CN116002623A - 一种微通道陶瓷电化学制氧系统制造高纯度氧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微通道陶瓷电化学制氧系统制造高纯度氧的方法，涉及用于从更复杂的气体(例如含有氧气的空气)中分离氧气，并在高压下输送分离出的氧气以供立即使用或储存和以后使用的装置。更具体地说，本发明涉及微通道陶瓷固态电化学装置，用于从更复杂的气体中分离氧以产生所需的氧，并在高达并超过300psig(>20atm)的高压下输送高纯度(>99.999％)的氧气。

Description

一种微通道陶瓷电化学制氧系统制造高纯度氧的方法

技术领域

本发明涉及用于从更复杂的气体(例如含有氧气的空气)中分离氧气，并在高压下输送分离出的氧气以供立即使用或储存和以后使用的装置。更具体地说，本发明涉及微通道陶瓷固态电化学装置，用于从更复杂的气体中分离氧以产生所需的氧，并在高达并超过300psig(>20atm)的高压下输送高纯度(>99.999％)的氧气。

背景技术

本发明涉及用于从更复杂的气体，如含氧空气中分离氧气，并在高压下输送分离出的氧气以便立即使用或用于储存和使用的装置。更具体地说，本发明涉及固态电化学装置，用于从更复杂的气体中分离氧气以产生所需的氧气，并在高达和超过300psig(>20atm)的高压下输送高纯度(>99.999％)的氧气。

众所周知，并且已经证明，通过电离氧分子、固体电解质通过传输氧离子和在相反的电解质表面重整氧分子的电化学过程，氧可以从更复杂的气体，例如空气中分离。电势施加于电解质表面的适当的催化电极涂层，该催化多孔电极涂层对氧分子，并且其作用是将氧分子在与电解质的界面处解离成氧离子。氧离子通过电解质被输送到相反的表面，该表面还涂覆有催化电极，并且被以相反的电势，从氧离子中去除多余的电子，并且氧分子被重整。目前的制氧系统不能输送300psi(>20atm)以上的高压氧。因此，在现有技术中需要提供高压氧的系统和方法。本领域存在对氧气生成系统的另一种需求，该系统可以使用例如被生物制剂和/或其他有毒物质污染的被污染的空气。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提供高压氧的电化学制氧系统。

本发明的另一个目的是提供一种微通道陶瓷电化学制氧系统，其可以在高达300psi(>20atm)的压力下提供高纯度(>99.999％)的氧气。

本发明的另一个目的是提供一种热交换系统，其可以在制氧期间调节微通道陶瓷制氧模块的温度。

本发明的另一个目的是提供一种用于控制加热室温度的控制系统。

本发明的另一个目的是提供一种独特的安装和电互连结构，用于支撑微通道陶瓷氧气产生模块并向其提供电力。

本发明的另一个目的是提供一种能够使用被污染的空气并且能够过滤被污染的空气和提供可呼吸的高纯度氧气的微通道陶瓷氧气生成系统。

本发明的另一个目的是提供一种能够使用被生物制剂和/或其他有毒物质污染的空气并能够产生可呼吸的高纯度氧气的微通道陶瓷氧气生成系统。

本发明的另一个目的是提供一种将陶瓷管密封到微通道陶瓷模块以允许每个陶瓷模块在不开裂的情况下热膨胀和收缩的方法。

本发明的这些和其他目的通过电化学制氧系统实现，所述电化学制氧系统包括具有新鲜空气入口和耗尽空气出口的加热室、位于加热室并具有氧出口的至少一个微通道陶瓷制氧模块、加热器。安装在所述加热室中，位于所述新鲜空气入口和所述加热室之间的热交换器，以及用于向所述至少一个微通道陶瓷制氧模块提供电力和用于控制所述加热器的控制器。

本发明适用于，但不限于，为许多医疗、半导体和工业应用输送高纯度氧，以及在民用和军事环境中过滤化学和生物制剂。

本发明的另一个目的是提供一种微通道陶瓷电化学制氧系统，其能够利用含有化学和/或生物污染物的空气供应，包括具有从空气供应进气口和耗尽空气出口的加热室，至少一个微通道陶瓷位于加热室并具有氧气出口的陶瓷氧气生成模块、安装在炉室中的加热器、位于新鲜空气入口和炉室之间的热交换器、以及用于向至少一个微通道陶瓷氧气生成器，提供电力的控制器和用于控制加热器，其中提供给氧出口的氧气没有化学和/或生物污染物。

以下详细描述，本发明的其他目的和优点对于本领域技术人员将变得显而易见，仅通过举例说明所设想的最佳模式，描述了本发明的优选实施范例。本发明能够有其它和不同的实施范例，并且其若干细节能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本发明。因此，附图及其描述在本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。

附图说明

图1为本发明提出的一种微通道模块化陶瓷制氧机形式的电化学制氧机的完整制氧系统的示意图；

图2为本发明提出的一种微通道陶瓷制氧机的模块和陶瓷芯片的微视图。

图中：1.空气供给、2.电源供应、3.热交换控制、4.热管理系统、5.微通道陶瓷模块、6.剩余空气、7.高压控制阀、8.高压氧气。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1示出了利用微通道陶瓷模块化陶瓷制氧机形式的电化学制氧机的完整制氧系统的示意图。该示意图描绘了一个电源和控制器2，该电源和控制器向热管理系统4提供电力，以在制氧模块组件5的工作范围内升高温度。制氧模块5组件可以包括一个或多个制氧模块，热管理系统4中的温度范围可能约为500至800摄氏度，这取决于用于构造微通道陶瓷制氧模块5的材料。微通道陶瓷制氧模块5位于热管理系统4中。热管理系统4达到最低优选工作温度后，至少由安装在热管理系统4中的热电偶检测到，控制器2开始向风扇提供电力，以通过逆流热交换器3将含氧空气输送至热管理系统4，并将其输送至包括至少一个模块的模块组件5。电源控制器2还向模块5提供电力，并且通过电化学产生氧气。根据产生的氧气量的不同，电能的量可以不同。当电力输送到模块5并产生氧气时，模块5内的电阻产生额外的热量。为了补偿这额外的热量，控制器2降低对热管理系统加热器的功率，以保持热管理系统4中所需的工作温度。所产生的氧气被输送到作为临时氧气储存容器的产品增压室。氧气从产品集气室输送至低压调节器、最后输送至用户调节阀，以供患者立即使用。

氧气也可以被输送到高压接头7，该高压接头允许连接可移动便携式氧气储存罐的接头。便携式氧气储存罐被自动填充，并且可以稍后使用。控制器2向模块5施加适当的电力以在高压下产生氧气，直到高压开关7检测到压力超过约300psig。一旦超过300psig，控制器2降低模块5的功率，直到高压开关7处的压力降至300psig以下。控制器2还对低压开关进行电气监控。该开关可将输送至产品充压室和高压接头7的压力调节至约300psig的压力。高压安全阀7排出超过300psig的多余压力，以将标称压力限制在300psig以下，并释放与温度相关的过高压力。最大正常工作压力约为300psig，控制器2还对高压开关7进行电气监控。如果在给定的时间段后工作压力低于最小工作压力，则控制器2激活警告灯和声音警报(未显示)。

图2示出了本发明的一种微通道陶瓷制氧机的模块和陶瓷芯片的微视图。采用独特的固态陶瓷制氧材料和先进的制造技术，其中有三项专利待定，因为在陶瓷制氧系统中分离氧气是一种电化学工艺，所生产的氧气流纯度可迖到99.9999％，超过了美国药典(USP)99.5％纯度水平的氧气标准。这种革命性的氧气发生器的核心是陶瓷离子导体膜。利用专有的专有组合陶瓷材料，专有的处理方法以及专有且独特的脉动直流电源，该器件选择性地通过其晶格传输氧气。空气与陶瓷膜的阴极侧接触。纯氧通过阴极扩散到阴极膜界面，其中氧分子被解离并还原成氧离子。氧离子进入膜的晶格并通过阳极扩散出来。离开阳极的氧是超纯的，因为只有离子氧已经通过。然后将氧离子重新结合到阳极侧的氧分子中。限制氧气流量将使膜的压力达到300psi(>20atm),该压力通过简单地允许膜继续产生氧气进入诸如高压气缸的闭环系统来产生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种微通道陶瓷电化学制氧系统，包括：具有新鲜空气入口和耗尽空气出口的加热室；至少一个微通道陶瓷制氧模块，位于所述加热室中，具有氧气出口；安装在所述加热室中的加热器；位于所述新鲜空气入口和所述加热室之间的热交换器；以及控制器，用于向所述至少一个陶瓷制氧模块提供电力并控制所述加热器。

2.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，还包括一个安装在所述加热室中的热电偶，该热电偶未连接到所述至少一个微通道陶瓷制氧模块，所述热电偶向所述控制器发送指示所述加热室中温度的信号。

3.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，还包括至少一个连接到所述热交换器并由所述控制器控制的阻尼器挡板，用于允许部分新鲜空气重新定向到所述加热室中，并且剩余的新鲜空气在所述新鲜空气入口中向上游流动。

4.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，还包括位于所述新鲜空气入口和所述加热室之间的风扇。

5.根据权利要求1所述的微通道陶瓷陶瓷电化学制氧系统，包括多个串联在一起的微通道陶瓷制氧模块。

6.根据权利要求5所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中，每个所述至少一个气体扩散板位于相邻的微通道陶瓷制氧模块之前方，并从所述新鲜空气入口打开进入所述加热室，使得一部分新鲜空气流过所述新鲜空气入口中的扩散板，另一部分新鲜空气被重定向到所述加热室。

7.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述电化学制氧系统可在所述氧气出口在高达300psi(>20atm)的压力下产生氧气。

8.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述控制器控制风扇转速以调节加热室温度。

9.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述热交换器提供650摄氏度的温度。新鲜空气进入所述加热室和所述耗尽的空气的路径已经在所述加热室中被加热并且用于在所述热交换器中预热所述新鲜空气。

10.根据权利要求9所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，还包括多个陶瓷晶片，每个陶瓷晶片将氧气入口连接到相邻陶瓷晶片制氧模块的氧气出口。

11.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，还包括安装两个终端电极和至少两个陶瓷制氧模块。

12.根据权利要求11所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述两个安装终端电极为所述至少两个陶瓷制氧模块提供电源，所述陶瓷制氧模块为串联和并联加热模块之一。

13.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述热交换器是平板式或回旋式热交换器。

14.根据权利要求1所述的微通道陶瓷电化学制氧系统，其中所述热交换器包括一个歧管组件和一组终端电极，每组终端电极用于安装所述至少一个陶瓷制氧模块并为其提供电气连接。

15.根据权利要求14所述的电化学制氧系统，其中所述歧管组件包括位于歧管体中的多个管，其中所述多个管提供新鲜空气入口、在所述多个管外部形成的至少一个分配通道以及用于输送耗氧空气的回流通道。

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