DE3120322A1 - Verfahren und vorrichtung zur groesstmoeglichen ausnutzung von elektrischer energie, mit hilfe alkali-elektrolytischer wasserstofferzeugung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur groesstmoeglichen ausnutzung von elektrischer energie, mit hilfe alkali-elektrolytischer wasserstofferzeugung

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DE3120322A1
DE3120322A1 DE19813120322 DE3120322A DE3120322A1 DE 3120322 A1 DE3120322 A1 DE 3120322A1 DE 19813120322 DE19813120322 DE 19813120322 DE 3120322 A DE3120322 A DE 3120322A DE 3120322 A1 DE3120322 A1 DE 3120322A1
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Jürgen 1000 Berlin Hahn
Josef Dr.rer.nat. Lüdke
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • Electrochemistry (AREA)
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  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur größtmöglichen Ausnutzung von
  • elektrischer Energie mit Hilfe Alkali-Elektrolytischer Wasserstofferzeugung.
  • Einer der Hauptprobleme unserer Zeit besteht in der Energieversorgung, durch die immer knapper werdende Energie.
  • Energieversorgung bedeutet aber nicht nur Energieerzeugung, eine sinnvolle Energieversorgung beinhaltet auch eine sinnvolle Energieverwendung und auch dementsprechend eine Energiespeicherung.
  • Die günstigste Energieform (schon wegen ihrer leichten Transportierbarkeit) ist die elektrische Energie. Die direkte Speieherung der elektrischen Energie ist zur Zeit sehr kostspielig, materialaufwendig und daher auch unwirtschaftlich. Daher wird die Speicherung der elektrischen Energie nur mittelbar vorgenommen. Es gibt zur Zeit eine Reihe bekannter Speicherverfahren wie z.B.: le Wärmespeicherung in Wasser oder Mineralien.
  • 2. Wasserpumpapeicherwerke.
  • 3. Elektrochemische Speicherung in batterien oder Accumulatoren.
  • 4. Elektrolytische Wasserstofferzeugung.
  • Das Problem der Energiespeicherung hängt natürlich eng mit der Energieerzeugung zusammen, wir speichern natürlich nur etwas, was wir im Moment im tberfluß haben. Die Frage,ob wir überhaupt Energie im Uberfluß haben muß mit ja beantwortet werden, wir haben ein sehr großes Energiereservoir, die Natur selbst bietet soviel Energie, wie die Menschheit nicht verbrauchen kann. Leider haben wir es verlernt die Energie, welche uns die Natur bietet sinnvoll zu nutzen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Beitrag zur solchen sinnvollen "Naturenergie -Nutzung. Diese Erfindung erlaubt es Naturenergieformen,wie z.B.: Windenergie, Sonnenenergie und Meeresgezeitenenergie, welche in stetig wechselnder Intensität vorhanden sind, fast vollständig zu Nutzen.
  • Da es unzweckmäßig wäre die Naturenergieformen'' ohne Anpaßung an unsere Bedürfnisse zu benutzen, müßen wir diese "Naturenergie" in eine uns genehme Energieform umwandeln. Die praktisch sinnvollste Energieform stellt jedoch der elektrische Strom dar. Den elektrischen Strom können wir auf vielfälltige Weise erzeugen, wie z.B.: 1. Rotierende Stromgeneratoren, 2. Halbleiter-Grenzschichtelemente, s.g. Solarzellen, 3. Thermoelektrische Generatoren u.s.w.
  • Diese genannten generatoren sind keine Energieerzeuger, sondern Energieumformer,und man kann nur das-und-EovielUmformen was zur Verfügung steht. Da aber die Natur uns einmal viel und das andermal wenig zur Verfügung stellt, liefern unsere Energieumwandler ebenfalls mal viel und mal wenig. Hier haben wir bereits mit dem Rauptproblem zu tun; eine industrielle Nutzung ist auf Kontinuität angewiesen Wnd hat deshalb sich nur wenig um die natürlichen Energien gekUmmert, man konnte Ja aus dem Vollen" schöpfen, zumal die Nutzung von Wind- oder Wasserkraft große und komplizierte Regelvorrichtungen bedingten.
  • So z.B! Die wechselnden Windgeschwindigkeiten mußten durch Rotorverstellmechanissmen ausgeglichen werden um eine einigermaßen konstante Generatorgeschwindigkeit zu erreichen. Solche Regelvorrichtungen sind natürlich sehr schwer, kompliziert und daher auch teuer und unrentabel, also ließ man Wind Wind und Meer Meer sein und verbrannte Kohle, Erdöl, unsere Wälder und schuf i sich ein neues, aber gefährliches Energiepotential, die WKernenergie" mit all ihren menschlichen und unmenschlichen Problemen, natürlich auch der Atom- Wasserstoff- und Neutronenwaffen.
  • Die Aufgabe, welche durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung einer realen und wirtschaitlichen Möglichkeit der Nutzung von Energie; diese erfindungsgemäße Form der Energienutzung besteht in der elektrolytischen Wasserstofferzeugung als Energiespeichermethode, welche erst die wirtschaftliche Ausnutzung von "Maturenergie" ermöglicht.
  • Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch in der Schaffung einer Alkalielektrolytischen-Wasserzersetzungs unter der Verwendung Ton wechselnden Stromspannungen, wie diese beim Betrieb von elektrischen Generatoren mit "Naturenergien" vorkommen. Speziell kann die Ausnutzung der Wind-, Sonnen- und Wasserenergie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wirtschaftlich, rentabel betrieben werden.
  • Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird durch die erfinddungsgemäß konstruierte Alkalielektrolysevorrichtung zur WasserstofferzeugungJunter der Verwendung von Ionendurchlässigen Elektroden, wie z.E Loch- oder GitterelektrodenJgelöst. Die erfindungsgemäße Schaltung und Steuerung der Elektroden gestattet die Ausnutzung einer breiten Stromspannungspalette, d.h die Elektrolyse kann bereits mit 0,6 V in Gang gestetzt und bis zu einer Höchst spannung von 380 V betrieben werden.
  • Da die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung für die Alkalische Wasserstofferzeugung konzipiert wurde, werden Eisen- oder andere elektrisch leitende Elektroden verwendet, welche innerhalb der Elektrolysevorrichtung, Jedoch außerhalb des Elektrolyten, mit einer temperatur- und chemikalienbeständigen Kunststoffbeschichtung,aus Gründen des Korrosionsschutzes und der Wartungsfreiheit, versehen sind, Der Betrieb der erfindungsgemäßen Alkali-Elektrolysevorrichtung erfolgt unter erhöhtem Druck, um die Verdampfungewärme, d.h. die Verdampfungstemperatur des Elektrolytlösungsmittels heraufzusetzen und den erzeugten Wasserstoff( bereits vorkomprimiert> in ein Reservoir einzufüllen.
  • Die Druckerzeugung innerhalb der Elektrolysevorrichtung erfolgt durch den erzeugten Wasserstoff selbst.
  • Im Folgenden soll an Hand eines Ausführungsbeispiels der Aufbau, die Elektrodenschaltung und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtungl beschrieben werden: In der Zeichnung auf Seite 6., bedeuten: 1. Wasserzufuhrleitung.
  • 2. Wasserstoffleitung zum Reservoir.
  • 3. Gehäuseoberteil, abnehmbar und mit einer chemisch resistenten Dichtung versehen.
  • 4. Elektrolysebehälter, aus GfK, oder Kunststoffbeschichtetem Metall bestehend.
  • 5. Elektrodenanordnung.
  • 6. Draufsicht auf die Elektrolyseanlage ohne Gehäuseoberteil.
  • 70 Elektrodenschaltung.
  • 8o Regelschalter.
  • In der Zeichnung auf Seite 7., bedeuten: 1. Loehelektrode, als eine togliche Form einer Diffusionselektrode.
  • 2. Ionenbewegung bei Diffusionsfesten-Plattenelektroden.
  • 3. Ionenbewegung bei Lochelektroden.
  • Nachfolgend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung für die alkalielektrolytische Wasserstofferzeugung beschrieben.
  • Allgemeines zum Thema der Elektrolyse: Die Elektrolyse beruht auf der Fähigkeit des elektrischen Gleichstroms1 Ladungsträger zu transportieren.
  • Elektrische Ladungsträger liegen in Elektrolyten in Form von, stich in Lösung oder Elektrolytschmelzea freibeweglichen Ionen (Ladungsträgeri tor.Die Ionen stellen positiv oder negativ geladene Ladungsträger dar, welche durch ein elektrisches Feld zu ihrem "Gegenpol" transportiert werden können.
  • Am Ziel der "Ionenreise"/d.h. bei der Ankunft an der Elektrode, wird der "Ladungsträger" seiner Ladung entledigt.
  • Ein Elektrolyt ist dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Lösungsmittel oder in geschmolzenem Zustand sein Molekularverband löst und sich in Anionen und Kationen trennt, welche frei beweglichin der Lösung (oder Schmelze) schwimmen. Wird nunmehr, mittels sich nicht berührender Elektroden'ein Gleichstrom in die Elektrolytlösung hinein geschickt, so werden die Anionen und entsprechend auch die Kationen durch das elektrisches Feld "sortiert" und durch entgegengesetzt geladene Elektroden angezogen, schliesslich "entladen", d.h. sie verlieren an der Elektrode ihre."Ladung" und vereinigen sicht wie z.B. Wasserstoff H + H - H21zu einem neutralem Molekel Die Wasserstofferzeugung durch Wasserzersetzung mit Hilfe von Alkalielektrolyse erfolgt nach dem Reaktionsschema: Die erfindungsgemäße Form der Elektroden und ihre Schaltung wurden aus mehreren Gründen, welche nachfolgend aufgeführt sind, geschaffen: 1. Es sollen auch minimale Stromspannungen, welche bei geringeren Drehzahlen von Stromgeneratoren, oder geringem Lichteinfall bei Solarzellen entstehen, für die elektrolytische Wasserstofferzeugung benutzt werden können.
  • Diese Möglichkeit besteht nur beim geringem Elektrodenabstand, welcher es ermöglicht, ein wirksames elektrisches Feld, bei kleinen Stromspannungen'aufzubauen und die Ionen zu transportieren.
  • 20 Stehen aber größere Stromspannungen zur Verfügung, würde die elektrische Stromquellel bei dem bestehenden Elektrodenabstands zu einer Überlastung führen. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird ein zweites Elektrodenpaar, welches einen größeren Elektrodenabstand hat, in den Stromkreis eingeschaltet und entsprechend, der erste Stromkreis ausgeschaltet. In der praktischen Ausführung würde es aber bedeuten, daß die sich zwischen den tätigen Elektroden befindlichen "stillstand-Elektroden" einen "Schatten" bilden würden, d.h. der Ionentransport würde nur auf die Randbezirke der Elektroden beschränkt werden. Dies würde zu "Stromspitzen", einer-8berhitzung des Elektrolyten und-folglich zur (Lösungsmittel-verdampfung) Wasserverdampfunglführen.
  • 3o Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Loch- bzw.
  • Gitterelektroden werden die im Pkt. 2. beschriebenen Ladungsvorgängemit folgerichtig auftretenden "Feldschatten", vermieden und dem Ionentransport somit geringerer Wiederstand geleistet; die gesammte Elektrodenoberfläche steht demlonentransport zur Verfügung.
  • 4. Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung wurde aus nachfolgenden Gründen als eine Hochdruckelektrolyseanlage konzipiert: a. Durch die Erzeugung einer HochdruckatmosphäreEüber dem Elektrolyten, wird einer unerwünschten Verdampfung des Lösungsmittels, d.h. des Wassers vorgebeugt.
  • be Der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte Wasserstoff wird vorkomprimiert1 in einen Lagerbehälter hinein gedrückt.
  • c. Der in der Elektrolysevorrichtung herrschende Druck hat keinen Einfluß aur den Ionentransport und damit auf die elektrischen Vorgänge innerhalb des Elektrolysators.
  • Nach der Theorie von Debye-Onsager gilt für die molare Leitfähigkeit das Grenzgesetz: Die Äquivalentleitfähigkeit ergibt sich folglich für NaOH zu 217,4 Mol/m3 und für H2S04 384 Mol/m3, da aber bei einer Elektrolyse, in Schwefelsauremmedium1 auch Sauerstoff entwickelt wird, wurde aus Sicherheitsgründen zu Gunsten der Alkalielektrolyse, bei welcher nur Wasserstoff gewonnen wird, entschieden.
  • Eine der wesentiichsten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Alkalielektrolysevorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff, besteht in der wahlweisen Schaltung, der in verschiedenen Abständen angeordneten Elektrodenpaare. Erst durch diese erfindungsgemäße Elektrodenschaltung ist ein Elektrolysebetrieb, mit unterschiedlichen StromspannungenWmöglich und damit eine wirtschaftliche Ausnutzung elektrischer Generatoren, unterschiedlicher Bauweise, gegeben.
  • Die Leistungfähigkeit der erfindungsgemäßen Alkalielektr.lyse-Anlagen beträgt zwischen 7 und 70 m3 Wasserstoff/h (und mehr), da 7 Nm3 Wasserstoff - 14 kg wiegen, beträgt der Heizwert des erzeugten Wasserstoffs 476 000 kcal X 2 000 000 kJ/h. Dieser Heizwert entspricht dem Heizwert von 50 kg Heizöl.
  • Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Alkalielektrolysevorrichtung zur Wasserstofferzeugung, erstreckt sich z.3. auf: le Solargeneratoren, (Grenzschichtelemente) welche bei einem geringem Lichteinfall nur geringe Stromspannungen liefern.
  • 2e Thermoelektrische Generatoren, z.B. mit Sonne betriebene.
  • 3e Dreh-, Wechsel- und Gleichstromgeneratoren mit wechselnder Stromspannungsbilanz.

Claims (7)

  1. ÄTENTANSRUOHE 1. Verfahren und Vorrichtung zur größtmöglichen Ausnutzung von elektrischer Energie, mit Ifilfe Alkali-Elektrolyti scher Wasserstofferzeugung.
  2. 2. Patentansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchfuhrung und Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrolytischen Wasserstofferzeugung, Diffusions-Loch- oder Gitterelektroden verwendet werden.
  3. 3. Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung und Betrieb der erfindungsgemäßen elektrolytischen Wasserstoffvorrichtung, Diffusions-Loch- oder Gitterelektroden, aus elektrisch leitenden Materialien gefertigt, benutzt werden.
  4. 4. Patentansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß in der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung mehrere Elektrodenpaare angeordnet sind, welche durch wahlweise Wechseischaltung, dem jeweils herrschenden Spannungsbereich angepaßt werden können.
  5. 5. Patentansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung, Elektrolytische-Vorgänge, in einem Spannungsbereich von 0,6 bis 380 V, durchzuführen gestattet.
  6. 6. Patentansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß in der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, die elektro-chemischen Vorgänge unter Ueberdruck erfolgen, um einer Lösungsmittelverdampfung entgegenzuwirken.
  7. 7. Patentansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Elektrolysevorgang gewonnene Wasserstoff, selber einen ffberdruck erzeugt, zur Vorkompression des erzeugten Wasserstoffgases; hierdurch erübrigt sich eine mechanische gompressionsstufe.
DE19813120322 1981-05-19 1981-05-19 Verfahren und vorrichtung zur groesstmoeglichen ausnutzung von elektrischer energie, mit hilfe alkali-elektrolytischer wasserstofferzeugung Withdrawn DE3120322A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0207122B1 (de) * 1985-01-03 1991-06-12 THOMAS, Iorwerth Gaserzeuger einer brennkraftmaschine

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0207122B1 (de) * 1985-01-03 1991-06-12 THOMAS, Iorwerth Gaserzeuger einer brennkraftmaschine

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