AT527050B1 - Elektrolytisches Reaktionssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrolytisches Reaktionssystem (1) zur Erzeugung von Prozessgasen in Form von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff. Das elektrolytische Reaktionssystem umfasst zumindest drei Elektrodengruppen (2), wobei jede dieser Elektrodengruppen (2) eine Mehrzahl hohlzylindrisch ausgebildeter, koaxial zueinander angeordneter und ineinander gestellter Elektroden umfasst. Zumindest drei Elektrodengruppen (2) sind gleichmäßig verteilt um eine gemeinsame, zentrale Hochachse (4) angeordnet. Je eine hohlzylindrische Behälterwand (5) je Elektrodengruppe (2) ist zur Aufnahme eines Elektrolyten vorgesehen. Ein Deckelelement (7) ist an oberen Stirnenden (6) von jedem der Behälterwände (5) abgestützt. Das Deckelement (7) weist in Vertikalrichtung verlaufende Durchbrüche (8) auf, welche zur Ableitung von innerhalb der Behälterwände (5) entstehenden Prozessgasen vorgesehen sind. Eine Sammelhaube (9) auf dem Deckelelement (7) ist zur Zusammenführung von aus den einzelnen Durchbrüchen (8) austretenden Prozessgasen vorgesehen. Eine ringförmig ausgebildete elektromagnetische Spule (10) mit einem zentralen Luftkern (11) ist vom Deckelement (7) aufgenommen oder am Deckelelement (7) gehaltert und derart ausgerichtet, dass deren zentraler Luftkern (11) von der zentralen Hochachse (4) der zumindest drei Elektrodengruppen (2) durchsetzt ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrolytisches Reaktionssystem zur Erzeugung von Prozessgasen in Form von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff. Insbesondere ist das erfindungsgemäße elektrolytische Reaktionssystem zur Elektrolyse von Wasser oder wasserbasierten Lösungen, beispielsweise einer Kaliumhydroxid-Lösung, vorgesehen und zur Gewinnung von Wasserstoff oder eines Mischgases aus Wasserstoff und Sauerstoff verwendbar.

[0002] Die WO2021/102494A1, welche auf die Anmelderin zurückgeht, offenbart in Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 8 ein gattungsgemäßes elektrolytisches Reaktionssystem mit einer Mehrzahl von Elektrodengruppen. Die einzelnen Elektrodengruppen umfassen in Bezug auf ihren Querschnitt zur Hochachse kreisrunde oder rechteckige, rohrförmige Elektroden. Alle Elektrodengruppen des Reaktionssystem sind von einem gemeinsamen Aufnahmebehälter umgeben, in welchem Aufnahmebehälter der Elektrolyt aufnehmbar ist und sodann mit allen Elektroden in Kontakt steht. Diese Ausgestaltung ist hinsichtlich Effizienz des Reaktionssystems nur bedingt zufriedenstellend.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein elektrolytisches Reaktionssystem zur Verfügung zu stellen, welches mit einem möglichst einfachen konstruktiven Aufbau eine hohe Effizienz bietet.

[0004] Diese Aufgabe wird durch ein elektrolytisches Reaktionssystem gemäß den Ansprüchen gelöst.

[0005] Das erfindungsgemäße elektrolytische Reaktionssystem zur Erzeugung von Prozessgasen in Form von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff umfasst,

- zumindest drei Elektrodengruppen, wobei jede dieser Elektrodengruppen eine Mehrzahl hohlzylindrisch ausgebildeter, koaxial zueinander angeordneter und ineinander gestellter Elektroden umfasst, welche hohlzylindrischen Elektroden in Radialrichtung zu einer Vertikalachse der jeweiligen Elektrodengruppe abwechselnd als Anode und Kathode vorgesehen sind,

- wobei die zumindest drei Elektrodengruppen gleichmäßig verteilt um eine gemeinsame, zentrale Hochachse angeordnet sind,

- wobei je eine hohlzylindrische Behälterwand je Elektrodengruppe zur Aufnahme eines Elektrolyten vorgesehen ist, wobei die einzelnen Behälterwände die jeweiligen Elektrodengruppen außen umgrenzen, sodass die zumindest drei Elektrodengruppen in dem Elektrolyten eintauchbar, insbesondere vom Elektrolyten umspülbar sind,

- ein Deckelelement welches an oberen Stirnenden von jedem der Behälterwände abgestützt ist und welches Deckelement in Vertikalrichtung verlaufende Durchbrüche aufweist, welche zur Ableitung von innerhalb der Behälterwände entstehenden Prozessgasen vorgesehen sind,

- eine Sammelhaube auf dem Deckelelement zur Zusammenführung von aus den einzelnen Durchbrüchen austretenden Prozessgasen,

- eine ringförmig ausgebildete elektromagnetische Spule mit einem zentralen Luftkern, welche elektromagnetische Spule vom Deckelement aufgenommen bzw. am Deckelelement gehaltert ist und derart ausgerichtet ist, dass deren zentraler Luftkern von der zentralen Hochachse der zumindest drei Elektrodengruppen durchsetzt ist.

[0006] Das erfindungsgemäße elektrolytische Reaktionssystem weist hinsichtlich der elektrolytisch erzeugten Menge an Prozessgasen eine hohe Effizienz auf. Dies zum einen dadurch, dass einzelne Elektrodengruppen gebildet sind, welchen durch einzelne Behälterwände je Elektrodengruppe jeweils eine definierte Menge an Elektrolyt, insbesondere Wasser oder eine wasserbasierte Lösung, zugewiesen ist. Es sind somit elektrolytisch weitestgehend abgegrenzt arbeitende Teilgruppen von Elektrolysezellen mit vertikal ausgerichteten, rohrförmigen Elektroden geschaffen, welche in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden können. Insbesondere kann die Menge an Elektrolyt je Elektrodengruppe im Vergleich zu einem gemeinsamen Aufnahmebehälter für alle Elektrodengruppen relativ gering gehalten werden. Die Elektrolyttemperatur je Elektrodengruppe kann dadurch rascher auf einen höheren Wert gebracht werden, was die Elektrolyseeffizienz begünstigen kann. Weiters wird durch die Maßnahme, dass das Deckelelement und

die Sammelhaube auf den einzelnen Behälterwänden lastübertragend abgestützt sind, mit wenigen Einzelelementen ein stabiler Aufbau erzielt, nachdem das Deckelelement und die Sammelhaube auf mehreren verteilt angeordneten Abstützfüßen quasi ruhen. Auch dadurch wird die Effizienz des elektrolytischen Reaktionssystems begünstigt.

[0007] Weiters wird die Effizienz des elektrolytischen Reaktionssystems in synergetischer Weise dadurch gesteigert, dass das Deckelelement auf den Aufnahmebehältern einerseits als Mehrfach-Sammelkanal bzw. als Sammelbrücke für die aus den einzelnen Elektrolytbehältern ausströmenden Prozessgase dient und darüber hinaus als Tragelement für die zentral in der Elektrodengruppen-Anordnung positionierte elektromagnetische Spule fungiert. Die in Bezug auf die Grundfläche der Elektrodengruppen-Anordnung folglich zentral positionierte elektromagnetische Spule kann mit ihrem elektromagnetischen Feld somit auf mehrere Elektrodengruppen gleichzeitig einwirken und die Gasblasenablösung von den Elektroden unterstützen bzw. die Effizienz des elektrolytischen Prozesses steigern. Insbesondere wird mit lediglich einer einzigen elektromagnetischen Spule möglichst intensiv auf mehrere, um die gemeinsame Hochachse angeordnete Elektrodengruppen eingewirkt, wodurch der elektrische Energiebedarf im Vergleich zu einer Mehrzahl von Spulen geringgehalten werden kann. Insbesondere ermöglichen die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine erhebliche Reduzierung des Primärstromes einerseits durch die Kombination und Nutzung mehrerer Elektrodengruppen bzw. Elektrolyseeinheiten, welche sich allesamt unter einem gemeinsamen Deckelelement und einer gemeinsamen Gas-Sammelhaube befinden, und andererseits durch den vergleichsweise niedrigen Strombedarf der vorzugsweise gepulst betriebenen elektromagnetischen Spule im oder am Deckelelement. Darüber hinaus sind durch das gemeinsame Deckelelement, die gemeinsame Sammelhaube und die gemeinsame elektromagnetische Spule in manchen Betriebsbereichen bzw. Frequenzbändern Resonanzeffekte beobachtbar, welche die Ablösung von Gasblasen begünstigen, welche an den Elektrodenoberflächen gebildet werden und daran haften. Einer Verringerung der aktiven Elektrodenoberfläche wird so effektiv entgegengewirkt und die Effizienz des elektrolytischen Reaktionssystems begünstigt.

[0008] Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn ein elektrisch betreibbarer Ultraschallgenerator vorgesehen ist, welcher am oder im Deckelelement gehaltert ist und derart positioniert ist, dass er von der zentralen Hochachse der zumindest drei Elektrodengruppen durchsetzt ist. Dadurch kann die Effizienz der Ablösung von Gasblasen von den Elektrodenoberflächen mit relativ geringem elektrischen Energieaufwand gesteigert werden. Die akustischen bzw. auf Körperschall basierenden Schwingungen des zentral angeordneten Ultraschallgenerators bzw. die dadurch hervorgerufenen stofflichen Schwingungen und weiters die von der zentral angeordneten elektromagnetischen Spule hervorgerufenen Schwingungen können dabei zu bestimmten Zeitpunkten Resonanzen bzw. sich addierende UÜberlagerungen ergeben und so die Ablösungsintensität von Gasblasen begünstigen. Dies wiederum erhöht die Effizienz des Elektrolyseprozesses, nachdem die wirksame Elektrodenoberfläche möglichst hoch gehalten wird. Auch durch die vertikal übereinander liegende Positionierung der aktiven Elemente Ultraschallgenerator und elektromagnetische Spule kann das Ablösen und vertikale Aufsteigen der Gasblasen unterstützt bzw. beschleunigt werden.

[0009] Ferner kann vorgesehen sein, dass die Durchbrüche im Deckelelement ausgehend von den Behälterwänden in Richtung zur Sammelhaube sich verjüngende Strömungsquerschnitte aufweisen, insbesondere jeweils kegelstumpfförmige Strömungskanäle ausbilden, wobei die großen Basiskreisdurchmesser dieser kegelstumpfförmigen Strömungskanäle den hohlzylindrischen Behälterwänden nächstliegend zugeordnet sind. Dadurch wird ausgehend von den einzelnen Elektrodengruppen bzw. ausgehend von den durch die Behälterwände definierten Reaktionsräumen in Richtung zur Sammelhaube eine Düsenwirkung gegenüber den Prozessgasen und damit eine Beschleunigung in Richtung zum kleineren Kegelstumpfdurchmesser bereitgestellt, während die Prozessgase im vergleichsweise großvolumigen, von der Sammelhaube umgrenzten Sammelraum wieder entspannt bzw. in ihrer Strömungsgeschwindigkeit wieder reduziert werden. Dadurch ist eine einfache Ausführungsform einer mehrfachen Laval-Düse geschaffen, welche eine vorteilhafte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases im verengten Ab-

schnitt zwischen dem Deckelelement und der Sammelhaube bewirkt. Durch die beschleunigte Ableitung der Prozessgase kann die Effizienz des Elektrolyseprozesses in den Elektrodengruppen begünstigt werden.

[0010] Der große Basiskreisdurchmesser der kegelstumpfförmigen Strömungskanäle kann zwischen 80% bis 110% des Innendurchmessers der hohlzylindrischen Behälterwände betragen. Insbesondere kann der große Basiskreisdurchmesser in etwa dem Innendurchmesser der hohlzylindrischen Behälterwände entsprechen. Dadurch kann eine möglichst blockierungsfreie bzw. möglichst vollständige Ausströmung der Prozessgase aus den Innenräumen der Aufnahmebehälter erzielt werden.

[0011] Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass ein Aufnahmeraum für die elektromagnetische Spule im Deckelelement in radialer Richtung zur zentralen Hochachse derart dimensioniert ist, dass die einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüche mit dem Aufnahmeraum in fluidischer Verbindung stehen, oder dass ein Aufnahmeraum für die elektromagnetische Spule im Deckelelement via Verbindungskanäle mit den einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüchen in fluidischer Verbindung steht. Durch die entsprechenden Verbindungs- bzw. Strömungskanäle können zum Einen die Prozessgase auch in den Aufnahmeraum für die elektromagnetische Spule strömen und kann zum Anderen das elektromagnetische Feld der stromdurchflossenen Spule ungehindert in die das Prozessgas führenden, in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüche gelangen. Darüber hinaus kann dadurch das elektromagnetische Feld im stromdurchflossenen Zustand der elektromagnetischen Spule mit hoher Intensität auf die von den hohlzylindrischen Behälterwänden umschlossenen Elektrolyseräume einwirken.

[0012] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass der Aufnahmeraum im Deckelelement nach einer Entfernung der Sammelhaube derart zugänglich ist, dass die elektromagnetische Spule in den Aufnahmeraum einfügbar oder aus dem Aufnahmeraum entfernbar ist. Dadurch ist es in einfacher Art und Weise möglich, eine vorzugsweise kreisringförmig oder torusförmig ausgebildete elektromagnetische Spule mit ihrem kreis- bzw. zylinderförmigen Luftkern koaxial zur zentralen, gemeinsamen Hochachse von den zumindest drei Elektrodengruppen zu positionieren und dort zu haltern.

[0013] Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn je Elektrodengruppe ein einziger, konisch sich verjüngender Durchbruch ausgebildet ist, welcher zur fluidischen Verbindung des von der jeweiligen Behälterwand umgrenzten Raumes mit dem von der Sammelhaube umgrenzten Raum vorgesehen ist. Dadurch wird in einfacher Art und Weise ein Rückströmen des Prozessgases ausgehend von dem von der Sammelhaube umgrenzten Raum in die von den Behälterwänden umgrenzten Reaktionsräume hintan gehalten, nachdem der Druck im erstgenannten Raum in der Regel geringer ist als der der Druck in den zweitgenannten Räumen. Zudem ist dadurch in einfacher Art und Weise ein Sammelkrümmer für die aus den einzelnen Elektrodengruppen austretenden und in den Sammelraum eintretenden Prozessgase geschaffen.

[0014] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass ein zentrales, koaxial zur zentralen Hochachse verlaufendes Schraubenelement ausgebildet ist, welches dazu vorgesehen ist, das Deckelement unter mechanischer Vorspannung gegen die Stirnenden der Behälterwände zu drücken. Dadurch ist eine konstruktiv möglichst einfache und zugleich zuverlässige Abdichtung im Bereich zwischen den Behälterwänden und dem darauf abgestützten Deckelelement erzielbar. Insbesondere können dadurch Verkippungen bzw. Verwindungen des Deckelementes in Relation zu den Stirnenden der Behälterwände hintangehalten werden.

[0015] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die vom Deckelelement abgewandten Stirnenden der Behälterwände an einer gemeinsamen, die zumindest drei Elektrodengruppen tragenden Basisplatte abgestützt sind, und dass das zentrale Schraubenelement in die Basisplatte einschraubbar ist, sodass vom Deckelement eine mechanische Vorspannung auf die Stirnenden der Behälterwände ausübbar ist. Dadurch sind die hohlzylindrischen Behälterwände zwischen der Basisplatte und dem Deckelelement eingespannt und kann so eine langfristig zuverlässige Abdichtung in den Übergangs- bzw. Fügebereichen zwischen den genannten Komponenten erzielt

werden.

[0016] Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass die zumindest drei Elektrodengruppen, das Deckelelement und die Sammelhaube in Radialrichtung zur zentralen Hochachse von einer hohlzylindrischen Außenwand gasdicht umgrenzt sind, und dass die Basisplatte und wenigstens eine Andrückplatte an einander gegenüberliegenden Stirnenden der hohlzylindrischen Außenwand lastübertragend abgestützt sind. Dadurch kann ein elektrolytisches Reaktionssystem geschaffen werden, welches einen guten Schutz vor einem unerwünschten Austritt von Prozessgasen in die Umgebung bietet. Die stirnseitig jeweils gedeckelte, hohlzylindrische Außenwand, welche durch ein Rohrstück definiert sein kann, bietet neben statischen Vorteilen und einer zuverlässigen Vermeidung von Leckagen auch produktionstechnische Vorteile.

[0017] Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass jeder der besagten Durchbrüche im Deckelelement jeweils eine Düse ausbildet, wobei der kleinste Querschnitt dieser Düsen im Übergangsabschnitt zwischen dem Deckelement und der Sammelhaube ausgebildet ist. Dadurch kann auf produktionstechnisch besonders einfache Art und Weise eine Laval-Düse je Elektrodengruppe geschaffen werden, welche Laval-Düsen zwischen den Aufnahmeräumen der Elektrodengruppen und dem von der Sammelhaube gebildeten, gemeinsamen Sammelraum definiert sind. Dieser Sammelraum ist eine Querschnittsvergrößerung bzw. ein Expansionsabschnitt im Strömungspfad für die aus den einzelnen Elektrodengruppen bzw. Aufnahmebehältern austretenden Prozessgase.

[0018] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der elektrisch betreibbare Ultraschallgenerator kreisringförmig ausgeführt ist und einen Innenkreisdurchmesser aufweist, welcher vom zentralen Schraubenelement durchsetzt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Mehrzahl an Elektrodenanordnungen von dem zentral positionierten Ultraschallgenerator mit jeweils gleicher Intensität von Schwingungen beaufschlagt werden. Insbesondere kann so mit nur einem zentralen Ultraschallgenerator und davon in Radialrichtung jeweils identisch beabstandeten Elektrodengruppen ein unsymmetrischer Betrieb des elektrolytischen Reaktionssystems hintangehalten werden.

[0019] Ferner kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetische Spule zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit Frequenzen im Frequenzbereich bis zu 25 kHz vorgesehen ist, insbesondere im Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 25 kHz vorgesehen ist. Zudem ist der Ultraschallgenerator zur Bereitstellung von Schallschwingungen mit Frequenzen im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 75 kHz vorgesehen. Durch Kombination der elektromagnetischen Spule und eines Ultraschallgenerators wird eine Mehrfach-Frequenzstufe und daraus folgend eine einzigartige Resonanzfrequenz erzeugt bzw. aktiviert, die in Verbindung mit der Mehrzahl an Elektrodengruppen bzw. dementsprechenden Elektrolyseeinheiten zum Einen durch wirkungsvolles Blasenmanagement eine hocheffiziente Wasserstoffbildung und -ablösung ermöglicht, und zum Anderen den Spannungsabfall als Folge der Erhöhung des Elektrolytwiderstands durch die gebildeten Wasserstoffblasen reduziert und damit verbunden auch einer Verringerung der aktiven Elektrodenfläche durch an ihr gebildeten und anhaftenden Gasblasen entgegenwirkt. Diese Effekte können in dem sich überschneidenden Frequenzbereich der elektromagnetischen Spule und des Ultraschallgenerators verstärkt auftreten, insbesondere in den sich überschneidenden Frequenzbereichen zwischen 20 kHz und 25 kHz. Die jeweiligen Frequenzbereiche der elektromagnetischen Spule und/oder des Ultraschallgenerators können dabei vom unteren Wert zum oberen Wert, und umgekehrt, innerhalb vorbestimmter Zeitspannen durchlaufen werden.

[0020] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0021] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, beispielhafter Darstellung:

[0022] Fig. 1 primäre Komponenten eines elektrolytisches Reaktionssystem in perspektivischer Darstellung;

[0023] Fig. 2 das Reaktionssystem nach Fig. 1 mit entfernter Außenwand, entfernten Andrückplatten und einer entfernten Behälterwand bei einer der Elektrodengruppen;

[0024] Fig. 3 das Reaktionssystem nach Fig. 1 in Explosionsdarstellung;

[0025] Fig. 4 ein Deckelelement, eine elektromagnetische Spule, einen Ultraschallgenerator und eine Sammelhaube des elektrolytischen Reaktionssystems nach Fig. 1 in Ansicht von schräg oben;

[0026] Fig. 5 die Komponenten gemäß Fig. 4 in Ansicht von schräg unten.

[0027] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0028] In den Fig. 1 bis 5 ist eine Ausführungsform eines elektrolytischen Reaktionssystems 1 gezeigt, welches zur Aufspaltung von Wasser oder einer wasserbasierenden Lösung in gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff vorgesehen ist. Das elektrolytisch erzeugte Prozessgas Wasserstoff kann in weiterer Folge - wie an sich bekannt - in reiner Form oder als Mischgas mit dem gasförmigen Sauerstoff beispielsweise zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen bzw. Fahrzeugen vorgesehen sein.

[0029] Das elektrolytisches Reaktionssystem 1 umfasst zumindest drei Elektrodengruppen 2. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier Elektrodengruppen 2 vorgesehen. Das elektrolytische Reaktionssystem 1 kann aber auch mehr als vier Elektrodengruppen 2 umfassen, insbesondere bis zu zehn Elektrodengruppen 2 aufweisen.

[0030] Jede dieser Elektrodengruppen 2 weist eine Mehrzahl von Elektroden auf, welche hinsichtlich ihrer Anordnung bzw. Reihenfolge abwechselnd als Anode und Kathode vorgesehen sind. Je Elektrodengruppe 2 sind zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode vorgesehen. Zweckmäßig kann es sein, wenn je Elektrodengruppe 2 zwei bis 10 Elektroden ausgeführt sind. Beispielsgemäß sind sieben abwechselnd als Anode und Kathode vorgesehene Elektroden ausgeführt.

[0031] Die einzelnen Elektroden sind hohlzylindrisch ausgeführt, insbesondere durch Rohrabschnitte definiert. Die Durchmesser der Elektroden in einer Elektrodengruppe 2 sind derart gewählt, dass diese Elektroden unter Bildung von Zwischenräumen bzw. Spalten ineinander gestellt und koaxial zueinander ausgerichtet werden können. Eine Vertikalachse 3 von jeder der Elektrodengruppen 2 liegt dabei im Zentrum der jeweiligen Elektrodenanordnung 2. Die hohlzylindrischen Elektroden je Elektrodengruppe 2 sind in Radialrichtung zur Vertikalachse 3 abwechselnd als Anode und Kathode für den Elektrolysevorgang des Elektrolyten vorgesehen, insbesondere für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt.

[0032] Wie am besten aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind die zumindest drei Elektrodengruppen 2 gleichmäßig verteilt um eine gemeinsame, zentrale Hochachse 4 angeordnet. Diese zentrale Hochachse 4 stellt dementsprechend die vertikale Zentrumsachse von mehreren rundherum angeordneten Elektrodengruppen 2 bzw. Elektrolyseeinheiten dar. Dementsprechend stellen die einzelnen Elektrodengruppen 2 in Draufsicht auf das Reaktionssystem 1 zumindest eine Dreipunkt- oder Ringanordnung um die zentrale Hochachse 4 dar.

[0033] Je Elektrodengruppe 2 ist eine eigene Behälterwand 5 ausgebildet, welche als äußere Umgrenzung bzw. als radiale Ummantelung für die jeweilige Elektrodengruppe 2 vorgesehen ist. In Fig. 2 wurde bei der vorderen Elektrodengruppe 2 die Behälterwand 5 aufgrund besserer UÜbersichtlichkeit ausgeblendet. Die einzelnen Behälterwände 5 sind analog zu den darin aufgenommenen Elektroden vorzugsweise hohlzylindrisch bzw. rohrförmig ausgeführt. Die einzelnen Behälterwände 5 je Elektrodengruppe 2 umgrenzen die jeweiligen Elektrodengruppen 2 derart, dass die Elektroden der jeweiligen Elektrodengruppen 2 in dem Elektrolyten eintauchbar sind, also im Betriebszustand des elektrolytischen Reaktionssystems 1 darin eingetaucht sind. Die Behälterwände 5 definierten dementsprechend flüssigkeitsdichte Aufnahmebehälter für den Elektrolyten und für die darin eingetauchten bzw. darin befindlichen Elektroden. Je Elektrodengruppe 2 ist ein

separates Volumen bzw. eine separate Menge an Elektrolyt vorgesehen. Vorzugsweise stehen die einzelnen Aufnahmebehälter bzw. die Innenräume der Behälterwände 5 untereinander nicht in fluidischer Kommunikation.

[0034] An den oberen Stirnenden 6 von jedem der hohlzylindrischen bzw. rohrförmigen Behälterwände 5 ist ein gemeinsames Deckelelement 7 für jedes der hohlzylindrischen Behälterwände 5 vorgesehen. Das gemeinsame Deckelelement 7 bildet einen in Vertikalrichtung oberen Abschluss bzw. Stirndeckel der Behälterwände 5 aus. Das Deckelement 7 weist eine Mehrzahl von vertikal verlaufenden Durchbrüchen 8 auf, welche zur Ableitung von innerhalb der Behälterwände 5, also innerhalb der Elektrolyt-Aufnahmebehälter entstehender Prozessgase vorgesehen sind. Entsprechend der dargestellten Ausführungsform kann je Aufnahmebehälter ein vertikal verlaufender Durchbruch im Deckelelement 7 vorgesehen sein.

[0035] Auf bzw. über dem Deckelelement 7 ist eine Sammelhaube 9 ausgebildet, welche zur Zusammenführung von aus den einzelnen Durchbrüchen 8 austretenden Prozessgasen vorgesehen ist. Die Sammelhaube 9 kann kuppel- bzw. domartig ausgeführt sein und einen Sammelraum definieren, der zur Kumulierung von aus den Durchbrüchen 8 des Deckelelements 7 austretenden Prozessgasen vorgesehen ist.

[0036] Das elektrolytische Reaktionssystem 1 umfasst weiters eine ringförmige, beispielsweise eine torusförmig ausgebildete, elektromagnetische Spule 10. Die ringförmige Spule 10 weist dementsprechend einen zentralen Luftkern 11 (Fig. 4) auf. Diese elektromagnetische Spule 10 ist vom Deckelelement 7 aufgenommen bzw. am Deckelelement 7 lastübertragend gehaltert. Die elektromagnetische Spule 10 ist dabei derart ausgerichtet, dass deren zentraler Luftkern 11 von der Hochachse 4 der zumindest drei Elektrodengruppen 2, insbesondere von der Hochachse 4 der beispielsgemäß vier Elektrodengruppen 2, durchsetzt ist. Dementsprechend verläuft die elektromagnetische Spule 10 bzw. deren Luftkern 11 koaxial zur gemeinsamen Hochachse 4 der Elektrodengruppen 2. Die elektromagnetische Spule 10 ist zur Versorgung mit pulsierender Gleichspannung und/oder mit Wechselspannung vorgesehen. Das dabei aufgebaute elektromagnetische Feld der Spule 10 wirkt dabei zu gleichen Teilen auf die zumindest drei Elektrodengruppen 2 ein bzw. wirkt deren elektromagnetisches Feld zu gleichen Teilen auf den in den Behälterwänden 5 jeweils aufgenommenen Elektrolyten ein. Nennenswerte Unterschiede in der elektromagnetischen Einwirkung je Elektrodengruppe 2, welche elektromagnetische Einwirkung von einer einzigen elektromagnetischen Spule 10 resultiert, sind damit vermieden.

[0037] Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann das elektrolytische Reaktionssystem 1 weiters einen elektrisch betreibbaren Ultraschallgenerator 12 umfassen, welcher ebenso am oder im Deckelelement 7 gehaltert ist und derart positioniert ist, dass er von der zentralen Hochachse 4 der zumindest drei Elektrodengruppen 2 durchsetzt ist. Insbesondere kann dieser Ultraschallgenerator 12 kreisringförmig ausgeführt sein und dessen im Querschnitt kreisförmiger Luftkern 13 kann von der Hochachse 4 zentral durchsetzt sein.

[0038] In den Fig. 4 und 5 sind die Teilkomponenten Sammelhaube 9, elektromagnetische Spule 10, Deckelelement 7 und Ultraschallgenerator 12 des elektrolytischen Reaktionssystems in perspektivischer Ansicht von schräg oben (Fig. 4) bzw. von schräg unten (Fig. 5) veranschaulicht. Daraus ist ersichtlich, dass die Durchbrüche 8 im Deckelelement 7 ausgehend von ihren den Behälterwänden 5 nächstliegenden Abschnitten in Richtung zur Sammelhaube 9 sich verjüngende Strömungsquerschnitte aufweisen. Insbesondere sind die Durchbrüche 8 im Deckelelement jeweils als kegelstumpfförmige Strömungskanäle 14 ausgebildet.

[0039] Eine entlang der Hochachse 4 gemessene Dicke 15 des Deckelelements 7 (Fig. 3) kann in etwa der vertikalen Länge der Strömungskanäle 14 entsprechen. Die Dicke 15 kann zwischen 20 mm bis 100 mm, insbesondere etwa 70 mm betragen, um eine adäquate Länge der vertikalen, sich verjüngenden Strömungskanäle 14 zu schaffen. Das Deckelelement 7 kann aus Vollmaterial gefertigt sein, oder abschnittsweise als Hohlkörper ausgeführt sein und beispielsweise durch ein 3D- Druck-Verfahren hergestellt sein.

[0040] Die großen Basiskreisdurchmesser 16 der kegelstumpfförmigen Strömungskanäle 14 sind

den hohlzylindrischen Behälterwänden 5 nächstliegend zugeordnet. Die kleinen Basiskreisdurchmesser 17 der Strömungskanäle 14 können an dem von den Behälterwänden 5 abgewandten Stirnende des Deckelements 7 ausgeführt sein. Der große Basiskreisdurchmesser 16 der kegelstumpfförmigen Strömungskanäle 14 kann zwischen 80% bis 110% des Innendurchmessers 18 der hohlzylindrischen Behälterwände 5 betragen. Dementsprechend entspricht der Einströmquerschnitt in die sich verjüngenden Strömungskanäle 14 in etwa dem Ausströmquerschnitt der hohlzylindrischen Behälterwände 5. Zweckmäßig kann auch sein, wenn je Elektrodengruppe 2 bzw. je Behälterwand 5 ein einziger, konisch sich verjüngender Durchbruch 8 ausgebildet ist, welcher zur fluidischen Verbindung des von der jeweiligen Behälterwand 5 umgrenzten Raumes mit dem von der Sammelhaube 9 umgrenzten Raum vorgesehen ist.

[0041] Wie vor allem aus einer Zusammenschau der Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, kann im Deckelement 7 ein Halte- bzw. Aufnahmeraum 19 für die elektromagnetische Spule 10 vorgesehen sein. Dieser Aufnahmeraum 19 ist zentral in dem in Draufsicht vorzugsweise kreisförmigen Deckelelement 7 angeordnet. Der Aufnahmeraum 19 kann - wie in den Fig. 3 und 4 beispielhaft dargestellt - in Vertikalrichtung nach oben hin offen ausgeführt sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmeraum 19 im Deckelelement 7 nach einer Entfernung der Sammelhaube 9 derart zugänglich ist, dass die elektromagnetische Spule 10 in den Aufnahmeraum 19 einfügbar oder aus dem Aufnahmeraum 19 entfernbar ist.

[0042] Der Aufnahmeraum 19 kann quer zur Hochachse 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Weiters kann der Aufnahmeraum 19 für die elektromagnetische Spule 10 im Deckelelement 7 in radialer Richtung zur zentralen Hochachse 4 derart dimensioniert sein, dass die einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüche 8 mit dem Aufnahmeraum 19 in fluidischer Verbindung stehen, indem räumliche Überschneidungen 20 ausgeführt werden. Alternativ oder in Kombination dazu kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmeraum 19 für die elektromagnetische Spule 10 im Deckelelement 7 via gesonderte Verbindungskanäle mit den einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüchen 8 in fluidischer Verbindung steht.

[0043] Wie am besten Fig. 3 zu entnehmen ist, kann vorgesehen sein, dass ein zentrales, koaxial zur zentralen Hochachse 4 verlaufendes Schraubenelement 21 ausgebildet ist, welches dazu vorgesehen ist, das Deckelement 7 unter mechanischer Vorspannung gegen die Stirnenden 6 der Behälterwände 5 zu drücken. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Deckelelement 7 indirekt gegen die Behälterwände 5 gedrückt wird, insbesondere unter Einbeziehung der Sammelhaube 9. Insbesondere kann die mit dem Schraubenelement 21 ausübbare Vorspannung zuerst auf die Sammelhaube 9 einwirken, von der Sammelhaube 9 in weiterer Folge auf das Deckelement 7 übertragen werden und letztendlich auf die Stirnenden 6 der Behälterwände 5 einwirken.

[0044] Den Fig. 1 bis 3 ist zu entnehmen, dass das elektrolytische Reaktionssystem 1 eine Basisplatte 22 aufweisen kann, an welcher die zumindest drei Elektrodengruppen 2 mit ihren vom Deckelelement 7 abgewandten Stirnenden abgestützt sind. Das zentrale Schraubenelement 21 kann in die Basisplatte 22 einschraubbar ausgeführt sein, sodass via das Deckelement 7 eine mechanische Vorspannung auf die Stirnenden 6 der Behälterwände 5 ausübbar ist.

[0045] Wie vor allem den Fig. 1 und 3 entnehmbar ist, kann das elektrolytische Reaktionssystem 1 eine hohlzylindrische Außenwand 23 umfassen. Diese hohlzylindrische bzw. rohrförmige AuBenwand 23 ist zur gasdichten Umgrenzung der zumindest drei Elektrodengruppen 2, des Deckelelements 7 und der Sammelhaube 9 in Radialrichtung zur zentralen Hochachse 4 vorgesehen. Die Basisplatte 22 und wenigstens eine Andrückplatte 24 können an einander gegenüberliegenden Stirnenden der hohlzylindrischen Außenwand 23 lastübertragend abgestützt sein, und so einen stabilen und zugleich langfristig gasdichten Aufbau gewährleisten. Die wenigstens eine Andrückplatte 24 kann auch dazu vorgesehen sein, die Sammelhaube 9 gleichmäßig und dadurch zuverlässig abdichtend gegen die Oberseite des Deckelements 7 zu drücken.

[0046] Wie weiters am besten einer Zusammenschau der Fig. 4 und 5 beispielhaft entnehmbar ist, kann jeder der besagten Durchbrüche 8 im Deckelelement 7 jeweils eine Düse 25 ausbilden. Der kleinste Querschnitt dieser Düsen 25 ist dabei im Ubergangsabschnitt zwischen dem De-

ckelement 7 und der Sammelhaube 9 ausgebildet ist. Die Sammelhaube 9 kann kuppel- bzw. domformig ausgeführt sein und im umgrenzten Bereich den Sammelraum für die aus den Durchbrüchen 8 jeweils austretenden Prozessgase definieren. Wenigstens eine Auslassöffnung 26 in der Sammelhaube 9 und in der wenigstens einen Andrückplatte 24 ist vorgesehen, um angesammelte Prozessgase entweder vermischt oder auch getrennt ableiten bzw. der weiteren Nutzung zuführen zu können. Die kuppel- oder domförmige Sammelhaube 9 kann nach unten hin von einer Bodenplatte 27 begrenzt sein und eine Mehrzahl von Öffnungen 28 aufweisen, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Strömungskanälen 14 im Deckelelement 7 und dem Sammelraum im Inneren der Sammelhaube 9 darstellen.

[0047] Der elektrisch betreibbare Ultraschallgenerator 12 kann kreisringförmig ausgeführt sein und einen Innenkreisdurchmesser 29 aufweisen, welcher vom zentralen Schraubenelement 21 durchsetzt ist. Der kreisringförmige Ultraschallgenerator 12 kann in einer nach unten hin offenen Ausnehmung 30 an der Unterseite des Deckelelements 7 eingesetzt und darin gehaltert sein.

[0048] Die elektromagnetische Spule 10 und der elektrisch betreibbare Ultraschallgenerator 12 sind an einen nicht dargestellte Energieversorgungseinheit angeschlossen. Die elektromagnetische Spule 10 ist während dem Betrieb des elektrolytischen Reaktionssystems 1 zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit Frequenzen im Frequenzbereich bis zu 25 kHz vorgesehen. Der Ultraschallgenerator 12 ist während dem Betrieb des elektrolytischen Reaktionssystems 1 zur Bereitstellung von Schallschwingungen mit Frequenzen im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 75 kHz vorgesehen.

[0049] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist.

[0050] Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen.

[0051] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Reaktionssystem

2 Elektrodengruppen

3 Vertikalachsen

4 Hochachse

5 Behälterwand

6 Stirnenden

7 Deckelelement

8 Durchbrüche

9 Sammelhaube

10 Spule

11 Luftkern

12 Ultraschallgenerator

13 Luftkern

14 Strömungskanäle

15 Dicke

16 großer Basiskreisdurchmesser 17 kleiner Basiskreisdurchmesser 18 Innendurchmesser

19 Aufnahmeraum

20 räumliche Überschneidungen 21 Schraubenelement

22 Basisplatte

23 hohlzylindrische Außenwand 24 Andrückplatte

25 Düse

26 Auslassöffnung

27 Bodenplatte

28 Öffnungen

29 Innenkreisdurchmesser

30 Ausnehmung

Claims (13)

Patentansprüche

1. Elektrolytisches Reaktionssystem (1) zur Erzeugung von Prozessgasen in Form von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff, umfassend - zumindest drei Elektrodengruppen (2), wobei jede dieser Elektrodengruppen (2) eine Mehrzahl hohlzylindrisch ausgebildeter, koaxial zueinander angeordneter und ineinander gestellter Elektroden umfasst, welche hohlzylindrischen Elektroden in Radialrichtung zu einer Vertikalachse (3) der jeweiligen Elektrodengruppe (2) abwechselnd als Anode und Kathode vorgesehen sind, - wobei die zumindest drei Elektrodengruppen (2) gleichmäßig verteilt um eine gemeinsame, zentrale Hochachse (4) angeordnet sind, gekennzeichnet durch - je eine hohlzylindrische Behälterwand (5) je Elektrodengruppe (2) zur Aufnahme eines Elektrolyten, wobei die einzelnen Behälterwände (5) die jeweiligen Elektrodengruppen (2) außen umgrenzen, sodass die zumindest drei Elektrodengruppen (2) in dem Elektrolyten eintauchbar sind, - ein Deckelelement (7) welches an oberen Stirnenden (6) von jedem der Behälterwände (5) abgestützt ist und welches Deckelement (7) in Vertikalrichtung verlaufende Durchbrüche (8) aufweist, welche zur Ableitung von innerhalb der Behälterwände (5) entstehenden Prozessgasen vorgesehen sind, - eine Sammelhaube (9) auf dem Deckelelement (7) zur Zusammenführung von aus den einzelnen Durchbrüchen (8) austretenden Prozessgasen, - eine ringförmig ausgebildete elektromagnetische Spule (10) mit einem zentralen Luftkern (11), welche elektromagnetische Spule (10) vom Deckelement (7) aufgenommen oder am Deckelelement (7) gehaltert ist und derart ausgerichtet ist, dass deren zentraler Luftkern (11) von der zentralen Hochachse (4) der zumindest drei Elektrodengruppen (2) durchsetzt ist.

2, Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrisch betreibbaren Ultraschallgenerator (12), welcher am oder im Deckelelement (7) gehaltert ist und derart positioniert ist, dass er von der zentralen Hochachse (4) der zumindest drei Elektrodengruppen (2) durchsetzt ist.

3. Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (8) im Deckelelement (7) ausgehend von den Behälterwänden (5) in Richtung zur Sammelhaube (9) sich verjüngende Strömungsquerschnitte aufweisen.

4. Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (8) im Deckelelement jeweils kegelstumpfförmige Strömungskanäle (14) ausbilden, wobei die großen Basiskreisdurchmesser (16) dieser kegelstumpfförmigen Strömungskanäle (14) den hohlzylindrischen Behälterwänden (5) nächstliegend zugeordnet sind.

5. Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der große Basiskreisdurchmesser (16) der kegelstumpfförmigen Strömungskanäle (14) zwischen 80% bis 110% eines Innendurchmessers (18) der hohlzylindrischen Behälterwände (5) beträgt.

6. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmeraum (19) für die elektromagnetische Spule (10) im Deckelelement (7) in radialer Richtung zur zentralen Hochachse (4) derart dimensioniert ist, dass die einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüche (8) mit dem Aufnahmeraum (19) in fluidischer Verbindung stehen, oder dass ein Aufnahmeraum (19) für die elektromagnetische Spule (10) im Deckelelement (7) via Verbindungskanäle mit den einzelnen in Vertikalrichtung verlaufenden Durchbrüchen (8) in fluidischer Verbindung steht.

7. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Elektrodengruppe (2) ein einziger, konisch sich verjüngender Durch-

bruch (8) ausgebildet ist, welcher zur fluidischen Verbindung des von der jeweiligen Behälterwand (5) umgrenzten Raumes mit dem von der Sammelhaube (9) umgrenzten Raum vorgesehen ist.

8. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrales, koaxial zur zentralen Hochachse (4) verlaufendes Schraubenelement (21) ausgebildet ist, welches dazu vorgesehen ist, das Deckelement (7) unter mechanischer Vorspannung gegen die Stirnenden (6) der Behälterwände (5) zu drücken.

9. Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Deckelelement (7) abgewandten Stirnenden der Behälterwände (5) an einer gemeinsamen, die zumindest drei Elektrodengruppen (2) tragenden Basisplatte (22) abgestützt sind, und dass das zentrale Schraubenelement (21) in die Basisplatte (22) einschraubbar ist, sodass vom Deckelement (7) eine mechanische Vorspannung auf die Stirnenden (6) der Behälterwände (5) ausübbar ist.

10. Elektrolytisches Reaktionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Elektrodengruppen (2), das Deckelelement (7) und die Sammelhaube (9) in Radialrichtung zur zentralen Hochachse (4) von einer hohlzylindrischen Außenwand (23) gasdicht umgrenzt sind, und dass die Basisplatte (22) und wenigstens eine Andrückplatte (24) an einander gegenüberliegenden Stirnenden der hohlzylindrischen Außenwand (23) lastübertragend abgestützt sind.

11. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der besagten Durchbrüche (8) im Deckelelement (7) jeweils eine Düse (25) ausbildet, wobei der kleinste Querschnitt dieser Düsen (25) im Ubergangsabschnitt zwischen dem Deckelement (7) und der Sammelhaube (9) ausgebildet ist.

12. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch betreibbare Ultraschallgenerator (12) kreisringförmig ausgeführt ist und einen Innenkreisdurchmesser (29) aufweist, welcher vom zentralen Schraubenelement (21) durchsetzt ist.

13. Elektrolytisches Reaktionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Spule (10) zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit Frequenzen im Frequenzbereich bis zu 25 kHz vorgesehen ist, und dass der Ultraschallgenerator (12) zur Bereitstellung von Schallschwingungen mit Frequenzen im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 75 kHz vorgesehen ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen