一种自循环制氧装置

本发明涉及节能环保领域，特别涉及一种自循环制氧装置。

背景技术：

1、高纯度氧气和臭氧具有氧化能力极强、无二次污染等突出优点，广泛用于各种材料的脱臭、脱色、消毒处理以及水处理和土壤修复等领域。目前通常采用电解水的方法来制备高纯度氧气和臭氧。

2、制备高纯度氧气和臭氧并将其通入野外的污水或土壤中，在污水处理和土壤修复方面具有十分突出的环保价值。但是，当前公知的技术方案中，存在以下三个问题：第一，高纯度氧气和臭氧制备过程存在大量的能耗；第二，电解水制备高纯度氧气和臭氧时，阴极产生的氢气难以利用，若直接将氢气排放至大气中，不但造成浪费，而且长期积累下来存在火灾等安全风险；第三，难以获得稳定可靠的纯净水以供电解使用，若直接从野外取水，则其水质往往不符合要求，带来电解质成分不稳定、电解质和电极板污染等问题。

3、因此，针对上述三个问题，亟待提出具备自我循环功能、低碳环保、运行稳定可靠的制氧装置，从而将其制备的高纯度氧气和臭氧产物通入污水或土壤中进行环境治理。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种具备自我循环功能、低碳环保、运行稳定可靠的制氧装置。

2、本发明的技术方案是：一种自循环制氧装置，用于从外部环境中获取可再生能源和空气并不断自我循环输出臭氧以净化环境，包括电解池、氢燃料电池、电源和发电模块；所述电解池用于电解水制氧和氢气，其中制得的氧排放至氧需求场所，制得的氢气输送至氢燃料电池；所述氢燃料电池用于获得电解池制造的氢气并进一步从大气中获取空气，产生水输送至电解池并向电源供电；所述电源用于存储氢燃料电池和发电模块输出的电能并向电解池供电；所述发电模块用于从外部环境中获取可再生能源发电并向电源供电。

3、上述自循环制氧装置，所述电解池内填充含添加剂的水，所述电解池设有池壁以及被水浸没的阴极板和阳极板，所述阴极板上方设有阴极产气收集罩以收集电解过程阴极产生的氢气，所述阳极板上方设有阳极产气收集罩以收集电解过程阳极产生的氧并通过与之相连的第二管道排放至氧需求场所；所述氢燃料电池包括氢气输入接口、排水口、空气输入接口、吸气扇、燃料电池本体和接线柱；所述氢气输入接口通过第一管道与阴极产气收集罩连通以接受电解过程阴极产生的氢气，所述空气输入接口通过管道与吸气扇连通以从大气中获取空气中的氧气；所述燃料电池本体从氢气输入接口获取氢气并从空气输入接口获取空气中的氧气，使氢气和氧气反应生成水并依次通过排水口和与之相连的第三管道将生成的水排放至电解池中，所述排气口用于排出燃料电池本体未利用的剩余气体；所述电源设有供电极柱、第一充电极柱和第二充电极柱；所述供电极柱的正极柱与阳极板电性连接，所述供电极柱的负极柱与阴极板电性连接；所述第一充电极柱与发电模块电性连接，所述第二充电极柱与接线柱电性连接。

4、上述自循环制氧装置，所述发电模块为风力发电机、光伏发电面板和水轮发电机这三种发电设备中的任意一种或若干种的组合。

5、上述自循环制氧装置，所述电解池内水中的添加剂，包含na2so4和naclo4这两种材料中的任意一种以及hbf4。

6、上述自循环制氧装置，所述阳极板由玻璃碳材料制成。

7、上述自循环制氧装置，所述阴极板由不锈钢、铂、玻璃碳、镍、表面镀铂的金属这五类材料中的任意一种制成。

8、上述自循环制氧装置，所述电解过程阳极产生的氧通过第二管道排放至以下两类臭氧需求场所中的任意一类：

9、(i)、排放至污水中，用于水处理；

10、(ii)、排放至土壤中，用于土壤修复。

11、本发明的有益效果在于：本发明依靠电解池和氢燃料电池的组合，并从环境中获取可再生能源适当补充能源，实现电解水及其逆反应的不断循环，向污水或土壤中源源不断地提供高纯度氧气和臭氧以供环境治理，整个装置除了启动前需要添加由水和添加剂构成的电解液外，运行全过程中不需要人为额外补充任何物质或能量，故该装置具备自我循环功能且低碳环保。该装置可在野外不间断地自我运行并实现环境修复，其中，电解池从电源获得电能进行水的电解，阳极产物高纯度氧气和臭氧排放至污水或土壤中，阴极产物氢气输送至氢燃料电池充当其原料；氢燃料电池再从大气中获取氧气并与电解池送来的氢气进行电解水的逆反应，生成水并输送至电解池用于补充电解池的水消耗，同时氢燃料电池还输出电能为电源充电，空气中无法参与燃料电池反应的氮气和未被反应完全的其他少量剩余气体则从排气口排出。因此，电解池和燃料电池构成的组合实现了电解水及其逆反应的不断循环，二者结合起来从大气中获取氧气并向污水或土壤中排放高纯度氧气和臭氧。其中，水的消耗和再生均在本装置电解池和燃料电池构成的组合中实现，不需要从外部环境取水或人为补水，且能保证水质的纯净，使得装置运行可靠。由于电解水及其逆反应过程不可避免地存在能量损失，本发明通过发电模块，利用风力、水力和太阳能等野外环境中的可再生资源发电，弥补电解水及其逆反应循环过程中的能量损失以使该装置持续稳定运行。

技术特征：

1.一种自循环制氧装置，用于从外部环境中获取可再生能源和空气并不断自我循环输出高纯度氧以净化环境，其特征在于，包括电解池(1)、氢燃料电池(2)、电源(3)和发电模块(4)；所述电解池(1)用于电解水制氧和氢气，其中制得的氧排放至氧需求场所，制得的氢气输送至氢燃料电池(2)；所述氢燃料电池(2)用于获得电解池(1)制造的氢气并进一步从大气中获取空气，产生水输送至电解池(1)并向电源(3)供电；所述电源(3)用于存储氢燃料电池(2)和发电模块(4)输出的电能并向电解池(1)供电；所述发电模块(4)用于从外部环境中获取可再生能源发电并向电源(3)供电。

2.权利要求1所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述电解池(1)内填充含添加剂的水，所述电解池(1)设有池壁(11)以及被水浸没的阴极板(12)和阳极板(13)，所述阴极板(12)上方设有阴极产气收集罩(14)以收集电解过程阴极产生的氢气，所述阳极板(13)上方设有阳极产气收集罩(15)以收集电解过程阳极产生的氧并通过与之相连的第二管道(17)排放至氧需求场所；所述氢燃料电池(2)包括氢气输入接口(21)、排水口(22)、空气输入接口(23)、吸气扇(24)、燃料电池本体(25)、接线柱(26)和排气口(27)；所述氢气输入接口(21)通过第一管道(16)与阴极产气收集罩(14)连通以接受电解过程阴极产生的氢气，所述空气输入接口(23)通过管道与吸气扇(24)连通以从大气中获取空气中的氧气；所述燃料电池本体(25)从氢气输入接口(21)获取氢气并从空气输入接口(23)获取空气中的氧气，使氢气和氧气反应生成水并依次通过排水口(22)和与之相连的第三管道(18)将生成的水排放至电解池(1)中，所述排气口(27)用于排出燃料电池本体(25)未利用的剩余气体；所述电源(3)设有供电极柱(31)、第一充电极柱(32)和第二充电极柱(33)；所述供电极柱(31)的正极柱与阳极板(13)电性连接，所述供电极柱(31)的负极柱与阴极板(12)电性连接；所述第一充电极柱(32)与发电模块(4)电性连接，所述第二充电极柱(33)与接线柱(26)电性连接。

3.权利要求1所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述发电模块(4)为风力发电机、光伏发电面板和水轮发电机这三种发电设备中的任意一种或若干种的组合。

4.权利要求2所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述电解池(1)内水中的添加剂，包含na2so4和naclo4这两种材料中的任意一种以及hbf4。

5.权利要求2所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述阳极板(13)由玻璃碳材料制成。

6.权利要求2所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述阴极板(12)由不锈钢、铂、玻璃碳、镍、表面镀铂的金属这五类材料中的任意一种制成。

7.权利要求2所述的自循环制氧装置，其特征在于，所述电解过程阳极产生的氧通过第二管道(17)排放至以下两类氧需求场所中的任意一类：

技术总结
本发明提供了一种自循环制氧装置，用于从外部环境中获取可再生能源和空气并不断自我循环输出臭氧和氧气以净化环境，包括电解池(1)、氢燃料电池(2)、电源(3)和发电模块(4)；电解池(1)用于电解水制氧和氢气，其中制得的氧排放至氧需求场所，制得的氢气输送至氢燃料电池(2)；氢燃料电池(2)用于获得电解池(1)制造的氢气并进一步从大气中获取空气，产生水输送至电解池(1)并向电源(3)供电；电源(3)用于存储氢燃料电池(2)和发电模块(4)输出的电能并向电解池(1)供电；发电模块(4)用于从外部环境中获取可再生能源发电并向电源(3)供电。该装置运行后自行从环境中获取电能和空气并向污水或土壤中提供高浓度氧以实现环境治理目的，具备自我循环功能且低碳环保、运行稳定可靠。

技术研发人员：张翮辉,宗禹彤,李康,左青松,蒋敦军,刘冬桂
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15