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Gestaltung einer Moduleinheit nach dem Hochtemperatur-Dampf-
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Elektrolyse-Verfahren Die Erfindung betrifft die Gestaltung des Trägerkörpers
und die Gasführung für als Zweikammerrohre ausgeführte Elektrolyserohre, deren Bohrungskanal
mit der oberen Kammer des Trägerkörpers in Verbindung steht und deren innerer Kanal
mit der unteren Kammer des Trägerkörpers verbunden ist.
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Bei der Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse müssen eine Vielzahl von
Zirkonoxid-Elektrolyserohren aus Gründen der Raumausnutzung im Hochtemperaturbereich
der Anlage zu Moduleinheiten zusammengeschaltet werden.
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Es ist bekannt, Elektrolyserohre auf einem Trägerkörper, der zugleich
die Gaszu- und -abführung übernimmt, so anzuordnen, daß der Speisewasserdampf durch
die untere Kammer und die Gasführungskapillare zum oberen, geschlossenen Ende des
Elektrolyserohres geführt wird und dort nach unten umgelenkt wird. Auf dem weiteren
Weg wird der Wasserdampf kontinuierlich
abgereichert und der Wasserstoff
angereichert. In der oberen Kammer des Modulträgers wird der erzeugte Wasserstoff
aus den Elektrolyserohren gesammelt und abgeführt.
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An die Verbindungsstelle von Elektrolyserohr und Trägerkörper werden
hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität bei Arbeitstemperaturen
von ca. 9500C und absoluter Gasdichtigkeit gestellt. Geringste Lecks an dieser Stelle,
an der die höchste Konzentration von Wasserstoff vorliegt, führen zur Rückreaktion
zwischen Wasserstoff und Sauerstoff und damit zur Wi rkungsgradverminderung.
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Als Hochtemperatur-Werkstoffe für den Trägerkörper stehen zur Auswahl:
Keramik, z.B. Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, oder Metalle wie oxidationsbeständige
austenitische Stähle.
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Die Verwendung von Zirkonoxid hat den wesentlichen Vorteil, daß die
Wärmeausdehnungen von Trägermaterial und Elektrolyserohr gleich sind. Es bleibt
hier die Aufgabe, ein Keramiklot" zu finden, das neben der Forderung nach Festigkeit
und Dichtigkeit verschiedene andere, auf das Verfahren abgestimmte Eigenschaften
aufweisen muß. Ein solches Lot für diesen Anwendungsfall ist derzeit nicht bekannt.
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Nachteilig ist weiter, daß es für große Zirkonoxidbauteile bisher
noch keine ausgereifte Herstellungstechnologie gibt,
wie sie beispielsweise
für Aluminiumoxid verfügbar ist. Die Notwendigkeit von Stabilisierungszusätzen macht
das Material sehr viel teurer und schwieriger in der Herstellung.
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Soll jedoch anstelle von Zirkonoxid ein billigeres und möglicherweise
einfacher verarbeitbares Material verwendet werden, so muß bei einer festen Verbindung
zwischen Zirkonoxid-Elektrolyserohr und Trägerkörper die dabei auftretende Differenz
in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten überwunden werden. Die Entwicklung einer
solchen gasdichten, mechanisch stabilen, zyklisierbaren, bei ca. 10000C einsetzbaren
Keramik-Keramik oder Keramik-MetalL-Verbindung ist nach bisherigem Wissensstand
nicht gelungen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bisherige Notwendigkeit
einer Lotverbindung mit dem Elektrolyserohr zu umgehen und eine Lösung zu finden,
bei der eine absolut gasdichte Verbindung unnötig wird, damit keine Notwendigkeit
mehr besteht, Materialien mit gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der oberen
Kammer des Trägerkörpers Wasserdampf zugeführt wird, der das Elektrolyserohr im
Bohrungskanal (Kathodenraum) beaufschlagt und in diesem Kanal in Wasserstoff und
Sauerstoff zerlegt wird, wobei der Sauerstoff durch das Festelektrolytmaterial des
Elektrolyserohres in den Umgebungsraum (Anodenraum
) transportiert
wird und verbleibender Wasserstoff mit Wasserdampf in die Gasführungskapillare des
Elektrolyserohres gelangt, von wo er mittels der unteren Kammer des Trägerkörpers
abtransportiert wird.
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Beim Gegenstand der Erfindung wird folglich der Weg des Gasstroms
gegenüber den bisher bekannten Lösungen umgekehrt. Auf diese Weise liegt an der
Verbindungsstelle Elektrolyserohr-Trägerkörper innen nur Wasserdampf an und außen
Sauerstoff.
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Durch ein schwaches Druckgefälle wird gegebenenfalls ein Bruchteil
des kathodenseitigen Speisewasserdampfes durch die Verbindungsstelle in Richtung
Anodenraum gespült und so vermieden, daß Sauerstoff in den Kathodenraum eindringt.
Dieser Wasserdampf reduziert im Anodenraum den Sauerstoffpartialdruck und verbessert
damit den Elektrolysewirkungsgrad.
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Die höchste Wasserstoffkonzentration liegt somit am oberen, dichten
Ende des Elektrolyserohrs vor. Durch die Gasführungskapillare wird der Wasserstoff
dem Sammelraum im Trägerkörper zugeführt. Eventuell sorgt ein abgestimmter Bypass
in der Gasführungskapillare in Höhe der ersten Elektrolysezelle dafür, daß ein kleiner
Teil des produzierten Wasserstoffs durch Diffusion dem Speisewasserdampf zugemischt
wird, um so die metallische Kathodenschicht vor Oxidation zu bewahren und aktiv
zu erhalten.
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Die erfindungsgemäße Lösung gibt der Gestaltungsmöglichkeit der Verbindungsstelle
große Freiheit. So ist es beispielsweise
möglich, eine Flächendichtung,
eventuell mit duktiler Zwischenfolie (ebene Anordnung, Konus, Kugelschliff) zu verwenden
oder aber das Elektrolyserohr Durch mechanische Fixierung mitteLs Anpreßdruck zu
befestigen. Eine Anpressung des Elektrolyserohrs auf dem Trägerkörper macht das
Elektrolyserohr lageunabhängig; daher sind auch hängende oder waagrechte Anordnung
möglich.
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Zudem wird die Ausfallwahrscheinlichkeit durch Undichtigkeiten des
Elektrolyserohres erniedrigt.
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Weiter kann die Verbindungsstelle nach Art eines Bajonettverschlusses
oder als Spalt- oder Labyrinthdichtung (Verschraubung) gestaltet sein.
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Auf diese Weise wird eine lösbare Verbindung geschaffen, die zudem
den großen Vorteil der Austauschbarkeit einzelner defekter Elektrolyserohre ermöglicht,
während bei Hochtemperatur-Verklebungen in der Regel ganze Module ausgetauscht werden
müssen.
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Die Verbindungsart von Elektrolyserohr und Trägerkörper ermöglicht
es, Materialien einzusetzen, deren Ausdehnungskoeffizient von dem des Zirkonoxid
erheblich abweicht. Insbesondere wird es möglich, direkt am Elektrolyserohr auf
einen metallischen Werkstoff überzugehen, d. h. für Arbeitstemperaturen bis ca.
9500C kann der Trägerkörper einschließlich der Gasführungskapillaren in einer hochtemperaturbeständigen
Superlegierung (z.B. INCOLOY 800 H) gefertigt werden. Gegenüber Keramik ergeben
sich folgende Vorteile:
- Verfügbarkeit und wesentlich einfachere
und billigere Herstellbarkeit - als elektrischer Anschluß des Elektrolyserohres
kann der metallische Trägerkörper benutzt werden, während ein keramischer Träger
erst leitfähig beschichtet werden muß - verbesserte rekuperative Wärmetauschereigenschaften.
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Sollte es notwendig sein, die Arbeitstemperatur des Elektrollyse-Verfahrens
zur Verbesserung des Wirkungsgrades noch zu erhöhen, so kann die genannte Verfahrensweise
auch auf keramischen Materialien wie Aluminiumoxid angewandt werden. Die genannten
Vorteile bleiben erhalten.
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Bei einer Ausgestaltung kann der Trägerkörper für die zu einem Modul
verschalteten Elektrolyserohres aus zwei runden Hohlkammern bestehen, die gegeneinander
gasdicht zusammengefügt sind.
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Vorteilhafterweise verwendet man jedoch eine Schiene mit zwei übereinander
angeordneten, am Ende geschlossenen Kanälen, was zu einer linearen Anordnung der
Elektrolyserohre führt. Diese Bauweise vereinfacht insbesondere die Herstellung
eines keramischen Trägerkörpers, da eine solche Schiene extrudierbar und somit in
jeder geeigneten Länge herstellbar ist.
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Eine große Elektrolyseanlage mit optimaler Raumausnutzung entsteht
dann durch Parallelschalten zahlreicher solcher
Modulschienen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend beschrieben sind.
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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Trägerkörpers mit Elektrolyserohr
und Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Elektrolysemoduls und die Andeutung der
Erweiterung zur einer Elektrolyseanlage.
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In Fig. 1 ist ein Elektrolyserohr 2 gezeichnet, das sich auf einem
Trägerkörper 4 befindet. Das Elektrolyserohr 2 weist einen Bohrungskanal 6 (Kathodenraum)
auf und ist an der Verbindungsstelle 8 (die beispielsweise in Form einer geschliffenen
Flächendichtung ausgeführt ist) auf den Trägerkörper 4 aufgesetzt. Im Trägerkörper
4 befindet sich eine obere Kammer 10 und eine untere Kammer 12; diese steht über
die Bohrung 14 einer Gasführungskapillaren 16 und der Offnux 18 an ihrem oberen
Ende mit dem Bohrungskanal 6 des Elektrolyserohrs 2 in Verbindung. Das Elektrolyserohr
2 ist an seinem oberen Ende mittels eines Deckels abgedichtet.
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Die Gasführung geschieht nun auf folgende Weise: In der oberen Kammer
10 des Trägerkörpers 4 wird Wasserdampf (H20) zugeführt. Dieser Wasserdampf strömt
in den Bohrungskanal 6 des Elektrolyserohrs 2 und wird in diesem Kanal in
Wasserstoff
und Sauerstoff zerlegt, wobei der Sauerstoff mittels elektrischer Energie durch
das Festelektrolytmaterial 20 des Elektrolyserohrs 2 (Kathode 22, Anode 24) in den
Umgebungsraum 26 (Anodenraum) transportiert wird und verbleibender Wasserstoff mit
Wasserdampf gelangt in den inneren Kanal 14 der Gasführungskapillare 16, von wo
er mittels der unteren Kammer 12 des Trägerkörpers 4 abtransportiert wird.
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Falls notwendig, kann wie in der Zeichnung ausgeführt, in der Gasführungskapillare
in Höhe der ersten Elektrolysezelle eine Bohrung (Bypass) 28 mit abgestimmtem Durchmesser
angebracht sein, aus der ein kleiner Bruchteil des produzierten Wasserstoffs in
den Bohrungskanal 6 des Elektrolyserohrs 2 überdiffundieren kann. Er schützt dort
die Kathode vor Oxidation.
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In Fig. 2 ist die prinzipielle Ausführung eines Elektrolysemoduls
gezeigt, wobei der Trägerkörper 4 für die Elektrolyserohre 2 in Form einer Schiene
gestaltet ist. Die Gasführung geschieht wie für Fig. 1 beschrieben. Die Verbindungsstellen
8 Elektrolyserohr - Trägerkörper können nach einer der Möglichkeiten ausgeführt
sein, die oben beschrieben wurden.
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L e e r s e i t e