一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法技术

本发明专利技术涉及一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法，包括至少两个电解水单元和每个电解水单元各自对应的供电单元；供电单元包括至少一个用于氢能回收供电单元和一个外接供电单元，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、外部交流电网电源中的至少一种；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；所有电解水单元产生的氢气输送至氢燃料电池作为燃料；电解水单元产生的氧气即所需纯氧；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，其正极侧的排出气经气液分离后作为贫氧气体输出。本发明专利技术在室内、室外与野外场所均能由空气低成本、稳定连续制备高纯度氧气。

【技术实现步骤摘要】
一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法
本专利技术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。
技术介绍
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，中国专利技术专利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。中国专利技术专利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。中国专利技术专利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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术解决方案是：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。所述的电解水单元，其阳极和阴极被电解质隔膜隔开，分别与供电单元的正极和负极相连。电解质隔膜可以是酸性和/或碱性聚合物电解质膜，或酸、碱浸渍多孔隔膜的电解质隔膜。在酸性体系或碱性体系中，水合质子或氢氧根离子在内电场作用下通过电解质隔膜迁移至阴极侧产生氢气、阳极侧有氧气的产生。电解质隔膜可以是以酸性的全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮或磺化聚砜为代表的聚合物电解质材料和或以碱性的季铵化聚砜(ShanfuLu,etal.PNAS2008,105,20611;JunfengZhou,etal.JournalofPowerSources2009,190,285)为代表的聚合物的电解质材料。阴极电催化剂的催化活性组分为具有析氢反应功能的Pt黑或Pt/C，催化活性组分在膜电极的担量为0.01-1mg/cm2；阳极电催化剂催化活性组分由元素周期表第VIII族的过渡金属中的一种或一种以上的金属或其氧化物组成(中国专利CN101008087B)，催化活性组分在膜电极的担量为0.01-4mg/cm2。所述的氢燃料电池供电单元，其正极和负极被电解质隔膜隔开形成两个气室。负极侧气室与氢气管道连接，流入电解水单元产生的氢气；正极侧气室由风扇或气泵将含氧混合气送入，获得氢燃料电池所需的氧气。正极侧气室排出气经气液分离后可作如下的至少一种处理：（1）直接排空，或作为惰性保护气使用；（2）深度除氧得到无氧气体。后者，正极侧的排出气再次进入辅助氢燃料电池的正极侧，负极由电解池产生的氢气分流输入，辅助氢燃料电池的外电路连接负载及监控电流表，正极侧的输出气为无氧气体。供电单元的氢燃料电池正极侧产生的水随排出气流入气液分离器，气液分离后水回流至电解池的阴极和/或阳极，循环使用。若不计挥发或蒸发因素带来的水的损耗，水是不需要额外添加的。这不仅减轻了装置的重量，更是大大降低了运行时使用纯水的成本。电解质隔膜可以是酸性和/或碱性聚合物电解质膜，或酸、碱浸渍多孔隔膜的电解质隔膜。电解质隔膜可以是以酸性的全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮或磺化聚砜为代表的聚合物电解质材料和或以碱性的季铵化聚砜(ShanfuLu,etal.PNAS2008,105,20611;JunfengZhou,etal.JournalofPowerSources2009,190,285)为代表的聚合物的电解质材料。负极电催化剂的催化活性组分为具有氢氧化反应功能的Pt黑或Pt/C，催化活性组分在膜电极的担量为0.01-1mg/cm2；正极电催化剂催化活性组分由元素周期表第VIII族的过渡金属中的一种或一种以上的金属或其氧化物组成(中国专利CN101008087B)，催化活性组分在膜电极的担量为0.01-4mg/cm2。所述的电路连接，其电解池的阴极、阳极与燃料电池的负极、正极相连。所述的主单元由燃料电池和电解池组成，所述的辅助单元1由补充氢气功能的电解池组成，所述的辅助单元2由深度除氧处理功能的燃料电池组成。所述的主单元、辅助单元1和辅助单元2之间只有气路连接，没有电路连接。辅助单元2(深度除氧处理功能的燃料电池单元)与辅助单元1（补充氢气功能的电解池单元）只有氢气气路连接。电解池的阴极氢气气路与燃料电池负极氢气气路连接。所述的直接甲醇燃料电池供电单元，采用甲醇作为燃料流入负极，以含氧气体为氧化剂流入正极，发电供给电解池。所述的太阳能电池供电单元，直接采用与水电解池所需电压和功率匹配的太阳能电池商业化产品，发电供给电解池。所述的交流电网供电单元，直接采用与水电解池所需电压和功率匹配的交流电网供电的直流电源商业化产品，发电供给电解池。在室内场所制备纯氧，由于交流电网连接方便，优选的外接供电单元是同时采用太阳能电池和外接交流电网的直流电源。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法，其特征在于：是一种从含氧混合气中分离制备纯氧及贫氧气体方法，包括至少两个电解水单元和每个电解水单元各自对应的供电单元；供电单元包括至少一个用于氢能回收供电单元和一个外接供电单元，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、外部交流电网电源中的至少一种；所述的电解水单元为水电解池；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；所有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，即制得所需纯氧；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，即制得所需贫氧气体。

【技术特征摘要】
1.一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法，其特征在于：是一种从含氧混合气中分离制备纯氧及贫氧气体方法，包括至少两个电解水单元和每个电解水单元各自对应的供电单元；供电单元包括至少一个用于氢能回收供电单元和一个外接供电单元，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、外部交流电网电源中的至少一种；所述的电解水单元为水电解池；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；所有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，即制得所需纯氧；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，即制得所需贫氧气体。2.按照权利要求1所述的电化学方法，其特征在于：所述的电解水单元的阳极和阴极被电解质隔膜隔开，分别与供电单元的正极和负极相连。3.按照权利要求1所述的电化学方法，其特征在于：所述的氢燃料电池供电单元，其正极和负极被电解质隔膜隔开形成两个气室；负极侧气室与氢气管道连接，流入电解水单元产生的氢气；正极侧气室由风扇或气泵将含氧混合气送入，获得氢燃料电池所需的氧气；正极侧气室流出的贫氧气体经气液分离后作如下的至少一种处理：(1)直接排空，或作为惰性保护气使用；(2)深度除氧得到无氧气体。4.按照权利要求1或3所述的电化学方法，其特征在于：所述贫氧气体再次进入一辅助的氢燃料电池的正极侧，辅助的氢燃料电池的负极由电解水单元阴极产生的氢气通过氢气管道分流输入，辅助的氢燃料电池的外电路连接监控电流表或负载，若外电路没有电流通过，则正极侧的输出气则为无氧气体或获得比输入的贫氧气体氧气浓度更低的贫氧气体。5.按照权利要求1或3所述的电化学方法，其特征在于：氢燃料电池正极侧产生的水随排出气流...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓兵，朱纬坤，朱爱民，刘景林，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21