王丹璽，王書杰，姜靜巖，周樹仁

中國人民解放軍251醫(yī)院 藥械科，河北 張家口 075000

微孔鈦管水電解制氧制氫機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

王丹璽，王書杰，姜靜巖，周樹仁

中國人民解放軍251醫(yī)院 藥械科，河北 張家口 075000

本文介紹了微孔鈦管水電解制氧制氫機(jī)的工作原理、主要部件，以及工藝流程，并對(duì)該裝置的實(shí)際使用效果進(jìn)行了討論。

微孔鈦管；制氫機(jī)；電解氧

0 前言

水電解制氧是最傳統(tǒng)最經(jīng)典的制氧方法之一。由于傳統(tǒng)電解都是水通過供電體表面，水與電接觸面積少，所以產(chǎn)量低且耗能高。前蘇聯(lián)采用流動(dòng)堿性水電解制氧成功應(yīng)用于航天飛行，并迅速在世界航天航空業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。我國研究的復(fù)合固體電解質(zhì)膜制氧技術(shù)，經(jīng)過了十幾年的努力，到21世紀(jì)有了自主開發(fā)研制的能力，并應(yīng)用于航天。這些努力使得制氧技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，但仍屬于水通過供電體表面的傳統(tǒng)電解方式，電解效率還需進(jìn)一步改進(jìn)提高。

微孔制氧以納米或微米鈦管濾器為供電體，以熱水為原料，清潔，無污染。水穿過孔徑微米或納米鈦管濾器，每一個(gè)微孔都是一個(gè)微型電解槽，通電后即可產(chǎn)出濃度大于99.60%的O2，大大提高生產(chǎn)效益。與其他制氧方法相比具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，以及可長(zhǎng)期連續(xù)供氧等特點(diǎn)。因此，微孔制氧機(jī)可廣泛應(yīng)用于航天、潛海、醫(yī)療、保健、科研，以及養(yǎng)殖業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。其中，醫(yī)院供氧和家庭氧療保健是應(yīng)用最廣，市場(chǎng)前景最好的領(lǐng)域。隨著人們生存環(huán)境的惡化和人們對(duì)氧療保健認(rèn)識(shí)的深化，氧療保健將進(jìn)人普通家庭。

微型微孔鈦管水電解制氧的同時(shí)有氫氣產(chǎn)出。在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用上，氫可以說是有待開發(fā)的一種醫(yī)療手段。氫是一種無毒無害的還原性物質(zhì),參與體內(nèi)多種酶代謝。人體需要的氫主要靠脫氫酶生產(chǎn)供給，這些酶如果老化和缺乏，就會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)各種病癥。如紅細(xì)胞葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏癥，就是葡萄糖-6-磷酸脫氫酶基因突變，使得紅細(xì)胞葡萄糖磷酸戊糖旁路代謝異常；當(dāng)機(jī)體受到氧化物侵害時(shí)，氧化作用產(chǎn)生的H2O2不能及時(shí)的還原成H2O，過多的H2O2可致血紅蛋白和膜蛋白均發(fā)生氧化損傷，最終造成紅細(xì)胞膜的氧化損失和溶血[1]；如果及時(shí)用氫還原治療可很快治愈。老年人各種脫氫酶老化會(huì)導(dǎo)致多種疾病，如血管內(nèi)沉積各種氧化物成分，會(huì)使血管變厚變硬，且內(nèi)徑變細(xì)致血管堵塞。氫可使氧化物質(zhì)還原，變成小分子或單質(zhì)排除體外。自然界的氫很少，人體需要的氫全靠氫酶供給。適量給老年人補(bǔ)充些氫，促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，利于新陳代謝。同時(shí)，21世紀(jì)將是世界的氫能時(shí)代，地球上水的儲(chǔ)量非常豐富，氫能將成為最有發(fā)展前途的清潔能源之一[2]。

本文介紹了鈦管電解槽的組裝，制氫制氧原理，并對(duì)制氧機(jī)的工藝流程、能耗、控制等方面進(jìn)行了深入探討。

1 主要部件

① 電解槽（包括：微孔鈦管濾器、四氟磺酸鈉離子膜（Nafion）、廣口不銹鋼真空保溫壺、密封膠塞）；② 交流變直流電源；③ 循環(huán)潛水泵；④ 氣、水分離瓶；⑤ 儲(chǔ)水桶。

2 微孔水電解制氧原理及電解槽的組裝（圖1）

圖1 微孔鈦管制氫制氧電解槽

電解制氧制氫電解槽裝置所采用的0.8μm微孔鈦管濾器直徑5cm，長(zhǎng)20cm，其為供電體陽極；廣口雙層真空不銹鋼保溫保冷壺內(nèi)徑8cm，長(zhǎng)26cm，其為供電體陰極。隔膜為固體聚合物電解質(zhì)膜（Nafion117膜），是一種全氟磺酸薄膜，厚度約0.2mm，具有聚四氟高強(qiáng)度的物理特性，能承受很高壓力。膜內(nèi)含有磺酸基團(tuán)，當(dāng)被水飽和后具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電能力[2]。由于水是該體系中唯一的液體，徹底排除了酸或堿性的液體，所以保證了系統(tǒng)的安全性。

實(shí)際上水的結(jié)構(gòu)（電子云分布）是比較穩(wěn)定的，純凈水電解成本很高，必須加入水活化物質(zhì)，改變H2O的電子云分布；通過誘導(dǎo)、排斥、占位、取代、置換等物理和化學(xué)方式將水（H2O）分解為氫（H2）和氧（O2）。前蘇聯(lián)使用堿，我國使用四氟酸鈉①，這都是在系統(tǒng)中入添加了水的活化物質(zhì)（），改變了水的穩(wěn)定性在電解槽內(nèi)陽極氧離子得到電子生成與氫離子通過陽離子膜進(jìn)入陰極失去電子生成與不能通過離子膜的氧離子生成通過水循環(huán)繼續(xù)電解。

在這種電解質(zhì)的電池中，供電體催化通常為熱壓法、化學(xué)鍍和催化劑方法結(jié)合使用，水的溫度對(duì)供電體活化影響很大。電池的供水方式有陽極管內(nèi)供水和陽極管外供水2種方式，水電解制氧系統(tǒng)的供水附件主要包括O2/H2O分離器、H2/H2O分離器、耐熱潛水循環(huán)泵，以及壓力調(diào)節(jié)、電解電源、測(cè)控等部組件。為保障電解用水的水質(zhì)，在管路中增加水質(zhì)過濾200目娟布。電解制氧裝置工作時(shí)，水泵將水輸入電解池陽極，部分水電解，在陽極產(chǎn)生O2，陰極產(chǎn)生H2。在陽極，O2將部分水帶出電解池，再進(jìn)入水氣分離器進(jìn)行水和O2的分離，水返回水泵入口，O2流出；H2與少量水從陰極排出，再在水氣分離器內(nèi)進(jìn)行水氣分離，分離掉水的H2流出，水返回泵入口。

電解制氧制氫裝置的核心是電池組，電解池組的設(shè)計(jì)也是研究的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)微孔鈦管最大限度對(duì)水充分電解，除適當(dāng)電流電壓外，還需依靠供電體的激活，水的活化，光線、水溫催化劑來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對(duì)電池的電化學(xué)性能、電池組工作的可靠性和壽命的考核評(píng)估，也必須要做到設(shè)計(jì)的合理性。如前所述，在電池的2種供水方式中，陽極鈦管內(nèi)供水方式是將電解水直接供入供電體內(nèi)，鈦管能緩解水壓，因此，此種供水方式有利于電解槽在電流密度很大的條件下工作；而管外供水是把水供到鈦管與隔膜之間，即出氧口作為進(jìn)水口，這樣同時(shí)能沖洗鈦管，防止微孔堵塞。我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用條件，綜合評(píng)估后選擇陽極供水方式。鈦管微孔使水與產(chǎn)物氣體能導(dǎo)入、導(dǎo)出。

3 工藝流程

制劑工藝流程一般有2種：靜態(tài)水制備與熱壓流動(dòng)循環(huán)水制備。① 靜態(tài)水主要用于制氧，首先將電解槽內(nèi)注滿熱水（包括氧腔、氫腔），出氧口、出氫口分別與氣水分離瓶（100mL）進(jìn)氣口連接，關(guān)閉進(jìn)水口；開啟電源；氣、水即從出氣口排入氣水分離瓶；由于沒有續(xù)加入原料水，水排出60～80mL后就全部排氣體，生產(chǎn)O2約5.5～7.5L/h，可供單人使用，1L水可產(chǎn)氧0.8kg以上O2。根據(jù)需要調(diào)節(jié)電流，一次供水可供氧10h（氫氣10～14L/h，棄去），續(xù)水后可繼續(xù)制備。② 熱壓循環(huán)水制備：首先關(guān)閉氣水分離瓶上的氫氧開關(guān)，開耐熱潛水泵將熱水泵入電解槽，待水灌滿回流至儲(chǔ)水槽后，打開電解電源，根據(jù)氣體需要量調(diào)節(jié)電流和電壓；電流大產(chǎn)氣多，電壓稍微降低。部分水電解產(chǎn)生氧，隨水一起溢出，進(jìn)入氧、水分離瓶，水流入供水處。氫離子穿過半透膜與陰極保溫壺鍍鋼內(nèi)壁激活電子結(jié)合產(chǎn)生氫，隨水一起溢出，進(jìn)入氫、水分離瓶，水回流儲(chǔ)水槽。在檢查純度后，收取氫氣。

4 討論

水電解制氧制氫關(guān)鍵是提高氧、氫產(chǎn)量。單一微孔鈦管濾器電解需要電壓、電流較高，開始產(chǎn)出時(shí)間較長(zhǎng)；綜合采用催化劑、金屬氧化物（堿性氧化鈣聚合物）、色素、光照法、熱水循環(huán)法能明顯提高產(chǎn)氣量。但催化劑對(duì)機(jī)器有腐蝕，是否使用待確商。經(jīng)多年反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，熱水壓力循環(huán)法較為實(shí)用。

水的溫度、電流電壓會(huì)對(duì)影響產(chǎn)氣量。在本裝置下，水溫增高，電壓降低，但提高水溫有利電解，產(chǎn)氣量增加。水溫超過85℃時(shí)，電解電源指示燈閃動(dòng)，說明電流電壓不穩(wěn)；水溫低于20℃時(shí)，產(chǎn)氣量降低。所以開始應(yīng)用熱水。水的循環(huán)可調(diào)節(jié)水的溫度。

根據(jù)報(bào)道[3-5]，微孔鈦管水電解制氧制氫機(jī)制氧成本高于氧泵與微型變壓吸附制氧機(jī)等其他制氧設(shè)備，但是本裝置沒有噪音。目前相關(guān)研究單位正在尋找最適當(dāng)?shù)碾娊怆娏骱痛呋瘎?，如果能使制氫成本低于汽油與煤氣價(jià)格，氫氣作為二次清潔能源就能應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，并將在不遠(yuǎn)的未來應(yīng)用于千家萬戶。

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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

作者郵箱：yxf790724@163.com