NO347438B1 - Anordning for å produsere DC-strøm - Google Patents

Description

ANORDNING FOR Å PRODUSERE DC-STRØM

Oppfinnelsens område

Følgende oppfinnelse er relatert til en anordning for å frembringe elektrisitet og vannproduksjon fra tilført hydrogen og oksygen, idet anordningen kan reversere prosessen for å produsere hydrogen og oksygen fra vann og elektrisitet tilført anordningen.

Teknisk bakgrunn

Dagens anordninger for å frembringe elektrisk produksjon fra brenselceller omfatter en bipolar cellestakk med flere celler eller en cellepakke som også inneholder nødvendig isolasjon og alle mediums kanaler som tilføres hydrogen og oksygen, som kjemisk og katalytisk omdanner gassene til elektrisitet og vanndamp.

Brenselceller finnes for både lav temperatur (LT) og høy temperatur (HT) brenselceller. Disse cellestakkene er i dag statiske og opererer ved tilnærmet atmosfærisk trykk, og dette har sine ulemper.

I det H2 og O2 kommer i kontakt med sine respektive katalytiske elektroder i cellene, vil reaksjonen med en protonledende elektrolytt (H<+>), fast eller flytende, produsere vanndamp på oksygensidens anoder/elektroder, eller med en anionisk ledende elektrolytt (OH-) fast eller flytende, vil vanndampen produseres på hydrogensidens katoder/elektroder. I begge tilfellene produseres elektrisk strøm, vanndamp, og mer eller mindre varme avhengig av cellespenningen (V).

Vanndampen krever volum og reduserer gassens kontakt med elektroden hvor dampen dannes. Dette resulterer i tap, redusert kapasitet og høyere varmeproduksjon i stedet for elektrisk produksjon.

I utgangspunktet ville det være fordelaktig å øke trykket slik at vannet som produseres, i stedet for damp ble dannet som flytende vann på elektroden, for å gi mer tilgang for gassen. Problemet er at dagens statiske brenselseller opererer i bare 1G tyngdekraft og dermed blir det liggende for mye av det produserte vannet igjen på elektroden, som igjen blokkerer for gasstilgangen. Ifølge Gibbs frie energi vil brenselscellens teoretiske virkningsgrad øke med 16,2 % ved dannelse av flytende vann i stedet for vanndamp og at overflødig vann som dannes kan fjernes fortløpende fra elektrodens overflate.

Dagens brenselceller er vanskelig å kombinere med å reversere prosessen, slik at cellene også kan anvendes som vann-elektrolysør ved å splitte vannet til hydrogen og oksygen med tilført vann og elektrisk strøm (EL). Utfordringen med denne kombinasjonen er at en statisk elektrolysør vil kreve langt mer volum til de produserte gassene for å unngå gassblokkeringstap på elektrodene og gjennom vannet. Dette vil igjen gjøre brenselcellene for store og uøkonomisk med en kombinert anordning for dette.

På en annen side er det i dag kun FOC (Fast Oksid Celler) som har noe bedre reversible muligheter, men de må operere i svært høy temperatur ved lavt trykk og i vanndamp fase for å fungere i både brenselcelle- og elektrolysør-modus, som de kombinerte keramiskliknende membran-elektrodene er tilpasset. Utfordringen i dag er den høye temperatur og at det i reaksjonen oppstår punkttemperaturøkninger som er vanskelig å lede bort ved 1G som ved dagens operasjon og relativt store apparat. Dette resulterer i degradering av katalysator og den elektrolytiske tynne membran mellom elektrodene og gasslekkasje gjennom membran som vil resultere i mer varme og cellehavari. Hvis FOC var tilpasset til høyere trykk og G, ville det gi høyere konveksjoner i cellene og bedre fordele varmen, vanndamp, gassene og gjøre FOC mer kompakt som igjen forbedrer temperaturbalansen i cellene og transportere varme ut/inn av/til FOC og gi høyere virkningsgrad, større fleksibilitet og effekttetthet.

US2006/0093883 A1 beskriver en brenselcelle som inkluderer en stabel av elektrolyttmembraner sammenføyd til hverandre for å danne et indre rom og et ytre rom.

US2007/0117002 A1 beskriver en spinnende elektrodebrenselcelle. Den spinnende elektrodebrenselcellen inkluderer et hus og en stablet skivesammenstilling som er roterbart montert i huset.

US6344290 B1 beskriver et bærbart brenselcellearrangement som omfatter brenselceller i form av skiver for aksial lagdeling i en stabel som er festet ved en strekkstang, der brenselcellen har en åpning for å holde strekkstangen og for å danne et innløp for en første gass.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å frembringe en kompakt anordning for elektrisk produksjon med hydrogen og oksygen som har høyere virkningsgrad enn kjente statiske brenselceller og setter en forbedret standard til sikkerhet

Anordningen er en bipolar cellepakke som er anordnet roterbar. Anordningen kan av de respektive elektroder i cellepakken kan dannes flytende vann, som under konstant rotasjon vil kontinuerlig slynges utover mot periferi og gi et betydelig høyere aktivt areal for gassens kontakt ved respektive elektroder med tilpasset katalysator. Anordningen kan også utformes som en høytemperatur brenselcelle, hvor det produserte vann vil være i vanndampfase. Rotasjonen av cellepakken gir høy G og bedre konveksjon i cellene. I begge tilfellene øker både ytelse, virkningsgrad, effekt-tetthet og gjør brenselcelle-stakken betydelig mer kompakt og vil forbedre temperaturbalansen i cellene. Rotasjonen og den høye G medfører at det er relativt lett å kombinere brenselscellene med en anordning og fremgangsmåte til å bli en vann-elektrolysør ved å reversere prosessen med å tilføre EL strøm og vann som omdannes til hydrogen og oksygen.

Dette oppnås med en anordning ifølge den vedføyde beskrivelse og patentkrav.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til vedføyde figurer, hvor ytterligere egenskaper og fordeler ved oppfinnelsen fremgår av den etterfølgende detaljerte beskrivelse.

Fig. 1 fremstiller en prinsipiell utførelsesform av oppfinnelsen, hvor et snitt langs rotasjonsaksen og en halvdel av rotasjonsanordningen er vist; den andre halvdel er et speilbilde av den halve struktur som vises langsetter den ene siden av den langsgående rotasjonsaksen og viser en cellestakk som sammenstilt danner en hul sylindrisk form rundt rotasjonsaksen og hvor prinsipielle detaljer fra en celle er uthevet.

Fig. 2 fremstiller en prinsipiell utførelsesform av oppfinnelsen, hvor et snitt langs rotasjonsaksen og en halvdel av rotasjonsanordningen er vist, likt som for fig 1; med to cellepakker, kanaler, kammer i rotor og statiske deler rundt rotor med pakkboks og strømkoblinger i kontakt med rotor er vist, med henvisningsnummer både fra fig 1 og fig 2.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 1 og iht. kort beskrivelse av figuren, vises et langsgående snitt av anordningen, hvor det ved rotasjonsaksen 1 tilføres hydrogen og oksygen fra hver sine dedikerte kanaler som hver forgrener seg radialt utover i flere kanaler 2, 3 og videre i flere aksiale oppsamlingskanaler innenfor cellene, hvorfra kanaler leder hydrogen og oksygen til hver sin side av cellene i en bipolar cellestakk/cellepakke, hvor alle delene i den er vinkelrette i forhold til rotasjonsaksen 1 og har en indre og ytre diameter som sammenstilt danner en hul sylindrisk cellepakke sentrert og balansert rundt rotasjonsaksen 1. I figurens eksempel består den av fem bipolare skiver som består av en positiv (+) og en negativ (-) bipolarendeskive 5 hvor bare den ene siden er inn mot henholdsvis første og siste cellen i cellestakken. De øvrige bipolarskivene 6 er begge sidene inn mot hver sin celle, og som sammenstilt danner fire celler mellom dem, med en membranskive 4 i hver celle. Det kan være langt flere celler enn vist.

Membranskivene 4 er elektrolytiske og kan være alkalisk eller sur og tilpasset for enten proton eller anion ledende, med eller uten armering og tilpasset for LT (polymer) eller HT (keramisk). Hver side av membranen 4 kan være katalytisk belagt og den kan være i kontakt med eller festet til en understøttende skive med El ledende materiale som er porøst eller av et vevd materiale i kontakt med hver sin bipolarskive 5, 6. Nevnte porøse skiver danner elektrodene (anode og katode) på hver sin side av membranen 4. Cellestakken i figuren er blåst opp for å vise detaljer, normalt er den presset sammen og danner da en hul sylindrisk form, sentrert og balansert rundt rotasjonsaksen 1 med tetting og EL isolering langs innvendig og utvendig periferi av hver celle. Det er dedikerte kanaler 2, 3 for gassene, og for vann med flere aksiale vannoppsamlingskanaler 8 i omkretsen ved periferi som forgrener seg innover/utover mot/fra 9 utløp/innløp fra/til hver side av membranen 4 i hver celle avhengig av om anordningen er i brenselscelle- eller vannelektrolysør modus, hvor alle de komplette cellene med kanaler, tetting og isolasjon danner en cellepakke.

Ved oppstart til LT brenselcellemodus kan cellene i utgangspunktet være fylt med vann som start-fukter membranen 4, som under konstant rotasjon og når hydrogen fra sine kanaler 2 og oksygen fra sine kanaler 3 trykkes med likt og tilpasset trykk via hver pakkboks (vist i fig 2) til hver sin side av membranen 4 i hver celle, vil vannet trykkes utover til flere aksiale vannoppsamlingskanaler 8 utenfor periferi av cellepakken, og ikke i kontakt med elektrodene. Overskuddsvannet ledes fra periferien av vannoppsamlingskanalene 8 koblet til dedikerte vannkanaler 9 ut fra anordningen ved rotasjonsaksen 1. Når vannet er drevet ut av cellene og brenselcellen går over til normal drift med EL produksjon via cellene, vil det på en av elektrodenes sider i cellene mot membranen 4 dannes vanndråper 7, som sentrifugeres eller slynges øyeblikkelig utover mot periferi til vannoppsamlingskanalene 8 etter hvert som vannet dannes av reaksjonen og noe av vannet trekker inn i membranen 4 og overflødig vann sentrifugeres av membranen 4 og elektroden og slynges utover til vannoppsamlingskammeret 8.

Ved tilpasset rotasjon og trykk på gassene inn til cellene, vil vannoppsamlingskanalene 8 ved LT også fungere som en vannlås med konstant overflateradius etter hvert som det produseres vann fra cellene. Dette overskuddsvannet ledes ut fra den roterende anordningen ved rotasjonsaksen 1 via en tilpasset pakkboks (vist i fig 2).

Samtidig med gasstilførselen vil cellestakken produsere DC strøm, hvor /- ledes til hver sin slepering på hver sin ende ved rotasjonsaksen (vist i fig 2). Sleperingene /- er i kontakt med hver sine statiske børster for å lede strømmen videre (ikke vist) til en sluttet krets. Cellespenningen (V) fra en bipolar cellestakk, blir cellespenningen i hver celle lagt sammen. Strømmen (A) er lik i alle celler gjennom hele cellestakken og uavhengig av antall celler. Dette er også likt i elektrolysør modus når påtrykt DC spenning og strøm.

Ved LT og med å reversere prosessen slik at den samme cellestakken blir en vannelektrolysør, er fremgangsmåten følgende: Under rotasjon reduseres trykket på gassene ved utløp, slik at vann fra innløp 9 via vannoppsamlingskanalene 8 fyller cellene via radiale kanaler på hver side av membran 4 fra vannoppsamlingskanalene 8. Deretter påtrykkes DC via sine respektive /- børster, /- bipolare endeskiver 5 med tilpasset spenning (V) som samtidig gir en strøm (A). Samtidig der det tidligere i brenselcellen ble tilført hydrogen og oksygen fra sine kanaler 2, 3 i cellene, vil ved riktig strømretning (A) den samme gassen bli produsert på samme plass i cellene ved å splitte vannet som kontinuerlig tilføres. Den høye G vil gi stor oppdriftskraft på hydrogen og oksygen gassbobler som dannes på membran 4 og dens elektrode hvor gassboblene løsner hurtig fra og driver dem hurtig gjennom vannet innover mot senter og ut i deres kanaler 2,3. Som med et tilpasset/regulert trykk ut, gir et hult sylindrisk vannspeil innenfor indre radius av elektrodene og kun gass ut i deres kanaler 2,3. Trykket ut er lik sentrifugalkraften av radius på vannsøylen fra innløp 9 til radius av vannspeilet. Dess høyere turtall, desto høyere gasstrykk kan reguleres ut, samtidig som anordningen kan suge vannet inn, eller høyere gasstrykk ut, ved å øke vanntrykket inn. Cellepakken vil samtidig fungere som gass-separator, som i dagens vannelektrolyseanlegg er store tanker utenfor elektrolysøren, som med anordningen kan utelates. Dermed setter anordningen en forbedret standard til sikkerhet. Da anordningen er ultrakompakt med meget høy effekttetthet, er det er svært lite volum av de eksplosive gassene frem til løpende detektering av dem like utenfor rotor. Om det er mer en 4 % av en gass i den andre, medfører det øyeblikkelig nedstenging og dumping av produksjonsgassene.

Utheving A i figur 1, viser masseflytretningen i brenselcelle modus ved LT og prinsipielt hvordan en komplett sammenstilling av en cellepakke kan være, både for LT og HT.

Cellepakkene omfatter bipolare endeskiver 5 og senter bipolarskiver 6, og i fig. 1 vises begge sider av senter bipolarskive 6 som henholdsvis 6A og 6B, med rotasjonsretning med pil ved periferi. Hvor overflaten på endebipolarskive 5 mot cellen er lik 6B og på overflaten av bipolarendeskive 5 på den andre cellepakkeende mot cellen er lik 6A i en serie som danner en bipolar cellepakke med kanaler. Samtlige deler av cellepakken har i området mellom indre og ytre periferi like hull som ved sammenstilling danner aksiale gassoppsamlingskanaler 2, 3 ved indre periferi og aksiale vannoppsamlingskanaler 8 ved ytre periferi. Ved indre og ytre periferi er det anlagt kombinerte tettende EL isolasjonsskiver 10, 11 mot hver side av bipolarskivene 5, 6 De indre isolasjonskivene 10 har lik indre radius som bipolarskivene 5, 6 og utover til lik radius som indre radius på det indre sirkulære fordelingsspor 15 for hydrogen og på cellens andre side til indre radius til det indre sirkulære fordelingsspor 14 for oksygen. De ytre isolasjonsskivene 11, har lik ytre radius som bipolarskivene 5, 6 og innover til ytre radius av det ytre sirkulære fordelingsspor 18 for hydrogenvann og på den andre siden i cellen til ytre periferi av sirkulære fordelingsspor 19 for oksygenvann. Gassene ledes fra sine aksiale oppsamlingskanaler 2, 3 via hver sin radiale cellegasskanal 12 for hydrogen og cellegasskanal 13 for oksygen, som ledes inn til sine sirkulærspor 14, 15 på hver sin side i cellen. Cellevannkanal 20 for hydrogenvann og cellevannkanal 21 for oksygenvann går radialt mellom cellen og vannoppsamlingskanal 8 for vannet og videre i kanaler ut/inn 9, hvor hver cellevannkanal 20, 21 går fra ytre sirkulære fordelingsspor 18, 19 i en bakoverbøyd retning i forhold til rotasjonsretningen vist med pil ved periferi av 6A og 6B, og hver cellevannkanal 20, 21 kommer inn ved periferien i vannoppsamlingskanalen 8 og danner en vannlås som begrenser at en gass kommer over til den andre sidens gass. For eksempel ved 1000G i cellevannkanalen 20 og ved 5mm til vannoverflaten 22 innerst i vannoppsamlingskanal 8, tilsvarer det ca. 5 meter vannsøyle ved 1G, eller ca. 0,5 bar balansetrykk. Mellom ytre 18, 19 og indre sirkulære fordelingsspor 14, 15 på hver bipolarskive 5, 6 kan det være radiale spor som danner skovler 17 mellom dem som vist i 6A, B, og/eller med porøst elektrisk ledende materiale ved overflaten, som også kan være katalytisk. Det øvrige av bipolarskivene 5 mot ytterside ved endene og i senter av senterbipolarskivene 6 er gasstette og elektrisk ledende. Membran 4 kan ha lik ytre- og indre diameter som bipolarskivene 5,6, men ikke mindre diameter enn avstand mellom indre isolasjonsskiver 10 og ytre isolasjonsskiver som membran 4 må presses eller festes mellom for både å tette og holdes på plass. Membranen 4 vil kun være aktivert/katalysert i radius område mellom ytre periferi av de indre isolasjonsskivene 10 til indre periferi av de ytre isolasjonsskivene 11, slik at membranen ikke er aktivert i området hvor den er anlagt mellom de to ytre- 11 og de to indre isolasjonskivene 10. På hver side av membranen 4 i aktivert område er en porøs elektrisk ledende elektrodeskive 16 i kontakt eller festet med EL ledende og porøse midler til membranen 4.

Elektrodeskivene 16 er videre understøttet mellom ytre periferi av hver sin indre isolasjonsskive 10 og indre periferi av de ytre isolasjonsskiver 11 og sammenstilt i kontakt med sine respektive bipolarskiver 5, 6 i dette radiale området.

Elektrodeskivene 16 er like tykke som sine respektive indre- 10 og ytre isolasjonsskiver 11 for å komme i kontakt med sine respektive bipolarskiver 5, 6 for både å tette og gi EL isolasjon.

I figur 1 er det vist felles vannoppsamlingskanaler 8 til anode og katode sidene i cellepakken. Det kan også være felles vannoppsamlingskanaler til kun anodeside og et likt antall kun til katode-sidene i cellestakken med hver sine vann kanaler til utløp/innløp 9 (vist i fig 2) enten på samme, eller hver sin akslings-ende.

Membranen 4 er til nå forklart med at den kan ha katalytisk belegg med porøse skiver/elektroder 16 festet til hver sin side som danner elektrodene (anode, katode). Men membranen kan også være helt ren uten katalysator og uten porøse skiver 16 (ikke vist). I stedet kan bipolarskivene 5, 6 også fungere som elektrode 16 og kan benevnes som bipolarskiver 5, 6 med elektroder 16, med porøs overflate inn mot cellen som kan være lik som vist for sidene 6A, 6B, men slik at skovlene 17 er aksialt lengere innover mot cellen i kontakt med membranskiven 4 og kan med fordel også være aksialt bakoverbøyd i rotasjonsretningen (ikke vist), både for å gi plass til isolasjonsskiver 10, 11, men også for at skovlene 17 skal erstatte noe av rommet de tidligere porøse elektrodeskivene 16 hadde. De nåværende kombinerte bipolarskivene 5, 6 med elektroder 16 må være gasstette og elektrisk ledende mot celleendene og mellom hver celle i cellepakken. Bipolarelektrodene 5, 6 kan være av gasstett karbon, nikkel, syrefast stål, titan eller kompositt, keramiske eller et annet bestandig elektrisk ledende materiale som samtidig kan ha katalytiske egenskaper eller belagt/dopet med gunstig katalysator i aktivt område på siden mot cellen, tilpasset for LT eller HT. Ved sammenstilling dannes en god kontaktflate mellom bipolarelektrodene 5, 6, med elektrode 16 og membran 4 på hver side i hver celle. Løsningen gir samtidig god understøtte til membranene 4 i høy G under rotasjon, samt at det gir plass til langt flere celler på samme lengde i forhold til statisk løsning. Dette vil øke kapasiteten, eller gi bedre virkningsgrad ved lik kapasitet sammenliknet med statiske anordninger, idet anordningens reduserte volum gir redusert ohmsk motstand, selv med dårligere katalysator enn platina som vanligvis brukes i dag ved LT eller kombinert med Ni(O) YTZ eller andre membran katalysator metoder ved HT.

Elektrodene og membran kan også belegges med katalysator som kan være i enhver form eller i kombinasjon av: platina, iridium, nikkel, kobolt, jern, yttrium, zirkonium, strontium, lantan, mangan eller oksiderte materialer der liknende egenskaper med katalysatorer og katalysatorlegeringer er kjent. På oksygensiden av bipolarskivene 5, 6 med elektroder 16, har både de og membranen 4 størst behov for å belegges med katalysator. Likedan på hydrogensiden, men i mindre mengde da reaksjonen går relativt lett i forhold til oksygensiden. Vannet som dannes, vil også legge seg som en tynn film på elektroden, trekke inn i membranen og kan fungere som elektrolytt med den korte avstanden i cellen. Den porøse overflaten på bipolarelektrodene kan belegges med katalysator mot den aktive celleoverflaten, som videre er belagt med en tynn fastelektrolytisk membranfilm på overflaten av dem, hvor de kan være i kontakt med en hovedmembran 4 mellom anode og katodeside, eller uten en slik hovedmembran og membran fra hver elektrode er i direkte kontakt med hverandre eller at den andre bipolarelektroden er kontakt med membran påført en av cellens bipolarskives-elektrode, eller festet sammen under sammenstilling med en tilpasset porøs og EL ledende porøs pasta. Dette gjør det lettere for anion eller proton å ledes fra den porøse overflaten og videre gjennom membran fra et relativt større aktivt areal. Hydrogen/oksygen vil også lettere omdannes til EL og vann med større tilgang på protoner eller anioner respektivt og elektroner via ytre krets.

Så langt er cellepakken forklart med at den understøttes av bipolarskivene 5, 6 som har en ytre og indre diameter som er lik cellepakken. Men bipolarskivene kan ha mindre indre og ytre diameter, og i stedet støttes der av elektrisk isolerende og tettende skiver som erstatter plassen der bipolarskivene var tidligere (ikke vist). Fra like utenfor periferien av den ytterste gasskanalen 2 ved indre periferi, i tillegg til tetting og isolering 10 mellom bipolarplatene. Ved periferi er det likedan, hvor isolasjon 11 er i radien fra like innenfor vannoppsamlingskanalen 8 og helt utover til ytre periferi, lik som vist for bipolarplatene 5, 6 i samme område med lik tetting/isolasjon mellom dem som før. De radiale cellegasskanalene 12, 13 og cellevannkanalene 20, 21 kan også anlegges i de nye isolatorskivene likt som vist for 6A og 6B. For øvrig kan cellepakken være lik som vist og beskrevet i utheving A, fig. 1.

Ved bipolar løsning med porøse elektrodeskiver 16 og katalysator på membranen 4, er isolasjonsskivene 10, 11 like tykke som bipolarskiven og elektrodeskiven 16 til sammen på bipolar endeskivene 5 utenfor ytre og indre periferi av dem, og redusert med halve aksial tykkelsen av bipolarskiven 6 utenfor ytre og indre periferi av dem mellom de bipolare endeskivene 5. Dermed kommer både cellene og isolasjonspakninger i kontakt med hverandre når cellepakken er sammenstilt og isolasjonsskivene vil både tette og gi elektrisk isolasjon radielt innenfor og utenfor cellepakken slik at strømmen bare kan gå gjennom cellepakken via dens bipolare endeskiver 5 /-. Elektrodeskivene 16 har i siste løsning litt mindre diameter enn bipolarskiven og membranen. Membranen kan nå ha lik diameter som bipolarskivene 5, 6. Dermed kan isolatorskivene 10,11 felles inn mot periferi av elektrodeskiven 16, hvor bare membranen 4 har lik diameter som bipolarskiven, og klemmes sammen og tetter ved å montere like kombinerte tetteskiver og isolasjonsskiver 10, 11 på den andre siden av membranen 4 som er meget tynn og blir tettet mellom de to isolasjonsskivene 10, 11.

De indre isolasjonsskivene 10 kan også være anlagt med flere hull radielt innenfor og/eller mellom eller utenfor (ikke vist) de viste gasskanalene 2, 3, hvor disse hullene sammenstilt danner aksiale kjølekanaler koblet via dedikerte kanaler til en pakkboks for innløp og en annen for utløp (ikke vist) ved aksling. Ved vannelektrolysemodus gir dette god kjøling til gassene som tørker lett ved høyt trykk. Det kondenserte vannet fra gassenereturneres hurtig til cellene fra gasskanalene (ikke vist) i høy G. Nedkjølt oksygen vil bli tørrere desto høyere trykk, det reduserer også oksidasjon mot materialene ut fra oksygenkanalen 3 og trykket ut kan økes uten at edle materialer må belegges inne i dens kanaler ut av rotor og videre. Ved vannelektrolysemodus med nevnte vannkjølingskanaler i senter, kan noe av vannet ledes ut og resten ledes til respektive vannoppsamlingskanaler 8 ved periferi via vannlås ved periferi (ikke vist) lik som for viste cellevannkanaler 20, 21 til periferi av vannoppsamlingskanal 8.

Det kan også være en hul sylinder av EL isolerende og tettende materiale langs hele ytre og indre periferi av cellepakken når bipolarplatene ikke er isolerte mot yttersiden av indre og ytre periferi av cellepakken med isolasjonsskivene 10, 11.

Figur 2 viser prinsipielt et langsgående tverrsnitt langs rotasjonsaksen 1 hvor anordningen vist på den ene siden av denne, med henvisningsnummer til både fig 1 og 2. Anordningen er vist både for LT og HT for brenselcelle modus med stiplede pilretninger for gas og hele piler for vann/damp. Pilene vil ha motsatt retning når anordningen reverseres til elektrolysørmodus.

Rotasjonsanordningen er vist med en pluss (+) bipolarskive 33 i midten som i cellepakke-området kan være utformet lik bipolarskivens sider 6A og 6B, men med en hel skive inn til rotasjonsaksen 1 og med en cellepakke 54 på hver side, hvor en cellepakke er vist og beskrevet i fig 1 og hvor cellepakkene 54 er motsatt stilt på hver sin side av bipolarskiven for å lede EL strøm gjennom cellepakkene 54 til/fra jordpotensialer (-) på den andre enden av cellepakkene 54 som er i kontakt med jordpotensial. Cellepakkene 54 inneholder flere aksiale gassoppsamlingskanaler 31 for hydrogen, 32 for oksygen til cellene i brenselcellemodus og fra cellene i elektrolysørmodus. Det er også i periferien flere aksiale felles vann/damp oppsamlingskanaler 56 til/fra anodesider av cellepakkene 54 og flere aksiale felles vann/damp oppsamlingskanaler 57 til/fra katodesider i radius utenfor, men tangentielt mellom vannoppsamlingskanal 56 av cellepakkene 54. Vann/damp oppsamlingskanalene i sitt område ved periferien kan være lik som vist for gasskanalene 2, 3 i bipolarskivenes sider 6A og 6B og vannoppsamlingskanaler 56, 57 kan hver være lik som vist for vannoppsamlingskanal 8. For øvrig kan cellepakkene med kanaler være lik som vist og beskrevet tidligere i fig 1. Utenfor periferien av cellepakkene 54 er de omsluttet av en isolerende og tettende hul sylinder 58, som videre omsluttes, understøttes og sentreres rundt rotasjonsaksen 1 med en hul støttesylinder 59 som kan være av elektrisk ledende metall som vist og er på minus potensial, eller den er av et kompositt materiale som også kan være elektrisk ledende eller isolerende med ekstra minus børste (ikke vist) mot aksling 29 i kontakt med endelokk 64. Støttesylinderen 59 er videre på hver sin endes innerside understøttet med hvert sitt endelokk 48 på fluidside og endelokk 64 på EL side og de er i elektrisk ledende materiale og i kontakt med støttesylinder 59 og bipolarskive 5 på hver sin cellepakkes 54 minus potensial. Endelokkene 48, 64 holdes på plass og vinkelrett ved enden av støttesylinder 59 med hver sin låseskive 49, 63 med ytre gjenger som passer inn i tilsvarende innvendige gjenger på endenes innerside av støttesylinder 59 aksialt utenfor hvert endelokk 48, 64. Ved indre periferi av cellepakkene 54 med kanaler 31, 32, kan det være både en isolerende- og/eller en hul sylinder i metall eller isolerende kompositt som støtter innover (ikke vist) ved høyt trykk i cellepakkene 54. Ved LT kan endelokkene ha oringer i periferi for ekstra tetting eller tilsvarende varmebestandig tetting ved HT. Nevnte hule isolasjonssylinder 58 kan også tilpasses for tetting når endelokkene presses inn på den. Det vil også tettes med tetteskivene når cellepakkene 54 forpresses sammen i rotasjonsanordningen og låses med mutrene 49, 63 mot endelokkene 48, 64 i et tilpasset trykk. Hver aksiale oppsamlingskanal 31, 32, 56, 57 er plassert i forskjellig radius/delesirkel som vist. På endelokket 64 mot oppsamlingskanalene kan det være anlagt en o-ring for hver delesirkel mellom kanalene, innenfor innerste kanal og utenfor ytterste kanal (ikke vist), for å gi tetting til hver oppsamlingskanal mot endelokket 64. Mellom o-ringene er det sirkulære spor (ikke vist) som passer med delesirkel til hver oppsamlingskanal 2, 3, 23, 24 for transport av fluid til utløp eller fra innløp via pakkboks 68 ved rotasjonsaksen 1.

Endelokk 64 med fluid kanaler til/fra cellepakkene 54, kan også anordnes med sirkulære spor (ikke vist) for innfelling av tetteskiver i samme radius som cellepakkene 54 sine tetteskiver 10, 11 i fig 1, med like hull i endelokket 64 for transport i kanaler 2, 3, 23, 24 av fluid til utløp eller fra innløp via pakkboks 68 ved rotasjonsaksen 1. Indre oppsamlingskanaler 31, 32 kan ha lik delesirkel (ikke vist) og annethvert hull er for en gass og mellom den for den andre gassen. Liknede kan gjøres for vann/dampoppsamlingskanalene 56, 57 ved ytre periferi (ikke vist) når tettende og isolerende skive benyttes som nevnt i endelokket 64 med like hull og delesirkler for hvert fluid som er lik de aksiale kanaler fra cellepakkene 54 (ikke vist).

Bipolar endeskive 5 og/eller tetteskiver 10, 11 i kontakt med det andre endelokket 48 har ikke gjennomgående hull 31, 32, 56, 57 for fluidkanaler.

Endelokkene 48, 64 er i senter festet til hver sine sentrerte hule akslingsender 29, 36 som stikker aksialt ut i tilpasset lengde hvor det plasseres opplagring 38, 67 utenfor dynamisk tetting 37, 66 som er innerst aksialt på hver sin akslingsende 29, 36. Opplagring kan være kulelager som videre er understøttet i hver sin statorskive 47, 65 på hver ende. Statorskivene 47, 65 har litt større diameter enn rotorens støttesylinder 59 og Statorskivene 47, 65 festes i periferien vinkelrett mot sine akslingsender 29, 36 med et isolerende statorrør 52 som omslutter statorskivene og beskytter hele anordningen med pakkboks 68, børster 40 og motor 43.

Statorrøret 52 har på hver ende sitt statorendelokk 25 på fluidsiden og 45 på EL siden, som tetter og isolerer. Statorendelokket 45 på EL side, har gjennomføringer for elektriske ledninger (ikke vist) til anordningens motor 43 for rotasjon og en ledning til hver sin pluss og minus børster 40. På den andre endens statorendelokk 25 for fluidside, er gjennomføringer av fluidrør for kobling til anordningens fluidkanaler 2, 3, 23, 24 tilkoblet via pakkboksen 68 sine gjennomganskanaler for fluid ut/inn fra/til anordningen rørkanaler 27. Yttersiden av fluidrørene tetter ved gjennomgangen i statorendelokket 25. Beskyttelses-/statorrøret 52 kan være transparent og av akrylrør ved LT eller isolerende temperaturbestandig materiale ved HT.

På den elektriske akslings ende 36 utenfor lager 38, er det på presset og sentrert en elektrisk ledende hylse som slepering 39 og som er i kontakt med akslingsende 36 og radialt utenfor i kontakt med børster 40 på jordpotensialet (minus) i et børstehus festet til sin statorskives 47 ytterside. børstene 40 er festet via sitt børstehus til en EL isolerende børsteskive 46 hvor børster er i kontakt med slepering 41 festet til elektrisk ledende bolt 35 som er festet til bipolarskiven 33 i senter. Pluss siden er elektrisk isolert 34 inne i rotor radielt innenfor cellepakkene 54, gjennom endelokk 48, akslingsende 36, isolerende børsteskive 46 og mellom aksling 42 til EL motor 43. Motor 43 og isolerende børsteskive 46 er festet til statorskive 47 med flere bolter 44 og avstandshylser på boltene (ikke vist) for riktig avstand og sentrering av isolerende børsteskive 46 og motor 43. Børstene 40 tilkobles sine respektive /- ledning (ikke vist) for EL DC til/fra cellepakken avhengig av driftsmodus som nevnt. Når cellepakkene 54 er presset sammen, låser det samtidig bolt 35, slik at den kan festes til motor 43 for rotasjon av rotasjonsanordningen opphengt mellom lagrene 67, 38. Isolasjon 34 rundt pluss bolt 35, er tilpasset med midler for samtidig å tette rundt den, mellom isolasjon og endelokk 48 og inne i akslingen 36. EL ledning til motor 43 for å gi rotasjon til rotasjonsanordningen er ikke vist. Ren luft tilføres luftinnløp 50, 61 med en vifte gjennom statorrøret 52 til rommet innenfor elektrisk side sitt luftinnløp 50 og for fluid ende 61 og gjennom respektive luftutløp 51 og 62 i kanaler ut til utenfor bygning. Luften fra hver side blir kontinuerlig målt for å detektere eventuelt innhold av hydrogen over gitte verdier, og i så fall stenges anordning automatisk ned (ikke vist).

På fluid siden er akslingen 29 hul, med flere innsatte rør 28 med mindre diameter innenfor hverandre, som på den ene endens ytterside fester og tetter 30 i forskjellig aksial lengde inne i endelokket 64, slik at det tynneste indre røret er lengst inne i endelokket 64 og det tykkeste røret er festet aksialt 30 lengst ytterst nærmest aksling 29 inne i endelokket 64 som vist. De andre rørene 28 er festet aksialt mellom det minste og største røret 28 som vist i fig 2. Med et tilpasset tverrsnitt areal på det innerste røret 28, danner rørkanalene 27 mellom rørene 28 og det største røret og akslingen 29, som transporterer i sine respektive fluidkanaler hydrogen 2, oksygen 3 og vann/damp 23, 24 til/fra cellestakkens ender via dedikerte kanaler i endelokkene som er vist med stiplede piler for gassene og hele piler for vann/damp 23, 24, kanaler som forgrener seg inne i endelokket 64 over til flere radiale kanaler fra hver sin rørkanal 27 i senter ved enden 30 av hvert rør 28 og hule aksling 29 (som vist). Dermed er hver forgrening radialt utover i forskjellig aksial avstand, der det minste er aksialt innerst i endelokket 64 og videre mot det tykkeste røret som er ytterst i endelokket 64 før aksling 29 med sin rørkanal 27 og radiale forgrening fra denne. De radiale kanalene for hver kanal 27 er utover i kontakt til sine respektive kanaler på enden av cellepakkene 54 sine aksiale oppsamlingskanaler 31, 32, 56, 57, som ved ytre periferi (vann/damp) 56, 57 og indre periferi (hydrogen og oksygen) 31, 32.

Den statiske pakkboksen 68 for fluid in/ut i sine kanaler 2, 3, 23, 24, er med midler festet og sentrert til statorskiven 65, hvor det inne i pakkboksen 68 er festet dynamiske tettinger 26, som tetter ved endene av de roterende fluidrørene 28 og danner dermed tette fluidkanaler til/fra statisk pakkboks 68 sine innløps-/utløpskanaler som utenfor er påmontert og tettet med statiske rør for transport av hvert sitt fluid til/fra hver sin roterende rørkanal 27.

Den positive (+) bipolarskiven 33 er elektrisk isolert mot jordpotensialer inne i rotor utenfor cellepakkene 54 også inne i hullene for fluidkanalene 31, 32, 56, 57 for fluid til/fra begge cellepakkene 54. bipolarskiven 33 er derfor kun i elektrisk kontakt med sin ende til de bipolare cellepakkene 54 på hver sin side av bipolarskiven 33. Børsten på jordpotensial (-) 40 er i direkte kontakt med slepering 39 på akslingen 36 som er i kontakt med endelokket 48, elektrisk ledende støttesylinder 59 og endelokket 64 på den andre enden. Dette gir en isolert sluttet krets mellom pluss og minus børster via cellepakkene 54. Hele anordningen utvendig er på jordpotensiale og i tillegg EL isolert utvendig med beskyttelses-/statorrør 52 og beskyttelses-/statorendelokk 25, 45. Dette vil redusere potensialet med krypstrøm fra anordningen under drift til et minimum og setter derfor en ny standard til sikkerhet.

Ved vannelektrolysemodus og cellespenning under 1,48V og mot reversibel punktet på 1,23V må det tilføres mer varme desto mere cellespenningen nærmer seg reversibelpunktet. Over 1,48V produseres mer varme som må ledes bort ved kjøling over periferi. Ved brenselcelle-modus er det gunstig med høy temperatur for å komme så nær 1,23V som mulig, hvor cellen er i varmebalanse og i kjemisk/elektrisk 100% virkningsgrad, men med lav strøm (A) som øker ved lavere spenning (V). Ved brenselcellemodus vil varmeproduksjon øke ved lavere cellespenning og tilsvarende redusere elproduksjon i forhold til den kjemiske energien i hydrogen. Disse variablene gir normalt utfordringer med at de siste cellene i en lang cellepakke krever stor gjennomstrømning for å unngå stor temperaturendring til de siste cellene i kanalen. Dette unngås ved varme inn/ut over periferi 53, 55 som gir tilnærmet lik temperatur i hele vann/damp kanalene 56, 57 selv med meget lav flyt hastighet, samt at det også balanserer temperaturen radialt innover til alle cellene i begge cellepakkene 54 i hele lengden av dem.

Det er fordelaktig om anordningen festes vertikalt mot en vegg og/eller gulv, med fluid-/pakkboks 68 siden ned, og tilføre kjøle- eller varmefluid via flere dyser 53, 55 gjennom beskyttelsesrøret 52 og som ledes i kontakt mot hele periferien av støtterøret 59 til rotor. Fluidet ledes deretter ut gjennom beskyttelsesrøret 52 nede ved statorskiven 65, hvor det er plassert en eller flere dreneringsrør 60 for videre transport og eventuelt samling og videre utnyttelse av fluidet. Statorskivene 47, 65 har i periferien tettinger som tetter mot innersiden av beskyttelsesrøret 52, som på yttersiden har et strammeband (ikke vist) utenfor hver statorskive som låser statorskivene i posisjon. På hvert strammeband kan det festes braketter med minst to gummioppheng som kan likne motorfester, som videre festes mot vegg (ikke vist).

Da viste anordning kan inneholde flere hundre bipolare celler hvor det kan være flere celler per millimeter, kan det gi meget høy EL spenning (V) som kan reduseres til det halve og doble strømmen (A) med en cellepakke på hver side av bipolarskiven som vist. Rotor kan da være forholdsvis lang med liten diameter, som gir høyest G ved lik periferihastighet som er gunstig. Når det benyttes kjøling eller oppvarming over periferi, er denne kanallengden av mindre betydning for temperaturendring til siste celle i kanalen. Avstand er relativt kort fra periferi av støttesylinder 59 og inn til cellene i rotor og mindre diameter på rotor gir kortere avstand og forbedrer temperaturbalansen hurtigere i cellene. Ved HT og høyt trykk i brenselcellemodus og lavere spenning som produserer varme, kan kjøling over periferi tillate kondensering av vanndamp i vannoppsamlingskanalene 56, 57 når kjølemedium tilføres mot periferi 53, 55 i tilpasset mengde som samtidig stabiliserer temperaturen inne i cellepakkene 54.

Pakkboksen 68 kan være sammensatt av flere pakkbokser som er festet sammen og til statorskiven 65. De kan være av typen Zimmer ring eller patrontetting, tilpasset for høyt trykk og temperatur, være oksygenbestandig og kan være av typen silisiumkarbid. Pakkboksen kan også være tilpasset med midler for kjøling, smøring og trykkbalanse.

Opplagring 67, 38 kan som nevnt være kulelager med midler for smøring, når det er tetting mellom pakkboks 68 og statorskiven 65 og det kan være en ekstra Zimmer ring 66 eller tilpassede patrontettinger på hver side av lagret.

Lagrene kan også være glidelager tilpasset til forskjellige fluid, temperatur og rotasjonshastighet. Når anordningen er montert vertikalt og pakkboksen 68 er ned, må lager 67 både gi radial og aksial støtte i begge retninger mellom tyngden av rotor og trykk/areal i pakkboks 68 for å unngå at rotor løftes opp. Radialstøtte og aksialstøtte må det også være om anordningen plasseres vannrett/horisontalt.

I rommet innenfor cellepakkene 54 på hver side av bipolarskiven 33, kan hvert rom anordnes som en separator for å fjerne sin gass fra vannet ved LT vannelektrolyse (ikke vist). For eksempel i rommet mot fluid endelokket 64 kommer oksygen og vann til dette rommet fra sin side i alle cellene via oppsamlingskanalene 32. Det er flere åpninger radielt innover fra disse kanalene og inn til separatorrommet like etter bipolarskiven på denne siden. Oksygenet ledes tørt ut til sin rørkanal 3, 27 med flere hull i sirkelen inn til oksygen rørkanalen 3, 27. Radius på vannivået blir radielt utenfor hull/kanaler til oksygen kanalen 3, 27 og danner en hul vannsylinder med gassen i senter. Radius på vannivået reguleres med trykket ut mot turtallet og trykket på vannet inn. I senterrommet mot EL endelokket 48, kan det anordnes likedan for hydrogen og vann fra cellene, som separeres ut fra vannet der. Hydrogenet ledes gjennom isolerte kanaler ved senter i bipolarskiven 33 og over til en isolert og tett oppsamlingskopp festet mot isolator på den andre siden av bipolarskiven, hvor oksygenseparator er rommet er utenfor. I senter av oppsamlingskoppen for hydrogen, festes og tettes rundt et rør som leder gjennom et hull i senter av fluid endelokket 64, hvor det er tetting og festing til hydrogenrøret, som kan være et forlenget rør 28 fra pakkboks 68 sin hydrogenkanal 2 inn til hydrogen oppsamlingskoppen. Gasseparatorene vil være proporsjonalt mer kompakt mot statiske 1G separatorer i forhold til G inne i den hule vannsylinder i separator. F.eks. 100G gir 1/100 mindre separator i rotor med lik kapasitet som ved 1G. Dermed kan mengde varmt vann eller elektrolytt reduseres tilsvarende og sette en ny og forbedret standard til sikkerhet i tillegg til redusert plass og kostnad.

Rotasjonsanordningen kan også inneholde bare en cellepakke 54. Hvor da bipolarskiven 33 flyttes helt mot endelokket 48 med en El isolerende og tettende skive mellom dem. I dette tilfellet er det ikke nødvendig med hull gjennom bipolarskiven for fluid oppsamlingskanaler 31, 32, 56, 57, samt at kun side mot nærmeste celle fra elektroden kan likne siden 6A og den andre siden mot isolasjonsskiven er plan.

EL isolasjonsmaterialer for skiver 10, 11, bipolarskiven med bolt 34, børsteskive 46, akslingsisolator til motor 42, isolasjonssylinder 58 og øvrige spenningsisolasjoner som nevnt kan være av teflon, PEEK, keramikk, glass, mica, kompositt eller tilsvarende eller EL isolert metall for bedre støtte. De må også være oksidasjonsbestandig og tilpasset for hhv. LT eller HT.

For nevnte kjøling eller oppvarming over periferi via dysene 53, 55, kan det være med henholdsvis kaldt eller varmt vann/damp mot periferi av det roterende støtterøret 59 på jordpotensial. Ved kaldt vann via dysene 53, 55 mot periferi, hentes på den måten ut overskuddsvarme fra cellepakkene 54. Vannet dreneres forløpende ut gjennom nevnte drenering 60 via rør for eventuelt gjenbruk eller destillering av det oppvarmede vannet ved et undertrykk eller at vannet fordamper på støtterøret 59. Det destillerte vannet og produsert vann fra brenselcellen kan brukes i anordningen ved elektrolysør-modus. Minst en av dysene 53, 55 kan også rettes mer tangentielt med rotasjonsretningen for å gi tilpasset rotasjon til rotasjonsanordningen som har tilpassede skovler for dette på yttersiden av støttesylinder. Dermed kan EL motor utelates.

Anordningen kan fungere som et batteri (ikke vist), ved at rør fra/til pakkboksen 68 leder til/fra lagringstanker for oksygen, hydrogen og to vanntanker der en er fra/til anode- og den andre fra/til katodesider i rotasjonsanordningen, hvor vannet ledes til sine respektive tanker under vannproduksjon i brenselcellemodus og reguleres tilbake til sine respektive anoder, katoder side i vann-elektrolysør modus. Ved vannelektrolyse ledes hydrogen fra cellene gjennom pakkboks til en kombinert deoksidisør og tørke, som fjerner oksygenrester under 4 % og tørker og kjøler gassen før den ledes eller kan trykkes via en kompressor og kjøles/tørkes ytterligere før hydrogenet ledes til lagringstank. For oksygenkretsen kan det være likedan fra cellene til lagringstank, men deoksiderer kan utelates og kan bare benytte kjøler og tørke. På oksygenlinjen kan det også være en membran tilpasset for uttrekk av eventuelle hydrogenrester, som må være under 4 % før membran og så lavt hydrogeninnhold som mulig før oksygenet lagres i sin tank. Kompressorer for gassene kan utelates hvis hele systemet inkludert rotasjonsanordningen er tilpasset for et operasjonstrykk som er lik lagringstrykket for gassene mot slutten av elektrolysen. Systemet er ultrakompakt og en forsterkning for høyere trykk er derfor relativt enkelt og rimelig, likedan bruk av edlere materialer for å redusere oksydasjon i oksygenkretsen fra og med celler til og med lagringstank.

Vanntankene kan i toppen være koblet til sine respektive gasser som kan trykke vannet tilbake under vannelektrolyse. Hver vanntank kan også være en kombinert gass og vanntank med gass og vann fra samme side av membran 4, ved at de kan inneholde en fleksibel tett membran som adskiller gass og vann. Dermed kan egne vanntanker utelates. I dette tilfellet må det være en vannpumpe på hver vannkrets, da trykket er variabelt om det er lite vann og mye gass i tanken og vise versa. Når gassene ledes til cellene i brenselcellemodus kobles/bypasses de via ventiler i rør rundt hhv. kompressor, deoksidisør og tørker via hver sin gasstrykkregulator som styrer trykket i forhold til trykket på vannet inn i rotor og rotasjonshastigheten slik at vannspeilet trykkes utover til utenfor periferien av cellene som nevnt. Man kan også ha en tilsvarende regulator eller vannpumpe på vannkretsen som tilpasser vanntrykket fra/til rotor avhengig av om vanntrykket er for høyt eller lavt i tanken i forhold til nevnte vannspeil i cellepakken 54.

Ved høyt trykk i anordningen, kan det tilførte vannet mettes med sine respektive gasser hydrogen og oksygen til hver sine sider i cellene under brenselcelle modus. For eksempel kan det gassmettede vannet da komme inn cellene via sine respektive vannoppsamlingskanaler 56, 57 og inn til periferien av cellene, hvor de mettede gassene reagerer og produserer EL og vann. Produksjonsvannet blandes med det øvrige vannet og eventuelle frigjorte gasser ledes innover i cellene til tidligere gasskanaler 31, 32 og videre ut i kanaler 2, 3. Det samme kan gjøres i elektrolysør modus og under høyt trykk og tilpasset varme, hvor gassene som produseres vil mettes i vannet, som avgasses under lavere trykk i senter av rotor som nevnt eller utenfor den etter pakkboks, eller vannet kjøles ned og lagres med mettet gass. Det kan tillates høyere vann-flyt for å kombinere med kjøling i begge cellemoduser. Ved metning av gass til/fra celler bør cellene inneholde en så diffusjonstett membran 4 som mulig, som kan kombineres med at vannet også er en elektrolytt og kan være lik som elektrolytt i membran, for eksempel alkalisk vann med opptil 35% KOH (Kaliumhydroksid). Tilført produksjonsvann i elektrolytten ved brenselcelle modus kondenseres/destilleres ut i senter eller utenfor anordningen og forbruk av vann under gassproduksjon tilsettes i riktig mengde i den vannkretsen hvor det forbrukes.

Så langt er nevnte membran 4 forklart som en fastelektrolytt, men den kan erstattes med et porøst diafragma med liknende form, som kan være av typen Zirfon ved LT, med eller uten armering og en flytende elektrolytt i kontakt med anode og katode via den porøse diafragma som fylles med den flytende elektrolytten. Bipolarplatene 5, 6 kan likne som vist og beskrevet for 6A, B, men de radiale skovlene 17 kan være porøse med tilpasset katalysator. Det samme gjelder for overflaten av bipolarplatene 5, 6 som vender inn mot cellen. Skovlene 17 kan være radialt rette men aksialt trukket innover mot cellen og aksialt bøyd bakover i rotasjonsretningen innover mot sin diafragma i aktivt område og tilpasset bakoverbøyd form slik at de kommer i en fjærende og en god kontaktflate mot diafragma fra hver sin bipolarskive, som nå blir elektroder etter at de tidligere porøse elektroder 16 i kontakt med tidligere membran fjernes i dette tilfellet.

Diafragma må konstant holdes våt av en elektrolytt, både for konduktiviteten, men også for tetting så gassene fra hver side ikke blandes. Fremgangsmåten under brenselcellemodus er da at både en blanding av for eksempel 35% KOH elektrolytt ledes sammen med hver sin gass i sine kanaler 2, 3, hvor en tilpasset mengde elektrolytt føres sammen med gassene eller i dedikerte kanaler fra pakkboks 68 til gassinnløp i senter til hver side av diafragma i cellene, hvor elektrolytten møter de bakoverbøyde skovlene, og på grunn av treghetsmomentet under konstant rotasjon, vil elektrolytten på veg utover tvinges av de aksialt bakoverbøyde skovlene konstant inn mot diafragma. Diafragma er via elektrolytten i kontakt med hver sin bipolarskives elektrode via diafragma. Det er en våt, tynn elektrolyttfilm hvor hver gass kommer i kontakt med sin elektrode og i rommet mellom skovlene og mot diafragma er gassen som starter reaksjon med produksjon av vann og EL. Produksjonsvannet og tilført elektrolytt slynges kontinuerlig utover i cellene og til sine kombinerte vann- og elektrolyttoppsamlingskanaler 57, 56 ved periferi. Ved reversering av prosessen til en vann-elektrolysør er denne fremgangsmåten som beskrevet tidligere med å fylle cellene med elektrolytten fra periferi ved å tilpasse gasstrykket ut og tilføre DC og vann som forbrukes i sin krets. Produksjonsgassene ledes hurtig innover mot senter og ut som nevnt tidligere.

Rotasjonsanordningen kan ha forskjellig turtall, trykk og temperatur i brenselcelle modus og vannelektrolyse modus.

Som beskrevet i fig 1 er det fordelaktig om også cellegasskanaler 12, 13 til/fra cellene er bakoverbøyde i rotasjonsretningen og kommer inn til gassoppsamlingskanalene 2, 3 ved indre periferi. lik som vist for cellevannkanaler 20, 21 til/fra vannoppsamlingskanaler 57, 56 og cellegasskanalene 12, 13 er speilvendt av cellevannkanaler 20, 21 om man ser dette over bipolarskivens 6A eller 6B aktive senter. Dette gir lettere tilførsel og utførsel ved flerfase medium i de aksiale gassoppsamlingskanaler 31, 32 til/fra celle når anordningen legges vannrett og ved tilpasset turtall og trykk for å utnytte 1G fra omgivelsen, slik at det er -1G oppe og 1G nede inne i den liggende rotor. For eksempel kan elektrolytt og gass i gassoppsamlingskanalene 31, 32 tilpasses slik at elektrolytt eller vann kommer inn i gass-kanalene 12, 13 under rotasjon og inn til sine sider i cellene når de er nede og gassene kommer inn når kanalene er mellom ned og opp på hver runde. Dette gir et gunstig naturlig og hurtig skifte/pumpe mellom veske- og gasspulsering inn til cellene for å holde membran eller diafragma 4 tilstrekkelig fuktig/våt i brenselcellemodus.

Så langt er fremgangsmåten forklart med at det tilføres rent oksygen i dens kanaler 3, 13, 32, til cellene i brenselcellemodus, men dette kan også være en oksygenrik gass som kan være luft. Luften tilføres i samme kanaler som oksygen 3 med et tilpasset trykk som gjør at luften bobler fra cellevannkanal 21 (fig 1) ut til vannoppsamlingskanal 57 og bobler videre til utløp i sine kanaler 24 sammen med det produserte vannet. Vannoppsamlingskanaler 57 og kanaler til utløp må være i et tilpasset tverrsnittareal som tillater gassen å passere vannet slik at vannspeilet 22 holdes konstant ved indre periferi av vannoppsamlingskanalene 57. Dette kan også gjelde for rent hydrogen og oksygen som kan komme ut i sine vannoppsamlingskanaler med vann eller vanndamp og fanges utenfor rotor. Ved omsetning av det meste av oksygenet fra luften i cellene, kommer tilnærmet rent nitrogen ut, som kan anvendes til forskjellige formål som kan være til ammoniakk produksjon og som kan være med Haber-Bosch metoden med hydrogen produsert av anordningen. I brenselcellemodus kan også Ammoniakk erstatte hydrogen eller brukes sammen med det. Da vil også rent nitrogen komme ut fra oksygenkanalen 24 og igjen anvendes som nevnt. Ammoniakk gir en alternativ håndtering av det produserte hydrogenet.

Rotasjonsanordningen er så langt beskrevet i flere deler som sammenstilles med festeanordninger, tettemidler og isolatorer. Men hele rotor eller deler av den kan også 3D-printes og hvor de forskjellige deler med potensielt forskjellige materialer bygges opp lagvis aksialt for å danne en komplett balansert tett rotor med kanaler, som samtidig sammenbindes og den kan oppvarmes og kan tilføres en spenning (V) for å oppnå ønsket egenskap på de forskjellige materialene på sin plass i rotor som nevnt.

Nevnte katalysator kan være i enhver form eller i kombinasjon av: platina, nikkel, iridium, kobolt, jern, yttrium, zirkonium, strontium, lantan, mangan eller materialer med liknende egenskaper.

Samtlige figurer og beskrivelser av dem er prinsipielle og viser ikke anordningens virkelige utforming.

Oversikt henvisningstall:

1 Rotasjonsaksen

2 Hydrogen kanal

3 Oksygen kanal

4 Membranskive

5 Bipolare endeskiver

6 Senter bipolarskive

7 Vanndråper

8 Vannoppsamlingskanal

9 Utløp/innløp vann

10 Indre isolasjonsskiver

11 Ytre isolasjonsskiver

12 Cellegasskanal for hydrogen

13 Cellegasskanal for oksygen

14 Oksygenfordelingssporet

15 Hydrogenfordelingssporet

16 Elektrodeskiven

17 Skovler, med spor mellom dem

18 Ytre sirkulærspor hydrogenvann

19 Ytre sirkulærspor oksygenvann

20 Cellevannkanal hydrogen

21 Cellevannkanal oksygen

22 Vannspeil i vannoppsamlingskanal 8 23 Vannkanal ut/inn fra/til hydrogenside 24 Vannkanal ut/inn fra/til oksygensiden 25 Statorendelokk fluidside

26 Dynamiske tettinger i pakkboks 68 27 Rørkanaler ved aksling 29

28 Fluidrør

29 Aksling ved fluid

30 Tette og festemidler

31 Oppsamlingskanal hydrogen

32 Oppsamlingskanal oksygen

33 Bipolarskiven

34 Isolasjon bipolarskive33 og bolt 35 35 Bolt

36 Aksling ved EL side

37 Dynamisk tetting ved opplagring 38 38 Opplagring EL side

39 Slepering jord

40 /- Børster

41 Slepering

42 EL isolator til motor

43 EL motor

44 Bolter med distansehylser

45 Statorendelokk EL side

46 EL isolert børsteskive til børster

47 Statorskive

48 Endelokk

49 Låsemutter til endelokk

50 Luftinnløp til EL side

51 Luftutløp fra EL side

52 Beskyttende statorrør

53 Dyse for temperaturregulering

54 Cellepakker

55 Dyse for temperaturregulering

56 Vannoppsamlingskanal fra hydrogenside 57 Vannoppsamlingskanal fra oksygenside 58 EL isolerende og tettende hul sylinder 59 Støttesylinder

60 Drenering

61 Luftinnløp til fluidside

62 Luftutløp fra fluidside

63 Låsemutter fluidside til endelokk 64 64 Endelokk fluidside

65 Statorskive fluidside

66 Dynamisk tetting fluidside

67 Opplagring fluidside

Claims (10)

PATENTKRAV

1. Anordning for å produsere DC strøm og vann med tilført hydrogen og oksygen, og for å produsere hydrogen og oksygen ved tilførsel av vann og DC strøm,

hvor anordningen omfatter,

minst en bipolar cellepakke (54) innrettet med flere celler med hver sin elektrolytiske membran (4) i kontakt på hver side med katalytiske elektroder (16) i kontakt med hver sine bipolarskiver (5, 6) og strømisolerende tetteskiver (10, 11),

et innløp/utløp for hydrogen som fører til hydrogenkanaler (2, 12, 27, 31) til den ene sidens elektroder i cellepakken (54),

et innløp/utløp for oksygen som fører til oksygenkanaler (3, 13, 28, 32) til den andre sidens elektroder i cellepakken (54),

et innløp/utløp (9) for vann koblet til cellene via vannoppsamlingskanaler (8) og radiale kanaler på hver side av membranen (4) fra vannoppsamlingskanalene (8),

hvor anordningen er innrettet for å produsere DC strøm som ledes gjennom cellepakken (54) via minst en positiv bipolarskive (33) og via minst en negativ bipolarskive, og for å produsere hydrogen og oksygen i cellene som tilføres vann og DC strøm,

der den minst ene bipolare cellepakken (54) er utformet som en hul sylinder, og anordningen videre omfatter en rotasjonsinnretning (43) innrettet til å rotere cellepakken,

børster (40) tilpasset til å sette elektrodene i kontakt med en sluttet krets, og å påføre DC strøm via sine respektive endeskiver,

der anordningen er tilpasset slik at vann som produseres i cellene slynges ut fra cellene og ledes via kanaler (20, 21, 56, 57, 27) til utløp (23, 24) via en pakkboks (68).

2. Anordning ifølge krav 1 tilpasset høyt trykk, omfattende hver sine positive og negative børster (40) koblet til DC strøm til/fra cellepakkene (54) via en ytre krets,

idet en positiv børste er i kontakt med en EL ledende bolt (35) i kontakt med en positiv bipolarskive (33) i kontakt med en cellepakke (54) på hver side, hvor cellepakkene (54) sine andre ender videre er i kontakt med et felles negativt jordpotensiale (36, 48, 59, 64).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, videre omfattende et EL isolerende beskyttelsesrør (52) med EL isolerende endelokk (25, 45), understøttet av tettende statorskiver (47, 65), hvor luft ledes til og fra hver ende (50, 51 og 61, 62) av beskyttelsesrøret,

et antall dyser (53, 55) med et temperaturreguleringsfluid rettet mot periferi av beskyttelsesrøret (59) for å balansere temperatur i cellepakkene (54), idet temperaturreguleringsfluidet ledes til minst et utløp (60).

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte vann er i form av vanndamp og anordningen er tilpasset høyt trykk og temperatur.

5. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte bipolarskiver (5, 6) danner elektroder (16) med radielle skovler (17) som er aksielt bakoverbøyd i rotasjonsretningen, idet bipolarskivenes overflate mot cellene er porøse og i kontakt med en membran (4) eller en flytende elektrolytt.

6. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 5, hvor nevnte membran (4) er en diafragmaskive som holdes våt med en flytende elektrolytt med hjelp av hver celles bipolarskive (5, 6), som er utstyrt med aksialt bakoverbøyde skovler (17) i rotasjonsretningen og danner elektroder (16) som er i kontakt mot hver sin side av membranen (4)

7. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte kanaler til/fra cellene (12, 13, 20, 21) er radiale og bakoverbøyde i rotasjonsretningen, hvor gasskanalene (12, 13) kommer inn i indre periferi av tilhørende aksiale oppsamlingskanaler (31, 32) og vann/dampkanalene (20, 21) kommer inn i ytre periferi av tilhørende aksiale oppsamlingskanaler (56, 57).

8. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte membran (4) og/eller elektroder (16) er katalytisk belagt og/eller inneholder katalysatorer tilpasset for bruk i flytende vann som kan være elektrolytisk, eller for bruk i vanndampfase og henholdsvis tilpasset for lav- eller høy temperatur.

9. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 8, hvor nevnte membran (4) er H<+ >proton ledende eller OH- anionisk ledende og omfatter en flytende elektrolytt og/eller polymer eller keramisk materiale.

10. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor rommet i senter innenfor minst en cellepakke (54) er innrettet for å inneholde to gass-separatorer, en for hydrogen og en for oksygen, hvor gassene ledes i senter og inn til/ut fra hver separator, og vannet ledes utover i kanaler til hver sin oppsamlingskanal (56, 57) i periferien.