专利名称：利用离子导电聚合物修饰电极的制氧方法及所用装置的制作方法
所属领域本发明属于是一种制氧方法，特别涉及一种利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法及所用装置。
背景技术：
目前，国内已有数家企业生产电化学制氧机，其核心部分是采用多孔气体扩散电极、强碱性电解质如KOH、惰性电极构成气体发生单元，并有许多报导和专利申请，如《电化学无氢制氧机》、《电化学氧、氮发生装置》，有部分生产厂家也在申请类似专利，如奥格、福建明牌等。这些专利及生产产品中采用的空气电极有两类，一类采用性能稳定但电流效率差的聚乙烯多孔气体扩散电极制成，一类采用稳定性差但电流效率高的聚四氟乙烯多孔气体扩散电极制成。由于采用多孔气体扩散电极，工作中产生的活性氧、气体冲刷等诸多因素对电极破坏大，致使电极催化层脱落或防水层剥离。在大电流密度下，如电流密度大于80mA/cm2时，电解槽发热较大，产出的活性氧量多，对电极的破坏性极强。国内目前生产的多孔气体扩散电极在大电流密度下寿命仅100-200小时，当电流密度大于100mA/cm2时，多孔气体扩散电极寿命一般为30-50小时。为此，国内电化学制氧机基本上采用中低电流密度，一般为10-50mA/cm2，因而国内设计生产的电化学制氧机体积大、效率低、产氧量小。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法及所用装置，该制氧方法的制氧量大、使用电极的寿命长；该装置体积小、效率高、产氧量大。
本发明的技术方案是一种利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法，其特征在于以无孔、少孔的离子导电聚合物修饰氧电极、电解质及惰性电极构成气体发生单元，来产生氧气；该离子导电聚合物修饰氧电极是在由催化层、集流体和防水层组成的多孔气体扩散电极上再覆盖一层离子导电聚合物；上述离子导电聚合物中可掺杂无机离子导电体。上述电解质可以采用碱溶液，也可采用盐溶液。
一种根据上述利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法所用的制氧装置，其特征在于由气体发生装置、电源和控制电路板组成；气体发生装置包括由离子导电聚合物修饰氧电极、电解质及惰性电极构成的气体发生单元、过滤层和加液瓶；离子导电聚合物修饰氧电极由催化层、集流体、防水层和离子导电聚合物修饰层组成；过滤层依次由防水透气层、硼砂层和活性炭层组成；控制电路的输入端与修饰电极连接，输出端与电源的负极连接，电源的正极与惰性电极连接。
上述控制电路由电压、电流调节功能电路、短路保护功能电路、温度、压力控制功能电路及流量显示功能部件组成。
本发明的优点是1、性能可靠，由于有离子导电聚合物层保护电极，气体电极可长时间连续工作；2、体积小；由于可在100-140mA/cm2大电流密度下工作，相同产氧量的装置体积更小；3、结构简单，成本低，便于产业化。
图1为本发明的原理框2为离子导电聚合物修饰氧电极示意3为离子导电聚合物修饰氧电极制氧装置的结构示意图。
图4为控制电路的电原理图
具体实施例方式如图1、2所示一种利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法，其特征在于以无孔、少孔的离子导电聚合物修饰氧电极1、电解质2及惰性电极3构成气体发生单元；离子导电聚合物修饰氧电极是在由催化层4、集流体5和防水层6组成的多孔气体扩散电极上再覆盖一层离子导电聚合物7；上述离子导电聚合物中可掺杂无机离子导电体。该电极制氧的原理为气体扩散电极上修饰一层离子导电聚合物，既作为电解质，又作为电极保护层。工作时，空气中的氧气在多孔三相界面形成H2O2和OH-，OH-经过离子交换层进入液体电解质，在惰性电极上还原成氧气和水。由于该电极为无孔(或少孔)气体电极，因而抑制了电极“出汗”和漏液。由于气体电极修饰有离子导电聚合物层，因此抑制了惰性电极产生的活性氧对电极的破坏。
如图2所示本实例是一种家用氧气发生装置，其由气体发生装置、控制电路板和电源组成。气体发生装置包括由采用多孔镍网的惰性电极3、采用K2CO3的液体电解质2和离子导电聚合物修饰氧电极组成的气体发生单元、过滤层和加液瓶11。气体扩散电极1采用聚四氟乙烯和乙炔黑制成防水层6、活性炭载钙钛矿制成催化层4、多孔镍网作为集流体5，采用全氟磺酸树脂掺入少量全氟羧酸树脂作为修饰层7；电源采用1.0-1.4V限压(限制在1.4V以下)整流开关电源，最大工作电流80A；过滤层由防水透气层8、硼砂层9和活性炭层10组成；控制电路的构成由电压、电流调节功能电路；短路保护功能电路；温度、压力控制功能电路及流量显示功能部件组成。
本实例氧气发生器设计指标和参数1、产气量计算产气量由法拉弟定律可计算产气量Q＝I总×t×22.4/(60×F×N)(升/分)其中F＝4(迁移电子数)N＝26.8(常数)t＝小时数I总＝总电流数将公式化简为Q＝3.48×I总(ml/min)2、气体发生装置电压设计范围在1.0～1.4之间。
3、电流密度根据空气电极性能确定。一般选50～60mA/cm2，本电极选80～100mA/cm2，便于缩小体积。
4、工作温度为常温到50℃之间。
5、电解液可选择K2CO3、KOH、Na2CO3、NaOH、K2SO4等，KOH、NaOH碱性强，且难密封，Na2CO3、K2SO4效率低，故选K2CO3最佳。浓度在28％最理想，考虑到液体蒸发，选23％-25％之间，纯度越高越好，一般选用AR级。本实例使用天津化学试剂三厂AR级无水K2CO3产品，用蒸馏水稀释至23％作为电解液。
6、气体混配人体吸氧为35％-40％富氧，医用氧国家标准规定混配前纯度大于99.5％。
混配比例纯氧∶空气＝1∶4.267(36％)纯氧∶空气＝1∶4.65(35％)本实例采用电源用1-1.4V电源设计制氧机，可产富氧用于保健槽压1.25V，可由1只开放式平面电解槽，总电流40A(最大可至80A)。
产气量Q＝3.48×40＝139.2ml/min。
混配为36％的富氧QL＝Q×(1+4.267)＝733.17ml/min。
7、电源的选择采用限压恒流电源，电压和电流根据产品设计确定，电压波动＜0.5％。
8、控制电路板采用常规的电控单元。
惰性电极应选择电阻小、比表面积大、耐氧化的材料，最佳采用流线槽的涂钌钛电极，但价格高。本实例选用镍网和多孔镍片。
权利要求
1.一种利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法，其特征在于以无孔、少孔的离子导电聚合物修饰氧电极、电解质及惰性电极构成气体发生单元，来产生氧气；该离子导电聚合物修饰氧电极是在由催化层、集流体和防水层组成的多孔气体扩散电极上再覆盖一层离子导电聚合物；
2.根据权利要求1所述的利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法，其特征在于上述离子导电聚合物中可掺杂无机离子导电体。上述电解质可以采用碱溶液，也可采用盐溶液。
3.一种根据上述利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法所用的制氧装置，其特征在于由气体发生装置、电源和控制电路板组成；气体发生装置包括由离子导电聚合物修饰氧电极、电解质及惰性电极构成的气体发生单元、过滤层和加液瓶；离子导电聚合物修饰氧电极由催化层、集流体、防水层和离子导电聚合物修饰层组成；过滤层依次由防水透气层、硼砂层和活性炭层组成；控制电路的输入端与修饰电极连接，输出端与电源的负极连接，电源的正极与惰性电极连接。
4.根据权利要求3所述的根据上述利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法所用的制氧装置，其特征在于上述控制电路由电压、电流调节功能电路、短路保护功能电路、温度、压力控制功能电路及流量显示功能部件组成。
全文摘要
一种利用离子导电聚合物修饰氧电极的制氧方法，以无孔、少孔的离子导电聚合物修饰氧电极、电解质及惰性电极构成气体发生单元，来产生氧气；该离子导电聚合物修饰氧电极是在由催化层、集流体和防水层组成的多孔气体扩散电极上再覆盖一层离子导电聚合物；该方法所用的制氧装置由气体发生装置、电源和控制电路板组成；气体发生装置由气体发生单元、过滤层和加液瓶组成；控制电路的输入端与修饰电极连接，输出端与电源的负极连接，电源的正极与惰性电极连接。本发明的优点是1.性能可靠，可长时间连续工作；2.体积小；由于可在100－140mA/cm
文档编号C25B9/10GK1510171SQ0215856
公开日2004年7月7日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者张勇, 杨林, 范清杰, 周恩财, 勇 张 申请人:张勇, 杨林, 勇 张