CN105836710A - 用于再生呼吸空气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于再生呼吸空气的装置和方法。用于再生在封闭或保持封闭的具有壁(1)的室中的人的呼吸空气的方法，该壁将室外(3)被有害物质污染的空气与室内(2)的呼吸空气保持分开，该方法包括以下步骤：从室外(3)提取空气将所述空气输送至化学反应，其中来自室外(3)的空气中的氧气作为反应物参与进行该化学反应将该反应的反应产物输送至逆向化学反应进行该逆向化学反应将在该逆向反应中生成的氧气释放到室内(2)，并且将该逆向化学反应的反应产物输送至该化学反应作为其另一反应物。在此，化学反应可为在燃料电池(4)中将氢气氧化成水，逆向反应可为在水电解池(5)中将水电解分解成氧气和空气。

Description

用于再生呼吸空气的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于再生位于封闭或保持封闭的室中的人的呼吸空气的装置。
背景技术
由于存在人或动物，首先主要通过氧气含量下降而消耗封闭或保持封闭的室中的呼吸空气。对此的定量说明例如存在于K. Kunsch和S. Kunsch的“Der Mensch inZahlen”，Spektrum Akademischer Verlag，Heidelberg (2000)中。呼吸空气消耗的结果是疲乏、头痛和类似症状，从而尤其降低人的专注力。
在人口稠密地区，尤其在亚洲，至少在特定气候情况下，空气被严重污染，以致其仅有限地适用为人的呼吸空气。因此在机动车中以及建筑物中通常避免开窗，以便尽可能少的受污染空气进入室内。
对于仍然设置的与环境的换气而言，可以过滤呼吸空气。过滤系统能结合颗粒和在有限程度上还结合气态污染物。但是对于建筑物或机动车的室内呼吸空气的品质而言通常有利的是，尽可能少的受污染空气进入室内。
如果由于空气污染而完全或基本上防止呼吸空气与室外空气进行直接交换，则应将氧气浓度维持在大约21%。这通过例如来自氧气瓶的氧气是可行的。
以化学途径产生纯氧气的已知可能方式是借助水电解池将水电解分解成氢气和氧气。该反应极其耗能并在此期间生成爆炸性的氢气气体。
在雾霾区域中（例如洛杉矶、东京），“氧吧”受人欢迎，在那里人们可以通过呼吸提高量的氧气恢复精神。
在封闭室中呼吸空气消耗的另一方面可以是提高的二氧化碳浓度。
对于从大气中分离二氧化碳，例如在APS的报道“Direct Air Capture of CO2with Chemicals”(2011)以及Energy Procedia 37，第6079-6095页中讨论了一系列交叉反应，但是在此基于总体上限制地球大气层的CO2含量上升的观点。
呼吸空气消耗的另一方面可以是水蒸气含量的上升。为了从空气中分离水蒸气，在现有技术中存在各种可选方式；最简单的是冷凝捕集器。
发明内容
本发明在第一方面中涉及用于再生在封闭或保持封闭的室中的人的呼吸空气的方法。在此，该室具有壁，通过该壁将室外的尤其被异味、有害物质或者由于其它原因污染的空气与室内的呼吸空气保持分开，且该方法包括以下步骤：
• 从室外提取空气，
• 将空气输送至化学反应，其中来自室外的空气中的氧气作为反应物参与，
• 进行该化学反应，
• 将该化学反应的反应产物输送至逆向化学反应，
• 进行该逆向化学反应，
• 将在该逆向反应中生成的氧气释放到室内，并且
• 将该逆向化学反应的反应产物输送至该化学反应作为其另外的反应物。
在此，当该反应根据外部条件（例如温度、能量输入和催化剂）可以以两个方向进行时，这两个化学反应应被理解为彼此逆向。例如，在燃料电池中氧化氢气并输出电功和在水电解池中将水电解分解成氢气和氧气被认为是彼此逆向。
因为用于该反应和逆向反应的特定能量支出——不考虑不可避免的损失——相互抵消，这两个反应可以在封闭循环中一起运行。这有利地实现使用一对这样的反应，其中产生氧气的单个反应的能量需求是不可接受地高的，且例如在机动车中作为能量供应源的整车电源可能受严重负荷。
例如可以利用在燃料电池中使用来自室外空气的氧气将氢气氧化成水作为化学反应。
在另一个实施方案中，例如利用将水借助水电解池进行电解分解作为逆向化学反应。在此有利的是，可以通过燃料电池满足大部分的水解能量需求。
在本发明的另一个实施方案中，在室内的呼吸空气中富集的二氧化碳可以通过另一个方法步骤除去。由此实现以下优点，即可以较长时间地利用该呼吸空气的再生，因为配备有氧气的呼吸空气的利用不再受逐渐升高的二氧化碳浓度限制。
除去二氧化碳可以由多个子步骤组成，其中在第一子步骤中可以将呼吸空气通导通过含有氢氧化钠的液体，由此在该溶液中形成碳酸钠。该液体可以在第二子步骤中通过添加氢氧化钙水溶液得以再生，其中除氢氧化钠外生成碳酸钙，其沉淀并可过滤去除。碳酸钙仅含有结合形式的二氧化碳并能够就其而言通过加热分解成氧化钙和释放到室外的二氧化碳。最后，氧化钙可以溶解在水中，由此生成用于再生氢氧化钠所需的氢氧化钙。有利的是，该反应在封闭循环中进行。
此外有利的是，在另一个方法步骤中将燃料电池的废热传输到待加热的碳酸钙，因为由此使该实施方式中的能耗变得特别低。
在本发明的另一个实施方案中，可以在另一个方法步骤中除去包含在室内呼吸空气中的水，例如借助冷凝捕集器。该实施方式的优点是，在机动车中可以确保窗不由于乘客（Insassen）潮湿的呼吸空气而蒙上雾气。
本发明的另一方面是用于再生在封闭或保持封闭的室中的呼吸空气的装置，其具有来自室外的空气入口和朝向室内的氧气出口。该装置在此包含一个组件，其用于进行化学反应并具有与室外相连的空气入口；该装置还包含一个组件，其用于进行逆向化学反应并具有与室内相连的氧气出口；并且该装置包含传输导管，其将这两个组件相互连接。
这样的装置可以有利地使室内富集氧气。
在一个实施方案中，
用于进行化学反应的组件是燃料电池，其用于将氢气电化学氧化成水，且其空气入口与室外相连，
用于进行逆向化学反应的组件是水电解池，其用于将水电化学分解成氧气和氢气，且其氧气出口与室内相连；
并且传输导管包含
水传输导管，其将水电解池与燃料电池连接，和
氢气传输导管，其将燃料电池与水电解池连接。
该装置有利地形成封闭的循环。
该装置的一个实施方案可以包含一个组件，其用于从室内的呼吸空气中分离二氧化碳，由此使该装置的使用有利地不受二氧化碳富集的限制。
该装置的另一个实施方案可以包含一个组件，其用于从室内的呼吸空气中分离水蒸气。由此有利地防止冷的窗玻璃蒙上雾气。
本发明的实施方案的其它特征和优点显示于以下参考所附附图的说明书。
附图说明
图1展示了根据本发明的一个实施方案的用于再生呼吸空气的装置；
图2展示了根据本发明图1的实施方案在用于再生呼吸空气的方法中可能的方法步骤的顺序；且
图3展示了根据本发明另一个实施方案在用于再生呼吸空气的方法中可能的另外的方法步骤。
具体实施方式
如图1中所示，人13位于封闭或保持封闭的室中，例如轿车或会议室中，人在该室内部仅有有限量的呼吸空气。在本发明中仅涉及这样的情况，即室外的空气被异味、有害物质或者由于其它原因受污染。在图1中用1表示该室的壁，其将具有人13的室内2与具有受污染空气的室外3分开。
在室内2的呼吸空气中，氧气含量由于存在人13而下降。因此，应当再生室内2的呼吸空气。为此用氧气进行化学反应，其中通过空气入口6使用来自室外3的空气的氧气，随后进行逆向化学反应，其中再次释放气态氧气并通过氧气出口7输送至室内2。
当这两个反应在封闭循环中进行时，各种化学中间产物可以任选以高纯形式以作为分别用于另一反应的起始物质所需的量产生。
其中一个反应的能量需求还可以通过另一个反应释放的能量而部分地补偿。但是，损失至少维持在根据热力学第二定律不可避免的程度，且实际效率通常达不到理论可能的效率。
以此方式可以构造紧凑的装置，其除用于受污染空气的空气入口6和用于纯氧气的氧气出口7外基本上仅需要能量输入。例如在人13在机动车中的情况下，该能量可以以电能形式获自机动车的整车电源12。
在一个实施方案中，用于产生氧气的逆向化学反应是在水电解池5中电解分解水：
2 H2O + 电能 → 2 H2 + O2 。
作为为此提供大部分电能的化学反应，可以使用燃料电池4，其中在电解时产生的氢气使用来自室外3的空气的氧气转化成水：
2 H2 + O2 → 2 H2O +电能 。
对于物质传输，一方面可以从水电解池5至燃料电池4设置氢气传输导管8。氢气的中间储存器在该实施方式中不必需，且该装置在每个时间点仅在氢气传输导管8和反应池（燃料电池4和水电解池5）中含有氢气。由此该装置在例如发生事故时仅以相对小的程度危害其中安装该装置的机动车的运行安全。
另一方面可以设置水传输导管9，其用于将在燃料电池4中产生的高纯去离子水输送至水电解池5，且其在此处代替分解的水。用于去离子水的中间储存器15在此是可行的，其任选可以代替挥发性水。
对于运行该实施方案中的装置所需的能量需求的估计得出，对于每人（氧气消耗：0.3 l/min）在燃料电池4的60%的效率下必须将大约80 W的电功率输送至该装置，这例如对于轿车的整车电源而言是完全可负担的，而且例如对于其中存在相应多人的会议室也是如此。
在对于具有燃料驱动的机动车的较简单的实施方案中，电解可以借助水电解池5进行，且在此生成的氢气的至少部分的共同燃烧可以在发动机中进行。
呼吸空气的氧气含量应为21%。因此可以由氧气测量仪相应地控制该装置的运行。替代地，可以在该装置上分别调节或者由其自动辨识，多少人正位于室内2中。在轿车的情况下，对此例如可以使用本就存在的安全带使用监测。
所述类型的装置还适合于用作“氧气浴”，并可以如此使轿车驾驶员恢复精神。
到此为止所述的用于再生呼吸空气的装置仅可以使用有限时间，例如在室内2体积大约4 m3并占有两个人的轿车中大约30分钟，因为通过人13的呼吸还在室内2中释放二氧化碳（CO2）。二氧化碳导致疲乏，并且在较高浓度下甚至可能是危险的。因此应监测室内2的CO2浓度。0.5体积%的CO2的值被认为是最大允许工作场所浓度。最迟当超过其时，应借助为此设置的组件10从室内2除去CO2。为此可以设置CO2传感器14，其测量值控制要除去的CO2量。
对于每人为除去0.3 l/min CO2所需的能量需求的保守估计得出大约14 W的电功率和大约60 W的热功率。在此，可以使用燃料电池的废热作为热能以制备氧气。在机动车中，还可以使用发动机的废热。
本发明的另一个实施方案的特征在于，所述装置包含用于从室内的呼吸空气中分离水蒸气的组件，因为人在封闭室中除二氧化碳外还将极大量的水蒸气释放到环境中。特别在机动车中可导致室内2中的水含量如此升高，以致露点上升至超过窗玻璃的温度，并因此在窗玻璃上蒙上雾气，特别是在低的外温下。为了在维持室内2中温度的同时降低露点，可以用对此合适的装置11例如借助冷凝捕集器从室内2的呼吸空气中除去水。
图2展示了用于再生在封闭或保持封闭的室中的人的呼吸空气的方法中可能的方法步骤的顺序，其中该室具有壁1，通过该壁将室外3的受污染空气与室内2的人13的呼吸空气保持分开。
该方法以从室外3提取21空气开始，接着将空气输送22至化学反应23，其中来自室外3的空气中的氧气作为反应物参与，并进行该化学反应23。随后将化学反应23的反应产物输送24至逆向化学反应25并进行该逆向化学反应。接着将在该逆向反应中生成的氧气释放26到室内2，并将逆向化学反应25的反应产物输送27至化学反应23作为其另外的反应物。
在一个实施方案中，化学反应23可以是在燃料电池4中将氢气氧化成水，逆向反应25可以是将水电解分解成氧气和氢气。
在图3中描绘的另一个实施方案中，可以加入从室内2的呼吸空气中除去31二氧化碳的步骤。
在一个实施方案中，从室内2的呼吸空气中除去31二氧化碳的步骤可以包括以下子步骤：
将呼吸空气通导32通过具有氢氧化钠的溶液，
通过添加氧化钙再生33该溶液，其中形成碳酸钙，
通过加热将碳酸钙分解34成氧化钙和二氧化碳，
将二氧化碳释放35到室外3的空气中，
将氧化钙溶解36到水中，并且
将氢氧化钙送回37到再生33步骤。
在化学反应23是在燃料电池4中将氢气氧化成水的另一个实施方案中，可以包括将该燃料电池的废热传输38至氧化钙作为另一子步骤。
在另一个实施方案中，可以包括从室内2的呼吸空气中除去水蒸气的步骤。

Claims (12)

1.用于再生在封闭或保持封闭的具有壁(1)的室中的人的呼吸空气的方法，通过所述壁将室外(3)的空气与室内(2)的呼吸空气保持分开，其中所述方法包括以下步骤：
• 从室外(3)提取(21)空气，
• 将所述空气输送(22)至化学反应(23)，其中来自室外(3)的空气中的氧气作为反应物参与，
• 进行化学反应(23)，
• 将化学反应(23)的反应产物输送(24)至逆向化学反应(25)
• 进行逆向化学反应(25)
• 将在逆向反应(25)中生成的氧气释放(26)到室内(2)，并且
• 将逆向化学反应(25)的反应产物输送(27)至化学反应(23)作为其另外的反应物。
2.根据权利要求1的方法，其中化学反应(23)是在燃料电池(4)中将氢气氧化成水。
3.根据权利要求1或2的方法，其中逆向化学反应(25)是将水电解分解成氧气和氢气。
4.根据权利要求1至3任一项的方法，其具有另一步骤：
• 从室内(2)的呼吸空气中除去(31)二氧化碳。
5.根据权利要求4的方法，其中除去(31)二氧化碳的步骤包括以下子步骤：
• 将所述呼吸空气通导(32)到具有氢氧化钠的溶液中，
• 通过添加氢氧化钙再生(33)所述溶液，其中形成碳酸钙，
• 通过加热将所述碳酸钙分解(34)成氧化钙和二氧化碳，
• 将所述二氧化碳释放到室外(3)的空气中，
• 将所述氧化钙溶解(36)到水中，并且
• 将所述氢氧化钙送回(37)至再生(33)步骤。
6.根据权利要求5的方法，其中化学反应(23)是在燃料电池(4)中将氢气氧化成水，其具有另一子步骤：
• 传输(38)燃料电池(4)的废热以分解(34)所述碳酸钙。
7.根据前述权利要求任一项的方法，其具有另一步骤：
• 从室内(2)的呼吸空气中除去水蒸气。
8.根据权利要求7的方法，其使用冷凝捕集器。
9.用于再生在封闭或保持封闭的室中的呼吸空气的装置，其中壁(1)将具有所述呼吸空气的室内(2)与室外(3)分开，所述装置具有：
• 第一组件(4)，其用于进行化学反应(23)且具有与室外(3)相连的空气入口(6)，
• 第二组件(5)，其用于进行逆向化学反应(25)且具有与室内(2)相连的氧气出口(7)，和
• 传输导管(8、9)，其将所述第一和第二组件(4、5)相互连接。
10.根据权利要求9的装置，其中所述第一组件是燃料电池(4)，其用于将氢气电化学氧化成水，其中所述第二组件是水电解池(5)，其用于将水电化学分解成氧气和氢气，并且其中所述传输导管包含：
• 氢气传输导管(8)，其将水电解池(5)与燃料电池(4)连接，和
• 水传输导管(9)，其将燃料电池(4)与水电解池(5)连接。
11.根据权利要求9或10的装置，其具有第三组件(10)和CO2传感器(14)，所述第三组件用于从室内(2)的呼吸空气中除去二氧化碳，所述CO2传感器用于测定气体中的二氧化碳含量。
12.根据权利要求9或10的装置，其具有第四组件(11)，所述第四组件用于从室内(2)的呼吸空气中除去水蒸气。
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