CN108570687B - 便携式应急制氧、制水装置 - Google Patents
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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
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 (5)
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;
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;电解液为33%wt氢氧化钾水溶液;
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;
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;
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;
消氢剂采用钯、铂、氧化铜/氧化银或氧化钯催化剂。
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:
所述电解槽采用耐酸碱腐蚀的高分子或金属材料;
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。
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:
所述电解槽采用聚四氟乙烯或304不锈钢材料;
电解电极为铂黑电极。
4.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。
5.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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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