[發(fā)明專利]電化學反應裝置及生產(chǎn)氧氣的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111492080.3
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114164439B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設計）人: 陶華冰;畢晟杰;胡博;陶勇冰;鄭南峰
• 申請（專利權(quán)）人: 嘉庚創(chuàng)新實驗室
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B9/23;C25B11/052;C25B11/081
• 代理公司: 中國貿(mào)促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 趙劍峰

本發(fā)明提供一種電化學反應裝置及生產(chǎn)氧氣的方法。在一個實施例中，電化學反應裝置包括，陽極組件和陰極組件，陽極組件包括陽極側(cè)流場板，所述陽極側(cè)流場板包括陽極流場，所述陽極流場用于向所述陽極側(cè)供給H₂O；陰極組件包括陰極側(cè)流場板，所述陰極側(cè)流場板包括陰極流場，所述陰極流場用于向所述陰極擴散層供給O₂，以及所述陰極流場板的流場上設置有含鉑催化劑。該電化學反應裝置具有響應快、產(chǎn)氧純度高、靈活便攜和使用安全等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學工程領(lǐng)域，具體涉及一種電化學反應裝置及生產(chǎn)氧氣的方法。

背景技術(shù)

氧氣作為空氣中的主要成分之一，用于冶煉工藝，化學工業(yè)，國防和醫(yī)療等多個方面。在儲運和使用方面，氧氣的常用模式是基于氣體鋼瓶運輸。

現(xiàn)主要的制氧模式分為分離液態(tài)空氣法、分子篩吸附法、電解制氧三種途徑。分離液態(tài)空氣法主要應用于大規(guī)模的工業(yè)制氧，利用空氣組分的沸點不用，將氧氣從空氣中分離。分離液態(tài)空氣法需要大型的成套設備和嚴格的安全操作技術(shù)，單位時間產(chǎn)氧量高，且所消耗的原料來源廣泛、低廉。但是在其應用于醫(yī)療行業(yè)時，額外的運輸過程是不便的。作為醫(yī)院的常用制氧設備，分子篩吸附法占地面積小，產(chǎn)出氧氣純度高，能直接應用于病房，但是響應時間較長，從啟動到氧氣產(chǎn)出需要半個小時的緩沖時間，而且長時間產(chǎn)氧后，分子篩吸附的氮氣增多，產(chǎn)出的氧氣純度會下降。另一種輔助制氧技術(shù)為電解制氧，電解制氧只需有支持電解質(zhì)，通入電即可產(chǎn)生氧氣。響應速度快，純度高是電解制氧的主要優(yōu)點，但是電解制氧伴隨產(chǎn)生氫氣是易燃氣體，需要額外的處置程序，增加了成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種可用于生產(chǎn)氧氣的電化學反應裝置。在一個實施方案中，該反應裝置的向陽極提供H₂O，向陰極提供空氣，陽極和陰極發(fā)生如下電化學反應：

陽極：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

陰極：O²+4H⁺+4e^-→2H₂O

從而在陽極處收集到高純度的氧氣。

另外，上述電化學反應裝置的陰極流場內(nèi)還設置有含鉑催化劑。在電化學反應裝置工作過程中，可能會有少量的水從陽極側(cè)穿透隔膜滲入陰極側(cè)，而水在陰極側(cè)會發(fā)生析氫反應(HER反應)，導致陰極產(chǎn)生氫氣，這些氫氣混入氧氣中，降低了氧氣的純度。在陰極流場內(nèi)設置含鉑催化劑有助于將陰極產(chǎn)生的氫氣催化氧化為水，從而提高了氧氣純度。另外，含鉑催化劑還有助于防止陰極流場表面生成二氧化鈦鈍化層(二氧化鈦鈍化層會增大接觸電阻)。

本發(fā)明第一方面提供一種電化學反應裝置，包括，

質(zhì)子交換膜，所述質(zhì)子交換膜包括陰極側(cè)和陽極側(cè)；

陽極催化劑層，所述陽極催化劑層位于所述質(zhì)子交換膜的陽極側(cè)，所述陽極催化劑層含有析氧催化劑(OER催化劑)；

陰極催化劑層，所述陰極催化劑層位于所述質(zhì)子交換膜的陰極側(cè)，所述陰極催化劑層含有氧還原催化劑(ORR催化劑)；

陽極組件，所述陽極組件包括陽極側(cè)流場板，所述陽極側(cè)流場板包括陽極流場，所述陽極流場用于向所述陽極側(cè)供給H₂O；

陰極組件，所述陰極組件包括陰極側(cè)流場板，所述陰極側(cè)流場板包括陰極流場，所述陰極流場用于向所述陰極擴散層供給O₂，以及所述陰極流場板的流場上設置有含鉑催化劑。

在一些實施方案中，采用電鍍的方法陰極流場板的表面沉積鉑催化劑。電鍍液為5～10mmol/L氯鉑酸溶于0.1mmol/L硫酸溶液。在- 0.15V～0.5Vvs.Ag/AgCl電位下電沉積60～600秒。