[发明专利]一种基于空气制氧的电解质膜以及制氧方法

说明书

本发明公开了一种基于空气制氧的电解质膜，包括电解质层、以及位于电解质层两侧的作为空气侧电极层的阴极电极和作为氧气侧电极层的阳极电极；所述阴极电极和阳极电极的组成成分相同。此外，还公开了采用上述电解质膜的制氧方法及其制得的氧气产品。本发明电解质膜的离子导电性具有100％的选择性，电解质膜致密，能够方便高效地得到纯氧，并且装置组件生产简单、成品率高、能耗低，从而突破了尖端产业对高纯氧气需求的技术瓶颈。

技术领域

本发明涉及固态离子学领域，尤其涉及一种基于空气制氧的电解质膜以及制氧方法。

背景技术

氧气是一种重要的化工产品，在炼钢工业、医疗卫生、航空航天、富氧燃烧、燃料电池、以及化学工程等领域具有重要的应用。目前世界上大部分的制氧企业使用空气液化分离方法，原理是利用空气中各组分沸点差异进行分馏，这种方法在对空气进行压缩的过程中会消耗大量的电能，制氧成本非常高。近年发展起来的变压吸附分离空气的方法效率有所提高，但受反应原理所限，最高只能得到93％左右纯度的氧气，产品品质较低，只能适用于普通工业生产。而基于电子、离子混合导体的透氧膜制氧技术虽然理论上可以得到纯氧，但需要采用真空泵从纯氧一侧抽取氧气，然后再加压得到常压氧气。真空泵、增压泵和预热系统会耗费大量能量，而且由于空气中氧分压只有0.21，透氧膜两侧需要承受5倍以上的压强差才可实现氧的有效分离。这对透氧膜的强度提出了很高的要求，但透氧膜的强度与厚度呈正比，而透氧量又与厚度呈反比，这两者的调和难度很高，致使透氧膜良品率低，难以实现产业化。此外，电解水或水蒸气制氧也是一种理论上可行的方法，但电解过程耗能巨大，而作为产物之一的氢气储运困难，其使用量和使用环境与氧气不匹配，制约了电解水制氧的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制氧高效便捷的基于空气制氧的电解质膜，以获得纯度高、供应稳定的氧气，提高氧气的应用层次，扩展氧气的应用范围，从而突破尖端产业对高纯氧气需求的技术瓶颈。本发明的另一目的在于提供采用上述电解质膜的制氧方法及其制得的氧气产品。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种基于空气制氧的电解质膜，包括电解质层、以及位于电解质层两侧的作为空气侧电极层的阴极电极和作为氧气侧电极层的阳极电极；所述阴极电极和阳极电极的组成成分相同。

进一步地，本发明所述电解质层的成分为以下物质的一种或其组合：

钇稳定氧化锆(YSZ)(Y₂O₃)_x(ZrO₂)_1-x，x＝0.03～0.08、

钪稳定氧化锆(ScSZ)(Sc₂O₃)_x(ZrO₂)_1-x，x＝0.08～0.11、

Gd掺杂氧化铈(GDC)Gd_xCe_1-xO_2-0.5x，x＝0.1～0.4、

Sm掺杂氧化铈(SDC)Sm_xCe_1-xO_2-0.5x，x＝0.1～0.4、

Sr和Mg共掺杂的镓酸镧(LSGM)La_0.8Sr_0.2Ga_0.9Mg_0.1O₃、

Er掺杂氧化铋(ESB)(Er₂O₃)_x(Bi₂O₃)_1-x，x＝0.1～0.3。

进一步地，本发明所述阴极电极/阳极电极的成分为以下物质的一种或其组合：