DE2733444A1 - Magnetodynamische autoelektrolyse - Google Patents

Magnetodynamische autoelektrolyse

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DE2733444A1 DE19772733444 DE2733444A DE2733444A1 DE 2733444 A1 DE2733444 A1 DE 2733444A1 DE 19772733444 DE19772733444 DE 19772733444 DE 2733444 A DE2733444 A DE 2733444A DE 2733444 A1 DE2733444 A1 DE 2733444A1
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Description

Magnetodynamische Autoelektrolyse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und mehrere Vorrichtungen zur Zerlegung von dissoziierten Stoffen, insbesondere zur Wasserspaltung für eine großtechnische Anwendung. Bei der Auswahl von leicht transportablen Energieträgern spielt Wasserstoff eine besondere Rolle, weil er bei der Verbrennung umweltfreundlich ist und ohne Einsatz fossiler Brennstoffe gewonnen werden kann. Seine Herstellung durch Elektrolyse auf dem üblichen Umweg über die Dampf- und Stromerzeugung ist aber, wenn man von den wenigen Wasserkraftwerken absieht, von vornherein unwirtschaftlich durch die zahlreichen Verluste, die auf diesem Wege unvermeidbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und Vorrichtungen zur Zerlegung von dissoziierten Stoffen, insbesondere zur Wasserspaltung. Dieses Verfahren soll in großtechnischem Maßstab wirtschaftlicher sein als die Elektrolyse durch elektrischen Strom, der mit Dampfkraft aus Primärenergie erzeugt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen. Die dabei notwendigen zwei Elektroden haben prinzipiell die gleiche Bedeutung wie
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bei der bekannten Elektrolyse, sie werden aber nicht an einen Generator angeschlossen, sondern direkt und mit möglichst geringem Widerstand miteinander elektrisch leitend verbunden. Durch die vorgeschlagene Relativbewegung eines dissoziierbaren Fluides in einem Magnetfeld, daß durchaus mit hochwertigen Permanentmagneten erzeugt werden kann, wird in dem Fluid unmittelbar ein Strom erzeugt, der beispielsweise zur Wasserspaltung verwendet werden kann. Auf diese Weise 1< ann also ein Fluid zerlegt werden, ohne den mit zahlreichen Verlusten verbundenen Umweg über Verbrennung, Wasserdampfund elektrodynamische Stromerzeugung. Dadurch wird nicht nur der Gesamtwirkungsgrad verbessert sondern auch der Aufwand für Maschinen, Apparate und Rohrleitungen vermindert.
Das im 2. Anspruch vorgeschlagene Verfahren verzichtet auf bewegliche, insbesondere rotierende Anlagenteile und ist daher mit dem geringsten Aufwand verbunden. Das Fluid strömt beispielsweise durch einen senkrechten Kanal von rechteckigem Querschnitt, der an zwei gegenüberliegenden Seiten Elektroden aufweist, an denen sich auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Sauerstoff abscheidet. Durch die hohe Geschwindigkeit des strömenden Fluides werden die Gasblasen, nachdem sie ihre Ladung abgegeben haben, von den Elektroden schnell entfernt, so daß sie dort den weiteren Ladungsaustausch nicht stören können. Dadurch wird die sonst bei der herkömmlichen Elektrolyse erforderliche überspannung herabgesetzt. Beim Austritt aus dem Magnetfeld teilt sich der Strömungskanal in zwei Kanäle auf, von denen der eine im wesentlichen Wasserstoff und der andere im wesentlichen Sauerstoff mit dem Fluid zusammen abführt.
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Das im 3. Anspruch vorgeschlagene Verfahren arbeitet prinzipiell wie das bereits beschriebene, die zur Strömungsrichtung entgegengesetzte Bewegung des Magnetfeldes vergrößert aber die Relativbewegung zwischen Magnetfeld und Fluid. Beispielsweise können jeweils mehrere Paare von rotierenden Permanentmagneten beiderseits eines Strömungskanals angeordnet werden, der annähernd über einen vollen Kreisumfang geführt wird. Um den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu verbessern, sollten die rotierenden Permanentmagnete als auch die für die Bewegung des Fluides notwendigen Pumpen nicht mit einem Elektromotor sondern beispielsweise mit einer Dampfturbine angetrieben werden.
Das im 4. Anspruch vorgeschlagene Verfahren verzichtet auch bei der Bewegung des Fluides auf den Umweg über Dampfturbine und Pumpe. Einerseits kann das dissoziierbare Fluid selbst erhitzt, verdampft und in geeigneten Düsen beschleunigt werden. Andererseits kann auch ein Wasserdampfkreislauf betrieben werdne, dem kurz vor Eintritt in das Magnetfeld ein dissoziierbarer Stoff zugesetzt wird, der beispielsweise in einer geringen Menge Wasser gelöst ist. Als Beispiele für diese Stoffe seien genannt: Schwefelsäure, Natronlauge oder Salze. Es kann auch ein Wasserdampfstrahl in das dissoziierbare Medium injiziert werden und dieses beschleunigen.
Das im 5. Anspruch vorgeschlagene Verfahren geht einen etwas anderen Weg. Bei dem mit geringer Geschwindigkeit strömenden Fluid ist naturgemäß die notwendige Pumpenleistung geringer. Dafür ist der apparative Aufwand größer. Nach diesem Verfahren kann man das Fluid beispielsweise in einem kreisringförmigen Kanal führen,
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der auf beiden Seiten von rotierenden Permanentmagneten umgeben ist. Mit Rücksicht auf die geringe Geschwindigkeit ist es zulässig, das Fluid in der einen Hälfte des Ringkanals im Gegenstrom und in der anderen Hälfte im Gleichstrom zum rotierenden Magentfeld zu führen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6 hat auf der einen Seite des Kanals eine Wand, beispielsweise eine Membrane, die nur für das eine Produkt durchlässig ist. Beispielsweise gibt es Nickelmembranen, die für Wasserstoff durchlässig sind. Auf diese Weise wird das eine Produktgas bereits am Orte seines Entstehens abgezogen und kann sich nicht mehr mit dem Fluid oder dem anderen Produktgas vermischen.
Die Vorrichtung nach dem 7. Anspruch hat parallel zur Strömungsrichtung eine semipermeable Trennwand, die von beiden Seiten mit dem dissoziierbaren Fluid umströmt wird. Auf diese Weise werden die beiden Produkte bereits beim Entstehen getrennt und können sich nicht mehr vermischen.
Die Vorrichtung nach dem 8. Anspruch ist eine wirtschaftliche Ausgestaltung der beiden vorher beschriebenen Vorrichtungen. Einerseits ist es sehr zweckmäßig, zwischen zwei rotierenden Magnetscheiben einen als Ringkammer ausgebildeten Strömungskanal vorzusehen. Andererseits kann man den ganzen Apparat noch kompakter bauen, wenn man mehrere dieser Ringkammern konzentrisch ineinander anordnet und gleichartige Stoffströme gemeinsam herausführt.
Die Vorrichtung nach dem 9. Anspruch, verbesert den Wirkungs' grad von mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Ringkammern, indem konzentrisch benachbarte Elektroden
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mit möglichst geringem Widerstand elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch werden in der metallischen Verbindung zwischen konzentrisch benachbarten Ringkammern Spannungen induziert, welche sich zu den im Dissoziationsraum induzierten Spannungen addieren und so die Zerlegung verstärken.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung in stark schematisierter Form.
Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anlage mit feststehendem Magnetfeld.
Figur 2 zeigt einen waagerechten Querschnitt durch einen Teil der Figur 1 .
Figur 3 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Trennapparat mit einem rotierenden Magnetfeld.
Figur 4 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch Figur 3.
Figur 5 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen weiteren Trennapparat mit rotierendem Magnetfeld.
Figur 6 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch Figur 5,
Figur 7 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen weiteren Apparat.
Figur 8 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch den Reaktionsraum 59 in Figur 7.
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In Figur 1 und 2 ist der senkrechte Strömungskanal 1 in einem starken Magnetfeld angeordnet, das durch die beiden Permanentmagnete 2 und 3 gebildet wird. Im Bereich dieses Magnetfeldes, aber um 90° zu den Feldlinien versetzt, sind zwei einander gegenüberliegende Elektroden 4 und 5 angeordnet, die über die Leitung 6 elektrisch gut leitend miteinander verbunden sind. Der Elektrolyt, in diesem Falle eine wässerige Lösung von Schwefelsäure oder Kalilauge, wird in einem Behälter 7 gespeichert, und mit der Pumpe 8 durch den Kanal 1 gefördert. Aufgrund des starken Magnetfeldes und der Strömungsgeschwindigkeit wandern die positiv geladenen Η-Ionen zur Kathode 5 und die negativ geladenen 0_-lonen zur Anode. Wenn sie dort jeweils ihre Ladung abgegeben haben, entstehen im Elektrolyten Gasblasen, die mit der Strömung weiterwandern und in den beiden anschließenden Zyklonabscheidern 10 und 11 vom Elektrolyten getrennt und abgezogen werden können. Der nicht zersetzte Elektrolyt fließt durch die beiden senkrechten Fallrohre 12 und 13 wieder zurück in den Speicherbehälter 7 und wird dort durch Zufuhr von Frischem Wasser bei 14 ergänzt. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Zyklonabscheider 1O und 11 am oberen Ende der Anlage arbeiten diese unter einem für die Abscheidung von Gasen sehr günstigen niedrigen Druck.
In den Figuren 3 und 4 ist der feststehende f kreisringförmige Strömungskanal 31 von rechteckigem Querschnitt und auf beiden Seiten von rotierenden Permanentmagenten umgeben, die an Magnetscheiben 33 befestigt sind und über die Welle 34 angetrieben werden. Der kreisringförmige Strömungskanal 31 ist durch eine ebenfalls kreisringförmige Membrane 35 getrennt, die für den Elektrolyten undurchlässig, aber für Wasserstoff durchlässig ist und die an ihrem oberen Ende ein Abzugsrohr 36 hat. Der Elektrolyt
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strömt am unteren Ende 37 mit geringer Geschwindigkeit in den kreisringförmigen Strömungskanal 31. Aufgrund des mit hoher Drehzahl rotierenden Magnetfeldes wandern die positiven Η-Ionen zur Membrane 35, die hier als Kathode dient und diffundieren nach Abgabe ihrer Ladung durch diese Membrane hindurch. Die negativen 0„-lonen wandern zu der als Anode dienenden äußeren Begrenzung des Strömungskanals 31, geben dort ihre Ladung ab und bilden dann Gasblasen, die aufgrund des natürlichen Auftriebs und der im ganzen nach oben gerichteten Strömung des Elektrolyten nach oben wandern und dort durch das Rohr 38 abgezogen werden. Damit die in der unteren Hälfte des Trennapparates entstehenden Sauerstoffblasen nicht aufgrund ihres natürlichen Auftriebes zur Membrane 35 strömen, sind in der unteren Hälfte gegeneinander versetzte Leitbleche 39, 40 und 41 angeordnet. Damit die Sauerstoffblasen schneller abtransportiert werden, ist es zweckmäßig, bei 38 nicht nur den Sauerstoff sondern auch einen Teil des Elektrolyten abzuziehen, der dann mit frischem Wasser versetzt wieder bei 37 in den Trennapparat gefördert werden kann.
Die Figuren 5 und 6 zeigen einen Trennapparat, der entsprechend Figur 4 ebenfalls ein rotierendes Magnetfeld aufweist. Der ebenfalls kreisringförmige Strömungskanal ist in diesem Fall durch eine kreisringförmige Membrane getrennt, die für den Elektrolyten und die beiden Gase nicht durchlässig ist, die aber einen Ladungsaustausch gestattet. Der Elektrolyt fließt mit geringer Geschwindigkeit auf beiden Seiten der Membrane 52". Die innere Wand" des Strömungskanals 51 dient als Kathode, während die äußere Wand als Anode dient. Auch hier erscheint es zweckmäßig, mit den produzierten Gasen sowohl bei 55 als auch bei 56 einen Teil des Elektrolyten ab-
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- 11 -
zuziehen, um innerhalb des Strömungskanals 51 eine Strömung einzustellen, die die Gase nach oben transportiert.
Die beiden folgenden Beispiele geben einige Zahlen für die Größe und Leistung der vorgeschlagenen Trennapparate.
Beispiel 1 gibt Werte für ein System, das entsprechend Anspruch 5, 8 und 9 (Fig. 3, Fig. 4) aufgebaut ist. Die Magnetscheiben werden von einer Turbine mit konventioneller Drehzahl (ru 25 Hz) angetrieben.
Beispiel 2 gibt Werte für ein gemäß Anspruch 2 (Fig. 1, Fig. 2) aufgebautes System mit einer Vielzahl parallel geschalteter Strömungskanäle.
r. 12
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Beispiel 1 Anlagedaten
Elektrolyt: 35 %ige Kalilauge bei 80°C Leitfähigkeit
Turbinendrehzahl
nötige Gesamtspannung Elektrodenabstand in einer Zelle Stromdichte
magn. Induktion
Elektrolysewirkungsgrad
Wirkungsgrad dos Wasserstoffgenerators (Summe aus Reibung, Ventilation, Wirbelströme ähnlich wie bei konventionellem Stromgenerator angenommen)
Gesamtwirkungsgrad
& = 1 ,49Λ."1 cm"1
V =25 sec"1
U = 1,68 V
d = 0,2 cm
i =37 kA/m2
B = 10 kG
9Ie = °'69
0,98 0,68
Anlagedatenbeispiel für Großanlage Turbinenleistung (mechanisch) Innendurchmesser einer Elektrolysezelle Elektrodenfläche
Wasserstoffproduktion
Strömungsgeschwindigkeit in Sammelleitung (Querschnitt 2 cm2, bei Druck von 1 bar)
Gesamtwirkungsgrad bezogen auf Primärenergieeinsatz
Wärmeerzeugung fossil mit "?? , =0,4 Wärmeerzeugung mit LWR mit *?.h = 0,35
N_
D
F
V
H.
-ge s
1000 MW
3 m
2x16.000 m
105 Nm3/h
=30 m/s
= 0,27 = °'24
Raumbedarf ca.: Durchmesser 5 m, Länge 20 m
Anordnung: 100 Kreisringe und 101 magnetbestückte Laufräder, Dicke je 10 cm.
Ein Kreisring besteht aus 143 Einzelzellen.
Ein Ausschnitt daraus ist in Figur 3 dargestellt.
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Beispiel 2
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Anlagedaten
Elektrolyt: 35 %ige Kalilauge bei 8OC Leitfähigkeit
Strömungsgeschwindigkeit nötige Gesamtspannung Stromdichte
Elektrodenabstand
magn. Induktion
Elektrolysewirkungsgrad Pumpenwirkungsgrad
Strömungsverlust im Rohr (Strömungswirkungsgrad)
Gesamtwirkungsgrad
Ug
i
d
B
1,49ΩΓΊ cm"1
4 m/s
1,68 V
0,75 kA/m2
0,1m
13 kG
0,69
0,8
0,95 0,52
Anlagedatenbeispiel für Großanlage
Turbinenleistung (mechanisch) Elektrodenfläche
Raumbedarf für Elektrolyseanlage ca.
Wasserstoffproduktion
Strömungsgeschwindigkeit in Sammelleitung (Querschnitt 2 m^, bei Druck von 1 bar)
Gesamtwirkungsgrad bezogen auf Primärenergieeinsatz (
Wärmeerzeugung fossil mit lh.. =0,4 Wärmeerzeugung mit LWR mit t),, = 0,35
N = 1000 MW
F = 2 χ 588 000 in*
Höhe 30 m
Breite 40 m
Länge 80 m
= 1,5
105 Nm3/!-
= 20 m/s
V = 0,21
iges
Iqes
= 0,18
Anordnung: 400 Zellen ä 10 cm Breite, 50 cm Höhe nebeneinander bilden eine Reihe; 40 solcher Reihen liegen übereinander; dazwischen liegt jeweils eine Schicht Dauermagnete. Eine dieser parallel geschalteten Zellen ist in Figur 1 als Teil 1 dargestellt.
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Claims (8)

24.375.2 Go/Fe 20.07.1977 INTERATOM Internationale Atomreaktorbau GmbH 5060 Bergisch Gladbach 1 Magnetodynamische Autoelektrolyse Ansprüche
1. Verfahren zur Zerlegung von dissoziierten Stoffen an zwei Elektroden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerlegung durch Relativbewegung eines dissoziierbaren Fluides in einem Magnetfeld erfolgt und diese beiden Elektroden außerhalb des Fluids leitend miteinander verbunden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch ein feststehendes Magnetfeld strömt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch ein in entgegengesetzter Richtung bewegtes Magnetfeld strömt.
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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Fluid in einem Kreisprozeß mehrere Phasen durchläuft, dabei zunächst Wärmeenergie aufnimmt, diese dann in kinetische Energie umsetzt und mit Hilfe dieser kinetischen Energie das dissoziierte Fluid durch ein Magnetfeld strömt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid mit geringer Geschwindigkeit durch ein mit hoher Drehzahl rotierendes Magnetfeld strömt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wand des für das Fluid vorgesehenen Kanals im Magnetfeld für nur ein Produkt durchlässig ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem für das Fluid vorgesehenen Kanal im Magnetfeld eine semipermeable Trennwand vorhanden ist, die einen Ladungsaustausch gestattet, aber für die Produkte nicht durchlässig ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen zwei von mehreren rotierenden Magnetscheiben jeweils ein aus mehreren konzentrischen Ringkammern bestehender Trennapparat angeordnet ist.
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Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Fluid in Kanälen geführt ist, deren Wände teilweise als Elektroden ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden konzentrisch benachbarter Kanäle derart elektrisch leitend miteinander verbunden sind, daß die im Magnetfeld auftretende Lorentzkraft eine Spannung aufbaut, die die Zerlegung unterstützt.
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