CN110639137B - 一种基于电解水的供氧装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制氧技术领域，具体公开了一种基于电解水的供氧装置及方法；其中一种基于电解水的供氧装置，包括存储瓶、电源和供氧模块，供氧模块包括电解膜和吸氢部；存储瓶顶部开设有出气口，侧壁开设有注水口；电解膜和吸氢部均位于存储瓶内；吸氢部固定在存储瓶底部，用于吸收氢气；电解膜固定在出气口与吸氢部之间；电解膜包括正极和负极；电解膜的正极与电源的正极连接，电解膜的负极与电源的负极连接。采用本发明的技术方案能低压持续供氧且循环使用。
Description
技术领域
本发明涉及制氧技术领域，特别涉及一种基于电解水的供氧装置及方法。
背景技术
现有的呼吸类防护用品主要分为氧气呼吸器和空气呼吸器。差别在于：1、氧气呼吸器提供氧气，使用时间通常在4小时左右；2、空气呼吸器提供空气，使用时间一般小于1小时。由于氧气易燃的特性，从安全性上考虑，目前消防领域均采用空气呼吸器。
现有的空气呼吸器体积庞大，空气呼吸器的空气瓶内部使用30mpa压缩空气，由于气压大，其内部1/3的空气会以液体的形式存在；而且，空气瓶为了承受30mpa的气压，一般采用钢瓶，钢瓶外部再以碳纤维包裹；这导致空气瓶充满气体时，重量可以达到18kg。由于空气瓶充的是高压气体，存在一定危险性，亦需要严格执行高标准方能保证安全。
为了解决上述问题，公开号为CN106917954A的中国专利公开了一种便携式氧气瓶。包括圆柱状的阀体和高压气瓶，阀体与高压气瓶固定连接；阀体内设置有压力调节阀和流量调节阀，阀体的顶部设置有低压气室；所述压力调节阀一端与高压气体相连，另一端与流量调节阀相连，流量调节阀一端与压力调节阀相连，另一端与低压气室相连；低压气室一端与流量调节阀相连，另一端设置有出气管。
该氧气瓶通过对阀体进行改进，避免了高压气体从阀体泄露，提高了氧气瓶的安全性；但是，上述氧气瓶还是存储高压气体，只是达到了治标的目的，没有治本，难以完全解决安全性的问题。而现有的固体供氧的方式，能避免使用高压气体，但是固体原料无法重新利用，成本较高。
为此需要一种可循环使用的低压持续供氧的供氧装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于电解水的供氧装置及方法。
本发明技术方案如下：
一种基于电解水的供氧装置，包括存储瓶、电源和供氧模块，供氧模块包括电解膜和吸氢部；
存储瓶顶部开设有出气口，侧壁开设有注水口；电解膜和吸氢部均位于存储瓶内；吸氢部固定在存储瓶底部，用于吸收氢气；电解膜固定在出气口与吸氢部之间；
电解膜包括正极和负极；电解膜的正极与电源的正极连接，电解膜的负极与电源的负极连接。
基础方案原理及有益效果如下：
本方案在使用时，将水通过注水口注入存储瓶内，水被电解膜电解，在正极处产生的氧气，通过出气口排出供人呼吸用；在负极处产生的氢气被吸氢部吸收，避免氢气逸出引发安全问题。当水电解完后，通过更换水就能再使用，与现有的空气瓶使用完后需要再次充入高压气体或固体供氧需要更换固体材料相比，更换水的过程简单方便，更换过程也更安全。而且，氧气排出后就供人呼吸，不会有大量氧气聚集，气压低，安全性高。
1升水能电解出约622升氧气，1244升氢气；正常人平稳状态下每分钟的吸氧量为250ml/min，例如在消防领域，消防员一般是正常人呼吸量的4倍，也就是每分钟1000ml/min，一般消防要求是需要供氧30min，如果按60min计算，需要60升氧气，也就是1升水电解的氧气可以满足消防员1个小时使用。市面上，满足1L/min的氧气供应量的水电解设备重量在1.5kg，本方案电解膜的结构简单，其重量不会高于市面上的平均重量。吸氢部存储100L氢气，其重量能控制在1.8kg内；故供氧模块的重量在4.3kg左右。市面上200wh的电源重量在小于1公斤。本方案中采用低压，对存储瓶的材料要求较低，故，本方案总重量远低于18kg，和现有的空气呼吸器及氧气呼吸器相比，同时做到了体积更小和重量更轻，能有效减轻消防员的负重，减少体能消耗。而且，本方案相比于现有的空气呼吸器，能达到更长的续航时间。
本方案不仅能应用在消防领域，同时也能应用在救援和医疗等领域，以替代传统的高压气瓶。
进一步，还包括面罩模块，面罩模块包括面罩本体、过滤部和输氧管；面罩本体上开设有排气口和进气口；过滤部固定在排气口上，过滤部内填充有中空纤维膜，输氧管一端与出气口固定连接，输氧管另一端与进气口固定连接。
电解产生的氧气经过输氧管进入面罩本体内，供消防员呼吸。中空纤维膜对水蒸气、氢、氨和二氧化碳渗透较快；消防员呼出的二氧化碳会通过过滤部内中空纤维膜，再被排放到外部，从而避免二氧化碳在面罩本体内聚集。
进一步，所述供氧模块还包括水汽分离片，水汽分离片固定在存储瓶内，且位于电解膜与出气口之间；水汽分离片上均匀开设有若干孔径小于20微米的过滤孔。
通过设置水汽分离片，能防止存储瓶内的水从出气口流出。
进一步，所述吸氢部填充有吸氢材料，吸氢材料包括LaNi5或Mg2Ni。
当前论文公开的数据有关吸氢材料吸收氢气比例能达到1:1000，成熟的吸收比例也能达到1:270，本方案中，采用LaNi5或Mg2Ni，能长时间保证氢气的吸收，使得氢气不会往外泄露。
进一步，所述电解膜竖直固定在存储瓶内，正极位于电解膜上侧，负极位于电解膜下侧。
负极位于电解膜下侧，使负极更靠近吸氢部，便于氢气的快速吸收。
进一步，还包括控制模块，控制模块包括信号连接的浓度检测单元和调节单元；浓度检测单元固定在面罩本体内，浓度检测单元用于检测面罩本体内的氧气浓度，将氧气浓度信息发送至调节单元，调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压。
调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压，电解膜正极和负极的电压随之改变，电压改变后，水电解的速率发生改变，从而达到调节氧气产生速率，控制氧气浓度，使面罩本体内的氧气浓度达到正常空气中的氧气浓度，避免产生纯氧的环境。
进一步，所述电源包括壳体和壳体内部的电池，壳体固定在存储瓶外的底部。
壳体固定在存储瓶外侧的底部，整个消防服供氧装置一体化程度高，便于携带。
一种基于电解水的供氧方法，包括如下步骤：
S1、原料添加：通过注水口向存储瓶内注入水；
S2、氧气制造：使电解膜通电，电解膜正极电解水产生氧气，氧气经过水汽分离片后进入面罩本体；电解膜负极电解水产生氢气，吸氢部的吸氢材料将氢气吸收；
S3、速率控制：浓度检测单元采集面罩本体内的氧气浓度信息，调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压；
S4、原料去除：使用完毕后，打开注水口将存储瓶内剩余水排出；并且让注水口保持打开状态；
S5、氢气去除：使空气通过注水口进入存储瓶内，在大气压的作用下吸氢材料释放氢气，氢气与空气中的氧气反应产生水。
本方案中，产生的氧气和氢气一直处于低压力状态，整个装置安全性高。和现有的消防呼吸服使用高压空气呼吸方法相比，体积和重量缩小5-10倍，大大降低消防员负重负担。
进一步，所述S2中，水汽分离片上均匀开设有若干孔径小于20微米的过滤孔。
孔径小于20微米的过滤孔，氧气能够通过，而水分子不能通过，能防止存储瓶内的水从出气口流出。
进一步，所述S2中，吸氢部填充有吸氢材料，吸氢材料包括合金材料、纳米材料和液体储氢材料。
吸氢材料能长时间保证氢气的吸收，使得氢气不会往外泄露。
附图说明
图1为一种基于电解水的供氧装置实施例一供氧模块和面罩模块的连接图；
图2为一种基于电解水的供氧装置实施例一存储瓶的纵剖图；
图3为一种基于电解水的供氧方法实施例一流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：
存储瓶1、水汽分离片2、电解膜3、吸氧部4、出气口5、注水口6、电池7、面罩本体8、输氧管9。
实施例一
如图1所示，一种基于电解水的供氧装置，包括电源、面罩模块、供氧模块和控制模块。
如图2所示，供氧模块包括存储瓶1、水汽分离片2、电解膜3和吸氢部。存储瓶1顶部开设有出气口5；水汽分离片2、电解膜3和吸氢部均设置在存储瓶1内；水汽分离片2位于存储瓶1靠近出气口5一侧，吸氢部位于存储瓶1底部；本实施例中存储瓶1为双层结构，内层为绝缘塑料，外层为不锈钢材质。
电解膜3竖直粘接在水汽分离片2与吸氢部之间；电解膜3包括正极和负极，正极位于电解膜3上侧，负极位于电解膜3下侧，换句话说，电解膜3的正极靠近水汽分离片2，电解膜3的负极靠近吸氢部。本实施例中，电解膜3采用质子交换膜；电解产生的氢气不会通过质子交换膜向上发生逃逸，质子交换膜能起到隔绝氢气的效果。
电解膜3的正极通过导线与电源的正极连接，电解膜3的负极通过导线与电源的负极连接。
水汽分离片2横向粘接在存储瓶1内部上，通过水汽分离片2将存储瓶1内部隔断为两个部分。本实施例中，水汽分离片2为不锈钢材料制作而成，水汽分离片2上均匀开设有若干过滤孔，过滤孔的孔径小于20微米；氧气可通过该孔径，而水分不能通过该孔径，不锈钢材料可以起到防锈的作用。
吸氢部填充有吸氢材料，吸氢材料包括合金材料、纳米材料和液体储氢材料。其中，合金材料包括LaNi5和MgH2Ni等，纳米材料包括纳米碳管等，液体储氢材料包括苯、甲苯、甲基环己烷、萘、十氢化萘、环乙烷、四氢化萘等。本实施例中采用LaNi5，其氢气的吸收比例能达到1:270以上，而且，由于LaNi5在水中也能工作，不需要考虑防水的问题。存储瓶1位于水汽分离片2与吸氢部之间的外壁上还开设有注水口6，注水口6用于注入或排出水。本实施例中，注水口6螺纹连接有控制阀，通过控制阀手动控制注水口6的打开与关闭。
控制模块包括浓度检测单元和调节单元。面罩模块包括面罩本体8、过滤部和输氧管9；面罩本体8上开设有排气口和进气口；过滤部为两端开口的圆柱形；过滤部一端与排气口固定连接；过滤部另一端粘接有具有开设有排气孔的盖子。过滤部内填充有中空纤维膜，输氧管9一端与出气口5固定连接，输氧管9另一端与进气口固定连接。本实施例中，接口处均为粘接。浓度检测单元粘接在面罩本体8内，浓度检测单元用于检测面罩本体8内的氧气浓度。浓度检测单元与调节单元信号连接，浓度检测单元将氧气浓度信息发送至调节单元，调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压，电解膜3正极和负极的电压改变，水电解的速率发生改变，从而达到调节氧气产生速率，控制氧气浓度的目的。
本实施例中电源包括壳体和壳体内部的电池7；壳体焊接在存储瓶1外侧的底部，使整个消防服供氧装置一体化程度高。存储瓶1壳体上还开设有供导线穿过的导线孔，导线孔经过密封处理，避免水泄露，此处是现有技术，这里不再赘述。本实施例中，电池7采用锂电池7，容量为200wh。
如图3所示，基于一种基于电解水的供氧装置，本实施例还提供一种基于电解水的供氧方法，包括如下步骤：
S1、原料添加：通过注水口6向存储瓶1内注入水；
S2、氧气制造：使电解膜3通电，电解膜3正极电解水产生氧气，氧气经过水汽分离片2后进入面罩本体8；电解膜3负极电解水产生氢气，使吸氢部的吸氢材料将氢气吸收；吸氢部填充有吸氢材料，本实施例中，吸氢材料具体采用LaNi5；水汽分离片2上均匀开设有若干孔径小于20微米的过滤孔。
S3、速率控制：呼出的二氧化碳通过过滤部内中空纤维膜，排放到外部；浓度检测单元采集面罩本体8内的氧气浓度信息，调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压，从而改变电解膜3正极和负极的电压，调节电解膜3正极和负极的电解速率；
S4、原料去除：使用完毕后，打开注水口6将存储瓶1内剩余水排出；并且让注水口6保持打开状态；
S5、氢气去除：使空气通过注水口6进入存储瓶1内，在大气压的作用下吸氢材料释放氢气，氢气与空气中的氧气反应产生水。吸氢材料内的氢气被排出，以便重复使用，反应生成的水能够用于下一次的氧气制造。
本方案中，产生的氧气和氢气一直处于低压力状态，整个装置安全性高。和现有的消防呼吸服使用高压空气呼吸方法相比，体积和重量缩小5-10倍，大大降低消防员负重负担，整个系统无高压气体，能保证安全性，同时延长续航时间。本方案还可适用于救援和医疗等领域。
实施例二
一种基于电解水的供氧装置，与实施例一的区别在于，电源的外壳与存储瓶1外侧的底部可拆卸连接。可拆卸连接的方式可以是通过卡扣连接，也可以是通过快拆螺栓进行连接，这都是现有技术，这里不再赘述。通过更换电源或者加水，可以增加装置使用时间。比如在坑道中救援时，可以通过救援人员自身携带备用电源或者坑道外人员通过绳索等设备供给备用电源或备用水源增加整个装置使用时间。
实施例三
一种基于电解水的供氧装置，与实施例一的区别在于，本实施例中，注水口6位于存储瓶1的1/2高度处的外壁上，注水口6螺纹连接有电磁阀；还包括用于驱动电磁阀的驱动单元，调节单元与驱动单元信号连接。本实施例中，驱动单元采用驱动芯片。
还包括温度传感器和加速度传感器；温度传感器和加速度传感器均粘接在存储瓶1的表面，并通过防护罩进行保护。温度传感器和加速度传感器与调节单元信号连接。温度传感器和加速度传感器将温度信息和加速度信息发送至调节单元。
调节单元分别判断温度信息、加速度信息和氧气浓度信息是否超过对应的阈值，如果超过，判断为紧急撤离，调节单元通过驱动单元控制电磁阀打开。本实施例中，电磁阀打开的时间不超过3-8秒，本实施例中为5秒。
当温度信息、加速度信息和氧气浓度信息都超过对应的阈值时，外界温度高，背着供氧装置的消防员在快速奔跑，而且耗氧量增加，可以判断出外界环境十分危险，消防员正在快速撤离，通过打开电磁阀，可以排放部分水，减少负重，便于消防员撤离，排出的水可以打湿消防服，便于降温。注水口6位于存储瓶1的1/2高度处的外壁上能避免水被排放完不足以供氧的问题。
实施例四
一种基于电解水的供氧装置，与实施例三的区别在于，还包括按钮开关和蜂鸣器；蜂鸣器固定在消防员的头部，按钮开关固定在消防服的正面；蜂鸣器和按钮开关均通过导线与调节单元连接。本实施例中，调节单元判断为紧急撤离时，调节单元先控制蜂鸣器工作3-5秒钟，再通过驱动单元控制电磁阀打开。按钮开关用于消防员手动控制电磁阀的打开与关闭。
调节单元打开电磁阀前，控制蜂鸣器工作3-5秒钟，可以进行提前提醒，在误判的是时候消防员可以及时关闭，消防员也可以根据实际情况通过按钮开关手动打开电磁阀。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (5)
1.一种基于电解水的供氧装置，包括存储瓶、电源和供氧模块，其特征在于，供氧模块包括电解膜和吸氢部；
存储瓶顶部开设有出气口，侧壁开设有注水口；电解膜和吸氢部均位于存储瓶内；吸氢部固定在存储瓶底部，用于吸收氢气；电解膜固定在出气口与吸氢部之间；
电解膜包括正极和负极；电解膜的正极与电源的正极连接，电解膜的负极与电源的负极连接；
还包括面罩模块，面罩模块包括面罩本体、过滤部和输氧管；面罩本体上开设有排气口和进气口；过滤部固定在排气口上，过滤部内填充有中空纤维膜，输氧管一端与出气口固定连接，输氧管另一端与进气口固定连接；
还包括控制模块，控制模块包括信号连接的浓度检测单元和调节单元；浓度检测单元固定在面罩本体内，浓度检测单元用于检测面罩本体内的氧气浓度，将氧气浓度信息发送至调节单元，调节单元基于氧气浓度信息调节电源输出电压；
注水口位于存储瓶的1/2高度处的外壁上，注水口螺纹连接有电磁阀；还包括用于驱动电磁阀的驱动单元，调节单元与驱动单元信号连接；
还包括温度传感器和加速度传感器；温度传感器和加速度传感器均粘接在存储瓶的表面；温度传感器和加速度传感器与调节单元信号连接；温度传感器和加速度传感器将温度信息和加速度信息发送至调节单元；
调节单元分别判断温度信息、加速度信息和氧气浓度信息是否超过对应的阈值，如果超过，判断为紧急撤离，调节单元通过驱动单元控制电磁阀打开。
2.根据权利要求1所述的基于电解水的供氧装置，其特征在于：所述供氧模块还包括水汽分离片，水汽分离片固定在存储瓶内，且位于电解膜与出气口之间；水汽分离片上均匀开设有若干孔径小于20微米的过滤孔。
3.根据权利要求2所述的基于电解水的供氧装置，其特征在于：所述吸氢部填充有吸氢材料，吸氢材料包括合金材料、纳米材料和液体储氢材料。
4.根据权利要求3所述的基于电解水的供氧装置，其特征在于：所述电解膜竖直固定在存储瓶内，正极位于电解膜上侧，负极位于电解膜下侧。
5.根据权利要求4所述的基于电解水的供氧装置，其特征在于：所述电源包括壳体和壳体内部的电池，壳体固定在存储瓶外的底部。
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