WO2012055624A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von brenngas in einem plasma - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von brenngas in einem plasma Download PDF

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WO2012055624A1
WO2012055624A1 PCT/EP2011/065424 EP2011065424W WO2012055624A1 WO 2012055624 A1 WO2012055624 A1 WO 2012055624A1 EP 2011065424 W EP2011065424 W EP 2011065424W WO 2012055624 A1 WO2012055624 A1 WO 2012055624A1
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Robert Stöcklinger
Gretel Finke
Peter Finke
Klaus Zur Nedden
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Stoecklinger Robert
Gretel Finke
Peter Finke
Klaus Zur Nedden
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for producing fuel gas, in particular hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and optionally gaseous hydrocarbons, such as methane (CH 4 ), and an electrolyte, which can be used in the apparatus and the method is.
  • fuel gas in particular hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and optionally gaseous hydrocarbons, such as methane (CH 4 ), and an electrolyte, which can be used in the apparatus and the method is.
  • Hydrogen, carbon monoxide and methane can be used as fuel gases in the production of, for example, heating energy for heating buildings or, for example, electrical energy for driving machines, in particular vehicles, etc.
  • RU 2 258 097 C1 describes a device for generating thermal energy, hydrogen and oxygen.
  • a solution is introduced into a reactor space from one side.
  • the solution runs laterally into a gap which is arranged parallel to the flow direction of the inlet opening of the solution in the reactor space.
  • the gap is formed between a planar projection at one end of a rod-shaped anode and a rod-shaped cathode, one end of which faces the planar projection of the anode and a through-hole of the anode.
  • WO 2009/029292 A1 discloses a hydrogen production with C0 2 - and CO-separation in coal and natural gas power plants using conventional electrolysis.
  • the raw materials water, coal, and NaCl (sodium chloride) and NaOH (sodium hydroxide) are used to produce H 2 .
  • the yield of fuel gas from the raw materials used in the prior art is still optimizable.
  • the nature of the fuel gas produced is not adjustable according to each existing need. That is, the devices can only produce hydrogen, but not yet other fuel gases, such as carbon monoxide and / or methane, concurrently.
  • coal can be recovered by drying an aqueous coal slurry. Drying requires the supply of external energy. It would be advantageous if the drying could be dispensed with and the aqueous coal slurry could be used directly again as a raw material for the production of other industrially usable substances.
  • increasing efforts are being made with a view to climate change to at least limit the increasing global production of carbon dioxide that occurs in the combustion of organic fuels, for example, to drive machinery and / or to generate electrical and / or heating energy.
  • organic fuels By organic fuels is meant coal, oil, natural gas, biomass (renewable materials, especially wood, reed grass, etc., biowaste, especially sewage sludge, etc.), domestic and / or industrial waste, etc.
  • biomass recycled materials, especially wood, reed grass, etc., biowaste, especially sewage sludge, etc.
  • domestic and / or industrial waste etc.
  • carbon dioxide production It is currently being considered to capture carbon dioxide released in a combustion process in tanks and to store the carbon dioxide under the ground. In this way, the amount of carbon dioxide entering the atmosphere should be reduced.
  • a storage of carbon dioxide under the ground is problematic, since only suitable deposits must be found and prepared for this purpose. In addition, it must then be ensured that the carbon dioxide does not unintentionally escape from the reservoir into the atmosphere.
  • the device comprises a planar element for receiving an electrolyte of carbon and water, an electrolyte supply tube for supplying the electrolyte to the planar element, and an electrode which faces the planar element with one of its ends, the electrolyte supply tube and the Electrode are designed such that between them an electrical voltage can be applied to form a plasma between the electrode and the electrolyte, whereby the fuel gas is generated.
  • Advantageous further embodiments of the device are set forth in the dependent claims.
  • the electrode has at least one rod-shaped element, which faces the planar element with one of its ends.
  • the flat element facing the end of the rod-shaped element may be formed tapering.
  • the device also has a holding device, to which the at least one rod-shaped element is fastened with its other end, which faces away from the flat element.
  • the holding device can likewise be a planar element, on the circumference of which a plurality of rod-shaped elements of the at least one rod-shaped element are fastened at a distance from one another.
  • the holding device has a through hole for supplying carbon dioxide between the holding device and the flat element.
  • the holding device is part of the electrode, which has a through hole for the supply of carbon dioxide between the holding device and the flat element.
  • the device may have a reactor vessel for receiving the planar element, the at least one rod-shaped element, the holding device and a part of the electrolyte supply tube.
  • the reactor vessel may further be connected to a return line for returning excess electrolyte from the reactor vessel to a vessel from which the electrolyte is supplied to the reactor vessel. It is also advantageous if the device also has a temperature control device for controlling the temperature of the planar element.
  • the at least one rod-shaped element is a rod made of a high temperature resistant conductive material.
  • the device may comprise a gas cooling device for cooling and dehumidifying fuel gas generated by the device.
  • the device also has an electrolytic cooling device, which is connected upstream of the electrolyte supply pipe.
  • the fuel gas generated by the device preferably contains hydrogen, carbon monoxide and / or gaseous hydrocarbons.
  • the aforementioned object is also achieved by a method for producing fuel gas, which comprises the features of claim 14.
  • the method comprises the steps of: supplying an electrolyte of carbon and water by means of an electrolyte supply tube to a sheet member, receiving the electrolyte on the sheet member, and applying an electric voltage between an electrode facing the sheet member and the electrolyte Supply tube, for forming a plasma between the electrode and the electrolyte, whereby the fuel gas is generated.
  • the electrolyte has the constituents water and carbon and serves for Use in a device as described above or a method as described above, wherein the electrolyte is also added to a compound which decomposes into ions in aqueous solution.
  • the above-described apparatus and method are capable of generating a large amount of fuel gas with a small supply of electrical energy, which can release a large amount of thermal energy when burned.
  • the thermal energy can be converted by means of known methods into other forms of energy, such as electrical energy, steam, etc.
  • the configuration of the electrolyte supply tube as an electrode to which the voltage for generating plasma is applied and the configuration of the counter electrode as a rod-shaped element, which faces the electrolyte supply tube, as described above, is particularly advantageous to a high efficiency in the Generation of fuel gas to achieve.
  • the carbon dioxide released in a subsequent combustion of the fuel gas or carbon dioxide released as exhaust gas during the combustion of other organic substances can be used as starting material for the production of the fuel gas by means of the device described above or the method described above.
  • an aqueous carbon mixture of carbon and water so coal sludge, which is optionally added to increase the electrical conductivity or sodium hydroxide or sodium chloride, are used.
  • Carbon dioxide and coal sludge, in particular biomass sludge are therefore raw materials for the apparatus and method described above.
  • the previously described apparatus and method for recycling carbon dioxide and coal sludge, in particular biomass sludge serves.
  • the energy-intensive drying of coal sludge for the production of coal and the time-consuming storage of carbon dioxide under the ground are therefore not required.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a device for generating
  • Fig. 2 is a detail view of the apparatus of Fig. 1 with a sectional view of a reactor vessel of the apparatus; 3 is a detail view of a fuel gas producing apparatus according to a second embodiment of the present invention;
  • 4A is a block diagram for temperature control in a reactor vessel of a fuel gas production apparatus according to a third embodiment of the present invention
  • 4B is a detail view of a fuel gas producing apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 shows a schematic structure of a device for the production of
  • Fuel gas according to a fourth embodiment of the present invention For identical or equivalent elements of the invention, identical reference numerals are used in the figures of the drawing. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures, which are required for the description of the respective figure.
  • the illustrated embodiment is merely an example of how the inventive fuel gas generating device can be configured and the associated method for generating fuel gas can be configured and do not represent a final limitation.
  • Fig. 1 shows an apparatus 1 for generating fuel gas 7 by means of an electrolyte 8 of carbon (C) and water (H 2 0), optionally added to increase the conductivity nor a compound which decomposes into ions in aqueous solution, such as For example, sodium hydroxide (NaOH), sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na 2 S0 4 ), potassium hydroxide (KOH), potassium chloride (KCl), potassium nitrate (KN0 3 ), etc., according to a first embodiment.
  • the device 1 has a container 10 for receiving the electrolyte 8.
  • the container 10 may also be an unillustrated agitator for stirring the mixture of carbon and water may be present, so that the carbon is dispersed in the water.
  • the electrolyte feed pump 30 serves to convey electrolyte 8 through the line 20 to a Electrolyte cooler 40 for cooling the electrolyte 8, if necessary. From the electrolyte cooling device 40, the electrolyte 8 is conducted by means of the line 20 to an electrolyte supply pipe 50, which supplies the electrolyte 8 in a reactor vessel 60.
  • a current limit on the plasma can be achieved by means of an electrical Vorschaltwiderstands 90, which between the electrolyte supply pipe 50 and the plasma generation voltage source 80 is connected.
  • fuel gas 7 more specifically hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), and gaseous hydrocarbons, such as methane (CH 4 ), form from the electrolyte 8, as described in more detail below.
  • the fuel gas 7 is led out of the reactor vessel 60 into a fuel gas cooling device 100 for cooling the fuel gas 7, in which the fuel gas 7 is dehumidified.
  • the resulting water runs or drips back into the reactor vessel 60.
  • the components H 2 + CO of the fuel gas 7 are also known by the name syngas or town gas.
  • the fuel gas 7 can be supplied to other devices which can burn the fuel gas 7 to generate thermal energy.
  • the fuel gas 7 as required also at least partially into its components, ie hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), as well as gaseous hydrocarbons, such as methane (CH 4 ), are decomposed.
  • H 2 hydrogen
  • CO carbon monoxide
  • CH 4 gaseous hydrocarbons
  • cooling line system 1 also has a cooling line system 1 10, which by means of a coolant pump 120 which is supplied by a cooling pipe system power source 1 30 with electric power, coolant from a coolant inflow K in the direction of arrow via an electrical ballast 140 the cooling line system voltage source 130, the electrical ballast resistor 90, the electrode 70, the reactor vessel 60, the electrolyte cooling device 40, the gas cooling device 100 from a coolant outlet K out .
  • a volumetric flow meter Fi is present, by means of which the volume of coolant flowing through it or the coolant volume flow and thus the amount of coolant in the cooling line system can be measured.
  • a plurality of temperature sensors TT 2 , T 3 , T 4 , T 5 , T 6 , T 7 are present, which are arranged at various points in the cooling line system 1 1 0, each to the temperature of the coolant in the cooling pipe system 1 1 0 to measure.
  • the temperature sensor J is used to measure the temperature of the coolant at the inlet of the cooling line system 1 1 0 or between the electrical ballast 140 and the electrical ballast 90.
  • the temperature sensor T 2 is used to measure the temperature of the coolant in the cooling line system 1 10 between the electrical ballast resistor 90th and the electrode 70.
  • the temperature sensor T 3 is for measuring the temperature of the The temperature sensor T 4 is used for measuring the temperature of the coolant in the cooling line system 1 10 between the reactor vessel 60 and the electrolytic cooling device 40.
  • the temperature sensor T 5 is used to measure the temperature of the coolant in Cooling pipe system 1 10 between the electrolytic cooling device 40 and the gas cooling device 100.
  • the temperature sensor T 6 is used for measuring the temperature of the coolant in the cooling pipe system 1 10 between the gas cooling device 100 and the coolant outlet K from .
  • the temperature sensor T 7 serves to measure the temperature of the device 1.
  • the supply of coolant to the electrolyte cooling device 40 can be regulated by means of a valve V.
  • the valve V is installed in the refrigerant piping 110 between the reactor vessel 60 and the gas cooling device 100.
  • the valve V When the valve V is open, the coolant is guided past the electrolyte cooling device 40 via the valve V. Thus, the valve V serves as a bypass.
  • the valve V When the valve V is closed, the coolant only flows through the electrolyte cooling device 40 and is guided past the valve V.
  • the valve V When the valve V is only partially open or closed, the coolant flows partly through the valve V and partly through the electrolyte cooling device 40, depending on the degree of opening or closing of the valve V.
  • FIG. 2 shows the reactor vessel 60 with the electrode 70 and the feed tube 50 in more detail
  • FIG. 1 also shows in FIG. 2 the option that the reactor vessel 60 flows through coolant at several points, as described in more detail below.
  • the container 10 the line 20, the return line 25, the electrolyte feed pump 30, and the electrolyte cooling device 40 are shown.
  • the reactor vessel 60 has a horizontally disposed reactor bottom 61 over which a horizontal tray 62 inclined to the horizontal is disposed, a first space 63, a second space 64, two vertically disposed side walls 65a, 65b, and a horizontally disposed one Reactor lid 66 with a cap 67.
  • the first space 63 is formed between the reactor bottom 61, the intermediate bottom 62 and a part of the side wall 65b.
  • the second space is between the intermediate bottom 62, the side wall 65a, another part of the Side wall 65b and the reactor cover 66 is formed.
  • the first space 63 and the second space 64 are closed against each other.
  • the coolant of the cooling line system 1 10 for cooling the reactor bottom 61 and the false bottom 60 are introduced into the reactor vessel.
  • the reactor bottom 61 in Fig. 2 with two through holes 61 a, 61 b provided, through which the coolant of the cooling line system 1 10 between the reactor bottom 61 and intermediate bottom 62 can be passed.
  • the through hole 61 a is used for introducing the coolant from the cooling line system 1 10 in the first space 63
  • the through hole 61 b is used to divert the coolant of the cooling pipe system 1 10 from the first space 63.
  • the through hole 61 a is located in the vicinity of The lowest point of the first space 63, the through hole 61 b is located near the highest point of the first space 63.
  • the electrolyte supply pipe 50 is guided.
  • one end 51 of the electrolyte supply pipe 50 is located outside the reactor vessel 60 and another end 52 of the electrolyte supply pipe 50 is located in the second space 64.
  • the electrolyte supply pipe 50 can thus also be cooled by means of the coolant of the cooling pipe system 110 , In Fig.
  • a port 53 for connection of the plasma-generating voltage source 80 is present at the end 51 of the electrolyte supply pipe 50, which is arranged outside of the reactor vessel 60.
  • a positive pole (plus pole) of the plasma generation voltage source 80 is preferably connected to the terminal 53.
  • a planar element 55 is attached to a projection 54 of the electrolyte supply tube 50. The other end 52 of the electrolyte supply tube 50, the protrusion 54 and the planar element 55 are arranged in the second space 64 of the reactor vessel 60.
  • the sheet-like element 55 in FIG. 2 has a receiving plate 55 a with a depression for receiving the electrolyte 8, which is applied by the electrolyte supply tube 50 to the planar element 55.
  • the electrolyte supply pipe 50 ends at its other end 52 in the trough of the receiving plate 55 a.
  • the planar element 55 has a substructure 55b, which is arranged below the receiving plate 55a, and through which the electrolyte supply pipe 50 is guided. Excess electrolyte 8 can be removed from the second space 64 of the reactor vessel 60 by means of the return line 25 and returned to the container 10 (FIG. 1)
  • one end 71 of the electrode 70 faces away from the planar element 55, whereas another end 72 of the electrode 70 faces the planar element 55.
  • the end 71 of the electrode 70 is located outside the reactor vessel 60, and the electrode 70 can be connected to the voltage source 80 via a connection 73.
  • a negative pole (negative pole) of the plasma generation voltage source 80 is preferably connected to the connection 73.
  • the electrode 70 can be connected at the end 71 by means of an inlet 71 a and outlet 71 b to the cooling line system 1 10, so that the electrode 70 flows through coolant from the cooling line system 1 10 and can be cooled.
  • the end 71 of the electrode 70 may thus have the shape of a valve, as shown in Fig. 2.
  • the other end 72 of the electrode 70 is located in the second space 64 and faces the planar element 55 and thus also the end 52 of the electrolyte feed tube 50.
  • the electrode 70 thus leads completely through the reactor cover 66 and the attachment 67 or from the interior of the reactor vessel 60 to its exterior.
  • a holding device 74 is arranged, on which a plurality of bars or rod-shaped elements 75 are attached.
  • the rod-shaped elements 75 are in each case fastened with one of their ends 75a to the holding device 74, for example by brazing.
  • the other ends 75 b of the rod-shaped elements 75 are formed as a tip and each face the sheet-like element 55.
  • the rod-shaped elements 75 are each arranged at a predetermined distance from each other on the holding device 74. Preferably, the predetermined distance of all rod-shaped elements 75 is equal to each other.
  • the attachment 67 shown in FIG. 2 has an inlet 67 a and an outlet 67 b for the cooling line system 1 10, so that the attachment 67 is flowed through by coolant of the cooling line system 1 10. As a result, both the attachment 67 and the reactor cover 66 arranged next to the attachment 67 are cooled. From the top 67 also leads a line 67c for discharging fuel gas 7 from the reactor vessel 60 and the second space 64 to the gas cooling device 100, although this is not shown in Fig. 2 in detail. If the device 1 according to this exemplary embodiment is now put into operation, water gas or synthesis gas and, for example, gaseous hydrocarbons, in particular methane, etc., can be produced.
  • the electrolyte 8 is supplied by means of the electrolyte supply tube 50 to the sheet-like element 55, more precisely to the receiving plate 55a.
  • the electrolyte 8 comprises carbon (C) and water (H 2 O), to which optionally, to increase the conductivity, the compound is added, which decomposes into ions in aqueous solution, as described above.
  • the receiving plate 55a receives the electrolyte 8 in its trough.
  • an electric voltage between the electrode 70, in particular its rod-shaped elements 75 and the electrolyte supply tube 50 (anode) is applied to form a plasma between the electrode 70 (cathode), in particular one of its rod-shaped elements 75, and the electrolyte 8 , the fuel gas 7 is generated.
  • the temperatures are so high that this results in a splitting of the water into hydrogen and oxygen.
  • the following reactions take place in particular:
  • the fuel gas 7 may have a different composition. That is, the above reactions Although run side by side but with different proportions in relation to the other reactions.
  • water can be fed back into the container 10 or the electrolyte 8 should the electrolyte 8 no longer be sufficiently aqueous by returning the excess electrolyte 8 from the reactor vessel 60.
  • FIG. 3 shows in a second embodiment a device 2 for producing fuel gas 7 in a similar detail as in FIG. 2.
  • the device 2 of this embodiment is substantially the same as the device 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 and FIG 2 is shown. Thus, the same elements or components are only shown again here, as far as they are necessary for explaining the difference between the first and second embodiments.
  • the electrode 70 is additionally provided with a through-hole 76 through which carbon dioxide (C0 2 ) can flow into the reactor vessel 60 and the second space 64, respectively, as shown in FIG ,
  • the carbon dioxide (C0 2 ) may be exhaust gas that has formed during the combustion of other fuels, as described above.
  • Carbon dioxide (C0 2 ) into the device 2 can thus increase the proportion of CO in the synthesis gas (H 2 + CO) generated in the reactor vessel 60.
  • gaseous Hydrocarbons methane, ethane, propane, butane, etc. are generated, which are contained in the generated fuel gas 7, as previously described in the first embodiment.
  • the other elements and functions of the device 2 of the second embodiment are similar to the elements and functions of the device 1 of the first embodiment, so that a further description of the device 2 can be omitted here.
  • FIG. 4A and 4B show, in a third embodiment, a device 3 for generating fuel gas 7.
  • the device 3 of this embodiment is constructed substantially the same as the device 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 and FIG. Thus, the same elements or components are described here only insofar as they are necessary for explaining the difference between the first and third embodiments.
  • the difference between the first and third embodiments is that the temperature in the reactor vessel 60 is controllable by means of a temperature control device 85, as illustrated in FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 4A schematically shows a temperature control device 85 which comprises a temperature sensor 86, an electronic computing unit 87 and an energy shielding device 88.
  • the temperature control device 85 is electrically or signal-technically connected to the plasma-generating voltage source 80 via the electronic processing unit 87.
  • the temperature sensor 86 is arranged in the energy shielding device 88 and serves to measure the temperature of the planar element 55 and in particular of the receiving plate 55a. It is advantageous if the temperature sensor 86 measures the temperature of the planar element 55 and in particular of the receiving plate 55a without contact, for example by means of infrared radiation.
  • the temperature measured by the temperature sensor 86 is supplied to the electronic arithmetic unit 87, which calculates, based on the temperature measured by the temperature sensor 86, the electric power to be output from the plasma generation power source 80 to the electrolyte supply pipe 50 and the electrode 70.
  • the electronic processing unit 87 may be the one of the Plasma generating voltage source 80 to the electrolyte supply tube 50 and the electrode 70 output electrical power, regulate. Thereby, the temperature in the reactor vessel 60 and the plasma generated between the electrolyte 8 and electrode 70 is controlled, so that ultimately the temperature of the sheet-like element 55 and the receiving plate 55 and the electrolyte supply tube 50, ie of elements or components of the Device 3, can be controlled.
  • the temperature in the reactor vessel 60 or the plasma formed between the electrode 70 and the electrolyte 8 and also the temperature of the components in the reactor vessel 60 is or becomes too high. This has a positive effect both on the service life of the components of the device 3 and on the controllability of the reactions taking place in the reactor vessel 60 and thus on the composition of the fuel gas 7.
  • the energy shielding device 88 is embodied as a hollow cylinder which is arranged between the two side walls 65a, 65b of the reactor vessel 60 and the mutually facing ends 52, 72 of the electrolyte supply tube 50 (anode) and the electrode 70 (cathode). is arranged. Specifically, the energy shielding device 88 is fixed in the reactor vessel 60 at a predetermined distance from the side walls 65a, 65b. Here, the energy shielding device 88 surrounds the arrangement of holding means 74, rod-shaped elements 75, planar element 55 with the entire receiving plate 55a and the largest part of its substructure 55b, as shown in Fig. 4B.
  • the energy shielding device 88 is also arranged at an additional predetermined distance from the arrangement of the holding device 74, rod-shaped elements 75, planar element 55 and electrolyte supply tube 50.
  • another space is also present between the energy-shielding device 88 and the arrangement of holding device 74, rod-shaped elements 75, planar element 55 and electrolyte supply tube 50.
  • the outer surface of the energy-shielding device 88 or its hollow cylinder, that is to say the surface of the energy-shielding device 88 facing the side walls 65a, 65b of the reactor vessel 60, is preferably mirrored.
  • the energy-shielding device 88 can in particular be designed as a steel cylinder, for example made of stainless steel, which can withstand the temperatures prevailing during operation of the device 3 and the reactions and reaction conditions occurring during operation of the device 3 in the reactor vessel 60.
  • the side wall 65b of the reactor vessel 60 will have an inspection window 89, with which the processes in the reactor vessel 60 can be observed.
  • the energy-shielding device 88 in the region of the inspection window 89 is transparent.
  • the energy shielding device 88 has a recess in the region of the inspection window 89.
  • the other elements and functions of the device 3 of the third embodiment are the same as the elements and functions of the device 1 of the first embodiment, so that a further description of the device 3 can be omitted here.
  • FIG. 5 shows in a fourth embodiment a device 4 for producing fuel gas 7.
  • the device 4 of this embodiment is constructed substantially the same as the device 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 and FIG. Thus, the same elements or components are only shown again here, as far as they are necessary for the explanation of the difference between the first and fourth embodiments.
  • the difference between the first and fourth embodiments consists only in that the combustion gas cooling device 100, a combustion chamber 150 and a recombination cooling device 160 are connected downstream, which are also connected to the cooling line system 1 10, so that additional Temperature sensors T 8 , T 9 , and T 10 can be used, as illustrated in Fig. 5.
  • the fuel gas 7 is burned to produce an energy form required for industrial purposes, such as electric power, heat energy, etc. In this way, the amount of thermal energy that can be generated by the device 3 can be determined.
  • the combustion chamber 150 may be integrated into the cooling line system 10 for cooling between the electrical ballast resistors 90 and 140.
  • the recombination cooling device 160 serves to recombine two hydrogen atoms (2H) in each case to form a hydrogen molecule (H 2 ). Such a recombination cooling device 160 may be helpful if such a reaction should not have already taken place sufficiently after the fuel gas cooling device 100.
  • the recombination cooling device can be integrated between the combustion chamber 150 and the electrical ballast resistor 90 in the cooling line system 10.
  • the other elements and functions of the device 4 of the fourth embodiment are similar to the elements and functions of the device 1 of the first embodiment, so that a further description of the device 3 can be omitted here.
  • the plasma generation voltage source 80 of all embodiments is preferably a DC voltage source.
  • the DC voltage generated by the plasma generating voltage source 80 may also be pulsed DC voltage or a DC voltage which is superimposed on an AC voltage having an amplitude that is less than the amplitude of the DC voltage.
  • the cooling of elements or components of the devices 1, 2, 3 and 4 is optional. More specifically, depending on the needs and design of the components, fewer or more than the components shown in the figures may be connected to the refrigeration piping system 110.
  • the cooling requirement is mainly directed according to the design and selected material of the individual components and the amount of fuel gas 7 produced in the devices 1, 2, 3 and 4.
  • other cooling of the components of the devices 1, 2, 3 and 4 than with a cooling line system 1 10th possible, for example with separate cooling devices for the individual components.
  • the electrolyte supply tube 50 may be made of metal, in particular brass. His the receiving plate 55a facing the end 51 may also be made in particular of stainless steel. In addition, the electrolyte supply pipe 50 may be externally covered with plastic.
  • the reactor bottom 61 and the intermediate bottom 62 may also be made of metal, in particular brass. Alternatively, it is also possible to use chamotte or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as the material for the reactor bottom 61 and / or the intermediate bottom 62. Fireclay is particularly suitable in this context, among other things, because of its porous structure. Aluminum dioxide is particularly suitable in this context, inter alia because of its low thermal conductivity.
  • the two side walls 65a, 65b and the reactor cover 66 may be made of the same materials as the reactor bottom 61 and the intermediate bottom 62.
  • planar element 55 and in particular the receiving plate 55a may be made of an electrically insulating, for example, dielectric, material.
  • the holding device 74 may also be made of metal, in particular brass.
  • the rod-shaped elements 75 may be made of a high temperature resistant conductive material.
  • the high-temperature resistant conductive material may in particular be metal, which preferably has a high melting point.
  • the metal may in particular be tungsten.
  • the high-temperature-resistant conductive material may also be a ceramic material which preferably has a high melting point.
  • the electrolyte supply tube 50, the sheet member 55, the reactor vessel 60 and the electrode 70 may be round, angular, oval, etc. in cross section.
  • the shape of the Energyabhold Hughes 88 is preferably chosen to match, so that the Energyabprocess issued 88 can be arranged both with a distance to the side walls 65 a, 65 b of the reactor vessel 60 and to the electrolyte supply tube 50, the sheet-like element 55, and the electrode 70.
  • the Energyable worn 88 can connect directly to the reactor cover 66, so that no or only a minimal gap between the reactor cover 66 and energy shield 88 is present.
  • the energy shielding device 88 may also be formed so high in the reactor vessel 60 that it completely surrounds the planar element 55 laterally.
  • the energy shielding device 88 may also extend to the intermediate bottom 62. It is advantageous if the holding device 74 is a circular disc or box on which or the rod-shaped elements 75 are attached, as shown in Fig. 2. However, the holding device 74 may also be oval or be formed as a polygonal, in particular rod-shaped, triangular, rectangular, square, etc. disk or box.
  • the number of rod-shaped elements 75 is arbitrary as required.
  • the coolant of the cooling line system 10 is in particular water. However, other coolants are conceivable.
  • the temperature control device 85 of the third embodiment may also include only a temperature sensor 86 and an electronic computing unit 87. That is, the energy shielding device 88 may be omitted. Alternatively, the temperature control device 85 may include only the energy shielding device 88, but not a temperature sensor 86 and electronic computing unit 87.
  • the inspection window 89 in the side wall 65b of the reactor vessel 60 may also be omitted.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1; 2; 3, 4) und ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas (7) sowie ein Elektrolyt (8) hierfür sind bereitgestellt. Die Vorrichtung (1; 2; 3, 4) umfasst ein flächiges Element (55) zur Aufnahme eines Elektrolyts (8) aus Kohlenstoff (C) und Wasser (H20), denen gegebenenfalls zudem noch eine leitfähige Verbindung zugesetzt ist, die in wässriger Lösung in Ionen zerfällt; ein Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) zur Zufuhr des Elektrolyts (5) auf das flächige Element; und eine Elektrode (70), die dem flächigen Element (55) zugewandt ist. Das Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) und die Elektrode (70) sind derart ausgestaltet, dass zwischen ihnen eine elektrische Spannung anlegbar ist, um zwischen Elektrode (70) und Elektrolyt (8) ein Plasma zu bilden, wodurch das Brenngas (7) erzeugt wird. Das von der Vorrichtung (1; 2; 3) erzeugte Brenngas (4) enthält Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan (CH4).

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON
BRENNGAS IN EINEM PLASMA
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas, insbesondere Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und gegebenenfalls gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Methan (CH4), sowie einen Elektrolyt, welcher bei der Vorrichtung und dem Verfahren verwendbar ist.
Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan können als Brenngase bei der Erzeugung von beispielsweise Heizenergie zum Heizen von Gebäuden oder von beispielsweise elektrischer Energie zum Antrieb von Maschinen, insbesondere Fahrzeugen, usw. Verwendung finden.
RU 2 258 097 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie, Wasserstoff und Sauerstoff. Bei dieser wird in einen Reaktorraum von einer Seite eine Lösung eingeführt. Die Lösung läuft seitlich in einen Spalt, der parallel zur Strömungsrichtung der Einlassöffnung der Lösung in dem Reaktorraum angeordnet ist. Der Spalt ist zwischen einem flächigen Ansatz an einem Ende einer stabförmigen Anode und einer stabförmigen Kathode gebildet, deren eines Ende dem flächigen Ansatz der Anode und einem Durchgangsloch der Anode zugewandt ist. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Kathode und Anode werden in dem Spalt chemische Verbindungen der Moleküle und Ionen der Lösung zerstört. Dadurch entsteht neben thermischer Energie auch Wasserstoff und Sauerstoff, die auf der anderen Seite des Spalts aus dem Spalt austreten und an einer zum Spalt in der Höhe versetzten Auslassöffnung des Reaktorraums aus dem Reaktorraum ausgelassen werden. Hierbei wird eine Explosion beim Bilden von Plasma in dem Spalt bzw. der Kathodenzone vermieden.
WO 2009/029292 A1 offenbart eine Wasserstofferzeugung mit C02- und CO- Absonderung bei Kohle- und Erdgaskraftwerken unter Verwendung von herkömmlicher Elektrolyse. Hier werden die Rohstoffe Wasser, Kohle, und NaCI (Natriumchlorid) sowie NaOH (Natriumhydroxid) verwendet, um H2 zu erzeugen. Die Ausbeute von Brenngas aus den verwendeten Rohstoffen bei dem Stand der Technik ist jedoch noch optimierbar. Zudem ist bei dem genannten Stand der Technik die Art des erzeugten Brenngases nicht nach jeweils bestehendem Bedarf einstellbar. Das heißt, die Vorrichtungen können nur Wasserstoff, jedoch nicht noch andere Brenngase, wie Kohlenmonoxid und/oder Methan, gleichzeitig produzieren.
Außerdem gibt es im Stand der Technik viele Versuche, Kohle aus Biomasse zu gewinnen. Hierbei sind verschiedenste Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse bekannt, wie beispielsweise aus der WO 2010/006 881 A1 oder der DE 10 2008 007 791 A1 . Bei solchen Verfahren kann Kohle durch Trocknung eines wässrigen Kohleschlamms gewonnen werden. Für die Trocknung ist die Zufuhr externer Energie erforderlich. Es wäre vorteilhaft, wenn auf die Trocknung verzichtet werden könnte und der wässrige Kohleschlamm direkt wieder als Rohstoff für die Erzeugung von anderen industriell nutzbaren Stoffen zum Einsatz kommen könnte. Darüber hinaus werden derzeit mit Blick auf den Klimawandel immer größere Anstrengungen unternommen, um die weltweit zunehmende Erzeugung von Kohlendioxid zumindest zu beschränken, die bei der Verbrennung von organischen Brennstoffen beispielsweise zum Antrieb von Maschinen und/oder zur Erzeugung von elektrischer und/oder Heizenergie stattfindet. Unter organischen Brennstoffen sind zu verstehen Kohle, Öl, Erdgas, Biomasse (nachwachsende Stoffe, insbesondere Holz, Schilfgräser usw., Bioabfälle, insbesondere Klärschlämme, usw.), Haus- und/oder Gewerbemüll, usw. Als eine Variante der Beschränkung der Kohlendioxiderzeugung wird derzeit überlegt, bei einer Verbrennung freiwerdendes Kohlendioxid in Tanks aufzufangen und das Kohledioxid unter dem Erdboden zu speichern. Auf diese Weise soll die Menge von in die Atmosphäre gelangendem Kohlendioxid verringert werden. Jedoch ist eine Lagerung des Kohlendioxids unter dem Erdboden problematisch, da hierfür erst geeignete Lagerstätten gefunden und hergerichtet werden müssen. Zudem muss dann sichergestellt werden, dass das Kohlendioxid nicht unbeabsichtigt trotzdem aus der Lagerstätte in die Atmosphäre entweicht. Es wäre also ein großer Vorteil, wenn zumindest bei der Verbrennung von organischen Brennstoffen erzeugtes Kohlendioxid wieder als Rohstoff für die Erzeugung von anderen industriell nutzbaren Stoffen zum Einsatz kommen könnte. Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas bereitzustellen, welche mit einfachen Mitteln verschiedene Arten von Brenngas mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugen können und dabei sowohl Kohlenschlamm als auch Kohlendioxid als Rohstoff verwenden können, sowie einen Elektrolyt bereitzustellen, welcher bei der Vorrichtung und dem Verfahren verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Die Vorrichtung umfasst ein flächiges Element zur Aufnahme eines Elektrolyts aus Kohlenstoff und Wasser, ein Elektrolyt-Zufuhrrohr zur Zufuhr des Elektrolyts auf das flächige Element, und eine Elektrode, die mit einem ihrer Enden dem flächigen Element zugewandt ist, wobei das Elektrolyt-Zufuhrrohr und die Elektrode derart ausgestaltet sind, dass zwischen ihnen eine elektrische Spannung anlegbar ist, um zwischen Elektrode und Elektrolyt ein Plasma zu bilden, wodurch das Brenngas erzeugt wird. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Bevorzugt weist die Elektrode mindestens ein stabförmiges Element auf, das mit einem seiner Enden dem flächigen Element zugewandt ist. Hierbei kann das dem flächigen Element zugewandte Ende des stabförmigen Elements spitz zulaufend ausgebildet sein.
Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung zudem eine Halteeinrichtung hat, an welcher das mindestens eine stabförmige Element mit seinem anderen Ende befestigt ist, welches von dem flächigen Element abgewandt ist.
Die Halteeinrichtung kann ebenfalls ein flächiges Element sein, an dessen Umfang mehrere stabförmige Elemente des mindestens einen stabförmigen Elements voneinander beabstandet befestigt sind.
Bevorzugt hat die Halteeinrichtung ein Durchgangsloch zur Zufuhr von Kohlendioxid zwischen Halteeinrichtung und flächiges Element aufweist. In einer vorteilhafte Variante ist die Halteeinrichtung Teil der Elektrode, welche ein Durchgangsloch zur Zufuhr von Kohlendioxid zwischen Halteeinrichtung und flächiges Element aufweist.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung ein Reaktorgefäß zur Aufnahme des flächigen Elements, des mindestens einen stabförmigen Elements, der Halteeinrichtung und eines Teils des Elektrolyt-Zufuhrrohrs haben.
Das Reaktorgefäß kann ferner mit einer Rückführleitung zur Rückführung von überschüssigem Elektrolyt aus dem Reaktorgefäß in einen Behälter verbunden sein, aus welchem der Elektrolyt dem Reaktorgefäß zugeführt wird. Es ist auch von Vorteil, wenn die Vorrichtung zudem eine Temperaturregeleinrichtung zur Regelung der Temperatur des flächigen Elements hat.
Es ist denkbar, dass das mindestens eine stabförmige Element ein Stab aus einem hochtemperaturfesten leitfähigen Material ist.
Gemäß einer weiteren Möglichkeit kann die Vorrichtung eine Gaskühleinrichtung zur Kühlung und Entfeuchtung von mit der Vorrichtung erzeugtem Brenngas umfassen.
Außerdem ist es möglich, dass die Vorrichtung zudem eine Elektrolytkühleinrichtung hat, welche dem Elektrolyt-Zufuhrrohr vorgeschaltet ist.
Bevorzugt enthält das von der Vorrichtung erzeugte Brenngas Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe. Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Erzeugen von Brenngas gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 14 umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte: Zuführen eines Elektrolyts aus Kohlenstoff und Wasser mittels eines Elektrolyt-Zufuhrrohrs auf ein flächiges Element, Aufnehmen des Elektrolyts auf dem flächigen Element, und Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Elektrode, die dem flächigen Element zugewandt ist, und dem Elektrolyt-Zufuhrrohr, zum Bilden eines Plasmas zwischen Elektrode und Elektrolyt, wodurch das Brenngas erzeugt wird.
Ferner wird die zuvor genannte Aufgabe durch einen Elektrolyt nach Patentanspruch 15 gelöst. Der Elektrolyt hat die Bestandteile Wasser und Kohlenstoff und dient zur Verwendung bei einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung oder einem wie zuvor beschriebenen Verfahren, wobei dem Elektrolyt zudem eine Verbindung zugesetzt ist, die in wässriger Lösung in Ionen zerfällt.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung und das Verfahren sind in der Lage, unter geringer Zufuhr von elektrischer Energie eine hohe Menge an Brenngas zu erzeugen, welches bei seiner Verbrennung eine hohe Menge thermischer Energie freisetzen kann. Die thermische Energie kann mittels bekannter Verfahren in andere Energieformen, wie elektrische Energie, Dampf usw. umgesetzt werden.
Die Ausgestaltung des Elektrolyt-Zufuhrrohrs als Elektrode, an welche die Spannung zur Erzeugung von Plasma angelegt wird und die Ausgestaltung der Gegenelektrode als stabförmiges Element, das dem Elektrolyt-Zufuhrrohr zugewandt ist, wie zuvor beschrieben, ist besonders vorteilhaft, um einen hohen Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Brenngas zu erzielen.
Zudem kann das bei einer nachfolgenden Verbrennung des Brenngases freigesetzte Kohlendioxid oder auch bei der Verbrennung anderer organischer Stoffe als Abgas freigesetztes Kohlendioxid als Ausgangsmaterial zur Erzeugung des Brenngases mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung oder des zuvor beschriebenen Verfahrens Verwendung finden. Als weiteres Ausgangsmaterial kann ein wässriges Kohlenstoffgemisch aus Kohlenstoff und Wasser, also Kohleschlamm, dem gegebenenfalls zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit noch Natriumhydroxid oder Natriumchlorid beigefügt ist, zum Einsatz kommen. Kohlendioxid und Kohleschlamm, insbesondere Biomasseschlamm, sind demzufolge für die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren Rohstoffe. Dadurch dient die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren zum Recyceln von Kohlendioxid und Kohleschlamm, insbesondere Biomasseschlamm. Die energieintensive Trocknung des Kohleschlamms zur Herstellung von Kohle und die aufwändige Lagerung von Kohledioxid unter dem Erdboden sind somit nicht erforderlich.
Als weiterer Vorteil kann durch den Wechsel von fossilen Brennstoffen auf mit der Vorrichtung erzeugtem Brenngas als Brennstoff ein Kreislauf entstehen, der die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen einfach und kostengünstig beseitigt. Es ist auch besonders vorteilhaft, dass in der zuvor beschriebenen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren keine Knallgasbildung stattfindet, bei welcher Wasserstoff und Sauerstoff wieder miteinander reagieren und dadurch Wasser entsteht. Als Folge davon kann die Erzeugung von Abwärme minimiert werden. Stattdessen haben die zuvor beschriebene Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren unter geringer Energiezufuhr von elektrischer Energie eine höhere Ausbeute von Brenngas.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von
Brenngas gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Detailansicht der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer Schnittansicht eines Reaktorgefäßes der Vorrichtung; Fig. 3 eine Detailansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A ein Blockschaltbild für eine Temperaturregelung in einem Reaktorgefäß einer Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4B eine Detailansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von
Brenngas gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung identische Bezugszeichen verwendet. Ferner sind der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellte Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas ausgestaltet sein kann und das dazugehörige Verfahren zum Erzeugen von Brenngas ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu den anderen Elementen dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Brenngas 7 mittels eines Elektrolyts 8 aus Kohlenstoff (C) und Wasser (H20), dem gegebenenfalls zur Erhöhung der Leitfähigkeit noch eine Verbindung zugesetzt ist, die in wässriger Lösung in Ionen zerfällt, wie beispielsweise Natriumhydroxid (NaOH), Natriumchlorid (NaCI), Natriumsulfat (Na2S04), Kaliumhydroxid (KOH), Kaliumchlorid (KCl), Kaliumnitrat (KN03) usw. , gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Hierzu hat die Vorrichtung 1 einen Behälter 10 zur Aufnahme des Elektrolyts 8. In dem Behälter 10 kann auch ein nicht dargestelltes Rührwerk zum Rühren des Gemischs aus Kohlenstoff und Wasser vorhanden sein, so dass der Kohlenstoff in dem Wasser dispergiert ist. In den Behälter 10 münden eine Leitung 20 zur Ausleitung von Elektrolyt 8, in Pfeilrichtung, zu einer Elektrolyt-Förderpumpe 30 und eine Rückführleitung 25 zur Rückführung von Elektrolyt 8. Die Elektrolyt-Förderpumpe 30 dient zur Förderung von Elektrolyt 8 durch die Leitung 20 zu einer Elektrolytkühleinrichtung 40 zur Kühlung des Elektrolyts 8, wenn dies erforderlich sein sollte. Von der Elektrolytkühleinrichtung 40 wird der Elektrolyt 8 mittels der Leitung 20 zu einem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 geleitet, welches den Elektrolyt 8 in ein Reaktorgefäß 60 zuführt. Aus dem Reaktorgefäß 60 kann überschüssiger Elektrolyt 8 mittels der Rückführleitung 25 wieder in den Behälter 10 zurückgeführt werden. In das Reaktorgefäß 20 ragt eine Elektrode 70, deren eines Ende einem Ende des Zufuhrrohrs 50 zugewandt ist. Die anderen Enden von Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 und Elektrode 70, die voneinander abgewandt sind, sind an eine Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 angeschlossen. Wird mittels der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 über in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Stromleitungen eine Spannung zwischen dem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 (Anode) und der Elektrode 70 (Kathode) angelegt, kann zwischen der Elektrode 70 (Kathode) und dem von dem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 (Anode) zugeführten Elektrolyt 8 ein Plasma erzeugt werden. Eine Strombegrenzung am Plasma kann mittels eines elektrischen Vorschaltwiderstands 90 erzielt werden, der zwischen das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 und die Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 geschaltet ist. Durch die Wärmeentwicklung in dem Plasma bildet sich aus dem Elektrolyt 8 Brenngas 7, genauer gesagt Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) sowie gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan (CH4), wie später noch ausführlicher beschrieben. Das Brenngas 7 wird aus dem Reaktorgefäß 60 in eine Brenngaskühleinrichtung 100 zum Kühlen des Brenngases 7 geleitet, in welcher das Brenngas 7 entfeuchtet wird. Das dabei entstehende Wasser läuft oder tropft zurück in das Reaktorgefäß 60. Die Bestandteile H2 + CO des Brenngases 7 sind auch unter den Namen Synthesegas oder Stadtgas bekannt. Das Brenngas 7 kann anderen Vorrichtungen zugeführt werden, welche das Brenngas 7 zur Erzeugung von thermischer Energie verbrennen können. Hierfür kann das Brenngas 7 je nach Bedarf auch zumindest teilweise in seine Bestandteile, also Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), sowie gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan (CH4), zerlegt werden. Die Vorrichtung 1 in Fig. 1 hat ferner ein Kühlleitungssystem 1 10, welches mittels einer Kühlmittel-Förderpumpe 120, die von einer Kühlleitungssystem-Spannungsquelle 1 30 mit elektrischer Energie versorgt wird, Kühlmittel von einem Kühlmittelzulauf Kin in Pfeilrichtung über einen elektrischen Vorschaltwiderstand 140 für die Kühlleitungssystem-Spannungsquelle 130, den elektrischen Vorschaltwiderstand 90, die Elektrode 70, das Reaktorgefäß 60, die Elektrolytkühleinrichtung 40, die Gaskühleinrichtung 100 einem Kühlmittelablauf Kaus zuführt. In dem Kühlleitungssystem 1 10 ist zwischen Kühlmittelzulauf Kin und dem elektrischen Vorschaltwiderstand 140 ein Volumenstrommesser Fi vorhanden, mittels welchem das ihn durchströmende Volumen von Kühlmittel bzw. der Kühlmittelvolumenstrom und damit die Menge von Kühlmittel in dem Kühlleitungssystem messbar ist. An dem Kühlleitungssystem 1 10 sind eine Vielzahl von Temperatursensoren T T2, T3, T4, T5, T6, T7 vorhanden, welche an verschiedensten Stellen im Kühlleitungssystem 1 1 0 angeordnet sind, um jeweils die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlleitungssystem 1 1 0 zu messen. Der Temperatursensor J dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels am Eingang des Kühlleitungssystems 1 1 0 bzw. zwischen dem elektrischen Vorschaltwiderstand 140 und dem elektrischen Vorschaltwiderstand 90. Der Temperatursensor T2 dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlleitungssystem 1 10 zwischen dem elektrischen Vorschaltwiderstand 90 und der Elektrode 70. Der Temperatursensor T3 dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlleitungssystem 1 10 zwischen der Elektrode 70 und dem Reaktorgefäß 60. Der Temperatursensor T4 dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlleitungssystem 1 10 zwischen dem Reaktorgefäß 60 und der Elektrolytkühleinrichtung 40. Der Temperatursensor T5 dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlleitungssystem 1 10 zwischen der Elektrolytkühleinrichtung 40 und der Gaskühleinrichtung 100. Der Temperatursensor T6 dient zum Messen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlleitungssystem 1 10 zwischen der Gaskühleinrichtung 100 und dem Kühlmittelablauf Kaus. Der Temperatursensor T7 dient zum Messen der Temperatur der Vorrichtung 1 . Bei dem Kühlleitungssystem 1 10 in Fig. 1 kann mittels eines Ventils V die Zufuhr von Kühlmittel zu der Elektrolytkühleinrichtung 40 geregelt werden. Das Ventil V ist in dem Kühlleitungssystem 1 10 zwischen Reaktorgefäß 60 und Gaskühleinrichtung 100 eingebaut. Bei geöffnetem Ventil V wird das Kühlmittel über das Ventil V an der Elektrolytkühleinrichtung 40 vorbeigeführt. Somit dient das Ventil V als Bypass. Bei geschlossenem Ventil V durchströmt das Kühlmittel nur die Elektrolytkühleinrichtung 40 und wird an dem Ventil V vorbeigeführt. Bei nur teilweise geöffnetem bzw. geschlossenem Ventil V durchströmt das Kühlmittel je nach Öffnungs- bzw. Schließgrad des Ventils V teilweise das Ventil V und teilweise die Elektrolytkühleinrichtung 40. Fig. 2 stellt das Reaktorgefäß 60 mit Elektrode 70 und Zufuhrrohr 50 genauer dar. Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 2 auch die Option dargestellt, dass das Reaktorgefäß 60 an mehreren Stellen mit Kühlmittel durchflössen ist, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Zur besseren Veranschaulichung sind auch der Behälter 10, die Leitung 20, die Rückführleitung 25, die Elektrolytförderpumpe 30, und die Elektrolytkühleinrichtung 40 dargestellt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat das Reaktorgefäß 60 einen horizontal angeordneten Reaktorboden 61 , über dem ein zur Horizontale geneigt angeordneter Zwischenboden 62 angeordnet ist, einen ersten Raum 63, einen zweiten Raum 64, zwei vertikal angeordnete Seitenwände 65a, 65b und einen horizontal angeordneten Reaktordeckel 66 mit einem Aufsatz 67. Der erste Raum 63 ist zwischen dem Reaktorboden 61 , dem Zwischenboden 62 und einem Teil der Seitenwand 65b gebildet. Der zweite Raum ist zwischen dem Zwischenboden 62, der Seitenwand 65a, einem anderen Teil der Seitenwand 65b und dem Reaktordeckel 66 gebildet. Der erste Raum 63 und der zweite Raum 64 sind gegeneinander abgeschlossen.
In den ersten Raum 63 zwischen Reaktorboden 61 und Zwischenboden 62 kann das Kühlmittel des Kühlleitungssystems 1 10 zur Kühlung des Reaktorbodens 61 und des Zwischenbodens in das Reaktorgefäß 60 eingeleitet werden. Hierzu ist der Reaktorboden 61 in Fig. 2 mit zwei Durchgangsbohrungen 61 a, 61 b versehen, durch welche das Kühlmittel des Kühlleitungssystems 1 10 zwischen Reaktorboden 61 und Zwischenboden 62 geleitet werden kann. Die Durchgangsbohrung 61 a dient zum Einleiten des Kühlmittels aus dem Kühlleitungssystem 1 10 in den ersten Raum 63, und die Durchgangsbohrung 61 b dient zum Ableiten des Kühlmittels des Kühlleitungssystem 1 10 aus dem ersten Raum 63. Die Durchgangsbohrung 61 a befindet sich in der Nähe des niedrigsten Punkts des ersten Raums 63, die Durchgangsbohrung 61 b befindet sich in der Nähe des höchsten Punkts des ersten Raums 63. Durch den Reaktorboden 61 und den Zwischenboden 62 und somit auch den ersten Raum 63 hindurch ist zudem das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 geführt. Ein Ende 51 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 befindet sich infolgedessen außerhalb des Reaktorgefäßes 60 und ein anderes Ende 52 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 befindet sind in dem zweiten Raum 64. Das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 kann somit ebenfalls mittels des Kühlmittels des Kühlleitungssystems 1 10 gekühlt werden. In Fig. 2 ist an dem Ende 51 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50, welches au ßerhalb des Reaktorgefäßes 60 angeordnet ist, ein Anschluss 53 zum Anschluss der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 vorhanden. An den Anschluss 53 wird vorzugsweise ein positiver Pol (Pluspol) der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 angeschlossen. An dem anderen Ende 52 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 ist an einem Vorsprung 54 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 ein flächiges Element 55 angesetzt. Das andere Ende 52 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50, der Vorsprung 54 und das flächige Element 55 sind in dem zweiten Raum 64 des Reaktorgefäßes 60 angeordnet.
Das flächige Element 55 hat in Fig. 2 einen Aufnahmeteller 55a mit einer Mulde zur Aufnahme des Elektrolyts 8, der von dem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 auf das flächige Element 55 aufgebracht wird. Hierzu endet das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 an seinem anderen Ende 52 in der Mulde des Aufnahmetellers 55a. Zudem hat das flächige Element 55 einen Unterbau 55b, der unter dem Aufnahmeteller 55a angeordnet ist, und durch den das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 geführt ist. Überschüssiger Elektrolyt 8 kann mittels der Rückführleitung 25 aus dem zweiten Raum 64 des Reaktorgefäßes 60 abgeleitet und wieder in den Behälter 10 (Fig. 1 ) rückgeführt werden
Wie in Fig. 2 zudem dargestellt, ist ein Ende 71 der Elektrode 70 von dem flächigen Element 55 abgewandt, wohingegen ein anderes Ende 72 der Elektrode 70 dem flächigen Element 55 zugewandt ist. Das Ende 71 der Elektrode 70 befindet sich au ßerhalb des Reaktorgefäßes 60 und an ihm ist die Elektrode 70 über einen Anschluss 73 an die Spannungsquelle 80 anschließbar. An den Anschluss 73 wird vorzugsweise ein negativer Pol (Minuspol) der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 angeschlossen. Zudem ist die Elektrode 70 an dem Ende 71 mittels eines Einlasses 71 a und Auslasses 71 b an das Kühlleitungssystem 1 10 anschließbar, so dass die Elektrode 70 von Kühlmittel des Kühlleitungssystems 1 10 durchströmt und so gekühlt werden kann. Das Ende 71 der Elektrode 70 kann somit die Form eines Ventils haben, wie in Fig. 2 dargestellt. Das andere Ende 72 der Elektrode 70 befindet sich in dem zweiten Raum 64 und ist dem flächigen Element 55 und somit auch dem Ende 52 des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 zugewandt. Die Elektrode 70 führt also vollständig durch den Reaktordeckel 66 und den Aufsatz 67 bzw. vom Inneren des Reaktorgefäßes 60 zu seinem Äußeren. An dem anderen Ende 72 der Elektrode 70 ist eine Halteeinrichtung 74 angeordnet, an der eine Vielzahl von Stäben bzw. stabförmigen Elementen 75 befestigt sind. Die stabförmigen Elemente 75 sind hierbei jeweils mit einem ihrer Enden 75a an der Halteeinrichtung 74 befestigt, beispielsweise durch Hartlöten. Die anderen Enden 75b der stabförmigen Elemente 75 sind als Spitze ausgebildet und sind jeweils dem flächigen Element 55 zugewandt. Die stabförmigen Elemente 75 sind jeweils mit einem vorbestimmten Abstand voneinander an der Halteeinrichtung 74 angeordnet. Vorzugsweise ist der vorbestimmte Abstand aller stabförmigen Elemente 75 zueinander gleich.
Der in Fig. 2 gezeigte Aufsatz 67 hat einen Einlass 67a und einen Auslass 67b für das Kühlleitungssystem 1 10, so dass der Aufsatz 67 von Kühlmittel des Kühlleitungssystem 1 10 durchströmt wird. Dadurch wird sowohl der Aufsatz 67 als auch der neben dem Aufsatz 67 angeordnete Reaktordeckel 66 gekühlt. Aus dem Aufsatz 67 führt auch eine Leitung 67c zur Ausleitung von Brenngas 7 aus dem Reaktorgefäß 60 bzw. dem zweiten Raum 64 zu der Gaskühleinrichtung 100, auch wenn dies in Fig. 2 nicht im Detail dargestellt ist. Wird nun die Vorrichtung 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Betrieb genommen, können Wassergas bzw. Synthesegas und beispielsweise gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan usw., erzeugt werden. Hierfür wird in einem ersten Schritt der Elektrolyt 8 mittels des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50 auf das flächige Element 55, genauer gesagt auf den Aufnahmeteller 55a, zugeführt. Der Elektrolyt 8 umfasst Kohlenstoff (C) und Wasser (H20), dem gegebenenfalls noch zur Erhöhung der Leitfähigkeit die Verbindung zugesetzt ist, die in wässriger Lösung in Ionen zerfällt, wie zuvor beschrieben. Der Aufnahmeteller 55a nimmt den Elektrolyt 8 in seiner Mulde auf. Wird nun eine elektrische Spannung zwischen der Elektrode 70, insbesondere ihren stabförmigen Elementen 75 und dem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 (Anode) angelegt, um ein Plasma zwischen der Elektrode 70 (Kathode), insbesondere einem ihrer stabförmigen Elemente 75, und dem Elektrolyt 8 zu bilden, wird das Brenngas 7 erzeugt. In dem Plasma sind die Temperaturen so hoch, dass dies eine Spaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff zur Folge hat. Im Reaktorgefäß 60 bzw. im zweiten Raum 64 bzw. zwischen Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 (Anode) und Elektrode 70 (Kathode) laufen vor allem die folgenden Reaktionen ab:
Die Reaktion
Figure imgf000014_0001
bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
Die Reaktion
2H H2 bei der zwei Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül rekombinieren.
Die Reaktion
C + H20 ^ CO
bei der es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, und bei welcher Wassergas entsteht, eine Mischung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2). Die Reaktion
2 C + 02 — > 2 CO
bei welcher Generatorgas (Kohlenmonoxid (CO)) erzeugt wird. Die Reaktion
Figure imgf000015_0001
bei welcher Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (C02) verbrennt. Die Reaktion
Figure imgf000015_0002
bei welcher Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten wird. - Die Reaktion
C02 + H2 > CO + H20
bei welcher Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt wird.
Die Reaktion: m C + Ii Ii CmHäl bei welcher die Reaktionsprodukte je nach Kettenlänge gasförmig (Methan,
Ethan, Propan, Butan usw.) oder flüssig (höhere Alkane) sind.
Die Reaktion
CO + 3H2 - > CH4 + H20
bei welcher Methan (CH4) erzeugt wird. Je nach Höhe der an das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 und die Elektrode 70 angelegte Spannung und der Zusammensetzung des Elektrolyts 8, der mittels des Elektrolyt- Zufuhrrohrs 50 auf das flächige Element 55 zugeführt wird, kann das Brenngas 7 eine unterschiedliche Zusammensetzung haben. Das heißt, die oben genannten Reaktionen laufen zwar nebeneinander jedoch mit unterschiedlichen Anteilen in Bezug auf die anderen Reaktionen ab.
Je nach Bedarf kann in den Behälter 10 bzw. den Elektrolyt 8 wieder Wasser zugeführt werden, sollte der Elektrolyt 8 durch Rückführen des überschüssigen Elektrolyts 8 aus dem Reaktorgefäß 60 nicht mehr ausreichend wässrig sein.
Fig. 3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 2 zur Erzeugung von Brenngas 7 in einem ähnlichen Detail, wie bei Fig. 2. Die Vorrichtung 2 dieses Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen gleich der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels, die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Somit sind gleiche Elemente bzw. Komponenten hier nur erneut dargestellt, soweit sie für die Erläuterung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erforderlich sind.
Der Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel besteht lediglich darin, dass die Elektrode 70 zusätzlich mit einer Durchgangsöffnung 76 versehen ist, durch welche Kohlendioxid (C02) in das Reaktorgefäß 60 bzw. den zweiten Raum 64 strömen kann, wie aus Fig. 3 ersichtlich.
Das Kohlendioxid (C02) kann Abgas sein, welches bei der Verbrennung anderer Brennstoffe entstanden ist, wie zuvor beschrieben.
Somit läuft bei Betrieb der Vorrichtung 2 in deren Reaktorgefäß 60 bzw. deren zweitem Raum 64 noch zusätzlich die folgende Reaktion ab:
C02 + C ^ 2 CO bei der also ebenfalls Kohlenmonoxid (CO) entsteht, welches auch Generatorgas genannt wird. Bei dieser Reaktion stellt sich beim Betrieb der Vorrichtung 2 das Boudouard-Gleichgewicht ein, bei welchem Kohlendioxid (C02) und Kohlenstoff (C) vollständig in Kohlenmonoxid (CO) umgesetzt werden.
Eine Zuführung von Kohlendioxid (C02) in die Vorrichtung 2 kann demzufolge den Anteil von CO in dem Synthesegas (H2 + CO) erhöhen, das in dem Reaktorgefäß 60 erzeugt wird. Zusätzlich werden auch bei der Vorrichtung 2 gasförmige Kohlenwasserstoffe (Methan, Ethan, Propan, Butan usw.) erzeugt, die in dem erzeugten Brenngas 7 enthalten sind, wie zuvor beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die anderen Elemente und Funktionen der Vorrichtung 2 des zweiten Ausführungsbeispiels sind gleich den Elementen und Funktionen der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels, so dass eine weitere Beschreibung der Vorrichtung 2 hier ausgelassen werden kann.
Fig. 4A und Fig. 4B zeigen in einem dritten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 3 zur Erzeugung von Brenngas 7. Die Vorrichtung 3 dieses Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen gleich der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut, die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Somit sind gleiche Elemente bzw. Komponenten hier nur beschrieben, soweit sie für die Erläuterung des Unterschieds zwischen dem ersten und dritten Ausführungsbeispiel erforderlich sind.
Der Unterschied zwischen dem ersten und dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Temperatur in dem Reaktorgefäß 60 mittels einer Temperaturregeleinrichtung 85 regelbar ist, wie in Fig. 4A und Fig. 4B veranschaulicht.
Fig. 4A zeigt schematisch eine Temperaturregeleinrichtung 85, die einen Temperatursensor 86, eine elektronische Recheneinheit 87 und eine Energieabschirmeinrichtung 88 umfasst. Die Temperaturregeleinrichtung 85 ist hierbei über die elektronische Recheneinheit 87 mit der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 elektrisch bzw. signaltechnisch verbunden.
Der Temperatursensor 86 ist in der Energieabschirmeinrichtung 88 angeordnet und dient zum Messen der Temperatur des flächigen Elements 55 und insbesondere des Aufnahmetellers 55a. Es ist vorteilhaft, wenn der Temperatursensor 86 die Temperatur des flächigen Elements 55 und insbesondere des Aufnahmetellers 55a berührungslos misst, beispielsweise mittels Infrarotstrahlung. Die von dem Temperatursensor 86 gemessene Temperatur wird der elektronischen Recheneinheit 87 zugeführt, welche auf der Grundlage der von dem Temperatursensor 86 gemessenen Temperatur die elektrische Leistung berechnet, welche von der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 an das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 und die Elektrode 70 abzugeben ist. Abhängig von dem Ergebnis der Berechnung kann die elektronische Recheneinheit 87 die von der Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 an das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 und die Elektrode 70 abgegebene elektrische Leistung, regeln. Dadurch wird die Temperatur in dem Reaktorgefäß 60 bzw. des zwischen Elektrolyt 8 und Elektrode 70 erzeugten Plasmas geregelt, so dass letztlich die Temperatur des flächigen Elements 55 bzw. des Aufnahmetellers 55 und auch des Elektrolyt-Zufuhrrohrs 50, also von Elementen bzw. Komponenten der Vorrichtung 3, geregelt werden kann.
Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Temperatur in dem Reaktorgefäß 60 bzw. des zwischen Elektrode 70 und Elektrolyt 8 gebildeten Plasmas und außerdem der Temperatur der Komponenten in dem Reaktorgefäß 60 zu hoch oder zu niedrig ist oder wird. Dies wirkt sich sowohl positiv auf die Lebensdauer der Komponenten der Vorrichtung 3 als auch auf die Steuerbarkeit der im Reaktorgefäß 60 ablaufenden Reaktionen und damit der Zusammensetzung des Brenngases 7 aus.
Wie in Fig. 4B veranschaulicht, ist die Energieabschirmeinrichtung 88 als ein Hohlzylinder ausgeführt, der zwischen den beiden Seitenwänden 65a, 65b des Reaktorgefäßes 60 und den einander zugewandten Enden 52, 72 des Elektrolyt- Zufuhrrohrs 50 (Anode) und der Elektrode 70 (Kathode) angeordnet ist. Genauer gesagt, ist die Energieabschirmeinrichtung 88 mit einem vorbestimmten Abstand zu den Seitenwänden 65a, 65b in dem Reaktorgefäß 60 befestigt. Hierbei umgibt die Energieabschirmeinrichtung 88 die Anordnung aus Halteeinrichtung 74, stabförmigen Elementen 75, flächigem Element 55 mit dem gesamten Aufnahmeteller 55a und den größten Teil seines Unterbaus 55b, wie in Fig. 4B gezeigt. Das heißt, die Energieabschirmeinrichtung 88 ist auch mit einem zusätzlichen vorbestimmten Abstand zu der Anordnung aus Halteeinrichtung 74, stabförmigen Elementen 75, flächigem Element 55 und Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 angeordnet. Somit ist zum Einen zwischen Energieabschirmeinrichtung 88 und den Seitenwänden 65a, 65b in dem Reaktorgefäß 60 ein Zwischenraum vorhanden. Zum Anderen ist auch zwischen Energieabschirmeinrichtung 88 und der Anordnung aus Halteeinrichtung 74, stabförmigen Elementen 75, flächigem Element 55 und Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 ein anderer Zwischenraum vorhanden. Die Außenfläche der Energieabschirmeinrichtung 88 bzw. ihres Hohlzylinders, das heißt, die den Seitenwänden 65a, 65b des Reaktorgefäßes 60 zugewandte Fläche der Energieabschirmeinrichtung 88 ist vorzugsweise verspiegelt. Dadurch kann durch Plasmabildung im Reaktorgefäß 60 abgestrahlte Wärmeenergie im Innenraum des Reaktorgefäßes 60 zurückgehalten werden und sie wird nicht oder nur kaum zu den Seitenwänden 65a, 65b des Reaktorgefäßes 60 abgestrahlt. Auf diese Weise kann die Verlustwärme weiter reduziert werden und der Wirkungsgrad der Vorrichtung 3 gesteigert werden.
Die Energieabschirmeinrichtung 88 kann insbesondere als Stahlzylinder, beispielsweise aus Edelstahl, ausgeführt sein, welcher den beim Betrieb der Vorrichtung 3 herrschenden Temperaturen und den beim Betrieb der Vorrichtung 3 in dem Reaktorgefäß 60 stattfindenden Reaktionen und Reaktionsbedingungen standhalten kann.
Zusätzlich ist in Fig. 4B der Seitenwand 65b des Reaktorgefäßes 60 ein Inspektionsfenster 89 vorhanden sein, mit dem die Abläufe bzw. der Zustand in dem Reaktorgefäß 60 beobachtet werden können. Hierzu ist vorzugsweise auch die Energieabschirmeinrichtung 88 im Bereich des Inspektionsfensters 89 transparent. Alternativ hat die Energieabschirmeinrichtung 88 im Bereich des Inspektionsfensters 89 eine Aussparung.
Die anderen Elemente und Funktionen der Vorrichtung 3 des dritten Ausführungsbeispiels sind gleich den Elementen und Funktionen der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels, so dass eine weitere Beschreibung der Vorrichtung 3 hier ausgelassen werden kann.
Fig. 5 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 4 zur Erzeugung von Brenngas 7. Die Vorrichtung 4 dieses Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen gleich der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut, die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Somit sind gleiche Elemente bzw. Komponenten hier nur erneut dargestellt, soweit sie für die Erläuterung des Unterschieds zwischen dem ersten und vierten Ausführungsbeispiel erforderlich sind.
Der Unterschied zwischen dem ersten und vierten Ausführungsbeispiel besteht lediglich darin, dass der Brenngaskühleinrichtung 100 eine Brennkammer 150 und eine Rekombinationskühleinrichtung 160 nachgeschaltet sind, die auch an das Kühlleitungssystem 1 10 angeschlossen sind, so dass auch zusätzliche Temperatursensoren T8, T9, und T10 zum Einsatz kommen können, wie in Fig. 5 veranschaulicht.
In der Brennkammer 150 wird das Brenngas 7 verbrannt, um eine für industrielle Zwecke benötigte Energieform zu erzeugen, wie beispielsweise elektrische Energie, Wärmeenergie usw. Auf diese Weise kann auch die mit der Vorrichtung 3 erzeugbare thermische Energiemenge bestimmt werden. Die Brennkammer 150 kann für eine Kühlung zwischen den elektrischen Vorschaltwiderständen 90 und 140 in das Kühlleitungssystem 1 10 integriert sein.
Die Rekombinationskühleinrichtung 160 dient zur Rekombination von jeweils zwei Wasserstoffatomen (2H) zu einem Wasserstoffmolekül (H2). Eine solche Rekombinationskühleinrichtung 160 kann hilfreich sein, wenn eine solche Reaktion nicht bereits nach der Brenngaskühleinrichtung 100 ausreichend abgelaufen sein sollte. Die Rekombinationskühleinrichtung kann zwischen der Brennkammer 150 und dem elektrischen Vorschaltwiderstand 90 in das Kühlleitungssystem 1 10 integriert sein. Die anderen Elemente und Funktionen der Vorrichtung 4 des vierten Ausführungsbeispiels sind gleich den Elementen und Funktionen der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels, so dass eine weitere Beschreibung der Vorrichtung 3 hier ausgelassen werden kann.
Alle zuvor erläuterten Merkmale der Ausführungsbeispiele können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination Verwendung finden. Hierbei sind beispielsweise auch noch folgende besondere Ausgestaltungen und/oder Abwandlungen denkbar.
Die Plasmaerzeugungs-Spannungsquelle 80 aller Ausführungsbeispiele ist vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle. Die von der Plasmaerzeugungs- Spannungsquelle 80 erzeugte Gleichspannung kann jedoch auch gepulste Gleichspannung sein bzw. eine Gleichspannung der eine Wechselspannung mit einer Amplitude überlagert ist, die geringer als die Amplitude der Gleichspannung ist.
Die Kühlung von Elementen bzw. Komponenten der Vorrichtungen 1 , 2, 3 und 4 ist optional. Genauer gesagt, je nach Bedarf und Ausführung der Komponenten können auch weniger oder mehr als die in den Figuren gezeigten Komponenten an das Kühlleitungssystem 1 10 angeschlossen sein. Der Kühlbedarf richtet sich hauptsächlich nach der Ausführung und gewähltem Material der einzelnen Komponenten und der erzeugten Menge von Brenngas 7 in den Vorrichtungen 1 , 2, 3 und 4. Darüber hinaus sind auch andere Kühlungen der Komponenten der Vorrichtungen 1 , 2, 3 und 4 als mit einem Kühlleitungssystem 1 10 möglich, beispielsweise mit separaten Kühleinrichtungen für die einzelnen Komponenten.
Das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 kann aus Metall, insbesondere Messing, gefertigt sein. Sein dem Aufnahmeteller 55a zugewandtes Ende 51 kann zudem insbesondere aus Edelstahl gefertigt sein. Zudem kann das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50 außen mit Kunststoff ummantelt sein. Der Reaktorboden 61 und der Zwischenboden 62 können ebenfalls aus Metall, insbesondere Messing, gefertigt sein. Alternativ ist es auch möglich, als Material für den Reaktorboden 61 und/oder den Zwischenboden 62 Schamotte oder Aluminiumoxid (Al203) zu verwenden. Schamotte ist in diesem Zusammenhang unter anderem wegen seiner porösen Struktur besonders geeignet. Aluminiumdioxid ist in diesem Zusammenhang unter anderem wegen seiner geringen thermischen Leitfähigkeit besonders geeignet. Die beiden Seitenwände 65a, 65b und der Reaktordeckel 66 können aus den gleichen Materialien wie der Reaktorboden 61 und der Zwischenboden 62 gefertigt sein.
Das flächige Element 55 und insbesondere der Aufnahmeteller 55a können aus einem elektrisch isolierenden, beispielsweise auch dielektrischen, Material gefertigt sein.
Die Halteeinrichtung 74 kann ebenfalls aus Metall, insbesondere Messing, gefertigt sein.
Die stabförmigen Elemente 75 können aus einem hochtemperaturfesten leitfähigen Material gefertigt sein. Das hochtemperaturfeste leitfähige Material kann insbesondere Metall sein, das vorzugsweise einen hohen Schmelzpunkt hat. Das Metall kann insbesondere Wolfram sein. Das hochtemperaturfeste leitfähige Material kann jedoch auch ein keramisches Material sein, das vorzugsweise einen hohen Schmelzpunkt hat.
Das Elektrolyt-Zufuhrrohr 50, das flächige Element 55, das Reaktorgefäß 60 und die Elektrode 70 können im Querschnitt rund, eckig, oval usw. sein. Die Form der Energieabschirmeinrichtung 88 wird vorzugsweise passend hierzu gewählt, so dass die Energieabschirmeinrichtung 88 sowohl mit einem Abstand zu den Seitenwänden 65a, 65b des Reaktorgefäßes 60 als auch zu dem Elektrolyt-Zufuhrrohr 50, dem flächigen Element 55, und der Elektrode 70 angeordnet werden kann. Zudem kann die Energieabschirmeinrichtung 88 direkt an den Reaktordeckel 66 anschließen, so dass kein oder nur ein minimaler Spalt zwischen Reaktordeckel 66 und Energieabschirmeinrichtung 88 vorhanden ist. Die Energieabschirmeinrichtung 88 kann auch so hoch in dem Reaktorgefäß 60 ausgebildet sein, dass sie das flächige Element 55 seitlich vollständig umschließt. Die Energieabschirmeinrichtung 88 kann auch bis zum Zwischenboden 62 reichen. Es ist vorteilhaft, wenn die Halteeinrichtung 74 eine kreisrunde Scheibe oder Kasten ist, an der oder dem die stabförmigen Elemente 75 befestigt sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Halteeinrichtung 74 kann jedoch auch oval sein oder als eine vieleckige, insbesondere stabförmige, dreieckige, rechteckige, quadratische, usw. Scheibe oder ein Kasten ausgebildet sein.
Die Anzahl der stabförmigen Elemente 75 ist je nach Bedarf beliebig wählbar. Das Kühlmittel des Kühlleitungssystems 1 10 ist insbesondere Wasser. Es sind jedoch auch andere Kühlmittel denkbar.
Die Temperaturregeleinrichtung 85 des dritten Ausführungsbeispiels kann auch nur einen Temperatursensor 86 und eine elektronische Recheneinheit 87 umfassen. Das heißt, die Energieabschirmeinrichtung 88 kann weggelassen werden. Alternativ kann die Temperaturregeleinrichtung 85 auch nur die Energieabschirmeinrichtung 88, jedoch keinen Temperatursensor 86 und keine elektronische Recheneinheit 87, umfassen.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel kann das Inspektionsfenster 89 in der Seitenwand 65b des Reaktorgefäßes 60 auch weggelassen sein.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) zur Erzeugung von Brenngas (7), mit
einem flächigen Element (55) zur Aufnahme eines Elektrolyts (8) aus einem wässrigen Kohlenstoffgemisch aus Kohlenstoff und Wasser,
einem Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) zur Zufuhr des Elektrolyts (8) auf das flächige Element, und
einer Elektrode (70), die dem flächigen Element (55) zugewandt ist, wobei das Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) und die Elektrode (70) derart ausgestaltet sind, dass zwischen ihnen eine elektrische Spannung anlegbar ist, um zwischen Elektrode (70) und Elektrolyt (8) ein Plasma zu bilden, wodurch das Brenngas (7) erzeugbar ist.
2. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach Anspruch 1 , wobei die Elektrode (70) mindestens ein stabförmiges Element (75) aufweist, das mit einem seiner Enden (72) dem flächi- gen Element (55) zugewandt ist.
3. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach Anspruch 2, wobei das dem flächigen Element (55) zugewandte Ende (72) des stabförmigen Elements (75) spitz zulaufend ausgebildet ist.
4. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach Anspruch 2, zudem mit einer Halteeinrichtung (74), an welcher das mindestens eine stabförmige Element (75) mit seinem anderen Ende
(75a) befestigt ist, welches von dem flächigen Element (55) abgewandt ist.
5. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach Anspruch 4, wobei die Halteeinrichtung (74) ebenfalls ein flächiges Element ist, an dessen Umfang mehrere stabförmige Elemente (75) des mindestens einen stabförmigen Elements (75) voneinander beabstandet befes- tigt sind.
6. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Halteeinrichtung (74) Teil der Elektrode (70) ist, welche ein Durchgangsloch (76) zur Zufuhr von Kohlendioxid zwischen Halteeinrichtung (74) und flächiges Element (55) aufweist.
7. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, zudem mit einem Reak- torgefäß (60) zur Aufnahme des flächigen Elements (55), des mindestens einen stabförmigen Elements (75), der Halteeinrichtung (74) und eines Teils des Elektrolyt-Zufuhrrohrs (50).
8. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Reaktorgefäß (60) mit einer Rückführleitung (25) zur Rückführung von überschüssi- gern Elektrolyt (5) aus dem Reaktorgefäß (60) in einen Behälter (10) verbunden ist, aus welchem der Elektrolyt (5) dem Reaktorgefäß (60) zugeführt wird.
9. Vorrichtung (3) nach Anspruch 7 oder 8, zudem mit einer Temperaturregeleinrichtung (85) zur Regelung der Temperatur des flächigen Elements (55).
10. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das min- destens eine stabförmige Element (75) ein Stab aus einem hochtemperaturfesten leitfähigen Material ist.
1 1 . Vorrichtung (1 ; 2; 3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Gaskühleinrichtung (100) zur Kühlung und Entfeuchtung von mit der Vorrichtung (1 ; 2; 3) erzeugtem Brenngas (4).
12. Vorrichtung (1 ; 2; 3, 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Elektrolytkühleinrichtung (40), welche dem Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) vorgeschaltet ist.
13. Verfahren zum Erzeugen von Brenngas (7), mit den Schritten
Zuführen eines Elektrolyts (8) aus einem wässrigen Kohlenstoffgemisch aus Kohlenstoff und Wasser mittels eines Elektrolyt-Zufuhrrohrs (50) auf ein flächiges Element (55),
Aufnehmen des Elektrolyts (8) auf dem flächigen Element (55), und
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Elektrode (70), die dem flächigen Element (75) zugewandt ist, und dem Elektrolyt-Zufuhrrohr (50) zum Bil- den eines Plasmas zwischen Elektrode (70) und Elektrolyt (8), wodurch das Brenngas (7) erzeugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das erzeugte Brenngas (7) Wasserstoff, Koh- lenmonoxid und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei dem Elektrolyt (8) mit den Bestandteilen Wasser und Kohlenstoff zudem eine Verbindung zugesetzt ist, die in wässriger Lösung in Ionen zerfällt .
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