DE102020205213A1 - System zur Bereitstellung und Abgabe von zumindest nahezu reinem Sauerstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bereitstellung und Abgabe von zumindest nahezu reinem Sauerstoff, bei dem mindestens einer Wasserelektrolyseeinheit (1) Wasser von einer externen Wasserquelle (8) zuführbar ist und an zwei Elektroden mindestens eine elektrische Stromquelle (3, 7) angeschlossen ist. Der bei der Elektrolyse generierte Wasserstoff ist anodenseitig einer Brennstoffzelleneinheit (2) und der kathodenseitig sauerstoffenthaltende Luft zuführbar. Der bei der Elektrolyse generierte Sauerstoff kann einer Verwendung zugeführt werden.

Description

• Die Erfindung beschreibt ein System zur Bereitstellung und bevorzugt gesteuerten Abgabe von zumindest nahezu reinem Sauerstoff (mit bevorzugt > 95 Vol.-% O₂-Anteil) und bevorzugt mit bis zu 100 % relativer Feuchte (bezogen auf Raumtemperatur, ca. 25°C), der u.a. für den notfallmedizinischen (z.B. bei akutem Lungenversagen, kurz ARDS), intensivmedizinischen, medizinischen, pflegerischen und häuslichen Gebrauch breite Anwendung findet.
• Geräte zur Generierung und Abgabe von reinem Sauerstoff basieren bisher entweder auf einer kosten- und wartungsintensiven Drucksauerstoff- oder Flüssigsauerstoff-Versorgung oder auf energieintensiven Druckwechsel-Adsorptions-Kolonnen, die Sauerstoff aus der Luft lediglich anreichern, oder auf schlecht bis gar nicht steuerbaren chemischen Reaktionen beruhen, wie beispielsweise die Freisetzung von Sauerstoff aus Chloraten. Diese genannten O₂-Gewinnungsprinzipien liefern i.d.R. trockenen Sauerstoff, der zusätzlich angefeuchtet werden muss, damit er für die menschliche Atmung geeignet ist.
• Alternativ kann mittels Elektrolyse von Wasser reiner, aber feuchter Sauerstoff hoher Reinheit unter Einsatz von Wasser und elektrischer Energie unmittelbar und leicht zur Verfügung gestellt werden. Allerdings wird bei der Wasserelektrolyse zwingend auch Wasserstoffgas als zweites Produkt frei gesetzt, was wegen der potentiellen Bildung explosiver Gasgemische wiederum sehr hohe Sicherheitsanforderungen an solche Systeme stellt und eine explosionsgeschützte und überwachte Speicherung oder Abführung des in diesen Fällen eigentlich ungewünschten Wasserstoffs an die Außenluft erforderlich macht, so dass für die allermeisten Anwendungen die elektrolytische Gewinnung von Sauerstoff keine sinnvolle Option ist.
• So werden bisher Sauerstoffgeneratoren genutzt, in denen mittels einer Wechseladsorptions-Kolonne von Molsieben O₂ aus der Luft angereichert wird.
• Es sind auch Sauerstoffgeneratoren bekannt, die eine chemische Sauerstoffträgersubstanz (z.B. Tablette) durch elektromagnetisches Heizen zersetzen und dadurch Sauerstoff freisetzen.
• Eine andere bekannte Möglichkeit stellen Sauerstoffgeneratoren dar, in denen H₂O₂ katalytisch zersetzt und dadurch Sauerstoff freigesetzt wird.
• Bei Sauerstoffgeneratoren, die auf der Elektrolyse von Wasser basieren, werden, wie bereits erwähnt, gleichzeitig H₂ und O₂ generiert.
• Bei elektrochemischen Sauerstoffgeneratoren kann trockener Sauerstoff mittels einer O₂-Ieitfähigen Festelektrolytmembran, die bei sehr hoher Temperatur betrieben wird, erhalten werden.
• Alle diese bekannten technischen Lösungen weisen entweder energetische Defizite auf oder bereiten Probleme wegen eines erhöhten Gefahrenpotentials.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen möglichst nahezu reiner Sauerstoff insbesondere für die Beatmung von Patienten zur Verfügung gestellt wird, mit denen eine verbesserte Energieeffizienz und ein reduziertes Gefahrenpotential erreicht werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen System wird mindestens einer Wasserelektrolyseeinheit Wasser von einer externen Wasserquelle zugeführt. Dabei sind zwei Elektroden der Wasserelektrolyseeinheit an mindestens eine elektrische Stromquelle angeschlossen. Der bei der Elektrolyse generierte Wasserstoff wird anodenseitig einer Brennstoffzelleneinheit, der kathodenseitig sauerstoffenthaltende Luft zuführbar ist, zugeführt. Der bei der Elektrolyse generierte Sauerstoff ist dann seiner Verwendung zuführbar und kann aus der Wasserelektrolyseeinheit abgezogen werden.
• Die Trennung der bei der Wasserelektrolyse gebildeten Gase Wasserstoff und Sauerstoff kann auf an sich bekannte Art und Weise erfolgen.
• Das für die Wasserelektrolyseeinheit benötigte Wasser kann aus einem ersten Wasserspeicherbehälter, der an die externe Wasserquelle angeschlossen ist, zugeführt werden. Das in der Brennstoffzelleneinheit bei einer elektrochemischen Reaktion gebildete Wasser kann dem ersten Wasserspeicherbehälter zugeführt werden.
• Vorteilhaft kann der bei der Elektrolyse freigesetzte Sauerstoff durch den ersten Wasserspeicherbehälter und im Anschluss daran seiner Verwendung zugeführt werden. Während des Durchströmens des Sauerstoffs durch das im ersten Wasserspeicher enthaltene Wasser kann eine Befeuchtung erreicht werden, die zu einer Erhöhung der relativen Feuchte des Sauerstoffs bei seiner nachfolgenden Nutzung führt.
• Die Elektroden oder Anschlusskontakte der Brennstoffzelleneinheit können an einen Elektroenergiespeicher zur Speicherung der bei der elektrochemischen Reaktion generierten Elektroenergie angeschlossen sein. Der Elektroenergiespeicher kann dann mit den Elektroden der Wasserelektrolyseeinheit verbunden sein, wodurch die mittels der Brennstoffzelleneinheit generierte Elektroenergie intern im System für die Wasserelektrolyse genutzt werden kann.
• Dabei sollte an den Elektroenergiespeicher eine elektronische Steuer- und Regeleinheit angeschlossen sein. Die elektronische Steuer- und Regeleinheit sollte so ausgebildet sein, den elektrischen Stromfluss vom Elektroenergiespeicher und/oder von einer externen elektrischen Stromquelle zu den Elektroden der Wasserelektrolyseeinheit zu regeln. So kann die für die Wasserelektrolyse erforderliche Elektroenergie entweder von der externen elektrischen Stromquelle, dem Elektroenergiespeicher oder temporär von beiden elektrischen Stromquellen gemeinsam der Wasserelektrolyseeinheit zugeführt werden. Im letztgenannten Fall kann die jeweilige Menge der von den beiden elektrischen Stromquellen zugeführten Elektroenergie von der elektronischen Steuer- und Regeleinheit beeinflusst werden. Dazu kann man auch ein Sensorsignal am Elektroenergiespeicher nutzen, das den momentanen Ladezustand berücksichtigt.
• Ein Elektroenergiespeicher kann beispielsweise eine Sekundärbatterie, wie beispielsweise ein Li-Ion-, NiMH-, Pb-Säure-, Ni-Cd-Akkumulator sein.
• Bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit gebildetes Wasser kann einem zweiten Wasserspeicher zugeführt werden. Durch das im zweiten Wasserspeicher gespeicherte Wasser kann dann das Abgas aus der Brennstoffzelleneinheit in die Umgebung abgeführt werden. Damit sind eine Abkühlung und eine Grobreinigung dieses Abgases erreichbar.
• Als Wasserelektrolyseeinheit kann ein alkalischer Elektrolyseur, ein Protonen-Austauschmembran-Elektrolyseur, ein Anionen-Austauschmembran-Elektrolyseur oder ein Festoxidelektrolyseur eingesetzt werden. Die Brennstoffzelleneinheit kann mit alkalischen Brennstoffzellen, Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen, Anionen-Austauschmembran-Brennstoffzellen oder Festoxid-Brennstoffzellen gebildet sein.
• Der zweite und der erste Wasserspeicher können auch miteinander verbunden sein. Dadurch ist es möglich, Wasser im Kreislauf zu führen.
• Zumindest an einem der zwei Wasserspeicher kann ein Wärmetauscher vorhanden sein, der ausgebildet ist, Abwärme aus der Brennstoffzelleneinheit an das darin gespeicherte Wasser abzugeben.
• Damit kann das jeweilige Gas, das durch das Wasser strömt, ebenfalls temperiert werden. Dabei kann besonders vorteilhaft die Temperatur und insbesondere die relative Feuchte des Sauerstoffs eingestellt werden, bevor er seiner Nutzung zugeführt wird.
• Es können auch zusätzliche Gas-Speicher zur Pufferung von O₂ oder H₂ vorhanden sein.
• System 100 kann optional mit Elektrolyseeinheiten 1 und/oder Brennstoffzelleneinheiten 2 (inkl. Puffervolumina, Leitungen etc.) betrieben werden, die unter erhöhtem Druck gegenüber der Umgebung stehen. Dabei können Drücke von mindestens 1,5 bis maximal 30 bar (absolut) eingehalten werden.
• Mit der Erfindung werden lediglich einfache und ubiquitär verfügbare Betriebsmittel (Wasser, elektrischer Strom) benötigt. Es kann feuchter Sauerstoff bis zu 100% r.F. zu einer Nutzung zur Verfügung gestellt werden, der u.U. später nicht zusätzlich befeuchtet werden muss. Das System emittiert keine nennenswerten Geräusche, Vibrationen. Es kann kompakt gebaut werden und ist für stationäre als auch portable oder mobile Einsatzgebiete, z.B. Notfallmedizin oder Pflege, geeignet.
• Der generierte gasförmige Sauerstoff kann für die menschliche Beatmung, u.a. für den notfallmedizinischen (z.B. bei akutem Lungenversagen, kurz ARDS), intensivmedizinischen, medizinischen, pflegerischen und/oder häuslichen Gebrauch, genutzt werden. Es ist auch ein Einsatz in der Lebensmittelindustrie, der chemischen, der metallurgische Industrie oder für Antriebe und Verbrennungsprozesse möglich.
• Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
• Dabei zeigt:
• 1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems.
• In 1 wird ein Beispiel eines technische Systems 100 gezeigt, das gasförmigen reinen Sauerstoff (> 95 Vol.-% O₂) und Wasserstoff mittels einer Wasserelektrolyseeinheit 1 durch elektrochemische Reaktion aus Wasser generiert. Das Edukt-Wasser wird der Wasserelektrolyseeinheit 1 aus einem ersten Wasserspeicher 5 zugeführt, der zudem einen Anschluss an eine externe (DI-Wasserquelle 8 besitzt. Als Wasserelektrolyseeinheit 1 können verschiedene Arten von Elektrolyseuren eingesetzt werden. Der durch die Wasserelektrolysereaktion parallel entstehende Wasserstoff wird unmittelbar über eine Brennstoffzelleneinheit 2 unter Nutzung von Luftsauerstoff (21 Vol.-% O₂) aus der Umgebung in Wasser durch elektrochemische Reaktion zurückverwandelt. Das dabei erhaltene Wasser kann zur Elektrolyse erneut verwendet werden, indem über den ersten Wasserspeicher 5 und ggf. einen zweiten Wasserspeicher 6 und ein Leitungssystem ein Wasserausgleich durchgeführt wird. Als Brennstoffzelleneinheit 2 kann man verschiedene Arten von Brennstoffzellen einsetzen.
• Im so beschriebenen Betriebszustand gibt das System 100 keinen gasförmigen Wasserstoff an die Umgebung ab, der Wasserstoff kann durch elektrochemische Reaktionen in einer Art Kreislauf wieder eingesetzt werden, was einen erheblichen Vorteil gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik darstellt. Der von der Brennstoffzelleneinheit 2 generierte elektrische Gleichstrom wird bei diesem Beispiel in einem Energiespeicher 3 zwischengespeichert. Der darin gespeicherte elektrische Strom kann wiederum zur Elektroenergieversorgung der Elektrolyseeinheit 1 zumindest beitragen. Der Elektroenergiespeicher 3 ist zusätzlich über eine elektronische Steuer- und Regeleinheit 4, die optional eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und/oder einen AC-DC-Wandler und/oder einen DC-DC-Wandler aufweisen kann, an eine externe elektrische Stromquelle 7 angeschlossen, die auch mit netzüblicher Wechselstromspannung betreibbar sein kann, so dass ausreichend elektrische Energie zum Betrieb des Systems 100 zur Verfügung steht. Der in der Elektrolyseeinheit 1 gebildete reine Sauerstoff kann über eine Bypassleitung zusätzlich angefeuchtet werden, indem er beispielsweise durch das Wasserbad in einem der Wasserspeicher 5 oder 6 geleitet wird. Das System 100 kann demnach reines Sauerstoffgas mit bis zu 100-%-iger relativer Feuchte an einen Verbraucher, wie bspw. ein Beatmungsgerät, zur Nutzung bei einer für die Nutzung geeigneten Temperatur abgegeben. Die Beeinflussung des Sauerstoffvolumenstroms kann beispielsweise über die Regelung der Elektrolyseleistung erreicht werden. Der in 1 dargestellte schematische Aufbau des Systems 100 kann zusätzliche Gas-Speicher zur Pufferung von O₂ oder H₂ (nicht dargestellt) aufweisen, die beispielsweise direkt zwischen der Elektrolyseeinheit 1 und der Brennstoffzelleneinheit 2 oder direkt zwischen der Elektrolyseeinheit 1 und dem ersten Wasserspeicher 5 angeordnet sein können. Das System 100 kann optional mit Elektrolyseeinheiten 1 und/oder Brennstoffzelleneinheiten 2 (inkl. Puffervolumina, Leitungen etc.) betrieben werden, die unter erhöhtem Druck gegenüber der Umgebung arbeiten. Dabei kann beispielsweise im Druckbereich zwischen 1,5 barabs bis 30 bar_abs gearbeitet werden. Entsprechend kann am Ausgang des Systems 100 zusätzlich ein Druckminderer und/oder O₂-Massenstromregler angebracht sein (nicht gezeichnet).

Claims (9)

1. System zur Bereitstellung und Abgabe von zumindest nahezu reinem Sauerstoff, bei dem mindestens einer Wasserelektrolyseeinheit (1) Wasser von einer externen Wasserquelle (8) zuführbar ist und an zwei Elektroden mindestens eine elektrische Stromquelle (3, 7) angeschlossen ist und der bei der Elektrolyse generierte Wasserstoff anodenseitig einer Brennstoffzelleneinheit (2), der kathodenseitig sauerstoffenthaltende Luft zuführbar ist, zugeführt wird und der bei der Elektrolyse generierte Sauerstoff einer Verwendung zuführbar ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser der Wasserelektrolyseeinheit (1) aus einem ersten Wasserspeicherbehälter (5), der an die externe Wasserquelle (8) angeschlossen ist, und in der Brennstoffzelleneinheit (2) bei einer elektrochemischen Reaktion gebildetes Wasser dem ersten Wasserspeicherbehälter (5) zuführbar ist.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse freigesetzte Sauerstoff durch den ersten Wasserspeicherbehälter (5) und im Anschluss daran seiner Verwendung zuführbar ist.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden oder Anschlusskontakte der Brennstoffzelleneinheit (2) an einen Elektroenergiespeicher (3) zur Speicherung der bei der elektrochemischen Reaktion generierten Elektroenergie angeschlossen sind und der Elektroenergiespeicher (3) mit den Elektroden der Wasserelektrolyseeinheit (1) zu deren Elektroenergieversorgung verbunden ist.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektroenergiespeicher (3) eine elektronische Steuer- und Regeleinheit (4) angeschlossen ist, wobei die elektronische Steuer- und Regeleinheit ausgebildet ist, den elektrischen Stromfluss vom Elektroenergiespeicher (3) und/oder von einer externen elektrischen Stromquelle (7) zu den Elektroden der Wasserelektrolyseeinheit (1) zu regeln.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit (2) gebildetes Wasser einem zweiten Wasserspeicher (6) zuführbar ist und durch den zweiten Wasserspeicher (6) Abgas aus der Brennstoffzelleneinheit (2) in die Umgebung abführbar ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyseeinheit (1) ein alkalischer Elektrolyseur, ein Protonen-Austauschmembran-Elektrolyseur, ein Anionen-Austauschmembran-Elektrolyseur oder ein Festoxidelektrolyseur und/oder die Brennstoffzelleneinheit (2) mit alkalischen Brennstoffzellen, Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen, Anionen-Austauschmembran-Brennstoffzellen oder Festoxid-Brennstoffzellen gebildet ist.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweiter und erster Wasserspeicher (5 und 6) miteinander verbunden sind, so dass Wasser im Kreislauf führbar ist.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten und/oder zweiten Wasserspeicher (5, 6) ein Wärmetauscher vorhanden ist, der ausgebildet ist, Abwärme aus der Brennstoffzelleneinheit (2) an das darin gespeicherte Wasser abzugeben.

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