[发明专利]一种便携式节能水电解制氧装置

说明书

技术领域

本发明涉及制氧装置，具体地讲是一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：

一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。

进一步，氢燃料电池以浮充的方式向二次电池充电。

进一步，通过风机将空气送入氢燃料电池。

进一步，所述二次电池为锂离子电池、镍氢电池或镍镉电池。

进一步，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。

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、钯和镍中的至少一种，催化剂的担载量为0.2～2mg/cm²；在隔膜的另一边所涂敷的催化剂为铂、钌、钯和镍中的至少一种，催化剂的担载量为0.1～1mg/cm²。

进一步，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，所述催化剂为铂、铜、铁和镍中的至少一种，在电解质膜的一边所述催化剂的担载量为0.2～2mg/cm²，在另一边所述催化剂的担载量为0.1～1mg/cm²。

本发明的有益效果：