DE19540993C1 - Economising consumption of fossil fuel by internal combustion engines - Google Patents

Economising consumption of fossil fuel by internal combustion engines

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Abstract

The method for economising on the use of fossil fuel comprises feeding alcohol-containing water under pressure to a heat exchanger that is heated by the waste heat of exhaust gases from an internal combustion engine, by which in a first heat exchanger alcohol is distilled off and in a second heat exchanger the alcohol-containing water is converted into steam which is held under pressure and led over a diaphragm in a bipolar steam electrolysis unit in which the steam is converted into hydrogen and oxygen by the catalytic dopant in the diaphragm and the voltage applied to the steam electrolysis unit; and the O2 and H2 generated are mixed with the combustion air and the fossil fuel used to run the internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einsparung fossiler Kraftstoffe und der bei ihrer Verbrennung entstandenen Schadstoffe durch Zumischung von Wasserstoff und Sauerstoff, die in einem Dampfelektrolyseur unter Druck aus alkoholhaltigem Wasser unter Verwendung der Abgaswärme von Verbrennungsmotoren erzeugt werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for saving fossil fuels and the their combustion caused by the admixture of hydrogen and oxygen generated in a steam electrolyzer under pressure from alcohol Water is generated using the exhaust heat from internal combustion engines be as well as a device for performing the method.

Wegen der Endlichkeit fossiler Kraftstoffressourcen, dem erheblich steigenden Energieverbrauch sowie aus Gründen zunehmender Umweltbelastung und der damit verbundenen Risiken, wird für die Zukunft immer mehr nach neuen nichtfossilen Energiequellen gesucht. Wasserstoff, als schadstofffreier Energieträger und -speicher, der aus dem einzig dafür notwendigen Primärrohstoff Wasser erzeugt werden kann, wird für die Zukunft einen ständig steigenden Anteil der Energieversorgung übernehmen.Because of the finiteness of fossil fuel resources, the significantly increasing Energy consumption and for reasons of increasing environmental pollution and associated risks, will be more and more new in the future non-fossil energy sources sought. Hydrogen, as a cleaner Energy carrier and storage, from the only necessary The primary raw material water can be generated, will be one for the future take on increasing share of energy supply.

Aus einem Mol Wasser (18 g) entstehen unter normalen Bedingungen (p = 1 bar, T = 298°K) ca. 22 Liter Wasserstoff und 11 Liter Sauerstoff.Under normal conditions (p = 1 bar, T = 298 ° K) approx. 22 liters of hydrogen and 11 liters of oxygen.

Es ist bekannt, daß die Wasserspaltung eine endotherme Reaktion ist und läuft dementsprechend mit positiver Reaktionsenthalpie und -entropie ab.It is known that water splitting is an endothermic reaction and is running accordingly with a positive enthalpy of reaction and entropy.

H₂O → H₂ + 1/2 O₂H₂O → H₂ + 1/2 O₂

Δ H = + 241,94 kJ/molΔ H = + 241.94 kJ / mol

Δ S = + 188,11 kJ/mol.K 11sΔ S = + 188.11 kJ / mol.K 11s

Somit kann die Wasserspaltung nur durch Zufuhr verschiedener Energieformen wie: Elektrische Energie, Wärme, Licht oder Strahlung sowie durch Kombination dieser Energieformen erfolgen. Von den verschiedenen Möglichkeiten zur Wasserspaltung wird nur die Elektrolyse in großem Maßstab durchgeführt. Die Enthalpieänderung für die elektrolytische Zersetzung von Wasser ergibt sich zu:Thus water splitting can only be achieved by supplying different forms of energy such as: electrical energy, heat, light or radiation and by combination of these forms of energy. From the different options to Water splitting is only carried out on a large scale by electrolysis. The enthalpy change for the electrolytic decomposition of water results to:

Dementsprechend ergibt sich für die Elektrolyse von Wasser eine Zersetzungsspannung von 1,23V bei 298°K.Accordingly, there is one for the electrolysis of water Decomposition voltage of 1.23V at 298 ° K.

Die in Elektrolyseuren tatsächlich anzuwendende Spannung setzt sich aus folgenden Teilbeträgen zusammen:The voltage actually to be used in electrolysers is subject to exposure the following partial amounts:

U = E₁+E₂+E₃+E₄
U = Zellspannung
E₁ = 1,23 V = theoretische Zersetzungsspannung
E₂ und E₃ = anodische und kathodische Überspannung an der Phasengrenze Elektrode/Elektrolyt
E₄ = OHMscher SpannungsabfallU = E₁ + E₂ + E₃ + E₄
U = cell voltage
E₁ = 1.23 V = theoretical decomposition voltage
E₂ and E₃ = anodic and cathodic overvoltage at the electrode / electrolyte phase boundary
E₄ = OHM voltage drop

E₁ ist entsprechend der thermodynamischen Gleichung temperatur- und druckabhängig. Somit kann bei hoher Temperatur und hohem Druck die Zersetzungsspannung stark herabgesetzt werden.E₁ is temperature and according to the thermodynamic equation pressure dependent. Thus, at high temperature and high pressure Decomposition voltage can be greatly reduced.

Dies geschieht technisch in Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseuren.Technically, this happens in high-temperature steam electrolysers.

Eine weitere Herabsetzung der Zersetzungsspannung kann durch katalytische Wirkung erfolgen.A further reduction in the decomposition voltage can be caused by catalytic Effect.

Die katalytische Wirkung wird durch Dotierung des Diaphragmamaterials mit verschiedenen Metallen wie z. B. Kobalt, Nickel, Eisen erzielt, die im alkalischen Bereich eine weitere Herabsetzung der Zersetzungsspannung bzw. der Reaktionsenthalpie und -entropie nach folgender Reaktion bewirken:The catalytic effect is achieved by doping the diaphragm material different metals such as B. cobalt, nickel, iron achieved in alkaline range a further reduction in the decomposition voltage or enthalpy of reaction and entropy after the following reaction:

k₁-k₄ = Geschwindigkeitskonstanten, deren Dimension je nach Kinetik verschieden ist.k₁-k₄ = rate constants, the dimension of which depends on the kinetics is different.

E₂ und E₃ sind vom Elektrodenmaterial und Elektrolyten abhängig und können durch Auswahl des Elektrodenmaterials sowie durch Temperaturerhöhung ebenfalls herabgesetzt werden.E₂ and E₃ are dependent on the electrode material and electrolyte and can by selecting the electrode material and by increasing the temperature can also be reduced.

E₄ ist von der Leitfähigkeit des Elektrolyten, des Diaphragmawiderstandes und vom Elektrodenabstand abhängig und kann auch entsprechend herabgesetzt werden. E₄ is dependent on the conductivity of the electrolyte, the diaphragm resistance and depends on the electrode distance and can also be reduced accordingly will.  

Nach dem heutigen Stand der Technik "Ullmann Band 24, Seite 275 bis 282" wird zwischen Wasser-Elektrolyse und Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unterschieden.According to the current state of the art "Ullmann Volume 24, pages 275 to 282" between water electrolysis and high-temperature steam electrolysis distinguished.

Die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse setzt die Herstellung von Wasserdampf unter hohem Druck voraus mit nachfolgender elektrolytischer Spaltung. Es ist bekannt, daß bei Verbrennung von fossilen Kraftstoffen in Verbrennungs­ motoren eine große Menge an Wärmeenergie frei wird, die unbenutzt über die Verbrennungsgase zusammen mit schädlichen Verbrennungsprodukten in die Umwelt gelangt. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht hauptsächlich Wasser als Verbrennungsprodukt mit sehr geringen Mengen an Stickoxiden.The high-temperature steam electrolysis continues the production of water vapor under high pressure ahead with subsequent electrolytic cleavage. It is known that when burning fossil fuels in combustion engines releases a large amount of thermal energy that is unused via the Combustion gases along with harmful combustion products in the Environment. The combustion of hydrogen mainly occurs Water as a combustion product with very small amounts of nitrogen oxides.

Aus der DE 41 29 330 A1, DE 40 37 541 C2, DE 36 20 313 A1 und DE 25 49 471 B2 sind Verfahren bekannt die Wasserstoff und Sauerstoff elektrolytisch bei hohen Temperaturen erzeugen oder die Abgaswärme von Verbrennungsmotoren für die Stromerzeugung nutzen, der wiederum zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserelektrolyse verwendet wird.From DE 41 29 330 A1, DE 40 37 541 C2, DE 36 20 313 A1 and DE 25 49 471 B2 processes are known which are hydrogen and oxygen generate electrolytically at high temperatures or the exhaust heat from Use internal combustion engines for power generation, which in turn is used for manufacturing of hydrogen and oxygen is used by water electrolysis.

Keinem dieser Verfahren ist zu entnehmen, daß in einem mit der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors beheizten Wärmetauscher ein Alkohol/Wasser-Gemisch zugeführt wird und unter Abdestillation des Alkoholüberschusses das Wasser in Wasserdampf überführt wird, der unter Druck in einem Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird. Weiterhin konnte aus keinem Verfahren entnommen werden, daß zur Herabsetzung der für die Dampfelektrolyse notwendige Zellspannung dem Wasser Alkohol zugemischt wird der im Anodenbereich des Elektrolyseurs eine Verbrennungszelle bildet.None of these methods can be seen that in one with the exhaust gas heat an internal combustion engine heated heat exchanger an alcohol / water mixture is supplied and with distillation of the excess alcohol Water is converted into water vapor, which is under pressure in an electrolyser Hydrogen and oxygen are decomposed. Furthermore, no procedure could are taken to reduce that for steam electrolysis The necessary cell voltage is mixed with the alcohol in the water Anode area of the electrolyzer forms a combustion cell.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einsparung fossiler Kraftstoffe, und die bei ihrer Verbrennung entstanden Schadstoffe, bereitzustellen. The present invention has for its object a method for Saving fossil fuels, and which were created when they were burned To provide pollutants.  

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:The task is solved according to the invention as follows:

  • - Den fossilen Kraftstoffen wird Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, die in einem bipolar ausgebildeten Dampfelektrolyseur aus Wasserdampf unter Druck erzeugt werden- The fossil fuels are supplied with hydrogen and oxygen, which in one bipolar steam electrolyser generated from steam under pressure will
  • - Der Wasserdampf wird in einem Wärmetauscher, unter Verwendung der Abgaswärme von Verbrennungsmotoren erzeugt- The water vapor is in a heat exchanger, using the Exhaust heat generated by internal combustion engines
  • - Für die Herabsetzung der Zersetzungsenergie des Wassers und somit auch der notwendigen Elektroenergie für die Elektrolyse, wird das Diaphragma mit einem katalytisch wirkenden Material dotiert.- For the reduction of the decomposition energy of the water and thus the necessary electrical energy for electrolysis, the diaphragm with a doped catalytically active material.
  • - Für die Elektrolyse wird erfindungsgemäß deionisiertes Wasser mit Zusatz von Methanol oder anderen Alkoholen verwendet.- According to the invention, deionized water with the addition of Methanol or other alcohols are used.

Der Zusatz von Methanol bewirkt, daß während der Elektrolyse an der Anode durch Oxidation eine Zellspannung herabsetzende Verbrennungszelle nach folgendem Reaktionsmechanismus entsteht:The addition of methanol causes the anode to pass through during electrolysis Oxidation of a cell voltage reducing combustion cell according to the following Reaction mechanism arises:

CH₃OH + 3O2- → CO₂ + 2H₂O + 6e⁻
3H₂O + 6e⁻ → 3H₂ + 3O2- CH₃OH + 3O 2- → CO₂ + 2H₂O + 6e⁻
3H₂O + 6e⁻ → 3H₂ + 3O 2-

wobei die Oxidation von Methanol in Abhängigkeit von der Temperatur zu verschiedenen Oxidationsprodukten wie folgt führen kann:the oxidation of methanol depending on the temperature different oxidation products as follows:

Durch die starke Herabsetzung der Zellspannung kann Wasserstoff an der Kathode mit Zufuhr sehr geringer elektrischer Energie abgeschieden werden. By greatly reducing the cell voltage, hydrogen on the Cathode can be deposited with the supply of very low electrical energy.  

Der Zusatz von Methanol bewirkt weiterhin, daß durch Herabsetzen des Gefrierpunktes von Wasser die Anlage auch bei Temperaturen unter 0°C betrieben werden kann.The addition of methanol also causes that by reducing the Freezing point of water the system also operated at temperatures below 0 ° C can be.

Hinweisend auf die Zeichnung wird die Vorrichtung in beispielsweiser Ausführungsform dargestellt.Referring to the drawing, the device is in example Embodiment shown.

Das Wasser-Alkoholgemisch gelangt aus dem Vorratsbehälter (1) in den Wärmetauscher (2), wo der größte Teil des Alkohols abdestilliert und in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird. Aus dem Wärmetauscher (2) wird das alkoholhaltige Wasser durch einen Verdichter (3) in den Dünnschichtlamellen­ wärmtauscher (4) befördert. Im Dünnschichtlamellenwärmetauscher (4) wird das alkoholhaltige Wasser durch Verbrennungsgase, die mit einer hohen Temperatur durch das Abgasrohr (5) strömen, erhitzt und bei einer Temperatur < 250°C und einem hohen Druck in Dampf umgewandelt. Der entstandene Wasserdampf verläßt den Wärmetauscher und gelangt unter Druck durch die zentrale Seite der ringförmigen Diaphragmen (7) in den bipolaren Dampfelektrolyseur (6). Durch die Dampfelektrolyse entsteht an der Kathode (8) und jeweils auf einer Seite der polarisierten Elektroden (10) Wasserstoff. An der Anode (9) und der anderen Seite der polarisierten Elektroden (10) entsteht Sauerstoff und entsprechende Oxidationsprodukte des Alkohols.The water-alcohol mixture passes from the storage container ( 1 ) into the heat exchanger ( 2 ), where most of the alcohol is distilled off and returned to the storage container. The alcohol-containing water is conveyed out of the heat exchanger ( 2 ) through a compressor ( 3 ) in the thin-film fins heat exchanger ( 4 ). In the thin-layer fin heat exchanger ( 4 ), the alcohol-containing water is heated by combustion gases which flow through the exhaust pipe ( 5 ) at a high temperature and converted to steam at a temperature <250 ° C and a high pressure. The resulting water vapor leaves the heat exchanger and passes under pressure through the central side of the annular diaphragms ( 7 ) into the bipolar steam electrolyzer ( 6 ). The steam electrolysis produces hydrogen on the cathode ( 8 ) and on each side of the polarized electrodes ( 10 ). Oxygen and corresponding alcohol oxidation products are produced on the anode ( 9 ) and the other side of the polarized electrodes ( 10 ).

Der entstandene Wasserstoff und Sauerstoff (mit den Oxidationsprodukten) wird über die Kollektoren (11) und (12) aufgefangen und über eine Dosiereinrichtung dem Kraftstoff beziehungsweise der Verbrennungsluft des Motors zugeführt. Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, hat Wasserstoff im Vergleich zu anderen Kraftstoffen sehr große Vorteile. Vor allem die minimale Zündenergie und der breite Zündbereich machen es möglich, daß Verbrennungsmotoren auch mit Magermischungen funktionieren können. Somit kann durch Zugabe von geringen Mengen an Wasserstoff zu dem klassischen Treibstoff der Verbrauch an letzterem stark reduziert werden. Dementsprechend wird auch die Menge an schädlichen Abgasen drastisch reduziert, was zu einer Entlastung der Umwelt führt.The resulting hydrogen and oxygen (with the oxidation products) is collected via the collectors ( 11 ) and ( 12 ) and fed to the fuel or the combustion air of the engine via a metering device. As the table below shows, hydrogen has huge advantages over other fuels. Above all, the minimal ignition energy and the wide ignition range make it possible for internal combustion engines to work even with lean mixtures. Thus, the consumption of the latter can be greatly reduced by adding small amounts of hydrogen to the classic fuel. Accordingly, the amount of harmful exhaust gases is drastically reduced, which relieves the burden on the environment.

BezugszeichenlisteReference list

1 Vorratsbehälter
2 Verdichter
3 Wärmetauscher
4 Dünnschichtlamellenwärmetauscher
5 Abgasrohr
6 Wasserdampf-Druckelektrolyseur
7 Diaphragmen
8 Kathode
9 Anode
10 Bipolare Elektroden
11 Wasserstoffkollektor
12 Sauerstoffkollektor
13 Gleichstromquelle. 1 storage container
2 compressors
3 heat exchangers
4 thin-layer fin heat exchangers
5 exhaust pipe
6 steam pressure electrolyser
7 diaphragms
8 cathode
9 anode
10 bipolar electrodes
11 hydrogen collector
12 oxygen collector
13 DC power source.

Claims (7)

1. Verfahren zur Einsparung fossiler Kraftstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß alkoholhaltiges Wasser unter Druck einem mit der Abgaswärme von Verbrennungsmotoren beheizten Wärmeaustauscher zugeführt wird, wobei im ersten Wärmeaustauscher der Alkohol abdestilliert und im zweiten Wärmeaustauscher das Wasser in Wasserdampf überführt wird, der unter Druck gehalten und über ein Diaphragma in einen bipolar ausgebildeten Dampfelektrolyseur eingebracht wird, wo der Wasserdampf durch das katalytisch wirkende Dotierungsmaterial des Diaphragmas und der an dem Dampfelektrolyseur anliegenden Spannung in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, worauf die erzeugten Gase der von Verbrennungsmotoren benötigten Verbrennungsluft und den fossilen Kraftstoffen beigemischt werden.1. A method for saving fossil fuels, characterized in that alcohol-containing water is fed under pressure to a heat exchanger heated by the exhaust gas heat from internal combustion engines, the alcohol being distilled off in the first heat exchanger and the water being converted into water vapor in the second heat exchanger, which is kept under pressure and is introduced via a diaphragm into a bipolar steam electrolyzer, where the water vapor is broken down into hydrogen and oxygen by the catalytically active doping material of the diaphragm and the voltage applied to the steam electrolyzer, whereupon the gases generated are mixed with the combustion air required by internal combustion engines and the fossil fuels . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröses, hochtemperaturbeständiges und den elektrischen Strom gut leitendes Diaphragma eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a porous, High temperature resistant and good electrical current Diaphragm is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkohol Methanol im alkoholhaltigen Wasser eingesetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as Alcohol methanol is used in alcoholic water. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im Wasserdampf verbliebene Restalkohol im Anodenbereich oxidiert wird, wodurch eine die Zellspannung herabsetzende Verbrennungszelle gebildet wird.4. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the residual alcohol remaining in the steam is oxidized in the anode area, causing a cell voltage degrading combustion cell is formed. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Wärmeaustauscher eine Temperatur von < 250°C aufrechterhalten wird.5. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the second heat exchanger Temperature of <250 ° C is maintained. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die sich aus den folgenden Komponenten zusammensetzt, nämlich aus
  • a) einem Vorratsbehälter (1) für das Alkohol/Wassergemisch,
  • b) einem ersten Wärmeaustauscher (2) zur Abdestillation des Alkohols,
  • c) einem zweiten Wärmeaustauscher (4),
  • d) einem Verdichter (3) für die unter Druck erfolgende Förderung des alkoholhaltigen Wassers vom ersten zum zweiten Wärmeaustauscher und
  • e) einem bipolar ausgebildeten Dampfelektrolyseur (6) mit einem Diaphragma (7) und Kollektoren (11, 12), die die Elektrolyseprodukte Wasserstoff und Sauerstoff über eine Dosiereinrichtung in den Vebrennungsmotor einspeisen.
6. Device for performing the method according to one of claims 1 to 4, which is composed of the following components, namely from
  • a) a storage container ( 1 ) for the alcohol / water mixture,
  • b) a first heat exchanger ( 2 ) for distilling off the alcohol,
  • c) a second heat exchanger ( 4 ),
  • d) a compressor ( 3 ) for the pressurized delivery of alcoholic water from the first to the second heat exchanger and
  • e) a bipolar steam electrolyzer ( 6 ) with a diaphragm ( 7 ) and collectors ( 11 , 12 ) which feed the electrolysis products hydrogen and oxygen via a metering device into the internal combustion engine.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeaustauscher (4) ein Dünnschichtlamellenwärmeaustauscher ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the second heat exchanger ( 4 ) is a thin-layer fin heat exchanger.
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