DE4221593A1

DE4221593A1 - Verfahren und einrichtung zum erzeugen von sauerstoff

Info

Publication number: DE4221593A1
Application number: DE4221593A
Authority: DE
Inventors: Michael William Harral; Jonathan David Ward
Original assignee: Normalair Garrett Holdings Ltd; Normalair Garrett Ltd
Current assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd; Honeywell Normalair Garrett Ltd
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1993-01-14
Also published as: JPH05200229A; GB9114474D0; FR2684312A1

Description

Die Erfindung betrifft das Erzeugen von Sauerstoff, insbes. ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennen von Luft sowie eine Einrichtung bzw. eine keramische Membranein richtung hierfür.

Die meisten im Einsatz befindlichen Sauerstoff-Erzeugungsein richtungen geringer Leistung, die unter Verwendung von Luftzerlegungsvorgängen arbeiten, basieren entweder auf der Druckwechsel-Adsorptionstechnik oder der Membrantechnik.

Moderne, an Bord von Flugzeugen stationierte Sauerstoff- Erzeugungseinrichtungen, die nach der Druckwechsel-Adsorp tionstechnik arbeiten, verwenden Zeolith-Molekularsiebmate rial, um Sauerstoff von Luft zu trennen. Dies macht minde stens zwei Zeolith-Bette erforderlich, die der Reihe nach durch In-Strom/Erzeugungs- und Ab-Strom/Reinigungs-Zyklen zyklisch betrieben werden. Ein Nachteil derartiger Einrich tungen ist, daß eine Ventilanordnung erforderlich ist, um den Eintritt von Speiseluft in die Bette und den Fluß von sauerstoffreichem Produktgas und stickstoffreichem Reini gungsgas von den Betten zu steuern, was bewegliche Teile erforderlich macht, die Abnutzungen und fehlerhaftem Betrieb unterliegen. Eine Beschränkung derartiger Einrichtungen ist darin zu sehen, daß theoretisch die maximale Sauerstoff konzentration, die in dem Produktgas erzielbar ist, 95% beträgt, wenn nicht zusätzliche Vorkehrungen getroffen sind, um Argon oder andere Spurengase in der Produktluft zu entfernen. Dies erhöht die Kosten, das Gewicht und die Dimensionen ganz erheblich, was insbes. beim Einsatz in Flugzeugen gravierend ist. In der Praxis ist es selbst mit besonders effizienten Einrichtungen dieser Art schwierig, ein Produktgas mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als 93% zu erzielen.

Die Membrantechnik basiert allgemein auf polymeren Membranen, die Trennung erfolgt auf der Basis von Molekulargröße und Diffusionsgeschwindigkeit durch das Membranmaterial. Der artige Membrane finden weitgehende Verwendung für die kommerzielle Herstellung von Stickstoff aus Luft, ihre begrenzte Selektivität macht sie jedoch für die Erzeugung von Produktgas mit einer Sauerstoffkonzentration über 40-50% unwirtschaftlich.

Es sind verschiedene keramische Materialien bekannt, z. B. mit Yttria stabilisierte Zirkonerde, die sogenannte ionische Leiter von Sauerstoff sind. Derartige Materialien werden bei erhöhten Temperaturen aufgrund der Mobilität von Sauerstoff ionen innerhalb des Kristallgitters elektrisch leitend und können verwendet werden, um Sauerstoffsensoren oder pumpen artige Sauerstoffgeneratoren zu erzielen; da das Material jedoch nur für Sauerstoffionen stromleitend ist, ist ein externer elektrischer Kreis, der die elektronische Leitung ergibt, erforderlich. Dies erfordert einen hohen elektrischen Strom und damit hohe elektrische Leistung, was bei Flugzeugen und bestimmten anderen Einrichtungen, z. B. Einrichtungen zur Erzeugung von Sauerstoff in Feldlazaretten oder dergl., nachteilig ist.

Es sind andere keramische Materialien bekannt, die gemischte elektronische und Sauerstoffionen-Leitfähigkeit zeigen. Diese Materialien, die als gemischt leitende Leiter (mixed mode conductors) bekannt sind, zeigen sowohl ionische als auch elektronische Stromleitfähigkeit. Solche Materialien können einen fortgesetzten Fluß von Sauerstoffionen möglich machen, ohne daß ein äußerer Stromkreis erforderlich ist, wie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Auf der Basis des Superoxydions O₂ ist ein ähnlicher Mechanismus möglich. Der Sauerstoff-Fluß ist direkt abhängig von dem Logarithmus des Sauerstoffteil druckverhältnisses, umgekehrt abhängig von der absoluten Temperatur, und kann entweder durch die ionische oder elektronische Stromleitfähigkeit des Materials oder durch die Oberflächen-Reaktionsgeschwindigkeit, bei der molekularer Sauerstoff in seine ionischen Bestandteile zerlegt wird, begrenzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen von praktisch 100%igem Sauerstoffgas von Atemgasqualität durch einen Luftzerlegungsvorgang unter Verwendung eines gemischt leitenden Leiters zu schaffen.

Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung anzugeben, die praktisch 100%iges Sauerstoffproduktgas von Atemgasqualität zur Verwendung in Flugzeugen und anderen vergleichbaren Anwendungsfällen erzeugt.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennen von Luft dadurch gekennzeichnet,
daß Luft an eine Seitenfläche einer gemischt leitenden Leitermaterialwandung einer Keramikmembran eingespeist wird,
daß ein Druckgradient an der Wandung dadurch ausgebildet wird, daß eine Seitenfläche einem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt wird, der im Vergleich zu dem auf einer entgegen gesetzten Seitenfläche hoch ist,
daß die Wandung auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der Sauerstoffionen an der Wand von der Seitenfläche, die hohem Druck ausgesetzt ist, zu der Seitenfläche, die niedrigem Druck ausgesetzt ist, diffundieren, und eine elektrische Leitung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, und
daß Sauerstoffproduktgas an der Niederdruckseitenfläche der Wandung angesammelt wird.

Das Sauerstoff-Diffusionsverfahren ist abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck- (PPO₂) Verhältnis, wobei PPO₂= % O₂ × Druck.

Um 100% reinen Sauerstoff aus Luft zu erzeugen, ist ein Druckverhältnis in der Größenordnung von 5:1 erforderlich, um den Vorgang anlaufen zu lassen, und ein praktisches Druckver hältnis von 10:1 erst ergibt ein PPO₂-Verhältnis von 2:1.

Es kann deshalb zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Sauerstoffherstellung erwünscht sein, Luft hohen Druckes, z. B. aus einem Kompressor, einer Seite der Wandung zuzuführen und/oder die entgegengesetzte Seitenfläche einem negativen Druck, z. B. durch eine Vakuumpumpe, auszusetzen.

Ein besonderer Vorteil eines gemischt leitenden Leiters besteht darin, daß er in der Lage ist, Hochtemperatur-Speise luft zu verwenden, und zweckmäßigerweise kann die Wand auf eine Temperatur erhitzt werden, die für eine Sauerstoff diffusion geeignet ist, indem Luft hoher Temperatur der Hochdruckseitenfläche der Wandung zugeführt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennen von Luft vorge schlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Luft mit vorbestimmtem Druck und vorbestimmter Temperatur einer Seitenfläche einer Wandung einer gemischt leitenden Leiter vorrichtung zugeführt wird, derart, daß ein Druckgradient zwischen entgegengesetzten Seitenflächen der Wandung auftritt und die Wandung durch die Luft auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der Sauerstoffionen an der Wandung von der einen Seitenfläche, die dem hohen Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt ist, zu der entgegengesetzten Seitenfläche diffundieren und eine elektronische Leitung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, und Sauerstoffproduktgas zum Sammeln an der ent gegengesetzten Seitenfläche der Wandung zur Verfügung steht.

Verfahren der vorstehend angegebenen Art können mit Hilfe einer Einrichtung durchgeführt werden, die gekennzeichnet ist durch eine keramische Wandung, die aus einem gemischt leitenden Leitermaterial hergestellt ist, eine Einlaßvor richtung zum Einspeisen von Luft in den Durchgang auf einer Seite der Wandung, eine Auslaßvorrichtung zum Abgeben von Sauerstoff aus dem Durchgang an einer entgegengesetzten Seite der Wandung, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Druckgra dienten an der Wandung, eine Vorrichtung zum Erhitzen der Wandung auf eine Temperatur, bei der Sauerstoffionen von der Lufteinlaßseite durch die Wandung hindurch zur Sauerstoff auslaßseite diffundieren, und eine Belüftungsvorrichtung zum Belüften von Stickstoff und anderen Spurengasen aus dem Durchgang an der Lufteinlaßseite der Wandung.

Die Einlaßvorrichtung kann eine Kompressorvorrichtung aufweisen, um die Speiseluft druckaufzuladen, damit ein Druckgradient an der Wandung aufgebaut wird.

Andererseits oder zusätzlich kann ein negativer Druck an der Auslaßvorrichtung wirksam gemacht werden, z. B. mit Hilfe einer Vakuumpumpe, die in die Auslaßvorrichtung eingebaut sein kann.

Während die Wandung durch elektrische Vorrichtungen aufge heizt werden kann, was eine elektrische Energiequelle erforderlich macht, wird vorzugsweise eine andere Wärmeener giequelle für diesen Zweck verwendet. Eine solche Wärmeener giequelle kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß Luft in die Einlaßvorrichtung mit einer Temperatur eingespeist wird, die zum Aufheizen der Wandung geeignet ist. Eine zweckmäßige Luftquelle hoher Temperatur wird durch Anzapfen von Hochdruckluft aus einer Kompressorstufe eines Gasturbi nenmotors erzielt.

Andererseits oder zusätzlich kann Wärmeenergie dadurch bereitgestellt werden, daß die Einrichtung mit einem heißen Körper, z. B. dem Auspuff eines Gasturbinenmotors, verbunden wird.

Entsprechend findet eine Einrichtung gemäß der Erfindung insbesondere Verwendung bei Gasturbinenmotoren, und ist geeignet zum Erzeugen von Sauerstoff an Bord eines Flug zeuges, das durch eine oder mehrere Gasturbinenmotoren angetrieben wird. Dies ist insbes. zweckmäßig bei Flugzeugen, weil praktisch 100%iges Sauerstoffproduktgas von Atemgas qualität erzeugt wird und in einem Behälter für die an schließende Verwendung in einem Notfall, z. B. bei Druckabfall in der Kabine, eingesetzt werden kann.

Die Möglichkeit, mit der Einrichtung Speiseluft hoher Temperatur zu verwenden, ist ein weiterer Vorteil bei Flugzeugen im Vergleich zu Einrichtungen mit Druckwechsel technik, die es erforderlich machen, daß Motoranzapfluft dadurch gekühlt wird, daß sie durch einen Wärmetauscher geführt wird, bevor sie dem Zeolith-Molekularsiebbett zugeführt wird, weil andernfalls die Leistung des Druckwech sel-Adsorptionssystems unannehmbar verringert würde.

Gemäß der Erfindung wird somit eine an Bord eines Flugzeugs befindliche Sauerstoff-Erzeugungseinrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine keramische Wandung, die aus einem gemischt leitenden Leitermaterial hergestellt ist, eine Einlaßvorrichtung zum Einspeisen von Luft in den Durchgang auf einer Seite der Wandung, eine Auslaßvorrichtung zum Abgeben von Sauerstoff aus dem Durchgang an einer entgegen gesetzten Seite der Wandung, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Druckgradienten an der Wandung, eine Vorrichtung zum Aufheizen der Wandung auf eine Temperatur, bei der Sauer stoffionen von der Lufteinlaßseite durch die Wandung hindurch zur Sauerstoff-Auslaßseite diffundieren, und eine Belüftungs vorrichtung zum Belüften von Stickstoff und anderen Spuren gasen aus dem Durchgang an der Lufteinlaßseite der Wandung.

Die Sauerstofferzeugungseinrichtung nach der Erfindung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch eine keramische Membranein richtung mit einem Einlaßende, das mit einem Auslaß verbunden sein kann, der Luft bei hohem Druck und hoher Temperatur von einer Kompressorstufe eines in das Flugzeug eingebauten Gasturbinenmotors abgibt, eine Vorrichtung zum Einspeisen der Luft an einer Seite der gemischt leitenden Keramikwandvor richtung der Einrichtung, wobei im Betrieb ein Druckgradient an der Wandung besteht und die Temperatur der Wandung auf einen Wert angehoben wird, bei dem Sauerstoffionen an der Wand auf eine entgegengesetzte Seite diffundieren, und eine Auslaßvorrichtung zum Sammeln von Sauerstoff an der entge gengesetzten Seitenfläche der Wandung.

Zweckmäßigerweise kann eine Einrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einem kleinen Gasturbinenmotor zur Erzeugung von Sauerstoff für die Beatmung von Patienten in einem Feldkrankenhaus verwendet werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die ionische und elektronische Stromleitfähigkeit einer gemischt leitenden Leitermembran, die einem hohen Sauerstoff-Teildruck auf einer Seitenfläche und einem niedrigeren Sauerstoff-Partialdruck auf einer entgegengesetzten Seitenfläche ausgesetzt ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Einrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die eine andere Ausführungsform der Erfindung darstellt, bei der Speiseluft durch Anzapfluft aus einer Kompressorstufe eines Gasturbinenmotors erhalten wird, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Wenn ein gemischt leitendes (elektronisches/ionisches) Leitermaterial, beispielsweise perowskitartige Oxyde (La_1-x, Sr_x, Co_1-y, Fe_y, O_3- _δ), Wismuth-Erbia oder Wismuth-Terbia, hergestellt als Membran oder dünne Wandung, auf eine Tempe ratur von 500°C oder darüber erhitzt wird, und eine erste Oberfläche A der Wandung Luft enthaltendem Sauerstoff bei einem Teildruck ausgesetzt wird, der hoch im Vergleich zu dem Sauerstoff-Teildruck an einer entgegengesetzten Fläche B der Wandung (siehe Fig. 1) ist, erfolgt eine Reaktion an der Fläche A, bei der Sauerstoffmoleküle O₂ auf zwei Sauerstoff ionen reduziert werden:

O₂ + 4e → 20^2-

Ein Druckgradient an der Wandung aufgrund des hohen Sauer stoff-Teildruckes an der Fläche A und des niedrigeren Sauerstoff-Teildruckes an der Fläche B ergibt einen Fluß von Sauerstoffionen O^2- an der Wandung von der Fläche A zur Fläche B (ionische Leitfähigkeit). Gleichzeitig tritt ein umgekehrter Fluß von Elektronen e⁻ von der Fläche B zur Fläche A (elektronische Leitung) auf. An der Fläche B erfolgt eine umgekehrte Reaktion, bei der Sauerstoffionen in Sauer stoffmoleküle umgewandelt werden:

20^2- → O₂ + 4e^-

Wirksame Keramikmembrane für die Trennung von Sauerstoff aus Luft können hergestellt werden aus:

1. Perowskitartige Oxyde der Form La_1-x, Srx Co_1-y, Fe_y, O_3- _δ, wobei die Abweichung von der Stöchiometrie dar stellt.
Ein spezielles perowskitartiges Oxyd dieser Form hat die Zusammensetzung La_0,2, Sr_0,8, Co_0,5, Fe_0,5, O_3- _δ.
2. Nickel/Kobalt-Perowskit-Oxyd mit der Zusammensetzung La_0,5, Sr_0,5, Co_0,8, Ni_0,2, O_3- _δ.
3. Wismuth-Erbia der Form (Bi₂O₃)_1-x (Er₂O₃)_x
4. Wismuth-Terbia der Forma (Bi₂O₃)_1-x (Tb₂O₃)_x

Damit die Wärmeenergie, die zum Erhitzen der Membranwandung erforderlich ist, minimal gehalten wird, soll die Temperatur so niedrig wie möglich gehalten werden; der Sauerstoff-Fluß ist jedoch auch von den Diffusionseigenschaften des Mate rials, dem Druckgradienten an der Wandung, der Wandungsdicke und den Grenzflächenreaktionen abhängig.

Um einen äquivalenten Sauerstoff-Fluß an einer Membranwandung zu erzeugen, die aus dem gleichen Material hergestellt ist, nimmt die Temperatur mit der Wandungsdicke zu, so daß die Wandung so dünn wie möglich sein soll, im Idealfall 150-200 Mikron, während sie gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit haben muß, um den Bedingungen zu widerstehen, unter denen sie betrieben werden muß.

In Fig. 2 weist eine Einrichtung 10 zur Erzeugung von praktisch 100%igem Sauerstoff-Produktgas mit Atemgasqualität durch Trennung von Luft eine keramische Membrananordnung 11 auf, die Wandungen (in Fig. 2 nicht dargestellt) besitzt, welche aus einem gemischt leitenden Leitermaterial herge stellt sind.

Die Membrananordnung 11 kann die Form eines Honigwabenextru dats annehmen, ähnlich der Verwendung für katalytische Wandler, wobei abwechselnde Durchgänge an entgegengesetzten Enden geschlossen sind. Der Sauerstoff-Fluß durch das Material wird durch einen Druckgradienten an den Wandungen, die die Durchgänge trennen, angetrieben; dieser Druckgradient wird dadurch erzielt, daß Luft aus einem mit einem Kompressor 14 verbundenen Einlaß 13 in die Durchgänge eingespeist wird, die offene Enden für ein Ende 12 der Membrananordnung darstellen. Die Membrananordnung ist mit einer Wärmeenergie quelle 15 verbunden, die ein elektrisch beheiztes Element oder einen anderen heißen Körper besitzen kann und wird auf eine Temperatur von mindestens 500°C erhitzt. Bei dieser Temperatur erfolgt eine Diffusion von Sauerstoffionen an den Trennwänden der Durchgänge, so daß Sauerstoff-Produktgas in den Durchgängen zur Verfügung steht, die für ein entgegenge setztes Ende 16 der Anordnung 11 offene Enden darstellen. Die offenen Enden dieser Durchgänge stehen mit einer Abgabelei tung 17 in Verbindung, durch die Sauerstoff-Produktgas einem Endverbraucher oder einer Speicherkammer (nicht dargestellt) zugeführt wird. Die Durchgänge, die geschlossene Enden für das Ende 16 darstellen, weisen Querbohrungen auf, so daß sie miteinander und mit einer Belüftungsauslaßleitung 18 verbun den sind, durch die Stickstoff und andere Restgase entfernt werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung ist ähnlich der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Einrichtung; der Druck gradient an den Wänden der Durchgänge wird jedoch dadurch erreicht, daß ein negativer Druck in den Durchgängen erzeugt wird, die offenen Enden haben, welche mit der Sauerstoffab gabeleitung 17 verbunden sind. Dieser negative Druck wird durch eine Vakuumpumpe 19 erzielt, die in die Abgabeleitung 17 eingesetzt ist; bei dieser Ausführungsform wird der Kompressor aus der Einlaßleitung 13 weggelassen.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform, bei der es nicht so sehr auf die Höhe des Gewichtes ankommt, ist ein Kompressor in der Einlaßleitung und eine Vakuumpumpe in der Sauerstoffabgabeleitung vorgesehen.

In der Darstellung nach Fig. 4 ist eine Keramik-Membranein richtung 30 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Erzeugen von Sauerstoff durch Zerlegen von Luft so ausgebildet, daß sie mit einem Auslaß verbunden ist, der Luft mit hohem Druck und hoher Temperatur aus einer Kompressor stufe 31 eines Gasturbinenmotors 32 abgibt. Die Speiseluft wird in eine Einlaßkammer 33 am einen Ende der Einrichtung eingeführt, von wo sie in Kanäle 34 strömt, deren jeder ein offenes, mit der Einlaßkammer verbundenes Ende besitzt. Die entgegengesetzten Enden der Durchgänge bzw. Kanäle 34 haben begrenzte Öffnungen, die mit einer Entlüftungsgaskammer 35 und einer Entlüftungsleitung 36 in Verbindung stehen. Die Kanäle 34 sind durch Membranwände 37 von den Kanälen 38 getrennt, die geschlossene Enden für die Einlaßkammer 33 bilden und die an ihren entgegengesetzten offenen Enden mit einer Sauerstoffgasabgabekammer 39 verbunden sind. Die Membranwände 37 sind aus keramischem, gemischt leitendem Leitermaterial hergestellt, das dann, wenn es auf eine Temperatur über etwa 500°C durch die Hochtemperaturluft erhitzt wird, ermöglicht, daß Sauerstoffionen an der Wandung diffundieren, wobei der Fluß von Sauerstoffionen durch den Druckgradienten angetrieben wird, der aufgrund des höheren Druckes in den Kanälen 38 an den Wandungen besteht, wobei eine elektronische Leitung in entgegengesetzter Richtung stattfindet. Der Sauerstoff in den Kanälen 38 gelangt in die Abgabekammer 39, von der er über eine Abgabeleitung 40 in eine Speicherkammer oder an einen Endverbraucher (nicht dargestellt) strömt.

Die Einrichtung 30 kann zweckmäßigerweise als ein extrudier ter keramischer Monolith ausgebildet oder aus keramischen Teilen hergestellt sein.

Wenn, wie vorstehend ausgeführt, die Membranwandungen ausreichend dünn ausgeführt werden können, damit eine Erhitzung auf eine Temperatur erforderlich ist, die unter der Temperatur der aus dem Motorkompressor angezapften Luft liegt, während eine ausreichende Festigkeit gewährleistet ist, damit sie den Beanspruchungen der Umgebung widerstehen können, in der die Einrichtung betrieben werden soll, braucht keine externe Heizenergiequelle zum Erhitzen der Wandung vorgesehen werden. Wenn dies nicht möglich ist, kann eine externe Heizquelle, z. B. aus einer elektrischen Heizvorrich tung, vorgesehen werden, um die Einrichtung auf ihre Arbeits temperatur zu erhitzen, und im Anschluß daran kann sie auf Arbeitstemperatur durch die Speiseluft hoher Temperatur gehalten werden.

Eine Einrichtung nach dieser Ausführungsform der Erfindung wird insbes. bei der Erzeugung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeuges verwendet. Die Einrichtung kann an einen oder mehrere Gasturbinenmotoren des Flugzeuges angesetzt und der Sauerstoff kann an einen Speicherkammertank im Flugzeug abgegeben werden. Dies ist insbes. deshalb von Vorteil, weil die Einrichtung die Luft hoher Temperatur ausnutzen kann, die an einer Kompressorstufe des Motors und erforderlichenfalls durch Wärme aus dem Motorauspuff zum Aufheizen auf Arbeits temperatur zur Verfügung steht.

Eine derartige Einrichtung kann verwendet werden, um Sauer stoff an Bord eines Passagierflugzeuges zu erzeugen, wo die Vorschriften es erforderlich machen, daß ein Mitglied der Besatzung dauernd Sauerstoff während des Fliegens über 12 000 m Höhe einatmet, um einen Schutz gegen den Höhenein fluß im Falle eines plötzlich auftretenden Kabinendruckab falls zu erzielen, und daß ein Passagier-Sauerstoffbeatmungs system vorgesehen ist, um Sauerstoff zum Einatmen durch Passagiere und die Besatzung zu liefern, bis das Flugzeug auf eine sichere Höhe von etwa 3000 m gesunken ist.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist jedoch nicht auf Sauerstofferzeugungseinrichtungen beschränkt, die an Bord eines Flugzeugs verwendet werden. Vielmehr kann die Ein richtung auch als eine Einheit ausgebildet sein, die an einem kleinen Gasturbinenmotor befestigt, z. B. angeschraubt ist, um ein System zum Erzeugen von Sauerstoff auf dem Boden, beispielsweise in Feldlazaretten und anderen vergleichbaren Anwendungen, zu erzielen. Ein besonderer Vorteil der Einrich tung besteht darin, daß sie in der Lage ist, praktisch 100%iges Sauerstoff-Produktgas zu liefern, das frei von Verunreinigungen ist, während, wenn überhaupt, allenfalls einige wenige sich bewegende Teile erforderlich sind, und die Einrichtung unempfindlich gegen Umgebungstemperatur ist. Auch kann die Einrichtung bei Flugzeugsystemen ein geringes Gewicht und ein Gehäuse mit geringem Platzbedarf für seine Unterbringung haben.

Die Einrichtung 50 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wie sie z. B. in Fig. 5 gezeigt ist, ergibt eine Verringerung des elektrischen Energieverbrauchs, wenn eine Keramik-Membrananordnung 51 für die Trennung des Sauerstoffs von Luft durch ein elektrisches Heizelement 52 auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt werden soll. Die Membranan ordnung und das Heizelement sind innerhalb eines isolierten Gehäuses 53 angeordnet, wobei elektrische Energie dem Heizelement aus einer externen Quelle (nicht dargestellt) des Gehäuses geliefert wird. Druckaufgeladene Luft aus einer Quelle (nicht dargestellt) wird einem Einlaßende 54 der Membrananordnung 51 über eine Leitung 55 aufgegeben, die an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende mit einem Auslaßende 56 eines Satzes von Kanälen (nicht dargestellt) eines Wärmetau schers 57 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein Kreuzstrom-Wärmetauscher, der Speiseluft am Einlaßende 58 über eine Leitung 59 aufnimmt, die mit der Druckluftquelle verbunden ist. Ein Satz von Kreuzstrom-Durch flußkanälen 60 des Wärmetauschers 57 ist über eine Leitung 61 zur Aufnahme von Sauerstoff-Produktgas, das aus einem Auslaßende 62 der Membrananordnung 51 gegenüber dem Einlaß ende 54 geliefert wird, verbunden. Nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher wird das Sauerstoff-Produktgas bei verrin gerter Temperatur an eine Speicherkammer (nicht dargestellt) oder an einen Endverbraucher durch eine Abgabeleitung 63 abgegeben. In ähnlicher Weise werden Stickstoff und andere Restgase, die aus dem Auslaßende 62 abgegeben werden, über eine Leitung 64 an einen anderen Satz von Kreuzstrom-Durch flußkanälen 65 des Wärmetauschers 57 gespeist und nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher über eine Entlüftungslei tung 66 an die Umgebung freigegeben.

Weil die Membrananordnung 51 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 500°C aufgeheizt werden muß, werden das Sauerstoff-Produktgas und das Stickstoff/Restgas-Gemisch bei erhöhter Temperatur gegenüber der der Speiseluft in der Leitung 59 abgegeben. Dadurch, daß diese Gase in Wärmeaus tauschbeziehung mit der Speiseluft während des Durchgangs durch den Wärmetauscher gebracht werden, wird die Speiseluft vorgeheizt, so daß nach dem Anlaufen der Einrichtung die Speiseluft dazu beiträgt, die Membrananordnung auf Temperatur zu halten; entsprechend kann die elektrische Leistung, die dem Heizelement 52 aufgegeben wird, verringert werden.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennung von Luft, dadurch gekennzeichnet,
daß Luft an eine Seitenfläche einer gemischt leitenden Leitermaterialwandung (mixed mode conductor material) einer Keramikmembran eingespeist wird,
daß ein Druckgradient an der Wandung dadurch ausgebildet wird, daß eine Seitenfläche einem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt wird, der im Vergleich zu dem auf einer entgegengesetzten Seitenfläche hoch ist,
daß die Wandung auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der Sauerstoffionen an der Wand von der Seitenfläche, die hohem Druck ausgesetzt ist, zu der Seitenfläche, die niedrigem Druck ausgesetzt ist, diffundieren, und eine elektronische Leitung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, und
daß Sauerstoffproduktgas an der Niederdruckseitenfläche der Wandung angesammelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die eine Seitenfläche der Wandung eingespeiste Luft Luft hohen Druckes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die eine Seitenfläche der Wandung eingespeiste Luft Luft Temperatur ist.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein negativer Druck auf der entgegengesetzten Seitenfläche der Wandung ausgebildet wird.

5. Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennen von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß Luft mit vorbestimmtem Druck und vorbestimmter Temperatur einer Seitenfläche einer Wandung einer gemischt leitenden Leitervorrichtung zugeführt wird, derart, daß ein Druckgradient zwischen entgegengesetzten Seitenflächen der Wandung auftritt und die Wandung durch die Luft auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der Sauerstoffionen an der Wandung von der einen Seitenfläche, die dem hohen Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt ist, zu der entgegengesetzten Seitenfläche diffundieren und eine elektronische Leitung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, und Sauerstoffpro duktgas zum Sammeln an der entgegengesetzten Seitenfläche der Wandung zur Verfügung steht.

6. Keramische Membraneinrichtung (10; 30; 51) zum Erzeugen von Sauerstoff durch Trennen von Luft, gekennzeichnet durch
eine keramische Wandungsvorrichtung (37), die aus einem Gemisch leitenden Leitermaterial hergestellt ist,
eine Einlaßvorrichtung (13; 33; 54) zum Einspeisen von Luft in die Durchgangsvorrichtung (38) auf einer Seite der Wand,
eine Auslaßvorrichtung (16, 17, 19; 39; 62) zum Abgeben von Sauerstoff aus der Durchgangsvorrichtung an einer entgegengesetzten Seite der Wandung,
eine Vorrichtung (14, 19; 31) zum Erzeugen eines Druck gradienten an der Wandung,
eine Vorrichtung (15; 31; 52) zum Erhitzen der Wandung auf eine Temperatur, bei der Sauerstoffionen von der Lufteinlaßseite durch die Wandung hindurch zur Sauer stoffauslaßseite diffundieren, und
eine Belüftungsvorrichtung (18; 36; 64, 65, 66) zum Abführen von Stickstoff und anderen Spurengasen aus dem Durchgang an der Lufteinlaßseite der Wandung.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßvorrichtung (13; 33; 54) eine Kompressorvor richtung (14) zum Druckaufladen der der einen Seite der Wandung zugeführten Luft aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, daß die Auslaßvorrichtung (15, 16) eine Vorrichtung (19) zur Erzeugung eines negativen Druckes an der entgegengesetzten Seite der Wandung aufweist.

9. Bord-Sauerstofferzeugungssystem für Flugzeuge, gekenn zeichnet durch
eine Keramikmembraneinrichtung (10; 30; 51) mit einem Einlaßende (12; 33; 54) das mit einem Auslaß (16; 39; 62) verbunden ist und Luft hohen Druckes und hoher Temperatur aus einer Kompressorstufe (14; 32) eines im Flugzeug vorhandenen Gasturbinenmotors (32) liefert,
eine Vorrichtung (33; 51) zum Einspeisen der Luft in eine Seitenfläche der gemischt leitenden Keramikwandung (37, 38) der Einrichtung, wobei im Betrieb ein Druckgradient an der Wandung besteht, und die Temperatur der Wandung auf einen Wert angehoben wird, bei dem Sauerstoffionen durch die Wandung an eine entgegengesetzte Seitenfläche diffundieren, sowie eine Auslaßvorrichtung (39; 63) zum Sammeln von Sauerstoff auf der entgegengesetzten Seiten fläche der Wandung.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-9, gekennzeich net durch eine elektrische Vorrichtung (15; 52) zur Erzeugung von Wärmeenergie zum Erhitzen der Wandung.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischbetrieb-Leitermaterial ein Perowskit-Oxyd der Form La_1-x Sr_x Co_1-y Feb_y O_3- _δ aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Perowskit-Sauerstoff die Zusammensetzung La_0,2 Sr_0,8 Co_0,5 Fe_0,5 O_3- _δ hat.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischbetrieb-Leitermaterial ein Perowskit-Oxyd der Zusammensetzung La_0,5 Sr_0,5 Co_0,8 Ni_0,2 O_3- _δ aufweist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischbetrieb-Leitermaterial Wismuth-Erbiumoxyd oder Wismuth-Terbiumoxyd ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Befestigung der Einrichtung an einem heißen Körper vorgesehen ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Wärmeaustauschvorrichtung (57), um die Speiseluft in Wärmeaustauschbeziehung mit dem von der Einrichtung gelieferten Sauerstoff und/oder dem von der Einrichtung belüfteten Stickstoff zu bringen, so daß die Speiseluft vorerhitzt ist.