DE10111749A1 - Respiratory oxygen formed by electrolysis of water and surrendering secondary hydrogen to a fuel cell for energy recovery - Google Patents

Respiratory oxygen formed by electrolysis of water and surrendering secondary hydrogen to a fuel cell for energy recovery

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Abstract

In a process to supply pure oxygen for respiration, water is split by electrolysis into hydrogen and oxygen. The oxygen is admixed to respiratory air while the hydrogen is simultaneously used in a fuel cell to generate electricity that is used in the electrolysis process. The two processes are especially coupled in a single assembly. Also claimed is a suitable assembly (1) with an oxygen supply (11) and an electronic control unit (12) which regulates the admixture of oxygen to respiratory air during inhalation. The electrolysis unit and/or fuel cell consist of a poly-electrolyte membrane cell within a single integrated unit. The cell has a water storage unit (2) which is a metal hydride storage unit or pressure storage unit and is linked to with a fuel-reformer unit. The external energy supply is either an accumulator or mains electricity. The fuel call may alternatively be a direct methanol fuel cell. The unit may be constructed for fixed or mobile use.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Sauerstoff sowie deren Verwendung in unterschiedlichen Gebieten.The present invention relates to a method and an apparatus for generating supply of oxygen and its use in different areas.

Nahezu reiner Sauerstoff wird oftmals dann benötigt, wenn einem Benutzer bzw. einem Patienten aus medizinischen oder sonstigen Gründen anstatt des herkömm­ lichen in der Umgebungsluft vorkommenden Sauerstoffs entsprechend reiner Sau­ erstoff zugeführt werden soll.Almost pure oxygen is often required when a user or a patient for medical or other reasons instead of the conventional oxygen in the ambient air corresponding to pure sow material to be supplied.

Aus dem Stand der Technik sind hierzu im wesentlichen drei mögliche Vorrich­ tungen bzw. Verfahren bekannt.There are essentially three possible devices from the prior art for this purpose lines or procedures known.

So kommen beispielsweise sogenannte Sauerstoff oder O2-Konzentratoren zum Einsatz. In diesen werden zwei Molekularsiebe wechselweise angesteuert, indem Luft über einen Luftfilter angesaugt, mit einem Kompressor verdichtet und über Ventile den Molekularsieben wechselweise zugeführt wird. Die Molekularsiebe sind mit Zeolithen gefüllt, die Gase absorbieren. Durch den erzeugten Druck wird das Adsorptionsverhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff in hohem Maße zu Stick­ stoff hin verschoben, so dass den Molekularsieb nahezu reiner Sauerstoff verlässt, wovon ca. ein Drittel dem Benutzer bzw. Patienten zugeführt wird. O2-Konzentratoren sind im allgemeinen fehlerbehaftet und anfällig. Zudem sind die Kompressoren entsprechend geräuschintensiv und die Geräte voluminös. So-called oxygen or O 2 concentrators are used, for example. In these two molecular sieves are controlled alternately, by sucking air in through an air filter, compressing it with a compressor and feeding it to the molecular sieves alternately via valves. The molecular sieves are filled with zeolites that absorb gases. Due to the pressure generated, the adsorption ratio of oxygen to nitrogen is largely shifted towards nitrogen, so that the molecular sieve leaves almost pure oxygen, of which approximately a third is supplied to the user or patient. O 2 concentrators are generally faulty and susceptible. In addition, the compressors are correspondingly noise-intensive and the devices are bulky.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung nahezu reinen Sauerstoffs beruht auf der Tatsache, einen in einem flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Sauerstoff, der in entsprechenden Druckbehältnissen gelagert ist, über einen aus dem Stand der Technik an sich hinlänglich bekannten Umwandlungsprozess in einen gasförmi­ gen Aggregatszustand zu überführen und sodann einem Patienten zuzuführen. Dieser Möglichkeit wohnt der Nachteil inne, dass stets flüssiger Sauerstoff zur Verfügung stehen muss, was gerade bei einem Einsatz insbesondere außerhalb einer Klinik einen gewissen Aufwand erfordert.Another possibility for producing almost pure oxygen is based on the Fact, an oxygen in a liquid state, the is stored in appropriate pressure containers, via a from the state of the Technology in a well-known conversion process into a gaseous to transfer the state of aggregation and then deliver it to a patient. This possibility has the disadvantage that liquid oxygen is always used What must be available, especially when used outside requires a certain effort in a clinic.

Es ist des weiteren auch bekannt, den erforderlichen Sauerstoff in Druckgasfla­ schen bereitzustellen. Auch hier ist ein gewisser logistischer Aufwand nicht zu vermeiden, zudem sind die Druckflaschen, die einen Druck bis zu 200 bar aus­ halten müssen, entsprechend schwer und schwierig zu transportieren.It is also known, the required oxygen in Druckgasfla to provide. Here, too, a certain logistical effort is not necessary avoid, moreover, the pressure cylinders, which have a pressure of up to 200 bar have to hold, correspondingly heavy and difficult to transport.

Allen drei oben genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von ele­ mentarem Sauerstoff ist der wesentlich Nachteil gemeinsam, dass sie für einen mobilen Einsatz aufgrund ihrer spezifischen konstruktiven Ausgestaltung einer­ seits und ihrer Notwendigkeit zur Bereitstellung von Ausgangsstoffen andererseits nur beding oder überhaupt nicht mobil einsatzfähig sind.All three of the above-mentioned methods and devices for producing ele Mental oxygen has the major disadvantage in common that it is for one mobile use due to its specific design on the one hand and their need to provide raw materials on the other can only be used to a limited extent or not at all.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das auf ein­ fachste Weise einem Benutzer nahezu reinen Sauerstoff zur Verfügung stellen kann. Darüber hinaus ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine dieses Verfahren implementierende Vorrichtung bereitzustellen, die leicht zu handhaben und ent­ sprechend geräuscharm sowie leicht ist.Based on the disadvantages known from the prior art, it is the Object of the present invention to provide a method based on a most convenient way to provide almost pure oxygen to a user can. Furthermore, it is the object of this invention, one of these methods provide implementing device that is easy to handle and ent speaking silent and light.

Gelöst werden diese Aufgaben einerseits mit einem Verfahren jeweils gemäß dem Anspruch 1 und Anspruch 6 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 11. On the one hand, these tasks are solved with a procedure according to the Claim 1 and claim 6 and an apparatus according to claim 11.  

Prinzipiell stellt die vorliegende Erfindung zwei Verfahren zur Erzeugung von elementarem Sauerstoff bereit.In principle, the present invention provides two methods for generating elemental oxygen ready.

Bei einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der an sich bekann­ ten Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und in elementaren Sauerstoff aufgespaltet, der der Atemluft dann beigemischt wird. Der dabei entstehende Wasserstoff kann dann über eine daran gekoppelte Brennstoffreaktion zusammen mit Umgebungs­ luft wieder in Wasser umgewandelt werden, wobei es erfindungswesentlich ist, dass die Elektrolyse und die Brennstoffreaktion so miteinander gekoppelt sind, dass sie einen Reaktionskreislauf ausbilden und gleichzeitig und kontinuierlich ablaufen können. Gemäß der Erfindung wird die bei der Brennstoffreaktion frei­ werdende elektrische Energie dann zur Reduktion des Energiebedarfs für die Auf­ spaltung herangezogen.In a first method according to the invention, the method is known per se electrolysis split water into hydrogen and elemental oxygen, which is then added to the air we breathe. The resulting hydrogen can then via a coupled fuel reaction together with ambient air can be converted back into water, it being essential to the invention, that the electrolysis and the fuel reaction are so coupled that they form a reaction cycle and simultaneously and continuously can expire. According to the invention, the fuel reaction is released then electrical energy to reduce the energy requirement for the on division used.

Nach einer weiteren Ausführung dieses Verfahrens wird das bei der Brennstoffre­ aktion gewonnene Wasser der Aufspaltung wieder zugeführt.After a further execution of this method, the fuel will action won water fed to the splitting again.

Nach einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird die zur Aufrechterhal­ tung des Reaktionskreislaufes notwendige elektrische Energie entweder durch die mit der Elektrolyse gekoppelte Brennstoffreaktion selbst oder durch eine von die­ ser getrennt ablaufenden zweiten Brennstoffreaktion erzeugt, wobei beiden Brennstoffreaktionen dann zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird, der nicht von der Elektrolyse stammt, oder aber von einer separaten Energiequelle geliefert.According to an advantageous embodiment of the method, the maintenance tion of the reaction cycle necessary electrical energy either through the with the electrolysis coupled fuel reaction itself or by one of the generated separately running second fuel reaction, both Fuel reactions then additional hydrogen is supplied, which is not from the electrolysis comes from, or supplied by a separate energy source.

Der hierzu notwendige zusätzliche Wasserstoff kann direkt aus einem Speicher, insbesondere einem Metallhybridspeicher oder Druckspeicher, bereitgestellt wer­ den, wobei der Wasserstoff gemäß einer Ausführung der Erfindung mittels eines Brennstoffreformprozesses eines Brennstoffes, beispielsweise Natriumborhydrid, gewonnen wird. The additional hydrogen required for this can be obtained directly from a storage facility, in particular a metal hybrid storage or pressure storage, who provided the, wherein the hydrogen according to an embodiment of the invention by means of a Fuel reforming process of a fuel, for example sodium borohydride, is won.  

In einer vorteilhaften Ausführung dieses Verfahrens kann der Brennstoff bei­ spielsweise Methanol sein.In an advantageous embodiment of this method, the fuel can for example, be methanol.

Gemäß der Erfindung lässt sich elementarer Sauerstoff in einem zweiten Verfah­ ren auch dadurch erzeugen, dass der Elektrolyseprozess und die Brennstoffreakti­ on miteinander so verwoben werden, dass der Zwischenschritt der Überführung des bei der Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in die Brennstoffreaktion entfällt. Hierzu wird gemäß der Erfindung Wasser katalytisch an einer Anodenseite einer Zelle in Wasserstoffionen und Sauerstoffionen aufgespaltet, wobei sich die Was­ serstoffionen durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) auf eine Kathoden­ seite dieser Zelle bewegen, in der diese katalytisch mit Umgebungsluft wieder zu Wasser umgewandelt werden. An der Anodenseite reagieren die Sauerstoffionen unter Abgabe von Elektronen zu elementaren Sauerstoff, der dann der Atemluft beigemischt wird.According to the invention, elemental oxygen can be processed in a second process also generate by the electrolysis process and the fuel reactions on to be woven together so that the intermediate step of the transfer of the hydrogen generated in the electrolysis is eliminated in the fuel reaction. For this purpose, according to the invention, water becomes catalytically on an anode side Cell split into hydrogen ions and oxygen ions, the What ion ions through a polymer electrolyte membrane (PEM) onto a cathode move side of this cell, in which it closes again catalytically with ambient air Water to be converted. The oxygen ions react on the anode side giving off electrons to elemental oxygen, which is then exhaled is added.

Gemäß der Erfindung kann auch bei diesem zweiten Verfahren das auf der Ka­ thodenseite gewonnene Wasser der Aufspaltung an der Anodenseite wieder zuge­ führt.According to the invention, this can also be done on the Ka water obtained on the method side of the splitting on the anode side again leads.

Auch bei dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante lässt sich die zur Auf­ rechterhaltung des Reaktionskreislaufes notwendige elektrische Energie durch eine zusätzliche, getrennt zu dem Verfahren ablaufende Brennstoffreaktion bereit­ stellen, indem zusätzlicher Wasserstoff, der gegebenenfalls aus einem Brennstoff reformierbar ist, dieser zugeführt wird.In this variant of the method according to the invention, too, maintenance of the reaction cycle necessary electrical energy an additional fuel reaction that takes place separately from the process is ready make by adding additional hydrogen, possibly from a fuel is reformable, this is fed.

Zur Durchführung des erstgenannten Verfahrens wird gemäß der Erfindung ein Elektrolyseur mit einer Brennstoffzelle elektrisch und zur Übertragung von Flui­ den verbunden.According to the invention, a to carry out the first-mentioned method Electrolyser with a fuel cell electrical and for the transmission of flui the connected.

Hierbei ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, wenn der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle als sog. PEM-Zelle ausgebildet sind. Bei dieser wird als Elektrolyt eine Kunststoffmembran verwendet, die den Ionentransport durchführt und dabei nur Protonen leitet. Der Vorteil von Polymermembranen gegenüber Kali­ lauge als Elektrolyt ist neben einer Systemvereinfachung vor allem eine damit erreichbare höhere Leistungsdichte. Darüber hinaus ist eine PEM-Zelle im Ver­ gleich zu einer alkalischen Einheit unempfindlich gegenüber Verunreinigungen durch Kohlendioxid, wodurch auf die Verwendung sehr reiner Reaktionsgase ver­ zichtet werden kann und damit auch ein Brennstoffzellenbetrieb mit Luft möglich ist.It is advantageous according to the invention if the electrolyzer and / or the fuel cell is designed as a so-called PEM cell. This is called the electrolyte  uses a plastic membrane that carries out the ion transport and leads only protons. The advantage of polymer membranes over potash In addition to simplifying the system, alkali as an electrolyte is one of them achievable higher power density. In addition, a PEM cell is in the ver equal to an alkaline unit insensitive to contamination by carbon dioxide, which ver ver the use of very pure reaction gases can be waived and thus a fuel cell operation with air is possible is.

Bei dem PEM-Elektrolyseur wird auf der Anodenseite Wasser bei angelegter äu­ ßerer Spannung elektrolytisch direkt in gasförmigen elementaren Sauerstoff, Elektronen und H+-Ionen nach der Gleichung 2H2O → 4e- + 4H+ + O2 aufgespal­ tet. Die H+-Ionen (Protonen) wandern durch eine protonenleitende PEM-Membran zur Kathode und bilden dort mit den über einen äußeren Leiterkreis fließenden Elektronen Wasserstoffgas nach der Gleichung 4H+ + 4e- → 2H2, wobei sich die Gesamtreaktion ergibt zu 2H2O → 2H2 + O2. Der reine Sauerstoff O2 wird dann abgeführt, um der Atemluft eines Patienten beigemischt zu werden, während der Wasserstoff an eine PEM-Brennstoffzelle weitergeleitet wird.In the PEM electrolyser, water is electrolytically split on the anode side when external voltage is applied directly into gaseous elemental oxygen, electrons and H + ions according to the equation 2H 2 O → 4e - + 4H + + O 2 . The H + ions (protons) migrate through a proton-conducting PEM membrane to the cathode, where they form hydrogen gas with the electrons flowing over an outer conductor circuit according to the equation 4H + + 4e - → 2H 2 , whereby the overall reaction results in 2H 2 O → 2H 2 + O 2 . The pure oxygen O 2 is then removed to be admixed with a patient's breath while the hydrogen is passed on to a PEM fuel cell.

Die Funktionsweise dieser Brennstoffzelle entspricht quasi dem umgekehrten Prinzip der entsprechenden Elektrolysezelle. Das an die Anode dieser Zelle ge­ führte Wasserstoffgas wird oxidiert, wobei es durch die katalytische Wirkung der Elektrode in Protonen und Elektronen zerfällt (2H2 → 4H+ + 4e-). Die H+-Ionen gelangen wiederum durch eine protonenleitende PEM-Membran auf die Katho­ denseite. Die Elektronen wandern bei geschlossenem äußeren Stromkreis zur Ka­ thode und verrichten auf diesem Wege elektrische Arbeit. Der an die Kathode geführte, in der Umgebungsluft enthaltene (nicht reine) Sauerstoff wird sodann reduziert, wobei zusammen mit den Protonen Wasser gebildet wird (4e- + 4H+ + O2 → 2H2O), so dass sich die Gesamtreaktion zu 2H2 + O2 → 2H2O ergibt. The functioning of this fuel cell corresponds to the reverse principle of the corresponding electrolysis cell. The hydrogen gas led to the anode of this cell is oxidized, whereby it decomposes into protons and electrons due to the catalytic effect of the electrode (2H 2 → 4H + + 4e - ). The H + ions in turn reach the cathode side through a proton-conducting PEM membrane. When the external circuit is closed, the electrons migrate to the cathode and in this way perform electrical work. The (impure) oxygen contained in the ambient air and then led to the cathode is then reduced, water being formed together with the protons (4e - + 4H + + O 2 → 2H 2 O), so that the overall reaction becomes 2H 2 + O 2 → 2H 2 O results.

Wie vorhergehend bereits erwähnt, wird das dabei gewonnene Wasser wieder dem Aufspaltungsprozess an der Anodenseite des PEM-Elektrolyseurs zugeführt.As previously mentioned, the water obtained in the process is returned to the Splitting process fed to the anode side of the PEM electrolyser.

Das zweitgenannte Verfahren lässt sich gemäß der Erfindung mit einer Vorrich­ tung durchführen, die den Elektrolyseur und die Brennstoffzelle in einer Zelle, vorzugsweise als PEM-Zelle, vereint. Hierbei wird gemäß der Erfindung der Schritt zur Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffs aus der Elektrolyse und des­ sen Weiterleitung als Ausgangsprodukt für eine Brennstoffreaktion ausgelassen, wobei nur eine Polymermembran als Elektrolyt zum Einsatz kommt. Auf der Anodenseite wird zugeführtes Wasser katalytisch in Sauerstoffionen und Was­ serstoffionen aufgespaltet (H2O → O2- + 2H+). Die Wasserionen (Protonen) wer­ den durch die Polymermembran zur Kathodenseite der Zelle geleitet und reagie­ ren dort katalytisch mit aus der Umgebungsluft zugeleiteten Sauerstoff zu Wasser nach 4H+ + O2 + 4e- → 2H2O. Das so entstandene Wasser kann wiederum zurück­ geleitet und der Anodenseite dieser Zelle zugeführt werden.The second-mentioned method can be carried out according to the invention with a device which combines the electrolyzer and the fuel cell in one cell, preferably as a PEM cell. In this case, according to the invention, the step for generating the gaseous hydrogen from the electrolysis and its forwarding as a starting product for a fuel reaction is omitted, only one polymer membrane being used as the electrolyte. On the anode side, supplied water is catalytically split into oxygen ions and hydrogen ions (H 2 O → O 2- + 2H + ). The water ions (protons) are passed through the polymer membrane to the cathode side of the cell and react there catalytically with oxygen supplied from the ambient air to water after 4H + + O 2 + 4e - → 2H 2 O. The water thus created can in turn be returned and the anode side of this cell.

An der Anodenseite bilden die Sauerstoffionen unter Abgabe von Elektronen dann den elementaren Sauerstoff nach 2O2- → O2 + 4e- aus. Der gasförmige elementare Sauerstoff kann dann aus dieser Zelle abgeführt werden und der Atemluft eines Benutzers entsprechend beigemischt werden.On the anode side, the oxygen ions then give off the elemental oxygen according to 2O 2- → O 2 + 4e - while releasing electrons. The gaseous elemental oxygen can then be removed from this cell and added to the breathing air of a user accordingly.

In beiden Varianten des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung entsteht auf der Anodenseite der gasförmige reine Sauerstoff in Bläschenform in dem zugeleiteten Wasser, wobei dieses dann abgeleitet und in einer Ausführungs­ form der Erfindung einem Wasserabscheider zugeführt wird, in dem sich die Blä­ schen des reinen Sauerstoffs von dem Wasser trennen und dann dieser entspre­ chend abgeführt werden kann.In both variants of the method and the device according to the invention The gaseous pure oxygen in bubble form is formed on the anode side the supplied water, which is then drained and in an execution form of the invention is supplied to a water separator in which the Blä Separate pure oxygen from the water and then correspond to it can be dissipated accordingly.

Als Lieferanten für die elektrische Energie zur Durchführung der einzelnen Reak­ tionen kann erfindungsgemäß entweder eine direkter Stromnetzanschluss oder ein austauschbarer Akku dienen. As a supplier of electrical energy to carry out the individual reak According to the invention, either a direct power supply connection or a replaceable battery.  

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Stromliefe­ rant eine weitere Brennstoffzelle, vorzugsweise eine Direkt-Methanol- Brennstoffzelle, wobei das Methanol gegebenenfalls über ein Kartuschensystem bereitgestellt wird.In a particularly advantageous embodiment of the invention, it serves as a current supply rant another fuel cell, preferably a direct methanol Fuel cell, the methanol optionally via a cartridge system provided.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Sauerstoff in einem Speicher gesammelt, aus dem er dann mittels einer elektronischen, mikroprozes­ sorgesteuerten Steuereinheit selektiv entnommen werden kann und dem Benutzer zugeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass nur ca. 8% des gesamten Volumen­ stroms während der Inhalationsphase eines Menschen in der Lunge umgesetzt und in den Blutkreislauf übertragen werden können. Gemäß der Erfindung stellt das elektronische Steuersystem, auch als sog. Demand-System bezeichnet, nur genau diesen Anteil zu Anfang der Inhalationsphase des Benutzers zur Verfügung, d. h. es wird nur diese bestimmte Menge dem Sauerstoffspeicher entnommen.In an advantageous embodiment of the invention, the oxygen is in one Memory is collected, from which it is then created using an electronic, microprocess can be removed selectively and the user is fed. It has been shown that only about 8% of the total volume current during the inhalation phase of a person in the lungs and can be transferred into the bloodstream. According to the invention, this represents electronic control system, also known as the so-called demand system, only exactly this portion is available at the beginning of the user's inhalation phase, d. H. only this specific amount is taken from the oxygen storage.

Es wird deutlich, dass durch die Verwendung eines Elektrolyseurs und einer Brennstoffzelle, entweder getrennt voneinander oder in einer einzigen Zelle kom­ biniert, vorzugsweise in ihrer Ausführung als PEM-Zelle, eine leichte und kom­ pakte Einheit gebildet wird, die aufgrund der darin ablaufenden Reaktionen auch äußerst geräuscharm ist. Darüber hinaus ermöglicht die elektronisch gesteuerte selektive Abnahme des erzeugten Sauerstoffs eine weitergehende Verkleinerung der Einheit, da nicht das gesamte Inhalationsvolumen, sondern lediglich ein be­ stimmter Bruchteil, an elementarem Sauerstoff erzeugt werden muss. Die Ver­ wendung von herkömmlichem Wasser als Sauerstofflieferant vereinfacht auch den Einsatz dieser Vorrichtung, so dass diese unproblematisch zu Hause einsetzbar ist und in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung auch als mobile Einheit ausges­ taltet sein kann.It becomes clear that by using an electrolyser and a Fuel cell, either separately or in a single cell binary, preferably in its design as a PEM cell, a light and com compact unit is formed, due to the reactions taking place in it is extremely quiet. In addition, the electronically controlled selective decrease of the generated oxygen a further reduction of the unit, since not the entire inhalation volume, but only a be right fraction, of elemental oxygen must be generated. The Ver Using conventional water as an oxygen supplier also simplifies this Use of this device so that it can be used at home without any problems and in an advantageous embodiment of the invention also as a mobile unit can be.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Further advantages and configurations of the devices result from the respective subclaims.  

Im folgenden soll die Funktionsweise des der Erfindung zugrundeliegenden Prin­ zips anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt die einzigeIn the following, the mode of operation of the prin on which the invention is based zips based on an embodiment shown in a drawing are explained. It shows the only one

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Verfahren bzw. der Vor­ richtung der Erfindung. Fig. 1 is a block diagram showing the method and the on direction of the invention.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Prinzips zur Erzeu­ gung von elementarem Sauerstoff mit einer Erzeugereinheit 1. Die Erzeugerein­ heit 1 besteht je nach Ausführungsform entweder aus einem Elektrolyseur, der mit einer Brennstoffzelle gekoppelt ist, oder aus einer einzigen PEM-Zelle, die die Funktionen eines Elektrolyseurs und einer Brennstoffzelle vereint. Der prinzi­ pielle Aufbau solcher Zellen ist allgemein bekannt. Fig. 1 shows a block diagram of the principle according to the invention for the generation of elemental oxygen supply with a generator unit 1. Depending on the embodiment, the generating unit 1 consists either of an electrolyzer, which is coupled to a fuel cell, or of a single PEM cell, which combines the functions of an electrolyzer and a fuel cell. The basic structure of such cells is generally known.

Der Erzeugereinheit 1 wird aus einem Wasserspeicher, 2 mit Wasser als Aus­ gangsstoff gespeist. In der Erzeugereinheit 1 laufen dann die entsprechenden Re­ aktionen der Elektrolyse und der Brennstoffreaktion ab.The generator unit 1 is fed from a water reservoir, 2 with water as the starting material. The corresponding reactions of electrolysis and the fuel reaction then take place in the generator unit 1 .

Der dabei entstehende reine Sauerstoff entsteht in Bläschenform in dem an der Anodenseite der Erzeugereinheit 1 vorhandenen Wasser. Dieses wird gemeinsam mit dem elementaren Sauerstoff abgeführt und einem Wasserabscheider 3 zuge­ leitet, in dem sich der reine Sauerstoff von dem Wasser trennt, so dass der Was­ serabscheider 3 einerseits als ein Sauerstoffspeicher 4 und andererseits als der Wasserspeicher 2 dient.The resulting pure oxygen is produced in the form of bubbles in the water present on the anode side of the generator unit 1 . This is discharged together with the elemental oxygen and leads to a water separator 3 , in which the pure oxygen separates from the water, so that the water separator 3 serves on the one hand as an oxygen reservoir 4 and on the other hand as the water reservoir 2 .

An der Kathodenseite der Erzeugereinheit 1 wird Umgebungsluft über eine Lei­ tung 5 zugeführt, um die Rückumwandlung in Wasser zu ermöglichen. Das dabei entstehende Wasser wird, ebenso wie der dabei anfallende Stickstoff über eine gemeinsame Leitung 6 gegebenenfalls über einen Wasserabscheider 7 abgeführt. At the cathode side of the generator unit 1 , ambient air is supplied via a line 5 to enable the conversion back into water. The resulting water, like the nitrogen produced, is optionally discharged via a common line 6 via a water separator 7 .

Das Wasser wird, nachdem es in einem Wasserspeicher 8 gesammelt wurde, über eine rückführende Leitung 9 der zuführenden Wasserleitung 10 von dem Wasser­ speicher 2 wieder beigemischt, so dass sich ein geschlossener Kreislauf bildet.After it has been collected in a water reservoir 8 , the water is admixed again via a return line 9 to the supply water line 10 from the water reservoir 2 , so that a closed circuit is formed.

Über eine Versorgungsleitung 11 wird der Atemluft des Patienten der reine Sauer­ stoff aus dem Sauerstoffspeicher 4 zugeführt.Via a supply line 11 , the patient's breathing air is supplied with pure oxygen from the oxygen storage 4 .

Ein elektronisches Steuersystem 12, auch Demand-System genannt, das von einer CPU 13 kontrolliert wird, regelt über ein Ventil 14 die selektive Entnahme des reinen Sauerstoffs.An electronic control system 12 , also called a demand system, which is controlled by a CPU 13 , regulates the selective removal of the pure oxygen via a valve 14 .

Die CPU 13 steuert wiederum über ein Ventil 15 die Zuführung von Wasser aus einem Wassernachfüllsystem 16.The CPU 13 in turn controls the supply of water from a water refill system 16 via a valve 15 .

Die CPU 13 bzw. das Demand-System 12 können dabei mit Sensoren in Verbin­ dung stehen, die den jeweiligen Bedarf an reinem Sauerstoff in Abhängigkeit der Inhalation des Benutzers ermitteln.The CPU 13 or the demand system 12 can be connected to sensors which determine the respective need for pure oxygen depending on the inhalation of the user.

Von einer nicht dargestellten Energiequelle, die als Akku, Stromnetzanschluss oder als weitere Brennstoffzelle ausgebildet sein kann, wird das gesamte System mit dem zur Durchführung der Steuerung und zur Durchführung der Aufspal­ tungs- und Umwandlungsprozesse notwendigen elektrischen Energie versorgt, wobei ein Stromwandler 17 zum Einsatz kommt.From an energy source, not shown, which can be designed as a battery, power supply connection or as a further fuel cell, the entire system is supplied with the electrical energy necessary for carrying out the control and for carrying out the splitting and conversion processes, a current transformer 17 being used ,

Claims (25)

1. Verfahren zur Erhöhung der Konzentration von elementarem Sauerstoff in der Atemluft, bei welchem Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und in elementaren Sauerstoff aufgespaltet (Elektrolyse), der elementare Sau­ erstoff der Atemluft beigemischt und der Wasserstoff mit Umgebungsluft wieder in Wasser umgewandelt (Brennstoffreaktion) wird, wobei die Auf­ spaltung des Wassers in Wasserstoff und in elementaren Sauerstoff und die Umwandlung des Wasserstoffs mit Umgebungsluft in Wasser unter Ausbil­ dung eines Reaktionskreislaufes gleichzeitig und kontinuierlich ablaufen und miteinander gekoppelt sind, indem die bei der Umwandlung gewonnene elektrische Energie zur Reduktion des Energiebedarfs für die Aufspaltung ge­ nutzt wird.1. Method for increasing the concentration of elemental oxygen in the air we breathe, in which water uses electrical energy in hydrogen and broken down into elemental oxygen (electrolysis), the elemental sow mixed with the breathing air and the hydrogen with ambient air is converted back into water (fuel reaction), the Auf splitting water into hydrogen and elemental oxygen and the Conversion of hydrogen with ambient air into water with training a reaction cycle run simultaneously and continuously and are linked together by the one obtained in the conversion electrical energy to reduce the energy requirement for the splitting ge is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das bei der Umwandlung gewonnene Wasser der Aufspaltung wieder zugeführt wird.2. The method according to claim 1, in which the water obtained from the transformation of the splitting is fed again. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die für den Beginn und/oder Aufrechthaltung des Reaktions­ kreislaufes notwendige elektrische Energie einer Energiequelle entnommen wird.3. The method according to claim 1 or 2, in which the for the start and / or maintenance of the reaction necessary electrical energy from an energy source becomes. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die für den Beginn und/oder Aufrechthaltung des Reaktions­ kreislaufes notwendige elektrische Energie ausschließlich durch die Brenn­ stoffreaktion oder durch eine weitere, dazu getrennt ablaufende Brennstoffre­ aktion erzeugt wird, denen jeweils zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird. 4. The method according to claim 1 or 2, in which the for the start and / or maintenance of the reaction circuit electrical energy required solely by the burning reaction or by another, separately running fuel action is generated, each of which is additionally supplied with hydrogen.   5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der zusätzliche Wasserstoff aus Methanol gewonnen wird.5. The method according to claim 4, in which the additional hydrogen is obtained from methanol. 6. Verfahren zur Erhöhung der Konzentration von elementarem Sauerstoff in der Atemluft, bei welchem Wasser mittels elektrischer Energie katalytisch in Wasserstoffionen und Sauerstoffionen aufgespaltet wird, wobei sich die Sau­ erstoffionen unter Abgabe von Elektronen zu elementaren Sauerstoff verbin­ den, der der Atemluft beigemischt wird, und die Wasserstoffionen katalytisch mit den Elektronen und Umgebungsluft wieder in Wasser umgewandelt wer­ den, wobei die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoffionen und Sauerstoff­ ionen, deren Verbindung zu elementaren Sauerstoff und die Umwandlung der Wasserstoffionen mit Umgebungsluft zu Wasser unter Ausbildung eines Re­ aktionskreislaufes gleichzeitig und kontinuierlich ablaufen.6. Method of increasing the concentration of elemental oxygen in the air we breathe, in which water is catalytically in by means of electrical energy Hydrogen ions and oxygen ions are split, the sow Material ions with the emission of electrons combine to form elemental oxygen the one that is added to the air we breathe and the hydrogen ions catalytically with the electrons and ambient air who converted back into water the, the splitting of water into hydrogen ions and oxygen ions, their connection to elemental oxygen and the conversion of the Hydrogen ions with ambient air to water to form a Re action cycle run simultaneously and continuously. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das gewonnene Wasser der Aufspaltung wieder zugeführt wird.7. The method according to claim 6, in which the water obtained is fed back to the splitting. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem die für den Beginn und/oder Aufrechthaltung des Reaktions­ kreislaufes notwendige elektrische Energie einer Energiequelle entnommen wird.8. The method according to claim 6 or 7, in which the for the start and / or maintenance of the reaction necessary electrical energy from an energy source becomes. 9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem die für den Beginn und/oder Aufrechthaltung des Reaktions­ kreislaufes notwendige elektrische Energie durch eine getrennt ablaufende Brennstoffreaktion erzeugt wird, der zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird.9. The method according to claim 6 or 7, in which the for the start and / or maintenance of the reaction electrical energy required by a separately running circuit Fuel reaction is generated, which is additionally supplied with hydrogen. 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der zusätzliche Wasserstoff aus Methanol gewonnen wird. 10. The method according to claim 9, in which the additional hydrogen is obtained from methanol.   11. Vorrichtung zur Erhöhung der Konzentration von elementarem Sauerstoff in der Atemluft, aus einem Elektrolyseur zur Aufspaltung von Wasser in Was­ serstoff und elementaren Sauerstoff, und aus einer Brennstoffzelle zur Um­ wandlung des Wasserstoffs mit Umgebungsluft in Wasser, wobei der Elek­ trolyseur und die Brennstoffzelle elektrisch und zur Übertragung von Fluiden in Verbindung stehen.11. Device for increasing the concentration of elemental oxygen in the air we breathe, from an electrolyzer to split water into what hydrogen and elemental oxygen, and from a fuel cell to order conversion of the hydrogen with ambient air into water, the elec trolyseur and the fuel cell electrically and for the transmission of fluids stay in contact. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle als PEM(Polymer Elekt­ rolyt Membran)-Zelle ausgebildet ist/sind.12. The device according to claim 11, characterized, that the electrolyzer and / or the fuel cell as PEM (polymer elect rolyt membrane) cell is / are formed. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mit einem wiederbefüllbaren oder austauschbaren Wasserstoffspeicher, insbesondere einem Metallhybridspeicher oder Druck­ speicher, in Verbindung steht.13. The apparatus according to claim 12, characterized, that the fuel cell with a refillable or replaceable Hydrogen storage, in particular a metal hybrid storage or pressure memory, communicating. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffspeicher mit einem Brennstoff-Reformer in Verbindung steht.14. The apparatus according to claim 13, characterized, that the hydrogen storage unit is connected to a fuel reformer stands. 15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle in einer Zelle, insbesondere als PEM-Zelle, vereint sind.15. The apparatus according to claim 11, characterized, that the electrolyzer and the fuel cell in one cell, especially as PEM cell, are united. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung des Reaktionskreislaufes eine zusätzliche elektri­ sche Energiequelle vorgesehen ist.16. The device according to one of claims 11 to 15, characterized,  that an additional electrical to maintain the reaction cycle cal energy source is provided. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche elektrische Energiequelle als ein Akku und/oder als ein Stromnetzanschluss ausgebildet ist.17. The apparatus of claim 16, characterized, that the additional electrical energy source as a battery and / or as a Power supply connection is formed. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Energiequelle als eine weitere Brennstoffzelle ausgebil­ det ist.18. The apparatus according to claim 16, characterized, that the additional energy source is designed as another fuel cell det. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ausgebildet ist.19. The apparatus of claim 18, characterized, that the fuel cell is designed as a direct methanol fuel cell is. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Einweg- oder Mehrwegkartuschensystem für das Methanol aufweist.20. The apparatus according to claim 19, characterized, that this is a disposable or reusable cartridge system for the methanol having. 21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Brennstoffzelle mit dem wiederbefüllbaren oder austauschba­ ren Wasserstoffspeicher in Verbindung steht.21. The apparatus according to claim 18, characterized, that the further fuel cell with the refillable or replaceable Ren hydrogen storage is connected. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektrolyseur und einer Leitung für den elementaren Sauerstoff ein integrierter oder abnehmbarer Sauerstoffspeicher, insbesondere Druckspeicher, vorgesehen ist, in welchem der in dem Elektrolyseur konti­ nuierlich erzeugte elementare Sauerstoff gesammelt wird.22. The device according to one of claims 11 to 21, characterized, that between the electrolyzer and a line for elemental oxygen  an integrated or removable oxygen storage, in particular Pressure accumulator is provided, in which the continuous in the electrolyzer Nuclearly produced elemental oxygen is collected. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher mit einem elektronischen Steuersystem gekoppelt ist, so dass der elementare Sauerstoff selektiv der Atemluft, insbesondere nur zu Anfang der Inhalationsphase, beigemischt wird.23. The device according to claim 22, characterized, that the oxygen storage system is coupled to an electronic control system is so that the elemental oxygen is selective to the air we breathe, especially only at the beginning of the inhalation phase. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass diese als stationäre oder mobile Einheit ausgebildet ist.24. The device according to one of claims 11 to 23, characterized, that it is designed as a stationary or mobile unit. 25. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10 und einer Vor­ richtung nach den Ansprüchen 11 bis 24 zur unterstützenden Versorgung von Patienten mit pathologischen Lungenschäden oder zur Unterstützung der künstlichen Beatmung von Intensivpatienten oder zur Trainingsunterstützung von Sportlern oder zur Unterstützung einer Sauerstofftherapie.25. Use of a method according to claims 1 to 10 and a pre Direction according to claims 11 to 24 for the supportive supply of Patients with pathological lung damage or to support the artificial ventilation of intensive care patients or for training support by athletes or to support oxygen therapy.
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