CN104611717B - 一种由含氧混合气制备纯氧及贫氧气体的电化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
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。
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(Shanfu Lu,et al.PNAS2008,105,20611;Junfeng Zhou,etal.Journal of PowerSources2009,190,285)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(Shanfu Lu,et al.PNAS2008,105,20611;Junfeng Zhou,etal.Journal ofPower Sources2009,190,285)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。这既可节约电能，降低运行成本，又可弥补太阳能不可控的缺憾。
在室外和野外场所制备纯氧，由于交流电网不便或难以连接，优选的外接供电单元是同时采用太阳能电池和直接甲醇燃料电池。这既充分发挥了室外和野外获得太阳能的优势，又可弥补太阳能不可控和不便或难以连接交流电网的缺憾。
本发明提供的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。采用至少两个电解水单元和它们各自的供电单元，连续运行稳定可靠；氢能回收供电单元回收利用了电解水产生的氢能，节约了能源并解决了氢气的安全问题。太阳能电池与交流电网或与直接甲醇燃料电池的同时采用作为外接供电单元，不仅利用太阳能进一步降低了电耗，而且在室内、室外与野外场所均能连续稳定制备纯氧及贫氧气体。
本发明的优点如下：
1.传统的固体电解质电解水制备纯氧的方法，其电耗较高，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。相对于传统方法，本专利方法可以利用电解水制氧同时，循环利用氢气发电供给电解池产生更多的氧气，能量效率更高，电解水产氢和燃料电池消耗氢气，系统内无净氢气生成，系统使用更安全。
2.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。相对于中国专利02114162.2，本专利的方法，采用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。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。本专利方法适合在室内、室外与野外场所均能连续稳定制备纯氧及贫氧气体。
3.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。本专利方法，采用外接供电单元与电解池联用的辅助单元产生额外的氢气来补充燃料电池供其发电，以弥补燃料电池和电解池联用的主单元的能量损耗，而非通过二次电池来补充电能以弥补能量损耗。中国发明专利201110105892.8受二次电池储存能量容量的限制，提供的是有限容量或间歇式的制氧方法。本专利适合在室内、室外与野外场所均能连续稳定制备纯氧及贫氧气体。
附图说明
所述的图1的气路连接关系如下：主单元由燃料电池FC和电解池WE-1组成，辅助单元由补充氢气功能的电解池WE-2和外接供电单元组成，其外接供电单元采用太阳能电池、直接甲醇燃料电池、交流电网的直流电源中至少一种。所述的主单元和辅助单元之间只有气路连接，没有电路连接。电解池WE-1和WE-2的阴极氢气气路与燃料电池FC负极氢气气路连接。电解池WE-1和WE-2的阳极侧的排气经干燥器后，获得纯氧气。燃料电池FC的正极侧输入含氧气体（以空气为例），反应后的排气经气液分离器及干燥器后，获得贫氧气体（以贫氧空气为例）。燃料电池FC的正极侧排气口与贮水单元的气液分离器连接，气液分离后水回流至主单元电解池WE-1和辅助单元电解池WE-2的阳极侧，循环使用。由于水汽蒸发的不可避免因素，往贮水单元的分离器加入适量水维持整个系统的水的物料平衡。
所述的图1的电路连接关系如下：燃料电池FC的负极、正极分别与电解池WE-1的阴极、阳极连接。外接供电单元的直流电源的负极、正极分别与电解池WE-2的负极、正极连接。
所述的图2的气路连接关系如下：主单元由燃料电池FC-1和电解池WE-1组成；辅助单元1由补充氢气功能的电解池WE-2和外接供电单元组成，其外接供电单元采用太阳能电池、直接甲醇燃料电池、交流电网的直流电源中至少一种；辅助单元2由除氧深度处理功能的燃料电池FC-2组成。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。
电解池WE-1和WE-2的阴极氢气气路与燃料电池FC-1负极氢气气路连接，电解池WE-2的阴极侧产生的部分氢气流入FC-2的负极。电解池WE-1和WE-2的阳极侧的排气经干燥器后，获得纯氧气。燃料电池FC-1的正极侧输入含氧气体（以空气为例），反应后的排气经贮水单元的气液分离器后，流入燃料电池FC-2的正极侧排出经干燥器后，获得深度贫氧或无氧气体（以深度贫氧或无氧空气为例）。燃料电FC-1的正极侧排气口与贮水单元的气液分离器连接，气液分离后水回流至电解池WE-1和电解池WE-2的阳极侧，循环使用。由于水汽蒸发的不可避免因素，往贮水单元的分离器加入适量水维持整个系统的水的物料平衡。
所述的图2的电路连接关系如下：燃料电池FC-1的负极、正极分别与电解池WE-1的阴极、阳极连接。外接供电单元的直流电源的负极、正极分别与电解池WE-2的负极、正极连接。燃料电池FC-2的电路与负载或LED灯和监控电流表等连接。
图1.一种由含氧混合气(以空气为例)制备纯氧及贫氧气体（以贫氧空气为例）的电化学方法的流程图。图中FC、WE-1分别是主单元的燃料电池FC、电解池WE-1；WE-2是辅助单元的电解池WE-2；Water-gas Separator是贮水单元的气液分离器；Solar Cell and/orDMFC and/or DC power是辅助单元的外接供电的太阳能电池、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；系统输入的AIR和H2O、输出的O2-Lean Air和O2分别是输入的空气和水、输出的贫氧空气和氧气。
图1以空气为例，辅助单元的外接供电单元与电解池WE-2连接产生氢气，供给主单元燃料电池FC以启动整个系统和弥补主单元的能耗使其连续正常运行。其外接供电单元可选用太阳能电池、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。主单元的燃料电池FC负极和正极分别流入氢气和空气，发电供给主单元电解池WE-1，通过电解水产生的氢气再次循环供给燃料电池，形成氢气循环利用。
燃料电池FC的正极侧的流出气体通过气液分离器、干燥器输出贫氧空气。电解池WE-1、WE-2的阳极侧的流出气体通过干燥器输出纯氧气体。
燃料电池FC正极侧产生的水通过水的管道回流至贮水单元的气液分离器冷凝收集，可输送至电解池的阳极侧以循环使用。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。考虑到不可避免的气路水汽蒸发带来的损耗，可往贮水单元适当补充水。
因而整个系统的输入是供给主单元的燃料电池FC的空气、补充水汽蒸发损耗的水；输出是主单元的电解池WE-1和辅助单元的电解池WE-2的阳极侧的气体经干燥后的纯氧气，主单元的燃料电池FC的正极侧气体经气液分离器和干燥器后的贫氧空气。
图2.一种由含氧混合气(以空气为例)制备纯氧及无氧气体（以无氧空气为例）的电化学方法的流程图。图中FC-1、WE-1分别是主单元的燃料电池FC-1、电解池WE-1；WE-2是辅助单元1的电解池WE-2；FC-2是辅助单元2的燃料电池（LED灯亮、灭分别表示运行、关闭）；Water-gas Separator是贮水单元的气液分离器；Solar Cell and/or DMFC and/or DCpower是辅助单元1的外接供电的太阳能电池、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；系统输入的AIR和H2O、输出的O2-Free Air和O2分别是输入的空气和水、输出的无氧空气和氧气。
图2是以空气为例，辅助单元1的外接供电单元与电解池WE-2连接产生部分氢气，供给主单元燃料电池FC-1以启动整个系统和弥补主单元的能耗使其连续正常运行。其外接供电单元可选用太阳能电池、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。主单元的燃料电池FC-1的负极和正极分别流入氢气和空气，发电供给主单元电解池WE-1，通过电解水产生的氢气再次循环供给燃料电池，形成氢气循环利用。
燃料电池FC-1的正极侧的流出气体通过气液分离器的贫氧空气再次流入辅助单元2的燃料电池FC-2正极侧，辅助单元1的电解池WE-2部分氢气流入辅助单元2的燃料电池2的负极侧。辅助单元2的燃料电池FC-2可深度除氧以获得无氧空气。电解池WE-1、WE-2的阳极侧的流出气体通过干燥器输出纯氧气体。
燃料电池FC-1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WE-1、WE-2的阳极侧以循环使用。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。考虑到不可避免的气路水汽蒸发带来的损耗，可往贮水单元适当补充水。
因而整个系统的输入是供给主单元的燃料电池FC-1空气、补充水汽蒸发损耗的水；输出是主单元的电解池WE-1和辅助单元1的电解池WE-2的阳极侧的氧气，辅助单元2的燃料电池FC-2的正极侧无氧空气。
具体实施方式
实施例1
取Nafion212膜（EW＝1052g/molSO3H）40cm2，加入20ml的N-甲基-2-吡咯烷酮和10ml的异丙醇加热溶解制得全氟磺酸溶液。将全氟磺酸溶液流延在平板上，在70℃加热10小时，再升温至77℃加热12小时，溶剂基本挥发后，在真空烘箱中130℃热处理1小时成基底膜，制备厚度为18μm燃料电池用聚合物电解质膜和50μm固体电解质水电解池膜。
采用SGL碳纸、聚四氟乙烯乳液、XC-72碳粉、5％（杜邦公司）溶液和20％Pt/C催化剂制备电极，其中树脂与C的质量比为0.8。负极Pt担量为0.3mg/cm2，正极Pt担量为0.5mg/cm2。压制5cm2的MEA三合一的油压机的操作条件为，160℃，微压预压1分钟，再提高压力至2MPa，热压2分钟，冷却即得燃料电池用MEA。
采用SGL碳纸、聚四氟乙烯乳液、XC-72碳粉、5％（杜邦公司EW=1100g/mol-SO3H）溶液和阴极用20％Pt/C催化剂、阳极用Pt黑、IrO2催化剂分别制备电极。阴极的树脂与C的质量比为0.8。阳极的Pt黑、IrO2粉末与Nafion树脂（EW=1100g/mol-SO3H）的以质量比为5:1。催化剂、树脂溶液加入异丙醇经超声分散12小时后配成阳极催化层备用浆料。阴极Pt担量为0.3mg/cm2，阳极Pt担量为4mg/cm2。压制5cm2的MEA三合一的油压机的操作条件为，160℃，微压预压1分钟，再提高压力至2MPa，热压2分钟，冷却即得固体电解质水电解池用MEA。
燃料电池的评价参数如下：干态的H2/AIR；操作压力常压；操作温度30～80℃；mPt,MEA=0.7mg/cm2；单池测试；氢气循环利用,空气流速为100ml/min；有效面积为5cm2。
电解池的评价参数如下：水电解池温度为45℃，常压，水流量15ml/min,单池测试，有效面积为5cm2。采用MPS30直流稳流电源供电。
整个系统流程结构如图1所示，稳定运行2小时后，测定的电流电压输出数据如表1所示。整个系统空气以100ml/min输入，同时补充水10ml/天；输出纯氧气20ml/min，贫氧空气80ml/min。
表1.实施例1的电化学实验数据
实施例2：
称取磺化聚砜（磺化度为60％）60克，加入10ml的N,N-二甲基乙酰胺和5ml的乙醚和正丁醇密封加热溶解。将多孔聚四氟乙烯膜厚度在90μm，孔径为0.09μm，孔隙率在90％绷紧在不锈钢框架上，倒入磺化聚砜溶液，在60℃加热24小时，再升温至75℃加热10小时，溶剂基本挥发后，在真空烘箱中100℃热处理2小时成基底膜。制备厚度为50μm固体电解质水电解池膜。
取Nafion212膜（EW＝1052g/molSO3H）30cm2，加入10ml的N-甲基-2-吡咯烷酮和25ml的异丙醇加热溶解制得全氟磺酸溶液。将全氟磺酸溶液流延在平板上，在65℃加热10小时，再升温至78℃加热14小时，溶剂基本挥发后，在真空烘箱中130℃热处理0.5小时成基底膜，制备厚度为20μm燃料电池用聚合物电解质膜。
采用Torry碳纸、聚四氟乙烯乳液、XC-72碳粉、5％（杜邦公司）溶液和40％Pt/C催化剂制备电极，其中树脂与C的质量比为0.6。负极Pt担量为0.15mg/cm2，正极Pt担量为0.6mg/cm2。压制5cm2的MEA三合一的油压机的操作条件为，160℃，微压预压1分钟，再提高压力至2MPa，热压2分钟，冷却即得燃料电池用MEA。
采用SGL碳纸、聚四氟乙烯乳液、XC-72碳粉、5％（杜邦公司EW=1100g/mol-SO3H）溶液和阴极用Pt黑催化剂、阳极用Pt黑、IrO2催化剂分别制备电极。阳极的Pt黑、IrO2粉末与Nafion树脂（EW=1100g/mol-SO3H）的以质量比为5:1。催化剂、树脂溶液加入异丙醇经超声分散12小时后配成阳极催化层备用浆料。阴极Pt担量为0.4mg/cm2，阳极Pt担量为2mg/cm2。压制5cm2的MEA三合一的油压机的操作条件为，160℃，微压预压1分钟，再提高压力至2MPa，热压2分钟，冷却即得固体电解质水电解池用MEA。
燃料电池的评价参数如下：干态的H2/AIR；操作压力常压；操作温度30～80℃；mPt,MEA=0.7mg/cm2；单池测试；氢气循环利用,空气流速为100ml/min；有效面积为5cm2。
电解池的评价参数如下：水电解池温度为45℃，常压，水流量20ml/min,单池测试，有效面积为5cm2。采用便携式直接醇燃料电池电堆（DMFC）直流稳流电源供电。
整个系统流程结构如图2所示，稳定运行2小时后，测定的电流电压输出数据如表2所示。整个系统空气以100ml/min输入，同时补充水15ml/天；输出纯氧气18ml/min，无氧空气72ml/min。
表2.实施例2的电化学实验数据
本发明采用至少两个电解水单元和它们各自的供电单元，连续运行稳定可靠；氢能回收供电单元回收利用了电解水产生的氢能，节约了能源并解决了氢气的安全问题；
太阳能电池与交流电网或与直接甲醇燃料电池的同时采用作为外接供电单元，不仅利用太阳能进一步降低了电耗，而且在室内、室外与野外场所均能连续稳定制备纯氧及贫氧气体。
针对解决燃料电池和电解池之间的运行能耗问题，本发明通过辅助单元的电解池阴极侧的氢气补充给主单元燃料电池的负极侧，此补充氢气通过燃料电池发电，以弥补主单元的燃料电池和电解池的之间的运行能量损耗。而中国发明专利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，同时给电解池供电以弥补上述能耗，存在两个问题(1)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；(2)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。因此本专利通过补充氢气的方法来弥补燃料电池和电解池之间的能量损耗的方法，具有两个优点(1)避免使燃料电池反充电而损坏；(2)主单元的燃料电池作为单一供电电源为电解池供电，其具有稳定可靠和高效率运行的电路。
Claims (10)
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入气液分离器，气液分离后水回流供给电解池的阴极和/或阳极，循环使用。
6.按照权利要求1所述的电化学方法，其特征在于：
所述的电路连接，其电解水单元电解池的阴极、阳极分别与氢燃料电池的负极、正极相连。
7.按照权利要求1所述的电化学方法，其特征在于：
包括至少两个电解水单元和每个电解水单元各自的供电单元；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，所述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；所述电解水单元为水电解池；
由至少一个氢燃料电池和水电解池构成主单元；
由至少一个水电解池作为辅助单元1，与外接供电单元电连接，用于为氢燃料电池提供补充氢气；
由至少一个氢燃料电池作为辅助单元2，用于贫氧气体的深度除氧处理；
所述的主单元、辅助单元1和辅助单元2三者之间只有气路连接，没有电路连接；辅助单元2(深度处理氧气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)之间只有氢气气路连接；水电解池的阴极氢气气路与燃料电池负极氢气气路连接。
8.按照权利要求1或7所述的电化学方法，其特征在于：
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，发电供给水电解池；
或，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，发电供给水电解池；
或，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，发电供给水电解池。
9.按照权利要求1或7所述的电化学方法，其特征在于：
外接供电单元是太阳能电池与交流电网或与直接甲醇燃料电池的同时采用。
10.按照权利要求1或7所述的电化学方法，其特征在于：
构成主单元的氢燃料电池和水电解池之间在电路上一一对应连接；
辅助单元2的辅助的氢燃料电池的外电路仅与电流表监控或负载连接，而不与任何一个水电解池电路连接。
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