由含氧气体电化学生成臭氧的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种生成臭氧的电化学方法，尤其是一种操作简单、成本低、安全可靠的由含氧气体电化学生成臭氧的方法及设备。
【背景技术】
[0002]臭氧是一种强氧化性的不稳定气体，易分解而无法储存，因此实际使用时需现场制取。现有生成臭氧的主要方法有等离子体法和电化学方法。等离子体法是采用氧气、空气或富氧空气作为生成臭氧的原料，通过介质阻挡放电或电晕放电产生等离子体，氧分子在等离子体中解离为氧原子，随后氧原子与氧分子通过三体碰撞反应生成臭氧。等离子体法生成臭氧的主要缺点是:当以空气或富氧空气为原料时，不可避免会产生氮氧化合物(NOx)等有害和腐蚀性气体；以纯氧为原料，虽可避免氮氧化物的生成，但因纯氧不易获得，不仅增加了臭氧的生产成本，而且在使用上也受到限制。电化学方法一般是采用固体电解质膜电解水技术，其电解池的阳极侧产生臭氧和氧气，同时阴极侧产生氢气。电化学方法的优点是所获得的产物不含氮氧化合物等杂质，但存在两大缺点:其一是阴极侧产生易燃易爆的氢气，不能直接排放，操作复杂且存在安全隐患；其二是能耗过大，耗费大量的电和高纯度的水，成本较高。
[0003]目前，氢燃料电池应用已很普遍，其工作原理是:将氢气送到燃料电池的负极，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池正极，而电子只能经负载到达燃料电池正极。电子到达正极后，与氧原子和氢离子重新结合为水。
[0004]但是，迄今为止还没有将氢燃料电池与水电解池相结合生成臭氧的方法及设备。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种操作简单、成本低、安全可靠的由含氧气体电化学生成臭氧的方法及设备。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种由含氧气体电化学生成臭氧的方法，其特征在于按照如下步骤进行:
a.用至少两个水电解池电解水，其中一个水电解池由氢燃料电池供电，汇集水电解池阴极侧产生的氢气及阳极侧产生的臭氧和氧气；
b.将含氧气体及所汇集的氢气分别供给所述氢燃料电池的正极和负极；
c.将所述氢燃料电池产生的水输送至所述水电解池。
[0007]一种由含氧气体电化学生成臭氧的方法用设备，设有一个氢燃料电池，所述氢燃料电池的排气口与气液分离器相接，所述气液分离器的水出口通过第一阀门与至少两个水电解池的原料入口相接，所述氢燃料电池的电输出端与一个水电解池相接，其余水电解池与直流电源相接，所述水电解池的氢气出口通过第二阀门与氢燃料电池的负极相接，所述水电解池的臭氧和氧气出口与第三阀门相接。
[0008]本发明是将含氧气体通过氢燃料电池转化为水，再以所生成的水作为水电解池的原料生成臭氧，所生成的臭氧不含氮氧化合物等杂质，纯度高。水电解池电解水产生的氢气作为氢燃料电池的原料，氢燃料电池产生的电能又为其中一个水电解池供电。不仅节省电能和水，降低生成臭氧的成本，而且充分利用的氢气，消除了安全隐患。本发明既适用于大规模、稳定连续运行，也适用于室内、外等场所灵活便携使用。
【附图说明】
[0009]附图1是本发明实施例的设备连接示意图。
【具体实施方式】
[0010]如图1所不:设有一个氢燃料电池I，氢燃料电池I的排气口与气液分离器2相接，气液分离器2的水出口通过第一阀门3分别与两个水电解池4的原料入口相接，氢燃料电池I的电输出端与一个水电解池4相接，另一水电解池4与直流电源5 (MPS30直流稳流电源)供电。相接，水电解池4的氢气出口通过第二阀门6与氢燃料电池I的负极相接，水电解池4的臭氧和氧气出口与第三阀门7相接。
[0011]所用氢燃料电池I及水电解池4均为现有技术，燃料电池的参数如下:干态的H2/AIR ;操作压力常压；操作温度30~80°C ;mPt, MEA=0.7mg/cm2;单池测试；氢气循环利用，空气流速为100 ml/min ;有效面积为5cm2。
[0012]水电解池的参数如下:水电解池温度为45 °C，常压，水流量15ml/min，单池测试，有效面积为5cm2，能够电解水产生氢气、臭氧和氧气。水电解池4至少两个，但只有一个是由氢燃料电池供电。
[0013]亦可将纯净水输入管路与气液分离器2的入口相接，可根据需要在设备启动时，输入部分纯净水。
[0014]工作过程如下:
1.先将纯净水输入至两个水电解池4，由直流电源5供电的水电解池4首先工作，电解水后所产生的臭氧和氧气出口通过第三阀门7后收集；
2.将含氧气体(空气)供给氢燃料电池I的正极，水电解池4所产生的氢气通过第二阀门6供给氢燃料电池I的负极，氢燃料电池I则产生水蒸气和电能；
3.氢燃料电池I所产生的水蒸气经过气液分离器2分离，所得到的贫氧或无氧气体可直接排放，也可作为副产品收集利用，所得到的水则通过第一阀门3输送至两个水电解池4作为原料，氢燃料电池I所产生的电为一个水电解池4供电；
4.两个水电解池同时工作，电解水后所产生的臭氧和氧气出口通过第三阀门7后收集，重复2~4步骤，循环进行。
[0015]若不计挥发或蒸发因素带来的损耗，水是不需要额外添加的。
[0016]常压下，燃料电池I和水电解池4的工作温度分别保持在60 0C和45 °C，空气以100 ml/min输入氢燃料电池I的正极侧，MPS30直流稳流电源5输入电流2 A，产出臭氧气体流量20 ml/min，臭氧浓度为12 wt%。
【主权项】
1.一种由含氧气体电化学生成臭氧的方法，其特征在于按照如下步骤进行: a.用至少两个水电解池电解水，其中一个水电解池由氢燃料电池供电，汇集水电解池阴极侧产生的氢气及阳极侧产生的臭氧和氧气； b.将含氧气体及所汇集的氢气分别供给所述氢燃料电池的正极和负极； c.将所述氢燃料电池产生的水输送至所述水电解池。
2.一种如权利要求1所述的由含氧气体电化学生成臭氧的方法用设备，其特征在于:设有一个氢燃料电池(I )，所述氢燃料电池(I)的排气口与气液分离器(2)相接，所述气液分离器(2)的水出口通过第一阀门(3)与至少两个水电解池(4)的原料入口相接，所述氢燃料电池(I)的电输出端与一个水电解池(4)相接，其余水电解池(4)与直流电源(5)相接，所述水电解池(4 )的氢气出口通过第二阀门(6 )与氢燃料电池(I)的负极相接，所述水电解池(4)的臭氧和氧气出口与第三阀门(7)相接。
【专利摘要】本发明公开一种由含氧气体电化学生成臭氧的方法及设备，方法是用至少两个水电解池电解水，其中一个水电解池由氢燃料电池供电，汇集水电解池阴极侧产生的氢气及阳极侧产生的臭氧和氧气；将含氧气体及所汇集的氢气分别供给所述氢燃料电池的正极和负极；将所述氢燃料电池产生的水输送至所述水电解池。设备是设有一个氢燃料电池，氢燃料电池的排气口与气液分离器相接，气液分离器的水出口与至少两个水电解池的原料入口相接，氢燃料电池的电输出端与一个水电解池相接，水电解池的氢气出口与氢燃料电池的负极相接，水电解池的臭氧和氧气出口与阀门相接。
【IPC分类】C25B9-04, C25B1-13, C25B1-04
【公开号】CN104862732
【申请号】CN201510222879
【发明人】朱晓兵, 张建辉, 朱爱民, 李小松, 刘景林
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月5日