(57)【要約】この発明は、純粋酸素を発生するための、または使用者の吸気中のその濃度を増すための方法および装置に関する。この発明に従えば、水は電気エネルギにより水素と純粋酸素とに分解され（電解）、この純粋酸素は吸気と混合され、水素は周囲の空気と混合されて水に再変換される（燃料反応）。水の水素および純粋酸素への分解と、水素と周囲の空気との水への変換とは、同時かつ連続的に行なわれ、反応回路を形成し、互いに結合され、変換中に発生した電気エネルギは、分解のためのエネルギ需要を低減するために使用される。この目的のために、水を水素および純粋酸素に分解するための電解槽一式と、水素および周囲の空気を水に変換する燃料電池とが、液体を伝導できるような態様で、電気的に接続される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸された空気中の酸素の濃度を増すための方法であって、水が電気エネルギにより酸素と水素とに分解され（電解）、前記酸素は呼吸された空気と混合され、前記水素は周囲の空気とともに水に変換され（燃料反応）、前記酸素および水素への水の分解と、前記水への周囲の空気と水素の変換とは、反応サイクルの形成とともに同時かつ連続的に行なわれ、前記変換により得られた電気エネルギが前記分解に必要とされるエネルギを低減するために利用されるという点で互いに結合される、方法。
【請求項２】
前記変換により得られた水は再び前記分解に戻される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記反応サイクルを開始および／または維持するために必要とされる電気エネルギは、電気エネルギ源から取られる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記反応サイクルを開始および／または維持するために必要とされる電気エネルギは、前記燃料反応によりのみ生成されるか、または別個に行なわれるさらなる燃料反応により生成され、いずれの場合にもさらなる水素が供給される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記さらなる水素はメタノールから得られる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
呼吸された空気中の酸素の濃度を増すための方法であって、水が水素イオンと酸素イオンとに触媒作用により電気エネルギにより分解され、前記酸素イオンは、電子の放出とともに、前記呼吸された空気に混ざる酸素と結合し、前記水素イオンは、前記電子および周囲からの空気とともに触媒作用により水に再変換され、前記水素イオンおよび酸素イオンへの水の分解と、前記酸素イオンの酸素への結合と、前記水への周囲の空気との水素イオンの変換とは、反応サイクルの形成とともに同時かつ連続的に行なわれる、方法。
【請求項７】
得られた水は分解プロセスに再び戻される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記反応サイクルを開始および／または維持するために必要とされる電気エネルギは、エネルギ源から取られる、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記反応サイクルを開始および／または維持するために必要とされる電気エネルギは、さらなる水素が供給される別個の燃料反応により生成される、請求項６または７に記載の方法。
【請求項１０】
前記さらなる水素はメタノールから得られる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
呼吸された空気中の酸素の濃度を増すための装置であって、酸素の生成ユニット（１）と、電気エネルギ源と、生成ユニット（１）から使用者への供給パイプラインと、電子制御ユニット（１２）とからなり、前記電子制御ユニットは、特に吸入相の開始時にユーザが呼吸する空気と発生された酸素とを選択的に混合する、装置。
【請求項１２】
生成ユニット（１）は水を酸素および水素に分解するための電解槽であることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
周囲の空気とともに水素を水に変換するための燃料電池が、前記変換により得られた電気エネルギを用いて前記分解のために必要とされるエネルギを減らしかつ前記変換によって得られた水が前記分解に再び戻されるような態様で、流体の移動のためにかつ電解槽と
電気的に接続されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記電解槽および／または前記燃料電池はＰＥＭ（ポリマー電解質膜）セルとして構成されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記燃料電池は、再充填可能なまたは交換可能な水素貯蔵装置（２）、特に金属ハイブリッド貯蔵装置または圧力貯蔵装置と接続されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記水素貯蔵装置は燃料改質器に接続されることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記電解槽および前記燃料電池は、特にＰＥＭセルであるセルに組合されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記電気エネルギ源は電池および／または商用電源接続であることを特徴とする、請求項１１から１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記電気エネルギ源はもう一つの燃料電池であることを特徴とする、請求項１１から１７のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
前記燃料電池はダイレクトメタノール燃料電池として構成されることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
メタノールの使い捨てまたは再使用可能なカートリッジシステムを有することを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記もう一つの燃料電池は、再充填可能なまたは交換可能な水素貯蔵システムと接続されることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
酸素の前記生成ユニット（１）と前記供給パイプライン（１１）との間に、一体化されたまたは取外し可能な酸素貯蔵システム（４）、特に加圧貯蔵システムが設けられ、前記生成ユニット（１）において連続的に生成された酸素がこの中に収集され、かつそこから特に吸入相の開始時にのみ前記電子制御ユニット（１２）により選択的に取出されて呼吸された空気と混合されることを特徴とする、請求項１１から２２のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
前記電子制御ユニット（１２）は、使用者が必要とする酸素を測定するためのセンサに接続されることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
据置きまたは移動ユニットとして構成されることを特徴とする、請求項１１から２４のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
前記生成ユニット（１）と、前記加圧貯蔵システム（２０）と、前記供給パイプライン（１１）と、前記電子制御ユニット（１２）とは、移動ユニット（１８）として構成され、前記電気エネルギ源は、据置きユニット（１９）として構成され、酸素を生成しかつ貯蔵するために互いに接続され得ることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記据置きユニット（１９）は水のための接続部を有することを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記加圧貯蔵システム（２０）は、前記供給パイプラインへの減圧器（２２）を有することを特徴とする、請求項２６または２７に記載の装置。
【請求項２９】
病理学的な肺の損傷を有する患者の支持的医療のための、または集中治療中の患者の人工呼吸もしくは運動選手のトレーニングを支持するための、または酸素療法を支持するための、請求項１１から２８に記載の装置の請求項１から１０に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸素を発生するための方法および装置、ならびに異なった分野でのその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療または他の理由のために、周囲の空気中に生じる従来の酸素の代わりにこれに対応して純粋な酸素を使用者または患者に供給すべきとき、ほぼ純粋な酸素がしばしば必要とされる。
【０００３】
この目的のために、主に３つの可能な装置および方法が従来技術から公知である。
たとえば、いわゆる酸素またはＯ2濃縮器が使用されている。これらにおいては、空気が空気フィルタにより吸引され圧縮器で圧縮され交互に弁により分子篩に供給されるというように、２つの分子篩が交互に選択される。分子篩は、気体を吸収するゼオライトで充填される。発生した圧力により、酸素と窒素との吸収比は窒素の方が高くなるようにシフトし、そのためほぼ純粋な酸素が分子篩を離れ、そのほぼ３分の１が使用者または患者に供給される。一般的に、酸素濃縮器は欠陥だらけで故障しやすい。さらに、圧縮器はこれに対応してノイズが集中し、装置は嵩張る。
【０００４】
ほぼ純粋な酸素を発生するものとしてさらに可能なものは、液体の状態で存在し適切な圧力容器中に維持される酸素が、従来技術からよく知られている変換プロセスにより気体の状態に変換されて患者に供給されるという事実に基づいている。この可能性は、液体酸素が常に利用可能でなければならず、特に病院の外ではある種の費用を伴うという欠点を有する。
【０００５】
さらに、必要とされる酸素が圧力容器内で利用できるようになっていることも知られている。ここでもまた、ある種のロジスティクス費用が避けられない。さらに、最大２００バールまでになる圧力に耐えなければならない圧力容器は、これに対応して重く輸送が困難である。
【０００６】
一方ではその特殊な構造上の構成のため、また利用するには出発原料を必要とするため、移動して使用するには適しているとしても限られた範囲でしか適していないということが、酸素を発生するための以上に列挙した３つの方法および装置の共通した大きな欠点である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術で知られている欠点から始まって、この発明の目的は、ほぼ純粋な酸素を非常に簡単な態様でユーザが利用できるようにする方法を利用可能にすることである。さらに、この発明の目的は、この方法を実現し、簡単に取扱うことができ、比較的ノイズを少なくし、軽量である装置を利用可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、一方では、クレーム１および６の方法で、さらにクレーム１１の装置で達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
基本的には、この発明は、酸素を発生するものとして２つの方法を利用可能にする。
第１のこの発明の方法の場合には、水が、公知の方法である電解により水素と酸素に分解され、次に酸素は呼吸した空気と混合される。形成された水素は次に、結合された燃料反応により周囲からの空気とともに再び水に変換され得る。これに関連して、この発明に従えば、電解および燃料反応は、反応サイクルを形成しかつ同時に連続的に行われるような態様で、互いに結合されることが必要である。この発明に従えば、燃料反応により放出される電気エネルギは、分解のために必要とされるエネルギを低減するために使用される。
【００１０】
この発明のさらなる展開に従えば、燃料反応中に得られた水は、分解プロセスにリサイクルされる。
【００１１】
この発明の有利な展開に従えば、反応サイクルを維持するために必要とされる電気エネルギは、電解と結合される上記燃料反応自体または第１のものと別個に行われる第２の燃料反応のいずれかにより生成され、電解に由来しないまたは別個のエネルギ源から供給されるさらなる水素がこの２つの燃料反応に供給される。
【００１２】
このために必要とされるさらなる水素は、貯蔵媒体から直接、特に金属ハイブリッド貯蔵媒体または加圧貯蔵媒体から入手することができ、この発明のある実施の形態に従えば、水素は、燃料改質プロセスにより、たとえばホウ水素化ナトリウムから得られる。
【００１３】
この発明のさらに有利な展開では、燃料はたとえばメタノールであってもよい。
この発明に従えば、電解により発生する水素を燃料反応に移す中間ステップが省略されるような態様で電解プロセスと燃料反応とが互いに絡み合っているという事実により、酸素を第２の方法でも発生することができる。この目的のため、この発明に従えば、水はセルのアノード側で水素イオンと酸素イオンとに触媒作用により分解され、水素イオンはポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を通ってこのセルのカソード側に移動し、ここでそれらは触媒作用により周囲からの空気とともに水に再び変換される。アノード側では、酸素イオンが反応し、電子を酸素に放出し、そしてこれが呼吸した空気と混ざる。
【００１４】
この発明に従えば、この第２の方法の際にカソード側で得られた水はまた、アノード側での分解反応に再びリサイクルすることができる。
【００１５】
またこの発明の方法のこの変形例では、反応サイクルを維持するために必要な電気エネルギは、このプロセスとは別個に進行するさらなる燃料反応により得ることができ、燃料から任意で変質され得るさらなる水素がこのさらなる燃料反応に供給される。
【００１６】
最初に述べた方法を実施するために、この発明に従う電解槽が、流体を転送するため燃料電池に電気的に接続される。
【００１７】
これに関連し、この発明に従えば、電解槽および／または燃料電池がいわゆるＰＥＭセルとして構成されることが有利である。後者については、イオン輸送を行ない、かつそうするに当ってプロトンのみを伝導するプラスチック膜が電解質として使用される。電解質として水酸化カリウムよりポリマー膜が有利であるのは、システムの簡素化にあり、とりわけより高く達成可能な出力密度にある。さらに、アルカリ装置に比べて、ＰＥＭセルは二酸化炭素による汚染を受けにくく、そのため非常に純粋な反応ガスを使用する必要がなく、燃料電池を空気でも動作させることができる。
【００１８】
ＰＥＭ電解槽に外部電圧が供給されると、式２Ｈ2Ｏ→４ｅ-＋４Ｈ+＋Ｏ2に従って水がアノード側で直接、気体酸素と電子とＨ+イオンとに電解により分解される。Ｈ+イオン（プロトン）は、プロトン伝導性ＰＥＭ膜を通ってカソードに移動し、電子が外部導通回路を流れる状態で、式４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2に従って水素を形成する。反応全体は２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2となる。次に、純粋な酸素は排出され患者が呼吸した空気と混ざり、これに対して水素はＰＥＭ燃料電池に送られる。
【００１９】
燃料電池の機能の形態は、電解槽のそれとは反対である。この電池のアノードに供給される水素は酸化され、電極の触媒作用によりプロトンおよび電子に分解される（２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-）。水素イオンは、プロトン伝導性ＰＥＭ膜を通って陽極側に再び到達する。閉じた外部回路の場合には、電子は陽極に移動し、その途中で電気的作用を行なう。周囲の空気に含まれ陽極に運ばれる酸素（純粋でない）が次に還元され、水がプロトンとともに形成され（４ｅ-＋４Ｈ+＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ）、そのため反応全体は２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏとなる。
【００２０】
前述のとおり、水はＰＥＭセルのアノード側で分解プロセスに再び供給される。
第２の方法は、電解槽および燃料電池が１つのセル、好ましくはＰＥＭセルとして組合されるという事実によりこの発明に従って実施され得る。この発明に従えば、電解により気体水素を発生しこの水素を燃料反応のための出発原料として使い回すステップはここでは省略され、ポリマー膜のみが電解質として使用される。アノード側では、供給された水が触媒作用により酸素イオンと水素イオンとに分解される（Ｈ2Ｏ→Ｏ2-＋２Ｈ+）。水素イオン（プロトン）はポリマー膜を通過してセルの陽極側に達し、そこで、周囲の空気により供給された酸素と触媒作用により反応し、式４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏに従って水を形成する。このように形成された水は再びセルのアノード側に戻され供給され得る。
【００２１】
アノード側で、式２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-に従って、酸素イオンは次に酸素を形成し電子を放出する。気体酸素は次に、セルから排出され、使用者が呼吸した空気と適切に混合し得る。
【００２２】
この発明の方法の両方の変形例において、気体の純粋な酸素は、供給された水中でアノード側で気泡の形で発生し、次に排出され、この発明のある実施の形態では水分離器に送られ、ここで純粋な酸素の気泡が水から分離されて適切に排出され得る。
【００２３】
人の吸入相における総体積の約８％のみが、肺の中で変換され循環血液に移送され得るということがわかっている。この発明の装置は電子制御装置を利用可能にし、これは好ましくはマイクロプロセッサで制御され、使用者の吸入相の開始時に正確にこの量のみを利用可能にするデマンドシステムとも呼ばれる、すなわち、この特定の量が呼吸の合間に使用者が呼吸する空気と混合する。
【００２４】
このため、電解槽は比較的寸法の小さいユニットとして既に好適であり、比較的少量の水が酸素を発生するための出発原料として利用することができる。
【００２５】
同時に形成された水素は、たとえば、燃料管により水蒸気として周囲に触媒作用により排出されるか、または電解槽が燃料電池と結合される好ましい実施の形態では、これに結合された燃料反応において周囲からの空気とともに水に再び変換され得る。
【００２６】
この発明に従えば、直接商用電源接続または交換可能な電池のいずれかを、個々の反応を行ない維持するための電気エネルギの供給元として使用することができる。
【００２７】
この発明の特に有利な展開において、さらなる燃料電池、好ましくはダイレクトメタノール燃料電池が、電源供給元としての役割を果たし、メタノールは任意でカートリッジシステムにより利用可能とされる。
【００２８】
この発明のさらに有利な展開において、酸素は貯蔵システムに収集され、そこからこれは電子制御装置により選択的に取出されて使用者に供給される。
【００２９】
この発明のある実施の形態では、発生ユニット、圧力貯蔵システム、供給パイプラインおよび電子制御ユニットは、１つのユニットを形成し、このユニットは、このユニット全体が携帯可能でありかつ患者に縛り付けることで運ぶことのできるように構成される。
【００３０】
酸素の発生を行うために必要とされる電気エネルギは、電気エネルギ源、好ましくは商用電源への接続により利用可能とされる。この発明に従えば、この電気エネルギ源は、据置き型であってもよい。これはいわゆる「ドッキングユニット」を形成し、装置の移動ユニットをこれに挿入し、かつ結合することができ、これにより酸素発生プロセスが行なわれるようにすることができる。言換えれば、移動ユニットは、貯蔵システムに酸素がある限り、エネルギ源とは別個に移動状態で使用できる。加圧貯蔵システムが空になると、移動ユニットを電気エネルギ源と再び接続して、これを純粋な酸素で充填することができる。加圧貯蔵システムの寸法が、移動ユニットを使用することのできる期間を決定する。
【００３１】
生成ユニットは、必要とされる水のための別個の入口を有し、たとえば加圧貯蔵ユニットからこれを通じて水を充填することができ、または、この発明のある実施の形態では、据置きの「ドッキングユニット」に設けられる水供給パイプラインと接続される接続部を有する。
【００３２】
互いに別々の、または好ましくはＰＥＭセルとして構成される単一のセルに組合される、電解槽と燃料電池とを使用することにより、反応がその中で行われるため、非常に静かに動作する軽量かつ小型のユニットが形成されることが明らかである。さらに、発生した酸素が電気的に制御されて選択的に受入れられることにより、ユニットのサイズを大幅に縮小することができる、というのも酸素の吸入量全体を発生する必要がなく、そのほんの一部のみで済むからである。酸素の供給元として従来の水を使用することも、この装置の使用を簡素化し、そのため家でこれを問題なく使用することができるようになり、この発明の有利な展開では、移動ユニットとして構成することもできる。
【００３３】
この装置のさらなる利点および展開は、従属クレームから生じる。
以下では、この発明が基づく原理の機能の形態を、添付の図面に示される実施例によりさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１は、生成ユニット１で酸素を生成するこの発明の原理のブロック回路図を示す。この実施の形態によれば、生成ユニット１は、燃料電池と結合される電解槽、または電解槽および燃料電池の機能を組合せた単一のＰＥＭセルのいずれかからなる。そのようなセルの基本的構成は一般的に知られている。
【００３５】
生成ユニット１には、水貯蔵システム２から出発原料として水が供給される。次に、電解および燃料電池の対応の反応が生成ユニット１で行われる。
【００３６】
純粋な酸素が、生成ユニット１のアノード側に存在する水中に気泡として形成される。この水は、酸素とともに排出され、水分離器３に供給され、ここで純粋な酸素は水から分離されるが、そのため水分離器３は、一方では酸素貯蔵システム４として、他方では水貯蔵システム２として機能することができる。
【００３７】
生成ユニット１の陽極側で、周囲からの空気がパイプライン５により供給され、水への再変換を可能にする。得られた水および得られた酸素は、共通のパイプライン６により、また水分離器７により排出される。
【００３８】
水貯蔵システム８に収集された後、水はリサイクルパイプライン９により水貯蔵システム２から供給パイプライン１０に添加され、これにより閉じたサイクルが形成される。
【００３９】
酸素貯蔵システム４からの純粋な酸素は、供給パイプライン１１により、患者が呼吸した空気に供給される。
【００４０】
デマンドシステムとも呼ばれＣＰＵ１３により制御される電子制御システム１２が、弁１４により純粋な酸素の選択的な取出を調整する。
【００４１】
ＣＰＵ１３は、やはり弁１５を介して、水補充システム１６からの水の供給を制御する。
【００４２】
ＣＰＵ１３またはデマンドシステム１２は、使用者の吸入の関数として、必要とされる純粋な酸素の量を決定するセンサに接続され得る。
【００４３】
システム全体に、エネルギ源から、制御ならびに分解および変換プロセスを行なうために必要とされる電気エネルギが供給される。エネルギ源は図示されないが、電池、商用電源接続またはさらなる燃料電池として構成されてもよく、変流器１７が使用される。
【実施例２】
【００４４】
図２は、移動ユニット１８および据置きユニット１９からなるこの発明の装置を概略的に示す。
【００４５】
移動ユニット１８は、酸素生成ユニット１と加圧貯蔵システム２０とからなり、加圧貯蔵システム２０は、生成ユニット１に直接接続され、この中に電解により生成された純粋な酸素が収集される。
【００４６】
減圧器２２が、加圧貯蔵システム２０と患者に供給するパイプライン２１との間に設けられる。供給パイプライン２１は、電子システム１２と公知の弁技術により結合され、これにより純粋な酸素が、吸入相において特定の回数でのみある間隔で圧力貯蔵システム２０から取出されて患者が呼吸した空気に供給され、この空気中の酸素濃度が選択的に上げられる。
【００４７】
移動ユニット１８の生成ユニット１は、据置きユニット１９の電気商用電源部２４と電気リード線２１を介して接続される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の方法および装置を示すブロック回路図である。
【図２】移動ユニットとしてのこの発明の装置の概略図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004534907.tif 000025
【国際調査報告】
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