一種由含氧混合氣制備純氧及貧氧氣體的電化學方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種采用電化學技術，從含氧混合氣中（以空氣為例）分離制備純氧及 貧氧氣體（以貧氧空氣為例）方法，尤其是一種燃料電池和電解水技術結合的制備純氧及貧 氧氣體的方法。
【背景技術】
[0002] 純氧的制備，工業上主要是通過深冷法使液化空氣精餾，其缺點是設備龐大、工藝 復雜，只適合大規模工業化生產。分子篩變壓吸附（PSA)法，雖適合室內使用，但獲得氧氣 的純度不高，其氧氣濃度最高只能達到95%。在以固體電解質水電解技術為代表的電解水過 程中，電解池的陽極和陰極可分別同時獲得純氧和純氫，其純度可高達99. 99%以上。固體 電解質電解池工作電流密度高（l-3A/cm2)，安全可靠壽命長(不需電解液，只需純水)，能量 效率高達85%以上，電解池結構緊湊、體積小、重量輕。但固體電解質電解水制備純氧的電 耗較高，每立方米氧氣需消耗8-10度電。另外，電解池陰極產生的氫氣若不加以利用，則不 僅浪費了氫能，而且存在易燃易爆的安全隱患。
[0003] 針對上述氫氣的問題，中國發明專利02114162. 2和201110105892. 8將電解池與 氫燃料電池聯用。電解池產生的氫氣，流入氫燃料電池發電。中國發明專利02114162. 2,將 氫燃料電池與外接的220V交流電整流所得的直流電作為雙電源，同時給電解池供電。在雙 電源電路中，若外接電源的電壓高于燃料電池的工作電壓，燃料電池則被反充電而損壞。又 因電解池負載的不穩定性等因素，因此在實際使用中難以保證該雙電源電路能夠穩定可靠 和高效率運行。另外，由于氫燃料電池回收的電能，大約只占電解池消耗電能的30-40%，即 每立方米氧氣仍需消耗5-7度電，制備純氧的運行成本仍然較高；再者，該專利只適用于能 夠提供220V交流電的場所。中國發明專利201110105892. 8為解決雙電源電路和使用場所 局限性的問題，采用二次電池給電解池供電，氫燃料電池以浮充的方式給二次電池充電。但 由于受二次電源容量的限制和電解水能耗較高問題的制約，因此二次電池儲存的有限電能 在運行過程中將快速消耗，運行一段時間后必然需要外電源充電才能重新工作。該專利制 氧裝置只適合小流量和短時間間歇使用。

【發明內容】

[0004] 本發明為了解決現有技術所存在的上述技術問題，提供一種室內外與野外通用、 運行成本低、由含氧混合氣穩定連續制備純氧及貧氧氣體的電化學方法。
[0005] 本發明的技術解決方案是：一種采用電化學技術，從含氧混合氣中（以含氧混合氣 中的空氣為例）分離制備純氧及貧氧氣體（以貧氧氣體中的貧氧空氣為例）方法，尤其是一 種燃料電池和電解水技術結合的制備純氧及貧氧氣體的方法。
[0006] 采用至少兩個電解水單元和它們各自的供電單元；供電單元由氫能回收供電單元 和外接供電單元兩部分組成，氫能回收供電單元采用氫燃料電池，外接供電單元選用太陽 能電池、直接甲醇燃料電池、交流電網這三種電池或電源中的至少一種。每個供電單元分別 僅與其對應的電解水單元電路上獨立連接。每個電解水單元產生的氫氣通過氫氣管道匯 聚，一起輸送至氫燃料電池作為燃料；每個電解水單元產生的氧氣通過氧氣管道匯聚流出， 即可制得純氧。氫能回收供電單元的氫燃料電池的負極、正極側分別輸入氫氣和含氧混合 氣，其所輸入的氫氣通過管路與電解水單元的陰極氫氣室相連，正極側的排出氣經氣液分 離后作為貧氧氣體輸出，即制備貧氧氣體。或者，正極側的排出氣經氣液分離后再次進入輔 助氫燃料電池的正極側，負極由電解池陰極產生的氫氣分流輸入，輔助氫燃料電池的外電 路連接負載和監控電流表，正極側的輸出氣為無氧氣體。
[0007] 所述的電解水單元，其陽極和陰極被電解質隔膜隔開，分別與供電單元的正極和 負極相連。電解質隔膜可以是酸性和/或堿性聚合物電解質膜，或酸、堿浸漬多孔隔膜的 電解質隔膜。在酸性體系或堿性體系中，水合質子或氫氧根離子在內電場作用下通過電 解質隔膜遷移至陰極側產生氫氣、陽極側有氧氣的產生。電解質隔膜可以是以酸性的全 氟磺酸樹脂、磺化聚醚醚酮或磺化聚砜為代表的聚合物電解質材料和或以堿性的季銨化 聚諷（Shanfu Lu, et al.PNAS2008, 105,20611;Junfeng Zhou, etal. Journal of Power SourCes2009, 190, 285)為代表的聚合物的電解質材料。陰極電催化劑的催化活性組分為具 有析氫反應功能的Pt黑或Pt/C，催化活性組分在膜電極的擔量為0.01-lmg/cm 2;陽極電催 化劑催化活性組分由元素周期表第VIII族的過渡金屬中的一種或一種以上的金屬或其氧 化物組成（中國專利CN101008087B)，催化活性組分在膜電極的擔量為0. 01-4mg/cm2。
[0008] 所述的氫燃料電池供電單元，其正極和負極被電解質隔膜隔開形成兩個氣室。負 極側氣室與氫氣管道連接，流入電解水單元產生的氫氣；正極側氣室由風扇或氣泵將含氧 混合氣送入，獲得氫燃料電池所需的氧氣。正極側氣室排出氣經氣液分離后可作如下的至 少一種處理：（1)直接排空，或作為惰性保護氣使用；（2)深度除氧得到無氧氣體。后者，正 極側的排出氣再次進入輔助氫燃料電池的正極側，負極由電解池產生的氫氣分流輸入，輔 助氫燃料電池的外電路連接負載及監控電流表，正極側的輸出氣為無氧氣體。供電單元的 氫燃料電池正極側產生的水隨排出氣流入氣液分離器，氣液分離后水回流至電解池的陰極 和/或陽極，循環使用。若不計揮發或蒸發因素帶來的水的損耗，水是不需要額外添加的。 這不僅減輕了裝置的重量，更是大大降低了運行時使用純水的成本。電解質隔膜可以是酸 性和/或堿性聚合物電解質膜，或酸、堿浸漬多孔隔膜的電解質隔膜。電解質隔膜可以是 以酸性的全氟磺酸樹脂、磺化聚醚醚酮或磺化聚砜為代表的聚合物電解質材料和或以堿性 的季銨化聚諷（Shanfu Lu, et al.PNAS2008, 105, 20611; Junfeng Zhou, etal. Journal of Power Sources2009, 190,285)為代表的聚合物的電解質材料。負極電催化劑的催化活性組 分為具有氫氧化反應功能的Pt黑或Pt/C，催化活性組分在膜電極的擔量為0. 01-lmg/cm2 ; 正極電催化劑催化活性組分由元素周期表第VIII族的過渡金屬中的一種或一種以上的金 屬或其氧化物組成（中國專利CN101008087B)，催化活性組分在膜電極的擔量為0. 01-4mg/ cm2。
[0009] 所述的電路連接，其電解池的陰極、陽極與燃料電池的負極、正極相連。
[0010] 所述的主單元由燃料電池和電解池組成，所述的輔助單元1由補充氫氣功能的電 解池組成，所述的輔助單元2由深度除氧處理功能的燃料電池組成。所述的主單元、輔助單 元1和輔助單元2之間只有氣路連接，沒有電路連接。輔助單元2 (深度除氧處理功能的燃 料電池單元）與輔助單元1 (補充氫氣功能的電解池單元）只有氫氣氣路連接。電解池的 陰極氫氣氣路與燃料電池負極氫氣氣路連接。
[0011] 所述的直接甲醇燃料電池供電單元，采用甲醇作為燃料流入負極，以含氧氣體為 氧化劑流入正極，發電供給電解池。
[0012] 所述的太陽能電池供電單元，直接采用與水電解池所需電壓和功率匹配的太陽能 電池商業化產品，發電供給電解池。
[0013] 所述的交流電網供電單元，直接采用與水電解池所需電壓和功率匹配的交流電網 供電的直流電源商業化產品，發電供給電解池。
[0014] 在室內場所制備純氧，由于交流電網連接方便，優選的外接供電單元是同時采用 太陽能電池和外接交流電網的直流電源。這既可節約電能，降低運行成本，又可彌補太陽能 不可控的缺憾。
[0015] 在室外和野外場所制備純氧，由于交流電網不便或難以連接，優選的外接供電單 元是同時采用太陽能電池和直接甲醇燃料電池。這既充分發揮了室外和野外獲得太陽能的 優勢，又可彌補太陽能不可控和不便或難以連接交流電網的缺憾。
[0016] 本發明提供的一種采用電化學技術，從含氧混合氣中（以空氣為例)分離制備純氧 及貧氧氣體（以貧氧空氣為例）方法，尤其是一種燃料電池和電解水技術結合的制備純氧及 貧氧氣體的方法。采用至少兩個電解水單元和它們各自的供電單元，連續運行穩定可靠；氫 能回收供電單元回收利用了電解水產生的氫能，節約了能源并解決了氫氣的安全問題。太 陽能電池與交流電網或與直接甲醇燃料電池的同時采用作為外接供電單元，不僅利用太陽 能進一步降低了電耗，而且在室內、室外與野