一种电化学陶瓷膜产氧机及其制氧设备

摘要

本申请公开了一种电化学陶瓷膜产氧机及其制氧设备，涉及制氧技术领域。本申请公开的电化学陶瓷膜产氧机包括陶瓷膜垛、气流分布器、加热器、双螺旋交换器和热隔离套；其中，陶瓷膜垛包括竖直平行层叠且一侧封闭形成竖直腔的电化学陶瓷膜片，另一侧通过陶瓷管连接氧气输出管，陶瓷膜垛底部与气流分布器的上表面紧压，气流分布器下端设置加热器；在陶瓷膜垛、气流分布器和加热器外侧包裹双螺旋式热交换器，在双螺旋式热交换器两端套接热隔离套，并在双螺旋式交互器。采用本申请提供的电化学陶瓷膜产氧机及其制氧设备，能够现场制取纯氧、高纯氧及超纯氧，而且体积小重量轻成本低，适合快速部署。

说明书

技术领域

本申请涉及制氧技术领域，尤其涉及一种电化学陶瓷膜产氧机及其制氧设备。

背景技术

目前氧气主要通过分离获取，空气分离三种技术方法：深冷法、吸附法、有机膜分离法。

深冷法：利用空气中各组分沸点的不同，通过一系列的工艺过程，将空气液化，并通过精馏来达到不同组分分离的方法。这种方法可实现空气组分的全分离，产品精纯化、装置大型化、状态双元化(液态及气态)，故该生产装置工业化方面占据主导地位。目前工业应用最为广泛的就是深冷空气分离技术。深冷法生产的氧气，浓度可以达到99.5％以上，但不能够直接生产纯氧、高纯氧及超纯氧。

吸附法：利用分子筛对氮分子的选择吸附来达到最终分离氧气的目的，该技术流程简单，操作方便，运行成本低。产氧浓度最高达到96％，运动部件多，需定期维护，故障率高。

有机膜分离法：有机膜分离法是利用空气中各组分透过膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中氧气优先通过膜而得到富氧空气。有机膜分离技术是一项新技术，具有能耗低，操作灵活等优点。有机膜的研究在医疗、发酵工业、化学工业、富氧燃烧等方面得到重要应用。由于有机膜的氧氮分离系数偏低、热稳定性差、使用寿命短、且宜堵塞，氧气产品的纯度一般≤45％，而且制氧能力小，无法满足冶金业和三大化工行业对耗氧量以及氧气品质的需求。

现有的制氧技术不能现场同时制取纯氧、高纯氧及超纯氧，不能同时满足各行业的用氧需求：深冷法气体分离需要在100K以下的低温环境下才能实现，投资大，仅适用于大规模气体分离过程，对于医用等中小规模分散应用场合，使用深冷法制取的氧气需要进行分装、配送及储存，消防要求较高，不能做到现产现用；膜分离法产品的氧气浓度较低(低于45％)，且规模只宜中小型化，现阶段只适用于富养燃烧及医疗保健等氧气浓度要求不高的领域；吸附法制氧的产品浓度低于96％，运动部件多，噪声大，需定期维护，随使用年限增加，浓度压力出现衰减，故障率提高，使用成本高。

发明内容

本申请提供一种电化学陶瓷膜产氧机，包括陶瓷膜垛、气流分布器、加热器、双螺旋交换器和热隔离套；其中，陶瓷膜垛包括竖直平行层叠且一侧封闭形成竖直腔的电化学陶瓷膜片，另一侧通过陶瓷管连接氧气输出管，陶瓷膜垛底部与气流分布器的上表面紧压，气流分布器下端设置加热器；在陶瓷膜垛、气流分布器和加热器外侧包裹双螺旋式热交换器，在双螺旋式热交换器两端套接热隔离套，并在双螺旋式交互器。

如上的，其中，电化学陶瓷膜片为六层结构的复合陶瓷材料构成的片状构件，六层结构由上至下依次为可穿透LCM层、复合电极层、致密的固体氧化物电解质层、复合电极层、可穿透LCM层以及致密LCM层。

如上的，其中，电化学陶瓷膜片各层与相邻层通过烧结紧密结合，在致密LCM层与可穿透LCM层之间有用于收集氧气的微管。

如上的，其中，在陶瓷管与陶瓷膜垛的连接处涂覆电极层，连接电化学陶瓷膜片的复合电极层，且连接每片电化学陶瓷膜片的致密LCM层与可穿透LCM层之间的微管。

如上的，其中，电化学陶瓷膜产氧机还包括一部分嵌套在双螺旋式热交换器两端内部、另一部分裸露在双螺旋式热交换器两端外部的套管。

本申请还提供一种制氧设备，包括设备本体，在设备本体内固定连接上述电化学陶瓷膜产氧机，在设备本体内还设置控制箱；控制箱与电化学陶瓷膜产氧机电连接，控制电化学陶瓷膜产氧机制氧并输出氧气。

如上的，其中，设备本体包括前置面板、后置面板、两块平行侧面板、底板以及与底板平行的盖板；在前置面板上设置运行开关、控制面板、LED指示灯和显示屏，电源连接线和氧气输出管从制氧设备内部延伸至后置面板外；在侧面板上开设通气口。

如上的，其中，控制箱内设置控制芯片、显示模块、检测模块和供电模块；控制芯片与显示模块、检测模块、供电模块以及电化学陶瓷膜产氧机电连接；其中，显示模块控制显示屏显示当前操作状态；检测模块制氧设备内的氧气浓度及气压，供电模块用于为整个制氧设备供电。

如上的，其中，在电化学陶瓷膜产氧机裸露在双螺旋式热交换器两端外部的套管固定连接支架，电化学陶瓷膜产氧机通过支架固定在制氧设备的底板上。

如上的，其中，制氧设备还包括进气风扇，进气风扇固定在设备本体内，并设置进气风扇将风吹向电化学陶瓷膜产氧机。

本申请实现的有益效果如下：

(1)本发明采用电化学陶瓷膜技术，主要部件无运动部件，无噪声，无污染，只消耗电能，不需要额外压缩就可以提供1MPa氧流，能够现场制取纯氧、高纯氧及超纯氧；

(2)通过扩展电化学陶瓷膜产氧模块可方便地扩展系统的产氧能力，组成更复杂的制氧装置，技术最优，结构简单可靠。

(3)与传统空分方式相比更经济，每立方高纯氧成本大约2度电，但是体积小重量轻，适合快速部署且节省了维护和购买气瓶等的使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的制氧设备的外部结构图；

图2为本申请实施例提供的制氧设备内部结构图；

图3为本申请实施例提供的制氧设备内的控制箱部件连接图；

图4为电化学陶瓷膜产氧机的横切图；

图5为电化学陶瓷膜产氧机的纵切图；

图6为电化学陶瓷膜产氧机中组成陶瓷膜垛中电化学陶瓷膜片的结构图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供一种制氧设备，所述制氧设备包括设备本体1，设备本体1由前置面板11、后置面板12、两块平行侧面板(未示出)、底板13以及与底板13平行的盖板14围成长方体。在前置面板11上设置运行开关111、控制面板112、指示灯113和显示屏114，其中运行开关111用于控制制氧设备的开启或关闭，控制面板112用于方便使用者对氧气纯度需求的选择，指示灯113用于对制氧设备当前状态的指示，例如显示绿灯则为正常运行，显示红灯则为制氧异常警示提醒，显示屏114用于显示提示信息；电源连接线和氧气输出管从制氧设备内部延伸至后置面板外；优选地在侧面板的上端和下端分别开设通气口15，可以设置为百叶窗或蜂窝状通气孔等。

请继续参阅图2，图2为制氧设备内部结构图。在本申请实施例中，在设备本体1内通过挡板分割为控制箱2和产氧箱3，靠近前置面板的区域为控制箱2，如图3所示，在控制箱2内设置控制芯片21、显示模块22、检测模块23和供电模块24，其中，控制芯片21与显示模块22、检测模块23和供电模块24通过导线连接，且由控制芯片21统一控制各个部分按设定的参数正确运行，对整机的运行状态进行监控；显示模块22控制前置面板11上的显示屏114显示当前操作状态，包括如制氧开启、当前输出氧纯度、请放心使用等提示信息；检测模块23用于检测产氧箱中的氧气浓度及气压，供电模块24用于为整个制氧设备供电。

在设备本体1内挡板与后置面板组成的区域为产氧箱3，在产氧箱3中设置电化学陶瓷膜产氧机31，电化学陶瓷膜产氧机31固定在制氧设备的底板13上；电化学陶瓷膜产氧机31为两端缩口的空心圆柱体，在电化学陶瓷膜产氧机31圆柱体两端的开口处各通过固定栓连接一个梯形支架32，具体的，在电化学陶瓷膜产氧机两端开口边缘的两侧开设第一固定孔，在梯形支架32的两个斜边支架顶端开设第二固定孔，电化学陶瓷膜产氧机31的第一固定孔与梯形支架32的第二固定孔通过固定螺栓和螺母配合旋紧，两个梯形支架32的底座分别通过螺栓固定在设备本体的底板13上；在产氧箱3内还固定安装进气风扇33，进气风扇33将风吹向电化学陶瓷膜产氧机31，优选地进气风扇33安装在电化学陶瓷膜产氧机31底部并固定在底板13上。

在本实施例中，从电化学陶瓷膜产氧机31内部延伸至圆柱体两端开口外的导线与控制箱2内的控制芯片21和供电模块24电连接，控制芯片21控制电化学陶瓷膜产氧机31执行产氧操作，供电模块24为电化学陶瓷膜产氧机31供电。

请继续参阅图4和图5，图4为电化学陶瓷膜产氧机的横切图，图5为电化学陶瓷膜产氧机的纵切图。

在本实施例中，电化学陶瓷膜产氧机31包括陶瓷膜垛311、气流分布器312和加热器313、包裹在产氧模块外部的双螺旋式热交换器314、在双螺旋式热交换器314两端套接的热隔离套315、以及部分固定嵌套在双螺旋式热交换器314两端内部的套管316，套管316的一部分嵌套在双螺旋式热交换器314两端内部，请对应参阅图2制氧设备内部结构图，套管316的另一部分裸露在双螺旋式热交换器314外，并在裸露的套管316上通过螺栓固定梯形支架32。

其中，陶瓷膜垛311由N片(优选N为30片，也可根据需要自行设定)电化学陶瓷膜片组成，N个电化学陶瓷膜片竖直平行层叠且一侧封闭形成(N-1)个上下开口的竖直腔，多个电化学陶瓷膜片进行层叠可扩展产氧能力。

图6为电化学陶瓷膜片在显微镜下的结构图，每片电化学陶瓷膜片为厚度约2mm的六层结构的复合陶瓷材料构成的片状构件，六层结构由上至下依次为可穿透LCM层(LCM，Liquid Composite Molding，复合材料液体成型工艺)、复合电极层(CompositeElectrode)、致密的固体氧化物电解质层、复合电极层、可穿透LCM层以及致密LCM层，其中固体氧化物电解质层厚度不超过100μm，电解质层越薄，电阻越低，工作时消耗的能量越少，作用在电化学陶瓷膜片上的热应力越小；各层均通过烧结工艺与相邻层紧密结合，其中，在致密LCM层与可穿透LCM层之间有微管(或槽)，用于收集分离后的氧气。

具体的，在电化学陶瓷膜片中的固体氧化物电解质层的上下表面设置复合电极层，即例如在电解质层上表面设置阳极膜，在电解质层下表面设置阴极膜；用于形成阳极膜和阴极膜的电极材料为同一种材料，也可以为不同种材料；另外，为了增加电极膜的导电性，在上述导电材料中还可以添加金属银或金属铜，或者在电极材料形成的电极膜上化学沉积一层铜膜或银膜。

需要说明的是，电极膜可以覆盖电解质膜片的整个表面上，即将电极材料涂覆在电解质膜片的上下整个表面上；也可以为了避免短路，电极膜仅涂覆在电解质膜表面的局部区域上。

本申请实施例还提供电化学陶瓷膜片的制备方法，具体包括：

S1：制备固体氧化物电解质层：

作为示例，可以以氧化钆掺杂氧化铈(GCO)的电解质材料作为固体氧化物制备固态氧化物电解质层。除了选用氧化钆掺杂氧化铈(GCO)作为电解质材料，此外，本发明实施例还可以选用氧化钐掺杂氧化铈(SCO)作为电解质材料。另外，还可以选用氧化钆掺杂氧化铈(GCO)和氧化钐掺杂氧化铈(SCO)的混合物作为电解质材料，两者的重量比可以为任意比例。

需要说明的是，本发明实施例制备的电解质层的尺寸大小可以根据制氧速率制备任意大小的电解质层。

S2：在固体氧化物电解质层的上表面烧结阳极电极材料的复合电极层，在电解质膜片的下表面烧结阴极电极材料的复合电极层：

在本发明实施例中，阳极电极材料和阴极电极材料可以为锰酸镧锶La_0.8Sr_0.2MnO₃、掺铁钴酸镧锶La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O₃、掺铁钴酸锶钡Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ中的一种或两种。

作为示例，可以选用含少量金属银的锰酸镧锶La_0.8Sr_0.2MnO₃(LSM)，该电极材料的制备方法：锰酸镧锶La0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉末浸渍2mol/L的AgNO3溶液，然后焙烧。

S3：将涂覆有复合电极层的电解质层上下各烧结可穿透LCM层：

S4：在其中一层可穿透LCM层外继续烧结致密LCM层，将烧结后的膜片防止在一定温度下，保温一定时间后形成电化学陶瓷膜片。

例如，在烧结完毕后，陶瓷膜片在1200℃保温2h，以使各层之间的材料贴合形成电化学陶瓷膜片。

在本申请本实施例中，陶瓷膜垛311的一侧封闭，在另一侧一体化设置陶瓷管317，在陶瓷管317与陶瓷膜垛311的连接处涂覆电极层，连接电化学陶瓷膜片的复合电极层，且连接每片电化学陶瓷膜片的致密LCM层与可穿透LCM层之间的微管，用于收集经电化学陶瓷膜片分离的氧气；陶瓷管317另一端口连接氧气输出管318，优选地，陶瓷管317缩口连接氧气输出管318，设置氧气输出管318的宽度小于陶瓷管317的宽度且氧气输出管318的宽度适合用户使用。

电化学陶瓷膜片是一种氧离子导体，能够高效分离传导氧离子，在本实施例中，流经电化学陶瓷膜片阴极一侧的氧分子离解成氧离子，氧离子经加热器加热至750℃时产生大量可移动的氧空位缺陷，在存在电化学位梯度时，氧空位发生定向移动，实现氧离子的定向传输；氧离子在电化学陶瓷膜片阳极一侧释放电子，重新结合成氧分子，经电化学陶瓷膜片内的微管收集得到高纯度的氧气，经陶瓷管和氧气输出管输出制氧设备外部供用户使用。

请继续返回参阅图5，N个电化学陶瓷膜片竖直平行层叠组成的陶瓷膜垛底部与气流分布器的上表面紧压，优选地气流分布器为筛状金属板，空气可均匀的吹向陶瓷膜垛的竖直腔，设置气流分布器的尺寸与陶瓷膜垛的尺寸相同；在气流分布器的的两端向下设置支架连接加热器，加热器设置为尺寸与陶瓷膜垛尺寸相同，加热器由多个加热棒均匀平铺成电热板，该电热板的耐热度需高于制氧所需温度，如750°。

延氧气输出管方向在陶瓷膜垛、气流分布器和加热器的外部缠绕双螺旋式热交换器，双螺旋式热交换器由热流体管道和冷流体管道堆叠为螺旋状，且热流体管道与冷流体管道之间由换热隔板间隔；采用双螺旋式的热交换器能够减少热量流动阻力，而且螺旋流动使流体形成环流，传热性能更好。

在本申请实施例中，由于电化学陶瓷膜产氧机内部温度太高，因此在双螺旋式热交换器两端套接有热隔离套，在电化学陶瓷膜产氧机内形成热隔离区域，优选地，设置热隔离套的宽度小于陶瓷膜垛边缘至双螺旋式热交换器边缘的宽度，即双螺旋式热交换器中部未套接热隔离套的区域宽度应大于内部陶瓷膜垛的宽度，使得废气能够以最大接触面排放至双螺旋式热交换器外。

本申请制氧设备的制氧工艺为：

当电源连接线连接电源通电后，开启前置面板上的运行开关，LED指示灯亮起，通过控制面板设置当前需要输出的氧气纯度(包括纯氧、高纯氧和超纯氧)，供电模块为电化学陶瓷膜产氧机供电，控制芯片控制电化学陶瓷膜产氧机进行工作。

具体的，从电化学陶瓷膜产氧机的进气风扇输入新鲜的空气，经双螺旋式热交换器进行预热，预热后的空气经加热器加热至750℃，经气流分布器均匀地吹向堆叠的陶瓷膜垛内的竖直腔，经陶瓷膜片的分离，在阳极内表面处得到纯氧、高纯氧和超纯氧。氧气经陶瓷膜片内的微管(或槽)收集到陶瓷膜垛的氧气通道中，输出供用户使用；废气从陶瓷膜垛内竖直腔上升至双螺旋式热交换器，经双螺旋式热交换器降温，排放到机器外部。

本申请实现的有益效果如下：

(1)本发明采用电化学陶瓷膜技术，主要部件无运动部件，无噪声，无污染，只消耗电能，不需要额外压缩就可以提供1MPa氧流，能够现场制取纯氧、高纯氧及超纯氧；

(2)通过扩展电化学陶瓷膜产氧模块可方便地扩展系统的产氧能力，组成更复杂的制氧装置。

(3)技术最优，结构简单可靠，样机已经过50000小时验证测试。

(4)与传统空分方式相比更经济，每立方高纯氧成本大约2度电，但是节省了维护和购买气瓶等的使用成本，总拥有成本最优。

(5)体积小重量轻，适合快速部署。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。