DE202012104728U1

DE202012104728U1 - Hochdruck Elektrolyse-Vorrichtung

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Publication number: DE202012104728U1
Application number: DE202012104728U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-03-26
Anticipated expiration: 2022-12-07

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem Wasser einer elektrochemischen Elektrolyse (Hofmannscher Wasserzersetzungs-Apparat) unterzogen wird, wobei die Vorrichtung ein Hochdrucksystem ist, das aus einem Hochdruckkessel besteht und dadurch gekennzeichnet ist dass die Elektrolyse bei Drücken über Atmosphärendruck erfolgt.

Description

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen und gleichzeitig ökonomischen Energiewirtschaft steht neben dem effizienten Umgang mit Energie die Entwicklung und der zunehmende Einsatz regenerativer Energietechnologien wie beispielsweise der Photovoltaik, der Windenergie, der Wasserkraft, der Solar- und Geothermie oder auch der Nutzung von Biomasse im Mittelpunkt.
Es besteht die begründete Aussicht, dass sich mittel- bis langfristig ein Umbau unserer jetzigen Energiewirtschaft, die überwiegend auf fossilen Kohlenwasserstoffen basiert, hin zu einer regenerativen Energiewirtschaft vollzieht.
Ein wesentlicher Aspekt hin zu einer regenerativen Energiewirtschaft ist einerseits die bislang unbefriedigende Speicherbarkeit von elektrischer Energie, wobei die erfindungsgemässe Vorrichtung hier aufgrund der Wirkungsgraderhöhung eine konkurrenzfähige, flächendeckende Wasserstoffproduktion und seine Verwendung ermöglicht, und andererseits die Anwendbarkeit des Wasserstoffs im Strassen- und Flugverkehr, subsummarisch in mobilen Anwendungen in Aussicht stellt.
Die erforderliche Energiedichte des in Tanks mitgeführten Energieträgers, (wie Benzin, Diesel, Kerosin) machte es bislang erforderlich, das gewonnene Wasserstoffgas hochzuverdichten. Der Arbeitsaufwand an mechanischer Verdichtung des Gases macht die Anwendung von Wasserstoff in wirtschaftlicher Hinsicht unwirtschaftlich, zumal die Permeationsproblematik des Wasserstoffs nicht befriedigend gelöst ist, und daher die Speicherung in aufwändigen Speichern wie zum Beispiel Metall-Hydrid-Speichern vorgenommen werden muss.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert den Wirkungsgrad der Elektrolyse und die Verdichtung der Gase Sauerstoff und Wasserstoff entscheidend und macht die Wasserstofftechnologie als Energieträger der Zukunft im Zusammenwirken mit elektrischem Strom heute schon konkurrenzfähig gegenüber fossilen Energieträgern.
Der Hochdruck-Wasserstoff-Elektrolyseur bedient sich der elektrochemischen Zersetzung des Wassers unter grossen Drücken in einem hochfesten Kessel, wobei vornehmlich Überschuss-Sonnen-oder Windstrom zur Verwendung kommt. Die an den Elektroden entstehenden Gase werden von senkrechten Rohren aufgefangen und aus dem Kessel herausgeführt und in Gasflaschen/Clustern unter Druck gesammelt und zur weiteren Verwendung bereitgestellt. Die Gasflaschen sind an den Innenseiten zB. mit Graphen beschichtet, welches zuverlässig die Permeation (Durchdringung) von H2 durch die Gasflaschenwand verhindert.
Der Kessel wird durch ein Rohr mit Speisewasser versorgt, wobei das Wasser unter hohem Druck mithilfe einer Hydraulikpumpe in den Kessel gepresst wird, und der Wasserhochdruck nachregelnd konstant gehalten wird.
Der so gewonnene Wasserstoff ist nun gespeichert und kann in CO2 neutralen Anwendungen, so zB. modifizierten Automotoren oder Flugzeugturbinen verbrannt werden, wobei als Abgas Wasser entsteht, und der Kondensstreifen am Himmel tatsächlich nur aus Kondenswasser besteht.
Zur Wirkungsgrad-Verbesserung von Verbrennungskraftmaschinen bietet sich nachgerade auch eine Kraft-Wärme Kopplung in einem Blockheizkraftwerk an.
Aber auch Bereitstellung von elektrischem Strom aus einer Mini H2-Brennstoffzelle ist möglich, und für weniger energiehungrige Anwendungen wie zB Mobilelektronik prädestiniert.
Somit gibt es neben den heute schon vorliegenden Akku-Technologien wie Lithium ... eine ernstzunehmende Alternative, die nicht dem Kostendruck von Regimen ausgeliefert ist, in deren Hoheitsgebiet gehäuft Lithium oder seltene Erden vorkommen.
Durch die flächendeckende Wasserstoffproduktion kann ein beschleunigter Technologiewechsel aus fossiler in regenerative Energie erreicht werden, der die CO2 Bilanz entscheidend mit verbessert.
Und ganz entscheidend: Energie aus regenerativen Energien und Wasser ist unerschöpflich!

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem Wasser einer elektrochemischen Elektrolyse (Hofmannscher Wasserzersetzungs-Apparat) unterzogen wird, wobei die Vorrichtung ein Hochdrucksystem ist, das aus einem Hochdruckkessel besteht und dadurch gekennzeichnet ist dass die Elektrolyse bei Drücken über Atmosphärendruck erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse bei Drücken > 10 bar, insbesondere > 100 bar erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse in verschiedenen Temperaturbereichen betrieben wird, was auch eine Erhitzung des Kessels beinhalten kann, um Wasserdampf zur System-Optimierung zu erzeugen
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in geeigneten Druckspeichern wie zB. Gasflaschen gespeichert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff als Energieträger verwendet wird, und Sauerstoff als werthaltiges Nebenprodukt verwertet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Hochdruck-Elektrolyse (Überschuss) Energie aus herkömmlichen Wasserkraftanlagen, insbesondere aber aus regenerativen Anlagen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung umweltfreundlicher Energie die CO₂-Gesamtbilanz verbessert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse einen Gasdruck von ca. 200 bar aufwärts erzeugt, die großteils keine weitere Komprimierung von Wasserstoff über einen mechanischen Kompressor erfordert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses System erforderlichenfalls über eine Gasreinigungsanlage verfügen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Gase Sauerstoff und Wasserstoff in druckdichten Behältern zwischengespeichert werden, die einerseits die Transportfähigkeit ermöglichen, andererseits derart beschaffen sind, dass der an sich hochflüchtige Wasserstoff durch geeignete Beschichtung der Innenwände des Druckbehälters mittels Graphen (Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet), oder CNTs (Kohlenstoffnanoröhrchen) oder anderer geeigneten Maßnahmen an seiner Permeation gehindert wird und somit die Behälterwände des Druckspeichers nicht durchdringen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche Druck im Hochdruck-Elektrolyseur mittels Hochdruck-(Hydraulik-)Pumpe erzeugt wird, indem das Medium Wasser über Rohrzuleitungen in den Druckkessel gepresst und auf den erforderlichen Synthese Druck gebracht wird. Da Wasser 800x dichter als Luft und schwerst komprimierbar im Sinn von Volumensänderung ist, erspart man sich größtenteils mechanische Kompressionsarbeit eines nachgeschalteten Kompressors. Damit wird der Wirkungsgrad entscheidend erhöht und somit kann Wasserstoff wirtschaftlich auf einen sinnvoll nutzbaren Arbeitsdruck gebracht werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein geeignetes Steuer- und Regelungssystem den Wasserdruck nachregelt, also konstant auf > 200 bar hält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie über Rohrleitungen verfügt, die vom Kessel nach aussen führen und ein Direktzapfen der erzeugten Gase erlaubt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfrohre über geeignete Abkoppelvorrichtungen und Ventile verfügen, um die befüllten Druckspeicher (Gasflaschen) austauschen zu können. Bei den Abkoppelvorrichtungen kann es sich um Gewindeverbindungen, aber auch um druckdichte Kupplungen, wie Füllkupplungen zur Erdgasbetankung zum An- und Abschließen unter Druck (zB. auf Spann-Zangen-Technik), handeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System über geeignete Sicherheitsvorkehrungen verfügt, die die erforderlichen Parameter wie zB. den Druck überwachen, und bei Gefahr eine Abschaltung des Systems, sowie ein kontrolliertes Entweichen der Gase und Ventilation des Aufstellungsortes ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Steuerung verfügt, die ein Nachregeln des Elektrolyse-Stroms zur Wirkungsgrad-Optimierung ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem hochdruck- bis höchstdruckfähigen, inertem Kessel besteht, der aus geeignetem, hochwertigen Material hergestellt ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Kessels senkrechte Rohre befinden, worin die Elektroden angebracht sind. Da Gas nach oben steigt, bewegt es sich somit automatisch in die Zapfrohre, wobei diese und die Abkoppelvorrichtungen höher als der Kessel angeordnet sein müssen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapf-Rohre über eine Evakuierungsmöglichkeit verfügen, sodass sich nur Rein-Gas im jeweiligen Synthese- bzw. Zapf-Rohr befindet, um eine Anreicherung des hochentzündlichen Knallgases hintanzuhalten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage über einen Warn- und Abschalt-Mechanismus verfügt, der bei relevanten Winkelveränderungen aus dem Lot der Synthese-Rohre reagiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage über einen Überwachungssensor verfügt, der den Gasstand in den senkrechten Rohren mißt, und die Gas-Flaschen Wechselpflicht anzeigt oder automatisiert veranlasst, oder die Elektrolyse pausiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte System über ein intelligentes Steuer- und Regelsystem verfügt, welches einen größtmöglichen automatischen Ablauf ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kessel und Rohre erforderlichenfalls zur Permeationshemmung mit Graphen oder anderen geeigneten Materialien beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kessel Elektroleitungen führen, die hochdruckbeständig isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden aus Platin, Kohlenstoff oder anderen geeigneten Materialien Verwendung finden, die so inert wie möglich sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, da sowohl an der Kathode als auch an der Anode Überspannungen auftreten können und somit die benötigte Spannung gegenüber den Berechnungen nach der Nernst-Gleichung erhöht wird, und die Überspannungen bei Gasbildungen (z. B. Wasserstoff- und Sauerstoffbildung) mitunter beträchtlich sind, ein Steuerungssystem die Spannung mit einem geeigneten Sensor mißt und regelt, und somit eine Überspannung verhindert, sodass andernfalls durch aufgebrachte Überspannungsenergie Verlustwärme entstünde, welche nicht zum Stoffumsatz beitrüge.