CN204874763U - 一种质子交换膜型水电解制氧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电化学技术领域，涉及一种质子交换膜型水电解制氧装置。氧气发生堆的阳极通过阳极进水管、阳极气/水管与阳极水罐连成回路，所述氧气发生堆的阴极通过阴极进水管、阴极气/水管与阴极水罐连成回路；所述阳极水罐侧面还装有液位传感器，以控制水位的高位和低位，顶部与安装有氧气阻尼器的氧气排气管连接，所述阴极水罐侧面装有液位传感器，顶部与安装有氢气阻火器的氢气排气管连接，所述阳极水罐底部与阴极水罐底部通过安装有电磁阀的连接管连通。本实用新型广泛用于高原空气稀薄地区人员的辅助及应急供氧，尤其是高原部队边防站、所执勤人员供氧，无氧环境下的工作人员供氧。

Description

一种质子交换膜型水电解制氧装置

技术领域

本实用新型属于电化学技术领域。涉及一种水电解制氧装置，特别是涉及一种质子交换膜型水电解制氧装置。

背景技术

目前，国内常用的制氧装置主要有三种：一种是化学法制氧，采用化学制氧剂参与化学反应来制取氧气，其优点是体积小、携带方便、产氧快、纯度高，可达99.5%，缺点是不能连续制氧，且使用费用高。第二种是分子筛吸附法制氧，利用氮分子大于氧分子的特性，使用特制的分子筛把空气中的氧分离出来，其优点是可连续制氧，使用费用低，缺点是氧气纯度低，为90%，无法确保无菌。不适用于密闭或空气不流通的场所以及高原空气稀薄地区，造价高。第三种是碱性水电解法制氧，把水放入电解槽中，加入氢氧化钠或氢氧化钾以提高水的电解度，然后通入直流电，水分解为氧气和氢气。如已有中国专利201020266544.x（常压水电解制氧器）和中国专利201320277127.9（水电解制氧装置）等，其克服了化学法制氧和分子筛吸附法制氧装置的缺点和不足，连续制氧，速度快，使用费用低，氧气纯度高，可达99%以上。但由于该制氧装置是采用碱性水电解技术，水电解产生的氧气中夹杂有碱性电解质，需经过过滤脱碱液等处理；同时该制氧装置还存在介质腐蚀性强、维修不方便、电流密度低等缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜型水电解制氧装置。它具有制取氧气纯度高（大于99.9%），无菌、安全、消除了副产物氢气产生的安全隐患，设备紧凑体积小，操作简单，维修方便，电化学性能稳定，运行寿命长等优点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种水电解制氧装置，包括给氧气发生堆供电的氧气发生堆工作电源、氧气发生堆、阳极水罐和阴极水罐，所述氧气发生堆的阳极通过阳极进水管、阳极气/水管与阳极水罐连成回路，所述氧气发生堆的阴极通过阴极进水管、阴极气/水管与阴极水罐连成回路；

所述阳极水罐侧面还装有高、低位液位传感器，以控制水位的高位和低位，顶部与安装有氧气阻尼器的氧气排气管连接，所述阴极水罐侧面装有液位传感器，顶部与安装有氢气阻火器的氢气排气管连接，所述阳极水罐底部与阴极水罐底部通过安装有电磁阀的连接管连通。

所述阳极水罐底部还与安装有电磁阀的阳极水罐排水管连接，所述阴极水罐底部还与安装有电磁阀的阴极水罐排水管连接。

所述阳极水罐上部还有阳极水罐补水口，所述阴极水罐上部还有阴极水罐补水口。

所述阳极水罐的上部还与安装有电磁阀的泄压管连接。

所述氧气发生堆为质子交换膜型水电解氧气发生堆，包括数个电解单元。质子交换膜型水电解氧气发生堆采用全氟磺酸阳离子交换膜，它能承受较大的压差从而简化了系统压差控制系统，缩短了启动和停机时间。所述氧气发生堆通过氧气发生堆工作电源提供电能。

所述氧气发生堆通过阳极进水管与阳极水罐连通，并通过阴极进水管与阴极水罐连通；所述氧气发生堆产生的氧气通过阳极气/水管进入阳极水罐；氧气发生堆产生的氢气通过阴极气/水管进入阴极水罐。

原料水既作为反应剂又作为冷却剂，省去了气体冷却设备。同时阴、阳极水罐兼有气液分离功能，省去了气液分离设备，从而减少了制氧装置的体积和重量，操作简单，维修方便。

本实用新型可达到如下效果：

本实用新型装置由于采用了质子交换膜型水电解氧气发生堆，在给定电流密度下，质子交换膜型水电解制氧装置制取氧气纯度高，能耗低，能量转换效率高。

由于质子交换膜型水电解氧气发生堆采用固体聚合物作为电解质（兼作隔膜），原料水为去离子水（纯水），既不产生造成二次污染的有害气体和粉尘，同时又避免了碱性溶液的挥发对人体健康造成的危害，也消除了碱性液体对周围空间设备的化学腐蚀。

由于质子交换膜型水电解氧气发生堆采用全氟磺酸阳离子交换膜，它能承受较大的压差从而简化了系统压差控制系统，缩短了启动和停机时间，原料水既作为反应剂又作冷却剂，省去了气体冷却设备。同时本实用新型装置采用了兼有气液分离功能的阴、阳极水罐，省去了气液分离设备，从而减少了制氧装置的体积和重量，操作简单，维修方便。

本实用新型装置由于在阴极水罐氢气排气管上安装有一氢气阻火器，彻底消除了副产氢气产生的安全隐患。

本实用新型装置由于在阳极水罐氧气排气管上安装有一氧气阻尼器，维持阳极水罐的压力大于阴极水罐的压力，可防止阴极水罐的氢气进入阳极水罐产生安全隐患。

本实用新型装置还分别在阳极水罐和阴极水罐内装有液位传感器，可以控制阴、阳两水罐内液位，使装置可稳定运行。

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1，一种质子交换膜型水电解制氧装置结构示意图。

图1中1-氧气发生堆，2-阳极水罐，3-阴极水罐，4-氧气发生堆工作电源，5-氧气阻尼器，6-氢气阻火器，7-氧气排气管，8-氢气排气管，9-阳极水罐补水口，10-阴极水罐补水口，11-阳极进水管，12-阳极气/水管，13-阴极进水管，14-阴极气/水管,15-连接管，16-阳极水罐排水管，17-阴极水罐排水管，18-泄压管，19-液位传感器，20-电磁阀。

具体实施方式

如附图1所示，一种水电解制氧装置，包括给氧气发生堆供电的氧气发生堆工作电源4、氧气发生堆1、阳极水罐2和阴极水罐3，所述氧气发生堆1的阳极通过阳极进水管11、阳极气/水管12与阳极水罐2连成回路，所述氧气发生堆1的阴极通过阴极进水管13、阴极气/水管14与阴极水罐3连成回路；

所述阳极水罐2侧面还装有高、低位液位传感器19，以控制水位的高位和低位，顶部与安装有氧气阻尼器5的氧气排气管7连接，所述阴极水罐3侧面装有液位传感器19，顶部与安装有氢气阻火器6的氢气排气管8连接，所述阳极水罐底部与阴极水罐底部通过安装有电磁阀20的连接管15连通。

氧气发生堆产生的氧气通过阳极气/水管12进入阳极水罐2，在阳极水罐内经气液分离，氧气通过氧气排气管7经氧气阻尼器5排出。

氧气发生堆产生的氢气通过阴极气/水管13进入阴极水罐3，在阴极水罐内经气液分离，氢气通过氢气排气管8经氢气阻火器6排出。

由于在阳极水罐氧气排气管7上安装有一氧气阻尼器5，以维持阳极水罐2的压力大于阴极水罐3的压力，防止阴极水罐的氢气进入阳极水罐从而产生安全隐患。

所述阴极水罐内装有液位传感器，阴极水罐的上端设置有阴极水罐补水口，通过阴极水罐补水口补充原料水。阴极水罐的顶部设置有氢气排气管，在氢气排气管上设置有一氢气阻火器。阴极水罐的底部设置有阴极水罐排水管。

由于在阴极水罐氢气排气管上安装有一氢气阻火器，可以消除副产氢气产生的安全隐患。

由于分别在阳极水罐和阴极水罐内装有液位传感器，可以控制阴、阳两水罐内液位，使装置可稳定运行。

下面结合本实用新型装置的工作过程作进一步说明。

氧气发生堆通电电解时，阳极水罐向阴极水罐迁移水，当水位到阳极水罐上的液位传感器低位时，泄压管上的电磁阀开启，阳极水罐卸压，连通管上的电磁阀开启，阴极水罐向阳极水罐过水。

当阴极水罐水位到阴极水罐上的液位传感器低位时，连通管上的电磁阀和泄压管上的电磁阀关闭，停止过水过程。

为防止阴极水罐上的液位传感器误动作等原因，阴极水罐不断向阳极水罐过水，当阳极水罐水位升到阳极水罐上的液位传感器高位时，停止氧气发生堆工作电源，并发出报警信号。

氧气发生堆制氧过程不断耗水，当阳极水罐和阴极水罐由于耗水液位不断下降，当阳极水罐液位下降到阳极水罐上的液位传感器低位，同时阴极水罐液位下降到阴极水罐上的液位传感器低位时，停止氧气发生堆工作电源，并发出报警信号，此时，应该向阳极水罐和阴极水罐补水了。

本实用新型水电解制氧装置工作时，阳极水罐和阴极水罐原料水的电导率会上升，当原料水的电导率升到一定高度时，阳极水罐和阴极水罐的原料水需更换。更换原料水是在制氧装置停机下进行，此时，阳极水罐排水管和阴极水罐排水管上的电磁阀开启，阳极水罐和阴极水罐的原料水分别经阳极水罐排水管和阴极水罐排水管排除。

下面是实施本实用新型的质子交换膜型水电解制氧装置工作特性以及同现有技术装置的比较。

产氧量32L/h的本实用新型质子交换膜型水电解制氧装置，工作电压（DC）20v，工作电流(DC)16A，产生的氧气浓度＞99.8%。

表1：质子交换膜型水电解制氧装置与传统碱性水电解制氧装置的综合比较

本实用新型装置运行时，阳极区产生高纯氧气，同时其阴极区产生高纯氢气，可适应不同应用场所。

本实用新型质子交换膜型水电解制氧装置广泛用于高原空气稀薄地区人员的辅助及应急供氧，尤其是高原部队边防站、所执勤人员供氧，无氧环境下的工作人员供氧，医疗系统需氧人员供氧。还用于特种金属材料切割与焊接加工，石油化工、医药化工、半导体生产加工等领域。

Claims (6)

1.一种水电解制氧装置，其特征在于，包括给氧气发生堆供电的氧气发生堆工作电源（4）、氧气发生堆（1）、阳极水罐（2）和阴极水罐（3），所述氧气发生堆（1）的阳极通过阳极进水管（11）、阳极气/水管（12）与阳极水罐（2）连成回路，所述氧气发生堆（1）的阴极通过阴极进水管（13）、阴极气/水管（14）与阴极水罐（3）连成回路；

所述阳极水罐（2）侧面还装有高、低位液位传感器（19），以控制水位的高位和低位，顶部与安装有氧气阻尼器（5）的氧气排气管（7）连接，所述阴极水罐（3）侧面装有液位传感器（19），顶部与安装有氢气阻火器（6）的氢气排气管（8）连接，所述阳极水罐底部与阴极水罐底部通过安装有电磁阀（20）的连接管（15）连通。

2.根据权利要求1所述的水电解制氧装置，其特征在于，所述氧气发生堆（1）为质子交换膜型水电解氧气发生堆，包括数个电解单元。

3.根据权利要求2所述的水电解制氧装置，其特征在于，质子交换膜型水电解氧气发生堆采用全氟磺酸阳离子交换膜。

4.根据权利要求1或2所述的水电解制氧装置，其特征在于，所述阳极水罐底部还与安装有电磁阀的阳极水罐排水管（16）连接，所述阴极水罐底部还与安装有电磁阀的阴极水罐排水管（17）连接。

5.根据权利要求1或2所述的水电解制氧装置，其特征在于，所述阳极水罐（2）上部还有阳极水罐补水口（9），所述阴极水罐（3）上部还有阴极水罐补水口（10）。

6.根据权利要求1或2所述的水电解制氧装置，其特征在于，所述阳极水罐（2）的上部还与安装有电磁阀的泄压管（18）连接。