專利名稱：一種便攜式節(jié)能水電解制氧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制氧裝置，具體地講是ー種便攜節(jié)能水電解制氧裝置。
背景技術(shù)：
小型的便攜式制氧設(shè)備由于能夠不受場(chǎng)地限制，隨時(shí)隨地地提供高濃度氧氣，其應(yīng)用前景非常廣闊，尤其是各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)用于室外和室內(nèi)的各種急救場(chǎng)合?，F(xiàn)有的小規(guī)模制氧技術(shù)主要以氧氣富集エ藝為主。氧氣富集提高濃度，可以利用變壓吸附エ藝(PSA)通過分子篩從加壓空氣中分離和濃縮氧。從PSAエ藝得到的氧氣成本低，可靠，氧氣濃度為90-95%,但是氧氣來自于周圍環(huán)境，因此PSA不適合在高原缺氧,或者 封閉環(huán)境應(yīng)用。聚合物離子膜水電解可以用來同時(shí)生成氧氣和氫氣。聚合物離子交換膜水電解采用具有質(zhì)子或者氫氧根離子傳導(dǎo)功能的聚合物膜作為電解質(zhì)，在該電解質(zhì)膜兩側(cè)分別涂上一層正極和負(fù)極催化材料，就構(gòu)成ー個(gè)小電解室，若干小電解室串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)電解器。如果采用質(zhì)子交換膜做電解質(zhì)，當(dāng)向正極提供水，水在正極被電解成氧氣、氫離子和電子；氫離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子則通過外電路到達(dá)陰極，并與氫離子發(fā)生電化學(xué)結(jié)合生成氫氣；陽極則析出氧氣。如果采用氫氧根離子交換膜做電解質(zhì)，則向負(fù)極提供水，水在負(fù)極被電解成氫氣、氫氧根離子和電子；氫氧根離子通過電解質(zhì)到達(dá)正扱，電子則通過外電路到達(dá)正極，并與氫氧根離子發(fā)生電化學(xué)結(jié)合生成氧氣。離子交換膜水電解電流密度高，電解質(zhì)膜很薄，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。雖然離子交換膜水電解電解效率高，但仍然需要較大功率電源為其提供電カ(每立方氧氣需要8度以上電能)。如果僅采用二次電池供電，則需要配備ー個(gè)龐大而且沉重的二次電池，從而造成裝置整體重量重，而且二次電池的電能有限，造成了供氧時(shí)間短，這就限制了其在便攜式制氧方面的應(yīng)用。此外，制氧過程中產(chǎn)生的氫氣，沒有得到很好的利用，被直接排放掉，這既造成了浪費(fèi)又可能對(duì)使用的環(huán)境引起火災(zāi)或者瀑炸危險(xiǎn)。針對(duì)氫氣被浪費(fèi)的問題，中國(guó)專利02114162. 2和201020181746. 4中提出把電解產(chǎn)生氫氣回收，通過氫燃料電池發(fā)電，補(bǔ)充電解所需電能。但是，它們還沒有解決便攜性問題，它們的電解槽都需要外接220V交流電供電，因此它們都不具備室外使用的功能。此外，它們還存在ー些不足之處，如發(fā)明專利02114162. 2中提出水電解制氧，其電解槽由外部220V交流電和回收的氫氣通過氫燃料電池方式發(fā)電提供另外的電能，其氫燃料電池發(fā)電所需氧氣由氫燃料電池陰極氣室入口自然吸入，因此存在氧氣供應(yīng)不足和生成的水附著在陰極影響氧氣向電極擴(kuò)散反應(yīng)等問題，從而影響氫燃料電池發(fā)電效率，導(dǎo)致能量回收效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有電解制氧裝置需在由外部220V交流供電，不具備室外使用的缺點(diǎn)，提供一種便攜式節(jié)能水電解制氧裝置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下ー種便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其包括水罐、電解器和氫燃料電池，水罐通過水管向電解器供水，電解器通過氧氣通道將產(chǎn)生的氧氣向外輸出，電解器通過氫氣通道向氫燃料電池供應(yīng)氫氣原料，氫燃料電池向二次電池充電，二次電池向電解器供電。進(jìn)ー步，氫燃料電池以浮充的方式向二次電池充電。進(jìn)一歩，通過風(fēng)機(jī)將空氣送入氫燃料電池。進(jìn)一歩，所述二次電池為鋰離子電池、鎳氫電池或鎳鎘電池。進(jìn)ー步，所述電解器包括隔膜、電極、擴(kuò)散層和雙極板，所述隔膜為具有質(zhì)子或氫氧根離子傳導(dǎo)能力的聚合物離子交換膜，在隔膜的兩邊依次緊貼有擴(kuò)散層、電極和雙極板，在隔膜與擴(kuò)散層兩者相接觸的面之間涂敷有催化劑。在上述電解器中，所述擴(kuò)散層為碳紙、活性炭布或鈦粉燒結(jié)的多孔材料。
在上述電解器中，在隔膜的一邊所涂敷的催化劑為銥、釕、鈀和鎳中的至少ー種，催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2 ;在隔膜的另ー邊所涂敷的催化劑為鉬、釕、鈀和鎳中的至少ー種，催化劑的擔(dān)載量為O. I lmg/cm2。進(jìn)ー步，所述氫燃料電池包括電解質(zhì)膜、電極、擴(kuò)散層和雙極板，在電解質(zhì)膜的兩邊依次緊貼有擴(kuò)散層、電極和雙極板，在電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層兩者相接觸的面之間涂敷有催化劑。在上述氫燃料電池中，所述擴(kuò)散層為碳紙、活性炭布或金屬網(wǎng)。所述金屬網(wǎng)為不銹鋼網(wǎng)或鎳網(wǎng)。在上述氫燃料電池中，所述催化劑為鉬、銅、鐵和鎳中的至少ー種，在電解質(zhì)膜的
一邊所述催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2，在另ー邊所述催化劑的擔(dān)載量為O. I Img/
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cm ο本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明采用了二次電池向電解器供電，再將產(chǎn)生的氫氣回收供氫燃料電池發(fā)電，氫燃料電池產(chǎn)生的電能用于向二次電池充電，以補(bǔ)充電解所需電能，從而回收電解消耗能量的30% 40%，從而減少二次電池容量配備，降低了整體的重量。本發(fā)明的電解器或氫燃料電池采用膜/擴(kuò)散層/電極/雙極板的層狀布局，使得制氧裝置結(jié)構(gòu)更緊湊，減少設(shè)備所需占用的空間。因此，本發(fā)明的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置可連續(xù)制氧，氧產(chǎn)量高，速度快，氧純度高達(dá)99. 9%以上，使用費(fèi)用低，適于高原旅行、緊急搶救、家庭、醫(yī)院、車、船及辦公、會(huì)議等特殊環(huán)境或封閉場(chǎng)所使用等。


圖I為本發(fā)明的水解制氧裝置。圖2為本發(fā)明水解制氧裝置中的電解器。圖3為本發(fā)明水解制氧裝置中的氫燃料電池。其中，10-電解器，12-水罐，14-水管，16氧氣通道，18-氫氣通道，20-氫燃料電池，22-風(fēng)機(jī)，24-排水管，26-二次電池，30-隔膜，(32、42)-擴(kuò)散層，(34、44)-電極，(36、46)-雙極板，(36a、46a)_溝槽，40-電解質(zhì)膜。
具體實(shí)施方式
以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)介紹。如圖I所示，本發(fā)明的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置主要包括水罐12、電解器10、氫燃料電池20和二次電池26，水罐12通過水管14向電解器10供水，電解器10電解所需的電能由二次電池26供應(yīng)，所用的二次電池26可以采用鋰離子電池、鎳氫電池或鎳鎘電池，電解器10通電后，在電解器10的正極產(chǎn)生氧氣，并通過氧氣通道16將產(chǎn)生的氧氣向外輸出，在電解器10的負(fù)極產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣通過氫氣通道18向氫燃料電池20的陽極供應(yīng)，作為氫燃料電池20發(fā)電用的氫氣原料，風(fēng)機(jī)22將空氣輸送到氫燃料電池20的陰極，從而為氫燃料電池20提供充足的氧氣，氫燃料電池20產(chǎn)生的電能以浮充的方式向二次電池26充電，風(fēng)機(jī)可選用小型的風(fēng)扇，以避免増加裝置的重量和體積 ，在氫燃料電池的底部設(shè)有排水管24，定期將冗余的氫氣和發(fā)電過程所產(chǎn)生的水排出，避免氮?dú)獾漠a(chǎn)生以及生成的水附著在氫燃料電池20的陰極。本發(fā)明所用的電解器10可由多個(gè)如圖2所示的結(jié)構(gòu)單元串聯(lián)而成，該結(jié)構(gòu)単元包括隔膜30、電極34、擴(kuò)散層32和雙極板36，隔膜30采用具有質(zhì)子或氫氧根離子傳導(dǎo)能力的聚合物離子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜，擴(kuò)散層32選用具有多孔結(jié)構(gòu)的材料，以起到擴(kuò)大接觸面和減少接觸電阻和電能消耗，這類具有多孔結(jié)構(gòu)的材料有碳紙、活性炭布或鈦粉燒結(jié)的多孔材料，在隔膜30的兩邊依次緊貼著擴(kuò)散層32、電極34和雙極板36，其中ー邊的電極與二次電池26的正極通過導(dǎo)線連接，另ー邊的電極與二次電池26的負(fù)極通過導(dǎo)線連接。隔膜30與擴(kuò)散層32相接觸的面之間涂敷有催化劑，催化劑可涂在隔膜的表面或擴(kuò)散層的表面上，在與二次電池26的正極相連的一邊所涂覆的催化劑一般為銥、釕、鈀和鎳中ー種或幾種，催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2 ;而在與二次電池26的負(fù)極相連的ー邊所涂敷的催化劑為鉬、釕、鈀和鎳中的ー種或幾種，催化劑的擔(dān)載量為O. I lmg/cm2。雙極板46上設(shè)有用于輸送氣體流道溝槽36a。本發(fā)明所用的氫燃料電池20可由多外由如圖3所示結(jié)構(gòu)單元串聯(lián)而成，該結(jié)構(gòu)單兀包括電解質(zhì)膜40、電極44、擴(kuò)散層42和雙極板46,電解質(zhì)膜40米用具有質(zhì)子或氫氧根離子傳導(dǎo)能力的聚合物離子交換膜，如杜邦公司的Naf ion膜，為擴(kuò)大接觸面和減少接觸電阻和電能消耗，擴(kuò)散層42可選用具有多孔結(jié)構(gòu)的材料如碳紙、活性炭布或者不銹鋼網(wǎng)、鎳網(wǎng)等金屬網(wǎng)，在電解質(zhì)膜40的兩邊依次緊貼著擴(kuò)散層42、電極44和雙極板46，其中ー邊的電極為陰極，另ー邊的電極為陽扱。在電解膜40與擴(kuò)散層42相接觸的面之間涂敷有催化齊U，催化劑可涂在隔膜的表面或擴(kuò)散層的表面上，催化劑可以選用鉬、銅、鐵和鎳中ー種或多種，在陰極所在的這ー邊，催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2 ;而在陽極所在的這ー邊，催化劑的擔(dān)載量為O. I lmg/cm2。同樣在雙極板46上也設(shè)有用于輸送氣體流道溝槽46a。
權(quán)利要求
1.ー種便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其包括水罐、電解器和氫燃料電池，其特征在于水罐通過水管向電解器供水，電解器通過氧氣通道將產(chǎn)生的氧氣向外輸出，電解器通過氫氣通道向氫燃料電池供應(yīng)氫氣原料，氫燃料電池向二次電池充電，二次電池向電解器供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，氫燃料電池以浮充的方式向二次電池充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，通過風(fēng)機(jī)將空氣送入氫燃料電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，所述二次電池為鋰離子電池、鎳氫電池或鎳鎘電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，所述電解器包括隔膜、電極、擴(kuò)散層和雙極板，所述隔膜為具有質(zhì)子或氫氧根離子傳導(dǎo)能力的聚合物離子交換膜，在隔膜的兩邊依次緊貼有擴(kuò)散層、電極和雙極板，在隔膜與擴(kuò)散層兩者相接觸的面之間涂敷有催化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散層為碳紙、炭布或鈦粉燒結(jié)的多孔材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，在隔膜的ー邊所涂敷的催化劑為銥、釕、鈀和鎳中的至少ー種，催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2 ;在隔膜的另ー邊所涂敷的催化劑為鉬、釕、鈀和鎳中的至少ー種，催化劑的擔(dān)載量為O. I lmg/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在于，所述氫燃料電池包括電解質(zhì)膜、電極、擴(kuò)散層和雙極板，在電解質(zhì)膜的兩邊依次緊貼有擴(kuò)散層、電極和雙極板，在電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層兩者相接觸的面之間涂敷有催化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在干，所述擴(kuò)散層為碳紙、活性炭布或金屬網(wǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，其特征在干，所述催化劑為鉬、銅、鐵和鎳中的至少ー種，在電解質(zhì)膜的一邊所述催化劑的擔(dān)載量為O. 2 2mg/cm2，在另ー邊所述催化劑的擔(dān)載量為O. I lmg/cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開一種便攜式節(jié)能水電解制氧裝置，該制氧裝置包括水罐、電解器和氫燃料電池，水罐通過水管向電解器供水，電解器通過氧氣通道將產(chǎn)生的氧氣向外輸出，電解器通過氫氣通道向氫燃料電池供應(yīng)氫氣原料，氫燃料電池向二次電池充電，二次電池向電解器供電。本發(fā)明可回收電解消耗能量的30%～40%，結(jié)構(gòu)緊湊，可連續(xù)制氧，氧產(chǎn)量高，速度快，氧純度高達(dá)99.9％以上，使用費(fèi)用低，適于高原旅行、緊急搶救、家庭、醫(yī)院、車、船及辦公、會(huì)議等特殊環(huán)境或封閉場(chǎng)所使用等。
文檔編號(hào)H01M8/06GK102677082SQ20121014648
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者李彤, 雷一杰, 顧軍 申請(qǐng)人:南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院