氧氣的製取方法和設備的製作方法
2023-06-18 09:58:46
專利名稱：氧氣的製取方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及氧氣的製取方法和設備，以及其在不同領域中的應用。
當因為醫療或其它原因向使用者或病人供給氧氣時，通常使用高純度的氧氣，而不使用周圍空氣中存在著的普通氧氣。
為此目的，現有技術中主要已知有三種可能的設備和方法。
例如，採用一種被稱為氧氣濃縮器的設備。在該設備中交替選用兩個分子篩裝置，吸入的空氣先通過空氣過濾器進行過濾，然後用壓縮機壓縮，經由閥門交替向分子篩供給氣體。分子篩中填充有能吸收氣體的沸石。通過氣體產生的壓力，沸石對氧與氮的吸收比明顯偏向氮，從而使高純度的氧氣離開分子篩。大約有三分之一的氧氣供給使用者或病人。通常，氧氣濃縮器存在缺陷，易出現故障。而且，壓縮機在運行時會產生相當大的噪音，且設備體積龐大。
另一種適合用來製取高純度氧氣的方法的依據是在合適的高壓容器中保存著的，以液態形式存在的氧經過現有技術中已知的轉化過程轉變為氣態，然後提供給病人。此方法的不足之處是需要不斷提供液態氧，而且液態氧的取得需要一定的費用，特別是在醫院外使用時。
此外，人們也知道所需要的氧氣可在由高壓容器供應取得。此時，一定的後勤支出也是必不可少的。而且，必需經受200巴以上壓力的高壓容器相應較為笨重，並且難以運送。
上文提到的三種製取氧氣的方法和設備有其共同的、明顯的缺點一方面是需要特定的設備配置；另一方面是因為還需要取得原料，因此它們對於移動用途，，其使用是很有限的。
為避免上述現有技術的缺點，本發明的目標是提出一種有效的方法，可以用非常簡便的方式提供給使用者幾乎純淨的氧氣。而且，本發明的另一個目標是提供實現此方法的設備，該設備輕便、操作簡單、相對沒有噪音。
採用符合權利要求1～6所述的方法和權利要求11所述的設備可實現上述目標。
基本上，本發明提供了兩種製取氧氣的方法。
在第一種本發明的方法中，採用已知的電解法把水分解為氫氣和氧氣，然後將氧氣與呼吸用的空氣混合。產生的氫氣然後與周圍的空氣發生偶合燃料(coupledfuel)氧化反應，再次轉化為水。在這方面，根據本發明，電解和燃料氧化反應以這樣的方式相互結合，形成一個反應循環，同時並連續發生反應是必需的。根據本發明，在燃料氧化反應中放出的電能隨後用來減少水分解時所需的能量。
根據此方法的進一步發展，在燃燒過程中生成的水，可再循環至分解過程。
根據此方法的一個有利進展，維持此反應循環所需的電能可通過與電解反應相結合的燃料氧化反應本身來產生；也可以通過發生與第一個燃料氧化反應不相關的第二個燃料氧化反應來產生，將不是從所述電解反應中產生的或是由另外一個能源提供的額外氫氣上述兩個燃料氧化反應。
第二個燃料氧化反應所需的額外氫氣可直接從一儲存介質中獲得，尤其是從金屬氫化物儲存介質或高壓儲存介質中獲得。根據本發明的一個具體實施方案，此額外的氫氣是通過燃料重整過程，例如從硼氫化鈉中獲得的。
在此方法的進一步有利發展中，此燃料可以是，例如甲醇。
根據本發明，也可採用第二種方法製取氧氣，其依據是電解反應和燃料氧化反應相互如此交織在一起，使得在電解反應中生成的氫氣轉移到進行燃料氧化反應這一中間步驟可以省略。為此，根據本發明，水在電解槽的陽極區催化分解為氫離子和氧離子，氫離子通過聚合物電解質膜(PEM)遷移至電解槽的陰極區，然後在陰極區與周圍的空氣發生催化反應，再次轉化為水。在陽極區，氧離子放出電子，生成氧氣，然後與呼吸用的空氣相混合。
根據本發明，在第二種方法的進行過程中，在陰極區生成的水也能再次循環至陽極區參與分解反應。
這種發明的方法也可變動，維持反應循環所必需的電能可通過一個附加的燃料氧化反應獲取，該燃料氧化反應與反應循環是分開進行的，因為可從燃料中重組得到的額外氫氣被提供來參加上述附加的燃料氧化反應。
為實現上文最初提到的方法，根據本發明，需將電解池與燃料電池電連接，並可傳送流體。
在這一方面，根據本發明，把電解池和/或燃料電池製作成所謂的PEM池是有好處的。在PEM池中使用塑料膜作電解質，它可實現離子遷移，並且只能傳導質子。採用聚合物膜而不是氫氧化鉀作電解質的優勢在於，前者可簡化反應系統，最重要的是能夠得到更高的功率密度。而且，與鹼性系統相比，PEM池對二氧化碳汙染不靈敏，因此無需使用非常純淨的反應氣體，且燃料電池也可用空氣運作。
當向PEM電解池中施加一外電壓時，水在陽極區被電解，根據方程式直接生成氣態氧、電子和H+離子。H+離子(質子)通過傳導質子的PEM膜遷移至陰極區，並隨著電子在外部導電電路中的流動，根據方程式形成氫氣，總反應為。然後將製得的純氧排出，與病人呼吸用的空氣相混合；而氫氣則傳送至PEM燃料電池中。
燃料電池的作用模式與電解池相反。提供給燃料電池負極上的氫氣被氧化，在電極的催化作用下分解為質子和電子。氫離子再次通過傳導質子的PEM膜移至負極區。在外電路閉合的情況下，電子遷移至正極上並在線路上作電功。周圍空氣中含有的輸送到正極的氧氣(不純淨)然後被還原，與質子一起合成水，所以總反應為。
如前文所述，生成的水可再次供給PEM池的陽極區，從而發生水分解反應。
根據本發明，第二種方法可用來製取氧氣，是因為電解池和燃料電池結合在一個池內，最好結合為一個PEM池。根據本發明，通過電解反應製取氣態氫，並把該氫氣作為原料傳送給燃料電池這一步此時省掉了，只使用一片聚合物膜作為電解質。在陽極區，供給的水催化分解為氧離子和氫離子。氫離子(質子)經聚合物膜遷移至PEM池的陰極區，並在此與周圍空氣中含有的氧氣發生催化反應，根據方程式生成水。生成的水可再次返回供應給池的陽極區。
在陽極區，產生的氧離子繼而放出電子，根據方程式生成氧氣。然後氣態氧可從池中排出，與使用者呼吸用的空氣以適當比例混合。
在本發明的方法的兩個變體中，氣態的純氧是在陽極區的水域中以氣泡的形式產生的，然後輸出，在本發明的一個具體實施例方案中，通入一個脫水器，此處的純氧氣泡可與水分離，然後適當地排出。
已證明在人的吸氣過程中，只佔總體積8％的氧氣能進入肺部，轉移至血液循環系統。本發明的設備可採用電子控制器，最好用微處理器來控制，也被稱是一個指揮系統。該系統在使用者吸氣的初始階段只給出這個氧氣量，也就是說，在各個呼吸階段只給出這個具體的氧氣量與使用者呼吸用的空氣相混合。
因此，適合使用的電解池尺寸較小，用作製取氧氣的原料也只需要少量的水。
同時生成的氫氣可以例如經燃燒管催化處理後變為水汽排入周圍環境中；或者此生成的氫氣在一個電解池與燃料電池結合起來的較佳實施例方案，與周圍的空氣一起發生燃料氧化反應轉變回水。
根據本發明，可採取直接連接供電幹線或使用可更換的電池來提供電能，以運行或維持各個反應。
在本發明一個特別好的發展中，使用一個附加的燃料電池，最好是直接甲醇燃料電池用來供應能量。該甲醇可隨意從一個柱系統中得到。
本發明還一個特別好的發展中，氧氣先收集在一儲存系統中，然後通過電子控制器調控氧氣的輸出量，供給使用者。
在本發明的一個實施方案中，氧發生裝置、高壓儲存系統、供給管道和電子控制器構成一組裝備。其結構使得整個設備攜帶輕便，並可由病人縛在身上攜帶。
製取氧氣所需的電能可從一電源中獲取，最好是連接到供電幹線上。根據本發明，這個電源可以是固定不動的，整體形成了所謂的「碼頭部分」。本發明設備的可移動部分可與此「碼頭部分」結合，就可實現氧氣製取過程。換句話說，只要儲存系統中有氧氣，可移動部分就能脫離能源，單獨攜帶使用。當高壓儲存系統中沒有氧氣後，可移動部分就再次與電源連接，使其充滿純氧。高壓儲存系統的容積決定了可移動部分使用時間的長短。
本發明的氧發生裝置需要有一個單獨的入水口，通過該入水口供給水，例如從高壓儲存系統中供給水；或在本發明的一個實施方案中，將此氧氧發生裝置與固定的「碼頭(docking)部分」上提供的供水管道相連接。
顯而易見，由於使用了電解池和燃料電池——兩者相互分離或結合在同一個池內(最好構成一個PEM池)，可製成一臺輕便緊湊的設備，並因為其內部只發生化學反應而操作極其安靜。並且，通過電子控制器調控生成氧氣的輸出量，能大大減小設備體積，這是因為此氧氧發生裝置不必製取整個吸入氣體體積的氧氣，只需製取其中的一小部分。採用普通水作為製取氧氣的原料也簡化了該設備的使用，因此家庭使用也毫無問題。而且，本發明的一個發展優勢就是該設備也能製成移動式的。
此設備更進一步的優勢和發展是自從屬權利要求中產生的。
本發明所依據的原理的運行模式，在下面將通過附圖作更詳細地解釋，其中
圖1為發明方法和設備的流程方塊圖；圖2為發明設備作為移動式設備的示意圖。
圖1為氧發生裝置1產生氧氣的發明原理的流程方塊圖。氧發生裝置1由具體實施方案而定，可以是由一個電解池和一個燃料電池組合構成，也可以就是將電解池和燃料電池的功能結合在一起的單個PEM池。這些池的基本結構人們是通常知道的。
水儲存系統2向氧發生裝置1中提供水作為原料。然後在氧發生裝置1中發生電解和燃料電池的相應反應。
在氧發生裝置1的陽極區，純氧以氣泡的形式在水中產生。這部分水和氧氣一起排出，並供給到脫水器3，從中純氧與水分離。因此，脫水器一方面起到了氧儲存系統4的作用，另一方面起到了水儲存系統2的作用。
在氧發生裝置1的陰極區，為使氫氣能轉化成水，可將周圍的空氣從管道5中輸入。反應產生的水和氧氣一樣也要通過脫水器7，然後從管道6中排出。
經脫氣處理的水收集到水儲存系統8中後，需通過再循環管道9加入到接在水儲存系統2上的供給管道10中，從而形成了一個封閉循環。
來自氧儲存系統4中的純氧通過進氣管道11供應到病人呼吸用的空氣中。
被CPU13控制的電子控制系統12也被稱為是一個指揮系統，它通過閥門14調控純氧所選定的排出量。
CPU13通過閥門15，再次控制補水系統16的供水量。
CPU13或指揮系統12可與一些傳感器相連，這些傳感器根據使用者的吸氣量測定純氧的需求量。
整個系統的控制、分解和轉化過程都需要能源提供電能才能運行。圖中沒有顯示此能源，它可以是個電池，也可以是供電幹線，或者是個附加的燃料電池。同時使用一個變流器17。
圖2示意顯示了本發明的一個設備，它是由移動式部分18和固定式部分19組成的。
移動式部分18是由氧發生裝置1、高壓儲存系統20組成。後者與氧發生裝置1直接相連，其中收集有電解產生的純氧。
在高壓儲存系統20和供給病人氧氣的管道21之間安裝有減壓閥22。採用已知的閥門技術將供應管道21與電子系統12相連接，使得純氧僅在吸氣階段的特定次數下，每隔一定時間從高壓儲存系統20中輸出氧氣，供應到病人呼吸用的空氣中，該空氣中的氧氣濃度可選擇性地升高。
移動式部分18中的氧發生裝置1通過電接線23與固定式部分19中的供電幹線部分24相連接。
權利要求
1.一種增加呼吸用空氣中氧氣濃度的方法，所述方法利用電能將水分解為氧氣和氫氣即進行電解，生成的氧氣與呼吸用的空氣相混合，將氫氣與周圍的空氣發生反應即燃料氧化反應，再次轉化為水，水分解為氧氣和氫氣與氫氣和周圍空氣反應轉化為水同時連續地發生，形成一個反應循環，兩者相互結合，因而在氫氣的氧化過程中產生的電能可用來減少電解過程所需的能量。
2.權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述轉化過程中生成的水再次返回到分解過程。
3.權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，用來開始和/或維持反應循環所需的電能是從電源中獲取的。
4.權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，用來開始和/或維持反應循環所需的電能只能從該燃料氧化反應或一附加的燃料氧化反應中獲取，上述兩個反應各自獨立發生，對這兩個反應，都提供額外的氫氣。
5.權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述額外的氫氣從甲醇中獲取。
6.一種增加呼吸用空氣中氧氣濃度的方法，所述方法利用電能將水催化分解為氫離子和氧離子，氧離子通過放出電子結合為氧，並與呼吸用的空氣相混合，氫離子與電子和周圍的空氣發生催化反應，再次轉化為水，水分解為氫離子和氧離子，氧離子相互結合為氧氣與氫離子和周圍空氣反應轉化為水的反應是同時連續地發生的，從而形成反應循環。
7.權利要求6所述的方法，其特徵在於，生成的水再次返回到分解過程。
8.權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，用來開始和/或維持反應循環所需的電能是從能源中獲取的。
9.權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，用來開始和/或維持反應循環所需的電能是由另一燃料氧化反應產生的，向該反應提供額外的氫氣。
10.權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述額外的氫氣是從甲醇中獲取的。
11.增加呼吸用的空氣中氧氣濃度的設備，它是由氧氣氧發生裝置(1)、電源、從氧發生裝置(1)連到使用者的進氣管道和電子控制器(12)組成，所述設備可將選擇量生成的氧氣與使用者呼吸用的空氣混合，特別是在吸氣的初始階段。
12.權利要求11所述的設備，其特徵在於，氧發生裝置(1)是用來將水分解為氧氣和氫氣的電解池。
13.權利要求11或12所述的設備，其特徵在於，將氫氣和周圍的空氣轉化為水的燃料電池與電解池電連接以便傳遞液體，使得在轉化過程中產生的電能用來減少分解反應所需的能量，在轉化過程中生成的水再次返回到分解過程。
14.權利要求13所述的設備，其特徵在於，電解池和/或燃料電池被製作成PEM池即聚合物電解質膜池。
15.權利要求14所述的設備，其特徵在於，所述燃料電池與適於再充入或可更換的氫儲存設備(2)相連接，特別是與金屬氫化物儲存設備或高壓儲存設備相連接。
16.權利要求15所述的設備，其特徵在於，所述氫儲存設備與一燃料重整器相連接。
17.權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述電解池和燃料電池結合在一個池內，特別是結合為一個PEM池。
18.權利要求11～17任一項所述的設備，其特徵在於，所述電源是電池和/或供電幹線接頭。
19.權利要求11～17任一項所述的設備，其特徵在於，所述電源是個附加的燃料電池。
20.權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述燃料電池被製成直接甲醇燃料電池。
21.權利要求20所述的設備，其特徵在於，它具有一次性使用或可再度使用的甲醇萃取柱系統。
22.權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述附加的燃料電池與適於再充入或可更換的氫氣儲存系統相連接。
23.權利要求11～22任一項所述的設備，其特徵在於，在氧發生裝置(1)和氧氣的供給管道(11)中間，安裝有整體的或可拆除的氧氣儲存系統(4)，特別是高壓儲存系統；在氧發生裝置(1)中不斷生成的氧氣被收集到氧氣儲存系統(4)中，並由電子控制器(12)從中調節氧氣輸出，特別是只在吸氣的初始階段排出，然後與使用者呼吸用的空氣相混合。
24.權利要求23所述的設備，其特徵在於，電子控制器(12)與傳感器相連，用以計量使用者所需的氧氣量。
25.權利要求11～24任一項所述的設備，其特徵在於，它被製成固定式或移動式設備。
26.權利要求25所述的設備，其特徵在於，氧發生裝置(1)、高壓儲存系統(20)、供氧管道(11)和電子控制器(12)被製作成為移動式部分(18)，電源被製成固定式部分(19)，兩部分可彼此連接以製取並儲存氧氣。
27.權利要求26所述的設備，其特徵在於，所述固定部分(19)有進水接口。
28.權利要求26或27所述的設備，其特徵在於，所述高壓儲存系統(20)通過減壓器(22)與供氧管道相連。
29.使用權利要求1～10任一項所述的方法和權利要求11～28任一項所述的設備對患有病理性肺損傷的病人進行輔助醫療保健，或對重病特別護理的病人做人工呼吸急救時使用，或在運動員訓練時使用，或在氧療時使用。
全文摘要
本發明涉及為製取單質氧或為增加使用者呼吸用的空氣中氧氣濃度的一種方法和設備。根據本發明，通過使用電能(電解)將水分解為氫氣和單質氧，單質氧與呼吸用的空氣相混合，氫氣與周圍環境中的空氣相混合以轉化回水(燃料氧化反應)。水分解為氫氣和單質氧與氫氣和周圍空氣轉化為水同時連續地發生，形成一個反應循環，而且兩者相互結合，在轉化過程中產生的電能用來減少分解所需的能量。最終，將水分解為氫氣和單質氧的電解池裝置與將氫氣和周圍空氣轉化為水的燃料電池進行電連，以此來轉移液體。
文檔編號H01M8/18GK1780656SQ02808545
公開日2006年5月31日 申請日期2002年3月12日 優先權日2001年3月12日
發明者卡爾－海因茲·黑克, S·菲德勒, R·斯基納格 申請人:卡爾－海因茲·黑克