[发明专利]电化学反应装置及生产氧气的方法

说明书

本发明提供一种电化学反应装置及生产氧气的方法。在一个实施例中，电化学反应装置包括，阳极组件和阴极组件，阳极组件包括阳极侧流场板，所述阳极侧流场板包括阳极流场，所述阳极流场用于向所述阳极侧供给H₂O；阴极组件包括阴极侧流场板，所述阴极侧流场板包括阴极流场，所述阴极流场用于向所述阴极扩散层供给O₂，以及所述阴极流场板的流场上设置有含铂催化剂。该电化学反应装置具有响应快、产氧纯度高、灵活便携和使用安全等优点。

技术领域

本发明属于电化学工程领域，具体涉及一种电化学反应装置及生产氧气的方法。

背景技术

氧气作为空气中的主要成分之一，用于冶炼工艺，化学工业，国防和医疗等多个方面。在储运和使用方面，氧气的常用模式是基于气体钢瓶运输。

现主要的制氧模式分为分离液态空气法、分子筛吸附法、电解制氧三种途径。分离液态空气法主要应用于大规模的工业制氧，利用空气组分的沸点不用，将氧气从空气中分离。分离液态空气法需要大型的成套设备和严格的安全操作技术，单位时间产氧量高，且所消耗的原料来源广泛、低廉。但是在其应用于医疗行业时，额外的运输过程是不便的。作为医院的常用制氧设备，分子筛吸附法占地面积小，产出氧气纯度高，能直接应用于病房，但是响应时间较长，从启动到氧气产出需要半个小时的缓冲时间，而且长时间产氧后，分子筛吸附的氮气增多，产出的氧气纯度会下降。另一种辅助制氧技术为电解制氧，电解制氧只需有支持电解质，通入电即可产生氧气。响应速度快，纯度高是电解制氧的主要优点，但是电解制氧伴随产生氢气是易燃气体，需要额外的处置程序，增加了成本。

发明内容

本发明提供了一种可用于生产氧气的电化学反应装置。在一个实施方案中，该反应装置的向阳极提供H₂O，向阴极提供空气，阳极和阴极发生如下电化学反应：

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

阴极：O²+4H⁺+4e^-→2H₂O

从而在阳极处收集到高纯度的氧气。

另外，上述电化学反应装置的阴极流场内还设置有含铂催化剂。在电化学反应装置工作过程中，可能会有少量的水从阳极侧穿透隔膜渗入阴极侧，而水在阴极侧会发生析氢反应(HER反应)，导致阴极产生氢气，这些氢气混入氧气中，降低了氧气的纯度。在阴极流场内设置含铂催化剂有助于将阴极产生的氢气催化氧化为水，从而提高了氧气纯度。另外，含铂催化剂还有助于防止阴极流场表面生成二氧化钛钝化层(二氧化钛钝化层会增大接触电阻)。

本发明第一方面提供一种电化学反应装置，包括，

质子交换膜，所述质子交换膜包括阴极侧和阳极侧；

阳极催化剂层，所述阳极催化剂层位于所述质子交换膜的阳极侧，所述阳极催化剂层含有析氧催化剂(OER催化剂)；

阴极催化剂层，所述阴极催化剂层位于所述质子交换膜的阴极侧，所述阴极催化剂层含有氧还原催化剂(ORR催化剂)；

阳极组件，所述阳极组件包括阳极侧流场板，所述阳极侧流场板包括阳极流场，所述阳极流场用于向所述阳极侧供给H₂O；

阴极组件，所述阴极组件包括阴极侧流场板，所述阴极侧流场板包括阴极流场，所述阴极流场用于向所述阴极扩散层供给O₂，以及所述阴极流场板的流场上设置有含铂催化剂。

在一些实施方案中，采用电镀的方法阴极流场板的表面沉积铂催化剂。电镀液为5～10mmol/L氯铂酸溶于0.1mmol/L硫酸溶液。在- 0.15V～0.5Vvs.Ag/AgCl电位下电沉积60～600秒。