一种电解质膜富氢空气制备装置
阅读说明：本技术 一种电解质膜富氢空气制备装置 (Hydrogen-enriched air preparation device for electrolyte membrane ) 是由 綦戎辉 张立志 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电解质膜富氢空气制备装置,包括控制电路、内腔室以及设置在内腔室上的电解质膜电极,内腔室用于填充空气或其他不与氢气反应的气氛,定义内腔室外为环境侧,所述环境侧向外界环境敞开,电化学反应产生的氧直接排至外界环境；电解质膜电极包括电解阳极板、电解质膜和电解阴极板,电解阳极板位于环境侧,电解阴极板位于内腔室,电解质膜电极和电解阴极板分别与控制电路的正极和负极连接,工作时,在电解阳极板上发生电解水反应,在电解阴极板上发生析氢反应。该装置利用电解质膜两侧的电化学反应制备富氢空气,无需水源,无纯氢产生,安全可靠；电化学反应产生的氧排至外界环境,不会导致因氧化作用而产生任何毒副作用。(The invention discloses a hydrogen-enriched air preparation device of an electrolyte membrane, which comprises a control circuit, an inner chamber and an electrolyte membrane electrode arranged on the inner chamber, wherein the inner chamber is used for filling air or other atmospheres which do not react with hydrogen, the inner chamber is defined as an environment side, the environment side is open to the external environment, and oxygen generated by electrochemical reaction is directly discharged to the external environment; the electrolyte membrane electrode comprises an electrolyte anode plate, an electrolyte membrane and an electrolyte cathode plate, the electrolyte anode plate is positioned on the environment side, the electrolyte cathode plate is positioned in the inner chamber, the electrolyte membrane electrode and the electrolyte cathode plate are respectively connected with the anode and the cathode of the control circuit, and during work, electrolytic water reaction occurs on the electrolyte anode plate, and hydrogen evolution reaction occurs on the electrolyte cathode plate. The device utilizes the electrochemical reaction on the two sides of the electrolyte membrane to prepare the hydrogen-rich air, does not need water source, does not generate pure hydrogen, and is safe and reliable; oxygen generated by the electrochemical reaction is discharged to the external environment, and any toxic and side effect caused by oxidation cannot be caused.)
技术领域
本发明属于一种制备富氢空气的技术领域，尤其涉及一种电解质膜富氢空气制备装置。
背景技术
随着科技的发展和生活品质的不断提高，科学家和制造商们越来越多地注意到了富氢空气在食品或鲜切花保鲜、富氢食品制备及人体保健等领域的应用。氢气是一种双原子气体分子，无色透明，无臭无味，具有巨大的工业和能源价值。科学研究表明，多种果蔬或鲜花在仓储运输及货架期间存在乙烯释放量上升、内源氢气产生下降等现象，会加快果蔬的腐败；而外加低浓度氢气或使用富氢水可通过调节机体抗氧化性以延长果蔬等的储存周期。另外，医学研究证明，人体呼吸氧气与摄入各类营养物质产生所需能量的同时，还会产生过多的活性氧自由基，很可能是诱发人体疾病的根源。而低浓度氢分子进入人体后形成活性氢，与活性氧自由基发生中和反应，可减少活性氧自由基的数量从而起到医疗保健作用。因此，低浓度氢气有望成为果蔬保鲜及人体保健的新手段之一。而现有技术中以电解方式制备富氢水较多。中国授权专利CN102408147B公开了一种富氢水的制作方法，中国授权专利CN106086927 B公开了一种富氢食品制备机，其原理均为在密闭容器中以电解水方式制氢并再加入水中，但产水效率较低(典型的，得到的富氢水氢气含量最高只有1.65ppm)，且排出的多余氢气存在燃烧、爆炸隐患。由于更高的氢气含量及无需水源，富氢气也受到了越来越多的关注。中国专利申请CN107373279A公开了一种将氢气与二氧化碳、水蒸气和氧气混合用于天麻保鲜的方法，中国专利申请CN111406789A公开了一种将氢气与二氧化碳等混合用于禽蛋保鲜的方法，但这些方法成本较高、设备复杂，且氢气瓶运输过程中容易逸散、安全隐患大。
现有技术中尚未出现基于电解质膜制备富氢空气并应用于果蔬保鲜、人体保健等领域的相关研究，不能满足日常生活中人们对富氢空气的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于电解质膜的富氢空气制备装置，利用电化学反应安全、便携地制备富氢空气，装置结构简单紧凑，采用2～6V低压直流电驱动，无需排出或运输纯氢，无任何安全隐患及毒副作用。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于电解质膜的富氢空气制备装置包括一种电解质膜富氢空气制备装置，包括控制电路、内腔室以及设置在内腔室上的电解质膜电极，内腔室用于填充空气或其他不与氢气反应的气氛，
定义内腔室外为环境侧，所述环境侧向外界环境敞开，电化学反应产生的氧直接排至外界环境；电解质膜电极包括电解阳极板、电解质膜和电解阴极板，电解阳极板位于环境侧，电解阴极板位于内腔室，电解质膜电极和电解阴极板分别与控制电路的正极和负极连接，工作时，在电解阳极板上发生电解水反应，在电解阴极板上发生析氢反应。
电解阳极板设置于环境侧，运行时控制电路连通，电解环境空气中的水蒸气产生氢质子及氧气，氢质子穿过电解质膜到达电解阴极板，氧气排出至外界环境；氢质子于电解阴极板处发生析氢反应产生富氢气体，可直接或通过气体循环装置(可选)应用于果蔬保鲜、人体保健等领域。
进一步地，还包括外壳，环境侧、电解质膜电极和内腔室均设置在外壳内。
进一步地，所述电解阳极板和电解阴极板包括筛网或孔板，材料均选自包括金属或碳纤维；所述电解质膜具质子传导功能，材料选择选自包括Nafion溶液，磷化三氟苯乙烯或碳氢聚合物；所述电解质膜两侧分别负载有析氧催化剂及析氢催化剂，材料均选自包括Ir、IrO2、Ru或Pt。
低压直流电源与控制电路连接，为装置正常运行提供2～6V的低压直流电；
进一步地，还包括与控制电路连接的氢气浓度传感器，氢气浓度传感器用于测量内腔室中氢气的浓度。还包括补气路以及设置在补气路上的补气阀，与补气阀和控制电路连接，用于控制通过补气路向内腔室补充空气或其他不与氢气反应的气氛。设置有氢气浓度传感器并与控制电路联动，运行时当氢气浓度持续超过所设定的浓度范围时切断控制电路，同时通过补气阀补充气体快速降低氢气浓度。
进一步地，所述的富氢空气氢气浓度为0.0000001％～4％。
进一步地，所述的内腔室内可选设置气体循环装置和储存空间，储存空间通过气体循环装置与内腔室相通以将富氢空气通入储存空间，储存空间可以是食材食品储存装置或人体保健装置。具体地，可以通过气体循环装置将内腔室内的富氢空气应用于储存果蔬等食材或食品的密封袋或密封盒中，或应用于气瓶、呼吸器等人体保健装置中。
进一步地，还包括第一温湿度传感器和用于调节内腔室气体温湿度的制冷装置，制冷装置位于储存空间一侧，第一温湿度传感器设置在储存空间和内腔室之间。
进一步地，还包括第二温湿度传感器和加热装置，第二温湿度传感器和加热装置均设置在内腔室上以调节内腔室内的气体温度。
进一步地，还包括呼吸阀，呼吸阀设置在内腔室上。
进一步地，该装置的工作状态包括制备模式和应用模式两种模式，且通过控制电路控制切换，两种模式分别进行或同时进行。
更进一步地，制备模式时，低压直流电源通过控制电路为电解质膜电极供电；环境侧中，环境空气中的水蒸气在电解阳极板表面发生电解水反应2H2O→4H++O2+4e-，产生的H+穿过电解质膜到达内腔室的电解阴极板，产生的氧直接排至外界环境；内腔室中，H+在电解阴极板表面发生析氢反应2H++2e-→H2，内腔室所含空气的氢气含量升高；随着制备模式的进行，内腔室中的空气氢气含量不断增加，直至得到所需浓度的富氢空气。
更进一步地，应用模式时，内腔室通过设置气体循环装置将内腔室内的富氢空气应用于储存果蔬等食材或食品的密封袋或密封盒中、或应用于气瓶、气袋或呼吸器等人体保健装置中，或将内腔室直接作为储存场所或直接供人体吸入。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明装置以无处不在的环境空气为原料，利用电解质膜电极借助电化学反应制备富氢空气，无需水源，无纯氢产生，无有害物质，绿色环保，安全可靠。
(2)本发明中电化学反应产生的氧排至外界环境，不会导致因氧化作用而产生任何毒副作用。
(3)装置结构简单紧凑，尺寸可小至几cm3，无运动部件，无固定设备，制作简单，便携性好。
(4)制备过程仅需2～6V的低压直流电，有较宽的可操作温度，高温(>40℃)及低温(<0℃)情况下均可正常运行。
(5)应用范围广，可广泛应用于储存果蔬等食材或食品的气调密封袋或密封盒中(可避免食材接触水或其他液体)、或应用于鲜切花保鲜、或应用于气瓶、呼吸器等人体保健装置中，或将内腔室直接作为气体储存场所或直接供人体吸入。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，附图通过示例说明了可实践本发明的具体细节和实施例。
图1为基于电解质膜电极的富氢空气制备装置示意图。
图2为本发明实施例中用于果蔬等食品保鲜的富氢空气制备装置示意图。
图3为本发明实施例中用于人体保健的富氢空气制备装置示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于此。显而易见的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示例性的实施例，不需要被视为相对于其他实施例或设计而言优选或有益的。
需要注意的是，本说明书中提及的包含于实施例中的不同特征(例如，元件、结构、模块、步骤、操作、特性等)将意味着这些特征可以包含于本发明的一个或多个实施例中，也可以或不必要的在实施例中组合。
需要注意的是，本说明书中提及的“若干”可指代一个或多个。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供的电解质膜富氢空气制备装置包括控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3，所述环境侧2用于与外界环境相连，内腔室3用于充满空气或其他不与氢气反应的气氛。
其中，控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3均设置在外壳11内，以提供使用安全性，并且提高使用寿命。
其中，电解质膜电极1包括从环境侧2至内腔室侧3方向依次设置的电解阳极板4、电解质膜5和电解阴极板6；所述电解阳极板4和电解阴极板6分别与控制电路7的正极和负极连接。
其中，所述低压直流电源7与控制电路10连接，为装置运行提供2～6V的低压直流电。
进一步地，富氢空气氢气浓度为0.0000001％～4％。
进一步地，所述电解阳极板4和电解阴极板6均包括筛网或孔板，材料均选自包括金属或碳纤维；所述电解质膜5具有质子传导功能，材料选择选自包括Nafion溶液；所述电解质膜5两侧分别负载有析氧催化剂及析氢催化剂，材料均选自包括Ir、IrO2、Ru或Pt。
本实施例提供的电解质膜富氢空气制备装置，在电解阳极板4上，电解环境空气中的水蒸气并产生氢质子及氧气，氢质子穿过电解质膜5到达电解阴极板6，电解阴极板6发生析氢反应产生所需浓度的富氢空气。以无处不在的环境空气为原料，利用电解质膜电极电化学反应直接制备富氢空气，无纯氢产生，价格低廉，安全可靠；电化学反应产生的氧直接排至外界环境，不会导致因氧化作用而产生任何毒副作用，且装置尺寸可小至几cm3，结构简单紧凑，便携性好。
实施例2
本实施例为电解质膜富氢空气制备装置应用于果蔬或食材保鲜领域的实施方式。
请参阅图1，本实施例提供的电解质膜富氢空气制备装置包括控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3，所述的环境侧2向外界环境敞开，电化学反应产生的氧直接排至外界环境。
内腔室3用于充满空气或其他不与氢气反应的气氛。
其中，控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3均设置在外壳11内，以提供使用安全性，并且提高使用寿命。
其中，电解质膜电极1包括从环境侧2至内腔室侧3方向依次设置的电解阳极板4、电解质膜5和电解阴极板6；所述电解阳极板4和电解阴极板6分别与控制电路7的正极和负极连接。
其中，所述低压直流电源7与控制电路10连接，为装置运行提供2～6V的低压直流电。
进一步地，富氢空气氢气浓度为0.0000001％～4％。
进一步地，还包括氢气浓度传感器8、补气路以及设置在补气路上的补气阀9，氢气浓度传感器8用于测量内腔室3中氢气的浓度，且氢气浓度传感器8和补气阀9均与控制电路10连接。当内腔室3中的氢气浓度持续超过所设定的范围时，控制电路10切断低压直流电源7，同时开启补气阀9往内腔室3补充气体以快速降低氢气浓度。
本实施例的装置工作状态包括制备模式和应用模式两种模式，且通过控制电路控制切换，两种模式分别进行或同时进行。
制备模式下，由控制电路10开启低压直流电源7，位于环境侧的电解阳极板4表面电解环境空气中的水蒸气产生氢质子及氧气，氢质子穿过电解质膜5到达设置于内腔室3的电解阴极板6，运行时氢质子于电解阴极板6表面发生析氢反应产生富氢气体。
可选地，应用模式下，内腔室3可作为密封储存空间，直接用于储存果蔬或鲜切花等食材食品，这一过程可持续或间断进行。
具体地，针对猕猴桃等易腐水果，于采后采用富氢空气(0.0000001％～4％)密闭储存0-2天，之后常规或低温储存或运输0-5天后，再次采用富氢空气(0.0000001％～4％)密闭储存0-2天，可减缓水果衰老变质、延长猕猴桃货架期0-10天。
具体地，针对香石竹等鲜切花，于采后采用富氢空气(0.0000001％～4％)密闭储存0-2天，之后常规或低温储存或运输，可加强鲜切花可观赏性、延长花期0-10天。
实施例3
与实施例2基本相同，所不同的是，本实施例还设置有气体循环装置、储存空间12、第一温湿度传感器17和制冷装置18。
请参阅图2，本实施例中，储存空间12通过气体循环装置与内腔室3相通以将富氢空气通入储存空间。其中，气体循环装置包括气阀13、气泵14和软管15，内腔室3和储存空间12之间通过软管15连接，气阀13和气泵14设置在软管15上。
可选地，应用模式下，采用气体循环装置将内腔室3中的富氢空气抽出并充入可密封的储存空间12内(如密封袋或密封盒)，用于储存果蔬或鲜切花等食材食品，这一过程可持续或间断进行。
可选地，可密封的储存空间12出口设置有第一温湿度传感器17，且储存空间12与制冷装置18相连，通过包括冷凝、制冷的方式调节内腔室气体温湿度。
实施例4
请参阅图3，本实施例提供的电解质膜富氢空气制备装置包括控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3，所述的环境侧2向外界环境敞开，电化学反应产生的氧直接排至外界环境。
内腔室3用于充满空气或其他不与氢气反应的气氛。
其中，控制电路、由电解质膜电极1分开的环境侧2及内腔室3均设置在外壳11内，以提供使用安全性，并且提高使用寿命。
其中，电解质膜电极1包括从环境侧2至内腔室侧3方向依次设置的电解阳极板4、电解质膜5和电解阴极板6；所述电解阳极板4和电解阴极板6分别与控制电路7的正极和负极连接。
其中，所述低压直流电源7与控制电路10连接，为装置运行提供2～6V的低压直流电。
进一步地，富氢空气氢气浓度为0.0000001％～4％。
进一步地，所述电解阳极板4和电解阴极板6包括筛网或孔板，材料均选自包括金属或碳纤维；所述电解质膜5具质子传导功能，材料选择选自包括Nafion溶液；所述电解质膜5两侧分别负载有析氧催化剂及析氢催化剂，材料均选自包括Ir、IrO2、Ru或Pt。
进一步地，还包括氢气浓度传感器8、补气路以及设置在补气路上的补气阀9，氢气浓度传感器8用于测量内腔室3中氢气的浓度，且氢气浓度传感器8和补气阀9均与控制电路10连接。当内腔室3中的氢气浓度持续超过所设定的范围时，控制电路10切断低压直流电源7，同时开启补气阀9往内腔室3补充气体以快速降低氢气浓度。
进一步地，内腔室3上还设置有呼吸阀19。
进一步地，还包括第二温湿度传感器21和加热装置20，第二温湿度传感器21和加热装置20均设置在内腔室3上以调节内腔室3内的气体温度
本实施例的装置工作状态包括制备模式和应用模式两种模式，且通过控制电路控制切换，两种模式分别进行或同时进行。
应用模式下，人体可采用呼吸阀19直接吸入内腔室3中的富氢空气以起到保健作用，这一过程可持续或间断进行；
制备模式下，由控制电路10开启低压直流电源，位于环境侧电解阳极板4表面电解环境空气中的水蒸气产生氢质子及氧气，氢质子穿过电解质膜5到达设置于内腔室3的电解阴极板6，氧气排出至外界环境；运行时氢质子于电解阴极板6表面发生析氢反应产生富氢气体。
可选地，应用模式下，采用气体循环装置将内腔室中的富氢空气抽出并充入可密封的储存空间内12(如密封气瓶、气袋)，用于人体吸入并起到保健作用，这一过程可持续或间断进行。
可选地，内腔室3设置的第二温湿度传感器17和加热装置20用于调节内腔室气体温度以适应人体需求。
具体地，针对运动员保健，每日运动后吸入低浓度富氢空气(0～1000mL)，连续吸入0～100天，可提高机体的抗氧化酶活性，有效减缓运动员大强度运动中的氧化应激损伤；
具体地，针对普通人群保健，每日饭后或睡前吸入低浓度富氢空气(0～1000mL)，连续吸入0～100天，可一定程度上增强抗氧化能力，缓解疲劳及提高免疫力。
显而易见地，所述描述的仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据本发明获得的其他可替代、修改或同等变形等，均在本发明保护范围内。
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