专利名称：一种便携式水电解制氧机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制氧设备，尤其是一种便携式制氧设备。
背景技术：
小型的便携式制氧设备由于能够不受场地限制，随时随地地提供高浓度氧气，其应用前景非常广阔，尤其是各级医疗机构用于室外和室内的各种急救场合。现有的小规模制氧技术主要以氧气富集工艺为主。氧气富集提高浓度，可以利用变压吸附工艺(PSA)通过分子筛从加压空气中分离和浓缩氧。从PSA工艺得到的氧气成本低，可靠，氧气浓度为90-95%，但是氧气来自于周围环境，因此PSA不适合在高原缺氧，或者封闭环境应用。聚合物离子膜水电解可以用来同时生成氧气和氢气。聚合物离子交换膜水电解采用具有质子或者氢氧根离子传导功能的聚合物膜作为电解质，在该电解质膜两侧分别涂上一层正极和负极催化材料，就构成一个电解小室，若干电解小室串联构成一个电解器。如果采用质子交换膜做电解质，当向正极提供水，水在正极被电解成氧气、氢离子和电子；氢离子通过电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，并与氢离子发生电化学结合生成氢气；阳极则析出氧气。如果采用氢氧根离子交换膜做电解质，则向负极提供水，水在负极被电解成氢气、氢氧根离子和电子；氢氧根离子通过电解质到达正极，电子则通过外电路到达正极，并与氢氧根离子发生电化学结合生成氧气。离子交换膜水电解电流密度高，电解质膜很薄，装置结构紧凑，体积小，重量轻。虽然离子交换膜水电解电解效率高，但仍然需要较大功率电源为其提供电力(每立方氧气需要8度以上电能)。如果仅采用二次电池供电，则需要配备一个庞大而且沉重的二次电池，从而造成装置整体重量重，而且二次电池的电能有限，造成了供氧时间短，这就限制了其在便携式制氧方面的应用。此外，制氧过程中产生的氢气，没有得到很好的利用，被直接排放掉，这既造成了浪费又可能对使用的环境引起火灾或者爆炸危险。针对氢气被浪费的问题，中国专利02114162. 2和201020181746. 4中提出把电解产生氢气回收，通过氢燃料电池发电，补充电解所需电能。但是，它们还没有解决便携性问题，它们的电解槽都需要外接220V交流电供电，因此它们都不具备室外使用的功能。此外， 它们还存在一些不足之处，如发明专利02114162. 2中提出水电解制氧，其电解槽由外部 220V交流电和回收的氢气通过氢燃料电池方式发电提供另外的电能，其氢燃料电池发电所需氧气由氢燃料电池阴极气室入口自然吸入，因此存在氧气供应不足和生成的水附着在阴极影响氧气向电极扩散反应等问题，从而影响氢燃料电池发电效率，导致能量回收效率低。
发明内容
本发明提供了一种解决上述问题的方案，提供一种节能、重量轻的便携式水电解制氧机。本发明的技术方案是提供一种便携式水电解制氧机，其包括水电解器以及与所述水电解器相连接的水罐，其特征在于其还包括氢燃料电池和二次电池，所述氢燃料电池为所述二次电池充电，所述二次电池为所述水电解器电解供电，所述水电解器中设置有隔膜， 所述隔膜为具有质子传导能力或氢氧根离子传导能力的聚合物膜，所述水电解器电解产生的氧气通过氧气通道向外输出，所述水电解器电解产生的氢气通过氢气通道输送给所述氢燃料电池以作为其燃料。优选的，所述氢燃料电池包括阳极、阴极和电解质，其阳极管道连接所述水电解器的负极；其阴极和外界空气相连通，并由一风扇将空气输送到所述氢燃料电池的阴极，为所述氢燃料电池提供氧气；所述电解质为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物膜。优选的，所述氢燃料电池产生的电能以浮充的方式为所述二次电池充电，所述二次电池为锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。优选的，所述氢燃料电池下部设置有排水管，定时向外排放氢气和水。优选的，所述氢燃料电池包括扩散层，所述氢燃料电池的扩散层由碳纸、碳布等多孔材料或不锈钢网、镍网等金属其中之一制成。优选的，所述氢燃料电池阴极一侧的电解质和/或其扩散层上涂敷有阴极催化剂，所述阴极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或其多种的混合物或者它们的合金，所述阴极催化剂的担载量为0. 2-ang/cm2。优选的，所述氢燃料电池阳极一侧的电解质和/或其扩散层上涂敷有阳极催化剂，所述阳极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或者其多种的混合物或者它们的合金，所述阳极催化剂的担载量为0. 1-lmg/cm2。优选的，所述水电解器包括扩散层，所述水电解器的扩散层由碳纸、碳布或钛粉烧结的多孔材料等其中之一制成。优选的，所述水电解器正极一侧的所述隔膜和/或所述扩散层上涂敷有正极催化剂，所述正极催化剂是铱、钌、钯、镍等其中一种或多种的混合物或者它们的合金，所述正极催化剂的担载量为0. 2-^ig/cm2。优选的，所述水电解器负极一侧的所述隔膜和/或所述扩散层上涂敷有负极催化剂，所述负极催化剂是钼、钌、钯、镍等其中一种或者几种混合物或者它们的合金，所述负极催化剂的担载量为0. 1-lmg/cm2。本发明的一种便携式水电解制氧机采用二次电池和氢燃料电池共同供电，并将氢气回收给氢燃料电池发电，以补充电解所需电能，从而回收电解消耗能量的30% 40%，从而减少二次电池容量配备，降低了整体的重量。因此，本发明的一种便携式水电解制氧机具有结构紧凑，重量轻，便于携带，可连续制氧，氧产量高，速度快，氧纯度高达99. 9%以上，使用费用低，适于高原旅行、紧急抢救、家庭、医院、车、船及办公、会议等特殊环境或封闭场所使用等优点。
图1是本发明的一种便携式水电解制氧机的结构示意图； 图2是电解槽的单元结构示意图3是氢燃料电池的单元结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
作进一步详细的描述。如图1所示，本发明的一种便携式水电解制氧机包括水电解器10和水罐12，水罐 12通过水管14向水电解器10供水。水电解器10正极所在的一侧连接氧气通道16以向外输出氧气，水电解器10负极所在的一侧将产生的氢气通过氢气通道18输送到氢燃料电池 20的阳极，作为其发电的燃料。风扇22将空气输送到氢燃料电池20的阴极，为氢燃料电池20提供充足的氧气。风扇22可以为小型风扇，以避免增加装置的整体重量。氢燃料电池20通过排水管M定期将冗余的氢气以及发电过程中产生的水排出，从而避免惰性气体的产生以及生成的水附着在氢燃料电池20的阴极。氢燃料电池20产生的电能以浮充的方式为二次电池26充电，由二次电池沈为水电解器10的电解提供直流电。二次电池沈可以选用锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。水电解器10是由多个如图2所示的单元串联而成的，每个单元中都设置有聚合物离子交换膜观作为隔膜，聚合物离子交换膜观为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物膜，如杜邦公司的Nafion膜。聚合物离子交换膜观将每个单元的正极30和负极32分隔开。水电解器10中包括用于加快电解过程的扩散层34和正极、负极催化剂(未图示)。水电解器10的扩散层34是由碳纸、炭布或钛粉烧结的多孔材料等其中之一制成的，扩大了接触面，减少接触电阻和电能消耗。水电解器10的正极催化剂涂敷在聚合物离子交换膜观或/和其扩散层；34上。正极催化剂由铱、钌、钯、镍等其中一种或多种的混合物或者它们的合金构成，其担载量为0. 2-aiig/cm2。水电解器10的负极催化剂涂敷在聚合物离子交换膜 28或/和其扩散层34上，负极催化剂是钼、钌、钯、镍等其中一种或者几种混合物或者它们的合金，所述负极催化剂的担载量为0. 1-lmg/cm2。A是水电解器10的双极板，B是双极板上的流道沟槽。实验数据表明，这样成分和担载量的催化剂能达到最佳的催化效果。氢燃料电池20是由多个如图3所示的单元串联而成，每个单元都包括阳极38、阴极40、电解质42和扩散层44。其中，电解质42为具有质子或者氢氧根离子传导能力的聚合物膜，如杜邦公司的Nafion膜。扩散层44是碳纸、碳布等多孔材料或不锈钢网、镍网等金属其中之一制成的。其阴极一侧电解质42和/或其扩散层44上涂敷有阴极催化剂(未图示)，阴极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或其多种的混合物，阴极催化剂的担载量为 0. 2-aiig/cm2。阳极一侧电解质42和/或其扩散层44上涂敷有阳极催化剂(未图示)，阳极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或者其多种的混合物，阳极催化剂的担载量为0. I-Img/ cm2。A是氢燃料电池20的双极板，B是双极板上的流道沟槽。实验数据表明，这样成分和担载量的催化剂能达到最佳的催化效果。本发明的一种便携式水电解制氧机采用二次电池供电，同时，其将制氧过程中产生的氢气回收给氢燃料电池发电，而氢燃料电池所发电能用于二次电池充电，这就可以减少二次电池的容量配备，从而回收电解消耗能量的30%-40%，这就能相应地降低约二次电池 30%的重量。因此，其具有结构紧凑，重量轻，便于携带，其使用不受场地的限制，而且可连续制氧，氧产量高，速度快，氧纯度高，因此特别适合各级医疗机构用于室内或室外的各种急救、辅助治疗等场合。此外，本发明也适于高原旅行、紧急抢救、家庭、医院、车、船及办公、 会议等特殊环境或封闭场合使用。此外，本发明还采用了风扇向氢燃料电池输送氧气，氢燃料电池中的冗余氢气和产生的水定期排放等小改进，从而进一步提高了能量转换的效率。因此，本发明还具有能耗低、使用费用低等优点，具有非常广阔的市场前景。
以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种便携式水电解制氧机，其包括水电解器以及与所述水电解器相连接的水罐，其特征在于其还包括氢燃料电池和二次电池，所述氢燃料电池为所述二次电池充电，所述二次电池为所述水电解器电解供电，所述水电解器中设置有隔膜，所述隔膜为具有质子传导能力或氢氧根离子传导能力的聚合物膜，所述水电解器电解产生的氧气通过氧气通道向外输出，所述水电解器电解产生的氢气通过氢气通道输送给所述氢燃料电池以作为其燃料。
2.根据权利要求1所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池包括阳极、阴极和电解质，其阳极管道连接所述水电解器的负极；其阴极和外界空气相连通， 并由一风扇将空气输送到所述氢燃料电池的阴极，为所述氢燃料电池提供氧气；所述电解质为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物膜。
3.根据权利要求1所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池产生的电能以浮充的方式为所述二次电池充电，所述二次电池为锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。
4.根据权利要求1所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池下部设置有排水管，定时向外排放氢气和水。
5.根据权利要求2所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池包括扩散层，所述氢燃料电池的扩散层由碳纸、碳布等多孔材料或不锈钢网、镍网等金属其中之一制成。
6.根据权利要求5所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池阴极一侧的电解质和/或其扩散层上涂敷有阴极催化剂，所述阴极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或其多种的混合物或者它们的合金，所述阴极催化剂的担载量为0. 2-aiig/cm2。
7.根据权利要求5所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述氢燃料电池阳极一侧的电解质和/或其扩散层上涂敷有阳极催化剂，所述阳极催化剂是钼、铜、铁、镍等其中一种或者其多种的混合物或者它们的合金，所述阳极催化剂的担载量为0. 1-lmg/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述水电解器包括扩散层，所述水电解器的扩散层由碳纸、碳布或钛粉烧结的多孔材料等其中之一制成。
9.根据权利要求8所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述水电解器正极一侧的所述隔膜和/或所述扩散层上涂敷有正极催化剂，所述正极催化剂是铱、钌、钯、镍等其中一种或多种的混合物或者它们的合金，所述正极催化剂的担载量为0. 2-aiig/cm2。
10.根据权利要求8所述的一种便携式水电解制氧机，其特征在于所述水电解器负极一侧的所述隔膜和/或所述扩散层上涂敷有负极催化剂，所述负极催化剂是钼、钌、钯、镍等其中一种或者几种混合物或者它们的合金，所述负极催化剂的担载量为0. 1-lmg/cm2。
全文摘要
本发明公开了一种便携式水电解制氧机，其包括水电解器以及与所述水电解器相连接的水罐，其特征在于其还包括氢燃料电池和二次电池，所述氢燃料电池为所述二次电池充电，所述二次电池为所述水电解器电解供电，所述水电解器中设置有聚合物离子交换膜，所述聚合物离子交换膜为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物膜，所述水电解器电解产生的氧气向外输出，所述水电解器电解产生的氢气输送给所述氢燃料电池以作为其燃料。本发明的一种便携式水电解制氧机具有重量轻，便于携带，可连续制氧，氧产量高，速度快，氧纯度高达99.9％以上，使用费用低，适于高原旅行、紧急抢救、家庭、医院、车、船及办公、会议等特殊环境或封闭场所使用等优点。
文档编号C25B1/10GK102191511SQ20111010589
公开日2011年9月21日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者庞文明, 李星光, 隋升, 顾军 申请人:科迈(常州)电子有限公司