[发明专利]一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法有效

专利信息
申请号: 201310542196.2 申请日: 2013-11-05
公开(公告)号: CN104611717B 公开(公告)日: 2016-11-30
发明(设计)人: 朱晓兵;朱纬坤;朱爱民;刘景林 申请(专利权)人: 大连理工大学
主分类号: C25B9/04 分类号: C25B9/04;C25B1/04
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 马驰
地址: 116024 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 一种 混合 制备 氧气 电化学 方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及一种采用电化学技术,从含氧混合气中(以空气为例)分离制备纯氧及贫氧气体(以贫氧空气为例)方法,尤其是一种燃料电池和电解水技术结合的制备纯氧及贫氧气体的方法。

背景技术

纯氧的制备,工业上主要是通过深冷法使液化空气精馏,其缺点是设备庞大、工艺复杂,只适合大规模工业化生产。分子筛变压吸附(PSA)法,虽适合室内使用,但获得氧气的纯度不高,其氧气浓度最高只能达到95%。在以固体电解质水电解技术为代表的电解水过程中,电解池的阳极和阴极可分别同时获得纯氧和纯氢,其纯度可高达99.99%以上。固体电解质电解池工作电流密度高(1-3A/cm2),安全可靠寿命长(不需电解液,只需纯水),能量效率高达85%以上,电解池结构紧凑、体积小、重量轻。但固体电解质电解水制备纯氧的电耗较高,每立方米氧气需消耗8-10度电。另外,电解池阴极产生的氢气若不加以利用,则不仅浪费了氢能,而且存在易燃易爆的安全隐患。

针对上述氢气的问题,中国发明专利02114162.2和201110105892.8将电解池与氢燃料电池联用。电解池产生的氢气,流入氢燃料电池发电。中国发明专利02114162.2,将氢燃料电池与外接的220V交流电整流所得的直流电作为双电源,同时给电解池供电。在双电源电路中,若外接电源的电压高于燃料电池的工作电压,燃料电池则被反充电而损坏。又因电解池负载的不稳定性等因素,因此在实际使用中难以保证该双电源电路能够稳定可靠和高效率运行。另外,由于氢燃料电池回收的电能,大约只占电解池消耗电能的30-40%,即每立方米氧气仍需消耗5-7度电,制备纯氧的运行成本仍然较高;再者,该专利只适用于能够提供220V交流电的场所。中国发明专利201110105892.8为解决双电源电路和使用场所局限性的问题,采用二次电池给电解池供电,氢燃料电池以浮充的方式给二次电池充电。但由于受二次电源容量的限制和电解水能耗较高问题的制约,因此二次电池储存的有限电能在运行过程中将快速消耗,运行一段时间后必然需要外电源充电才能重新工作。该专利制氧装置只适合小流量和短时间间歇使用。

发明内容

本发明为了解决现有技术所存在的上述技术问题,提供一种室内外与野外通用、运行成本低、由含氧混合气稳定连续制备纯氧及贫氧气体的电化学方法。

本发明的技术解决方案是:一种采用电化学技术,从含氧混合气中(以含氧混合气中的空气为例)分离制备纯氧及贫氧气体(以贫氧气体中的贫氧空气为例)方法,尤其是一种燃料电池和电解水技术结合的制备纯氧及贫氧气体的方法。

采用至少两个电解水单元和它们各自的供电单元;供电单元由氢能回收供电单元和外接供电单元两部分组成,氢能回收供电单元采用氢燃料电池,外接供电单元选用太阳能电池、直接甲醇燃料电池、交流电网这三种电池或电源中的至少一种。每个供电单元分别仅与其对应的电解水单元电路上独立连接。每个电解水单元产生的氢气通过氢气管道汇聚,一起输送至氢燃料电池作为燃料;每个电解水单元产生的氧气通过氧气管道汇聚流出,即可制得纯氧。氢能回收供电单元的氢燃料电池的负极、正极侧分别输入氢气和含氧混合气,其所输入的氢气通过管路与电解水单元的阴极氢气室相连,正极侧的排出气经气液分离后作为贫氧气体输出,即制备贫氧气体。或者,正极侧的排出气经气液分离后再次进入辅助氢燃料电池的正极侧,负极由电解池阴极产生的氢气分流输入,辅助氢燃料电池的外电路连接负载和监控电流表,正极侧的输出气为无氧气体。

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