一種合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種純氧氣源發(fā)生器，尤其是一種合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 臭氧是一種強(qiáng)氧化性的不穩(wěn)定氣體，易分解而無法儲存，因此實際使用時需現(xiàn)場 制取，即隨制隨用。臭氧的合成，一般是以含氧氣體(如純氧和空氣）為氣源，通過等離子體 (介質(zhì)阻擋放電或電暈放電產(chǎn)生）或紫外光將氧分子解離為氧原子，隨后氧原子與氧分子通 過三體碰撞反應(yīng)生成臭氧。合成臭氧的商業(yè)化方法，主要是等離子體法，其使用最為廣泛。 由于合成臭氧的原料是氧氣，因此氣源中氧含量對臭氧的電耗和濃度影響顯著。以空氣為 氣源時的臭氧電耗，至少是以純氧為氣源時的2倍以上。以空氣為氣源時的臭氧濃度只能 達(dá)到3-6wt%，遠(yuǎn)低于以純氧為氣源時的(可高達(dá)15wt%)。另外，等離子體法合成臭氧時，若 以空氣或富氧空氣為氣源，不可避免會產(chǎn)生氮氧化合物（NO x)等有害和腐蝕性氣體；若以純 氧為氣源，其氣體中只有臭氧和氧氣，成份純凈，無毒副作用。
[0003] 目前，合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器，主要采用分子篩變壓吸附（PSA)技術(shù)。這種純 氧氣源發(fā)生器，需預(yù)處理除去原料空氣中水分和二氧化碳，吸附床較多，工藝流程復(fù)雜，體 積龐大，可靠性較差，而且獲得氧氣的純度不高，其氧氣濃度最高只能達(dá)到95%。在以固體 電解質(zhì)水電解技術(shù)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(dá)99. 99%以上。固體電解質(zhì)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(dá)85%以上，電解池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。 但固體電解質(zhì)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(chǎn)生的氫氣若不加以利用，則不僅浪費(fèi)了氫能，而且存在易燃易爆的安全隱患。
[0004] 針對上述氫氣的問題，中國發(fā)明專利02114162. 2和201110105892. 8將電解池與 氫燃料電池聯(lián)用。電解池產(chǎn)生的氫氣，流入氫燃料電池發(fā)電。中國發(fā)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(fù)載的不穩(wěn)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(wěn)定可靠 和高效率運(yùn)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(yùn)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(fā)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(yùn)行過程中將快速消耗，運(yùn)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，若作為合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器，只能小流量和短時間間歇產(chǎn)生純氧。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，提供一種合成臭氧的純氧氣源 發(fā)生器，在室內(nèi)、室外或野外場所均能為臭氧發(fā)生器由空氣低成本、穩(wěn)定連續(xù)地制備高純度 氧氣。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器，采用電化學(xué)方法分 離空氣制備純氧，尤其是將燃料電池和電解水技術(shù)結(jié)合制備純氧，為臭氧發(fā)生器提供純氧 供給單元。
[0007] 所述純氧供給單元包括至少兩個電解水單元和每個電解水單元各自對應(yīng)的供電 單元；
[0008] 供電單元包括至少一個用于氫能回收供電單元和一個外接供電單元，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、外部交流電網(wǎng) 電源中的至少一種；
[0009] 所述的電解水單元為水電解池；
[0010] 每個供電單元分別僅與其對應(yīng)的電解水單元電路上獨(dú)立連接；
[0011] 所有電解水單元產(chǎn)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(chǎn)生的氧氣通過氧氣管道匯聚流入干燥器，干燥后一起輸送至臭氧發(fā) 生器的原料氧氣入口產(chǎn)生臭氧；
[0012] 氫能回收供電單兀的氫燃料電池的負(fù)極、正極側(cè)分別輸入氫氣和空氣，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(cè)的排出氣經(jīng)氣液分離后排空。
[0013] 所述的電解水單元，其陽極和陰極被電解質(zhì)隔膜隔開，分別與供電單元的正極和 負(fù)極相連。電解質(zhì)隔膜可以是酸性和/或堿性聚合物電解質(zhì)膜，或酸、堿浸漬多孔隔膜的 電解質(zhì)隔膜。在酸性體系或堿性體系中，水合質(zhì)子或氫氧根離子在內(nèi)電場作用下通過電 解質(zhì)隔膜遷移至陰極側(cè)產(chǎn)生氫氣、陽極側(cè)有氧氣的產(chǎn)生。電解質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料。陰極電催化劑的催化活性組分為具 有析氫反應(yīng)功能的Pt黑或Pt/C，催化活性組分在膜電極的擔(dān)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(dān)量為0. 01-4mg/cm2。
[0014] 所述的氫燃料電池供電單元，其正極和負(fù)極被電解質(zhì)隔膜隔開形成兩個氣室。負(fù) 極側(cè)氣室與氫氣管道連接，流入電解水單元產(chǎn)生的氫氣；正極側(cè)氣室由風(fēng)扇或氣泵將空氣 送入，獲得氫燃料電池所需的氧氣。正極側(cè)氣室排出氣經(jīng)氣液分離后排空（可參見中國專 利申請：朱曉兵、朱緯坤、朱愛民、劉景林"一種由含氧混合氣制備純氧及貧氧氣體的電化學(xué) 方法"）。正極側(cè)產(chǎn)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(huán)使用。若不計揮發(fā)或蒸發(fā)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(yùn)行時使用純水的成本。電解質(zhì)隔膜可以是酸性 和/或堿性聚合物電解質(zhì)膜，或酸、堿浸漬多孔隔膜的電解質(zhì)隔膜。電解質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料。負(fù)極電催化劑的催化活性組分為具 有氫氧化反應(yīng)功能的Pt黑或Pt/C，催化活性組分在膜電極的擔(dān)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(dān)量為0. 01-4mg/cm2。
[0015] 所述的電路連接，其電解池的陰極、陽極與燃料電池的負(fù)極、正極相連。
[0016] 所述的主單元由燃料電池和電解池組成，所述的輔助單元由補(bǔ)充氫氣功能的電解 池組成。所述的主單元和輔助單元之間只有氣路連接，沒有電路連接。電解池的陰極氫氣 氣路與燃料電池負(fù)極氫氣氣路連接。電解池的陽極排出的氧氣經(jīng)干燥處理后，輸入至臭氧 發(fā)生器原料氣入口，產(chǎn)生臭氧輸出。
[0017] 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(fù)極，以含氧氣體為 氧化劑流入正極，發(fā)電供給電解池。
[0018] 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(yè)化產(chǎn)品，發(fā)電供給電解池。
[0019] 所述的交流電網(wǎng)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(wǎng) 供電的直流電源商業(yè)化產(chǎn)品，發(fā)電供給電解池。
[0020] 在室內(nèi)場所為臭氧發(fā)生器制備純氧，由于交流電網(wǎng)連接方便，優(yōu)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(wǎng)的直流電源。這既可節(jié)約電能，降低運(yùn)行成本，又 可彌補(bǔ)太陽能不可控的缺憾。
[0021] 在室外和野外場所為臭氧發(fā)生器制備純氧，由于交流電網(wǎng)不便或難以連接，優(yōu)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(fā)揮了室外和野外 獲得太陽能的優(yōu)勢，又可彌補(bǔ)太陽能不可控和不便或難以連接交流電網(wǎng)的缺憾。
[0022] 本發(fā)明提供的一種合成臭氧的純氧氣源發(fā)生器，采用電化學(xué)方法分離空氣制備純 氧，尤其是將燃料電池和電解水技術(shù)結(jié)合制備純氧。采用至少兩個電解水單元和它們各自 的供電單元，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；氫能回收供電單元回收利用了電解水產(chǎn)生的氫能，節(jié)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(wǎng)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(jìn)一步降低了電耗，而且在室內(nèi)、室外與野外場所均能為臭 氧發(fā)生器連續(xù)穩(wěn)定制備純氧。
[0023] 本發(fā)明為臭氧發(fā)生器制備純氧的方法的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0024] 1.傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)電解水制備純氧的方法，其電耗較高，每立方米氧氣需消耗 8-10度電。另外，電解池陰極產(chǎn)生的氫氣若不加以利用，則不僅浪費(fèi)了氫能，而且存在易燃 易爆的安全隱患。相對于傳統(tǒng)方法，本專利方法可以利用電解水制氧同時，循環(huán)利用氫氣發(fā) 電供給電解池產(chǎn)生更多的氧氣，能量效率更高，電解水產(chǎn)氫和燃料電池消耗氫氣，系統(tǒng)內(nèi)無 凈氫氣生成，系統(tǒng)使用更安全。
[0025] 2.中國發(fā)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(fù)載的不穩(wěn)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(wěn)定可靠和高效率運(yùn)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(yùn)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。相對于中國專利 02114162. 2,本專利的方法，采用每個供電單元分別僅與其對應(yīng)的電解水單元電路上獨(dú)立 連接。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(wǎng)這三種電池或電源中的 至少一種。本專利方法適合在室內(nèi)、室外與野外場所均能連續(xù)穩(wěn)定地為臭氧發(fā)生器提供純 氧。
[0026] 3.中國發(fā)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