DE202019004240U1

DE202019004240U1 - Elektrolysevorrichtung

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Publication number: DE202019004240U1
Application number: DE202019004240.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-01-18
Anticipated expiration: 2029-10-16

Abstract

Elektrolysevorrichtung, aufweisend,
eine Elektrodenanordnung (1), ein Wasserstoffsteigrohr (2), ein Sauerstoffsteigrohr (3) und eine auftriebskraftumformende Einheit (4),
wobei die Steigrohre getaucht in einem Umgebungswasser (5) angeordnet sind,
wobei die Elektrodenanordnung (1) eine erste Elektrode (6) und eine zweite Elektrode (7) aufweist,
wobei die erste Elektrode (6) eine Anode ist und die zweite Elektrode (7) eine Kathode ist,
wobei in einem unteren Wasserstoffsteigrohrabschnitt (8) die Kathode angeordnet ist, welche ausgebildet ist auf dem Umgebungswasser (5) ein Wasserstoffgas (9) zu gewinnen,
wobei das Wasserstoffsteigrohr (2) das Wasserstoffgas (9) nach oben führt, wobei einem oberen Ende des Wasserstoffsteigrohrs (2) eine Wasserstoffentnahmeöffnung (10) angeordnet ist,
wobei in einem unteren Sauerstoffsteigrohrabschnitt (11) die Anode angeordnet ist, mittels der ein Sauerstoffgas (12) gewonnen wird,
wobei das Sauerstoffsteigrohr (3) das Sauerstoffgas (12) nach oben führt, wobei die auftriebskraftumformende Einheit (4) mindestens einem Steigrohr zugeordnet ist und einen mechanischen Umformer (13) sowie einen Generator (14) aufweist,
wobei mittels des mechanischen Umformers (13) die Auftriebskraft eines Gases in eine mechanische Bewegungsenergie umformbar ist,
und wobei mittels des Generators (14) die mechanische Bewegungsenergie in eine elektrische Energie umwandelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft Elektrolyseeinrichtung zur elektrochemischen Wasserstofferzeugung aus Wasser.
Aus dem Stand der Technik sind Wasserzersetzungsapparaturen bekannt, welche einen Überschuss an elektrischer Energie zur Elektrolyse von Wasser benutzt und dadurch Wasserstoff erzeugen. Dieser wird als speicherbarer und transportierbarer Energieträger genutzt und anschließend, beispielsweise durch direkte Verbrennung in Wärme oder beispielsweise in einer Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine effizientere, sichere und einfache Methode zur Wasserstofferzeugung aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß weist die Elektrolysevorrichtung eine Elektrodenanordnung, ein Wasserstoffsteigrohr, ein Sauerstoffsteigrohr und eine auftriebskraftumformende Einheit auf.
Das Wasserstoffsteigrohr und das Sauerstoffsteigrohr werden nachfolgend zusammengefasst auch als die Steigrohre bezeichnet. Erfindungsgemäß sind die Steigrohre so angeordnet, dass sie in ein Umgebungswasser getaucht sind. Die Länge der Steigrohre und somit auch die Tauchtiefe können je nach Leistung der Elektrolysevorrichtung und zur Verfügung stehender Tiefe des Umgebungswassers ausgebildet werden. So sind Steigrohrlängen von mehreren hundert Metern, insbesondere bei einer Anordnung in Meeresgewässern, oder auch nur wenigen Metern, insbesondere bei einer Anordung in Binnengewässern, Brunnen oder Tauchbecken, denkbar. Dabei sind die Steigrohre so ausgebildet, dass die oberen Enden vorzugsweise oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind. Dies verhindert ein Rückströmen von Umgebungswasser bei einer offenen Ausbildung und ermöglicht einen einfacheren Zugang beispielsweise bei Wartungsarbeiten.
Eine Anordnung der Steigrohrenden unterhalb der Wasseroberfläche bietet den Vorteil, dass die entstehenden Gase in einfacher Weise pneumatisch aufgefangen werden können.
Das Umgebungswasser selbst ist nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Querschnitt der Steigrohre ist vorzugsweise rund. Es sind aber auch andere Querschnitte, insbesondere polygonale Querschnitte, denkbar.
Erfindungsgemäß weist die Elektrodenanordnung eine erste und eine zweite Elektrode auf. Die beiden Elektroden sind aus einem Material ausgebildet, welches den elektrischen Strom leitet. Vorzugsweise sind Elektroden aus Leitermaterialien erster Ordnung ausgebildet, welche alle Metalle, Graphit, leitfähige Keramiken und Verbunde dieser einschließt. Die Materialien der ersten und zweiten Elektrode können sich unterscheiden sowie auf die Qualität des Umgebungswassers angepasst werden. So ist eine Materialanpassung an die Art und Menge der enthaltenen Salze vorteilhaft, um längere Standzeiten der Elektroden zu erzielen.
Vor der Elektrodenanordnung kann für eine Wasseraufbereitung zusätzlich eine Wasserkonfektionierungseinheit angeordnet werden, welche nicht notwendiger Teil der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung ist. Die Wasserkonfektionierungseinheit hat die Aufgabe, das zugeführte Wasser für den Elektrolysevorgang zu optimieren. Hierzu kann die Reinigung des Umgebungswasser oder die Überwachung der Leitfähigkeit des Wassers an den Elektroden mittels einer Leitfähigkeitsmessanordnung und gegebenenfalls deren Regelung der Zugabe von Elektrolyten (beispielsweise Salzen oder Mineralsäuren) oder von Frischwasser gehören. Dabei ist die Wasserkonfektionierungseinheit so ausgebildet, dass das bereits konfektionierte Wasser um die Elektrodenanordnung nicht entweichen kann. In der eingeschlossenen Umgebung kann das Umgebungswasser entsprechend konfektioniert werden, während beispielsweise über ein Rückschlagventil frisches Umgebungswasser zugeführt wird. Weist das Umgebungswasser eine zu geringe Leitfähigkeit auf, beispielsweise bei einem elektrolytarmen Binnengewässer, führt dies zu einer Verminderung der Elektrolyseeffizienz. Auch wechselnde Wasserqualitäten, insbesondere wechselnder Salzgehalt, können die Effektivität einschränken.
Weiterhin umfasst die Wasserkonfektionierungseinheit bevorzugt ein Filtermodul, welches grobe Verschmutzung wie Schlamm oder Algen am Eintritt in das die Elektrodenanordnung umgebende Wasser verhindert.
In dem Wasserstoffsteigrohr ist erfindungsgemäß in einem unteren Abschnitt die Kathode angeordnet, mittels der ein Wasserstoffgas gewonnen wird. Die Kathode ist an deren Oberfläche vorzugsweise aus Platin gearbeitet, da die Umsetzung (Entladung) von Wasserstoffionen zu elementaren Wasserstoff an einer Platinelektrode energetisch am günstigsten ist. Hierbei spielen viele Faktoren wie Adsorbtion/Desorbtion-Verhalten, Elektronenübergang und Weiteres eine Rolle, die eine chemische Umsetzung begünstigen oder hemmen können.
Um eine möglichst große Elektrodenoberfläche zu erhalten sind im bekannten Stand der Technik Drahtgeflechte oder gewalzte Platten üblich. Die Materialkosten sind für solcher Elektroden, welche oft komplett aus seltenen Metallen bestehen, hoch. Aus diesem Grund werden auch hochporöse Elektroden oder Elektroden, in denen eine Stützstruktur aus kostengünstigen Material mit dem eigentlichen Elektrodenmaterial überzogen werden, eingesetzt. Es ist möglich, sowohl leitende wie auch nicht leitende Materialien für die Stützstruktur zu verwenden. Es sind so neben anderen Metallen auch beispielsweise Kunstoff, Keramik oder Kohlenstoff als Materialien für die Stützstruktur denkbar.
Ein solcher Materialverbund bietet neben der Reduzierung der Kosten auch Optionen der Formgebung, welche mit dem reinen Leitermaterial nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich ist. So können beispielsweise kompakte geometrische Formen wie Kugeln, Quader und Ähnliches mit einer hohen Porosität erzeugt und im Anschluss mit dem Leitermaterial überzogen werden. So sind beispielsweise auch Nickelschaumelektroden für die elektrolytische Wasserstofferzeugung bekannt.
Erfindungsgemäß wird mittels des Wasserstoffsteigrohrs das Wasserstoffgas nach oben geführt und kann durch eine Entnahmeöffnung entnommen werden. Das Wasserstoffsteigrohr ist am unteren Ende nicht verschlossen und füllt sich beim Eintauchen mit Umgebungswasser. Das durch die Kathode erzeugte Wasserstoffgas steigt aufgrund des Auftriebs im Wasserstoffsteigrohr nach oben und sammelt sich im oberen Abschnitt des Wasserstoffsteigrohrs, wo es dann durch die Wasserstoffentnahmeöffnung entnommen werden kann.
Wird das Wasserstoffgas bei einem langen Wasserstoffsteigrohr in großen Tiefen und somit unter hohem Druck gewonnen, dekomprimiert es zusätzlich beim Aufstieg und es steht neben der reinen Auftriebskraft des Wasserstoffgases auch die Energie aus der Volumenarbeit zur Verfügung.
Die Wasserstoffentnahmeöffnung kann offen oder verschließbar gestaltet sein. Vorzugsweise ist sie aber verschließbar gestaltet. Der Verschluss kann beispielsweise durch ein Ventil, einen Schieber oder eine Hebelanordnung realisiert sein. Es sind alle Verschlussarten denkbar, welche eine kontrollierte Entnahme des Wasserstoffgases ermöglichen.
Die Wasserstoffentnahmeöffnung kann so ausgestaltet sein, das sie eine Einspeisung in ein Rohrsystem ermöglicht, welches das Wasserstoffgas zu einem Speicher oder Verbraucher leitet.
Beim Verbraucher kann das Wasserstoffgas zur Energieerzeugung oder zur chemischen Synthese beispielsweise in einem LOHC-Prozess (Liquid Organic Hydrogen Carriers) genutzt werden.
In dem Sauerstoffsteigrohr ist in einem unteren Sauerstoffsteigrohrabschnitt die Anode angeordnet, durch welche ein Sauerstoffgas erzeugbar ist. Bei einem chloridsalzhaltigen Umgebungswasser kann als Nebenprodukt Chlorgas entstehen. Diesem Sachverhalt kann auf verschiedenen Wegen entgegen gewirkt werden. So führen die Auswahl eines Umgebungswassers mit geringen Chlorsalzgehalt, ein geeignetes Anodenmaterial wie bespielsweise Nickel und der geeigneten Reaktionsparameter zu einer deutlichen Reduzierung der Chlorbildung.
Andererseits kann bei einer starken Chlorbildung beispielsweise in Meerwasser, das Chlor abgetrennt und andersweitig genutzt werden. Das so gewonnene Chlorgas kann für eine Wasserentkeimung zur Trinkwasserbereitung verwandt werden.
Durch Sauerstoffsteigrohr wird erfindungsgemäß das Sauerstoffgas nach oben geführt.
Die auftriebskraftumformende Einheit ist mindestens einem Steigrohr zugeordnet und weist einen mechanischen Umformer sowie einen Generator auf.
Der mechanische Umformer wandelt erfindungsgemäß die Auftriebskraft eines Gases in eine mechanische Bewegungsenergie um.
Da die Auftriebskraft beschleunigend auf die Gase wirkt, ruft sie deren gerichtete Bewegung entlang ihrer Wirkrichtung hervor. So besitzt das aufsteigende Gas eine Bewegungsenergie, welche auf den mechanischen Umformer übertragen wird. Eine Umformung der Auftriebskraft eines Gases in eine mechanische Bewegungsenergie kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispielhaft, ohne dass damit eine Einschränkung verbunden ist, kann der mechanische Umformer folgende Ausbildungen aufweisen.
In einer ersten Variante wird kinetische Energie des Gases direkt, beispielsweise in einer Gasturbine aufgenommen und in eine Rotationsenergie umgewandelt.
In einer zweiten Variante wird kinetische Energie des Gases zunächst an das Wasser im Steigrohr übertragen, welches diese dann an eine Turbine abgibt.
In einer dritten Variante erfolgt eine Umwandung in eine potentielle Energie des Wassers. Nachfolgend kann die Energie aus dem zurückströmenden Wasser umgewandelt werden. Diese Umwandlung in potentielle Energie kann beispielsweise direkt durch das aufsteigende Gas nach dem Prinzip einer Mammutpumpe oder durch ein Auffangen des Gases mit einem Kolben, der Wasser vor sich her schiebt, erfolgen.
Vorzugsweise befinden sich der mechanische Umformer oder dessen bewegliche Teile im Gasstrom der aufsteigenden Gase, um deren kinetische Energie aufzunehmen.
Der Generator wandelt erfindungsgemäß mechanische Bewegungsenergie in eine elektrische Energie um. Es sind alle aus dem Stand der Technik an sich bekannten Generatoren denkbar, welche die mechanische Bewegungsenergie, vorzugsweise einer Rotation, in elektrische Energie umwandeln können. Vorzugsweise ist der Generator wartungsarm und befindet sich leicht zugänglich an der Wasseroberfläche. Die gewonnene elektrische Energie steht zur Verwendung zur Verfügung.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die bei der Elektrolyse immanente Gasbildung unter einer Wasseroberfläche verwandt wird, um die mit dem Aufstieg des Gases ohnehin verbundene Freisetzung mechanischer Energie auszunutzen. Durch die Umformung und damit Ausnutzung der sonst ungenutzt in die Umgebung abgegebenen Energie des aufsteigenden Gases kann ein Beitrag zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei einer Gesamtbetrachtung von Elektrolyse und Energiegewinnung aus dem aufsteigenden Gas erreicht werden.
In einer vorteilhaften Variante ist die auftriebskraftumformende Einheit so ausgebildet, dass diese sowohl dem Wasserstoffsteigrohr als auch dem Sauerstoffsteigrohr zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, diese entweder nur dem Wasserstoffsteigrohr oder nur dem Sauerstoffsteigrohr zuzuordnen.
Vorzugsweise werden die kinetischen Energien beider Gase genutzt, indem die auftriebskraftumformende Einheit zwei mechanische Umformer und zwei Generatoren aufweist. Hierbei sind jedem Steigrohr ein mechanischer Umformer und ein hieran angeschlossener Generator zugeordnet.
Auch ist eine Kombination von zwei mechanischen Umformern mit einem Generator möglich. Bei dieser Ausführung sind die beiden mechanischen Umformer beispielsweise mit einer Welle oder mittels eines Getriebes miteinander mechanisch verbunden.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung schwimmend ausgebildet. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass diese zusätzliche Auftriebskörper, vorzugsweise an oberen Abschnitten der Steigrohre, aufweist. Vorteilhaft ist damit verbunden, dass bei einer Verwendung in natürlichen Gewässern, wie insbesondere im offenen Meer, sich die Elektrolysevorrichtung selbsttätig Schwankungen des Wasserspiegels anpasst. Dies kann auch bei gezeitenbedingten Schwankungen erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens eines der Steigrohre als Mammutpumpe ausgebildet. Ferner ist gemäß dieser Weiterbildung der mechanische Umformer als Strömungsmaschine ausgebildet.
Die Mammutpumpe, auch als Druckluftheber oder Airlift bezeichnet, ist als solche aus dem Stand der Technik bekannt und wird bevorzugt zur Förderung stark feststoffhaltiger Wässer genutzt. Das Pumpenprinzip beruht darauf, dass eine Druckluft in einen unteren Abschnitt eines vertikalen Rohrs eingepresst wird. Die Druckluft steigt unter Verwirbelung auf und erhöht den Wasserstand in dem Rohr.
Gemäß der vorliegenden vorteilhaften Weiterbildung wird jedoch keine Druckluft eingepresst. Vielmehr wird das von den Elektroden aufsteigende Gas, welches als Wasserstoffgas oder als Sauerstoffgas vorliegt, verwandt, so dass keine Energie zum Pumpen des Gases entgegen dem Wasserdruck aufgewandt werden muss. Vorzugsweise wird das an den Elektroden entstehende Gas durch Diffusoren zusätzlich in eine geeignete Blasengröße eingestellt, um den Wirkungsgrad des Hebevorgangs zu verbessern. Das in Blasen aufsteigende Gas nimmt durch Reibung angrenzendes Wasser mit und reduziert ferner die mittlere Dichte des Wassers und erzeugt so einen Wasserstand in dem Steigrohr oberhalb des Umgebungswasserstands.
Diese mit dem höheren Wasserstand vorliegende potenzielle Energie des Wassers wird durch das Hindurchleiten durch die Strömungsmaschine in eine mechanische Bewegungsenergie umgewandelt. Bei der Strömungsmaschine handelt es sich bevorzugt um eine Turbine. Die von der Turbine bereitgestellte mechanische Bewegungsenergie wird dann über einen angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Der Hauptvorteil der Mammutpumpe liegt in ihrer Wartungsfreiheit, da sie keine beweglichen Teile besitzt. Weiterhin besteht der Vorteil, dass sie bei jeder Wasserqualität einsetzbar ist.
Vorzugsweise weisen die Steigrohre gemäß dieser Weiterbildung entlang ihrer Längsachse unterschiedliche Querschnittsflächen auf. Durch eine Variation der Steigrohrquerschnittsfläche kann die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Bei einer Verringerung der Steigrohrquerschnittsfläche wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und bei einer Vergrößerung verringert.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung weist der mechanische Umformer einen Kolben auf, welcher so ausgebildet ist, dass ein Gas aufnehmbar ist. Der Kolben kann verschieden gestaltet sein. In einer einfachen Variante schließt er dichtend gegenüber den Innenwandungen des Steigrohrs ab und nimmt so ein Gas unter sich auf.
Um die Gasaufnahme zu erleichtern ist der Kolben vorzugsweise als Hohlkolben ausgestaltet. Die Außenmaße der Kolbenfläche entspechen vorzugsweise den Innenmaßen des Steigrohrs. Der Kolben sinkt aufgrund seiner Dichte, welche größer ist als die des Umgebungswassers, in dem Steigrohr nach unten und füllt sich mit dem Gas bis er wieder zu steigen beginnt. Bei seiner durch die Auftriebskraft des Gases angetriebenen Aufwärtsbewegung schiebt er Wasser vor sich her, welches in die Strömungsmaschine geleitet wird. In der Strömungsmaschine wird mechanische Bewegungsenergie bereitgestellt.
Wenn der Hohlkolben seine Aufwärtsbewegung abgeschlossen hat, gibt er das aufgenommene Gas frei. Die Freigabe des Gases kann vorzugsweise durch ein sich öffnendes Ventil am Kolbenboden, aber auch durch ein Kippen oder Umstülpen des Kolbens oder eine andere Ausgestaltung von Kolben und Steigrohr erfolgen.
Eine solche andere Ausgestaltung von Kolben und Steigrohr ist beispielsweise durch eine Änderung im Querschnitt des oberen Steigrohrabschnitts oder durch ein Einfügen eines Funktionselement zu erreichen, welche mit der Geometrie des Kolbens oder dem entsprechenden Gegenstücks des Funktionselementes wechselwirkt. So sind beispielswese Gasauslässe, beispielsweise quer zur Aufstiegsrichtung am Kolben denkbar, die während des Aufstiegs durch die Innenwandung des Steigrohrs verschlossen sind. Im oberen Steigrohrabschnitt vergrößert sich der Steigrohrquerschnitt und das Gas entweicht aus den nun offenen Gasauslässen. Als Funktionselemente sind ein oder mehrere Dorne oder eine andere geometrische Form denkbar, welche die Gasauslässe des Kolbens öffnen, wenn dieser gegen die Form läuft. So kann ein Dorn einen beweglichen Ring oder ein Klappe nach unten drücken, wodurch die Gasauslässe freigegeben werden. Eine Form oder Führung an der Steigrohrwand kann eine Verdrehung eines beweglichen Kolbenelements relativ zum Kolben an sich hervorrufen, welches dann die Gasauslässe öffnet und beim Absinken wieder verschlossen wird.
Die Verwendung der Auftriebskraft des aufsteigenden Gases zum Bewegen eines Kolbens kann den Reibungsverlust des Systems verringern.
Für einen kontinuierlichen Prozess ist es auch denkbar, mehrere solcher Kolben mit flexiblen Elementen, wie beispielsweise Ketten oder Seilen, zu einer umlaufenden Kolbenkette zu verbinden. Diese wird dann in einer Führung, vorzugsweise einem zweiten Rohr, außerhalb des Steigrohrs wieder nach unten geführt. So entsteht ein einfaches kontinuierliches Kettenpumpensystem.
Um eine gleichmäßige Energieabgabe zu gewährleisten und insbesondere Unterbrechungen während der Rückführung eines Kolbens auszuschließen, ist das Steigrohr vorzugsweise als Mehrfachrohrsystem ausgebildet. Durch die Ausbildung des Steigrohrs als Mehrfachrohrsystem können mehrere Kolben phasenversetzt angeordnet und zusätzlich die Abgabe der Gasmenge in die einzelnen Teilsteigrohre durch eine Steuereinheit geregelt werden. Die Ausbildung als Mehrfachrohrsystem ist besonders effektiv bei der Ausführung des mechanischen Umformers als Hohlkolben, der unter Energieabgabe aufsteigt und absinkt.
Zudem ist es zur Homogenisierung der Energieabgabe möglich, auch bei der Absinkbewegung des Kolbens Energie umzuwandeln. Hierzu schiebt der Kolben seiner Absinkbewegung Wasser vor sich her, welches in die Strömungsmaschine geleitet wird. In der Strömungsmaschine wird mechanische Bewegungsenergie bereitgestellt. Die Stömungsmaschine kann dabei in einer Umlaufleitung angeordnet sein, welche mit dem oberen Ende und dem unterem Ende des jeweiligen Steigrohrs verbunden ist. Bei einer Aufwärtsbewegung drückt der Kolben das Wasser oben in die Umlaufleitung, in der es abwärts strömt, die Strömungsmaschine antreibt und dann unten wieder in das Steigrohr eingeleitet wird. Umgekehrt drückt der Kolben bei einer Abwärtsbewegung das Wasser unten in die Umlaufleitung, in der es aufwärts strömt, die Strömungsmaschine antreibt und dann oben wieder in das Steigrohr eingeleitet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung der Lösung eines mechanischen Umformers in einer Ausbildung als Kolben ist zusätzlich ein Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum an dem unteren Wasserstoffsteigrohrabschnitt angeordnet. Der Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum ist ausgebildet, das durch die Elektrolyse an der Kathode gebildeten Wasserstoffgas aufzunehmen und zwischenzuspeichern. Der Druck im Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum wird durch den Umgebungsdruck bestimmt. Wenn der Kolben nach der Beendigung der Aufwärtsbewegung und nach Auslass des Wasserstoffgases die Absinkbewegung durchführt, wird während dieser Zeit das Wasserstoffgas in den Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum und nicht mehr in das Wasserstoffsteigrohr eingeleitet. Nach Beendigung der Absinkbewegung kann dann das zwischengespeicherte Wasserstoffvolumen aus dem Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum in den Kolben eingeleitet werden. Vorzugsweise wird das Wasserstoffgas zunächst in den Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum geleitet und dann aus diesem Wasserstoffdruckvolumenvorratsraum der Kolben nach Beendigung der Absinkbewegung mit Wasserstoffgas befüllt.
Damit wird es vorteilhaft ermöglicht, den Elektrolyseprozess kontinuierlich auszuführen und auch mit nur einem Kolbensystem die gesamte mechanische Energie zu nutzen. Vorteilhaft ist hierbei zudem, dass der Kolben an seiner unteren Position sofort mit einem ausreichenden Wasserstoffvolumen befüllt werden kann und auf diese Weise ein hoher Auftrieb und somit ein hoher Wirkungsgrad zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist auch dem Sauerstoffsteigrohr eine in gleicher Weise ausgebildete auftriebskraftumformende Einheit zugeordnet.
Eine elektrische Energie wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Elektrodenanordnung zugeführt. Die elektrische Energie des Generators wird für die Elektrolyse des Wassers genutzt.
Somit kann ein Teil der für die Elektrolyse benötigten Elektroenergie bereitgestellt und der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das obere Ende des Sauerstoffsteigrohrs eine Sauerstoffentnahmeöffnung auf. Je nach Wasserqualität ist das Gas, welches im Sauerstoffsteigrohr aufsteigt, reines Sauerstoffgas oder ein Sauerstoffgasgemisch. Damit wird eine weitere Nutzung des Sauerstoffgases ermöglicht. Die Sauerstoffentnahmeöffnung ermöglicht eine gezielte Entnahme des Sauerstoffgases sowie ferner eine Einspeisung in ein Rohrsystem. Durch die Nutzung des entstanden Sauerstoffgases kann die Wirtschaftlichkeit der Elektrolysevorrichtung weiter erhöht werden.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von

1 Elektrolysevorrichtung
2 Elektrolysevorrichtung mit Sauerstoffgasentnahme
3 Elektrolysevorrichtung mit zweifach ausgebildeter auftriebskraftumformender Einheit
4 Elektrolysevorrichtung mit einem Hohlkolben
5 Elektrolysevorrichtung mit zwei Hohlkolben
6 Elektrolysevorrichtung mit einem System aus mehreren Hohlkolben näher erläutert.

1 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Elektrolysevorrichtung, welche das Prinzip der Mammutpumpe nutzt.
An die Elektrodenanordnung 1 wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass ein Strom fließt.
An der Anode 6 im unteren Wasserstoffsteigrohrabschnitt 8 wird ein Wasserstoffgas 9 erzeugt, welches im Wasserstoffsteigrohr 2 nach oben steigt und über die Wasserstoffentnahmeöffnung 10 entnommen wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Wasserstoffgas 9 am oberen Ende des Wasserstoffsteigrohrs 2 und aus dem Raum vor dem mechanischen Umformer 13 abgeleitet und ist über einen Hahn zu entnehmen.
In dem Wasserstoffsteigrohr 2 befindliches Umgebungswasser 5 wird durch die Bewegung des Wasserstoffgases 9 durch das Wasserstoffsteigrohr 2 nach oben transportiert und fließt dort durch Teile der auftriebskraftumformenden Einheit 4, wobei der mechanische Umformer 13 eine Turbine aufweist welche die Energie aufnimmt und in eine mechanische Bewegungsenergie als Rotation umwandelt. Durch einen mit der Turbine verbundenen Generator 14 wird die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und kann genutzt werden.
An der Kathode 7 im unteren Abschnitt 11 des Sauerstoffsteigrohrs 3 wird ein Sauerstoffgas 12 erzeugt welches nach oben steigt und an die Umwelt abgegeben wird.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysevorrichtung mit einer zusätzlichen Sauerstoffentnahmeöffnung 16 am oberen Ende des Sauerstoffsteigrohrs 3 dargestellt, welche eine Entnahme des Sauerstoffgases 12 ermöglicht.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysevorrichtung dargestellt, welche eine weitere auftriebskraftumformende Einheit 4 am Sauerstoffsteigrohr 3 aufweist. Das Umgebungswasser 5 wird auch in dem Sauerstoffsteigrohr 3 durch die Bewegung des Sauerstoffgases 12 durch das Sauerstoffsteigrohr 3 nach oben transportiert und fließt dort durch die auftriebskraftumformende Einheit 4, wobei der mechanische Umformer 13 die Energie aufnimmt und in eine mechanische Bewegungsenergie als Rotation umwandelt. Durch einen Generator 14 wird die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und kann der Elektrodenanordnung 1 wieder zugeführt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die auftriebkraftumformende Einheit 4 doppelt, jeweils zugeordnet zu dem Wasserstoffsteigrohr 2 und zu dem Sauerstoffsteigrohr 3 aufgebildet.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysevorrichtung, welche die Auftriebskraft des Wasserstoffgases 9 an einen Hohlkolben 15 überträgt. Der Hohlkolben 15 nimmt das Wasserstoffgas 9 auf und seine effektive mittlere Dichte als Bauteil sinkt auf einen Wert unterhalb der Dichte des Umgebungswassers 5. Der Hohlkolben 15 beginnt sich nach oben zu bewegen und schiebt das Wasser in die Turbine der auftriebskraftumformenden Einheit 4, wobei der mechanische Umformer 13 die Energie aufnimmt und in eine mechanische Bewegungsenergie als Rotation umwandelt. Durch einen Generator 14 wird die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und steht zur Verfügung.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das obere Ende des Wasserstoffsteigrohrs 2 einen größeren Querschnitt auf. Hohlkolben 15 weist seitliche Gasauslässe 17 auf, die durch die Innenwandung des Wasserstoffsteigrohrs 2 versperrt ist. Erreicht der Hohlkolben 15 das oberen Ende entweicht das Wasserstoffgas 9 durch die dann freigelegten Gasauslässe 17 aus dem Hohlkolben 15 und kann durch die Wasserstoffgasentnahmeöffnung 10 entnommen werden.
Nach dem Entweichen des Wasserstoffgases 9 sinkt der Hohlkolben wieder nach unten und wird erneut gefüllt.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysevorrichtung mit zwei Hohlkolben 15; jeweils einen für jedes Steigrohr. Der Kolben 15 im Sauerstoffsteigrohr 3 zeigt eine Position in der das Sauerstoffgas 12 aus den Gasauslässen 17 austreten kann und über die Sauerstoffgasentnahmeöffnung 16entnehmbar ist.
6 zeigt eine Elektrolysevorrichtung mit einem Kettenpumpsystem 18 aus mehreren Hohlkolben 15. Das Kettenpumpsystem 18 wird aus mehreren Hohlkolben 15 gebildet, welche über einen umlaufenden Strang 19, hier ausgebildet als Kette, miteinander verbunden sind. In dieser Ausführung ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Das Wasserstoffgas 9 befüllt immer neue Hohlkolben und hält somit das Kettenpumpsystem 18 in Bewegung. Das Umgebungswasser 5 wird nach oben gefördert und fließt dort durch die auftriebskraftumformende Einheit 4, wobei der mechanische Umformer 13 die Energie aufnimmt und in eine mechanische Bewegungsenergie, hier als Rotation, umwandelt. Durch den Generator 14 wird die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und kann der Elektrodenanordnung 1 wieder zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektrodenanordnung
2: Wasserstoffsteigrohr
3: Sauerstoffsteigrohr
4: auftriebskraftumformende Einheit
5: Umgebungswasser
6: erste Elektrode (Anode)
7: zweite Elektrode (Kathode)
8: unterer Wasserstoffsteigrohrabschnitt
9: Wasserstoffgas
10: Wasserstoffentnahmeöffnung
11: unterer Sauerstoffsteigrohrabschnitt
12: Sauerstoffgas
13: mechanischer Umformer
14: Generator
15: Hohlkolben
16: Sauerstoffentnahmeöffnung
17: Gasauslass
18: Kettenpumpsystem
19: umlaufender Strang

Claims

Elektrolysevorrichtung, aufweisend, eine Elektrodenanordnung (1), ein Wasserstoffsteigrohr (2), ein Sauerstoffsteigrohr (3) und eine auftriebskraftumformende Einheit (4), wobei die Steigrohre getaucht in einem Umgebungswasser (5) angeordnet sind, wobei die Elektrodenanordnung (1) eine erste Elektrode (6) und eine zweite Elektrode (7) aufweist, wobei die erste Elektrode (6) eine Anode ist und die zweite Elektrode (7) eine Kathode ist, wobei in einem unteren Wasserstoffsteigrohrabschnitt (8) die Kathode angeordnet ist, welche ausgebildet ist auf dem Umgebungswasser (5) ein Wasserstoffgas (9) zu gewinnen, wobei das Wasserstoffsteigrohr (2) das Wasserstoffgas (9) nach oben führt, wobei einem oberen Ende des Wasserstoffsteigrohrs (2) eine Wasserstoffentnahmeöffnung (10) angeordnet ist, wobei in einem unteren Sauerstoffsteigrohrabschnitt (11) die Anode angeordnet ist, mittels der ein Sauerstoffgas (12) gewonnen wird, wobei das Sauerstoffsteigrohr (3) das Sauerstoffgas (12) nach oben führt, wobei die auftriebskraftumformende Einheit (4) mindestens einem Steigrohr zugeordnet ist und einen mechanischen Umformer (13) sowie einen Generator (14) aufweist, wobei mittels des mechanischen Umformers (13) die Auftriebskraft eines Gases in eine mechanische Bewegungsenergie umformbar ist, und wobei mittels des Generators (14) die mechanische Bewegungsenergie in eine elektrische Energie umwandelbar ist.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Steigrohre als Mammutpumpe ausgebildet ist, wobei der mechanische Umformer (13) als Strömungsmaschine ausgebildet ist.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Umformer (13) einen Kolben (15) aufweist, durch welchen ein Gas aufnehmbar ist.
Elektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Elektrodenanordnung (1) zugeführt wird.
Elektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem oberen Ende des Sauerstoffsteigrohrs (3) zusätzlich eine Sauerstoffentnahmeöffnung (16) angeordnet ist.