[发明专利]一种便携式水电解制氧机

说明书

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，所述阴极催化剂是铂、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0.2-2mg/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，所述阳极催化剂是铂、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0.1-1mg/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。