专利名称：一种便携式节能水电解制氧装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制氧装置，具体地讲是ー种便携节能水电解制氧装置。
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。现有的小規模制氧技术主要以氧气富集エ艺为主。氧气富集提高浓度，可以利用变压吸附エ艺(PSA)通过分子筛从加压空气中分离和浓缩氧。从PSAエ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，就构成ー个小电解室，若干小电解室串联构成一个电解器。如果采用质子交換膜做电解质，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結合生成氢气；阳极则析出氧气。如果采用氢氧根离子交換膜做电解质，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扱，电子则通过外电路到达正极，并与氢氧根离子发生电化学結合生成氧气。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。虽然离子交換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カ(每立方氧气需要8度以上电能)。如果仅采用二次电池供电，则需要配备ー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瀑炸危险。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，它们还存在ー些不足之处，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
本发明的目的是解决现有电解制氧装置需在由外部220V交流供电，不具备室外使用的缺点，提供一种便携式节能水电解制氧装置。本发明实现上述目的所采用的技术方案如下ー种便携式节能水电解制氧装置，其包括水罐、电解器和氢燃料电池，水罐通过水管向电解器供水，电解器通过氧气通道将产生的氧气向外输出，电解器通过氢气通道向氢燃料电池供应氢气原料，氢燃料电池向二次电池充电，二次电池向电解器供电。进ー步，氢燃料电池以浮充的方式向二次电池充电。进一歩，通过风机将空气送入氢燃料电池。进一歩，所述二次电池为锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。进ー步，所述电解器包括隔膜、电极、扩散层和双极板，所述隔膜为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物离子交換膜，在隔膜的两边依次紧贴有扩散层、电极和双极板，在隔膜与扩散层两者相接触的面之间涂敷有催化剂。在上述电解器中，所述扩散层为碳纸、活性炭布或钛粉烧结的多孔材料。
在上述电解器中，在隔膜的一边所涂敷的催化剂为铱、钌、钯和镍中的至少ー种，催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2 ;在隔膜的另ー边所涂敷的催化剂为钼、钌、钯和镍中的至少ー种，催化剂的担载量为O. I lmg/cm2。进ー步，所述氢燃料电池包括电解质膜、电极、扩散层和双极板，在电解质膜的两边依次紧贴有扩散层、电极和双极板，在电解质膜与扩散层两者相接触的面之间涂敷有催化剂。在上述氢燃料电池中，所述扩散层为碳纸、活性炭布或金属网。所述金属网为不锈钢网或镍网。在上述氢燃料电池中，所述催化剂为钼、铜、铁和镍中的至少ー种，在电解质膜的
一边所述催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2，在另ー边所述催化剂的担载量为O. I Img/
2
cm ο本发明的有益效果
本发明采用了二次电池向电解器供电，再将产生的氢气回收供氢燃料电池发电，氢燃料电池产生的电能用于向二次电池充电，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。本发明的电解器或氢燃料电池采用膜/扩散层/电极/双极板的层状布局，使得制氧装置结构更紧凑，減少设备所需占用的空间。因此，本发明的便携式节能水电解制氧装置可连续制氧，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。
图I为本发明的水解制氧装置。图2为本发明水解制氧装置中的电解器。图3为本发明水解制氧装置中的氢燃料电池。其中，10-电解器，12-水罐，14-水管，16氧气通道，18-氢气通道，20-氢燃料电池，22-风机，24-排水管，26-二次电池，30-隔膜，(32、42)-扩散层，(34、44)-电极，(36、46)-双极板，(36a、46a)_沟槽，40-电解质膜。
具体实施方式
以下对本发明作进ー步详细介绍。如图I所示，本发明的便携式节能水电解制氧装置主要包括水罐12、电解器10、氢燃料电池20和二次电池26，水罐12通过水管14向电解器10供水，电解器10电解所需的电能由二次电池26供应，所用的二次电池26可以采用锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池，电解器10通电后，在电解器10的正极产生氧气，并通过氧气通道16将产生的氧气向外输出，在电解器10的负极产生氢气，产生的氢气通过氢气通道18向氢燃料电池20的阳极供应，作为氢燃料电池20发电用的氢气原料，风机22将空气输送到氢燃料电池20的阴极，从而为氢燃料电池20提供充足的氧气，氢燃料电池20产生的电能以浮充的方式向二次电池26充电，风机可选用小型的风扇，以避免増加装置的重量和体积 ，在氢燃料电池的底部设有排水管24，定期将冗余的氢气和发电过程所产生的水排出，避免氮气的产生以及生成的水附着在氢燃料电池20的阴极。本发明所用的电解器10可由多个如图2所示的结构单元串联而成，该结构単元包括隔膜30、电极34、扩散层32和双极板36，隔膜30采用具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物离子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜，扩散层32选用具有多孔结构的材料，以起到扩大接触面和減少接触电阻和电能消耗，这类具有多孔结构的材料有碳纸、活性炭布或钛粉烧结的多孔材料，在隔膜30的两边依次紧贴着扩散层32、电极34和双极板36，其中ー边的电极与二次电池26的正极通过导线连接，另ー边的电极与二次电池26的负极通过导线连接。隔膜30与扩散层32相接触的面之间涂敷有催化剂，催化剂可涂在隔膜的表面或扩散层的表面上，在与二次电池26的正极相连的一边所涂覆的催化剂一般为铱、钌、钯和镍中ー种或几种，催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2 ;而在与二次电池26的负极相连的ー边所涂敷的催化剂为钼、钌、钯和镍中的ー种或几种，催化剂的担载量为O. I lmg/cm2。双极板46上设有用于输送气体流道沟槽36a。本发明所用的氢燃料电池20可由多外由如图3所示结构单元串联而成，该结构单兀包括电解质膜40、电极44、扩散层42和双极板46,电解质膜40米用具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物离子交換膜，如杜邦公司的Naf ion膜，为扩大接触面和減少接触电阻和电能消耗，扩散层42可选用具有多孔结构的材料如碳纸、活性炭布或者不锈钢网、镍网等金属网，在电解质膜40的两边依次紧贴着扩散层42、电极44和双极板46，其中ー边的电极为阴极，另ー边的电极为阳扱。在电解膜40与扩散层42相接触的面之间涂敷有催化齐U，催化剂可涂在隔膜的表面或扩散层的表面上，催化剂可以选用钼、铜、铁和镍中ー种或多种，在阴极所在的这ー边，催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2 ;而在阳极所在的这ー边，催化剂的担载量为O. I lmg/cm2。同样在双极板46上也设有用于输送气体流道沟槽46a。
权利要求
1.ー种便携式节能水电解制氧装置，其包括水罐、电解器和氢燃料电池，其特征在于水罐通过水管向电解器供水，电解器通过氧气通道将产生的氧气向外输出，电解器通过氢气通道向氢燃料电池供应氢气原料，氢燃料电池向二次电池充电，二次电池向电解器供电。
2.根据权利要求I所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，氢燃料电池以浮充的方式向二次电池充电。
3.根据权利要求I所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，通过风机将空气送入氢燃料电池。
4.根据权利要求I所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，所述二次电池为锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。
5.根据权利要求I所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，所述电解器包括隔膜、电极、扩散层和双极板，所述隔膜为具有质子或氢氧根离子传导能力的聚合物离子交换膜，在隔膜的两边依次紧贴有扩散层、电极和双极板，在隔膜与扩散层两者相接触的面之间涂敷有催化剂。
6.根据权利要求5所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，所述扩散层为碳纸、炭布或钛粉烧结的多孔材料。
7.根据权利要求5所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，在隔膜的ー边所涂敷的催化剂为铱、钌、钯和镍中的至少ー种，催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2 ;在隔膜的另ー边所涂敷的催化剂为钼、钌、钯和镍中的至少ー种，催化剂的担载量为O. I lmg/cm2。
8.根据权利要求I所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在于，所述氢燃料电池包括电解质膜、电极、扩散层和双极板，在电解质膜的两边依次紧贴有扩散层、电极和双极板，在电解质膜与扩散层两者相接触的面之间涂敷有催化剂。
9.根据权利要求8所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在干，所述扩散层为碳纸、活性炭布或金属网。
10.根据权利要求8所述的便携式节能水电解制氧装置，其特征在干，所述催化剂为钼、铜、铁和镍中的至少ー种，在电解质膜的一边所述催化剂的担载量为O. 2 2mg/cm2，在另ー边所述催化剂的担载量为O. I lmg/cm2。
全文摘要
本发明公开一种便携式节能水电解制氧装置，该制氧装置包括水罐、电解器和氢燃料电池，水罐通过水管向电解器供水，电解器通过氧气通道将产生的氧气向外输出，电解器通过氢气通道向氢燃料电池供应氢气原料，氢燃料电池向二次电池充电，二次电池向电解器供电。本发明可回收电解消耗能量的30%～40%，结构紧凑，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。
文档编号H01M8/06GK102677082SQ20121014648
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者李彤, 雷一杰, 顾军 申请人:南京大学(苏州)高新技术研究院