[发明专利]从含氧气体混合物中分离氧气的方法和用于实施该方法的装置

说明书

本发明涉及一种从含氧气体混合物中分离氧气的方法和用于实施该方法的装置。

在应用固体-电解质电化学电池从空气或含氧气体混合物分离氧气的领域中，可以使用各种电解质-电极对。这种基本电池的操作原理如图1所示。

所述气体混合物中的氧分子在阴极(C)被还原成O^2-离子，然后，在电场作用下，穿过不透气的固体电解质(E)，在电池的另一侧，这些离子在阳极(A)被氧化成氧分子。电池的性能取决于电解质的离子传导性能以及电极材料在操作温度下还原氧或氧化O^2-离子的能力。

用于从空气中分离氧气的大多数固体电解质是被稳定过的(如用钇稳定的)氧化锆。这些化合物可以在700-800℃下工作(公开在US4879016中)。

一类由Bi₄V₂O₁₁衍生的新氧化物被公开在WO 91/01274中，其中钒的可变部分被一种元素取代，例如，碱土金属、过渡金属、稀土或元素周期表中III至V族的元素。这些氧化物是O^2-离子导体，在500℃下，其阴离子传导性能与稳定过的氧化锆在800℃下的该性能处于同一数量级上。

Bi₄V₂O₁₁中组成元素的部分取代稳定了γ相的结构，在O^2-离子晶格中，维持了足够高的空穴浓度以允许阴离子传导。因此，其涉及基本上是两维传导，Bi_2-xM_xO₂层中的氧原子与铋原子紧密结合，它们本身是不能移动的。

这些相的阴离子传导性能良好，在约200℃下达到10^-3Ω^-1.cm^-1。

这些衍生物通常统称为BIMEVOX。

然而，尽管以BIMEVOX为基础的电解质允许O^2-离子在低温(300℃)下通过其厚度迁移，但是，通常所连接的金属电极(Au、Pt)是低通量电极，不允许与其接触的氧分子发生适当催化分解。此外，这种电极的结构本身大大降低了电极/电解质界面的可展曲面积。而且，当这些电极与不是以BIMEVOX为基础的传统电解质例如与由掺杂剂如钇或钙稳定的氧化锆一起使用时，或当与非掺杂或用镁、钙、钇或铒等掺杂的氧化铋Bi₂O₃一起使用时，也发现了这种缺点。

第一步是生产一种容积电极，容积电极定义为一种能够进行离子和电子混合传导的材料。这一发明公开在WO 95/32050中。在容积电极中，至少有两种组分，即一种BINEVOX和一种作为电子导体的金属或金属氧化物。这些组分经过共同烧结，以便制成电极。这些组分的相应粒径以及烧结时间的确定应使得复合层的结构具有足够的孔隙，以允许氧气扩散到相应的空间中。在本发明中，BIMEVOX确保与电解质的化学和物理相容性和氧气催化离解，同时金属或金属氧化物具有将由集电器带给电极表面的电子分布到这种复合电极的整个三维结构中的功能。

然而，现有技术中描述的装置不能给出令人十分满意的结果以便在工业和商业规模上开发。本申请人试图开发一种使用BIMEVOX衍生物并且不存上所述缺点的新方法。

本发明的主题是一种使用固体-电解质电化学电池从含氧气体混合物中分离氧气的方法，其特征在于所述电池包括由一种或多种BIMEVOX衍生物组成的带有就地产生的可逆和自适应动态电极的均质结构和至少两个集电器。

在上述定义中，均质结构可以理解为不同于现有技术的装置，由固体电解质和两个连接到集电器上的电极组成，所述电极可以在物理结构上不同于所述电解质，按照这一方法，形成本发明主题的电池是一种或多种BIMEVOX衍生物的芯，这种衍生物既作为电解质又作为电极发挥作用。

在上述定义中，本领域技术人员可以理解集电器与电极之间的区别，集电器的作用仅在于通过使电子达到阴极并在阳极使之集合到一起而使电流流动，电极的作用是对电化学离解进行催化。

在上述定义中，就地产生的动态电极应理解为在阴极侧由于转化导致的电子传导：

                   钒^V→钒^IV

在上述定义中，就地产生应理解为仅仅通过在所述装置的相对表面施加一个非零电势差，均质结构才变成电极/电解质/电极结构，下文将其称为所述结构的“电极区”和“电解质区”。