CN107083557B - 一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，包括至少一个氢氧发生器单元串联组成，每一氢氧发生器单元包括固定设置在箱体内的正极板和负极板、设于所述正极板和负极板之间的质子交换膜，从而将箱体分隔为储水腔、氢气生成腔及氧气生成腔；正极板、负极板对应连接电源的正负极，正极板、负极板上均设置有催化剂层，催化剂层为表面喷涂石墨烯的碳纤维层；储水腔设有进水口和出水口；经由进水口进入储水腔的水在正极板的催化剂层作用下发生电化学反应，生成的氧气进入所述氧气生成腔；生成的氢离子在电场的作用下穿过质子交换膜，与游离的电子发生结合生成氢原子，并在负极板上的催化剂层作用下形成氢气进入氢气生成腔；经反应后形成的富氢水从出水口排出。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢氧技术领域，尤其涉及一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备。
背景技术
氧气是生命中不可缺少的气体元素，在生命过程中需要氧来参与各种各样的代谢活动，适当提高环境中氧气的浓度对身体是大有好处的。通常我们把环境中氧气的浓度由21％提高到23％～25％之间，但不能高于25％，这样的话可以提高氧分压，增加组织细胞利用氧的能力，提高人体新陈代谢。
传统的制氧机大多体积比较庞大，使用比较麻烦，使用寿命也受到电子元器件的影响。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，结构简单，能有效提高电解水制氢氧效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供了利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，包括至少一个氢氧发生器单元串联组成，每一所述氢氧发生器单元包括固定设置在箱体内的正极板和负极板、设于所述正极板和负极板之间的质子交换膜，从而将箱体分隔为储水腔、氢气生成腔及氧气生成腔；所述正极板、负极板对应连接电源的正负极，所述正极板、负极板上均设置有催化剂层，所述催化剂层为表面喷涂石墨烯的碳纤维层；所述储水腔设有进水口和出水口；
经由所述进水口进入所述储水腔的水在所述正极板的催化剂层作用下发生电化学反应，被电解分为氧气、氢离子和游离的电子，生成的氧气进入所述氧气生成腔；生成的氢离子在电场的作用下穿过所述质子交换膜，与游离的电子发生结合生成氢原子，并在所述负极板上的催化剂层作用下形成氢气进入所述氢气生成腔；经反应后形成的富氢水从所述出水口排出。
作为上述方案的改进，所述催化剂层由每根直径为100nm的石墨烯碳纤维丝构成。
作为上述方案的改进，在每一所述氢氧发生器单元容量为200～300ml的情况下，每一所述催化剂层由3～5万根所述石墨烯碳纤维丝排列构成。
作为上述方案的改进，所述氢气生成腔的宽度小于2毫米，在顶端设有氢气出口。
作为上述方案的改进，所述氧气生成腔的顶端设有氧气输出口。
作为上述方案的改进，所述正极板上设置第一接线端子以与外界的电源正极连接；所述负极板上设置第二接线端子以与外界的电源负极连接。
作为上述方案的改进，所述储水腔的顶端设置的所述进水口与进水管路相连，底端设置的所述出水口与出水管路相连。
作为上述方案的改进，所述电源采用脉冲式的直流电源供应器，利用频率调变激发电极板的水分子，使水分子在电解过程形成共振电解。
与现有技术相比，本发明公开的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备通过采用表面喷涂石墨烯的碳纤维层作为电解水制氢氧的高效催化电极材料，能有效提高电催化剂的导电性，加快电化学过程中电荷传递速率，大大降低该催化剂在电解水制氢反应中的过电位，可显著催化电解水析氧反应和析氢反应，有利于生成的氢氧气和电解质的扩散，降低电催化过程中的传质阻力，极大地提高了电催化制氢氧活性及稳定性，从而提高电解水制氢氧效率。而且本发明提供的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备结构简单，能够最低的能耗制造氢气、氧气的同时产生有用的富氢水供使用。
附图说明
图1是本发明实施例中一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备包括至少一个氢氧发生器单元串联组成。其中，如图1所示，每一所述氢氧发生器单元包括固定设置在箱体内的正极板和负极板、设于所述正极板和负极板之间的质子交换膜，从而将箱体分隔为储水腔、氢气生成腔及氧气生成腔；所述正极板、负极板对应连接电源的正负极，所述正极板、负极板上均设置有催化剂层，所述催化剂层为表面喷涂石墨烯的碳纤维层；所述储水腔设有进水口和出水口。
经由所述进水口进入所述储水腔的水在所述正极板的催化剂层作用下发生电化学反应，被电解分为氧气、氢离子和游离的电子，生成的氧气进入所述氧气生成腔；生成的氢离子在电场的作用下穿过所述质子交换膜，与游离的电子发生结合生成氢原子，并在所述负极板上的催化剂层作用下形成氢气进入所述氢气生成腔；经反应后形成的富氢水从所述出水口排出。
在本实施例中，所述催化剂层利用高压静电吸附的原理将石墨烯以一种薄片的形式贴附在pe纤维丝的表面，使这种石墨烯碳纤维新材料获得优良的导电性及抗拉伸性。这种材料的直径约为100nm。这种石墨烯碳纤维具有超级低的电导率，可作为电解水制氢氧的催化电极材料，非常有效的使电解水转化为氧气与氢气。
在本实施例中，所述催化剂层由每根直径为100nm的石墨烯碳纤维丝构成。在每一所述氢氧发生器单元容量为200～300ml的情况下，每一所述催化剂层由3～5万根所述石墨烯碳纤维丝排列构成。
具体的，每个氢氧发生器单元以一种单元的形式存在的，一个单元只有一瓶矿泉水大小，多个单元可以串联组合成大单元，从而调节单位时间内制造氧气(氢气)的多少。一个矿泉水大小的字样单元，可以排列大约10万根制作氧气的石墨烯碳纤维，制作氧气的效率很高，可以达到每分钟2.8L左右，这个容量已经足够一个正常人呼吸使用。如果想在环境中大量制造氧气，利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备可以由多个串联的氢氧发生器单元组成进行，同时能量的消耗并不很大，制作1L氧气只需要0.1焦。
本实施例采用的喷涂石墨烯的碳纤维具有优良的的电导率，表面结构非常光滑和平整。石墨烯分子以强大的分子间作用力吸附，性质稳定。石墨烯碳纤维可以长久使用，经过等离子去污剂就可以进行清洁，免除不断更新滤芯的麻烦。
本实施例的每个氢氧发生器单元既可以制造氧气，制造氢气，同时也制造出富有氢气这种具有强还原性的水。也就是说本发明实施例的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备既可以制造氧气供使用又可以制造出有用富氢水。例如，富氢水可降低人体内的氧化物，清除自由基，可以以一种还原性水的形式居家住宅应用，还可以用于擦身体表面以去除皮肤表面及深部皮肤的自由基，维护皮肤的健康状态，从而增加皮肤的抵抗力与免疫力。
在本实施例提供的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备中，所述氢气生成腔的宽度小于2毫米，在顶端设有氢气出口。所述氧气生成腔的顶端设有氧气输出口。所述正极板上设置第一接线端子以与外界的电源正极连接；所述负极板上设置第二接线端子以与外界的电源负极连接。所述储水腔的顶端设置的所述进水口与进水管路相连，底端设置的所述出水口与出水管路相连。
另外，为了提高水电解效率，所述电源采用脉冲式的直流电源供应器，利用频率调变激发电极板的水分子，使水分子在电解过程形成共振电解，从而达成高效能水电解效率。
可见，本发明实施例提供的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备结构简单，实用性广：
可以用在住宅中，一方面可以用最低的能耗享受制造的氧气，同时可提供有足够的富氢水供饮用、洗漱。
可以在汽车中使用由一个或两个氢氧发生器单元的本设备电解水制氧气，缓解驾驶员长途开汽车中缺氧气的状态。
由多个氢氧发生器单元串联形成的较大设备可以应用在养老中心、慢病康复中心等医疗机构。在这个医疗机构中病人不但可以享受到氧气同时还可以享受到大量的具有还原性的富氢水的好处。
另外，本发明提供的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备对环境没有污染，产氢的纯度高，压力大，成本低，效率高，无需繁琐的净化处理和增压的设备及技术，质量小，耗能少，工业化程度高，可大规模工业化生产。本发明技术可以制造出一个个生产氢氧气体单元，每个单元的工作是独立的，这样以每个单元为一个模块的形式，相同的单元可以无限叠加。在电能允许的条件下，可以产出任意需要的气量，为工业化大规模生产和各个领域及各个行业提供气源和能源。
综上，本发明公开的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备通过采用表面喷涂石墨烯的碳纤维层作为电解水制氢氧的高效催化电极材料，能有效提高电催化剂的导电性，加快电化学过程中电荷传递速率，大大降低该催化剂在电解水制氢反应中的过电位，可显著催化电解水析氧反应和析氢反应，有利于生成的氢氧气和电解质的扩散，降低电催化过程中的传质阻力，极大地提高了电催化制氢氧活性及稳定性，从而提高电解水制氢氧效率。而且本发明提供的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备结构简单，能够最低的能耗制造氢气、氧气的同时产生有用的富氢水供使用。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于，包括至少一个氢氧发生器单元串联组成，每一所述氢氧发生器单元包括固定设置在箱体内的正极板和负极板、设于所述正极板和负极板之间的质子交换膜，从而将箱体分隔为储水腔、氢气生成腔及氧气生成腔；所述正极板、负极板对应连接电源的正负极，所述正极板、负极板上均设置有催化剂层，所述催化剂层为表面喷涂石墨烯的碳纤维层；所述储水腔设有进水口和出水口；
经由所述进水口进入所述储水腔的水在所述正极板的催化剂层作用下发生电化学反应，被电解分为氧气、氢离子和游离的电子，生成的氧气进入所述氧气生成腔；生成的氢离子在电场的作用下穿过所述质子交换膜，与游离的电子发生结合生成氢原子，并在所述负极板上的催化剂层作用下形成氢气进入所述氢气生成腔；经反应后形成的富氢水从所述出水口排出。
2.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述催化剂层由每根直径为100nm的石墨烯碳纤维丝构成。
3.根据权利要求2所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：在每一所述氢氧发生器单元容量为200～300ml的情况下，每一所述催化剂层由3～5万根所述石墨烯碳纤维丝排列构成。
4.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述氢气生成腔的宽度小于2毫米，在顶端设有氢气出口。
5.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述氧气生成腔的顶端设有氧气输出口。
6.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述正极板上设置第一接线端子以与外界的电源正极连接；所述负极板上设置第二接线端子以与外界的电源负极连接。
7.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述储水腔的顶端设置的所述进水口与进水管路相连，底端设置的所述出水口与出水管路相连。
8.根据权利要求1所述的利用石墨烯高效制氧及富氢离子水的设备，其特征在于：所述电源采用脉冲式的直流电源供应器，利用频率调变激发电极板的水分子，使水分子在电解过程形成共振电解。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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