CN1780656A - 氧气的制取方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及为制取单质氧或为增加使用者呼吸用的空气中氧气浓度的一种方法和设备。根据本发明，通过使用电能(电解)将水分解为氢气和单质氧，单质氧与呼吸用的空气相混合，氢气与周围环境中的空气相混合以转化回水(燃料氧化反应)。水分解为氢气和单质氧与氢气和周围空气转化为水同时连续地发生，形成一个反应循环，而且两者相互结合，在转化过程中产生的电能用来减少分解所需的能量。最终，将水分解为氢气和单质氧的电解池装置与将氢气和周围空气转化为水的燃料电池进行电连，以此来转移液体。

Description

氧气的制取方法和设备
本发明涉及氧气的制取方法和设备，以及其在不同领域中的应用。
当因为医疗或其它原因向使用者或病人供给氧气时，通常使用高纯度的氧气，而不使用周围空气中存在着的普通氧气。
为此目的，现有技术中主要已知有三种可能的设备和方法。
例如，采用一种被称为氧气浓缩器的设备。在该设备中交替选用两个分子筛装置，吸入的空气先通过空气过滤器进行过滤，然后用压缩机压缩，经由阀门交替向分子筛供给气体。分子筛中填充有能吸收气体的沸石。通过气体产生的压力，沸石对氧与氮的吸收比明显偏向氮，从而使高纯度的氧气离开分子筛。大约有三分之一的氧气供给使用者或病人。通常，氧气浓缩器存在缺陷，易出现故障。而且，压缩机在运行时会产生相当大的噪音，且设备体积庞大。
另一种适合用来制取高纯度氧气的方法的依据是：在合适的高压容器中保存着的，以液态形式存在的氧经过现有技术中已知的转化过程转变为气态，然后提供给病人。此方法的不足之处是需要不断提供液态氧，而且液态氧的取得需要一定的费用，特别是在医院外使用时。
此外，人们也知道所需要的氧气可在由高压容器供应取得。此时，一定的后勤支出也是必不可少的。而且，必需经受200巴以上压力的高压容器相应较为笨重，并且难以运送。
上文提到的三种制取氧气的方法和设备有其共同的、明显的缺点：一方面是需要特定的设备配置；另一方面是因为还需要取得原料，因此它们对于移动用途，，其使用是很有限的。
为避免上述现有技术的缺点，本发明的目标是提出一种有效的方法，可以用非常简便的方式提供给使用者几乎纯净的氧气。而且，本发明的另一个目标是提供实现此方法的设备，该设备轻便、操作简单、相对没有噪音。
采用符合权利要求1～6所述的方法和权利要求11所述的设备可实现上述目标。
基本上，本发明提供了两种制取氧气的方法。
在第一种本发明的方法中，采用已知的电解法把水分解为氢气和氧气，然后将氧气与呼吸用的空气混合。产生的氢气然后与周围的空气发生偶合燃料(coupledfuel)氧化反应，再次转化为水。在这方面，根据本发明，电解和燃料氧化反应以这样的方式相互结合，形成一个反应循环，同时并连续发生反应是必需的。根据本发明，在燃料氧化反应中放出的电能随后用来减少水分解时所需的能量。
根据此方法的进一步发展，在燃烧过程中生成的水，可再循环至分解过程。
根据此方法的一个有利进展，维持此反应循环所需的电能可通过与电解反应相结合的燃料氧化反应本身来产生；也可以通过发生与第一个燃料氧化反应不相关的第二个燃料氧化反应来产生，将不是从所述电解反应中产生的或是由另外一个能源提供的额外氢气上述两个燃料氧化反应。
第二个燃料氧化反应所需的额外氢气可直接从一储存介质中获得，尤其是从金属氢化物储存介质或高压储存介质中获得。根据本发明的一个具体实施方案，此额外的氢气是通过燃料重整过程，例如从硼氢化钠中获得的。
在此方法的进一步有利发展中，此燃料可以是，例如甲醇。
根据本发明，也可采用第二种方法制取氧气，其依据是：电解反应和燃料氧化反应相互如此交织在一起，使得在电解反应中生成的氢气转移到进行燃料氧化反应这一中间步骤可以省略。为此，根据本发明，水在电解槽的阳极区催化分解为氢离子和氧离子，氢离子通过聚合物电解质膜(PEM)迁移至电解槽的阴极区，然后在阴极区与周围的空气发生催化反应，再次转化为水。在阳极区，氧离子放出电子，生成氧气，然后与呼吸用的空气相混合。
根据本发明，在第二种方法的进行过程中，在阴极区生成的水也能再次循环至阳极区参与分解反应。
这种发明的方法也可变动，维持反应循环所必需的电能可通过一个附加的燃料氧化反应获取，该燃料氧化反应与反应循环是分开进行的，因为可从燃料中重组得到的额外氢气被提供来参加上述附加的燃料氧化反应。
为实现上文最初提到的方法，根据本发明，需将电解池与燃料电池电连接，并可传送流体。
在这一方面，根据本发明，把电解池和/或燃料电池制作成所谓的PEM池是有好处的。在PEM池中使用塑料膜作电解质，它可实现离子迁移，并且只能传导质子。采用聚合物膜而不是氢氧化钾作电解质的优势在于，前者可简化反应系统，最重要的是能够得到更高的功率密度。而且，与碱性系统相比，PEM池对二氧化碳污染不灵敏，因此无需使用非常纯净的反应气体，且燃料电池也可用空气运作。
当向PEM电解池中施加一外电压时，水在阳极区被电解，根据方程式 直接生成气态氧、电子和H+离子。H+离子(质子)通过传导质子的PEM膜迁移至阴极区，并随着电子在外部导电电路中的流动，根据方程式 形成氢气，总反应为 。然后将制得的纯氧排出，与病人呼吸用的空气相混合；而氢气则传送至PEM燃料电池中。
燃料电池的作用模式与电解池相反。提供给燃料电池负极上的氢气被氧化，在电极的催化作用下分解为质子和电子( )。氢离子再次通过传导质子的PEM膜移至负极区。在外电路闭合的情况下，电子迁移至正极上并在线路上作电功。周围空气中含有的输送到正极的氧气(不纯净)然后被还原，与质子一起合成水( )，所以总反应为 。
如前文所述，生成的水可再次供给PEM池的阳极区，从而发生水分解反应。
根据本发明，第二种方法可用来制取氧气，是因为电解池和燃料电池结合在一个池内，最好结合为一个PEM池。根据本发明，通过电解反应制取气态氢，并把该氢气作为原料传送给燃料电池这一步此时省掉了，只使用一片聚合物膜作为电解质。在阳极区，供给的水催化分解为氧离子和氢离子( )。氢离子(质子)经聚合物膜迁移至PEM池的阴极区，并在此与周围空气中含有的氧气发生催化反应，根据方程式 生成水。生成的水可再次返回供应给池的阳极区。
在阳极区，产生的氧离子继而放出电子，根据方程式 生成氧气。然后气态氧可从池中排出，与使用者呼吸用的空气以适当比例混合。
在本发明的方法的两个变体中，气态的纯氧是在阳极区的水域中以气泡的形式产生的，然后输出，在本发明的一个具体实施例方案中，通入一个脱水器，此处的纯氧气泡可与水分离，然后适当地排出。
已证明在人的吸气过程中，只占总体积8％的氧气能进入肺部，转移至血液循环系统。本发明的设备可采用电子控制器，最好用微处理器来控制，也被称是一个指挥系统。该系统在使用者吸气的初始阶段只给出这个氧气量，也就是说，在各个呼吸阶段只给出这个具体的氧气量与使用者呼吸用的空气相混合。
因此，适合使用的电解池尺寸较小，用作制取氧气的原料也只需要少量的水。
同时生成的氢气可以例如经燃烧管催化处理后变为水汽排入周围环境中；或者此生成的氢气在一个电解池与燃料电池结合起来的较佳实施例方案，与周围的空气一起发生燃料氧化反应转变回水。
根据本发明，可采取直接连接供电干线或使用可更换的电池来提供电能，以运行或维持各个反应。
在本发明一个特别好的发展中，使用一个附加的燃料电池，最好是直接甲醇燃料电池用来供应能量。该甲醇可随意从一个柱系统中得到。
本发明还一个特别好的发展中，氧气先收集在一储存系统中，然后通过电子控制器调控氧气的输出量，供给使用者。
在本发明的一个实施方案中，氧发生装置、高压储存系统、供给管道和电子控制器构成一组装备。其结构使得整个设备携带轻便，并可由病人缚在身上携带。
制取氧气所需的电能可从一电源中获取，最好是连接到供电干线上。根据本发明，这个电源可以是固定不动的，整体形成了所谓的“码头部分”。本发明设备的可移动部分可与此“码头部分”结合，就可实现氧气制取过程。换句话说，只要储存系统中有氧气，可移动部分就能脱离能源，单独携带使用。当高压储存系统中没有氧气后，可移动部分就再次与电源连接，使其充满纯氧。高压储存系统的容积决定了可移动部分使用时间的长短。
本发明的氧发生装置需要有一个单独的入水口，通过该入水口供给水，例如从高压储存系统中供给水；或在本发明的一个实施方案中，将此氧氧发生装置与固定的“码头(docking)部分”上提供的供水管道相连接。
显而易见，由于使用了电解池和燃料电池——两者相互分离或结合在同一个池内(最好构成一个PEM池)，可制成一台轻便紧凑的设备，并因为其内部只发生化学反应而操作极其安静。并且，通过电子控制器调控生成氧气的输出量，能大大减小设备体积，这是因为此氧氧发生装置不必制取整个吸入气体体积的氧气，只需制取其中的一小部分。采用普通水作为制取氧气的原料也简化了该设备的使用，因此家庭使用也毫无问题。而且，本发明的一个发展优势就是该设备也能制成移动式的。
此设备更进一步的优势和发展是自从属权利要求中产生的。
本发明所依据的原理的运行模式，在下面将通过附图作更详细地解释，其中
图1为发明方法和设备的流程方块图；图2为发明设备作为移动式设备的示意图。
图1为氧发生装置1产生氧气的发明原理的流程方块图。氧发生装置1由具体实施方案而定，可以是由一个电解池和一个燃料电池组合构成，也可以就是将电解池和燃料电池的功能结合在一起的单个PEM池。这些池的基本结构人们是通常知道的。
水储存系统2向氧发生装置1中提供水作为原料。然后在氧发生装置1中发生电解和燃料电池的相应反应。
在氧发生装置1的阳极区，纯氧以气泡的形式在水中产生。这部分水和氧气一起排出，并供给到脱水器3，从中纯氧与水分离。因此，脱水器一方面起到了氧储存系统4的作用，另一方面起到了水储存系统2的作用。
在氧发生装置1的阴极区，为使氢气能转化成水，可将周围的空气从管道5中输入。反应产生的水和氧气一样也要通过脱水器7，然后从管道6中排出。
经脱气处理的水收集到水储存系统8中后，需通过再循环管道9加入到接在水储存系统2上的供给管道10中，从而形成了一个封闭循环。
来自氧储存系统4中的纯氧通过进气管道11供应到病人呼吸用的空气中。
被CPU13控制的电子控制系统12也被称为是一个指挥系统，它通过阀门14调控纯氧所选定的排出量。
CPU13通过阀门15，再次控制补水系统16的供水量。
CPU13或指挥系统12可与一些传感器相连，这些传感器根据使用者的吸气量测定纯氧的需求量。
整个系统的控制、分解和转化过程都需要能源提供电能才能运行。图中没有显示此能源，它可以是个电池，也可以是供电干线，或者是个附加的燃料电池。同时使用一个变流器17。
图2示意显示了本发明的一个设备，它是由移动式部分18和固定式部分19组成的。
移动式部分18是由氧发生装置1、高压储存系统20组成。后者与氧发生装置1直接相连，其中收集有电解产生的纯氧。
在高压储存系统20和供给病人氧气的管道21之间安装有减压阀22。采用已知的阀门技术将供应管道21与电子系统12相连接，使得纯氧仅在吸气阶段的特定次数下，每隔一定时间从高压储存系统20中输出氧气，供应到病人呼吸用的空气中，该空气中的氧气浓度可选择性地升高。
移动式部分18中的氧发生装置1通过电接线23与固定式部分19中的供电干线部分24相连接。

Claims (29)

1.一种增加呼吸用空气中氧气浓度的方法，所述方法利用电能将水分解为氧气和氢气即进行电解，生成的氧气与呼吸用的空气相混合，将氢气与周围的空气发生反应即燃料氧化反应，再次转化为水，水分解为氧气和氢气与氢气和周围空气反应转化为水同时连续地发生，形成一个反应循环，两者相互结合，因而在氢气的氧化过程中产生的电能可用来减少电解过程所需的能量。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转化过程中生成的水再次返回到分解过程。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用来开始和/或维持反应循环所需的电能是从电源中获取的。
4.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用来开始和/或维持反应循环所需的电能只能从该燃料氧化反应或一附加的燃料氧化反应中获取，上述两个反应各自独立发生，对这两个反应，都提供额外的氢气。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述额外的氢气从甲醇中获取。
6.一种增加呼吸用空气中氧气浓度的方法，所述方法利用电能将水催化分解为氢离子和氧离子，氧离子通过放出电子结合为氧，并与呼吸用的空气相混合，氢离子与电子和周围的空气发生催化反应，再次转化为水，水分解为氢离子和氧离子，氧离子相互结合为氧气与氢离子和周围空气反应转化为水的反应是同时连续地发生的，从而形成反应循环。
7.权利要求6所述的方法，其特征在于，生成的水再次返回到分解过程。
8.权利要求6或7所述的方法，其特征在于，用来开始和/或维持反应循环所需的电能是从能源中获取的。
9.权利要求6或7所述的方法，其特征在于，用来开始和/或维持反应循环所需的电能是由另一燃料氧化反应产生的，向该反应提供额外的氢气。
10.权利要求9所述的方法，其特征在于，所述额外的氢气是从甲醇中获取的。
11.增加呼吸用的空气中氧气浓度的设备，它是由氧气氧发生装置(1)、电源、从氧发生装置(1)连到使用者的进气管道和电子控制器(12)组成，所述设备可将选择量生成的氧气与使用者呼吸用的空气混合，特别是在吸气的初始阶段。
12.权利要求11所述的设备，其特征在于，氧发生装置(1)是用来将水分解为氧气和氢气的电解池。
13.权利要求11或12所述的设备，其特征在于，将氢气和周围的空气转化为水的燃料电池与电解池电连接以便传递液体，使得在转化过程中产生的电能用来减少分解反应所需的能量，在转化过程中生成的水再次返回到分解过程。
14.权利要求13所述的设备，其特征在于，电解池和/或燃料电池被制作成PEM池即聚合物电解质膜池。
15.权利要求14所述的设备，其特征在于，所述燃料电池与适于再充入或可更换的氢储存设备(2)相连接，特别是与金属氢化物储存设备或高压储存设备相连接。
16.权利要求15所述的设备，其特征在于，所述氢储存设备与一燃料重整器相连接。
17.权利要求13所述的设备，其特征在于，所述电解池和燃料电池结合在一个池内，特别是结合为一个PEM池。
18.权利要求11～17任一项所述的设备，其特征在于，所述电源是电池和/或供电干线接头。
19.权利要求11～17任一项所述的设备，其特征在于，所述电源是个附加的燃料电池。
20.权利要求19所述的设备，其特征在于，所述燃料电池被制成直接甲醇燃料电池。
21.权利要求20所述的设备，其特征在于，它具有一次性使用或可再度使用的甲醇萃取柱系统。
22.权利要求19所述的设备，其特征在于，所述附加的燃料电池与适于再充入或可更换的氢气储存系统相连接。
23.权利要求11～22任一项所述的设备，其特征在于，在氧发生装置(1)和氧气的供给管道(11)中间，安装有整体的或可拆除的氧气储存系统(4)，特别是高压储存系统；在氧发生装置(1)中不断生成的氧气被收集到氧气储存系统(4)中，并由电子控制器(12)从中调节氧气输出，特别是只在吸气的初始阶段排出，然后与使用者呼吸用的空气相混合。
24.权利要求23所述的设备，其特征在于，电子控制器(12)与传感器相连，用以计量使用者所需的氧气量。
25.权利要求11～24任一项所述的设备，其特征在于，它被制成固定式或移动式设备。
26.权利要求25所述的设备，其特征在于，氧发生装置(1)、高压储存系统(20)、供氧管道(11)和电子控制器(12)被制作成为移动式部分(18)，电源被制成固定式部分(19)，两部分可彼此连接以制取并储存氧气。
27.权利要求26所述的设备，其特征在于，所述固定部分(19)有进水接口。
28.权利要求26或27所述的设备，其特征在于，所述高压储存系统(20)通过减压器(22)与供氧管道相连。
29.使用权利要求1～10任一项所述的方法和权利要求11～28任一项所述的设备对患有病理性肺损伤的病人进行辅助医疗保健，或对重病特别护理的病人做人工呼吸急救时使用，或在运动员训练时使用，或在氧疗时使用。
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