳极导电催化层和所述阳极导电基底层均含有水分子输送材料，所述固态电解质膜允许水分子通过，水分子能够从所述阴极导电基底层、所述阴极导电催化层、阴极催化层、所述固态电解质膜转移输送至所述阳极催化层。

进一步的，所述固态电解质膜的四周边缘部位均向下翻折后再向外翻折以形成截面为L形的折边，各折边围合形成凹陷限位区，所述阳极支撑层置于所述凹陷限位区内；

所述阴极集电板的集电线路为阴极集电线路，所述阴极集电线路的上侧贴合有阴极气体端板，所述阳极集电板的集电线路为阳极集电线路，所述阳极集电线路的下侧贴合有阳极气体端板；

所述固态电解质膜和所述阳极气体端板位于所述阳极催化层、阳极支撑层和阳极集电线路外周的一圈间隙通过阳极粘合层封装，所述阳极粘合层的截面为L形，所述阳极粘合层的纵向部位嵌入所述折边的纵向部位和所述阳极催化层、阳极支撑层之间的间隙。

更进一步的，所述阳极支撑层的厚度大于所述凹陷限位区的深度。

更进一步的，所述阴极气体端板、所述阳极气体端板均开设有贯穿的穿孔，所述阴极气体端板、所述阳极气体端板均包括非导电层和导电层，所述导电层位于所述非导电层背离集电线路的一侧，集电线路的线路端部贯穿穿孔后与导电层电连接，所述导电层的氧化电位低于集电线路的氧化电位。

进一步的，所述纯氧集气腔设有下沉空间，所述下沉空间的底部中央开设有集气孔，所述下沉空间设有功能块，所述功能块包括自上而下设置并相互抵接的支撑网格、透气不透液的半透膜，所述支撑网格凸出所述下沉空间的上部开口并与所述阳极集电板贴合，所述半透膜与所述下沉空间的底面粘合并覆盖所述集气孔，所述纯氧集气腔与所述阳极集电板位于所述支撑网格外周的一圈间隙通过集气腔粘合层封装，所述集气腔粘合层的内侧部位渗入所述支撑网格的边缘部位形成交界粘合区。

本实用新型还提供了一种纯氧发生系统，包括上述微量氧气发生模块。

进一步的，纯氧发生系统的外壳内安装有n个同样结构的微量氧气发生模块，n>1，其中1个所述微量氧气发生模块的氧气接头用于与外部氧气供应管连接，对外供应纯氧，第2至第n个微量氧气发生模块的氧气接头均用密封盖封装，所述纯氧发生系统包括控制器，所有所述微量氧气发生模块的氧气尾管以及所述控制器上的压力传感器尾管之间通过管路连通在一起；所述压力传感器尾管直接与所述外部氧气供应管相连的所述微量氧气发生模块的氧气尾管相连。

进一步的，所述微量氧气发生模块的正极和所述控制器的正极电连接，所述微量氧气发生模块的负极和所述控制器的负极电连接；所述纯氧发生系统包括电源输出端，所述电源输出端的正极和所述控制器的正极电连接，所述电源输出端的负极和所述控制器的负极电连接；所述控制器具有输出反向电流的功能，使得被氧化的阳极辅助催化剂发生还原恢复其电催化功能。

进一步的，所述控制器能够调节所述微量氧气发生模块的输入电流，当所述微量氧气发生模块的实际工作电压超过预设工作电压时，所述控制器对所述微量氧气发生模块实施脉冲式供电。

附图说明

图1为本实用新型的微量氧气发生模块的整体结构示意图。

图2为本实用新型的微量氧气发生模块的分解结构示意图。

图3为本实用新型的微量氧气发生模块的剖面结构示意图。

图4为本实用新型的固态电解质膜的结构示意图。

图5为本实用新型的阳极集电板的正、反面以及局部结构示意图。

图6为本实用新型的纯氧集气腔和功能块的结构示意图。

图7为本实用新型的纯氧发生系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例

一种微量氧气发生模块1，如图1~图6所示，其包括依次层叠设置并通过束缚件16包裹为一整体的阴极集电板13、阴极支撑层114、催化反应层112、阳极支撑层111、阳极集电板12（图2中11为阴极支撑层114、催化反应层112、阳极支撑层111层叠构成的膜电极）和纯氧集气腔15，阴极集电板13和阳极集电板12均设有集电线路，阴极支撑层114和阳极支撑层111均设有导电基底层，导电基底层的硬度低于集电线路的硬度，在束缚件包裹所提供的预紧力作用下，集电线路与导电基底层相互挤压并且能够维持部分或全部嵌入导电基底层的状态。该实施例中，集电线路为细长状结构，具体为条状结构，便于集电线路嵌入导电基底层。

嵌入状态的形成，可以是，对层叠后的阴极集电板13、膜电极11、阳极集电板12和纯氧集气腔15预先施加一定压力，使得集电线路能够部分或全部嵌入导电基底层，然后再包裹束缚件，通过束缚件16提供的预紧力，使得集电线路维持部分或全部嵌入导电基底层的状态；也可以是在束缚件的包裹过程中形成的预紧力使得集电线路能够部分或全部嵌入导电基底层。

本实用新型的微量氧气发生模块1，省略了金属垫片，导电基底层相对于集电线路采用低硬度材质，使得在束缚件16包裹所提供的预紧力作用下，集电线路能够部分或全部嵌入导电基底层，集电线路与导电基底层相邻一侧的端面能够被导电基底层完全贴合，两者形成紧密的接触，同时，这种部分嵌入或全部嵌入的结构，还能够防止集电线路和导电基底层在束缚件的预紧力作用下发生偏移，保证了集电线路和导电基底层之间具有优异的电接触性能，进而能同时减小阳极侧和阴极侧的接触电阻，以避免整个微量氧气发生模块1正负极两端的电压升高，减缓组件的电化学腐蚀速度，延长组件使用寿命。

阴极支撑层114的导电基底层为阴极导电基底层1141，阴极支撑层114还包括贴合于阴极导电基底层1141的阴极导电催化层1142，图中1143为阴极导电催化层1142向阴极导电基底层1141渗透所形成的过渡层，催化反应层112包括自上而下设置的阴极催化层1122、固态电解质膜1121、阳极催化层1123，阴极催化层1122的面积小于固态电解质膜1121和阴极导电催化层1142，阴极导电催化层1142和固态电解质膜1121位于阴极催化层1122外周的一圈间隙通过阴极粘合层113封装。

阴极导电催化层1142含有导电碳粉和阴极辅助催化剂，阴极辅助催化剂能够催化反应空气中的有害气体，有害气体是能够使阴极催化层1122的阴极催化剂中毒失效的气体。

传统的微量氧气发生模块1其阴极催化层1122是直接与环境空气接触的，空气中的有害气体（例如一氧化碳、甲醛等）能使阴极催化剂中毒，从而使阴极过电位增大，不仅发生氧气流量减少的现象，而且伴随着整个微量氧气发生模块1正负极两端的电压升高，处于正极高电位处的阳极所受到的电位升高，将导致阳极（正极）处的电化学腐蚀速率增加，从而使纯氧发生组件的使用寿命缩短。本实用新型通过将阴极导电催化层1142和固态电解质膜1121位于阴极催化层1122外周的一圈间隙通过阴极粘合层113封装，使得空气不能从侧面进入阴极催化层1122，而只能从阴极支撑层114进入阴极催化层1122，当空气经过阴极支撑层114的阴极导电催化层1142，有害气体被催化反应，进而大幅降低或者完全避免阴极催化剂中毒，以避免阴极过电位增大，避免整个微量氧气发生模块1的正负极两端的电压升高，减缓组件的电化学腐蚀速度，延长组件使用寿命。

阳极导电催化层含有导电碳粉和阳极辅助催化剂，阳极催化层含有阳极催化剂，阳极辅助催化剂的氧化电位低于阳极催化剂的氧化电位。在高电位的情况下阳极辅助催化剂先发生腐蚀，从而对阳极催化剂起保护作用。

阳极支撑层111的导电基底层为阳极导电基底层1111，阳极支撑层111还包括贴合于阳极导电基底层1111上侧的导电催化层1112，图中，1113为阳极导电催化层1112向阳极导电基底层1111渗透所形成的过渡层。

阴极导电基底层1141、阴极过渡层1143、阴极导电催化层1142均为多孔结构，使得空气中的氧气能够通过，阳极导电催化层1112、阳极过渡层1113、阳极导电基底层1111均为多孔结构，使得纯氧能够通过。

阴极导电基底层1141、阴极导电催化层1142均含有水分子输送材料和吸湿材料，阴极催化层1122、阳极催化层1123均含有吸湿材料，阳极导电催化层1112和阳极导电基底层1111均含有水分子输送材料，固态电解质膜1121允许水分子通过，水分子能够从阴极导电基底层1141、阴极过渡层1143、阴极导电催化层1142、阴极催化层1122、固态电解质膜1121转移输送至阳极催化层1123。

微量氧气发生模块1阳极侧的电化学反应（参见专利CN201010543777.4）是将水分子分解为氧气、氢离子和电子，阴极侧的电化学反应是将空气中的氧气、氢离子和电子合成为水分子，在低湿度情况下，传统的微量氧气发生模块1阴极侧产生的水分子会扩散至空气中，通过质子交换膜传递到阳极的水分子数量减少，因此，产氧量也会减少，本实用新型阴极侧的阴极导电基底层1141、阴极导电催化层1142、阴极催化层1122均设置为具有吸湿材料，在吸湿材料的作用下，进而阴极催化层1122产生的水分子不会向环境空气扩散，由阴极侧各层结构的吸湿材料所吸收，并且在阳极催化层1123中的吸湿材料的联合作用下，水分子在阴极催化层1122和阳极催化层1123中形成浓度差，帮助水分子从阴极催化层1122通过固态电解质扩散到阳极催化层1123，这不仅保证了氧气的产量，也避免了固态电解质在低湿度情况下质子电阻的增加，从而避免了微量氧气发生模块1输入电压的升高，缓解了由于低湿度而引起的阳极电化学腐蚀，延长了微量氧气发生模块1的寿命、增加了其运行稳定性。

固态电解质膜1121的四周边缘部位均向下翻折后再向外翻折以形成截面为L形的折边11212，各折边11212围合形成凹陷限位区11211，阳极支撑层111置于凹陷限位区11211内，并且阳极支撑层111的厚度大于凹陷限位区11211的深度；

阴极集电板13的集电线路为阴极集电线路131，阴极集电板13还包括贴合于阴极集电线路131上侧的阴极气体端板，阳极集电板12的集电线路为阳极集电线路121，阳极集电板12还包括贴合于阳极集电线路下侧的阳极气体端板；

固态电解质膜1121和阳极气体端板位于阳极催化层1123、阳极支撑层111和阳极集电线路121外周的一圈间隙通过阳极粘合层17封装，阳极粘合层17的截面为L形，阳极粘合层17的纵向部位嵌入折边11212的纵向部位和阳极催化层1123、阳极支撑层111之间的间隙。

由于阳极支撑层111的面积小于固态电解质膜1121（阳极支撑层周边需要封装的缘故），阳极支撑层111、阳极催化层1123必须居中于固态电解质膜1121，才能使得阳极支撑层111和阳极催化层1123外侧封装的一圈粘结剂具有相同的宽度，然而微量氧气发生模块1在大批量快速生产时，通过人工摆放，很难做到每片阳极支撑层111、阳极催化层1123都居中于固态电解质膜1121，这就造成了阳极支撑层111和阳极催化层1123外侧封装的一圈粘结剂宽度不一致，一方面，粘结剂填充宽度小的地方在封装时很容易发生漏点，从而使得纯氧发生组件泄漏，另一方面，在束缚件16包裹的预紧力作用下，各层结构之间可能会发生偏移，这就导致在封装后粘结剂宽度小的地方很容易产生漏点，发生密封功能失效，氧气从漏点处完全漏掉，本实用新型凹陷限位区11211的设置，对阳极支撑层111具有导向、定位作用，保证阳极粘合层（横向部位）的宽度基本一致，以确保密封效果；此外，阳极粘合层的截面为L形，其纵向部位嵌入折边11212的纵向部位和阳极催化层1123、阳极支撑层111之间的间隙，能够保证该粘合层被牢牢固定，即使在束缚件16的预紧作用下，阳极粘合层也不会相对于固态电解质膜1121发生错位偏移。

阴极气体端板、阳极气体端板均开设有贯穿的穿孔124（阴极气体端板的穿孔124为2个，阳极气体端板的穿孔124为3个），阴极气体端板包括自上而下设置的阴极导电层133和阴极非导电层132，阴极集电线路131的线路端部贯穿穿孔124后与阴极导电层133电连接，阳极气体端板包括自上而下设置的阳极非导电层122和阳极导电层123，阳极集电线路121的线路端部1211贯穿穿孔124后与阳极导电层123电连接，阴、阳极导电层的氧化电位均低于阴、阳极集电线路的氧化电位。

在阳极处于非正常的高电位情况下，通过牺牲导电层来保护集电线路不发生腐蚀。

纯氧集气腔15包含氧气接头151、集气孔153、压力尾管154，纯氧集气腔15设置有下沉空间152，下沉空间152的底部中央开设有集气孔153，氧气接头151、压力尾管154分设于纯氧集气腔的两侧，氧气接头151、集气孔153、压力尾管154与纯氧集气腔15的内腔连通，下沉空间152内设有功能块14，功能块14包括自上而下设置并相互抵接的支撑网格142、透气不透液的半透膜141，支撑网格142凸出下沉空间的上部开口并与阳极集电板的阳极导电层123贴合，半透膜141与下沉空间152的底面粘合并覆盖集气孔，纯氧集气腔15与阳极导电层123位于支撑网格外周的一圈间隙通过集气腔粘合层18封装，集气腔粘合层18的内侧部位渗入支撑网格142的边缘部位形成交界粘合区181，交界粘合区181可以将阳极底座粘合层18牢牢固定（拉住）。

当把氧气输出流量提高到30ml/小时以上后，在氧气的作用下创面渗出液会大大增加，于是出现如下新现象：例如在停机更换电池时，由于微量氧气发生模块1暂停工作不再产氧，大量的渗出液在毛细力的作用下会通过与创面相连的一次性延长管快速进入微量氧气发生模块1的阳极，浸泡阳极集电板12、阳极支撑层111、阳极催化层1123，从而使得微量氧气发生模块1失效。本实用新型半透膜的设置，能够避免创面渗出液在毛细力作用下经由外部氧气供应管进入微量氧气发生模块1的情况的发生，即避免了渗出液浸泡阳极集电板12、阳极支撑层111和阳极催化层1123，从而避免了微量氧气发生模块1的失效。此外，集气腔粘合层的内侧部位渗入支撑网格的边缘部位形成交界粘合区，交界粘合区嵌入下沉空间，能够保证该粘合层被牢牢固定，即使在束缚件16的预紧作用下，集气腔粘合层18也不会相对于纯氧集气腔15发生错位。

本实施例中，束缚件16为热塑管，热塑管套设于纯氧集气腔15、阳极集电板12、膜电极11和阴极集电板13层叠后的整体外，通过对热塑管进行加热，热塑管收缩并紧紧包裹上述整体。

束缚件16也可以是绝缘胶带通过缠绕的方式包裹于上述整体外。

一种纯氧发生系统，如图7所示，其外壳内安装有微量氧气发生模块1、控制器6和电源7，其中，控制器6上安装有压力传感器、温度传感器和湿度传感器，微量氧气发生模块1的数量为3个（在其它实施例中，也可以是2个或者4个以上）并且结构相同，其中1个微量氧气发生模块的氧气接头用于与外部氧气供应管8连接，对外供应纯氧，剩余2个微量氧气发生模块的氧气接头均用密封盖封装，所有微量氧气发生模块的氧气尾管154以及控制器6上的压力传感器尾管61之间通过密封软管101和连接硬管/接头102连通在一起。由于压力传感器尾管61直接连接与外部氧气供应管8相连的氧气发生模块1的氧气尾管154相连，由此可以直接准确监控外部氧气供应管8的杜塞情况。

控制器能够调节微量氧气发生模块的输入电流，从而调节氧气流量，当微量氧气发生模块的实际工作电压超过预设工作电压时，控制器对微量氧气发生模块实施脉冲式供电，即控制器6具有功耗管理功能，其附带的功效是对微量氧气发生模块1的阳极进行电位保护：当施加在微量氧气发生模块1的电压超过2V（预设电压值）时，控制器6通过减少输出电流从而减小微量氧气发生模块1的工作电压，使其恢复到2V以内，从而减少微量氧气发生模块1消耗的电能。由于某些特殊原因，当微量氧气发生模块1的电压在非常短暂的时期内快速上升并超过预设电压值，例如≥3V，此时控制器6发出报警，并对微量氧气发生模块1进行脉冲式的点开点关方式供应电流，从而在一段时间内累积的输出氧气量始终>0 ml/小时/cm²，从而减少微量氧气发生模块1消耗的电能，并保证使用者对氧气的最小需求量，也对微量氧气发生模块1的阳极起到了电位保护的作用。

微量氧气发生模块1的正极和控制器6的正极电连接，微量氧气发生模块1的负极和控制器6的负极电连接；电源7输出端的正极和控制器6的正极电连接，电源7输出端的负极和控制器6的负极电连接。控制器6具有输出反向电流的功能，使得被氧化的阳极辅助催化剂发生还原恢复其电催化功能，同时使得吸附在阴极辅助催化剂上的有害气体分子发生电氧化反应，从而使阴极辅助催化剂再生并恢复催化氧化空气中的有害气体能力。

中国专利CN103173781B公开了一种自呼吸式电化学制氧系统，该系统同时具有多条纯氧发生流路，当每条纯氧发生流路的纯氧发生组件>1个时，每条纯氧发生流路的各个纯氧发生组件通过软管首尾相连的方式连接在一起，从而把产生的氧气汇聚在一起并对外输出，但是这种纯氧发生组件首尾相连的连接方法有两个缺点：1、为了保证纯氧发生组件首尾相连必须制造两种不同的纯氧发生组件（即供气纯氧发生组件和内部纯氧发生组件）及其不同的集气底座，这增加纯氧发生组件的制造管理的难度、增加了生产时间和生产成本，与此同时，由于要制造两种不同集气底座，需要设计制造两套集气底座的成型模具，因此也进一步增加了生产成本。2、更严重的缺点是：由于采用了各内部纯氧发生组件首尾相连再与前端供气纯氧发生组件连接的方式，纯氧沿程不断被产生，因此在连通管路中氧气的压力不断升高，而在该系统中压力传感器是与离开氧气输出管最远的那个内部纯氧发生组件相连接，这使得压力传感器经常错误报警，即，设置压力传感器的真正目的是为了检测到由于外部异物杜塞氧气输出管而引起的压力异常升高信号，而实际检测到的压力升高信号是由于各纯氧发生组件的氧气管路串联从而使得产生的氧气不断汇聚而引起的内部氧气压力升高的信号；由于压力传感器错误报警发生的频率非常高，从而使得该系统无法正常工作。而本申请的纯氧发生系统是只采用一种结构的微量氧气发生模块，具体的，其中第1个微量氧气发生模块的氧气接头用于与外部氧气供应管8连接，对外供应纯氧，第2至第n个微量氧气发生模块的氧气接头均用密封盖封装并且氧气尾管154通过密封软管101和连接硬管/接头102与对外供氧的第1个微量氧气的氧气尾管154连通，相较于中国专利CN103173781B公开的制氧系统，降低了微量氧气发生模块的制造管理的难度，减少了模具的储备，降低了生产时间和生产成本。另外，本申请的纯氧发生系统只设置一个压力传感器，该压力传感器尾管直接连接第1个微量氧气发生模块，即对外供应纯氧的微量氧气发生模块，可以直接准确监控外部氧气供应管的堵塞情况，相较于中国专利CN103173781B公开的制氧系统，减少了压力传感器的设置，降低了生产成本，同时，减少了错误报警的发生。

实验例

本实用新型上述实施例中的微量氧气发生模块的各层结构的材质、制备工艺说明如下。

阴极导电层133：锡片尺寸（长度、宽度、厚度）21mm × 21mm × 0.3mm。

阴极非导电层132：PETG（二元醇改质聚对苯二甲酸二乙酯），尺寸21mm × 21mm× 2mm。

阴极集电线路131：钯镀层，宽度0.1mm，厚度0.1mm，等离子沉积。

阴极导电基底层1141（含水分子输送材料和吸湿材料）：水分子输送材料和吸湿材料分别采用二甲基硅油和二氧化硅，将二甲基硅油和二氧化硅分别倒入由乙醇、异丙醇和去离子水形成的溶剂中混合，二甲基硅油、二氧化硅、乙醇、异丙醇和去离子水的质量比例为30：4：150：100：300，混合均匀，形成水基悬浮液，将自带多孔结构的碳纤维纸（日本东丽，TGP-H-060）置于上述溶液中浸泡后，将吸附二甲基硅油•二氧化硅水溶液的碳纤维纸置于高温烧炉中，在320度时烧结2小时，烧结后，溶剂蒸发，形成多孔结构的阴极导电基底层。其中，碳纤维纸中的二甲基硅油和二氧化硅的含量分别为0.15mg/cm²和0.02mg/cm²。

阴极导电催化层1142（含水分子输送材料和吸湿材料）：水分子输送材料和吸湿材料分别采用二甲基硅油和二氧化硅，将二甲基硅油和二氧化硅分别倒入由乙醇、异丙醇、去离子水、乙二醇、丙三醇形成的溶剂中，混合均匀，二甲基硅油、二氧化硅、乙醇、异丙醇、去离子水、乙二醇、丙三醇的质量比例为20：7：110：80：150：130：100,加入导电碳粉（石墨粉，国药沪试，20019128）和钌粉（庄信万丰，UK193100），混合均匀后，形成阴极导电催化层浆料，将阴极导电催化层浆料涂敷在阴极导电基底层上，之后将涂敷有浆料的阴极导电基底层置于有氮气保护的高温烧结炉中，在320度烧结1小时，形成阴极导电催化层。其中，阴极导电催化层的二甲基硅油为0.4mg/cm²，二氧化硅为0.14mg/cm²，导电碳粉为1mg/cm²，钌粉为0.5mg/cm²。

阴极催化层1122（含有吸湿材料）：将聚合物离子导电介质（索尔维，D98-25BS）和吸湿材料二氧化硅倒入由乙醇、异丙醇、去离子水、甲醇形成的溶剂中，聚合物离子导电介质、二氧化硅、乙醇、异丙醇、去离子水和甲醇的质量比为60：3：100：300：100，50，混合均匀，再加入铂粉（巴斯夫，PMC3206），混合均匀，形成阴极催化层浆料，将阴极催化层浆料涂敷在固态电解质的一侧，在100度的烘箱内将上述溶剂的混合液蒸发，形成阴极催化层。其中，铂粉、聚合物离子导电介质和二氧化硅的含量分别为6mg/cm²、3mg/cm²、0.15mg/cm²。

固态电解质膜1121：固态电解质采用杜邦211膜，尺寸（参见附图4）d1为16mm，h为0.5mm，d2为2.5mm。

阳极催化层1123（含有吸湿材料）：将聚合物离子导电介质（索尔维，D98-25BS）和吸湿材料二氧化硅倒入由乙醇、异丙醇、去离子水、甲醇形成的溶剂中，聚合物离子导电介质、二氧化硅、乙醇、异丙醇、去离子水和甲醇的质量比为80：7：120：350：120，60，混合均匀，加入钯粉（巴斯夫，PMC4203），混合均匀，形成阳极催化层浆料，将阳极催化层浆料涂敷在固态电解质的另一侧，在100度的烘箱内将上述溶剂的混合液蒸发，形成阳极催化层。其中，钯粉、聚合物离子导电介质和二氧化硅的含量分别为10mg/cm²、7mg/cm²、0.61mg/cm²。

阳极导电催化层1112（含有水分子输送材料）：水分子输送材料采用二甲基硅油，将二甲基硅油倒入由乙醇、异丙醇、去离子水、乙二醇、丙三醇形成的溶剂中，混合均匀，二甲基硅油、乙醇、异丙醇、去离子水、乙二醇和丙三醇的质量比例为2：11：8：15：13：10，再加入导电碳粉和银粉（庄信万丰，Cypher 88-110），混合均匀，形成阳极导电催化微孔层浆料，将阳极导电催化微孔层浆料涂敷在阳极导电多孔材料基底层上，之后将涂敷有浆料的阳极导电多孔材料基底层置于有氮气保护的高温烧结炉中在320度烧结1小时，上述溶剂蒸发，形成阳极导电催化微孔层，其中，二甲基硅油为0.4mg/cm²，导电碳粉为1mg/cm²，银粉为0.5mg/cm²。

阳极导电基底层1111（含有水分子输送材料）：同阴极导电基底层1141的制备方法一致，不同之处在于碳纤维纸型号为日本东丽，TGP-H-120，以及不含吸湿材料二氧化硅。

阳极集电线路121：钯镀层，宽度0.1mm，厚度0.1mm，等离子沉积。

阳极非导电层122：PETG（二元醇改质聚对苯二甲酸二乙酯），尺寸21mm × 21mm× 2m。

阳极导电层123：锡片长宽厚尺寸21mm × 21mm × 0.3mm。

阴极导电催化层1142与阴极催化层1122之间、阳极催化层1123与阳极导电催化层1112之间分别通过离子导电粘合液（东岳化工，YD3120）粘合。

透气不透液的半透膜，大宫，WL-YFB-076。

束缚件捆绑：外部缠绕杜邦公司金手指聚酰亚胺胶带进行束缚捆绑。

阳极粘合层、阴极粘合层、集气腔粘合层：德国瓦克公司硅胶E43。

电压测试实验：

我们对专利CN102330107B 和CN103173781A公开的纯氧发生组件，本申请的纯氧发生组件分别进行电学实验，测量其阴极和阳极之间的电位差U，此外，我们还添加了对照组，对照组的纯氧发生组件是在专利CN103173781A公开的纯氧发生组的基础上将件其多孔气体端板替换为无孔端板，试验结果如下表1所示。

表1：

试验结果显示，本申请微量氧气发生模块阴极和阳极之间的电位差U与现有专利CN102330107B、CN103173781A和CN105040021A公开的纯氧发生组件相比有着明显降低，即本申请纯氧发生组件的接触电阻小，集电效果好，因此其电化学腐蚀速率慢，从而组件使用寿命得到有效延长。此外，本实用新型的最大电流密度可以高达120mA/cm²，最大氧气流量可以高达20ml/小时/ cm²，而电压反而可以低至0.7V，这也大大降低了纯氧发生组件的能耗。

寿命测试实验：

测试方法：采用80mA/cm²恒流通电，测试某一个时间长度内，微量氧气发生模块1的阴极导电层133和阳极导电层123之间的电位差U，若通过测试后电位差U小于2V，则实施断电保存；然后进行第二次通电试验，若第二次通电后，在第二次测试时间长度内（该时间长度是指：3000小时减去第一次测试时间长度），阴极导电层133和阳极导电层123之间的电位差U超过2V，则测试停止，说明该微量氧气发生模块寿命已到，若累计测试时间超过3000小时，而阴极导电层133和阳极导电层123之间的电位差U仍小于2V，说明该微量氧气发生模块在保存了N年后也能满足寿命要求，测试方法和测试结果分别如表3、表2所示。

表2：

表3：

试验结果显示，本申请微量氧气发生模块的断电保存寿命、第二次通电测试的耐腐蚀使用寿命与现有专利CN105040021A公开的纯氧发生组件相比有着明显提升，即本申微量氧气发生模块能够有效减缓组件的电化学腐蚀速度，延长组件使用寿命。

Claims

1.一种微量氧气发生模块，其包括依次层叠设置并通过束缚件包裹为一整体的阴极集电板、阴极支撑层、催化反应层、阳极支撑层、阳极集电板和纯氧集气腔，所述阴极集电板和所述阳极集电板均设有集电线路，所述阴极支撑层和所述阳极支撑层均设有导电基底层，其特征在于：所述导电基底层的硬度低于所述集电线路的硬度，在束缚件包裹所提供的预紧力作用下，所述集电线路与所述导电基底层相互挤压并且能够维持部分或全部嵌入所述导电基底层的状态。

2.根据权利要求1所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述集电线路为细长状结构，所述细长状结构包括杆状、条状和线状结构。

3.根据权利要求1所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述阴极支撑层的导电基底层为阴极导电基底层，所述阴极导电基底层的下侧贴合有阴极导电催化层，所述催化反应层包括自上而下设置的阴极催化层、固态电解质膜、阳极催化层，所述阴极催化层的面积小于固态电解质膜和阴极导电催化层，所述阴极导电催化层和所述固态电解质膜位于所述阴极催化层外周的一圈间隙通过阴极粘合层封装；

所述阴极导电催化层含有导电碳粉和阴极辅助催化剂，所述阴极辅助催化剂能够催化反应空气中的有害气体，所述有害气体是能够使阴极催化层的阴极催化剂中毒失效的气体；

所述阳极支撑层的导电基底层为阳极导电基底层，所述阳极导电基底层的上侧贴合有阳极导电催化层，所述阳极导电催化层含有导电碳粉和阳极辅助催化剂，所述阳极催化层含有阳极催化剂，所述阳极辅助催化剂的氧化电位低于所述阳极催化剂的氧化电位。

4.根据权利要求1所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述阴极支撑层的导电基底层为阴极导电基底层，所述阴极导电基底层的下侧贴合有阴极导电催化层，所述催化反应层包括自上而下设置的阴极催化层、固态电解质膜、阳极催化层，所述阴极催化层的面积小于固态电解质膜和阴极导电催化层，所述阳极支撑层的导电基底层为阳极导电基底层，所述阳极导电基底层的上侧贴合有阳极导电催化层；

5.根据权利要求3所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述固态电解质膜的四周边缘部位均向下翻折后再向外翻折以形成截面为L形的折边，各折边围合形成凹陷限位区，所述阳极支撑层置于所述凹陷限位区内；

6.根据权利要求5所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述阳极支撑层的厚度大于所述凹陷限位区的深度。

7.根据权利要求5所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述阴极气体端板、所述阳极气体端板均开设有贯穿的穿孔，所述阴极气体端板、所述阳极气体端板均包括非导电层和导电层，所述导电层位于所述非导电层背离集电线路的一侧，集电线路的线路端部贯穿穿孔后与导电层电连接，所述导电层的氧化电位低于集电线路的氧化电位。

8.根据权利要求1所述的一种微量氧气发生模块，其特征在于：所述纯氧集气腔设有下沉空间，所述下沉空间的底部中央开设有集气孔，所述下沉空间设有功能块，所述功能块包括自上而下设置并相互抵接的支撑网格、透气不透液的半透膜，所述支撑网格凸出所述下沉空间的上部开口并与所述阳极集电板贴合，所述半透膜与所述下沉空间的底面粘合并覆盖所述集气孔，所述纯氧集气腔与所述阳极集电板位于所述支撑网格外周的一圈间隙通过集气腔粘合层封装，所述集气腔粘合层的内侧部位渗入所述支撑网格的边缘部位形成交界粘合区。

9.一种纯氧发生系统，其特征在于：包括权利要求1~8中任一所述的微量氧气发生模块。

10.根据权利要求9所述的一种纯氧发生系统，其特征在于：纯氧发生系统的外壳内安装有n个同样结构的微量氧气发生模块，n>1，其中1个所述微量氧气发生模块的氧气接头用于与外部氧气供应管连接，对外供应纯氧，第2至第n个微量氧气发生模块的氧气接头均用密封盖封装，所述纯氧发生系统包括控制器，所有所述微量氧气发生模块的氧气尾管以及所述控制器上的压力传感器尾管之间通过管路连通在一起；所述压力传感器尾管直接与所述外部氧气供应管相连的所述微量氧气发生模块的氧气尾管相连。

11.根据权利要求10所述的一种纯氧发生系统，其特征在于：所述微量氧气发生模块的正极和所述控制器的正极电连接，所述微量氧气发生模块的负极和所述控制器的负极电连接；所述纯氧发生系统包括电源输出端，所述电源输出端的正极和所述控制器的正极电连接，所述电源输出端的负极和所述控制器的负极电连接；所述控制器具有输出反向电流的功能。