CN108291317A - 利用电化学电池的环境控制系统 - Google Patents

Abstract

一种与内部环境耦合的氧气和湿度控制装置来独立控制内部环境中氧气浓度和湿度水平的环境控制系统。一种氧气消耗装置可以是通过电化学方法与池内的氧气反应产生水的耗氧电解槽。干燥装置可以是g，除湿电解槽，干燥器，膜干燥器或冷凝器。控制器可以控制提供给耗氧电解槽的电压和/或电流的量以此来控制氧还原的速率，并且可以控制提供给除湿电解槽的电压和/或电流的量，并因此控制降低湿度的速率。氧水平可以通过测量耗氧电解槽的电压和极限电流来确定。内部环境可以是食物或工艺品箱。

Description

利用电化学电池的环境控制系统

相关应用的交叉参考

本申请要求以下优先权：于2015年11月23日提交的美国临时专利申请第62/258945号，于2016年2月26日提交的美国临时专利申请第60/300074号，于2016年6月22日提交的美国临时专利申请第62/353545号，于2016年8月10日提交的美国临时专利申请第62/373329号，于2016年9月8日提交的第62/385175号；全部通过引用结合于此。

背景技术

有许多类型的内部环境比如氧气和/或湿度水平是需要被控制的。例如，博物馆文物和文件通常存储在有环境控制的容器中以减少氧化，锈蚀等造成的降解。此外，农产品和其他消费品(包括冷藏物品)同样可能受益于在可控制环境容器内的储存。利用膜电极组件的电解槽在电解模式下可以增加湿度同时降低氧气或者降低湿度增加氧气。然而，对于贵重物品和大多数的农场品来说，我们希望同时降低氧气和湿度水平。我们需要一个节能的，耐用的，无噪声的和有效的环境控制系统。

发明内容

本发明是关于一种环境控制系统，其采用电化学电池来有效地控制内部环境的氧气和湿度。在一个实例中，内部环境中的氧气和湿度浓度同时降低。在另一个实例中，氧气和湿度浓度同时增加。示例性的环境控制系统利用与内部环境耦合的氧气和湿度控制装置来独立地控制氧气浓度和相对湿度。氧气控制装置可以是通过电化学与氧气反应产生水的耗氧电解槽。在另一个实例中，氧气控制装置作为氧气增加装置，其中氧气在与水反应形成氧气和质子的内部环境中产生。除湿装置可以是除湿电解槽，加湿电解槽，干燥器，隔膜和/或冷凝器。控制器可以控制提供给耗氧电解槽的电压和/或电流并因此控制氧还原的速率，并且可以控制提供给除湿电解槽的电压和/或电流的量，以达到控制湿度的减少速率。

在示例性实例中，包括耗氧电解槽在内的环境控制系统与内部环境耦合以减少内部环境中的氧浓度。耗氧电解槽包含离子传导材料，例如从阳极和阴极传输阳离子或质子的离聚物，其中阳极和阴极安装在离聚物的两侧。阴极与内部环境连通，电源与阳极和阴极同时连接以提供穿过阳极和阴极的电势来促发水的电解。水在阳极上反应生成氧气和质子，质子通过离子聚合物或阳离子传导材料转移到阴极，这些质子与阴极处的氧气反应生成水，由此来消耗阴极侧的氧气。如本文所述，我们可以采用新颖的系统在耗氧电解槽的阴极侧减少或者至少部分地控制内部环境内的湿度。

示例性的环境控制系统可以包括增氧电解槽，其中阳极与内部环境连通并且在阳极处的通过与水反应产生氧气。取决于在阳极和阴极之间的电势，氧气控制电解槽可以在耗氧或增氧模式下运行。

示例性的环境控制系统包括一个湿度控制装置，例如直接或间接降低内部环境的湿度水平的除湿装置。在一个示例性实例中，除湿装置是除湿电解槽，其将水从内部环境或调节室或调节室的湿度控制部分抽出。其他除湿装置包括隔膜，例如允许水分通过的膜，但基本上不透气因此可以防止氧气的流动。基本上不透气的膜不具有穿过膜厚度方向的气体流动，用来自Gurley精准仪器的4110N型号(Gurley Precision Instruments，Troy NY)测量得到的格力密度计时间为100秒或更长的。其他除湿装置包括干燥剂，冷凝器和上述除湿装置的任何组合。

示例性的环境控制系统包括加湿电解槽，其中电解槽的阴极与内部环境或与调节室的湿度控制部分连通。在一个实例中，增湿电解槽在调节室中产生水分，隔膜将该水分转移到氧控制室。

在一个示例性实例中，氧气控制和/或湿度电解槽包含离聚物，例如全氟磺酸聚合物。离聚物可以是包含用离聚物涂布和/或嵌入的复合材料。离聚物可以非常薄，例如小于25微米，小于20微米，更加好的小于15微米。厚度更薄的离子聚合物是首选，因为它可以提高质子传输速率和效率。

在一个示例性实例中，调节室用于除去引入到内部环境中的湿气。调节室或其一部分与内部环境连通，并且可以有一个或多个阀和/或风扇或其他空气移动装置和内部环境之间移动气体。在示例性实例中，调节室被分成氧气控制室和湿度控制室。隔膜可以配置在氧气控制室和湿度控制室之间并且允许水蒸气从一个室传递到另一个室。该分离的调节室可以有效地降低湿度控制室中的湿度，同时降低氧气控制室中的湿度。当氧气控制室处于比湿度控制室更高的湿度水平时，由于浓度梯度的原因，水蒸气将通过隔膜转移到湿度控制室。如本文所述，湿度控制室可以通过一个或多个除湿装置降低湿度水平。例如，除湿电解槽可以将水从湿度控制部分抽出从而在湿度控制室中保持非常低的水平，并且通过隔膜从氧控制室中吸取水分。隔膜是可以包含离聚物膜，离聚物膜也可以是具有载体材料的增强型离聚物膜。隔膜或水蒸气传输材料可以是打褶的或波纹的，以提供较高表面积。隔膜是离子交联聚合物，例如来自特拉华威明顿的杜邦公司的膜或者来自特拉华纽瓦克Gore公司的膜。

氧气控制室或其一部分做为交换导管，其具有来自内部环境的入口和返回内部环境的出口。交换导管可以包括用于将水蒸气从氧气控制室或交换导管传送到湿度控制室的膜。交换导管可以在调节器室或调节器室的湿度控制部分内延伸并且可以嵌套，例如增加其附加长度。交换导管可以通过蛇形结构，盘绕结构，打褶结构和前后嵌套结构。当在交换导管上配置隔膜时，这种嵌套配置大大增加了水蒸气传输到湿度控制室的表面积。

如此处所述，示例性环境控制系统可以通过一个或多个除湿装置降低湿度控制室中的湿度水平。干燥剂可以被放置在控制室中吸收水蒸气，也可以被放在与湿度控制室耦合的入口和出口的除湿环路中。可使用风扇或其他空气移动装置来迫使来自湿度控制室的气流通过湿度控制室。通过启动湿度控制室除湿回路气体流动的这种方式与被动除湿(干燥剂仅放在湿度控制室内)相比可主动地除去湿气。可以使用任何合适的干燥剂包括硅胶等。另外，干燥剂或干燥器可以包括加热器来除掉吸收的湿气，并且可以连接一系列的阀门将吸收的水分从系统排出，从而使干燥剂恢复干燥。

示例性环境控制系统可以通过冷凝器降低湿度控制室中的湿度水平。同样，冷凝器可以配置在湿度控制室内或湿度控制室的除湿回路内。另外，冷凝器可以通过阀门从系统排出液态冷凝水，或者可以与耗氧电解槽的阳极联通。耗氧电解槽的阳极将和氧和质子反应生成水。

如本文所述，示例性环境控制系统可通过隔膜(例如离聚物膜分离器)降低湿度控制室中的湿度水平。隔膜可以配置在湿度控制室和外部环境之间，当湿度控制室内的湿度水平大于外部周围环境中的湿度水平时，可以将湿气从湿度控制室转移到外部环境中。

示例性环境控制系统可以通过具有与湿度控制室的内部容积连通的阳极和暴露于外部周围环境的阴极的湿度控制电解槽来降低湿度控制室中的湿度水平。湿度控制室内的水或湿气会在阳极上反应形成氧气和质子。质子被转移穿过离子聚合物膜并与阴极上的氧反应以重新生成水。另外，水分子随着质子从阳极流向阴极的同时被拉拽到阴极。控制系统可监测湿度控制室，氧气控制室和/或内部环境内的湿度水平，并且可以控制湿度控制室的除湿电解槽阳极和阴极两端的电压。

示例性环境控制系统可以包括燃料回路或将气体从湿度控制室引至耗氧电解槽的阳极侧然后返回至湿度控制室的导管。燃料回路通过与耗氧电解槽的阳极上的水反应而降低湿度控制室中的湿度，这个可以被认为是本文所使用的除湿装置。风扇和一个或多个阀门可用于提供来自湿度控制室的回路中的气流，耗氧电解槽上的阳极还可接收来自调节室外部的周围环境中的气体或空气。

示例性环境控制系统的控制系统可以包括一个或多个传感器，例如氧气，湿度和/或温度传感器，其配置在调节室，氧气控制室，湿度控制室和/或内部环境或导管进出的内部环境中。控制系统可以接收来自这些传感器的输入，然后可以控制电解槽的功率水平，电压电势和/或电流，从而调节需要调整的湿度和/或氧水平。用户可以输入系统氧气和/或湿度水平和/或限制，例如用于内部环境和控制系统，利用处理器或微处理器控制风扇，阀门，功率提供给电解槽等来保证用户输入的值或设定点。另外，数据可以由控制系统收集并转移到别的位置。例如，诸如拇指驱动器之类的可移除存储装置可以被连接到环境控制系统以收集包括感测到的温度，湿度水平和氧浓度值的数据以及加到电解槽的电压等。拇指驱动器可以被移除以便在辅助的电子设备或计算机上下载。在又一个实例中，示例性环境控制系统包括无线信号发射器，用于无线发送数据到别的位置，诸如计算机或服务器。示例性环境控制系统可以包括用于接收温度，湿度和/或氧浓度的设定点值的无线信号接收器，并且可以接收包括电解槽的电压电势输入的命令。

可以使用任何数量的过滤器和/或阀来控制进入或环绕环境控制系统的气体或空气流。过滤器可安装在调节室以防止污染物进入电解槽。过滤器可以安装在内部环境的入口和出口上。另外，干燥器可以安装在调节室，氧气控制室和/或湿度控制室的空气或气体入口上。

在一个实例中，风扇被安装在电解槽的电极上以产生空气流。在一个示例性实例中，膜电极组件风扇吹到电极上，其中空气流基本垂直于电极平面约30度，垂直于电极平面约20度或更优地在约10度内。这已经被发现大大地提高了电解槽的性能。直接在电解槽的阳极上吹风的工艺已被证明可以使性能提高200％以上。这种强制空气流动到阳极上的做法可能会去除潜在的降低反应速率的边界层。

在许多不同的应用中氧浓度和/或相对湿度水平的控制是需要的或被期望的。许多内部环境被配置为控制这些环境参数，包括但不限于用于长期暴露于高湿度下的有价值(例如包含文件，工艺品，珠宝，首饰，武器，枪支，刀，货币)的保险箱等等。此外，还有需要具有受控水平的氧气和/或湿度的空气流量的应用，例如正气道压力，呼吸机，氧气呼吸器等。正气道压力设备向人提供加压气流以便在睡眠时帮助有效呼吸。如本文所述的环境控制系统可以为正气道压力装置中的空气流提供额外的湿度和/或氧气。此外，还有一些制品，如农产品，可能有需要或希望被控制在特定氧气水平的内部环境中。冷藏室内的氧含量降低可能会阻止农场品变质。此外，一些内部环境可能还需要有控制的和降低水平的氧气来杀死有机体。

本发明的目的是提供利用含有至少一个电解槽的内部环境氧气浓度和湿度水平的独立控制系统。本发明的示例性目的是在内部环境中消耗氧气而不增加的相对湿度或降低内部环境的湿度水平。本发明的另一个示例性目的是向内部环境提供增加的氧气和湿度水平。

本发明涉及具有用于贵重物品，工艺品或食品的高级保存能力的电解槽技术。示例性电解槽是具有催化剂和集流器的聚合物电解质膜。电解槽通常在与液态水接触时使用，以在阳极上产生氧气并在阴极上产生氢气。当在没有可用液态水的露天使用时，它们依赖于空气中可用的水蒸气或湿气。

在内部环境中降低氧气浓度对于防止氧化，杀灭细菌和臭虫，保存食物和有价值的文物以及防火是非常理想的。另外，控制湿度也同样重要。没有独立控制湿度和氧气水平的电解槽具有缺点。一个是，在去除所有氧气之前，可能会在一个内部环境中达到100％的相对湿度。另一个是缺乏对任一条件的精确独立控制。理想的湿度和氧气水平取决于内部环境保存的内容。实现精确控制的一种方法是单独使用另一种除湿方式去除水分，或者在将电解槽与内部环境密封的同时反向使用电解槽。密封可以由一个带有膜的窗口组成，该膜允许湿气通过，但不包括氧气在内的气体。这种湿度和氧气去除的独立控制需要一种方法来测量内部环境。还需要能够通过电子装置独立控制加湿和除湿系统。密封的完整性对于内部环境的效率起作用。

如本文所述的内部环境包括但不限于：雪茄盒，冰箱或冷冻机，博物馆显示器，枪支存储器，乐器存储器，纸张存储器以及存储诸如化石的多种湿敏产品，古代文物，邮票，债券等以及运输容器。示例性控制系统的尺寸可以被设定为满足内部环境的需求。与较小的内部环境相比，较大的内部环境将需要较大单元面积的耗氧电解槽。内部环境可以是大约0.1立方厘米或更大，0.5立方厘米或更大，1立方厘米或更大，5立方厘米或更大，12立方厘米或更大，或不大于约12立方厘米或不大于约5立方厘米，不大于3立方厘米的任何范围之内。

示例性环境控制系统可以包括用于内部环境的远程监视器，并且可以包括对内部环境状况(包括湿度水平和氧浓度水平)的无线监控。内部环境条件可以被发送到远程电子设备，诸如移动电话，平板电脑或计算机。用户可以设定内部环境的湿度，温度和氧气水平。无线传输还可以允许远程电子设备记录内部环境参数，温度，湿度和氧气水平。另外，如果内部环境参数存在显著变化，或者如果其中一个参数下降到设定点之一的阈值之外，用户可能会收到警报。

在某些情况下反应气体必须在内部环境内。内部环境可能并不总是处于密封系统中，即有一些泄漏也是一种情况。此外，系统可以通过设备内部的传感器进行控制，而在其他情况下，系统可以在一段有限的时间内开启和关闭。

示例性控制系统包括可与其他系统组合使用的氧气和湿度控制系统。例如，已经发现可以使用西班牙雪松和湿度控制装置提供湿度缓冲。而且已经发现，将硅胶与湿度控制装置组合使用也可以提供湿度缓冲。此外由于如果关闭电源，或者由于某种原因系统在过加湿或者欠加湿状态下-缓冲区可以进行补偿。可以将硅胶或其他吸湿材料置于内部环境内以提供水分缓冲。一些吸湿材料具有保持特定湿度水平范围，其中当相对湿度高于该范围或低于该范围时吸收或释放水分。

在大气环境空气条件下，利用电解槽技术来转移湿气是具有挑战性的。提供湿气的环境可以在任一方向处于干燥从而减少电池的功率输出。当这种设备用在冰箱内的寒冷环境中时，性能也会下降。因此，优化电池里面的催化剂的电接触特性是非常重要的。在寒冷的环境中加热电池也有益处。另外，在电池的阳极侧增加空气流量具有显著的优势。

该技术的重要应用是用于诸如CPAP之类的医疗装置。气道正压(PAP)是主要用于治疗睡眠呼吸暂停的呼吸通气模式。对于医院里面呼吸衰竭危重病人以及新生儿(新生婴儿)，气道正压通气也很常见。在这些患者中，气道正压通气可以防止必要的气管插管，或允许早期拔管。有时神经肌肉疾病患者也使用这种通气。CPAP是“持续气道正压通气”的缩写。

持续气道正压通气(CPAP)机器最初主要用于患者在家中治疗睡眠呼吸暂停，但现在作为通气手段在重症监护病房中被广泛使用。当睡眠时肌肉自然放松，上呼吸道变窄时发生阻塞性睡眠呼吸暂停。这减少了血液中的氧气含量并引起睡眠唤醒。CPAP机器通过经由软管将压缩空气流输送到鼻枕，鼻罩，全面罩或混合动力装置，将气道紧闭(使其在空气压力下保持打开)，从而使通畅的呼吸成为可能以阻止这种现象的发生，因此减少和/或预防呼吸暂停和呼吸不足。然而，了解这一点非常重要，它是阻止呼吸暂停的气压，而不是空气的移动。打开机器将面罩放在头上之前，会有空气流过面罩。将面罩放在头上后，将其密封在脸上，空气会停止流动。在这一点上，只有空气压力才能达到预期的效果。这有减少或消除有时伴随在睡眠呼吸暂停的巨大鼾声的额外好处。

持续气道正压通气机器以规定的压力(也称为滴定压力)吹送空气。必要的压力通常由睡眠医师在夜间睡眠实验室(多导睡眠描记术)研究过程中由睡眠技术员监督评估后确定。滴定压力是大多数(如果不是全部的话)呼吸暂停和呼吸不足的阻止的空气压力，并且通常以厘米水柱(cmH₂O)测量。大多数睡眠呼吸暂停患者所需的压力介于6和14cmH₂O之间。典型的持续气道正压通气机器可以提供4到20cmH₂O的压力。更专业的单位可以提供高达25或30cmH₂O的压力。

持续气道正压通气治疗可以高度有效地治疗阻塞性睡眠呼吸暂停。对于某些患者，夜间使用后会感受到由于持续气道正压通气治疗导致的睡眠质量和生活质量的改善。通常，伴随着患者大声打鼾的改善，睡眠伴侣也从中获益。鉴于睡眠呼吸暂停是一种不会消失的慢性健康问题，通常需要维持持续气道正压通气疗法的持续护理。

自动气道正压通气装置APAP，AutoPAP，AutoCPAP会自动地递送给患者经过调整或调谐的所需的最小压力量，他们是通过测量病人的呼吸阻力并基于保持无阻呼吸得到的特定时刻所需的精确压力，以此避免固定压力的损害。

双层正气道压力装置BPAP和可变正气道压力装置VPAP提供两个不同水平的压力：吸气正压通气压力IPAP和以便于呼气的正压通气压力EPAP。有些人使用术语BPAP来平行术语APAP和CPAP。通常BPAP被错误地称为“BiPAP”。但是实际上，BiPAP是Respironics公司生产的便携式呼吸机的名称；它只是众多的可以提供双层正气道压力装置的呼吸机之一。

呼气气道正压(鼻用EPAP)装置用于治疗原发性打鼾和阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)。用于治疗打鼾的设备是非处方版本，而用于治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的设备更加强大并需要处方。当不治疗时，阻塞性睡眠呼吸暂停会产生严重的后果。打鼾虽然不如阻塞性睡眠呼吸暂停那么危险，但仍会打扰睡眠，并且可能会对患者造成潜在的伤害。这类设备相对较新，数量有限。这些设备可以利用人的呼吸作为电源而不需要电力来运行。通常情况下，它们装在人的鼻孔，并包含一个小型阀门，当吸气时打开呼气时关闭，以此产生轻微的压力来自然地保持呼吸道畅通并缓解打鼾。

有许多特征通常可以增加正气道压力的容忍度和合规性。一个重要的特征就是使用加湿器。加湿器将湿气添加到低湿度的空气中，通过减少干燥的压缩空气以增加患者的舒适度。如果需要，通常还可以调节或关闭温度以充当被动加湿器。一般来说，加热式加湿器既可以集成到设备中，也可以拥有独立的电源。

面罩衬里：可用基于布的面罩衬里来防止过量的空气泄漏并减少皮肤刺激和皮炎。

示例性环境控制系统可以与本文所述的任何正气道压力设备集成，并且可以增加氧气和控制湿度水平。另外，示例性环境控制设备可以是固态的和无噪声的，这是睡眠期间使用的设备的重要特征。

本发明的概述提供作为本发明的一些实例的一般介绍，而不是仅限于此。这里提供了包括本发明的变形和替代的另外的示例实例。

附图说明

包括附图在内的内容是为了提供对本发明的进一步理解，他们被结合在本说明书中成为其一部分，通过展示本发明的实例与说明书一起用于解释本发明的基本原理。

具体实施方式

图1表示包括膜电极组件的示例性电化学电池，该膜电极组件连接到一个由电源提供电力的电路，其中在阳极侧的水电解产生的质子穿过离子传导膜输送到阴极侧。

图2表示包括电化学电池和其内部环境装置的示例性环境控制系统。

图3表示至少部分连接在内部环境内的示例性环境控制系统。

图4表示与内部环境耦合的两个电解槽的示例性环境控制系统。

图5表示一个示例性环境控制系统，其包括与内部环境耦合的两个电解槽，其中一个电解槽是与内部环境连通的阳极，另一个电解槽是与内部环境连通的阴极。

图6表示具有用于从氧气控制室吸取水蒸气的隔膜的示例性环境控制系统。

图7表示具有穿过调节室的交换导管的示例性环境控制系统，该调节器室通过隔膜交换水蒸气。

图8表示示例性环境控制系统，该系统具有穿过调节室的蛇形交换导管，以实现从交换导管到调节室的有效的水蒸气传输。

图9表示在调节室和耗氧电解槽的阳极之间具有再循环回路的示例性环境控制系统的图。

图10表示拥有水箱和氧气排放阀的示例性环境控制系统。

图11表示具有内部环境过滤器，调节室和调节室的入口和出口过滤器的示例性环境控制系统。

图12表示在前门上有锁的保险箱的前视图。

图13表示图12中所示的保险箱的后视图。示例性的环境控制系统连接在后部。

图14表示具有通向外部环境的冷藏酒柜的前门正视图。

图15表示图14中所示的冷藏酒柜的后视图。其中示例性环境控制系统在背面。

图16表示具有通向顶部内部环境的开口的雪茄盒的正面透视图。

图17表示图16中所示的雪茄盒底部透视图。其中示例性环境控制系统耦合在底部。

图16表示图15中所示的雪茄盒的底部透视图。其中示例性的环境控制系统耦合在底部。

图18表示拥有示例性环境控制系统的用来控制内部环境(例如用于种植植物的花瓶或罐子)生长的侧视图。

图19表示具有在内部环境中的两个电解槽的示例性环境控制系统的透视图。

图20表示借助于具有示例性环境控制系统的正气道压力进行睡眠的人员。

图21表示示例性电解槽的透视分解图。

图22表示示例性环境控制装置的透视图。

图23表示在湿度控制电解槽的阴极上拥有和没有风扇的内部环境温度和湿度的比较曲线图。

相应的参考符号在多个附图中标记出表示相对应的部件。附图表示的仅是本发明的一些实例的图示，而不应被以任何方式理解为仅限于本发明的范围。此外，附图不一定按比例绘制，某些特征可能被夸大用来表示特定组件的细节。因此，本文发表的具体结构和功能细节不应被解读为限制性的，而仅仅是作为用于展示给本领域的技术人员的一个代表解释。

本文所使用的术语"包括(comprises)"、"包括(comprising)"、"包括(includes)"、"包括(including)""具有(has)""具有(having)"或其任何其他变形旨在涵盖非排他性的包含。例如，包括部件列表的过程，方法，物品或装置不一定仅限于那些部件，而是可以包括未明确列出的或者相似的过程，方法，物品或装置部件。这同样适用于使用单数"一(a)"或者"一(an)"来描述这里提出的部件和组件。这仅仅是为了方便并且给出本发明的范围的一般意义。这个描述应该被理解为包括一个或至少一个，包括单数和复数除非它明显的表示为另有其他含义。

本文描述了本发明的某些实例并在附图中进行了说明。所描述的实例仅用于展示本发明，而不应被解释为局限在本发明的范围内。本发明的其他实例以及相对应的描述实例的某些修改，组合和改进对于本领域技术人员同样有效，所有这些替代实例，组合，修改，改进都在本发明的范围内。

图1表示利用电化学电池12的示例性环境控制系统1，该电化学电池12包括连接到电路31的膜电极组件30和用于从电源87输送电力的电源。膜电极组件的阳极20与水反应以产生氧和质子。质子H⁺穿过质子导电层例如离子交换介质32到达阴极40。水与质子一起穿过离聚物。在阴极处，质子与氧气反应并产生水，从而减少阴极处的氧气并增加水。阴极与内部环境50连通，并因此降低氧气浓度并增加内部环境的湿度或相对湿度。电化学电池还包括在阳极和阴极上的气体扩散层39，流场38和集流器33。

如图2所示，示例性电化学电池12利用膜电极组12连接到电路31以获得电源。如图所示，这是氧气控制电解槽16，其降低了内部环境50中的氧浓度。在阳极和阴极之间产生电势差以促发在阳极20上的水的电解，由此产生输送的氧和质子穿过离子传导介质32或隔膜或离聚物到达阴极40。在阳极侧21上配置一个腔室，用于接收进入的空气和水，并且在阴极侧41上的空间与内部环境中连通例如通过一个或多个开口51进入内部环境。在阴极上，质子与氧气反应生成水。氧气在阴极侧消耗，并产生水。质子也将水从阳极拖到离子聚合物的阴极。在阳极产生氧气并在电解反应中消耗水，从而产生氧气和质子。膜电极组件与提供电力的两个电流收集器33或导电层之间组合在一起。导电板可以是筛网或穿孔金属并且可以是气体扩散介质和/或流场。流场38可以是具有用于将气体分配到膜电极组件或气体扩散介质的表面的多个通道。气体扩散介质39可以进一步将气体分配到阳极和阴极。诸如湿度传感器83和/或氧气传感器84的传感器82可以与控制系统80耦合，以将内部环境中的湿度和/或氧气水平保持在期望的水平。用户可以在85输入用于设定内部环境内的湿度和/或氧气浓度的期望水平或范围，微处理器81可以控制对电化学电池的电力供应，以将氧气和湿度保持在设定范围内。电化学电池可以沿相反的方向运行，使阳极与内部环境连通并降低水分并增加氧气浓度。

如图3所示，示例性环境控制系统10包括至少部分连接在内部环境50内的电化学电池12。如图所示，这是氧气控制电解槽16，在这个实例中其降低内部环境50中的氧气浓度，膜电极组件30可以沿着在内部环境内产生湿度的方向运行或将水分泵出内部环境。阳极侧21上的入口/出口导管25延伸出内部环境。此外，运行的电化学电池可以增加或降低内部环境中的湿度和/或氧气浓度。可以操作电池将水泵入内部环境或者通过改变阳极和阴极之间的极性将水泵出。加湿控制系统可以通过控制电路的功率来驱动水的电解而向内部环境提供湿润的空气。诸如湿度传感器83的传感器82监测湿度并将该测量值传递给控制器系统80.处理器81可以控制膜电极组件的功率，电压和/或电流的量以控制提供的潮湿空气的量到内部环境。如向上和向下箭头所示，用户界面85可以用于调节内部环境内的湿度水平。电化学电池的阴极侧与内部环境耦合并且将降低氧气水平，同时增加湿度水平。

现在参考图4和图5，示例性环境控制系统10包括与内部环境50通过两个电化学电池12，12'联通。两个电池可以以相同的模式操作，例如氧气消耗和湿度增加模式，如图4所示。其中阴极与内部环境连通，从而增加内部环境内的氧气减少速率和湿度增加。两个电池还可以在氧气增加和湿度降低模式下操作，其中阳极与内部环境连通，由此增加内部环境内氧气增加和湿度降低的速率。此外，两个电化学电池还可以以相反的模式运行，如图5所示，其中一个电化学电池降低内部环境内的氧气浓度，另一个电化学电池增加内部环境中的氧气浓度。在这种相反的操作模式下，两个单元可能会相互抵消，可能效果不佳。

如图6所示，示例性环境控制系统10具有两个电化学电池12和12'，他们与氧气控制室60和湿度控制室70之间的调节室62和分离器58连接。氧气控制电解槽16具有阳极阴极40与氧气控制室60连通，并且湿度控制电解槽17具有与湿度控制室70连通的阳极20'。如本文所述的隔膜允许水蒸气在氧气控制室和湿度控制室转移，同时限制了氧气的转移，因为它基本上是不透气的。因此，当氧气控制室60与湿度控制室70之间存在湿度差异时，水蒸气将通过隔膜58。隔膜可以是离聚物膜。湿度控制室70中第二个电化学电池12'的阳极20'用来降低湿度并增加氧气浓度。这降低了湿度水平，将导致来自氧气控制室60的水蒸气通过隔膜，并因此降低氧气控制室中的湿度水平。以这种方式，氧气控制室可以拥有降低的氧气和湿度浓度，这对于许多类型的内部环境是理想的。风扇97可以通过穿过内部环境壁上的55控制从氧气控制室到内部环境50的气流流动。入口交换导管57有过滤器67，出口交换导管59也有过滤器69。风扇97或其他空气移动装置形成强制流动并在内部环境和调节室62之间进行交换，具体是指氧气控制室60之间进行交换。风扇和阀可以安装在氧气控制室60或湿度控制器室70上以便允许与外部环境交换。例如，湿度和/或氧气的浓度可能需要与外部空气进行空气交换。干燥剂90和过滤器93可以降低湿度控制室中的湿度浓度，并且可以减少从吸入湿度控制室的空气中吸收的湿气，或者可以安装在湿度控制室的循环回路中，例如如图8所示。干燥剂可以根据使用要求定期更换。控制器80可利用来自传感器83，84的输入来控制环境控制系统10。

如图7和8所示，示例性环境控制系统10具有作为氧气控制室60的交换管道61，其具有入口57和出口59。交换管道61在调节室内延伸，其中交换管道的至少一部分连接在具有隔膜58以允许湿气从交换导管或氧气控制室进入调节器室62的湿度控制室70部分。在该实例中，更多的表面积可以提供给隔膜。另外，湿度控制室可以由来自湿度控制室的气体循环通过干燥器90的除湿回路91组成。风扇97使气体移动通过除湿回路。如图8所示，交换管道61是蛇形的，以提供额外的与隔膜58交换的表面积。再次，如本文所述，可使用任何数量的阀98和风扇97来将室内的气体与外部环境交换。冷凝器64也显示在除湿回路中。冷凝器和/或干燥剂或干燥器可以放在除湿回路中。

如图9所示，湿度控制室70的一部分气体供给到电化学电池12的阳极侧，氧控制电解槽16作为耗氧电解槽工作。耗氧电解槽的阴极40与氧气控制室60连通，并且充当控制湿度降低的湿度电解槽17的阳极20'与湿度控制器连通。湿度控制室包括在耗氧电解槽阳极处通过反应消耗的水分，其中水被转化成氧和质子。燃料回路68将湿度控制室内气体引导至耗氧电解槽的阳极。以这种方式，湿度控制室70中的水蒸气减少的同时可以向耗氧电解槽的阳极提供必要的燃料。再次如本文所述，可使用任何数量的阀98和风扇97来将室内的气体与外部环境交换。冷凝器64也显示在除湿回路中。冷凝器和/或干燥剂或干燥器可以安装在除湿回路中。

如图10所示，示例性环境控制系统10具有水室65，在水室和氧气控制电解槽之间具有渗透蒸发层66。如本文所述，渗透蒸发层可以是离聚物膜或允许水蒸气通过而不让空气通过的任何其它材料。冷凝器64将水蒸气从调节器室62冷凝成液态水。在该实例中，利用单个电化学电池12来降低调节室62的氧控制60中的氧浓度，调节室与内部环境50通过冷凝器相连接。冷凝器从氧气控制室60中抽取气体。在一个实例中，在氧气控制室和湿度控制室之间不存在隔膜，供给到冷凝器的气体通常从调节室抽出，电化学电池同时减少了这个调节器的氧气。然而，如图所示，氧气控制室有通向冷凝器的开口，这里表示了阀门98。氧气控制室中的有降低的氧浓度和升高的湿度水平或含水量。排氧阀99可以排出来自氧气控制室或调节器室的任何气体部分。气体被吸入冷凝器并且由水蒸气冷凝并收集在冷凝器的底部，它可以通过阀73被供给到水室65或用于氧控制电解槽16的燃料室作为耗氧电解槽。这可能是向耗氧电解槽提供所需水的一种方式，特别是在干旱环境中。渗透蒸发隔膜66保持水中的污染物免受污染或阳极催化剂中毒。当需要将更多空气吸入氧还原电解槽的阴极时，可以打开阀门。

如图6至10所示，膜电极组件空气移动装置44产生空气或强制空气流到氧气控制电解槽16的阳极上。强制空气可直接加在阳极上，如图6到9所示。或者可以如图10所示的流过膜电极组件。在图6至图9中，膜电极组件空气移动装置44与湿度控制电解槽17耦合并且在湿度控制电解槽的阳极上产生空气流。如本文所述，空气在阳极上的流动可以大大改善电池的性能。

如图11所示，示例性的环境控制系统10有在内部环境50的内部环境过滤器52以及至调节室62的入口和出口过滤器。活性炭可用于内部环境过滤器中以保护内部环境内的膜电极组件免受污染。调节室还可以包括入口和/或出口过滤器以保护膜电极组件免受环境空气中的污染物影响。该湿度控制系统具有单个电化学电池12，湿度控制电化学电池17，其可以在阳极或阴极与内部环境连通的情况下运行。同样，它可能是一个氧气控制电化学电池。

如图12和13所示，示例性环境控制系统10被放置在保险箱110内。如图12所示，环境控制系统10具有门111以形成内部环境50。如图13所示，环境控制系统10被配置在保险柜的背面，并且可以控制内部环境内的氧气和/或湿度水平。

如图14和15所示，示例性环境控制系统10控制冰箱119内的环境，有一个酒柜在冰箱中。如图14所示酒柜的前部具有门11和内部环境50相连。环境控制系统10配置在酒柜的背面，如图15所示，可以控制冰箱内的氧气和/或湿度水平。

如图16和17所示，示例性环境控制系统10控制雪茄盒114内的环境。如图16所示的雪茄盒的顶部有一个开口11形成了内部环境50，环境控制系统10配置在雪茄盒的底部，如图17所示，并且可以控制雪茄盒内的氧气和/或湿度水平。

如图18所示，示例性环境控制系统10被配置为控制生长117的内部环境中，例如用于种植植物的花瓶或花盆。环境控制系统10可以控制内部环境50植物下方空间或污垢的湿度和/或氧气水平。

如图19所示，示例性环境控制系统10具有可以在其上放置内部环境的两个电化学电池12，12'。

图20表示借助于正气道压力装置100睡眠的人101。正气道压力装置或呼吸装置具有流体发生器(正气道压力机器)102，其有连接患者接口106的软管104提供气流。软管将流体发生器(有时通过在线加湿器)连接到界面106。界面包括但不限于鼻罩或全面罩，鼻枕或更少见的唇密封口，提供与用户的气道或呼吸系统的连接，例如通过鼻子或嘴巴。示例性的环境控制系统10附接到流体发生器102或流体发生器50的内部环境，并且可以用于增加输送到人的加压流中的氧和/或湿度的水平。这里所使用的正气道压力装置包括本文所述的呼吸辅助装置的所有变型。

如图21所示，示例性电解槽包括过滤器94，膜电极组件风扇44，壳体部件43，43'流场38，38'，集流器33，膜电极组件30，气体扩散介质39和垫圈45。该组件具有将空气直接吹到膜电极组件30上的风扇。如本文所述，这改善了膜电极组件的性能。

如图22所示，示例性环境控制装置10包括配置在调节室62周围的氧气控制电解槽16和湿度控制电解槽17。像风扇的膜电极组件空气移动装置44构造成产生过程空气流46，它是强制空气流到氧控制电解槽16的阳极上。如本文所述，这极大地提高了氧控制电解槽16的效率。空气流动设备44直接连接到膜电极组件，并且与阳极非常接近，这对提高效率可能是重要的。像风扇之类的膜电极组件空气移动装置44'被配置在湿度控制电解槽17和调节室62之间，以在湿度控制电解槽17的阳极上产生空气流46'。该风扇可以配置在调节器腔室内，其中湿度控制电解槽的膜电极组件相对于调节腔室被密封。电触点被耦合到每个电解槽以提供穿过阳极和阴极的电势。

图23表示拥有和没有风扇吹到湿度控制电解槽的阳极上的内部环境温度和湿度的曲线变化图。数据显示，当电解槽直接吹在膜电极组件上产生流动空气或强制空气流到湿度控制电解槽的阳极上时，湿度下降得更快。

现在参考图24和25，示例性的氧气控制电解槽16配置有膜电极组件空气移动装置44，例如风扇，其被配置为在膜电极组件30的阳极20上产生空气流46。水室65围绕在强制空气开口48构造，以允许强制空气直接冲击到膜电极组件或阳极20上。允许水通过但防止空气流动的渗透蒸发层66围绕在强制空气开口延伸以向膜电极组件提供水或湿度。密封垫71将渗透汽化层密封到膜电极组件。空气流直接冲击膜电极组件30的阳极侧21，并且膜电极组件的阴极侧41或阴极40可被密封至未在图中显示的调节室。数据接口86被配置为允许数据存储器和/或数据发送器的耦合。与环境控制装置相关的数据，诸如湿度水平，氧气水平，温度，膜电极组件电压电势等可被存储和/或传输到远程位置。图中还展示出了用于接收流体的填充口63，例如用于水合离子传导介质的水，例如离聚物。端口可以从调节器腔室的冷凝器接收水或流体，或者可以手动填充或附接到自动填充系统，其中当水腔室65下降到一定水平以下时，填充端口上的阀门将会填充水室高于阈值水平。

如本文所示，流体连通意味着气体可以流入和流出所描述的连通的两个部分。例如，氧还原电解槽的阴极可以与氧控制室流体连通，其中来自阳极的反应产物可以自由地流入氧控制室。

如图所示中的电化学电池12可以作为电解槽运行，如本文所述，其运行水的电解，其中水在阳极上被分解为质子和氧并且在阴极上的重整为质子和氧。

电化学电池可以在更高的电势下运行以产生臭氧，其可以用于清洁和消毒内部环境。

当电化学电池在高于1.2伏的电势下工作时，会发生水的电解，并且在2.08伏以上时，可能会产生臭氧。

本文所使用的除湿装置是包括降低湿度或者相对湿度的装置，但不限于使用干燥剂，冷凝器和湿度降低电解槽的干燥剂或干燥器。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改，组合和变化。这里描述的具体实例的特征和元件可以被修改，和/或以任何合适的方式组合。因此，本发明旨在包含本发明的修改，组合和变化，只要它们在所属权利要求及其等同物的范围内。

Claims (41)

1.本专利的权利要求是：

一种与内部环境耦合的环境控制系统，包括：

a)氧气控制电解槽，

其中所述氧气控制电解槽包括：

i)离子交换介质；

ii)阳极；

iii)阴极；

其中所述阳极和阴极被配置在离子交换介质相对的两侧；

其中所述氧气控制电解槽与内部环境流体连通；并且其中电源与所述阳极和阴极耦合以在所述阳极和所述阴极之间提供电势以启动水的电解，其中水反应以在所述阳极和阴极上形成反应物以控制所述内部环境的湿度水平；

b)湿度控制装置；和

c)控制器，其与电源和氧气控制电解槽耦合以控制阳极和阴极之间的电势；

其中所述内部环境内的氧气浓度由氧气控制电解槽控制，并且湿度水平是由湿度控制装置在内部环境内控制。

2.如权利要求1所述的环境控制系统，其中离子交换介质包括离聚物。

3.如权利要求1所述的环境控制系统，还包括膜电极组件空气移动装置，其在阳极上产生过程空气流。

4.如权利要求1所述的环境控制系统，还包括调节室，所述调节室包括：

a)氧气控制室；和

b)湿度控制室；

其中所述湿度控制装置与控制室流体连通；

c)配置在氧气控制室和湿度控制室之间的隔膜，用于向所述氧气和湿度控制室之间输送湿气；

其中所述隔膜基本上不透空气；

其中所述氧气控制电解槽控制氧气控制室内的氧气浓度；和

其中所述湿度控制装置控制所述湿度控制室中的湿度水平，其中所述氧气浓度和耗氧电解槽产生的水都在所述调节室内控制。

5.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述氧气控制电解槽是耗氧电解槽，其具有与所述内部环境流体连通的氧气控制电解槽的阴极；和

其中所述湿度控制装置是降低所述湿度控制室的湿度水平的除湿装置；

其中氧气控制室的湿度水平是由经过隔膜到湿度控制室的湿气转移来降低。

6.如权利要求4所述的环境控制系统，还包括膜电极组件空气移动装置，其产生基本上垂直于所述氧气控制电解槽的阳极的过程空气流。

7.如权利要求6所述的环境控制系统，还包括水腔室和水腔室与氧气控制电解槽的膜电极组件之间的渗透蒸发层，其中来自所述水腔室的水通过渗透蒸发层传到膜电极组件。

8.如权利要求5所述的环境控制系统，其中所述除湿装置包括除湿电解槽；

其中除湿电解槽包括：

i)离聚物；

ii)阳极；

iii)阴极；

其中所述阳极和阴极被配置在离聚物相对的两侧，并且其中阳极与湿度控制室流体连通；

其中电源与阳极和阴极耦合以在所述阳极和阴极之间提供电势以启动水的电解，其中水反应在阳极上形成氧和质子，并且所述质子在阴极与氧反应形成水。

9.如权利要求8所述的环境控制系统，还包括膜电极组件空气移动装置，所述空气移动装置在氧控制电解槽的阳极产生过程空气流。

10.如权利要求9所述的环境控制系统，进一步包括水腔室和在氧气控制电解槽的膜电极组件和水腔室之间的渗透蒸发层，其中来自水腔室的水通过渗透蒸发层传到膜电极组件。

11.如权利要求8所述的环境控制系统，其中所述湿度控制装置是除湿装置且包括包含有干燥剂的干燥器。

12.如权利要求8所述的环境控制系统，其中所述除湿装置包括允许水通过但基本不透空气的隔膜。

13.如权利要求8所述的环境控制系统，其中所述除湿装置包括冷凝器。

14.如权利要求13所述的环境控制系统，其中所述冷凝器被配置在具有入口和出口到湿度控制室的除湿回路中。

15.如权利要求13所述的环境控制系统，其中一个冷凝器被配置为产生液态水，所述液态水被供应到所述氧气控制电解槽或湿度控制电解槽中的至少一个的阳极。

16.如权利要求8所述的环境控制系统，还包括再循环回路，其从湿度控制室延伸到耗氧电解槽的阳极并返回到湿度控制室。

17.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述离子交换介质包括离聚物和包含有离聚物的隔膜。

18.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述湿度控制装置包括湿度控制电解槽；

其中所述湿度控制电解槽包括：

i)离子交换介质；

ii)阳极；

iii)阴极；

其中所述阳极和阴极被配置在离子交换介质相对的两侧；

其中阳极与湿度控制室流体连通；

其中电源与湿度控制电解槽的阳极和阴极耦合以在所述阳极和阴极之间提供电势以启动水的电解，其中水反应在阳极上形成氧和质子，并且所述质子在阴极与氧反应形成水。

19.如权利要求18所述的环境控制系统，其中所述湿度控制电解槽是除湿电解槽，所述除湿电解槽具有与湿度控制室流体连通的阳极；

其中所述除湿电解槽从湿度控制室中去除水。

20.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述湿度控制装置是除湿装置和包含干燥剂的干燥器。

21.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述湿度控制装置是除湿装置并且包括允许水通过但基本不允许空气通过的隔膜。

22.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述湿度控制装置是除湿装置并且包括冷凝器。

23.如权利要求22所述的环境控制系统，其中所述冷凝器被配置在具有入口和出口到湿度控制室的除湿回路中。

24.如权利要求22所述的环境控制系统，其中一个冷凝器被配置为产生液态水，所述液态水被供应到所述氧气控制电解槽或湿度控制电解槽中的至少一个的阳极。

25.如权利要求4所述的环境控制系统，其中所述冷凝器和所述氧气控制室耦合且从所述氧气控制室接收气流，产生被供应到一个水室的冷凝水，所述水室和所述氧气控制电解槽的阳极流体相通。

26.如权利要求25所述的环境控制系统，其中所述氧气控制系统包括交换导管；

所述交换导管通过内部环境入口接收来自内部环境的内部环境气体流，并且在经过耗氧电解槽之后将调节过的气体流通过内部环境出口返回到内部环境；

其中所述内部环境气体的氧气浓度比调节过的气体的氧气浓度高。

27.如权利要求26所述的环境控制系统，其中所述交换导管在调节室内具有嵌套的长度。

28.如权利要求26所述的环境控制系统，其中所述隔膜至少部分地被配置在所述交换导管上。

29.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是食物储藏室。

30.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是冷藏箱。

31.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是食物冷藏箱。

32.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是冷藏酒柜。

33.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是化学品储藏箱。

34.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是药品储藏箱。

35.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是工艺品储藏箱。

36.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是具有可上锁门的的保险箱。

37.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是植被生长环境。

38.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中所述内部环境是雪茄盒。

39.如权利要求1，4，5，8或18所述的环境控制系统，其中环境控制系统与正气道压力耦合，正气道压力装置向正气道压力装置提供空气流。

40.如权利要求39所述的环境控制系统，其中所述正气道压力装置包括：

a)流体发生器，用于产生正压力流体；

b)与流体发生器耦合的软管，以接收正压力流体；

c)接口，用于将具有所述正压力流体的软管耦合到人的呼吸系统。

41.一种环境控制系统，于内部环境相耦合，所述环境控制系统包括：

a)调节室，包括：

i)和所述内部环境流体连通的氧气控制室；

ii)湿度控制室；

其中湿度控制装置和控制室流体连通；

iii)配置在氧气控制室和湿度控制室之间的隔膜，用于向所述氧气和湿度控制室之间输送湿气；

其中所述隔膜包括离聚物和基本上不透空气；

其中氧气控制电解槽是氧气控制室内的氧气浓度；以及

b)耗氧电极槽包括：

i)离聚物

ii)阳极；

iii)阴极；

其中所述阳极和阴极被配置在离聚物相对的两侧；

其中阴极与所述氧气控制室流体连通；以及

其中电源与阳极和阴极耦合以在所述阳极和阴极之间提供电势以启动水的电解，其中水反应在阳极上形成氧和质子，并且所述质子在阴极与氧反应形成水；

c)除湿装置，其和湿度控制室流体连通且被配置为降低湿度控制室的湿度水平；以及

d)控制器，其与电源和耗氧电解槽耦合以控制阳极和阴极之间的电势；

其中氧气控制室的湿度水平是由经过隔膜到湿度控制室的湿气转移来降低；以及

其中内部环境内的氧气浓度是由耗氧电解槽降低，并且在内部环境内的湿度水平是由除湿装置降低。