用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱

摘要

本实用新型提供了一种用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱。用于电解除氧装置的阴极包括：催化膜，催化膜由前驱体通过压制处理制成；且前驱体包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，其中，催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷构成的物质组。由于碳颗粒具备导电性，且铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属能够促进氧的吸附和还原，因此，利用碳颗粒和催化颗粒相结合，本实用新型提供了一种新的用于电解除氧装置的阴极，其具备明显提高的电催化性能，从而有利于提高阴极的电化学反应速率。

说明书

技术领域

本实用新型涉及制冷设备，特别是涉及用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱。

背景技术

电解除氧装置是一种用于在电解电压的作用下发生电化学反应以消耗氧气的装置。电解除氧装置具有阴极和阳极，其阴极利用氧气作为反应物进行电化学反应，从而起到消耗氧气的作用。

发明人认识到，阴极的性能优劣是影响电解除氧装置的除氧效率的关键因素。部分现有技术中，直接采用石墨作为阴极，电催化性能较低，电化学反应速率较慢，导致除氧效率低下。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是要克服现有技术中的至少一个技术缺陷，提供一种用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱。

本实用新型一个进一步的目的是要提供一种新的用于电解除氧装置的阴极，提高阴极的电催化性能，从而提高阴极的电化学反应速率。

本实用新型再一个进一步的目的是要提高用于电解除氧装置的阴极的导电性。

本实用新型另一个进一步的目的是要提高用于电解除氧装置的阴极的有效活性面积。

本实用新型又一个进一步的目的是要使得用于电解除氧装置的阴极具备防水透气性能。

特别地，根据本实用新型的一方面，提供了一种用于电解除氧装置的阴极，包括：催化膜，催化膜由前驱体通过压制处理制成；且前驱体包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，其中，催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷构成的物质组。

可选地，碳颗粒包括亲水性碳颗粒；且催化颗粒沉积在亲水性碳颗粒上，并且催化颗粒配置成分散于含亲水性碳颗粒的水溶液中，以沉积在亲水性碳颗粒上。

可选地，催化膜为多孔膜，其形成有用于供气体通过的通气孔；且碳颗粒还包括疏水性碳颗粒；疏水性碳颗粒配置成分散于亲水性碳颗粒中，以使催化膜形成通气孔。

可选地，催化颗粒的粒径小于等于50微米。

可选地，前驱体还包括粘合剂，分散于碳颗粒中，且配置成促使前驱体在预设温度下经压制处理形成三维网状结构。

可选地，阴极还包括：集流网，设置于催化膜的一侧，且集流网的材质为镍或钛。

可选地，阴极还包括：第一防水透气膜，设置于集流网与催化膜之间，且其内部形成有仅供气体通过的第一毛细孔，第一毛细孔配置成在与电解液接触时形成第一弯月面。

可选地，阴极还包括：第二防水透气膜，设置于集流网背朝催化膜的一侧，且其内部形成有仅供气体通过的第二毛细孔，第二毛细孔配置成在与电解液接触时形成第二弯月面；第一防水透气膜和第二防水透气膜分别由聚四氟乙烯乳液通过湿法制成，以分别形成仅供气体通过的第一毛细孔和第二毛细孔。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种电解除氧装置，包括：如上述任一项的用于电解除氧装置的阴极。

根据本实用新型的又一方面，还提供了一种冰箱，包括：箱体，其内部形成储物空间；以及如上述的电解除氧装置，用于通过电化学反应降低储物空间内的氧气含量。

本实用新型的用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱，由于电解除氧装置的阴极的催化膜包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，且催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属构成的物质组，碳颗粒具备导电性，且铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属能够促进氧的吸附和还原，因此，利用碳颗粒和催化颗粒相结合，本实用新型提供了一种新的用于电解除氧装置的阴极，其具备明显提高的电催化性能，从而有利于提高阴极的电化学反应速率。

进一步地，本实用新型的用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱，由于碳颗粒具备优良的导电性，利用至少部分碳颗粒作为催化颗粒的载体，可以降低整个催化膜的电化学阻抗，提高用于电解除氧装置的阴极的导电性，从而保证电化学反应的顺利进行。

进一步地，本实用新型的用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱，由于催化膜为多孔膜，催化膜的通气孔不但能够为氧气的扩散提供畅通通道，而且还能增大催化颗粒的暴露面积，提高用于电解除氧装置的阴极的有效活性面积，从而能够进一步地提高阴极的电化学反应速率。

更进一步地，本实用新型的用于电解除氧装置的阴极、电解除氧装置和冰箱，由于阴极按照第一防水透气膜、集流网、第二防水透气膜、催化膜的排列顺序通过压制形成，且第一防水透气膜和第二防水透气膜分别具有仅供气体通过的第一毛细孔和第二毛细孔，这可使电解除氧装置的阴极具备防水透气性能，既能保证氧气由外而内地顺利到达催化膜，又能防止电解液由内而外地逸出。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置的阴极的示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置的阴极的分解图；

图3是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置的阴极的制备流程图；

图4是根据本实用新型一个实施例的电解除氧装置的示意图；

图5是图4所示的电解除氧装置的分解图；

图6是图5中A处的局部放大图；

图7是图5所示的电解除氧装置中支撑件的示意图；

图8是图7中B处的局部放大图；

图9是根据本实用新型一个实施例的冰箱的示意图。

具体实施方式

图1是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置100的阴极120的示意图。电解除氧装置100中，在电解电压的作用下，空气中的氧气可以在阴极120处发生还原反应，例如，O

催化膜122由前驱体通过压制处理制成。前驱体可以为粉末状。

前驱体包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，其中，催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷构成的物质组。铂、金、银、锰和铷分别属于贵金属或稀有金属。

碳颗粒具备导电性，可以为炭黑，优选地，可以为导电炭黑，例如乙炔黑。在一些可选的实施例中，碳颗粒还可以为具有良好导电性的石墨，这可以提高碳颗粒的导电性。

本实施例的用于电解除氧装置100的阴极120，由于催化膜122包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属构成的物质组，碳颗粒具备导电性，且铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属能够促进氧的吸附和还原，因此，利用碳颗粒和催化颗粒相结合，本实施例提供了一种新的用于电解除氧装置100的阴极120，其具备明显提高的电催化性能，从而有利于提高阴极120的电化学反应速率。

由于碳颗粒具备优良的导电性，利用至少部分碳颗粒作为催化颗粒的载体，可以降低整个催化膜122的电化学阻抗，提高用于电解除氧装置100的阴极120的导电性，从而保证电化学反应的顺利进行。

本实施例中，催化颗粒可以为银。下面将以银为例，针对催化颗粒的催化过程进行介绍，本领域技术人员在了解本实施例的基础上应当完全有能力针对其他类型的催化颗粒进行拓展，此处不再一一举例。

由于银的催化作用利于氧还原过程的四电子反应(O

Ag催化颗粒可有效地促进HO

碳颗粒可以包括亲水性碳颗粒，例如亲水性乙炔黑。

催化颗粒沉积在亲水性碳颗粒上，并且催化颗粒配置成分散于含亲水性碳颗粒的水溶液中，以沉积在亲水性碳颗粒上。也就是说，为使催化颗粒沉积在亲水性碳颗粒上，可以先配置含亲水性碳颗粒的水溶液，然后将催化颗粒分散于含亲水性碳颗粒的水溶液中。催化颗粒经过400目筛，催化颗粒的粒径可以为小于等于50微米的任意值，例如可以为40微米、30微米、20微米；亲水性碳颗粒的粒径可以为小于等于50微米的任意值，例如可以为40微米、30微米、20微米。

催化膜122可以为多孔膜，且其形成有用于供气体通过的通气孔。催化膜122的孔隙率可以为60％～98％范围内的任意值，例如可以为75％、90％。通气孔的孔径可以为小于等于100微米的任意值，例如可以为1微米、20微米、50微米。

在一些实施例中，碳颗粒还可以进一步地包括疏水性碳颗粒，例如疏水性乙炔黑。疏水性碳颗粒配置成分散于亲水性碳颗粒中(也就是说，疏水性碳颗粒和亲水性碳颗粒通过混合形成均匀的混合物)，以使催化膜122形成通气孔。由于阴极120浸泡于电解除氧装置100的电解液中，利用疏水性碳颗粒的疏水特性，可使催化膜122内形成小气体孔道，即上述通气孔。

由于催化膜122为多孔膜，催化膜122的通气孔不但能够为氧气的扩散提供畅通通道，而且还能增大催化颗粒的暴露面积，提高用于电解除氧装置100的阴极120的有效活性面积，从而能够进一步地提高阴极120的电化学反应速率。

在一些实施例中，前驱体还可以包括粘合剂，例如聚四氟乙烯，分散于碳颗粒中，即，粘合剂可以与碳颗粒通过混合形成均匀的混合物，其中，碳颗粒包括亲水性碳颗粒和疏水性碳颗粒，且亲水性碳颗粒上担载有催化颗粒。粘合剂配置成促使前驱体在预设温度下经压制处理形成三维网状结构。即，本实施例的催化膜可以由前驱体经热压处理制成。粘合剂具备一定的粘度，其黏结作用可使催化颗粒、碳颗粒等活性物质形成三维网络，这可使活性物质不易脱落，有利于提高催化膜122的结构强度和结构稳定性。

粘合剂无亲水基团，且吸湿性较低，这可能会导致催化膜122的欧姆阻抗大，影响催化颗粒与电解液的充分接触。本实施例中，通过在前驱体中引入疏水性乙炔黑，可以改善催化膜122的导电性，同时由于乙炔黑是疏水性的，可使催化膜122内形成微小的气体孔道，减小气体的扩散阻力，这也有利于形成三相反应界面。

图2是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置100的阴极120的分解图。

在一些实施例中，阴极120可以为多层膜结构，且还可以进一步地包括集流网126。集流网126可以设置于催化膜122的一侧，且集流网126的材质可以为镍或钛。本实施例中，集流网126可以为镍网或者钛网，既具有较高的机械强度从而可以作为整个阴极120的支撑结构和导电骨架，又形成有供气体通过的孔隙从而可供氧气穿过并扩散至催化膜122。催化膜122以及下文述及的防水透气膜可以通过热压处理依附于集流网126上。当选用镍网作为集流网126时，镍纯度可以为大于等于99.6％。

在一些进一步的实施例中，阴极120还可以进一步地包括两层防水透气膜，即第一防水透气膜124和第二防水透气膜128。本实施例的防水透气膜可以起到“防水”且“透气”的作用，一方面能防止水或水溶液通过，另一方面能允许气体例如氧气通过。

其中，第一防水透气膜124可以设置于集流网126与催化膜122之间，且其内部形成有仅供气体通过的第一毛细孔，第一毛细孔配置成在与电解液接触时形成第一弯月面。第二防水透气膜128可以设置于集流网126背朝催化膜122的一侧，且其内部形成有仅供气体通过的第二毛细孔，第二毛细孔配置成在与电解液接触时形成第二弯月面。

也就是说，本实施例的阴极120为四层膜结构，且按照排列顺序可以依次为第二防水透气膜128、集流网126、第一防水透气膜124、和催化膜122。第二防水透气膜128可以位于阴极120的最外层，例如，可以面朝冰箱10的储物空间，催化膜122可以位于阴极120的最内层，例如，可以面朝电解除氧装置100的储液腔。储物空间内的氧气依次流经第二防水透气膜128、集流网126、第一防水透气膜124之后，到达催化膜122。四层膜分别可以呈长方形薄膜状，每层膜的长度和宽度可以大致相同，且可以根据工作空间的大小进行设置，例如每层膜的长度可以分别为100～300mm，每层膜的宽度可以分别为50～200mm。在一些实施例中，集流网的大小可以大于其他膜层的大小。

由于阴极120按照第一防水透气膜124、集流网126、第二防水透气膜128、催化膜122的排列顺序通过压制形成，且第一防水透气膜124和第二防水透气膜128分别具有仅供气体通过的第一毛细孔和第二毛细孔，这可使电解除氧装置100的阴极120具备防水透气性能，既能保证氧气由外而内地顺利到达催化膜122，又能防止电解液由内而外地逸出。

防水透气膜可提供空气和电解液之间的气体透过防水界面，为氧气进入并扩散到催化膜122提供一条通路。防水透气膜之所以能透气而不漏液体，主要是靠毛细孔内壁的毛细作用和粘合剂材料的憎水特性，毛细孔与电解液接触形成了弯月面，即前述第一弯月面和第二弯月面。

第一防水透气膜124和第二防水透气膜128的结构和成分可以完全相同。本实施例中，第一防水透气膜124和第二防水透气膜128可以分别由聚四氟乙烯乳液通过湿法制成，以分别形成仅供气体通过的第一毛细孔和第二毛细孔。聚四氟乙烯乳液的质量浓度可以为40％～80％范围内的任意值，例如可以为60％。采用特定浓度的聚四氟乙烯乳液通过湿法制成防水透气膜，可使毛细孔的孔径和防水透气膜的孔隙率处于合理范围内，从而满足防水透气的性能要求。本实施例中，毛细孔的孔径可以为小于等于100微米的任意值，例如可以为1微米、20微米、50微米，防水透气膜的孔隙率可以为60％～98％范围内的任意值，例如可以为70％、90％。

发明人认识到，聚四氟乙烯的导电性差，这会导致整个阴极120的欧姆阻抗大。为了增加防水透气膜的导电性，减少聚四氟乙烯的用量，降低阴极120的制造成本，增强防水透气膜各个组分之间的粘结性和可塑性，同时改善防水透气膜的防水透气性能，在一些进一步的实施例中，防水透气膜中还可以添加适量的乙炔黑和活性炭。

图3是根据本实用新型一个实施例的用于电解除氧装置100的阴极120的制备流程图。该制备流程适于制备如上述任一实施例的用于电解除氧装置100的阴极120。用于电解除氧装置100的阴极120的制备方法一般性地可包括：

步骤S302，将催化颗粒沉积在至少部分碳颗粒上，以制备前驱体。其中，催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷构成的物质组。碳颗粒具备导电性。

步骤S304，将前驱体进行压制处理，得到催化膜122。压制处理可以在预设温度下进行。在热压处理过程中，热压温度可以为200～500℃范围内的任意值，例如可以为300℃；热压压力可以为1000～5000KN范围内的任意值，例如可以为1500KN、3000KN；热压时间可以为1min至5h范围内的任意值，例如可以为1min、1h、3h。

上述步骤S304可以包括：将亲水性碳颗粒分散于含有表面活性剂的水溶液中，得到第一分散体；将催化颗粒分散于第一分散体中，以使催化颗粒沉积在亲水性碳颗粒上，从而得到第二分散体；将疏水性碳颗粒和粘合剂分散于第二分散体中，得到第三分散体；将乙醇加入第三分散体中进行混合，经干燥，得到前驱体。

换言之，在制备前驱体的过程中，先配置含有表面活性剂的水溶液，并将亲水性碳颗粒分散到含有表面活性剂的水中，得到第一分散体，然后将催化颗粒沉积到亲水性碳颗粒上，得到第二分散体，之后将疏水性碳颗粒和粘合剂分别加入到第二分散体中，经充分混合，得到第三分散体，最后在第三分散体中加入乙醇，经充分混合以自组织该分散体，之后经干燥，即可得到前驱体粉末。催化膜122的厚度可以为0.2～0.3mm，表面电阻可以为1.2～1.5kΩ。

本实施例中，在上述步骤S304之后，用于电解除氧装置100的阴极120的制备方法还可以进一步地包括：

步骤S306，采用聚四氟乙烯乳液通过湿法制成第一防水透气膜124和第二防水透气膜128,。

步骤S308，按照第二防水透气膜128、集流网126、第一防水透气膜124、催化膜122的排列顺序进行压制，得到阴极120。

在采用聚四氟乙烯乳液通过湿法制备第一防水透气膜124和第二防水透气膜128的步骤中，可以添加适量的乙炔黑和活性炭，以提高防水透气膜的性能。

例如，防水透气膜的制备方法可以包括如下步骤：称取活性炭9g、聚四氟乙烯乳液30mL、乙炔黑7.5g，加入适量的乙醇，经过超声分散处理5min后，在45℃～95℃的水浴中加热搅拌直至凝聚成团，将凝聚物放到温度为50～60℃的双辊辊压机上反复碾压使聚四氟乙烯纤维化，从而可以得到厚约0.6～0.8mm的防水透气膜。防水透气膜的表面电阻可以为130～180Ω。

在一些实施例中，上述步骤S302和S304、以及步骤S306的先后顺序可以根据实际情况进行调整。例如，可以同时制备催化膜122和防水透气膜，也可以先制备防水透气膜再制备催化膜122。

图4是根据本实用新型一个实施例的电解除氧装置100的示意图，图5是图4所示的电解除氧装置100的分解图。

电解除氧装置100一般性地可包括如上述任一实施例的用于电解除氧装置100的阴极120，还可以进一步地包括与阴极120对应设置的阳极140、以及用于提供储液腔以盛装电解液的壳体110。

本实施例中，壳体110大致可以呈长方体形状，且可以具有侧向开口114以及顶部开口。阴极120可以设置于侧向开口114处，且封闭侧向开口114，以与壳体110共同限定出用于盛装电解液的储液腔。电解除氧装置100的储液腔内可以盛装碱性电解液，例如5mol/L的NaOH，其浓度可以根据实际需要进行调整。

阳极140与阴极120相互间隔地设置于储液腔内，例如阳极140可以为泡沫镍或者镍网，耐蚀性好、催化活性高。阳极140用于通过电化学反应向阴极提供反应物(例如，电子)且生成氧气。阴极120产生的OH-可以在阳极140处可以发生氧化反应，并生成氧气，即：4OH-→O

壳体110的顶部开口可以作为排气口，并用于排放阳极140产生的氧气。由于储液腔内盛装有电解液，将排气口设置于壳体110的顶部，能减少或避免电解液泄露。在一些可选的实施例中，该排气口还可以作为电解液的补液口，当电解液不充足时，可以在排气口处向储液腔注入电解液，这可以实现排气口的功能复用，有利于简化电解除氧装置100的结构。在另一些可选的实施例中，电解除氧装置还可以包括排气管160，连接于排气口处，用于将流出排气口的气流导引至壳体110的外部环境。

在一些实施例中，电解除氧装置100还可以进一步地包括分隔件130和固定组件150。

分隔件130设置于储液腔内，并位于阴极120与阳极140之间，分隔件上朝向阳极140的一侧形成有多个凸起部132，凸起部132抵触于阳极140上，以分隔阴极120与阳极140，防止电解除氧装置100短路。具体地，分隔件130上朝向阳极140的一侧形成有多个凸起部132，凸起部132抵触于阳极140上，阴极120贴靠于分隔件130背离凸起部132的一侧，以在阴极120与阳极140形成预设间隙，进而将阴极120与阳极140分隔开。

固定组件150可以设置于阴极120的外侧，配置成将阴极120固定于壳体110的侧向开口114处。具体地，该固定组件150还可以包括金属边框152和支撑件154。

图6是图5中A处的局部放大图，图7是图5所示的电解除氧装置100中支撑件154的示意图，图8是图7中B处的局部放大图。金属边框152贴靠于阴极120的外侧，并且金属边框152朝外凸起形成有围立部152a。支撑件154设置于金属边框152的外侧，并且其具有外圈1542和位于外圈1542内部的内圈1544，外圈1542与壳体110固定连接，内圈1544的内侧形成有插接槽1544a，围立部152a伸入至插接槽1544a内，以将金属边框152和阴极120固定于开口处。本实施例中，金属边框152与阴极120直接接触，金属边框152可以起到压紧阴极120的作用，并且金属边框152上还可以设置有阴极120的阴极供电端子152b，以与外部电源相连。

围立部152a形成于金属边框152并朝向外部延伸，以插进支撑件154的内圈1544插接槽1544a内，进而对金属边框152进行定位。又由于支撑件154的外圈1542与壳体110固定连接，因此当金属边框152的围立部152a进支撑件154的插接槽1544a时，金属边框152可以由支撑件154固定和定位，进而使得金属边框152压紧阴极120。

在一些实施例中，支撑件154的外圈1542与内圈1544之间以及内圈1544的内部还形成有加强筋1546，用于固定连接支撑件154的外圈1542与内圈1544，并且对支撑件154的外圈1542与内圈1544进行定型，防止其受外力变形。

图9是根据本实用新型一个实施例的冰箱10的示意图。冰箱10一般性地可包括箱体200和如上述任一实施例的电解除氧装置100。

箱体200的内部形成储物空间。电解除氧装置100可以设置于储物空间内，或与储物空间气流连通，用于通过电化学反应降低储物空间内的氧气含量。

例如，箱体200的内部可以限定出至少一个储物间室，储物间室内可以设置有储物容器300，例如，储物容器300可以为可前后抽拉的储物抽屉。上述储物空间可以指储物容器300的内部空间。电解除氧装置100可以设置于储物容器300内。当储物空间容积为15L时，在电流密度为60mA/cm

本实用新型的电解除氧装置100的阴极120及其制备方法、电解除氧装置100和冰箱10，由于电解除氧装置100的阴极120的催化膜122包括碳颗粒以及沉积在至少部分碳颗粒上的催化颗粒，且催化颗粒选自由铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属构成的物质组，碳颗粒具备导电性，且铂、金、银、锰和铷等贵金属和稀有金属能够促进氧的吸附和还原，因此，利用碳颗粒和催化颗粒相结合，本实用新型提供了一种新的用于电解除氧装置100的阴极120，其具备明显提高的电催化性能，从而有利于提高阴极120的电化学反应速率。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。