微孔钛管水电解制氧制氢机的开发与应用

王丹玺，王书杰，姜静岩，周树仁

中国人民解放军251医院 药械科，河北 张家口 075000

微孔钛管水电解制氧制氢机的开发与应用

王丹玺，王书杰，姜静岩，周树仁

中国人民解放军251医院 药械科，河北 张家口 075000

本文介绍了微孔钛管水电解制氧制氢机的工作原理、主要部件，以及工艺流程，并对该装置的实际使用效果进行了讨论。

微孔钛管；制氢机；电解氧

0 前言

水电解制氧是最传统最经典的制氧方法之一。由于传统电解都是水通过供电体表面，水与电接触面积少，所以产量低且耗能高。前苏联采用流动碱性水电解制氧成功应用于航天飞行，并迅速在世界航天航空业内得到广泛应用。我国研究的复合固体电解质膜制氧技术，经过了十几年的努力，到21世纪有了自主开发研制的能力，并应用于航天。这些努力使得制氧技术得到进一步发展，但仍属于水通过供电体表面的传统电解方式，电解效率还需进一步改进提高。

微孔制氧以纳米或微米钛管滤器为供电体，以热水为原料，清洁，无污染。水穿过孔径微米或纳米钛管滤器，每一个微孔都是一个微型电解槽，通电后即可产出浓度大于99.60%的O2，大大提高生产效益。与其他制氧方法相比具有设备简单、操作方便、经济实惠，以及可长期连续供氧等特点。因此，微孔制氧机可广泛应用于航天、潜海、医疗、保健、科研，以及养殖业等多个领域。其中，医院供氧和家庭氧疗保健是应用最广，市场前景最好的领域。随着人们生存环境的恶化和人们对氧疗保健认识的深化，氧疗保健将进人普通家庭。

微型微孔钛管水电解制氧的同时有氢气产出。在医学的应用上，氢可以说是有待开发的一种医疗手段。氢是一种无毒无害的还原性物质,参与体内多种酶代谢。人体需要的氢主要靠脱氢酶生产供给，这些酶如果老化和缺乏，就会导致人体出现各种病症。如红细胞葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症，就是葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因突变，使得红细胞葡萄糖磷酸戊糖旁路代谢异常；当机体受到氧化物侵害时，氧化作用产生的H2O2不能及时的还原成H2O，过多的H2O2可致血红蛋白和膜蛋白均发生氧化损伤，最终造成红细胞膜的氧化损失和溶血[1]；如果及时用氢还原治疗可很快治愈。老年人各种脱氢酶老化会导致多种疾病，如血管内沉积各种氧化物成分，会使血管变厚变硬，且内径变细致血管堵塞。氢可使氧化物质还原，变成小分子或单质排除体外。自然界的氢很少，人体需要的氢全靠氢酶供给。适量给老年人补充些氢，促进氧化还原反应，利于新陈代谢。同时，21世纪将是世界的氢能时代，地球上水的储量非常丰富，氢能将成为最有发展前途的清洁能源之一[2]。

本文介绍了钛管电解槽的组装，制氢制氧原理，并对制氧机的工艺流程、能耗、控制等方面进行了深入探讨。

1 主要部件

① 电解槽（包括：微孔钛管滤器、四氟磺酸钠离子膜（Nafion）、广口不锈钢真空保温壶、密封胶塞）；② 交流变直流电源；③ 循环潜水泵；④ 气、水分离瓶；⑤ 储水桶。

2 微孔水电解制氧原理及电解槽的组装（图1）

图1 微孔钛管制氢制氧电解槽

电解制氧制氢电解槽装置所采用的0.8μm微孔钛管滤器直径5cm，长20cm，其为供电体阳极；广口双层真空不锈钢保温保冷壶内径8cm，长26cm，其为供电体阴极。隔膜为固体聚合物电解质膜（Nafion117膜），是一种全氟磺酸薄膜，厚度约0.2mm，具有聚四氟高强度的物理特性，能承受很高压力。膜内含有磺酸基团，当被水饱和后具有优良的离子导电能力[2]。由于水是该体系中唯一的液体，彻底排除了酸或碱性的液体，所以保证了系统的安全性。

实际上水的结构（电子云分布）是比较稳定的，纯净水电解成本很高，必须加入水活化物质，改变H2O的电子云分布；通过诱导、排斥、占位、取代、置换等物理和化学方式将水（H2O）分解为氢（H2）和氧（O2）。前苏联使用碱，我国使用四氟酸钠①，这都是在系统中入添加了水的活化物质（），改变了水的稳定性在电解槽内阳极氧离子得到电子生成与氢离子通过阳离子膜进入阴极失去电子生成与不能通过离子膜的氧离子生成通过水循环继续电解。

在这种电解质的电池中，供电体催化通常为热压法、化学镀和催化剂方法结合使用，水的温度对供电体活化影响很大。电池的供水方式有阳极管内供水和阳极管外供水2种方式，水电解制氧系统的供水附件主要包括O2/H2O分离器、H2/H2O分离器、耐热潜水循环泵，以及压力调节、电解电源、测控等部组件。为保障电解用水的水质，在管路中增加水质过滤200目娟布。电解制氧装置工作时，水泵将水输入电解池阳极，部分水电解，在阳极产生O2，阴极产生H2。在阳极，O2将部分水带出电解池，再进入水气分离器进行水和O2的分离，水返回水泵入口，O2流出；H2与少量水从阴极排出，再在水气分离器内进行水气分离，分离掉水的H2流出，水返回泵入口。

电解制氧制氢装置的核心是电池组，电解池组的设计也是研究的重点。为了实现微孔钛管最大限度对水充分电解，除适当电流电压外，还需依靠供电体的激活，水的活化，光线、水温催化剂来实现。同时对电池的电化学性能、电池组工作的可靠性和寿命的考核评估，也必须要做到设计的合理性。如前所述，在电池的2种供水方式中，阳极钛管内供水方式是将电解水直接供入供电体内，钛管能缓解水压，因此，此种供水方式有利于电解槽在电流密度很大的条件下工作；而管外供水是把水供到钛管与隔膜之间，即出氧口作为进水口，这样同时能冲洗钛管，防止微孔堵塞。我们应根据实际的应用条件，综合评估后选择阳极供水方式。钛管微孔使水与产物气体能导入、导出。

3 工艺流程

制剂工艺流程一般有2种：静态水制备与热压流动循环水制备。① 静态水主要用于制氧，首先将电解槽内注满热水（包括氧腔、氢腔），出氧口、出氢口分别与气水分离瓶（100mL）进气口连接，关闭进水口；开启电源；气、水即从出气口排入气水分离瓶；由于没有续加入原料水，水排出60～80mL后就全部排气体，生产O2约5.5～7.5L/h，可供单人使用，1L水可产氧0.8kg以上O2。根据需要调节电流，一次供水可供氧10h（氢气10～14L/h，弃去），续水后可继续制备。② 热压循环水制备：首先关闭气水分离瓶上的氢氧开关，开耐热潜水泵将热水泵入电解槽，待水灌满回流至储水槽后，打开电解电源，根据气体需要量调节电流和电压；电流大产气多，电压稍微降低。部分水电解产生氧，随水一起溢出，进入氧、水分离瓶，水流入供水处。氢离子穿过半透膜与阴极保温壶镀钢内壁激活电子结合产生氢，随水一起溢出，进入氢、水分离瓶，水回流储水槽。在检查纯度后，收取氢气。

4 讨论

水电解制氧制氢关键是提高氧、氢产量。单一微孔钛管滤器电解需要电压、电流较高，开始产出时间较长；综合采用催化剂、金属氧化物（碱性氧化钙聚合物）、色素、光照法、热水循环法能明显提高产气量。但催化剂对机器有腐蚀，是否使用待确商。经多年反复实验证明，热水压力循环法较为实用。

水的温度、电流电压会对影响产气量。在本装置下，水温增高，电压降低，但提高水温有利电解，产气量增加。水温超过85℃时，电解电源指示灯闪动，说明电流电压不稳；水温低于20℃时，产气量降低。所以开始应用热水。水的循环可调节水的温度。

根据报道[3-5]，微孔钛管水电解制氧制氢机制氧成本高于氧泵与微型变压吸附制氧机等其他制氧设备，但是本装置没有噪音。目前相关研究单位正在寻找最适当的电解电流和催化剂，如果能使制氢成本低于汽油与煤气价格，氢气作为二次清洁能源就能应用于各个行业，并将在不远的未来应用于千家万户。

[1] 邓杰.红细胞葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症[J].中国社区医师,2010,(14):33-36.

[2] 孙孝仁.二十一世纪的制氢技术[J].科技情报开发与经济,1995,5(4):17-18.

[3] 周抗寒,尹永利,王飞.固体聚合物电解质水电解器的设计与实验[J].航天医学与医学工程,2007,(6):427-431.

[4] 黄鑫泉,李道昭.氧泵——一种制氧新技术[J].精细与专用化妆品,2003,(13):15,20.

[5] 肖文.医院PSA制氧系统成本测算及其分析卫生经济研究[J].医院经济,2008,(8):53.

[6] 卜令兵,刘应书,刘文海.微型变压吸附制氧研究[J].医疗卫生装备,2006,27(1):14-16.

[7] 郭烈锦,刘涛,纪军,等.利用太阳能规模制氢[J].科技导报,2005,26(2):31-35.

Development and Application of Hydrogen and Oxygen Generator Hydrolyzing with Micro-porous Titanium Tube

WANG Dan-xi,WANG Shujie,JIANG Jing-yan,ZHOU Shuren
Medical Engineering Department,The 251st Hospital of PLA,Zhangjiakou Heibei 075000,China

This article introduces the work princeples, major parts and craft process of micro-porous titanium tube hydrogen and oxygen generator, and discusses the practical effects of this device.

micro-porous titanium tube; hydrogen production unit; electrolytic oxygen

TQ116.21

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.035

1674-1633(2011)07-0104-02

2011-01-30

2011-03-21

作者邮箱：yxf790724@163.com