本发明涉及健康水医疗保健领域，更具体的涉及一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置及其制备方法和在富氢保健饮水杯中的应用。
背景技术：
水是生命之源，人体组织约70％由水组成，饮水安全与健康是关乎人类生存问题的首要课题。《中国水网》杂志曾指出：“全世界80％以上疾病和33％的死亡与受污染的饮用水有关。”“人类健康的十大危机，不洁饮水首当其冲”。因此可以说“水质决定体质”。在中国，随着水污染问题变得日益严峻，以及人们保健意识的不断增强，人们对“健康饮水”越来越重视。此外，在水饮市场上，人类的消费需求的逐渐呈现出多元化的趋势，消费者在考虑单纯的解渴、消暑的同时，越来越注重产品的健康元素。营养、美容甚至医疗保健等附加因素将成为人们选择水饮的重要考量。众所周知，人的疾病和衰老最终都可以归结为细胞受损与老化，其主要元凶就是过剩的氧自由基。人体产生氧自由基的方式多样，呼吸、饮食、紫外线、吸烟、饮酒、手电磁辐射、精神情绪波动较大时均可产生。消除对人体过多的氧自由基有利于减少疾病、延缓衰老已成为医学界的共识。氢气是一种无色，无味，无毒，无嗅的气体，体积小，具有较强的还原性。氢气一个比较明显的特点就是强大的穿透性，可以非常容易的进入细胞内如细胞核和线粒体等任何部位与氧自由基结合生成水，而使多余的氧自由氢被清除。它的这种独特性质，决定了它可以用于进行生命体并进行治疗疾病的一个重要特征。
富氢水，顾名思义是溶解有活性氢元素的水。富氢水饮料有望成为饮料市场的新宠和主流发展趋势。富氢水不仅洁净，还富有能量，水在微观结构上呈现小分子活水团，可实现负离子深度吸收。人们通过饮水富氢水，可以利用溶解于其中的活性氢中和体内多余的活性氧(H2+O＝H2O)结合成水并随尿液排出体外，帮助细胞新陈代谢，净化血液，使血液畅通，代谢旺盛，预防多种疾病，增进人体健康。与常规药物相比，富氢水安全、绿色环保对人体没有任何毒副作用，也没有明确的禁忌症与禁忌人群；而许多药物无法进入到细胞内部的子结构，而无法根除氧自由基，同时也可能会产生其它的毒副作用。所以，富氢水的产业化符合我国食品工业“营养、卫生、方便”的发展趋势。经过日本临床多年的研究证明，富氢水对糖尿病、癌症、皮肤病、过敏症、美容和抗衰老具有强大的预防和治疗作用，是目前世界发现的最为有效的抗氧化还原剂，可以有效排除身体各种毒素，抑制疾病的产生，被日本人称为“圣水”。我国钟南山院士在2016.04在世界胸科大会“氢分子医学与肺部疾病”卫星会上宣称：“氢分子主要针对慢性疾病，最基本的是抗氧化应激的加强作用，不是单纯修复作用，有利于基体恢复，理念是对因治疗不是对症治疗，比如肿瘤学说是氧化应激加强，去除氧化应激，肿瘤也很难长。长期在室外作业的交警，环卫工人，通过氢气吸入能够对雾霾清除氧化自由基的清除有促进作用，即使吸入污染空气也会产生氧化应激作用，目前正在进行试验。”钟南山院士指出：“由于氢气的独特性质，使得氢气在肺部疾病治疗中潜在的积极作用备受关注，医学界专家对氢分子医学的研究发展迅速，可以说，中国在氢分子医学研究领域发展前景广阔”。
富氢水杯是一种便携式氢水发生器，主要通过电解水的方式获得氢气，在日、韩等地十分畅销，国内市场则刚刚起步。但目前市售的富氢水杯绝大多数难以实现氢和氧的有效分离，造成氢的纯度低；在电解水的过程中还会产生对人体有害的臭氧，难以清除；此外，此类水杯只能电解非纯水(如矿物质水)，对于纯水，由于其电解质含量极量无法进行离子传导而造成水的电解无法进行。因此，市场上更需要一款有够有效解决上述问题的产品。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置并应用于便携式富氢水杯，能够实现氢氧的有效分离，从根本上去除臭氧在饮水中的溶解，得到高纯度、高含量的氢水；同时该装置可用纯水进行电解，适用性更广。
为实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置，包括氢水发生单元、氧气导出管和封装元件，所述氢水发生单元包括由下往上依次设置的氧析出集流片、固体聚合物电解质膜和氢析出集流片，所述封装元件用于封装所述氢水发生单元，所述氧气导出管用于将电解产生的氧气导流至大气环境中；
与所述氧析出集流片相对的固体聚合物电解质膜一侧表面通过具有质子传导功能的粘接剂涂覆有析氧催化剂层，与所述氢析出集流片相对的固体聚合物电解质膜一侧表面通过具有质子传导功能的粘接剂涂覆有析氢催化剂层，所述析氢催化剂为纳米铂黑、碳载铂、纳米铱、碳载铱中的任意一种，所述析氧催化剂为纳米铱、纳米氧化铱、纳米铂、纳米氧化铂、纳米钌、纳米二氧化钌中的任意一种。
优选地，所述氢析出集流片为负极极片，所述氢析出集流片的基底为钛或钛合金材质，开孔率为40～80％。
更优选地，所述氢析出集流片表面还修饰有一层金属，所述金属为铂、铱、钯、钌的至少一种。
优选地，所述氧析出集流片为正极极片，所述氧析出集流片的基底为钛或钛合金材质，开孔率为40～80％。
更优选地，所述氧析出集流片表面还修饰有一层金属，所述金属为铂、铱、钯、钌的至少一种。
优选地，所述析氢催化剂层和所述粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合后，涂覆于所述固体聚合物电解质膜一侧表面，固体聚合物电解质膜上单位面积的催化剂担载量为0.5～4mg/cm2。
更优选地，所述析氧催化剂层和所述粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合后，涂覆于所述固体聚合物电解质膜另一侧表面，固体聚合物电解质膜上单位面积的催化剂担载量为0.5～5mg/cm2。
本发明还提供了该固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置的制备方法，具体按照如下步骤实施：
S1：将析氢催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜电极一侧，析氢催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合，固体聚合物电解质膜上单位面积的催化剂担载量为0.5～4mg/cm2；
S2：将析氧催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜另外一侧，析氧催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合；固体聚合物电解质膜上单位面积的催化剂担载量为0.5～5mg/cm2；
S3：将涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜在120～180℃，1～5Mpa条件下热压2～5min后取出，自然冷却后裁剪至所需形状；
S4：按照自下而上的装配顺序装配氧析出集流片、固体聚合物电解质膜和氢析出集流片，得到氢水发生单元，将所述氢水发生单元用封装元件进行密封，并设置将电解产生的氧气导流至大气环境中的氧气导出管。
优选地，本发明提供的固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置在富氢水杯中的应用。
更优选地，应用于富氢水杯中时，将所述固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置安置于杯子底部，氢析出集流片与杯中的水接触；外电路对所述固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置供给直流电，氧析出集流片接正极，氢析出集流片接负极，供给的直流电压范围为3.7～5.5V。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)完全实现氢氧分离，使产生的水中仅溶存活性氢，纯度可达99.99％。
2)水中溶存活性氢含量高，可达1500ppb。
3)对水质适应性更强，可使用纯水进行电解制氢。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置结构示意图；
图中：101为氢析出集流片，102我析氢催化剂层，103为固体聚合物电解质膜，104为析氧催化剂层，105为氧析出集流片。
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做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。
本发明实施例提供了一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置，具体如图1所示，包括氢水发生单元、氧气导出管和封装元件，氢水发生单元包括由下往上依次设置的氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，封装元件用于封装氢水发生单元，氧气导出管用于将电解产生的氧气导流至大气环境中；
其中，与氧析出集流片105相对的固体聚合物电解质膜103一侧表面通过具有质子传导功能的粘接剂涂覆有析氧催化剂层104，与氢析出集流片101相对的固体聚合物电解质膜103一侧表面通过具有质子传导功能的粘接剂涂覆有析氢催化剂层102，析氢催化剂为纳米铂黑、碳载铂、纳米铱、碳载铱中的任意一种，析氧催化剂为纳米铱、纳米氧化铱、纳米铂、纳米氧化铂、纳米钌、纳米二氧化钌中的任意一种。
在这里需要说明的是：氢析出集流片101为负极极片，氧析出集流片105为正极极片，二者的基底皆为钛或钛合金材质，开孔率为40～80％，便于氢气逸出，开孔率不同影响氢气的逸出速率，开孔率越大氢气逸出速度越快。优选地，上述氢析出集流片101表面和上述氧析出集流片105表面还可以修饰一层金属层，该金属为铂、铱、钯、钌的至少一种，具体通过化学镀或电镀的方式沉积。
需要进一步说明的是：上述析氢催化剂层102和粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合后，涂覆于固体聚合物电解质膜103一侧表面，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为0.5～4mg/cm2；上述析氧催化剂层104和粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合后，涂覆于固体聚合物电解质膜103另一侧表面，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为0.5～5mg/cm2。
上述固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置的制备方法，具体按照如下步骤实施：
S1：将析氢催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103电极一侧，析氢催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为0.5～4mg/cm2；
S2：将析氧催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103另外一侧，析氧催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5～2.0的比例混合；固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为0.5～5mg/cm2；
S3：将涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜103在120～180℃，1～5Mpa条件下热压2～5min后取出，自然冷却后裁剪至所需形状；
S4：按照自下而上的装配顺序装配氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，得到氢水发生单元，具体结构如图1所示，将氢水发生单元用封装元件进行密封，避免装置漏水和电流短路，并设置将电解产生的氧气导流至大气环境中的氧气导出管。
优选地，本申请提供的固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置应用广泛，如可以应用于富氢水杯中。当应用于富氢水杯中时，将固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置安置于杯子底部，氢析出集流片101与杯中的水接触；外电路对固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置供给直流电，氧析出集流片105接正极，氢析出集流片101接负极，直流电压的大小影响析氢速率，电压越高产氢速率越大，一般情况下，供给的直流电压范围为3.7～5.5V，就可以满足富氢水杯的使用要求。
下面以本发明的具体方案以具体实施例的形式进行具体的举例说明。
实施例1
本实施例一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置，包括氢水发生单元、氧气导出管和封装元件，氢水发生单元包括由下往上依次设置的氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，封装元件用于封装氢水发生单元，氧气导出管用于将电解产生的氧气导流至大气环境中；其中，氢析出集流片101和氧析出集流片105均选用钛基材，其尺寸为φ30mm×2mm，表面开孔率均为50％，其表面均通过化学镀的方式沉积一层铂；析氢催化剂选择纳米铂黑，析氧催化剂选择纳米氧化铱。
该固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置的制备方法包括以下步骤：
S1：将作为析氢催化剂的纳米铂黑混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103电极一侧，析氢催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5的比例混合，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为1mg/cm2；
S2：将作为析氧催化剂的纳米氧化铱混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103另外一侧，析氧催化剂与粘接剂按照质量比1：1的比例混合；固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为2mg/cm2；
S3：将涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜103在180℃，2Mpa条件下热压3min后取出，自然冷却后裁剪至所需形状；
S4：按照自下而上的装配顺序装配氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，得到氢水发生单元，将氢水发生单元用封装元件进行密封，避免装置漏水和电流短路，并设置氧气导出管，用于将电解产生的氧气导流至大气环境中。
将上述装置安置于杯子底部，氢析出集流片101与杯中的水接触，外电路对上述装置供给直流电，氧析出集流片105接正极，氢析出集流片101接负极，供给的直流电压为3.7V。向水杯中加入350ml水并通电5分钟后，通过水溶存氢检测试剂测得的水中溶存氢的量为1400ppb。
实施例2
本实施例一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置，包括氢水发生单元、氧气导出管和封装元件，氢水发生单元包括由下往上依次设置的氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，封装元件用于封装氢水发生单元，氧气导出管用于将电解产生的氧气导流至大气环境中；其中，氢析出集流片101和氧析出集流片105均选用钛基材，其尺寸为φ40mm×1mm，表面开孔率均为70％，其表面均通过电镀的方式沉积一层二氧化钌；析氢催化剂选择碳载铂(铂质量分数为50％)，析氧催化剂选择纳米钌。
该固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置的制备方法包括以下步骤：
S1：将作为析氢催化剂的碳载铂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103电极一侧，析氢催化剂与粘接剂按照质量比1：1的比例混合，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为2.5mg/cm2；
S2：将作为析氧催化剂的纳米钌混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103另外一侧，析氧催化剂与粘接剂按照质量比1：2的比例混合；固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为1.5mg/cm2；
S3：将涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜103在150℃，3Mpa条件下热压5min后取出，自然冷却后裁剪至所需形状；
S4：按照自下而上的装配顺序装配氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，得到氢水发生单元，将氢水发生单元用封装元件进行密封，避免装置漏水和电流短路，并设置氧气导出管，用于将电解产生的氧气导流至大气环境中。
将上述装置安置于杯子底部，氢析出集流片101与杯中的水接触，外电路对上述装置供给直流电，氧析出集流片105接正极，氢析出集流片101接负极，供给的直流电压为4.5V。向水杯中加入350ml水并通电5分钟后，通过水溶存氢检测试剂测得的水中溶存氢的量为1500ppb。
实施例3
本实施例一种固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置，包括氢水发生单元、氧气导出管和封装元件，氢水发生单元包括由下往上依次设置的氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，封装元件用于封装氢水发生单元，氧气导出管用于将电解产生的氧气导流至大气环境中；其中，氢析出集流片101和氧析出集流片105均选用钛基材，其尺寸为φ30mm×1mm，表面开孔率均为40％，氢析出集流片101表面通过电镀的方式沉积一层钌；氧析出集流片105表面通过电镀的方式沉积一层铱；析氢催化剂选择碳载铱(铱质量分数为40％)，析氧催化剂选择纳米二氧化钌。
该固体聚合物电解质膜电极氢水发生装置的制备方法包括以下步骤：
S1：将作为析氢催化剂的碳载铱混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103电极一侧，析氢催化剂与粘接剂按照质量比1：0.5的比例混合，固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为4mg/cm2；
S2：将作为析氧催化剂的纳米二氧化钌混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物电解质膜103另外一侧，析氧催化剂与粘接剂按照质量比1：2的比例混合；固体聚合物电解质膜103上单位面积的催化剂担载量为4.5mg/cm2；
S3：将涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜103在130℃，5Mpa条件下热压2min后取出，自然冷却后裁剪至所需形状；
S4：按照自下而上的装配顺序装配氧析出集流片105、固体聚合物电解质膜103和氢析出集流片101，得到氢水发生单元，将氢水发生单元用封装元件进行密封，避免装置漏水和电流短路，并设置氧气导出管，用于将电解产生的氧气导流至大气环境中。
将上述装置安置于杯子底部，氢析出集流片101与杯中的水接触，外电路对上述装置供给直流电，氧析出集流片105接正极，氢析出集流片101接负极，供给的直流电压为5V。向水杯中加入350ml水并通电5分钟后，通过水溶存氢检测试剂测得的水中溶存氢的量为1450ppb。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。