DE20104713U1 - Vorrichtung zur Versorgung mit Sauerstoff - Google Patents
Vorrichtung zur Versorgung mit SauerstoffInfo
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Description
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19. März 2001
Karl-Heinz Hecker H35578GBM LE/Hra
Karl-Heinz Hecker H35578GBM LE/Hra
Vorrichtung zur Versorgung mit Sauerstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von und Versorgung mit Sauerstoff.
Nahezu reiner Sauerstoff wird oftmals dann benötigt, wenn einem Benutzer bzw. einem Patienten aus medizinischen oder sonstigen Gründen anstatt des herkömmlichen in der Umgebungsluft vorkommenden Sauerstoffs entsprechend reiner Sauerstoffzugeführt werden soll.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu im wesentlichen drei mögliche Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt.
So kommen beispielsweise sogenannte Sauerstoff- oder (VKonzentratoren 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 Stickstoff hin verschoben, so dass den Molekularsieb nahezu reiner Sauerstoff verlässt, wovon ca. ein Drittel dem Benutzer bzw. Patienten zugeführt wird. 02-Konzentratoren sind im allgemeinen fehlerbehaftet und anfällig. Zudem sind die Kompressoren entsprechend geräuschintensiv und die Geräte voluminös.
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
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Technik an sich hinlänglich bekannten Umwandlungsprozess in einen gasformigen Aggregatszustand zu überfuhren 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.
Es ist des weiteren auch bekannt, den erforderlichen Sauerstoff in Druckgasflaschen bereitzustellen. Auch hier ist ein gewisser logistischer Aufwand nicht zu vermeiden, zudem sind die Druckflaschen, die einen Druck bis zu 200 bar aushalten müssen, entsprechend schwer und schwierig zu transportieren.
Allen drei oben genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Sauerstoff ist der wesentlich Nachteil gemeinsam, dass sie für einen mobilen Einsatz aufgrund ihrer spezifischen konstruktiven Ausgestaltung einerseits und ihrer Notwendigkeit zur Bereitstellung von Ausgangsstoffen andererseits nur beding oder überhaupt nicht mobil einsatzfahig sind.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die auf einfachste Weise einem Benutzer nahezu reinen Sauerstoff zur Verfügung stellen kann. Darüber hinaus ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die leicht zu handhaben und entsprechend geräuscharm sowie leicht zu transportieren ist.
Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1.
Der in einem Elektrolyseur erzeugte Sauerstoff wird in einem mit diesem in Verbindung stehenden Druckspeicher gesammelt. Aus diesem geht eine Versorgungsleitung zu dem Benutzer bzw. Patienten.
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An die Versorgungsleitung ist eine elektronische, vorzugsweise mikroprozessorgesteuerte Steuereinrichtung gekoppelt, die bewirkt, dass der in dem Druckspeicher gespeicherte Sauerstoff 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.
Gemäß der Erfindung bilden der Elektrolyseur, der Druckspeicher, die Versorgungsleitung und die elektronische Steuereinrichtung eine Einheit, die so ausgebildet ist, dass diese als gesamte Einheit portabel ist, beispielsweise zum Umhängen um den Patienten.
Die für die Durchführung der Elektrolyse notwendige elektrische Energie wird . von einer elektrischen Energiequelle, vorzugsweise einem Netzanschluss, bereitgestellt. Gemäß der Erfindung ist diese elektrische Energiequelle stationär ausgebildet. Sie bildet sozusagen eine "docking unit", in die die mobile Einheit der Vorrichtung einsteckbar und entsprechend koppelbar ist, so dass dann der Vorgang der 02-Erzeugung stattfinden kann. Mit anderen Worten ist die mobile Einheit solange in ihrem mobilen, von der Energiequelle getrennten Zustand nutzbar, wie sich Sauerstoff in dem Speicher befindet. Wenn der Druckspeicher entleert ist, wird die mobile Einheit wieder zum Befüllen mit reinem Sauerstoff mit der elektrischen Energiequelle verbunden. Je nach Größe des Druckspeichers ergibt sich die anschließende Nutzungsdauer der mobilen Einheit.
Der Elektrolyseur weist entweder einen separaten Eingang für das notwendige Wasser, durch den dieser, beispielsweise von dem Druckspeicher, befüllbar ist, oder in einer Ausführungsform der Erfindung einen Anschluss auf, der mit einem
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an der stationären "docking unit" vorgesehenen Anschluss zur Zuleitung von Wasser auf.
Der bei der 02-Erzeugung anfallende Wasserstoff wird vorzugsweise verbrannt. Hierzu eignet sich gemäß der Erfindung ein an der mobilen Einheit vorgesehenes katalytisches Verbrennungsröhrchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb der mobilen Einheit der Elektrolyseur mit einer Brennstoffzelle elektrisch und zur Übertragung von Fluiden verbunden.
Hierbei ist es gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle als sog. PEM(Polymer-Elektrolyt-Membran)-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 Kalilauge als Elektrolyt ist neben einer Systemvereinfachung vor allem eine damit erreichbare höhere Leistungsdichte. Darüber hinaus ist eine PEM-Zelle im Vergleich zu einer alkalischen Einheit unempfindlich gegenüber Verunreinigungen durch Kohlendioxid, wodurch auf die Ver-Wendung sehr reiner Reaktionsgase verzichtet werden kann und damit auch ein Brennstoffzellenbetrieb mit Luft möglich ist.
Bei dem PEM-Elektrolyseur wird auf der Anodenseite Wasser bei angelegter äußerer Spannung elektrolytisch direkt in Sauerstoff, Elektronen und H+-Ionen nach der Gleichung 2H2O -> 4e" + 4H+ + O2 aufgespaltet. 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.
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Die Funktionsweise dieser Brennstoffzelle entspricht quasi dem umgekehrten Prinzip der entsprechenden Elektrolysezelle. Das an die Anode dieser Zelle geführte 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 Kathodenseite. Die Elektronen wandern bei geschlossenem äußeren Stromkreis zur Kathode 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 2Fb + O2 -» 2FbO ergibt.
Während die bei der Brennstoffreaktion gewonnene elektrische Energie zur Reduktion des elektrischen Energiebedarfs für die Elektrolyse herangezogen werden kann, wird das bei der Brennstoffreaktion erzeugte Wasser wieder dem Aufspaltungsprozess an der Anodenseite des PEM-Elektrolyseurs zugeführt.
Die Reaktionen der Elektrolyse und der Brennstoffreaktion laufen dabei gleichzeitig und kontinuierlich ab.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der 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 dessen Weiterleitung als Ausgangsprodukt für eine Brenn-Stoffreaktion ausgelassen, wobei nur eine Polymermembran als Elektrolyt zum Einsatz kommt. Auf der Anodenseite wird zugeführtes Wasser katalytisch in Sauerstoffionen und Wasserstoffionen aufgespaltet (H2O -> O2' + 2H+). Die Wasserstoffionen (Protonen) werden durch die Polymermembran zur Kathodenseite der Zelle geleitet und reagieren dort katalytisch mit aus der Umgebungsluft zugeleiteten Sauerstoff zu Wasser nach 4H+ + O2 + 4e" -> 2H2O. Das so entstandene
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Wasser kann wiederum zurückgeleitet und der Anodenseite dieser Zelle zugeführt werden.
An der Anodenseite bilden die Sauerstoffionen unter Abgabe von Elektronen dann den Sauerstoff nach 2O2" -> O2 + 4e" aus. Der gasförmige Sauerstoff kann dann aus dieser Zelle abgeführt werden und der Atemluft eines Benutzers entsprechend beigemischt werden.
Es wird deutlich, dass durch die Verwendung eines Elektrolyseurs und eines Druckspeichers sowie gegebenenfalls einer Brennstoffzelle eine leichte und kompakte 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 bestimmter Bruchteil, an Sauerstoff erzeugt werden muss. Dies führt zu einer kompakten und leichten Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wodurch diese als mobile bzw. portable Einheit eingesetzt werden kann. Die Verwendung von herkömmlichem Wasser als Sauerstofflieferant vereinfacht auch den Einsatz dieser Vorrichtung, so dass diese unproblematisch zu Hause einsetzbar ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Im folgenden soll die Funktionsweise des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt die einzige
Figur 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Figur 1 zeigt schematisch die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die aus einer mobilen Einheit 1 und einer stationären Einheit 2 besteht.
Die Einheit 1 besteht aus einem Elektrolyseur 3, einem mit diesem unmittelbar in Verbindung stehenden Druckspeicher 4, in dem der aus der Elektrolyse erzeugte reine Sauerstoff gesammelt wird.
Zwischen dem Druckspeicher 4 und einer Versorgungsleitung 5 zu einem Patienten ist ein Druckminderer 6 vorgesehen. Die Versorgungsleitung 5 ist über eine an sich bekannte Ventiltechnik mit einem elektronischen Steuersystem 7 gekoppelt, so dass in bestimmten Abständen nur zu gewissen Zeitpunkten der Inhalationsphase dem Druckspeicher 4 reiner Sauerstoff entnommen wird und der Atemluft des Patienten zugeführt wird und die Konzentration von Sauerstoff in dieser selektiv erhöht.
Der Elektrolyseur 3 der mobilen Einheit 1 steht über eine elektrische Leitung 8 mit einem Stromnetzteil der stationären Einheit 2 in Verbindung.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Erhöhung der Konzentration von Sauerstoff in der Atemluft, bestehend aus einem Elektrolyseur zu Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, einem mit dem Elektrolyseur verbundenen Druckspeicher, in dem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff gesammelt wird, einer elektrischen Energiequelle, einer Versorgungsleitung von dem Druckspeicher zu einem Benutzer und aus einer elektronischen Steuereinrichtung, das den erzeugten Sauerstoff selektiv der Atemluft, insbesondere nur zu Anfang der Inhalationsphase, beimischt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (3), der Druckspeicher (4), die Versorgungsleitung (5) und die elektronische Steuereinrichtung (7) als mobile Einheit (1) und die elektrische Energiequelle als stationäre Einheit (2) ausgebildet sowie miteinander zur Erzeugung und Speicherung des Sauerstoffs verbindbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Einheit (2) einen Verbindungsanschluss für Wasser aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (4) zur Versorgungsleitung (5) einen Druckminderer (6) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Einheit (1) zur exothermen Verbrennung des Wasserstoffs ein katalytisches Verbrennungsröhrchen aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Einheit (1) eine Brennstoffzelle aufweist, die zur Umwandlung des Wasserstoffs mit Umgebungsluft in Wasser mit dem Elektrolyseur (3) elektrisch und zur Übertragung von Fluiden so in Verbindung steht, dass die bei der Umwandlung gewonnene elektrische Energie zur Reduktion des Energiebedarfs für die Aufspaltung genutzt wird und dass das bei der Umwandlung gewonnene Wasser der Aufspaltung wieder zugeführt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (3) und/oder die Brennstoffzelle als PEM(Polymer- Elektrolyt-Membran)-Zelle ausgebildet ist/sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (3) und die Brennstoffzelle in einer Zelle, insbesondere als PEM-Zelle, vereint sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (7) mit Sensoren zur Messung des Sauerstoffsbedarfs in Verbindung steht.
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