CN108570687A - 便携式应急制氧、制水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式应急制氧、制水装置，由电解制氧模块、电源与控制模块、呼吸模块和主动消氢与制水模块组成，电解制氧模块和电源与控制模块相连，电解制氧模块通过氧气出口与呼吸模块相连，电解制氧模块通过氢气出口与主动消氢与制水模块相连。本发明采用电解水与主动消氢技术，既制氧又制水；液态水储氧，有效提高了装置产氧质量密度，运行中亦可补液；本装置可循环使用，安全环保。

Description

便携式应急制氧、制水装置

技术领域

本发明主要涉及一种应急制氧装置，具体涉及一种便携式应急制氧、制水装置，属于安全应急装备技术领域。

背景技术

氧气作为维持人生命的重要要素，供氧技术自然成为安全应急装备中的关键。目前煤矿救生舱与避难硐室、民航应急氧气系统等安全应急装备的氧气源有两种：一种是利用高压氧气瓶储存氧气，简称“气氧”；另一种是使用固体氧发生器，简称“固氧”。

气氧是一种常规供氧装置，早期机型的驾驶舱和客舱都采用气氧作为氧源，具有供氧时间长和可间断使用等优点，但客舱面积较大，气氧系统结构复杂，管路繁多，检测维护工作量大，体积和重量也较大，易发生故障。历史上就曾发生过气氧泄露和爆炸事故。固氧利用富含氧的氯酸盐发生热分解化学反应产生氧气，其产氧过程类似于蜡烛燃烧，亦称“氧烛”。固氧的产氧物质主要是氯酸盐或高氯酸盐，产氧物质发生化学反应所放出的热量不能维持自身连续反应，需要向产氧物质中加入提供热量的金属粉和降低反应温度的催化剂，同时加入的物质还包括用于抑制和吸收有毒有害气体的添加剂、反应稳定剂等，固氧产生的气体经过滤纯化后供人体使用。

无论是气氧还是固氧，经供氧系统处理后直接或充至环境中供人体呼吸，正常情况下人体呼出气中氧气含量～16％左右。虽然在气氧或固氧停止供氧后，人体还可从周围环境中呼吸氧气。但是，当周围环境氧气含量低于人体呼出气氧气含量时，人体将不能从周围环境中摄入氧气，则存在缺氧风险。而此时，周围环境中的大量氧气就处于无用状态。另外，在煤矿等紧急事故下，密闭闷热环境以及等待救援的焦虑心情，会进一步增加人体的耗水量，严重时会导致人体缺水，因此需适时摄取适量饮用水。

电解水技术是一种已商业化的制氧技术，但受限于制氧的同时伴随产生易燃易爆的氢气，尤其是密闭环境中氢气的聚集而增加的安全风险，进一步限制了电解水制氧技术用于安全应急领域的应用。因此，如何消除电解水制氧伴随的氢气安全性问题，则成为该技术能否应用于安全应急的技术瓶颈。

传统的气氧和固氧存在大量的氧气浪费，进一步增加了安全应急装备的成本。与此同时，电解水制氧虽作为一种成熟的高效制氧技术，但伴生的氢气安全风险制约了该技术在安全应急领域的应用。此外，水作为人体所需的重要资源，往往需要单独配置才能满足应急需求，无形中增加了使用风险。

发明内容

针对现有技术上述存在的不足，本发明提供一种便携式应急制氧、制水装置，采用电解水原理制备高纯氧气，利用主动消氢技术，消除伴生的氢气并转化为可饮用的纯净水，消除电解水制氧的安全隐患并提供应急水源，为安全应急提供新的支撑技术。

本发明是这样实现的：

一种便携式应急制氧、制水装置，由电解制氧模块、电源与控制模块、呼吸模块和主动消氢与制水模块组成，电解制氧模块和电源与控制模块相连，电解制氧模块通过氧气出口与呼吸模块相连，电解制氧模块通过氢气出口与主动消氢与制水模块相连。

更进一步的方案是：

所述电解制氧模块由电解槽、电解液、电解电极、隔膜、氧气出口、氢气出口和补液口构成，电解液位于电解槽内，电解槽通过隔膜分隔成两部分，在隔膜的两侧分别设置有电解电极，在隔膜一侧的电解槽上部设置有氧气出口，在隔膜另一侧的电解槽上部设置有氢气出口，电解槽上还设置有补液口。

其中，电解槽采用耐酸碱腐蚀的高分子或金属材料，优选聚四氟乙烯或304不锈钢材料。

电解液为电解制氧工业常用溶液，优选33％wt氢氧化钾水溶液。

电解电极由阴极电极和阳极电极组成，结构上与电源控制模块的输出电源口电连接；电解电极的长期稳定性与析氢析氧过电势，以及电解体系内阻直接影响电解制氧效率与电源能量利用率，因此应选耐酸碱腐蚀并具有低析氢析氧过电势的电极材料，优选铂黑电极。

电解槽内部的隔膜用于隔断电解产生的氢气和氧气，消除安全隐患，但又不能阻隔电解液的离子传递且耐酸碱腐蚀，优选钯或铂纳米材料修饰的Nafion膜。

氧气出口和氢气出口分别与呼吸模块和主动消氢模块的导气管相连，采用快插接头，便捷且气密。

电解液可通过补液口补充，优选为原装电解液，紧急情况下可用其他水溶液代替。

更进一步的方案是：

电源与控制模块由逻辑控制电路板、电源组件和数显组件组成。

所述电源组件由大容量电源和电源保护电路组成，大容量电源可以是铅酸电池，也可以是锂电-超级电容器组合电池组。

逻辑控制电路板由电解电源调节回路、显示输出回路及信号微处理回路构成；其中电解电源调节回路负责控制输入电解制氧模块的电压，调控信号由呼吸模块上运动传感器反馈；显示输出回路电气上与数显组件连接，经信号微处理回路处理后，显示剩余电量及剩余运行时长。

更进一步的方案是：

呼吸模块由依次相连的导气管、气体过滤组件和呼吸面罩组成，呼吸面罩上设置有运动传感器。

气体过滤组件为组合式过滤组件，用于消除氧气气流从电解槽中携带的对人体有危害的组分。

呼吸面罩采用人体脸部工程学设计，紧贴人体口鼻部，并配有高气密性呼吸阀，有效阻隔外界毒害气体进入呼吸面罩内部。

运动传感器紧贴于呼吸阀上，用于监测人体呼吸频次，并反馈给逻辑控制电路板，实时调整电解制氧功率。

更进一步的方案是：

主动消氢与制水模块由导气管及与导气管相连的罐体组成，罐体顶部设置有通气孔，罐体上部设置有消氢剂，在罐体下部设置有净水组件，罐体底部设置有出水口。

其中，罐体宜采用轻质材料，如铝合金、高分子等材料，优选铝合金。

通气孔内侧贴合一层膨体聚四氟乙烯防水透气膜，阻止内部水汽溢出和外界污染物进入。

消氢剂采用不可逆吸氢材料，优选钯、铂、氧化铜/氧化银、氧化钯等催化剂。

电解制氧模块产生的氢气，经导气管进入罐体后，在消氢剂处于从通气孔进入的周围氧气反应，生成水并放出热量加速反应进行；反应生成的水由罐体收集后，经净水组件过滤后，形成可供人体直接饮用的纯净水。

本发明具有以下优点：

(1)电解水与主动消氢技术，既制氧又制水；

(2)液态水储氧，有效提高了装置产氧质量密度，运行中亦可补液；

(3)本装置可循环使用，安全环保。

附图说明

图1便携式应急制氧、制水装置原理图；

图2电解制氧模块；

图3电源与控制模块；

图4呼吸模块；

图5主动消氢与制水模块。

1电解制氧模块、2电源与控制模块、3呼吸模块、4主动消氢与制水模块、11电解槽、12电解液、13电解电极、14隔膜、15氧气出口、16氢气出口、17补液口、21逻辑控制电路板、22电源组件、23数显组件、31导气管、32气体过滤组件、33呼吸面罩、34运动传感器、41罐体、42导气管、43通气孔、44出水口、45消氢剂、46净水组件

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，本发明采用模块化设计，由电解制氧模块1、电源与控制模块2、呼吸模块3和主动消氢与制水模块4构成。

如附图2所示，电解制氧模块1采用电解水制氧技术，结构上由电解槽11、电解液12、电解电极13、隔膜14、氧气出口15、氢气出口16和补液口17构成。电解槽1采用耐酸碱腐蚀的高分子或金属材料，优选聚四氟乙烯或304不锈钢材料。电解液12为电解制氧工业常用溶液，优选33％wt氢氧化钾水溶液。电解电极13由阴极电极和阳极电极组成，结构上与电源控制模块2的输出电源口电连接；电解电极13的长期稳定性与析氢析氧过电势，以及电解体系内阻直接影响电解制氧效率与电源能量利用率，因此应选耐酸碱腐蚀并具有低析氢析氧过电势的电极材料，优选铂黑电极。电解槽内部的隔膜14用于隔断电解产生的氢气和氧气，消除安全隐患，但又不能阻隔电解液的离子传递且耐酸碱腐蚀，优选钯或铂纳米材料修饰的Nafion膜。氧气出口15和氢气出口16分别与呼吸模块3和主动消氢模块4的导气管相连，采用快插接头，便捷且气密。电解液12可通过补液口17补充，优选为原装电解液，紧急情况下可用其他水溶液代替。

如附图3所示，电源与控制模块2由逻辑控制电路板21、电源组件22和数显组件23组成。电源组件22由大容量电源和电源保护电路组成，大容量电源可以是铅酸电池，也可以是锂电-超级电容器组合电池组。逻辑控制电路板21由电解电源调节回路、显示输出回路及信号微处理回路构成；其中电解电源调节回路负责控制输入电解制氧模块1的电压，调控信号由呼吸模块3上运动传感器34反馈；显示输出回路电气上与数显组件23连接，经信号微处理回路处理后，显示剩余电量及剩余运行时长。

如附图4所示，呼吸模块3由导气管31、气体过滤组件32、呼吸面罩33和运动传感器34组成。气体过滤组件32为组合式过滤组件，用于消除氧气气流从电解槽中携带的对人体有危害的组分。呼吸面罩33采用人体脸部工程学设计，紧贴人体口鼻部，并配有高气密性呼吸阀，有效阻隔外界毒害气体进入呼吸面罩内部。运动传感器34紧贴于呼吸阀上，用于监测人体呼吸频次，并反馈给逻辑控制电路板21，实时调整电解制氧功率。

如附图5所示，主动消氢与制水模块4基于贵金属催化剂或金属氧化物消氢剂45室温促使氢氧复合生成水的技术原理设计，结构上由罐体41、导气管42、通气孔43、出水口44、消氢剂45和净水组件46组成。罐体41宜采用轻质材料，如铝合金、高分子等材料，优选铝合金。通气孔43内层贴合一层膨体聚四氟乙烯防水透气膜，阻止内部水汽溢出和外界污染物进入。消氢剂45采用不可逆吸氢材料，优选钯、铂、氧化铜/氧化银、氧化钯等催化剂。电解制氧模块1产生的氢气，经导气管42进入罐体41后，在消氢剂45处于从通气孔43进入的周围氧气反应，生成水并放出热量加速反应进行；反应生成的水由罐体41收集后，经净水组件46过滤后，形成可供人体直接饮用的纯净水。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (9)

1.一种便携式应急制氧、制水装置，其特征在于由电解制氧模块、电源与控制模块、呼吸模块和主动消氢与制水模块组成，电解制氧模块和电源与控制模块相连，电解制氧模块通过氧气出口与呼吸模块相连，电解制氧模块通过氢气出口与主动消氢与制水模块相连。

2.根据权利要求1所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述电解制氧模块由电解槽、电解液、电解电极、隔膜、氧气出口、氢气出口和补液口构成，电解液位于电解槽内，电解槽通过隔膜分隔成两部分，在隔膜的两侧分别设置有电解电极，在隔膜一侧的电解槽上部设置有氧气出口，在隔膜另一侧的电解槽上部设置有氢气出口，电解槽上还设置有补液口。

3.根据权利要求2所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述电解槽采用耐酸碱腐蚀的高分子或金属材料；

电解液为电解制氧工业常用溶液；

电解电极由阴极电极和阳极电极组成，为耐酸碱腐蚀并具有低析氢析氧过电势的电极材料；

电解槽内部的隔膜为钯或铂纳米材料修饰的Nafion膜。

4.根据权利要求3所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述电解槽采用聚四氟乙烯或304不锈钢材料；

电解液为33％wt氢氧化钾水溶液；

电解电极为铂黑电极。

5.根据权利要求2所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述电源与控制模块由逻辑控制电路板、电源组件和数显组件组成。

6.根据权利要求5所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述电源组件由大容量电源和电源保护电路组成，大容量电源是铅酸电池，或者是锂电-超级电容器组合电池组；

逻辑控制电路板由电解电源调节回路、显示输出回路及信号微处理回路构成；其中电解电源调节回路负责控制输入电解制氧模块的电压，调控信号由呼吸模块上运动传感器反馈；显示输出回路电气上与数显组件连接，经信号微处理回路处理后，显示剩余电量及剩余运行时长。

7.根据权利要求5所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述呼吸模块由依次相连的导气管、气体过滤组件和呼吸面罩组成，呼吸面罩上设置有运动传感器；

运动传感器紧贴于呼吸阀上，用于监测人体呼吸频次，并反馈给逻辑控制电路板，实时调整电解制氧功率。

8.根据权利要求7所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述主动消氢与制水模块由导气管及与导气管相连的罐体组成，罐体顶部设置有通气孔，罐体上部设置有消氢剂，在罐体下部设置有净水组件，罐体底部设置有出水口。

9.根据权利要求8所述便携式应急制氧、制水装置，其特征在于：

所述罐体采用铝合金或高分子材料；

所述通气孔内侧贴合一层膨体聚四氟乙烯防水透气膜；

消氢剂采用钯、铂、氧化铜/氧化银或氧化钯催化剂。