一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜以及制氧方法及其制得的氧氣產(chǎn)品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固態(tài)離子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜以及制氧方 法及其制得的氧氣廣品。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧氣是一種重要的化工產(chǎn)品，在煉鋼工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、富氧燃燒、燃料電 池、以及化學(xué)工程等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。目前世界上大部分的制氧企業(yè)使用空氣液化分 離方法，原理是利用空氣中各組分沸點(diǎn)差異進(jìn)行分餾，這種方法在對(duì)空氣進(jìn)行壓縮的過(guò)程 中會(huì)消耗大量的電能，制氧成本非常高。近年發(fā)展起來(lái)的變壓吸附分離空氣的方法效率有 所提高，但受反應(yīng)原理所限，最高只能得到93%左右純度的氧氣，產(chǎn)品品質(zhì)較低，只能適用 于普通工業(yè)生產(chǎn)。而基于電子、離子混合導(dǎo)體的透氧膜制氧技術(shù)雖然理論上可以得到純氧， 但需要采用真空栗從純氧一側(cè)抽取氧氣，然后再加壓得到常壓氧氣。真空栗、增壓栗和預(yù)熱 系統(tǒng)會(huì)耗費(fèi)大量能量，而且由于空氣中氧分壓只有0.21，透氧膜兩側(cè)需要承受5倍以上的 壓強(qiáng)差才可實(shí)現(xiàn)氧的有效分離。這對(duì)透氧膜的強(qiáng)度提出了很高的要求，但透氧膜的強(qiáng)度與 厚度呈正比，而透氧量又與厚度呈反比，這兩者的調(diào)和難度很高，致使透氧膜良品率低，難 以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。此外，電解水或水蒸氣制氧也是一種理論上可行的方法，但電解過(guò)程耗能巨 大，而作為產(chǎn)物之一的氫氣儲(chǔ)運(yùn)困難，其使用量和使用環(huán)境與氧氣不匹配，制約了電解水制 氧的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制氧高效便捷的基于空氣制氧 的電解質(zhì)膜，以獲得純度高、供應(yīng)穩(wěn)定的氧氣，提高氧氣的應(yīng)用層次，擴(kuò)展氧氣的應(yīng)用范圍， 從而突破尖端產(chǎn)業(yè)對(duì)高純氧氣需求的技術(shù)瓶頸。本發(fā)明的另一目的在于提供采用上述電解 質(zhì)膜的制氧方法及其制得的氧氣產(chǎn)品。
[0004] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0005] 本發(fā)明提供的一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，包括電解質(zhì)層、以及位于電解質(zhì)層 兩側(cè)的作為空氣側(cè)電極層的陰極電極和作為氧氣側(cè)電極層的陽(yáng)極電極；所述陰極電極和陽(yáng) 極電極的組成成分相同。
[0006] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述電解質(zhì)層的成分為以下物質(zhì)的一種或其組合：
[0007] 釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ) (Y2O3) x (ZrO2)丨 x，X = 0· 03 ~0· 08、
[0008] 鈧穩(wěn)定氧化鋯（ScSZ) (Sc2O3) x (ZrO2) i x，X = 0. 08 ~0. 11、
[0009] Gd 摻雜氧化鈰（⑶C) GdxCe1 x02 0.5x，X = 0· 1 ~0· 4、
[0010] Sm 摻雜氧化鈰（SDC) Sm ,Ce1 x02 Q.5x，X = 0· 1 ~0· 4、
[0011] Sr 和 Mg 共摻雜的鎵酸鑭（LSGM) Laa sSr0.2Ga0.9Mga A、
[0012] Er 摻雜氧化鉍（ESB) (Er2O3) x (Bi2O3)! x，x = 0· 1 ~0· 3。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述陰極電極/陽(yáng)極電極的成分為以下物質(zhì)的一種或其組合：
[0014] (LSM) La1 xSrxMn03, X = 0· 2 ~0· 4、
[0015] (LSC) La1 xSrxCo03, X = 0· 2 ~0· 4、
[0016] (LSF) La1 xSrxFe03, X = 0· 2 ~0· 4、
[0017] (LSN) La1 xSrxNi03, X = 0· 2 ~0· 4、
[0018] (NN) Nd2NiO4^
[0019] (SFM) Sr2Feh5Moa5O6, X = 0· 2 ~0· 4。
[0020] 上述方案中，本發(fā)明所述電解質(zhì)層的相對(duì)密度大于96%。所述電解質(zhì)層的厚度為 5~200 μ m、陰極電極和陽(yáng)極電極的厚度分別為20~200 μ m。
[0021] 本發(fā)明的另一目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0022] 本發(fā)明提供的采用上述電解質(zhì)膜的制氧方法，將所述電解質(zhì)膜的陰極電極的一面 置于空氣側(cè)，對(duì)其施加陰極電位，空氣中的氧氣得到電子而變?yōu)檠蹼x子；所述氧離子透過(guò) 電解質(zhì)膜到達(dá)陽(yáng)極電極后，失去電子而被氧化為氧氣；所述電解質(zhì)膜的工作溫度為500~ 1000°C，工作電壓為50~300mV。
[0023] 利用上述制氧方法制得的氧氣產(chǎn)品，所述氧氣純度為99. 90~99. 99%。
[0024] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] (1)本發(fā)明電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性具有100 %的選擇性，電解質(zhì)膜致密，空氣中的 氮?dú)饧捌渌s質(zhì)不能透過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)純氧一側(cè)，從而方便高效地得到純氧，每小時(shí)制氧 量為 83 ~125ml h km2。
[0026] (2)解決了普通透氧膜（例如Ba1 xSrxC〇03)需要承受5倍以上壓強(qiáng)差的難題，使膜 材料的強(qiáng)度要求大大下降，反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)難度也顯著降低。
[0027] (3)由于能斯特電壓（理論電壓）不到50mV，加上裝置在工作溫度下電極的活性 非常高，過(guò)電位小，實(shí)際電解電壓（工作電壓）小于0.3V，制氧能耗顯著降低。
[0028] (4)與電解水蒸氣的反應(yīng)裝置相比，本發(fā)明不僅具有上述能耗低的優(yōu)點(diǎn)，而且不受 氫氣處置的限制。而且，兩邊電極材料均處于氧化性氣氛，對(duì)電極材料和電解質(zhì)材料的要求 大大放寬。
[0029] (5)電解質(zhì)膜兩側(cè)電極均處于氧化性氣氛，不存在燃燒、爆炸等危險(xiǎn)，對(duì)裝置密封 的要求顯著下降。
[0030] (6)裝置組件生產(chǎn)簡(jiǎn)單、成品率高，有利于降低成本。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
[0032] 圖1是本發(fā)明電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖中：電解質(zhì)層1，陰極電極2，陽(yáng)極電極3
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，如圖1所示，包括電解質(zhì)層1、以及 位于電解質(zhì)層兩側(cè)的作為空氣側(cè)電極層的陰極電極2和作為氧氣側(cè)電極層的陽(yáng)極電極3。 其中，電極層其陰極電極2、陽(yáng)極電極3的成分相同。
[0035] 本發(fā)明各實(shí)施例電解質(zhì)膜其電解質(zhì)層和電極層的成分組成如表1所示。
[0036] 表1本發(fā)明各實(shí)施例電解質(zhì)膜其電解質(zhì)層和電極層的成分組成
[0039] 各物質(zhì)成分的Wt %為在電解質(zhì)層/電極層中所占的含量。
[0040] 本發(fā)明采用上述實(shí)施例電解質(zhì)膜的制氧方法如下：將電解質(zhì)膜的陰極電極的一面 置于空氣側(cè)，對(duì)其施加陰極電位，空氣中的氧氣得到電子而變?yōu)檠蹼x子：〇2+4e = 202 ;氧離 子透過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)對(duì)電極（陽(yáng)極電極）后，失去電子而被氧化為氧氣：202 _4e = 02;其 中，電解質(zhì)層為一層或一層以上，電解質(zhì)層的總厚度為5~200 μm，陰極電極和陽(yáng)極電極的 厚度分別為20~200 μ m ;電解質(zhì)膜的工作溫度為500~KKKTC，工作電壓為50~300mV。
[0041] 本發(fā)明各實(shí)施例制氧方法其工作參數(shù)和制氧效果分別如表2、表3所示。
[0042] 表2本發(fā)明各實(shí)施例制氧方法的工藝參數(shù)
[0043]
[0044] *電極層厚度為陰極電極、陽(yáng)極電極各自的厚度。
[0045] 表3本發(fā)明各實(shí)施例制氧方法的制氧效果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：包括電解質(zhì)層（I)、以及位于電解質(zhì)層 (1) 兩側(cè)的作為空氣側(cè)電極層的陰極電極（2)和作為氧氣側(cè)電極層的陽(yáng)極電極（3);所述陰 極電極（2)和陽(yáng)極電極（3)的組成成分相同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：所述電解質(zhì)層（1) 的成分為以下物質(zhì)的一種或其組合： ?乙穩(wěn)定氧化錯(cuò)（Y2O3)x(ZrO2)1x，X= 0. 03 ~0. 08、 鈧穩(wěn)定氧化錯(cuò)（Sc2O3)x(ZrO2)1x，X= 0? 08 ~0? 11、 Gd摻雜氧化鋪GdxCe1x02 〇.5x，X= 0? 1 ~0? 4、 Sm摻雜氧化鋪SmWe1x02 〇.5x，X= 0? 1 ~0? 4、 Sr和Mg共摻雜的鎵酸鑭LaasSra2Gaa9MgaiO;^ Er摻雜氧化祕(mì)（Er2O3)x(Bi2O3)1x，X= 0? 1 ~0? 3。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：所述陰極電極（2)/ 陽(yáng)極電極（3)的成分為以下物質(zhì)的一種或其組合： La1xSrxMn03,X= 0. 2 ~0. 4、 La1xSrxCo03,X= 0. 2 ~0. 4、 La1xSrxFe03,X= 0. 2 ~0. 4、 La1xSrxNi03,X= 0. 2 ~0. 4、 Nd2NiO4^ Sr2Feh5Moa5O6,X= 0. 2 ~0. 4。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：所述電解質(zhì)層（1) 的相對(duì)密度大于96%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：所述電解 質(zhì)層⑴的厚度為5~200ym。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，其特征在于：所述陰極電極 (2) 和陽(yáng)極電極（3)的厚度分別為20~200ym。7. 采用權(quán)利要求1-6之一所述電解質(zhì)膜的制氧方法，其特征在于：將所述電解質(zhì)膜的 陰極電極（2) -面置于空氣側(cè)，對(duì)其施加陰極電位，空氣中的氧氣得到電子而變?yōu)檠蹼x子； 所述氧離子透過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陽(yáng)極電極（3)后，失去電子而被氧化為氧氣；所述電解質(zhì)膜 的工作溫度為500~1000°C，工作電壓為50~300mV。8. 利用權(quán)利要求7所述制氧方法制得的氧氣產(chǎn)品。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的氧氣產(chǎn)品，其特征在于：所述氧氣純度為99. 90~99. 99%。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空氣制氧的電解質(zhì)膜，包括電解質(zhì)層、以及位于電解質(zhì)層兩側(cè)的作為空氣側(cè)電極層的陰極電極和作為氧氣側(cè)電極層的陽(yáng)極電極；所述陰極電極和陽(yáng)極電極的組成成分相同。此外，還公開了采用上述電解質(zhì)膜的制氧方法及其制得的氧氣產(chǎn)品。本發(fā)明電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性具有100％的選擇性，電解質(zhì)膜致密，能夠方便高效地得到純氧，并且裝置組件生產(chǎn)簡(jiǎn)單、成品率高、能耗低，從而突破了尖端產(chǎn)業(yè)對(duì)高純氧氣需求的技術(shù)瓶頸。
【IPC分類】H01M4/86, H01M8/10
【公開號(hào)】CN105226295
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510575817
【發(fā)明人】劉備之
【申請(qǐng)人】劉備之
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月10日