高效制氧裝置的製作方法
2023-12-01 18:42:51
專利名稱：高效制氧裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是屬於電化學領域的最新實用成果，它可用作家庭醫療保健吸氧器，一定空間範圍內的氧調器。
已有的制氧技術主要有三類；一是物理法，即液化空氣分離法和吸附分離法；二是化學法，即利用過氧化物的化學分解反應產生氧氣；三是電化學法，如隔膜法電解水，在陰極產生氫氣，在陽極產生氧氣(參見中國專利CN90226455.6、CN89202177.2、CN93245199.4)。這種電解水法，槽電壓高，能耗大，結構複雜，且氧氣中易混入氫氣，氫氣的大量逸出又導致不安全。近年來另一種電解法制氧技術問世。該技術是將鋅空氣電池(或燃料電池)的空氣電極移到電解水的裝置中，取代電解水的析氫電極，用氧還原代替析氫反應，而陽極反應與電解水相同，即陽極反應陰極反應從而得到高氧(＞99.5％)的純氧。這一電化學制氧裝置稱為無氫制氧機。
現有的無氫制氧機主要存在兩大問題1、制氧速度較低。例如中國專利CN94243624.5、CN94216000.2中所述的裝置，工作電流密度為5A/dm2，每平方分米陽極的制氧速度為16～20ml/min。其因是空氣電極對氧的析出速度沒有直接貢獻，僅僅作為「無氫」電極而已。
2、整機結構不嚴謹，對核心部件(電解槽)缺乏有效的保護措施。具體表現在以下四個方面；(1)沒有淨化空氣二氧化碳的措施，導致電解質溶液易「碳酸化」，縮短電極壽命。
(2)在非使用狀態(包括搬運狀態)下，對電解槽沒有採取密封保護措施，其後果非但使溶液易「碳酸化」，還會因水分蒸發速度得不到抑制而使電解液貧水。
(3)、電解槽無缺水報警提示裝置。
(4)、沒有可保證空氣在炭電極表面均勻分布的技術措施，因而電極表面的電流分布不均勻，影響制氧速度和電極使用壽命。
針對現有的無氫制氧機存在上述問題，本實用新型提供一種包括透氣膜、催化膜、導電網的空氣炭電極，電解槽裡的催化分解網置於金屬陽極之後的高效制氧裝置。
本實用新型具有陽極組件1、金屬陽極組件2、電解槽5、空氣淨化裝置11、氧氣洗氣瓶12等組成的高效制氧裝置，其電極和電解槽的特徵在於a、陰極組件1是採用空氣炭電極，包括透氣槽、催化膜、導電網，催化膜是由焦碳(石墨)與活性炭混碾而成；b、電解槽裡安置了γ-MnO2催化分解網3，催化分解網置於金屬陽極之後；c、電解槽的上方設有由檢測探頭和提示原件組成的液位檢測裝置9。電解槽外設有密封倉，密封倉的底部和上部設計了空氣氣流阻尼裝置。設計了非使用狀態下的氣路全密閉裝置，由鎖緊開關和正門組成。空氣入口處設置了二氧化碳淨化裝置。所述的電解槽可製成單槽或多槽串聯的電解裝置。所述的電解槽的側面設在透明的液位觀察窗6和加液口7。
為了提高制氧速度(效率)，獲得較大抽制氧量，我們在電極的微觀和宏觀構造方面採取了以下三種獨特的技術方案(1)在焦炭(或石墨)微粉中嵌入活性炭(兩者比例7∶3)作為製備催化膜的基本原料。應用於態溼態混輾工藝使之有效嵌雜，使微粉均勻地分布在活性炭的微粒表面，以增加催化膜的微吸附中心和目標反應位，促使氧在催化膜表面的還原向生成HO2-離子的方向進行，即
催化膜用碾片機(市面有售)將粉料反覆碾壓而成。膜和電極的成型工藝與常規相同(與鋅空氣電池電極的製作基本相同)。
(2)採用正極靠近空氣電極，催化分解網置於正極之後的特殊的電極空間配置方式(見圖1)。
我們採用這種前無一例的電極空間構造方式，使陰極產物HO2-離子的分解機制發生了重要的改變。即是；空氣電極表面產生HO2-之後，通過電遷、擴散的傳質作用，使大部分HO2-直接在陽極表面發生電化學氧化，成為陽極的主要電化反應陽極成了HO2-的主要反應場所。因溶液對流作用而離散溶液中少量的HO2-離子(約10-15％)在催化分解網上發生化學催化分解
(3)用於催化HO2-分解的催化分解網是用γ型微晶電解MnO2直接組裝在網絡結構的材料中構成的。單位面積用量為20-30g/dm2。這種具有「原裝」型構造的催化分解網有益於充分發揮MnO2表面固有高催化活性對HO2-離子的快速分解作用。
由於採用了以上技術措施，本制氧系統造氧性能有明顯提高。上述技術措施(1)、(3)的共同效應使每平方分米的電極(陽極和陰極同面積)可產出24-30ml/min(純度＞99.5％)(工作電流密度為5A/dm2)，比上述無氫制氧機高40-60％。由於技術措施(2)的功效，單槽電壓(電流密度為5A/dm2)為1.0-1.15伏，比同類產品降低9-10％，對穩定製氧速度起到了一定的作用。
為了保護裝置的核心部件，提高制氧裝置的使用壽命，在電解槽和整機結構方面我們採取了以下技術措施(1)在空氣入口處設置由「四氟鹼膜和鹼石灰」聯合作用的二氧化碳淨化裝置(見圖2)。
(2)電解槽組放入密封倉內，該密封倉的底部和上部設計了空氣氣流阻尼裝置(見圖1)以利於空氣在炭電極的表面均勻分布。
(3)設計了非使用狀態(包括搬運狀態)下新穎的氣路全密閉的裝置(見圖3)。該裝置集氣路的通與閉、電源的開與關、氧氣的啟用與復位三個功能於一體，僅需一次動作即可實現三個功能同步轉換。
(4)在電解槽上部安裝了「微電解池」液位檢測報警裝置(見圖1、圖4)。一旦出現報警，用戶可通過透明液位觀察窗查找貧水的電解槽，以便及時補充水份。
由於採用了上述措施(1)、(2)、(3)使電解槽失永速度降低，特別是鹼液碳酸現象了明顯的改善，同未採用這些措施的電解槽相比，碳酸化速度減小80％以上。技術措施(4)確保了裝置安全運行的可靠性。
圖1是電解槽結構示意圖。
圖2是空氣淨化裝置結構示意圖。
圖3是氣路密閉裝置圖。
圖4是失水報警提示系統電路控制方框圖。
圖中，1是空氣炭電極，2是金屬陽極，3是催化分解膜，4是密封倉，5是電解槽，6是液位觀察窗，7是電解液注入口，8是出氣口，9是報警提示裝置，10是送氣裝置，11是空氣淨化裝置，12是洗氣瓶。
本實用新型的高效制氧裝置具有如下優點(1)、制氧速度快；(2)、氧氣純度高；(3)、設備使用壽命長。
權利要求1.一種具有陰極組件1、金屬陽極組件2、電解槽5、空氣淨化裝置11、氧氣洗氣瓶12等組成的高效制氧裝置，其特徵在於a、陰極組件1是採用空氣炭電極，包括透氣槽、催化膜、導電網，催化膜是由焦碳(石墨)與活性炭混碾而成；b、電解槽裡安置了γ-MnO2催化分解網3，催化分解網置於金屬陽極之後；c、電解槽的上方設有由檢測探頭和提示原件組成的液位檢測裝置9；
2.根據權利要求1所述的高效制氧裝置，其特徵在於電解槽外設有密封倉，密封倉的底部和上部設計了空氣氣流阻尼裝置。
3.根據權利要求1所述的高效制氧裝置，其特徵在於設計了非使用狀態下的氣路全密閉裝置，由鎖緊開關和正門組成。
4.根據權利要求1所述的高效制氧裝置，其特徵在於空氣入口處設置了二氧化碳淨化裝置。
5.根據權利要求1所述的高效制氧裝置，其特徵在於所述的電解槽可製成單槽或多槽串聯的電解裝置。
6.根據權利要求1所述的高效制氧裝置，其特徵在於所述的電解槽的側面設有透明的液位觀察窗6和加液口7。
專利摘要本實用新型是一種電化學制氧機。它是由空氣炭電極、金屬陽極、催化分解網、電解槽、密封倉、液位檢測探頭及報警提示裝置、空氣淨化裝置、恆流直流電源等部件組成。裝置內部的電極反應機制有別於同類制氧機。催化膜的選材和微觀形態及電極的空間排布方式十分獨特。整機的結構嚴謹科學。一系列行之有效的技術措施不僅保持了同類制氧機產氧純度高(>99.5%)的優點,更重要的是實現了雙極出氧,明顯提高了制氧效率(單位面積出氧速度比同類機大40—60%)降低槽電壓9～10%,有益於產品的使用壽命。
文檔編號C25B1/04GK2310078SQ9720863
公開日1999年3月10日 申請日期1997年1月28日 優先權日1997年1月28日
發明者蔡乃才, 吳克儉, 夏建國 申請人:東莞市森野實業發展有限公司