DE19854392A1 - Sauerstoffgeneratoren auf Metalloxidkeramik-Basis mit Gasreinigung - Google Patents

Abstract

Sauerstoffgeneratoren auf Basis einer elektrochemischen Zelle mit Hochtemperatursauerstoffionenleitender Keramikmembran zur Anreicherung von Sauerstoff aus einem Gas werden mit einer Vorrichtung zur Abtrennung von gasförmigen organischen Stoffen wie einem Gasfilter ausgestattet. Durch Vorreinigung des Betriebsgases wird verhindert, daß der Sauerstoffgenerator durch ein Verbrennen organischer Gase oder Dämpfe im Sauerstoffgenerator geschädigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Sauerstoffgeneratoren, ein Verfahren zum Betrieb von Sauer­ stoffgeneratoren und die Verwendung von Vorrichtungen zur Gasreinigung bei Sau­ erstoffgeneratoren.

US 5,205,990 beschreibt einen Sauerstoffgenerator auf Basis einer elektrochemi­ schen Zelle mit einer sauerstoffionenleitenden Metalloxidkeramik-Membran, die ge­ wöhnlich bei Temperaturen im Bereich von 580 bis 670°C arbeitet. Als Metalloxid­ keramik wird ein Material wie Bi₂O₃ : Nb₂O₅ verwendet. Aus der Metalloxidkeramik wird als wabenförmiger Block, z. B. ein Würfel mit Kanälen von quadratischem Quer­ schnitt, gebildet, wobei die Wände der Kanäle mit porösen Metallschichten als Elek­ troden beschichtet sind. Als Elektrodenmetall wird beispielsweise Platin eingesetzt. Die Kanäle werden beispielsweise schichtweise alternierend als Kathode und Anode geschaltet, so daß über die dazwischenliegenden Membranwände die geeignete Spannungsdifferenz anliegt. Die Membranwände haben z. B. eine Dicke von 0,0254 cm. Beim Betrieb des Sauerstoffgenerators, z. B. bei 580°C, gelangt Sauerstoff aus der umgebenden Luft in die als Kathode geschalteten Kanäle. An der Kathode wird Sauerstoff zu Sauerstoffionen reduziert, Sauerstoffionen wandern durch die Mem­ bran und werden an der Anode zu Sauerstoff oxidiert, wodurch reines Sauerstoffgas in den als Anode geschalteten Kanälen gebildet wird. Der Stromverbrauch für die Erzeugung von reinem Sauerstoffgas kann nach dem Coulomb'schen Gesetz be­ rechnet werden. Diese elektrochemischen Hochtemperatur-Sauerstoffgeneratoren werden im folgenden als Sauerstoffgenerator bezeichnet.

Es blieb bisher unerkannt, daß organische Gase oder Dämpfe in der Umgebungsluft eine Gefahrenquelle darstellen und zu einer Schädigung des Sauerstoffgenerators führen können. Die hohe Betriebstemperatur und in der Regel katalytisch aktive Elektrodenbeschichtungen führen dazu, daß die organischen Stoffe im Sauerstoffge­ nerator verbrannt werden. Dabei können je nach Konzentration der organischen Stoffe in der Luft hohe Energiemengen freigesetzt werden. Diese Energie kann zur Überhitzung und zur Zerstörung des Sauerstoffgenerators führen oder sogar explo­ sionsartige Reaktionen im Gerät auslösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb von Sauerstoffgeneratoren sicherer zu machen.

Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Sauerstoffgeneratur mit einer Gasreinigungs­ vorrichtung.

Die Gasreinigungsvorrichtung dient zur Abtrennung von organischen Gasen oder Dämpfen aus dem Betriebsgas des Sauerstoffgenerators. Gasreinigungsvorrichtung ist beispielsweise ein Gasfilter, eine Vorrichtung zur katalytischen Gasreinigung oder eine Vorrichtung zur Kondensation von organischen Verunreinigungen. Verschiede­ ne Typen von Gasreinigungsvorrichtungen können vorteilhaft kombiniert werden.

Als Betriebsgas für den Sauerstoffgenerator dient ein sauerstoffhaltiges Gas, im all­ gemeinen Luft, z. B. Umgebungsluft.

Gasfilter sind Vorrichtungen, die in der Regel eine Filtermasse enthalten. Die Filter­ masse enthält ein Adsorbens oder Absorbens für organische Gase oder Dämpfe.

Gasförmige organische Stoffe oder Dämpfe sind in der Regel brennbare Stoffe, bei­ spielsweise Dämpfe von organischen Lösemitteln oder Treibstoffen. Gasförmige or­ ganische Stoffe sind insbesondere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzindämpfe), Alko­ hole (z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol), Ether (z. B. Diethylether, tert.-Butylmethylether, Tetrahydrofuran), Ester (z. B. Essigsäureethylester), Aldehyde (z. B. Formaledehyd), Ketone (z. B. Aceton, Isobutylmethylketon) oder flüchtige aromati­ sche Verbindungen (z. B. Benzol, Toluol, Xylol, Naphthalin, Tetralin).

Kohlenwasserstoffe im engeren Sinne sind lineare oder verzweigte Kohlenwasser­ stoffe und gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Gesättigte Kohlenwas­ serstoffe sind z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, etc.

Geeignete Adsorbentien oder Absorbentien sind z. B. Aktivkohlen wie gastechnische Kohlen oder Gasmaskenkohlen, Absorbentien auf Polymerbasis oder Molekularsie­ be.

Geeignete Molekularsiebe sind z. B. Molekularsiebe mit der Bezeichnung 4A, 5A, 10X oder 13X, wobei die Zahl den Porendurchmesser in Angström (1 A = 10^-8 m) und der Buchstabe den Kristallgittertyp angeben. Die Typen 10X und 13X weichen von dieser Nomenklatur ab und haben Porenweiten von 8 A.

Absorbentien auf Polymerbasis sind beispielsweise makroretikuläre Styrol-Copolymere.

Durch Adsorption und/oder Absorption oder kontrollierte katalytische Reaktion von gasförmigen organischen Stoffen wird die Konzentration dieser Stoffe in dem Be­ triebsgas (z. B. Ansaugluft) soweit verringert, daß es nicht zu gefährlichen Reaktio­ nen mit der heißen Metallelektrodenoberfläche im Sauerstoffgenerator kommen kann.

Der Gasfilter, insbesondere Kohlenwasserstofffilter, verhindert, daß gasförmige orga­ nische Stoffe oder Dämpfe (z. B. Kohlenwasserstoffe) in einer schädigenden Kon­ zentration in den Sauerstoffgenerator gelangen.

Das zu reinigende Gas (Betriebsgas) wird vorteilhaft mit einer Gaspumpe (z. B. Membranpumpe) zur oder durch die Vorrichtung zur Abtrennung von gasförmigen organischen Stoffen gefördert.

Art und Funktion geeigneter Sauerstoffgeneratoren sind in US 5,205,990 beschrie­ ben, worauf hiermit Bezug genommen wird.

Zwischen Gasreinigungsvorrichtung und Sauerstoffgenerator wird vorteilhaft ein Gassensor eingesetzt, der zur Überwachung des Gehaltes von organischen Stoffen oder Dämpfen im Betriebsgas dient. Bei Versagen der Gasreinigungsvorrichtung kann beispielweise bei Erreichen eines vorher eingestellten Grenzwertes von einer Grenzwertüberwachungseinheit ein Alarm ausgelöst oder der Sauerstoffgenerator abgeschaltet werden.

Claims (11)

1. Sauerstoffgenerator auf elektrochemischer Basis mit Hochtemperatur­ sauerstoffionenleitender Keramikmembran zur Anreicherung von Sauerstoff aus ei­ nem Gas, der eine Vorrichtung zur Abtrennung von organischen Gasen oder Dämp­ fen aufweist.

2. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtung zur Abtrennung von organischen Gasen oder Dämpfen ein Gasfilter, eine Vorrich­ tung zur katalytischen Reaktion oder eine Vorrichtung zur Kondensation ist.

3. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Abtrennung von organischen Gasen oder Dämpfen ein Gasfilter mit einer Filtermasse ist.

4. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die- Vorrichtung zur Abtrennung von organischen Gasen oder Dämpfen ein Gas­ filter mit Aktivkohle, einem Polymer oder Molekularsieb als Filtermasse enthält.

5. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gaspumpe enthalten ist.

6. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gassensor zur Erfassung von organischen Gasen oder Dämpfen enthalten ist.

7. Verfahren zum Betrieb von Sauerstoffgeneratoren zur elektrochemischen Anrei­ cherung oder Gewinnung von Sauerstoff im Hochtemperaturbereich, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Betriebsgas von gasförmigen organischen Stoffen gereinigt wird, bevor das Betriebsgas dem Sauerstoffgenerator zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsgas zur Reinigung mit einer Filtermasse in Kontakt gebracht wird.

9. Verwendung einer Gasreinigungsvorrichtung für den Betrieb von Sauerstoffgene­ ratoren.

10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasrei­ nigungsvorrichtung ein Gasfilter eingesetzt wird.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasreinigungsvorrichtung ein Gasfilter eingesetzt wird und Aktivkohle, Polymere oder Molekularsieb als Filtermasse in dem Gasfilter enthalten ist.