用于再生呼吸空氣的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及用于再生呼吸空氣的裝置和方法。用于再生在封閉或保持封閉的具有壁(1)的室中的人的呼吸空氣的方法，該壁將室外(3)被有害物質污染的空氣與室內(2)的呼吸空氣保持分開，該方法包括以下步驟：從室外(3)提取空氣將所述空氣輸送至化學反應，其中來自室外(3)的空氣中的氧氣作為反應物參與進行該化學反應將該反應的反應產物輸送至逆向化學反應進行該逆向化學反應將在該逆向反應中生成的氧氣釋放到室內(2)，并且將該逆向化學反應的反應產物輸送至該化學反應作為其另一反應物。在此，化學反應可為在燃料電池(4)中將氫氣氧化成水，逆向反應可為在水電解池(5)中將水電解分解成氧氣和空氣。
【專利說明】
用于再生呼吸空氣的裝置和方法
技術領域
[0001]本發明涉及用于再生位于封閉或保持封閉的室中的人的呼吸空氣的裝置。
【背景技術】
[0002]由于存在人或動物，首先主要通過氧氣含量下降而消耗封閉或保持封閉的室中的呼吸空氣。對此的定量說明例如存在于K.Kunsch和S.Kunsct^tluDer Mensch inZahlen”，Spektrum Akademischer Verlag,Heidelberg (2000)中。呼吸空氣消耗的結果是疲乏、頭痛和類似癥狀，從而尤其降低人的專注力。
[0003]在人口稠密地區，尤其在亞洲，至少在特定氣候情況下，空氣被嚴重污染，以致其僅有限地適用為人的呼吸空氣。因此在機動車中以及建筑物中通常避免開窗，以便盡可能少的受污染空氣進入室內。
[0004]對于仍然設置的與環境的換氣而言，可以過濾呼吸空氣。過濾系統能結合顆粒和在有限程度上還結合氣態污染物。但是對于建筑物或機動車的室內呼吸空氣的品質而言通常有利的是，盡可能少的受污染空氣進入室內。
[0005]如果由于空氣污染而完全或基本上防止呼吸空氣與室外空氣進行直接交換，則應將氧氣濃度維持在大約21%。這通過例如來自氧氣瓶的氧氣是可行的。
[0006]以化學途徑產生純氧氣的已知可能方式是借助水電解池將水電解分解成氫氣和氧氣。該反應極其耗能并在此期間生成爆炸性的氫氣氣體。
[0007]在霧霾區域中(例如洛杉磯、東京)，“氧吧”受人歡迎，在那里人們可以通過呼吸提高量的氧氣恢復精神。
[0008]在封閉室中呼吸空氣消耗的另一方面可以是提高的二氧化碳濃度。
[0009]對于從大氣中分離二氧化碳，例如在APS的報道“Direct Air Capture of C02with Chemicals”(2011)以及Energy Procedia 37，第6079-6095頁中討論了一系列交叉反應，但是在此基于總體上限制地球大氣層的CO2含量上升的觀點。
[0010]呼吸空氣消耗的另一方面可以是水蒸氣含量的上升。為了從空氣中分離水蒸氣，在現有技術中存在各種可選方式;最簡單的是冷凝捕集器。
【發明內容】
[0011 ]本發明在第一方面中涉及用于再生在封閉或保持封閉的室中的人的呼吸空氣的方法。在此，該室具有壁，通過該壁將室外的尤其被異味、有害物質或者由于其它原因污染的空氣與室內的呼吸空氣保持分開，且該方法包括以下步驟:
?從室外提取空氣，
?將空氣輸送至化學反應，其中來自室外的空氣中的氧氣作為反應物參與，
?進行該化學反應，
?將該化學反應的反應產物輸送至逆向化學反應，
?進行該逆向化學反應， ?將在該逆向反應中生成的氧氣釋放到室內，并且 ?將該逆向化學反應的反應產物輸送至該化學反應作為其另外的反應物。
[0012]在此，當該反應根據外部條件(例如溫度、能量輸入和催化劑)可以以兩個方向進行時，這兩個化學反應應被理解為彼此逆向。例如，在燃料電池中氧化氫氣并輸出電功和在水電解池中將水電解分解成氫氣和氧氣被認為是彼此逆向。
[0013]因為用于該反應和逆向反應的特定能量支出一一不考慮不可避免的損失一一相互抵消，這兩個反應可以在封閉循環中一起運行。這有利地實現使用一對這樣的反應，其中產生氧氣的單個反應的能量需求是不可接受地高的，且例如在機動車中作為能量供應源的整車電源可能受嚴重負荷。
[0014]例如可以利用在燃料電池中使用來自室外空氣的氧氣將氫氣氧化成水作為化學反應。
[0015]在另一個實施方案中，例如利用將水借助水電解池進行電解分解作為逆向化學反應。在此有利的是，可以通過燃料電池滿足大部分的水解能量需求。
[0016]在本發明的另一個實施方案中，在室內的呼吸空氣中富集的二氧化碳可以通過另一個方法步驟除去。由此實現以下優點，即可以較長時間地利用該呼吸空氣的再生，因為配備有氧氣的呼吸空氣的利用不再受逐漸升高的二氧化碳濃度限制。
[0017]除去二氧化碳可以由多個子步驟組成，其中在第一子步驟中可以將呼吸空氣通導通過含有氫氧化鈉的液體，由此在該溶液中形成碳酸鈉。該液體可以在第二子步驟中通過添加氫氧化鈣水溶液得以再生，其中除氫氧化鈉外生成碳酸鈣，其沉淀并可過濾去除。碳酸鈣僅含有結合形式的二氧化碳并能夠就其而言通過加熱分解成氧化鈣和釋放到室外的二氧化碳。最后，氧化鈣可以溶解在水中，由此生成用于再生氫氧化鈉所需的氫氧化鈣。有利的是，該反應在封閉循環中進行。
[0018]此外有利的是，在另一個方法步驟中將燃料電池的廢熱傳輸到待加熱的碳酸鈣，因為由此使該實施方式中的能耗變得特別低。
[0019]在本發明的另一個實施方案中，可以在另一個方法步驟中除去包含在室內呼吸空氣中的水，例如借助冷凝捕集器。該實施方式的優點是，在機動車中可以確保窗不由于乘客(Insassen)潮濕的呼吸空氣而蒙上霧氣。
[0020]本發明的另一方面是用于再生在封閉或保持封閉的室中的呼吸空氣的裝置，其具有來自室外的空氣入口和朝向室內的氧氣出口。該裝置在此包含一個組件，其用于進行化學反應并具有與室外相連的空氣入口；該裝置還包含一個組件，其用于進行逆向化學反應并具有與室內相連的氧氣出口 ；并且該裝置包含傳輸導管，其將這兩個組件相互連接。
[0021 ]這樣的裝置可以有利地使室內富集氧氣。
[0022]在一個實施方案中，
用于進行化學反應的組件是燃料電池，其用于將氫氣電化學氧化成水，且其空氣入口與室外相連，
用于進行逆向化學反應的組件是水電解池，其用于將水電化學分解成氧氣和氫氣，且其氧氣出口與室內相連；
并且傳輸導管包含
水傳輸導管，其將水電解池與燃料電池連接，和氫氣傳輸導管，其將燃料電池與水電解池連接。
[0023]該裝置有利地形成封閉的循環。
[0024]該裝置的一個實施方案可以包含一個組件，其用于從室內的呼吸空氣中分離二氧化碳，由此使該裝置的使用有利地不受二氧化碳富集的限制。
[0025]該裝置的另一個實施方案可以包含一個組件，其用于從室內的呼吸空氣中分離水蒸氣。由此有利地防止冷的窗玻璃蒙上霧氣。
[0026]本發明的實施方案的其它特征和優點顯示于以下參考所附附圖的說明書。
【附圖說明】
[0027]圖1展示了根據本發明的一個實施方案的用于再生呼吸空氣的裝置；
圖2展示了根據本發明圖1的實施方案在用于再生呼吸空氣的方法中可能的方法步驟的順序;且
圖3展示了根據本發明另一個實施方案在用于再生呼吸空氣的方法中可能的另外的方法步驟。
【具體實施方式】
[0028]如圖1中所示，人13位于封閉或保持封閉的室中，例如轎車或會議室中，人在該室內部僅有有限量的呼吸空氣。在本發明中僅涉及這樣的情況，即室外的空氣被異味、有害物質或者由于其它原因受污染。在圖1中用I表示該室的壁，其將具有人13的室內2與具有受污染空氣的室外3分開。
[0029]在室內2的呼吸空氣中，氧氣含量由于存在人13而下降。因此，應當再生室內2的呼吸空氣。為此用氧氣進行化學反應，其中通過空氣入口 6使用來自室外3的空氣的氧氣，隨后進行逆向化學反應，其中再次釋放氣態氧氣并通過氧氣出口 7輸送至室內2。
[0030]當這兩個反應在封閉循環中進行時，各種化學中間產物可以任選以高純形式以作為分別用于另一反應的起始物質所需的量產生。
[0031]其中一個反應的能量需求還可以通過另一個反應釋放的能量而部分地補償。但是，損失至少維持在根據熱力學第二定律不可避免的程度，且實際效率通常達不到理論可能的效率。
[0032]以此方式可以構造緊湊的裝置，其除用于受污染空氣的空氣入口6和用于純氧氣的氧氣出口 7外基本上僅需要能量輸入。例如在人13在機動車中的情況下，該能量可以以電能形式獲自機動車的整車電源12。
[0033]在一個實施方案中，用于產生氧氣的逆向化學反應是在水電解池5中電解分解水:
2 H2O + 電能—2 H2 + O2。
[0034]作為為此提供大部分電能的化學反應，可以使用燃料電池4，其中在電解時產生的氫氣使用來自室外3的空氣的氧氣轉化成水:
2 H2 + O2 ^ 2 H2O + 電能。
[0035]對于物質傳輸，一方面可以從水電解池5至燃料電池4設置氫氣傳輸導管8。氫氣的中間儲存器在該實施方式中不必需，且該裝置在每個時間點僅在氫氣傳輸導管8和反應池(燃料電池4和水電解池5)中含有氫氣。由此該裝置在例如發生事故時僅以相對小的程度危害其中安裝該裝置的機動車的運行安全。
[0036]另一方面可以設置水傳輸導管9，其用于將在燃料電池4中產生的高純去離子水輸送至水電解池5，且其在此處代替分解的水。用于去離子水的中間儲存器15在此是可行的，其任選可以代替揮發性水。
[0037]對于運行該實施方案中的裝置所需的能量需求的估計得出，對于每人(氧氣消耗:
0.3 1/min)在燃料電池4的60%的效率下必須將大約80 W的電功率輸送至該裝置，這例如對于轎車的整車電源而言是完全可負擔的，而且例如對于其中存在相應多人的會議室也是如此。
[0038]在對于具有燃料驅動的機動車的較簡單的實施方案中，電解可以借助水電解池5進行，且在此生成的氫氣的至少部分的共同燃燒可以在發動機中進行。
[0039]呼吸空氣的氧氣含量應為21%。因此可以由氧氣測量儀相應地控制該裝置的運行。替代地，可以在該裝置上分別調節或者由其自動辨識，多少人正位于室內2中。在轎車的情況下，對此例如可以使用本就存在的安全帶使用監測。
[0040]所述類型的裝置還適合于用作“氧氣浴”，并可以如此使轎車駕駛員恢復精神。
[0041]到此為止所述的用于再生呼吸空氣的裝置僅可以使用有限時間，例如在室內2體積大約4 m3并占有兩個人的轎車中大約30分鐘，因為通過人13的呼吸還在室內2中釋放二氧化碳(C02)。二氧化碳導致疲乏，并且在較高濃度下甚至可能是危險的。因此應監測室內2的CO2濃度。0.5體積％的0)2的值被認為是最大允許工作場所濃度。最遲當超過其時，應借助為此設置的組件10從室內2除去C02。為此可以設置CO2傳感器14，其測量值控制要除去的CO2量。
[0042]對于每人為除去0.3 1/min CO2所需的能量需求的保守估計得出大約14 W的電功率和大約60 W的熱功率。在此，可以使用燃料電池的廢熱作為熱能以制備氧氣。在機動車中，還可以使用發動機的廢熱。
[0043]本發明的另一個實施方案的特征在于，所述裝置包含用于從室內的呼吸空氣中分離水蒸氣的組件，因為人在封閉室中除二氧化碳外還將極大量的水蒸氣釋放到環境中。特別在機動車中可導致室內2中的水含量如此升高，以致露點上升至超過窗玻璃的溫度，并因此在窗玻璃上蒙上霧氣，特別是在低的外溫下。為了在維持室內2中溫度的同時降低露點，可以用對此合適的裝置11例如借助冷凝捕集器從室內2的呼吸空氣中除去水。
[0044]圖2展示了用于再生在封閉或保持封閉的室中的人的呼吸空氣的方法中可能的方法步驟的順序，其中該室具有壁I，通過該壁將室外3的受污染空氣與室內2的人13的呼吸空氣保持分開。
[0045]該方法以從室外3提取21空氣開始，接著將空氣輸送22至化學反應23，其中來自室夕卜3的空氣中的氧氣作為反應物參與，并進行該化學反應23。隨后將化學反應23的反應產物輸送24至逆向化學反應25并進行該逆向化學反應。接著將在該逆向反應中生成的氧氣釋放26到室內2，并將逆向化學反應25的反應產物輸送27至化學反應23作為其另外的反應物。
[0046]在一個實施方案中，化學反應23可以是在燃料電池4中將氫氣氧化成水，逆向反應25可以是將水電解分解成氧氣和氫氣。
[0047]在圖3中描繪的另一個實施方案中，可以加入從室內2的呼吸空氣中除去31二氧化碳的步驟。
[0048]在一個實施方案中，從室內2的呼吸空氣中除去31二氧化碳的步驟可以包括以下子步驟:
將呼吸空氣通導32通過具有氫氧化鈉的溶液，
通過添加氧化鈣再生33該溶液，其中形成碳酸鈣，
通過加熱將碳酸鈣分解34成氧化鈣和二氧化碳，
將二氧化碳釋放35到室外3的空氣中，
將氧化鈣溶解36到水中，并且將氫氧化鈣送回37到再生33步驟。
[0049]在化學反應23是在燃料電池4中將氫氣氧化成水的另一個實施方案中，可以包括將該燃料電池的廢熱傳輸38至氧化鈣作為另一子步驟。
[0050]在另一個實施方案中，可以包括從室內2的呼吸空氣中除去水蒸氣的步驟。
【主權項】
1.用于再生在封閉或保持封閉的具有壁(I)的室中的人的呼吸空氣的方法，通過所述壁將室外(3)的空氣與室內(2)的呼吸空氣保持分開，其中所述方法包括以下步驟: ?從室外(3)提取(21)空氣， ?將所述空氣輸送(22)至化學反應(23)，其中來自室外(3)的空氣中的氧氣作為反應物參與， ?進行化學反應(23)， ?將化學反應(23)的反應產物輸送(24)至逆向化學反應(25) ?進行逆向化學反應(25) ?將在逆向反應(25)中生成的氧氣釋放(26)到室內(2)，并且 ?將逆向化學反應(25)的反應產物輸送(27)至化學反應(23)作為其另外的反應物。2.根據權利要求1的方法，其中化學反應(23)是在燃料電池(4)中將氫氣氧化成水。3.根據權利要求1或2的方法，其中逆向化學反應(25)是將水電解分解成氧氣和氫氣。4.根據權利要求1至3任一項的方法，其具有另一步驟: ?從室內(2)的呼吸空氣中除去(31)二氧化碳。5.根據權利要求4的方法，其中除去(31)二氧化碳的步驟包括以下子步驟: ?將所述呼吸空氣通導(32)到具有氫氧化鈉的溶液中， ?通過添加氫氧化鈣再生(33)所述溶液，其中形成碳酸鈣， ?通過加熱將所述碳酸鈣分解(34)成氧化鈣和二氧化碳， ?將所述二氧化碳釋放到室外(3)的空氣中， ?將所述氧化鈣溶解(36)到水中，并且 ?將所述氫氧化鈣送回(37)至再生(33)步驟。6.根據權利要求5的方法，其中化學反應(23)是在燃料電池(4)中將氫氣氧化成水，其具有另一子步驟: ?傳輸(38)燃料電池(4)的廢熱以分解(34)所述碳酸鈣。7.根據前述權利要求任一項的方法，其具有另一步驟: ?從室內(2)的呼吸空氣中除去水蒸氣。8.根據權利要求7的方法，其使用冷凝捕集器。9.用于再生在封閉或保持封閉的室中的呼吸空氣的裝置，其中壁(I)將具有所述呼吸空氣的室內(2)與室外(3)分開，所述裝置具有: ?第一組件(4)，其用于進行化學反應(23)且具有與室外(3)相連的空氣入口(6)， ?第二組件(5)，其用于進行逆向化學反應(25)且具有與室內(2)相連的氧氣出口(7)，和 ?傳輸導管(8、9)，其將所述第一和第二組件(4、5)相互連接。10.根據權利要求9的裝置，其中所述第一組件是燃料電池(4)，其用于將氫氣電化學氧化成水，其中所述第二組件是水電解池(5)，其用于將水電化學分解成氧氣和氫氣，并且其中所述傳輸導管包含: ?氫氣傳輸導管(8)，其將水電解池(5)與燃料電池(4)連接，和 ?水傳輸導管(9 )，其將燃料電池(4)與水電解池(5)連接。11.根據權利要求9或10的裝置，其具有第三組件(10)和CO2傳感器(14)，所述第三組件用于從室內(2)的呼吸空氣中除去二氧化碳，所述CO2傳感器用于測定氣體中的二氧化碳含量。12.根據權利要求9或10的裝置，其具有第四組件(11)，所述第四組件用于從室內(2)的呼吸空氣中除去水蒸氣。
【文檔編號】C01B13/02GK105836710SQ201610067959
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月1日
【發明人】D.施泰納, K.韋貝爾, A.烏茨
【申請人】羅伯特·博世有限公司