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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zufuhrsystem
für elektrolytische Flüssigkeit für eine
Druckelektrolysevorrichtung bei der Herstellung von
Wasserstoff, in welcher Elektrolysevorrichtung
elektrolytische Flüssigkeit in einer druckbeaufschlagten
elektrolytischen Zelle in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt
wird.
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Wasserstoff ist eine ideale und nicht verschmutzende
Energiequelle bei besonderen Anwendungen, bei der keine
herkömmlichen Energiequellen verfügbar sind. Daher können
beispielsweise in Anlagen, die elektrischen Strom anwenden
und in dünnbesiedelten und unwirtlichen Regionen gelegen
sind, photovoltaische Module für die Erzeugung von
elektrischem Strom verwendet werden. Derartige Installationen
sind oftmals unbemannt und erfordern eine automatische oder
ferngesteuerte Betätigung. Derartige Installationen müssen
auch dann betätigt werden, wenn kein Sonnenlicht vorhanden
ist. Das Speichern von Strom lediglich in Batterien würde
eine große Anzahl von Batterien erfordern, die schwer sind
und Wartung benötigen.
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Die Verwendung von Wasserstoff zum Speichern von Energie ist
eines der Mittel zum Wiedergewinnen von durch Solarzellen
erzeugter Überschußenergie, wobei Wasser mit Hilfe von
elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt
wird. Dabei kann, falls nötig, mit Hilfe einer
Brennstoffzelle aus Wasserstoff Strom erzeugt werden. Um die
Abmessung von erforderlichen Wasserstoffspeichern zu
verringern, muß der Wasserstoff unter Druck gesetzt werden
und muß zusätzliche Energie bei der Druckbeaufschlagung
angewendet werden
Aus dem Stand der Techtnik ist bekannt, die Zersetzung von
Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in elektrolytischen
Zellen durchzuführen, die unter Druck arbeiten und somit
Wasserstoff unmittelbar in druckbeaufschlagter Form erzeugen,
so daß keine separate Kompression notwendig ist. Jedoch ist
die steigende Leckage ein Nachteil von unter Druck gesetzten
elektrolytischen Zellen.
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Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine
elektrolytische Zelle innerhalb eines separaten Druckmantels
anzuordnen, wobei der unterschiedliche Druck zwischen der
Innenseite und der Außenseite der elektrolytischen Zelle
beträchtlich verringert wird und die Leckagen abnehmen. Somit
wird in einer, beispielsweise in der Patentveröffentlichung
FR-2466515 gezeigten Vorrichtung der Druckmantel mit Hilfe
von Stickstoffgas unter Druck gesetzt, wobei die Vorrichtung
Elemente zum Aufrechterhalten des innerhalb der
elektrolytischen Zelle herrschenden Druckes unterhalb des
Druckes des Druckmantels aufweist. Die Anwendung von
separatem Druckgas erfordert jedoch die Anwendung von
Behältern für die unter Druck gesetzten Gase und den Bedarf
das Druckgas bereitzustellen. Somit ist das in dem FR-Patent
Nr. 2466515 gezeigte System nicht für beispielsweise in
entfernten Regionen automatisch betriebene Installationen
anwendbar.
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Aus dem GB-Patent Nr. 1518234 ist bekannt, die
elektrolytischen Platten innerhalb eines Druckmantels
anzuordnen, wodurch innerhalb des Druckmantels der Druck des
Wasserstoffgases vorherrscht. Jedoch hat der Aufbau gemäß dem
Patent keine innerhalb des Druckmantels positionierte
geschlossene elektrolytische Zelle; anstelle dessen sind die
beim Zersetzen einer elektrolytischen Flüssigkeit (HCL)
verwendeten Elektroden so positioniert, daß sie unmittelbar
innerhalb des Druckmantels hängen. Die in dem GB-Patent Nr.
1581234 gezeigte Vorrichtung ist eine Vorrichtung für die
Erzeugung von Wasserstoff in großem Maßstab mit einem großen
Energiebedarf, einer komplizierten und teueren Konstruktion,
beispielsweise aufgrund von Vorrichtungen für die Reinigung,
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wobei die Vorrichtung nicht zur Wiedergewinnung von
Sauerstoff verwendbar ist.
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In den finnischen Patentanmeldungen FI-923903 und FI-923904
ist eine Elektrolysevorrichtung für die Erzeugung von
Wasserstoff aus Wasser gezeigt, in welcher Vorrichtung die
elektrolytische Zelle innerhalb eines Druckmantels angeordnet
ist und in welcher der Druckmantel mit Hilfe eines bei einer
Elektrolyse erzeugten Gases unter Druck gesetzt wird.
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Eine elektrolytische Zelle verbraucht beim Erzeugen von
Wasserstoff elektrolytische Flüssigkeit, wie etwa Wasser. Die
Druckbeaufschlagung einer unter Druck gesetzten
elektrolytischen Zelle (Druck bei beispielsweise 30 bar) kann
beispielsweise mit Hilfe einer Hochdruckpumpe durchgeführt
werden, jedoch bestehen die Nachteile der Pumpen in ihrer
Verfügbarkeit, ihrem Preis, ihrem Wartungsbedarf und ihrem
hohen Energieverbrauch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zufuhrsystem
für eine elektrolytische Flüssigkeit in einer
Druckelektrolysevorrichtung bei der Herstellung von
Wasserstoff zu schaffen, wobei das System den Wegfall der
Hochdruckpumpe bei der Versorgung von elektrolytischer
Flüssigkeit in eine druckbeaufschlagten elektrolytischen
Zelle ermöglicht.
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Insbesondere gilt es bei der Erfindung, ein Zufuhrsystem für
elektrolytische Flüssigkeit zu schaffen, in welchem der
Energieverbrauch gering ist und das in hohem Maße
betriebssicher und vorteilhaft im Preis ist.
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Die Ziele der Erfindung werden mittels eines Zufuhrsystems
für eine elektrolytische Flüssigkeit in einer
Elektrolysevorrichtung erreicht, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Zufuhrsystem für elektrolytische Flüssigkeit
einen Speicherbehälter für elektrolytische Flüssigkeit, der
bei einem unteren Druck gehalten wird, einen druckresistenten
Zwischenbehälter, der mit einem Flüssigkeitsabscheider der
Elektrolysevorrichtung und mit dem Speicherbehälter verbunden
ist, und eine Einrichtung aufweist, um dem Zwischenbehälter
auf den unteren Druck zu bringen, während elektrolytische
Flüssigkeit von dem Speicherbehälter in den Zwischenbehälter
eingefüllt wird, und um den Zwischenbehälter auf den Druck
des Flüssigkeitsabscheiders zu bringen, während der
Zwischenbehälter in den Flüssigkeitsabscheider entleert wird.
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Die in die elektrolytische Zelle eingespeiste elektrolytische
Flüssigkeit ist wasserhaltig, jedoch kann sie zusätzliche
Substanzen enthalten, die die Arbeitsweise der verwendeten
elektrolytischen Zelle fördern, wie etwa Säuren oder Basen.
Der Begriff "Wasser" wird nachstehend für eine derartige
Elektrolyseflüssigkeit verwendet.
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Das erfindungsgemäße Zufuhrsystem besteht somit aus einem
Speicherbehälter bei einem unteren Druck und einem
druckresistenten Zwischenbehälter, der mit einem
Wasserabscheider der Elektrolysevorrichtung und einem
Speicherbehälter bei einem unteren Druck verbunden ist. Das
Zufuhrsystem ist mit Ventilen versehen, um den
Zwischenbehälter auf einen unteren Druck zu bringen, während
er von dem Speicherbehälter aufgefüllt wird, und um den
Zwischenbehälter auf den Druck des Wasserabscheiders zu
bringen, wenn der Zwischenbehälter in den Wasserabscheider
entleert wird. Die elektrolytische Zelle kann innerhalb des
Druckmantels angeordnet werden, der mit dem Druck eines in
der elektrolytischen Zelle erzeugten Gases druckbeaufschlagt
wird.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann
der Speicherbehälter an einer niedrigeren Position als der
Zwischenbehälter angeordnet werden. In diesem
Ausführungsbeispiel wird eine Pumpe benötigt, jedoch reicht
dafür eine einfache und billige Niederdruckpumpe völlig aus.
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Die elektrolytische Zelle kann innerhalb des druckresistenten
Druckmantels angeordnet werden, wobei der Wasserstoff von der
Wasserstoffseite der elektrolytischen Zelle durch eine durch
die Wand des Druckmantels in einen Wasserstoffspeicher
gelegte Leitung geleitet wird. Der von der elektrolytischen
Zelle ausgestoßene Sauerstoff oder Wasserstoff kann in den
Druckmantel eintreten. Der Druckmantel kann ebenso mit einer
Inert-Flüssigkeit gefüllt sein und mit Sauerstoff- oder
Wasserstoffdruck druckbeaufschlagt sein. Der Sauerstoffdruck
des Druckmantels ist derart gesteuert, daß er im wesentlichen
dem Druck des Wasserstoffes in der elektrolytischen Zelle
folgt. Die Drucksteuerung kann beispielsweise derart
ausgeführt werden, daß der Sauerstoff mittels eines mittels
des Druckes im Wasserstoffspeicher gesteuerten Ventiles aus
dem Druckmantel ausgestoßen wird. Vorzugsweise wird der
Sauerstoff jedoch wiedergewonnen und in einen separaten
Sauerstoffbehälter geführt, wobei der Sauerstoff mit Hilfe
eines mit dem Druck des Wasserstoffspeichers gesteuerten
Ventiles von dem Druckmantel in einen Sauerstoffbehälter
geführt wird.
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Herkömmlicherweise wird das Wasserstoffgas und das
Sauerstoffgas von der elektrolytischen Zelle für das
Abscheiden des den Gasen zunächst folgenden Wassers durch
Wasserabscheider geführt. Die Wasserabscheider können
innerhalb des Druckmantels angeordnet werden, so daß die
Wasserabscheider nicht druckresistent sein müssen. Die
Wasserabscheider können ebenso außerhalb des Druckmantels
angeordnet werden, sofern die Wasserabscheider mit einem
druckresistenten Mantel versehen sind.
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Das in den Wasserabscheidern von den Gasen separierte Wasser
wird in die elektrolytische Zelle zurückgeführt. Gemäß einer
geeigneten Verfahrensweise wird das Wasser von dem
Wasserabscheider des Wasserstoffgases in den Wasserabscheider
des Sauerstoffgases geführt und dort in die elektrolytische
Zelle zurückgeführt. Dabei kann der Wasserabscheider des
Wasserstoffgases mit Oberflächenhöhensensoren versehen
werden, um ein in der Wasserrückführleitung angeordnetes
Ventil zu steuern. Wenn die Oberfläche bis zur obersten Höhe
ansteigt, öffnet das Ventil und kann das Wasser von dem
Wasserabscheider des Wasserstoffgases zu dem Wasserabscheider
des Sauerstoffgases strömen. Nachdem die Oberfläche bis zur
unteren Höhe gesenkt worden ist, wird das Ventil
ausgeschaltet.
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Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften
Ausführungsbeispiels der Erfindung ausführlich beschrieben,
das in der beigefügten Figur ersichtlich ist, wobei die
Erfindung jedoch nicht ausnahmslos darauf beschränkt ist.
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Die Figur zeigt in gestrichelten Linien einen als Druckmantel
fungierenden Druckbehälter 10. Innerhalb des Druckmantels 10
ist eine elektrolytische Zelle 11 angeordnet, die mit einem
Einlaßanschluß 12 für die Elektrolyseflüssigkeit, mit
Auslaßschlüssen 14 und 13 für Wasserstoff und Sauerstoff und
jeweils mit Stromleitungen 15 versehen ist.
Elektrolyseflüssigkeit, wie etwa Wasser, wird mittels
Schwerkraft in die elektrolytische Zelle 11 geleitet. Das
Ausführungsbeispiel gemäß der Figur zeigt Wasserabscheider 16
und 17 für das Abscheiden von Wasser von Wasserstoff und
Sauerstoff.
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Wasser wird über eine Wassereinlaßleitung 20 in den
Wasserabscheider 17 des Sauerstoffgases gespeist und von dort
aus weiter durch eine Wassereinlaßleitung 21 und ein darin
angeordnetes Rückschlagventil 22 in den Einlaßanschluß 12 und
weiter in die elektrolytische Zelle 11 geleitet. Das in der
elektrolytischen Zelle 11 erzeugte Sauerstoffgas wird durch
einen Sauerstoffauslaßanschluß 13 und eine
Sauerstoffauslaßleitung 23 zu dem Wasserabscheider 17 für
Sauerstoff geleitet. Das dem Sauerstoffgas folgende Wasser
wird in dem Wasserabscheider 17 separiert und wird durch die
Leitung 21 in die elektrolytische Zelle 11 zurückgeführt.
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Das in der elektrolytischen Zelle 11 erzeugte Wasserstoffgas
wird durch einen Wasserstoffauslaßanschluß 14 und eine
Wasserstoffauslaßleitung 25 zu dem Wasserabscheider 16 des
Wasserstoffgases geleitet. Ausgehend von dem
Wasserstoffabscheider 16 führt eine mit einem Drucksensor 26
und einem Rückschlagventil 27 versehene
Wasserstoffauslaßleitung 28 zu einem
Wasserstoffgasspeicherbehälter 29. Überdies ist eine mit
einem Ventil 30 versehene Wasserrohrleitung 31 von dem
Wasserabscheider 16 des Wasserstoffgases zu dem
Wasserabscheider 17 des Sauerstoffgases Geführt, wodurch das
mit dem Wasserstoffgas eintretende Wasser auf oben genannte
Weise zur elektrolytischen Zelle 11 zurückgeführt werden
kann.
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Das Sauerstoffgas wird von dem Innenraum des Druckmantels 10
heraus zu der Sauerstoffauslaßleitung 32 geführt und weiter
beispielsweise in einen nicht gezeigten Sauerstoffbehälter
geführt. Die Sauerstoffauslaßleitung 32 ist mit einem
Drucksensor 33 und einem Ventil 34 für das Steuern des
Druckes innerhalb des Druckmantels 10 versehen.
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Die Drucksteuerung in der Vorrichtung gemäß der Figur kann
zum Beispiel vorzugsweise derart durchgeführt werden, daß
eine Drucksteuereinrichtung 35 über Signalleitungen 36 und 37
mit Wasserstoff- und Sauerstoffdrucksensoren 26, 33 verbunden
worden ist und gemäß einem mit den Drucksensoren 26, 33
erzeugten Signal die Drucksteuereinrichtung 35 über eine
Signalleitung 38 das Ventil 34 in der Sauerstoffauslaßleitung
32 öffnet und schließt, um den Druck des Sauerstoffgases im
wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Wasserstoff in der
Leitung 28 vor dem Rückschlagventil 27 zu halten.
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Das erfindungsgemäße Wasserzufuhrsystem hat einen
Speicherbehälter 40 für eine elektrolytische Flüssigkeit,
beispielsweise Wasser, bei einem unteren Druck und einen
druckresistenten Zwischenbehälter 18, der in diesem
Ausführungsbeispiel mit dem Wasserabscheider 17 und mit dem
Wasserspeicherbehälter 40 verbunden ist, in welchem ein
unterer Druck vorherrscht. Der Zwischenbehälter 18 ist über
ein Ventil 42 und eine Durchflußleitung 41 mit dem
Speicherbehälter 40 verbunden, der auf einem höheren Niveau
als der Zwischenbehälter 18 angeordnet ist. Das Ventil 42
kann ein Rückschlagventil sein. Der Zwischenbehälter 18 ist
über das Ventil 19 und die Durchflußleitung 20 mit dem
Wasserabscheider 17 verbunden. Der Zwischenbehälter 18 ist
ferner über eine Leitung 45 mit einem Dreiwegeventil 44
verbunden. Der Wasserabscheider 17 ist über eine Leitung 43
mit dem Dreiwegeventil 44 verbunden. Die
Druckausgleichleitung zu dem Dreiwegeventil 44 ist mit 46
beziffert.
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Der druckresistente Zwischenbehälter 18 ist normalerweise mit
einem Speicherbehälter 40 bei atmosphärischem Druck und
gleichzeitig über Leitungen 45, 46 unmittelbar an
Umgebungsdruck angeschlossen. Dadurch strömt das Wasser von
dem Speicherbehälter 40 mit Hilfe der Schwerkraft zu den
druckresistenten Zwischenbehälter 18.
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Wenn Flüssigkeit in die elektrolytische Zelle 11 zugeführt
ist, beispielsweise wenn der nicht gezeigte untere
Grenzwertschalter in dem Wasserabscheider 17 ermittelt, daß
sich die Wasseroberfläche an einem unteren Grenzwert
befindet, wird das Dreiwegeventil 44 zu einer Position
geschwenkt, die einen Anschluß von dem Wasserabscheider 17
entlang der Leitung 43 und 45 zu dem Zwischenbehälter 18
öffnet, wodurch im druckresistenten Zwischenbehälter 18 der
gleiche Druck wie im Wasserabscheider 17 vorherrscht. Wenn
das Ventil 19 geöffnet wird, strömt das Wasser von dem
druckresistenten Behälter 18 zu dem Wasserabscheider 17, bis
der nicht gezeigte obere Grenzwertschalter in dem
Wasserabscheider 17 einen Befehl weiterleitet, so daß das
Ventil 19 schließt. Danach wird das Dreiwegeventil 44 zu
einer Position geschwenkt, die einen Anschluß von dem
Zwischenbehälter 18 entlang der Leitung 45 und 46 zur
Atmosphäre hin öffnet, um den Druck von dem Zwischenbehälter
18 abzulassen. Der druckresistente Zwischenbehälter 18 wird
mit Hilfe der Schwerkraft mit dem von dem Speicherbehälter 40
strömenden Wasser automatisch gefüllt. Der Zwischenbehälter
18 kann mit einem nicht gezeigten Schalter für den oberen
Oberflächengrenzwert versehen sein, um das Füllen des
Zwischenbehälters 18 zu steuern.
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Die in dem Wasserzufuhrsystem der Erfindung verwendeten
Ventile 19, 44 können derart ausgewählt werden, daß sie in
dem Grundzustand, in welchem sie sich am häufigsten befinden,
keine Energie verbrauchen. Daher bleibt der
Gesamtenergieverbrauch des Wasserzufuhrsystemes gemäß der
Erfindung sehr gering.
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Falls nötig kann der Speicherbehälter 40 bei einer geringeren
Höhe angeordnet werden als der druckresistente
Zwischenbehälter 18, wie mit gestrichelten Linien in der
Figur gezeigt. Beispielsweise wird eine Pumpe 47 benötigt, um
Wasser von dem Speicherbehälter 40 durch die Leitung 48 und
das Rückschlagventil 49 zu dem druckresistenten
Zwischenbehälter 18 zu pumpen. In diesem alternativen
Ausführungsbeispiel kann die Pumpe 47 jedoch eine einfache
und billige Niederdruckpumpe sein, da diese für die
vorliegende Zielsetzung ausreicht, so daß keine teuere
Hochdruckpumpe benötigt wird.
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Die vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind
lediglich veranschaulichend und begrenzen die Erfindung
nicht.