EP4457385A2 - Verfahren zur elektrolytischen bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen gasgemisches - Google Patents

Verfahren zur elektrolytischen bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen gasgemisches

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EP4457385A2
EP4457385A2 EP22839116.5A EP22839116A EP4457385A2 EP 4457385 A2 EP4457385 A2 EP 4457385A2 EP 22839116 A EP22839116 A EP 22839116A EP 4457385 A2 EP4457385 A2 EP 4457385A2
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EP
European Patent Office
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electrolysis
gas
container
medium
oxygen
Prior art date
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Application number
EP22839116.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günther BAUMGARTEN
Otto Baueregger
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Key Energy Anlagenbau GmbH
Original Assignee
Key Energy Anlagenbau GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for the electrolytic preparation of an oxygen-containing and hydrogen-containing gas mixture, in which current is introduced into a liquid electrolysis medium via electrodes and oxygen gas and hydrogen gas are thus generated, which exit the electrolysis medium in at least partially mixed form as electrolysis gas.
  • electrolysis device for the electrolytic production of an oxygen-containing and hydrogen-containing gas mixture
  • the electrolysis device having at least one container for receiving electrolysis medium and having electrodes arranged therein for introducing current into the electrolysis medium.
  • water electrolysis water is converted from a liquid electrolysis medium into hydrogen gas and oxygen gas by introducing electricity. These gases rise from the electrodes as they form.
  • hydrogen and oxygen are mixed, oxyhydrogen, also HHO or Brownian gas, is formed, later called electrolysis gas.
  • This gas can be used well as a fuel, but it is highly explosive and flammable and therefore poses a safety hazard. Therefore, the hydrogen gas and oxygen gas are often separated immediately after generation to avoid mixing. However, more complex structures are necessary for this and it may not be possible to completely prevent partial mixing.
  • JP S63304093 A discloses a container in which a liquid containing hydrocarbons is stored. HHO gas is introduced into the container via a pipe 2 and passed through the liquid, whereby the gas is enriched.
  • the HHO gas is highly flammable and explosive before mixing.
  • US 2009/134041 A1 discloses an electrolysis device that provides HHO gas. It is envisaged that this HHO gas after the production of the Electrolysis device is discharged and fed into the cylinder of an internal combustion engine, with mixing with additional gas can be done in a carburetor. Here, too, there is a risk of explosion when conducting the pure HHO gas.
  • the object of the invention is to increase the safety of the electrolysis or the electrolysis device and still provide a gas mixture that can be readily utilized.
  • electrolysis gas is mixed with an additional gas, which comprises lower hydrocarbons, to form a gas mixture immediately after it emerges.
  • At least one inlet of the container is connected to an additional gas source for supplying the container with an additional gas comprising lower hydrocarbons.
  • the proportion of oxygen in the gas mixture is reduced. This greatly reduces the risk of explosion and makes it easy to handle the gas.
  • the hydrocarbons ensure that the resulting gas mixture is still combustible and can be used as a fuel.
  • the electrolysis gas--and of course also the unmixed oxygen gas and hydrogen gas that may still be present--from the liquid surface enters a gas chamber in which it is mixed with the additional gas.
  • the container has a gas chamber which borders on a liquid surface of the electrolysis medium when the container is filled with electrolysis medium as intended, and that the outlet is arranged on the gas chamber.
  • the inlet can also be located at the gas chamber. It can also be below the liquid level when the container is filled as intended during normal operation. Provision can also be made here for the mixing with the additional gas to begin before it emerges from the electrolysis medium. This can be achieved, for example, by introducing the additional gas into the electrolysis medium.
  • the additional gas is preferably itself combustible.
  • Combustibility means that the gas in question can continue to burn with a suitable supply of oxygen after suitable ignition without additional fuels being necessary.
  • the additional gas is not combustible on its own, but the gas mixture obtained from the method according to the invention is already combustible.
  • Lower hydrocarbons are understood to mean hydrocarbon compounds, preferably non-cyclic hydrocarbon compounds, particularly preferably alkanes, which have no more than seven carbon atoms. So, for example, methane, ethane, propane, butane or pentane etc. are included. This group can also include cyclic hydrocarbons and/or those with double bonds, for example alkenes or multiple bonds such as alkynes.
  • the additional gas preferably consists at least predominantly of lower hydrocarbons and particularly preferably at least 80% by volume of lower hydrocarbons. It can be a mixture of lower hydrocarbons, for example natural gas, or pure lower hydrocarbons such as methane, propane or butane.
  • Percent by volume or % by volume is understood to mean the percentage by volume of a part of a mixture of the total volume of the mixture. So it is % v/v.
  • the gases are mixed with one another in such a way that the resulting gas mixture has an oxygen content of at most 15% by volume, preferably at most 12% by volume, particularly preferably at most 10% by volume, and very particularly preferably at most 5% by volume %Vol%. This ensures that the gas mixture is non-explosive and safe to handle. Because the oxygen content largely determines how great the risk of explosion or ignition is.
  • the resulting gas mixture has an oxygen content of at least 2% by volume, preferably at least 3% by volume.
  • the oxygen content of the resulting gas mixture is particularly preferably between 3% by volume and 5% by volume.
  • the gases are mixed with one another in such a way that the resulting gas mixture has a proportion of lower hydrocarbons of at most 95% by volume, preferably at most 90% by volume, particularly preferably at most 85% by volume, and very particularly preferably at most 80%.
  • the additional gas is guided along the liquid level of the electrolysis medium. This means that the electrolysis gas and possibly still pure oxygen and/or hydrogen gas are mixed with the additional gas immediately after it emerges from the liquid. A particularly good mixture is achieved by guiding the additional gas along the surface.
  • the electrolysis takes place in at least one container, also an electrolysis container, in which the electrolysis medium is arranged and that the additional gas is introduced into a gas compartment above the liquid level of the electrolysis medium. In this way, mixing can take place directly upon exit.
  • the electrolysis takes place in a substantially gas-tight container and that additional gas is introduced into the container via at least one inlet and the gas mixture is discharged via at least one outlet and that preferably at least one inlet and at least one outlet at im Substantially opposite sides of the container are arranged.
  • Sufficient mixing can take place, in particular in the case of an opposite arrangement, without additional mixing devices such as fans, nozzles or flow obstacles being provided.
  • the opposing arrangement ensures that the additional gas flows in on one side, along the surface of the liquid, and flows out again via the outlet, with the mixing with the electrolysis gas taking place automatically as a result of passing through the surface of the liquid.
  • the container has at least one outlet for discharging the gas mixture and that preferably at least one outlet and at least one inlet are arranged on opposite sides of the container. It is important that they are arranged opposite one another in the plane of the liquid surface of the electrolysis medium so that the flow takes place along the surface.
  • the oxygen content and/or the hydrogen content of the gas mixture and/or the gas flow of the additional gas before mixing and/or the gas flow of the resulting gas mixture is measured and the amount of additional gas supplied and/or an electrical output used for the electrolysis is regulated as a function of the measured values.
  • This increases safety, since the risk of an explosive gas mixture forming can be prevented.
  • provision can be made for the electrolysis to be slowed down or switched off when the inflowing amount of additional gas falls below a limit value.
  • the amount of make-up gas is increased when the measured concentration of oxygen and/or hydrogen is too high.
  • this can be done with an upper limit value.
  • this can be done using a lower limit value.
  • the amount of additional gas in the gas mixture is measured, and the amount of additional gas supplied is regulated as a function of the measured values. What has just been said then also applies analogously.
  • the electrolysis device has at least one oxygen sensor and/or at least one hydrogen sensor in a gas compartment above the electrolysis medium, in the area of the outlet and/or downstream of the outlet and/or that the electrolysis device has in the area of the outlet and/or downstream of the Outlet and/or in the region of the inlet and/or upstream of the inlet has at least one flow meter for measuring the inflowing and/or outflowing amount of gas.
  • a control device for controlling the amount of additional gas flowing into the container, which is connected to the oxygen sensor and/or hydrogen sensor and/or at least one flow meter and is set up to determine the amount of additional gas as a function of the measured To regulate values of the oxygen sensor and/or hydrogen sensor and/or the measured gas flow.
  • the flow measurement is usually the measurement of the volume of gas transported per unit of time.
  • the electrolysis is switched off when a limit temperature of the electrolysis medium and/or the gas mixture is exceeded. This reduces the risk of self-ignition due to excessive operating temperatures.
  • at least one temperature sensor for measuring the temperature of the electrolysis medium and / or of the gas mixture is provided, and that the temperature sensor is set up to end the electrolysis when a limit temperature is exceeded, for example at 50 °C.
  • the electrolysis medium comprises water and that the electrolysis medium comprises at least one base and/or at least one acid and/or at least one salt, preferably sulfuric acid and/or potassium hydroxide and/or sodium sulfate.
  • electrolysis units are arranged in the container and the electrolysis units are electrically connected in parallel with one another, that each electrolysis unit has at least one cathode and at least one anode, each of which together in one Housing are arranged and that the electrolysis units are preferably independently controllable.
  • Independent controllability means that the amount of current introduced into the electrolysis units can be adjusted steplessly or in stages, or at least switched on and off, independently of the other units.
  • the housing of at least one, preferably all, electrolysis units has at least one, preferably two openings on a side facing the surface of the electrolysis medium, and at least one opening on a side facing away from the surface of the electrolysis medium, the electrolysis gas produced can escape via the at least an upper opening and fresh electrolysis medium can flow in via the at least one lower opening and a uniform flow can be achieved.
  • At least one, preferably 9, electrically conductive plates are arranged between at least one cathode and at least one anode of the electrolysis device, which are connected to one another and/or from the cathode and/or from the anode only via the electrolysis medium are electrically connected to one another and that this cathode is preferably designed as a cathode plate and this anode is designed as an anode plate.
  • the cathode plate, the anode plate and/or the electrically conductive plates are made of a metal or an alloy, in particular preferably made of a steel such as Nirosta steel. If several electrolysis units are provided, it is preferably provided that each electrolysis unit has at least one cathode plate and one anode plate. Investigations by the inventors have shown that such an embodiment is particularly advantageous and efficient.
  • the cathode plate and anode plate are electrically conductive plates, which are connected to electrical supply lines and are thus supplied with electricity in order to carry out the electrolysis, so they serve as electrodes or are part of the electrodes. They are at least partially arranged in the electrolysis medium.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an electrolysis device according to the invention in a section
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electrolysis unit of the embodiment in a perspective view
  • FIG. 3 shows a detail of the electrolysis unit from FIG. 2 in a schematic section.
  • the embodiment of an electrolysis device 1 shown in FIG. 1 has an essentially tight container 2 in which liquid electrolysis medium 3 is arranged. Electrolysis medium 3 can be refilled via an inlet (not shown).
  • the container 2 has an inlet 4 above the liquid surface in a gas compartment, ie a gas chamber, which is connected via a pipeline to an additional gas source 5, in this case a natural gas tank.
  • an additional gas source 5 in this case a natural gas tank.
  • the latter On the side of the container 2 opposite the inlet 4, the latter has an outlet 6 which is arranged above the liquid surface and via which gas can be discharged from the container via pipelines, for example to an incinerator or to your collection tank.
  • Each electrolysis unit 7 has a housing 8 and a rectifier 9 arranged outside of the housing 8, with each rectifier 9 supplying its electrolysis unit with direct current.
  • the rectifiers 9 are connected in parallel to an AC supply voltage line 10 .
  • the electrolysis units 7 are arranged in the container 2 in such a way that their plate-shaped electrodes 11, 12 stand upright in the container, which simplifies the discharge of the gas and saves space.
  • additional gas is fed from the additional gas source 5 into the gas space of the container 2 (arrow 20).
  • the rectifiers 9 provide direct current to the electrodes 11, 12, as a result of which water in the electrolysis medium 3 is converted into oxygen gas and hydrogen gas at these electrodes. This rises in the direction of the liquid surface in the electrolysis medium 3 and at least partially mixes to form electrolysis gas.
  • the additional gas flows in via the inlet 4 and flows in the direction of the outlet 6, as a result of which it is guided directly along the liquid level by the arrangement opposite (arrows 21). As a result, it mixes with the electrolysis gas and the oxygen and hydrogen gas that are still unmixed. The resulting gas mixture is then discharged via the outlet 6 (arrow 22).
  • the inlet 4 and the outlet 6 each have flowmeters 24, 25 in the area of the container 2, via which the gas flow through the inlet 4 and outlet 6 along the pipelines is measured. By comparing the two values, conclusions can be drawn about the proportion of electrolysis gas and thus of oxygen and hydrogen in the gas mixture.
  • a control device (not shown), which is connected to the flow meters 24, 25, a control valve 23 of the additional gas source 5 and the rectifier 9, controls the proportion of electrolysis gas and thus oxygen gas in the gas mixture. For this purpose it can be provided that it throttles the amount of electricity for the electrolysis if the proportion of additional gas and thus oxygen becomes too large and/or that it increases the amount of additional gas that is derived from the additional gas source 5 .
  • FIG. 2 shows the housing 8 of an electrolysis unit 7 in detail, in this embodiment it is made of fiberglass.
  • this housing 8 has two openings 8a on an upper side, that is to say the side facing the liquid surface, through which the electrolysis gas produced during the electrolysis can escape.
  • the underside ie the side facing away from the liquid surface, there is an opening 8b through which the electrolysis liquid 3 can flow into the housing 8 .
  • the housing 8 is essentially flat so that it can accommodate large disks in a space-saving manner and several housings 8 can be accommodated next to one another in the container 2 .
  • FIG. 3 part of the interior of a housing 8 of an electrolysis unit 7 is shown. It can be seen that the positive and negative supply lines, which conduct the direct current for the electrolysis to the electrodes 11, 12, are introduced into the housing 8 on two opposite surface sides of the latter. Inside the housing 8, a total of eleven metal plates are spaced apart and stacked, the first three on one side and the last on the other side being shown here only by way of example. The plates are all essentially the same size and adapted to the shape of the housing, being held in place by plastic holders 14 in an electrically insulated manner from one another. Spaces are provided above and below the plates 11, 12, 13, through which the electrolysis medium 3 can penetrate between the plates 11, 12, 13 and electrically connect them to one another.
  • the respective outermost plates 11, 12 of the stack are each electrically connected to a supply line of the rectifier 9 via connecting members 14, with which these act as electrodes 11, 12.
  • the one connected to the negative pole acts as the cathode plate 11 and the one connected to the positive pole acts as the anode plate 12.
  • the remaining plates 13 in between are electrically connected to the poles only through the electrolysis medium 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigem Gasgemisches, wobei Strom über Elektroden (11, 12) in ein flüssiges Elektrolysemedium (3) eingeleitet wird und so Sauerstoffgas und Wasserstoffgas erzeugt wird, das aus dem Elektrolysemedium (3) in zumindest teilweise vermischter Form als Elektrolysegas austritt, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem Austritt das Elektrolysegas mit einem Zusatzgas, welches niedere Kohlenwasserstoffe umfasst, zu einem Gasgemisch vermischt wird.

Description

Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen Gasgemisches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen Gasgemisches, wobei Strom über Elektroden in ein flüssiges Elektrolysemedium eingeleitet wird und so Sauerstoffgas und Wasserstoffgas erzeugt wird, das aus dem Elektrolysemedium in zumindest teilweise vermischter Form als Elektrolysegas austritt.
Es betrifft auch eine Elektrolysevorrichtung zur elektrolytischen Herstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen Gasgemisches wobei die Elektrolysevorrichtung zumindest einen Behälter zur Aufnahme von Elektrolysemedium aufweist und darin angeordnete Elektroden zur Einleitung von Strom in das Elektrolysemedium aufweist.
Bei einer Wasserelektrolyse wird Wasser aus einem flüssigen Elektrolysemedium durch Einleitung von Strom in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas umgewandelt. Diese Gase steigen beim Entstehen von den Elektroden auf. Beim Vermischen von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Knallgas, auch HHO oder Brownsches Gas, in weiterer Folge Elektrolysegas genannt. Dieses Gas kann gut als Brennstoff verwendet werden, ist jedoch hoch explosiv und entflammbar und stellt daher ein Sicherheitsrisiko dar. Daher werden oft das Wasserstoffgas und Sauerstoffgas direkt nach der Entstehung getrennt, um eine Vermischung zu vermeiden. Jedoch sind dafür komplexere Aufbauten notwendig und gegebenenfalls kann eine teilweise Durchmischung nicht vollständig verhindert werden.
In der DE 3913143 Al wird eine Schweißvorrichtung beschrieben, die mit einem Gemisch aus HHO Gas und Kohlenwasserstoffgas betreibbar ist. Dabei wird dieses Gasgemisch auf nicht näher beschriebene Weise hergestellt.
In der JP S63304093 A wird ein Behälter offenbart, in dem eine Flüssigkeit mit Kohlenwasserstoffen gelagert ist. HHO Gas wird über eine Rohrleitung 2 in den Behälter eingeleitet und durch die Flüssigkeit geführt, wodurch eine Anreichung des Gases erfolgt. Dabei ist das HHO Gas jedoch vor der Vermischung leicht entzündlich und explosiv.
Die US 2009/134041 Al offenbart eine Elektrolysevorrichtung, die HHO Gas bereitstellt. Dabei ist vorgesehen, dass dieses HHO Gas nach der Erzeugung von der Elektrolysevorrichtung abgeführt und in die Zylinder einer Brennkraftmaschine geführt wird, wobei eine Durchmischung mit Zusatzgas in einem Vergaser erfolgen kann. Auch hier besteht bei der Leitung des reinen HHO Gases Explosionsgefahr.
Aufgabe der Erfindung ist dem entsprechend, die Sicherheit der Elektrolyse bzw. der Elektrolysevorrichtung zu erhöhen und trotzdem ein gut verwertbares Gasgemisch bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unmittelbar nach dem Austritt das Elektrolysegas mit einem Zusatzgas, welches niedere Kohlenwasserstoffe umfasst, zu einem Gasgemisch vermischt wird.
Sie wird auch dadurch gelöst, dass zumindest ein Einlass des Behälters mit einer Zusatzgasquelle zur Versorgung des Behälters mit einem niederen Kohlenwasserstoffe umfassenden Zusatzgas verbunden ist.
Durch die unmittelbare Mischung des Elektrolysegases mit dem Zusatzgas wird erreicht, dass der Anteil an Sauerstoff im Gasgemisch reduziert wird. Dadurch wird das Explosionsrisiko stark gesenkt und ein einfaches Hantieren mit dem Gas ist möglich. Durch die Kohlenwasserstoffe wird sichergestellt, dass das resultierende Gasgemisch trotzdem noch brennbar ist und gut als Brennstoff verwendet werden kann.
Unter unmittelbar nach dem Austritt ist damit gemeint, dass die Durchmischung mit dem Zusatzgas im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolysemediums erfolgt, also im Gasraum oberhalb des Elektrolysemediums. Es sollen also lange Transportwege des reinen Elektrolysegases vermieden werden, um das Explosionsrisiko möglichst zu senken. Vorzugsweise sollte die Durchmischung spätestens in einer Entfernung von 1 Meter von der Flüssigkeitsoberfläche, besonders vorzugsweise spätestens in einer Entfernung von 50 Zentimetern von der Flüssigkeitsoberfläche, beginnen.
Vorzugsweise tritt das Elektrolysegase - und natürlich auch das gegebenenfalls vorhandene noch unvermischte Sauerstoffgas und Wasserstoffgas - aus der Flüssigkeitsoberfläche in eine Gaskammer ein, in der die Durchmischung mit dem Zusatzgas erfolgt. So wird verhindert, dass ein weiterer Transport des unvermischten und damit explosionsfähigen Knallgases notwendig wird. Dem entsprechend kann vorgesehen sein, dass der Behälter eine Gaskammer aufweist, die bei betriebsmäßiger, bestimmungsgemäßer Füllung des Behälters mit Elektrolysemedium an eine Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolysemediums grenzt, und dass der Auslass an der Gaskammer angeordnet ist. Der Einlass kann ebenso an der Gaskammer angeordnet sein. Er kann auch bei betriebsmäßiger, bestimmungsgemäßer Füllung des Behälters unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Durchmischung mit dem Zusatzgas bereits vor dem Austritt aus dem Elektrolysemedium beginnt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Zusatzgas in das Elektrolysemedium eingeleitet wird.
Das Zusatzgas ist vorzugsweise bereits selbst brennbar. Dabei ist mit Brennbarkeit gemeint, dass das betreffende Gas bei geeigneter Sauerstoffzufuhr nach geeigneter Entflammung weiterbrennen kann, ohne dass zusätzliche Brennstoffe notwendig sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Zusatzgas für sich alleine nicht brennbar ist, das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Gasgemisch jedoch schon brennbar ist.
Unter niederen Kohlenwasserstoffen werden Kohlenwasserstoffverbindungen, vorzugsweise nichtzyklische Kohlenwasserstoffverbindungen, besonders vorzugsweise Alkane, verstanden, welche nicht mehr als sieben Kohlenstoffatome aufweisen. Also fallen beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan oder Pentan usw. darunter. Dabei können auch zyklische Kohlenwasserstoffe und/oder solche mit Doppelbindungen, beispielsweise Alkene oder Mehrfachbindungen wie Alkine, unter diese Gruppe fallen.
Das Zusatzgas besteht vorzugsweise zumindest überwiegend aus niederen Kohlenwasserstoffen und besonders vorzugsweise zu zumindest 80 Vol.-% aus niederen Kohlenwasserstoffen. Es kann sich dabei um ein Gemisch aus niederen Kohlenwasserstoffen handeln, beispielsweise um Erdgas, oder um reine niedere Kohlenwasserstoffe wie Methan, Propan oder Butan.
Unter Volumprozent oder Vol.-% wird der prozentuelle Volumenanteil eines Teils eines Gemisches vom Gesamtvolumen des Gemisches verstanden. Es handelt sich also um % v/v.
Es kann vorgesehen sein, dass die Gase derart miteinander vermischt werden, dass das resultierende Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von maximal 15 Vol.-%, vorzugsweise maximal 12 Vol.-%, besonders vorzugsweise maximal 10 Vol.-%, und ganz besonders vorzugsweise maximal 5% Vol.-% aufweist. So kann sichergestellt werden, dass das Gasgemisch nicht explosionsfähig ist und sicher in der Handhabung ist. Denn der Sauerstoffgehalt bestimmt maßgeblich, wie groß das Explosions- oder Entzündungsrisiko ist.
In diesem Sinne kann auch vorteilhaft sein, wenn vorgesehen ist, dass das resultierende Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von mindestens 2 Vol.-%, vorzugweise zumindest 3 Vol.-% aufweist. Besonders vorzugsweise liegt der Sauerstoffanteil des resultierenden Gasgemisches zwischen 3 Vol.-% und 5 Vol.-%. Weiters kann vorteilhaft sein, wenn die Gase derart miteinander vermischt werden, dass das resultierende Gasgemisch einen Anteil an niederen Kohlenwasserstoffen von maximal 95 Vol.-%, vorzugsweise maximal 90 Vol.-%, besonders vorzugsweise maximal 85 Vol.-%, und ganz besonders vorzugsweise maximal 80% aufweist.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Zusatzgas an dem Flüssigkeitsspiegel des Elektrolysemediums entlanggeführt wird. Dies bedingt, dass das Elektrolysegas und eventuell noch reines Sauerstoff- und/oder Wasserstoffgas direkt nachdem es aus der Flüssigkeit austritt mit dem Zusatzgas vermischt wird. Indem das Zusatzgas entlang der Oberfläche vorbeigeführt wird, wird eine besonders gute Mischung erreicht.
In diesem Sinne ist vorteilhaft, wenn die Elektrolyse in zumindest einem Behälter, auch Elektrolysebehälter erfolgt, in dem das Elektrolysemedium angeordnet ist und dass das Zusatzgas in ein Gaskompartiment oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Elektrolysemediums eingebracht wird. So kann die Durchmischung direkt bei Austritt erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Elektrolyse in einem im Wesentlichen gasdichten Behälter erfolgt und dass Zusatzgas über zumindest einen Einlass in den Behälter eingeführt wird und das Gasgemisch über zumindest einen Auslass ausgeführt wird und dass vorzugsweise zumindest ein Einlass und zumindest ein Auslass an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Behälters angeordnet sind. Insbesondere bei gegenüberliegender Anordnung kann eine ausreichende Durchmischung erfolgen, ohne, dass zusätzliche Durchmischungseinrichtungen wie Ventilatoren, Düsen oder Strömungshindernisse vorgesehen werden. Durch die gegenüberliegende Anordnung wird erreicht, dass das Zusatzgas an einer Seite einströmt, an der Flüssigkeitsoberfläche entlang, und über den Auslass wieder ausströmt, wobei durch das Passieren der Flüssigkeitsoberfläche die Durchmischung mit dem Elektrolysegas automatisch erfolgt. Dies gilt auch sinngemäß, wenn vorgesehen ist, dass der Behälter zumindest einen Auslass zum Abführen des Gasgemisches aufweist und dass vorzugsweise zumindest ein Auslass und zumindest ein Einlass auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters angeordnet sind. Dabei ist wichtig, dass sie in der Ebene der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolysemediums gegenüberliegend angeordnet sind, damit die Strömung entlang der Oberfläche erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Sauerstoffgehalt und/oder der Wasserstoffgehalt des Gasgemisches und/oder der Gasfluss des Zusatzgases vor der Vermischung und/oder der Gasfluss des resultierenden Gasgemisches gemessen wird und die Menge an zugeführten Zusatzgas und/oder eine zur Elektrolyse verwendete Stromleistung abhängig von den gemessenen Werten geregelt wird. Dies erhöht die Sicherheit, da so das Risiko der Entstehung eines explosiven Gasgemisches verhindert werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyse verlangsamt oder abgeschaltet wird, wenn die einfließende Menge an Zusatzgas einen Grenzwert unterschreitet.
Vorzugsweise wird die Menge an Zusatzgas erhöht, wenn die gemessene Konzentration an Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu hoch ist. Beispielsweise kann dies durch einen oberen Grenzwert geschehen. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Menge an Zusatzgas verringert wird, wenn die gemessene Konzentration an Sauerstoff und/oder Wasserstoff oder die gemessene Flussmenge des Gasgemisches zu niedrig ist. Beispielsweise kann dies durch einen unteren Grenzwert geschehen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die Menge an Zusatzgas im Gasgemisch gemessen wird, die Menge an zugeführten Zusatzgas abhängig von den gemessenen Werten geregelt wird. Das eben ausgeführte gilt dann auch sinngemäß.
Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrolysevorrichtung in einem Gaskompartiment oberhalb des Elektrolysemediums, im Bereich des Auslasses und/oder stromabwärts des Auslasses zumindest einen Sauerstoffsensor und/oder zumindest einen Wasserstoffsensor aufweist und/oder dass die Elektrolysevorrichtung im Bereich des Auslasses und/oder stromabwärts des Auslasses und/oder im Bereich des Einlasses und/oder stromaufwärts des Einlasses zumindest einen Durchflussmesser zur Messung der einströmenden und/oder ausströmenden Menge an Gas aufweist. In diesem Sinne ist besonders vorteilhaft, wenn eine Regeleinrichtung zur Regelung der in den Behälter einströmenden Zusatzgasmenge vorgesehen ist, welche mit dem Sauerstoffsensor und/oder Wasserstoffsensor und/oder zumindest einem Durchflussmesser verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Menge an Zusatzgas abhängig von den gemessenen Werten des dem Sauerstoffsensors und/oder Wasserstoffsensors und/oder dem gemessenen Gasfluss zu regeln. Die Ausführungen der letzten zwei Absätze gelten hier ebenso sinngemäß.
Bei der Flussmessung handelt es sich in der Regel um die Messung des transportierten Gasvolumens pro Zeiteinheit.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyse bei Überschreiten einer Grenztemperatur des Elektrolysemediums und/oder des Gasgemisches abgeschaltet wird. Dies vermindert das Risiko von Selbstentzündungen durch zu hohe Betriebstemperaturen. In diesem Sinne kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Elektrolysemediums und/oder des Gasgemisches vorgesehen ist, und dass der Temperatursensor dazu eingerichtet ist, die Elektrolyse bei Überschreiten einer Grenztemperatur zu beenden, beispielsweise bei 50 °C.
Weiters ist eine effiziente Elektrolyse möglich, wenn vorgesehen ist, dass das Elektrolysemedium Wasser umfasst und dass das Elektrolysemedium zumindest eine Lauge und/oder zumindest eine Säure und/oder zumindest ein Salz umfasst, vorzugsweise Schwefelsäure und/oder Kalilauge und/oder Natriumsulfat.
Für eine möglichst effiziente Elektrolyse kann vorgesehen sein, dass mehrere, vorzugsweise zumindest 10, besonders vorzugsweise 12 Elektrolyseeinheiten im Behälter angeordnet sind und die Elektrolyseeinheiten elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, dass jede Elektrolyseeinheit zumindest eine Katode und zumindest eine Anode aufweist, die jeweils gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind und dass die Elektrolyseeinheiten vorzugsweise unabhängig voneinander steuerbar sind.
Mit unabhängiger Steuerbarkeit ist dabei gemeint, dass die eingeleitete Strommenge in die Elektrolyseeinheiten unabhängig von den anderen Einheiten stufenlos oder abgestuft einstellbar oder zumindest ein- und ausschaltbar ist.
Weiters ist vorteilhaft, wenn zumindest eine Elektrolyseeinheit einen Gleichrichter zum Gleichrichten einer Versorgungswechselspannung der Elektrolyseeinheit aufweist und dass vorzugsweise alle Elektrolyseeinheiten jeweils einen Gleichrichter aufweisen. Die Gleichrichter werden dabei mit einer Wechselspannung versorgt und stellen den Elektroden Gleichstrom zur Verfügung.
Wenn vorgesehen ist, dass das Gehäuse zumindest einer, vorzugsweise aller Elektrolyseeinheiten an einer der Oberfläche des Elektrolysemediums zugewandten Seite zumindest ein, vorzugsweise zwei Öffnungen aufweist, und an einer der Oberfläche des Elektrolysemediums abgewandten Seite zumindest eine Öffnung aufweist, kann das entstehende Elektrolysegas über die zumindest eine obere Öffnung austreten und frisches Elektrolysemedium kann über die zumindest eine untere Öffnung einfließen und eine gleichmäßige Strömung erreicht werden.
Um die Elektrolyse besonders effizient zu gestalten kann vorgesehen sein, dass zwischen zumindest einer Katode und zumindest einer Anode der Elektrolysevorrichtung zumindest eine, vorzugsweise 9, elektrisch leitfähige Platten angeordnet sind, welche untereinander und/oder von der Katoden und/oder von der Anoden nur über das Elektrolysemedium elektrisch miteinander verbunden sind und dass diese Katode vorzugsweise als Katodenplatte und diese Anode als Anodenplatte ausgeführt sind. Vorzugsweise sind die Katodenplatte, die Anodenplatte und/oder die elektrisch leitfähigen Platten aus einem Metall oder einer Legierung, besonders vorzugsweise aus einem Stahl wie Nirosta Stahl. Falls mehrere Elektrolyseeinheiten vorgesehen sind, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass jede Elektrolyseeinheit je zumindest eine Katodenplatte und eine Anodenplatte aufweist. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass eine solche Ausführung besonders vorteilhaft und effizient ist.
Die Katodenplatte und Anodenplatte sind dabei elektrisch leitende Platten, welche mit elektrischen Versorgungsleitungen verbunden sind und so mit Strom versorgt werden, um die Elektrolyse durchzuführen, sie dienen also als Elektroden oder sind ein Teil der Elektroden. Sie sind zumindest teilweise im Elektrolysemedium angeordnet.
In der Folge wird die Erfindung anhand nicht einschränkender Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung in einem Schnitt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Elektrolyseeinheit der Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 3 einen Ausschnitt der Elektrolyseeinheit aus Fig. 2 in einem schematischen Schnitt.
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung 1 weist einen im Wesentlichen dichten Behälter 2 auf, in dem flüssiges Elektrolysemedium 3 angeordnet ist. Dabei kann über einen nicht gezeigten Einlass Elektrolysemedium 3 nachgefüllt werden. Der Behälter 2 weist oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche in einem Gaskompartiment, also einer Gaskammer, einen Einlass 4 auf, welcher über eine Rohrleitung mit einer Zusatzgasquelle 5, in diesem Fall ein Erdgastank, verbunden ist. An der dem Einlass 4 gegenüberliegenden Seite des Behälters 2 weist dieser einen Auslass 6 auf, welcher oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist und über den Gas aus dem Behälter über Rohrleitungen abgeleitet werden kann, beispielsweise zu einer Verbrennungseinrichtung oder zu deinem Sammeltank.
Im Behälter 2 sind mehrere Elektrolyseeinheiten 7 nebeneinander aufrecht angeordnet, wobei in Figur 1 nur beispielshaft drei dargestellt sind. Jede Elektrolyseeinheit 7 weist ein Gehäuse 8 sowie einen außerhalb des Gehäuses 8 angeordneten Gleichrichter 9 auf, wobei jeder Gleichrichter 9 seine Elektrolyseeinheit mit Gleichstrom versorgt. Dazu sind die Gleichrichter 9 parallel an eine Wechselversorgungsspannungsleitung 10 angeschlossen. Die Elektrolyseeinheiten 7 sind so im Behälter 2 angeordnet, dass deren plattenförmigen Elektroden 11, 12 aufrecht im Behälter stehen, womit das Ableiten des Gases vereinfacht wird und Platz gespart wird.
Während des Betriebs wird Zusatzgas aus der Zusatzgasquelle 5 in den Gasraum des Behälters 2 geleitet (Pfeil 20). Die Gleichrichter 9 stellen den Elektroden 11, 12 Gleichstrom zur Verfügung, wodurch an diesen Wasser des Elektrolysemediums 3 zu Sauerstoffgas und Wasserstoffgas umgewandelt wird. Dieses steigt im Elektrolysemedium 3 in Richtung Flüssigkeitsoberfläche auf und vermischt sich dabei zumindest teilweise zu Elektrolysegas. Das Zusatzgas strömt über den Einlass 4 ein und strömt in Richtung des Auslasses 6, wodurch es durch die gegenüberliegende Anordnung direkt am Flüssigkeitsspiegel entlang geführt wird (Pfeile 21). Dadurch vermischt es sich mit dem Elektrolysegas und noch unvermischten Sauerstoff- und Wasserstoffgas. Das so entstehende Gasgemisch wird dann über den Auslass 6 abgeführt (Pfeil 22).
Der Einlass 4 und der Auslass 6 weisen jeweils im Bereich des Behälters 2 Durchflussmesser 24, 25 auf, über die der Gasdurchfluss durch Einlass 4 und Auslass 6 entlang der Rohrleitungen gemessen wird. Über Vergleich der beiden Werte kann auf den Anteil an Elektrolysegas und damit an Sauerstoff und Wasserstoff im Gasgemisch geschlossen werden. Eine Regeleinrichtung (nicht dargestellt), welche mit den Durchflussmessern 24, 25, einem Steuerventil 23 der Zusatzgasquelle 5 und den Gleichrichtern 9 verbunden ist, regelt den Anteil an Elektrolysegas und damit an Sauerstoffgas im Gasgemisch. Dazu kann vorgesehen sein, dass sie die Strommenge für die Elektrolyse drosselt, wenn der Anteil an Zusatzgas und damit Sauerstoff zu groß wird und/oder dass sie die Zusatzgasmenge erhöht, die aus der Zusatzgasquelle 5 abgeleitet wird.
Figur 2 zeigt das Gehäuse 8 einer Elektrolyseeinheit 7 im Detail, in dieser Ausführung ist es aus Glasfaserkunststoff. Dabei weist dieses Gehäuse 8 an einer Oberseite, also der der Flüssigkeitsoberfläche zugewandten Seite, zwei Öffnungen 8a auf, über die Elektrolysegas, das während der Elektrolyse entsteht, entweichen kann. An der gegenüberliegenden Seite, der Unterseite, also der der Flüssigkeitsoberfläche abgewandten Seite, ist eine Öffnung 8b angeordnet, über welche Elektrolyseflüssigkeit 3 in das Gehäuse 8 einfließen kann. Das Gehäuse 8 ist im Wesentlichen flach ausgeführt, damit es platzsparend große Platten aufnehmen kann und mehrere Gehäuse 8 nebeneinander im Behälter 2 Platz finden.
In Figur 3 wird ein Teil des Inneren eines Gehäuses 8 einer Elektrolyseeinheit 7 gezeigt. Dabei wird sichtbar, dass die positive und negative Versorgungsleitung, die den Gleichstrom für die Elektrolyse zu den Elektroden 11, 12 leiten, an zwei gegenüberliegenden Flächenseiten des Gehäuses 8 in dieses eingeleitet werden. Im Inneren des Gehäuses 8 sind insgesamt elf Metallplatten voneinander beab- standet, gestapelt angeordnet, wobei hier nur beispielhaft die ersten drei einer Seite und die letzte auf der anderen Seite dargestellt sind. Die Platten sind alle im Wesentlichen gleich groß und an die Form des Gehäuses angepasst, wobei sie voneinander elektrisch isoliert über Kunststoffhalterungen 14 gehalten werden. Oberhalb und unterhalb der Platten 11, 12, 13 sind Räume vorgesehen, über die Elektrolysemedium 3 zwischen die Platten 11, 12, 13 eindringen kann und diese elektrisch miteinander verbindet.
Die jeweils äußersten Platten 11, 12 des Stapels sind mit jeweils einer Versorgungsleitung des Gelichrichters 9 über Verbindungsglieder 14 elektrisch verbunden, womit diese als Elektroden 11, 12 wirken. Die mit dem negativen Pol verbundene wirkt als Kathodenplatte 11 und die mit dem positiven Pol verbundene wirkt als Anodenplatte 12. Die übrigen Platten 13 dazwischen sind nur über das Elektrolysemedium 3 elektrisch mit den Polen verbunden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen Gasgemisches, wobei Strom über Elektroden (11, 12) in ein flüssiges Elektrolysemedium (3) eingeleitet wird und so Sauerstoffgas und Wasserstoffgas erzeugt wird, das aus dem Elektrolysemedium (3) in zumindest teilweise vermischter Form als Elektrolysegas austritt, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem Austritt das Elektrolysegas mit einem Zusatzgas, welches niedere Kohlenwasserstoffe umfasst, zu einem Gasgemisch vermischt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase derart miteinander vermischt werden, dass das resultierende Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von maximal 15 Vol.-%, vorzugsweise maximal 12 Vol.-%, besonders vorzugsweise maximal 10 Vol.-%, und ganz besonders vorzugsweise maximal 5% Vol.-% aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase derart miteinander vermischt werden, dass das resultierende Gasgemisch einen Anteil an niederen Kohlenwasserstoffen von maximal 95 Vol.-%, vorzugsweise maximal 90 Vol.-%, besonders vorzugsweise maximal 85 Vol.-%, und ganz besonders vorzugsweise maximal 80 Vol.-% aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgas an dem Flüssigkeitsspiegel des Elektrolysemediums (3) entlanggeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse in zumindest einem Behälter (2) erfolgt, in dem das Elektrolysemedium (3) angeordnet ist und dass das Zusatzgas in ein Gaskompartiment oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Elektrolysemediums (3) eingebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse in einem im Wesentlichen gasdichten Behälter (2) erfolgt und dass Zusatzgas über zumindest einen Einlass (4) in den Behälter (2) eingeführt wird und das Gasgemisch über zumindest einen Auslass (6) ausgeführt wird und dass vorzugsweise zumindest ein Einlass und zumindest ein Auslass (6) an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Behälters (2) angeordnet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt und/oder der Wasserstoffgehalt des Gasgemisches und/oder der Gasfluss des Zusatzgases vor der Vermischung und/oder der Gasfluss des Gasgemisches gemessen wird und die Menge an zugeführten Zusatzgas und/oder eine zur Elektrolyse verwendete Stromleistung abhängig von den gemessenen Werten geregelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysemedium (3) Wasser umfasst und dass das Elektrolysemedium (3) zumindest eine Lauge, und/oder zumindest eine Säure und/oder zumindest ein Salz umfasst, vorzugsweise Schwefelsäure und/oder Kalilauge und/oder Natriumsulfat. Elektrolysevorrichtung (1) zur elektrolytischen Herstellung eines sauerstoffhaltigen und wasserstoffhaltigen Gasgemisches wobei die Elektrolysevorrichtung (1) zumindest einen Behälter
(2) zur Aufnahme von Elektrolysemedium (3) aufweist und darin angeordnete Elektroden (11,12) zur Einleitung von Strom in das Elektrolysemedium
(3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlass
(4) des Behälters (2) mit einer Zusatzgasquelle
(5) zur Versorgung des Behälters (5) mit einem niedere Kohlenwasserstoffe umfassenden Zusatzgas verbunden ist. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) zumindest einen Auslass (6) zum Abführen des Gasgemisches aufweist und dass vorzugsweise zumindest ein Auslass (6) und zumindest ein Einlass (6) auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters (2) angeordnet sind. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung (1) in einem Gaskompartiment oberhalb des Elektrolysemediums (3), im Bereich des Auslasses (6) und/oder stromabwärts des Auslasses (6) zumindest einen Sauerstoffsensor und/oder zumindest einen Wasserstoffsensor aufweist. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung (1) im Bereich des Auslasses
(6) und/oder stromabwärts des Auslasses (6) und/oder im Bereich des Einlasses (4) und/oder stromaufwärts des Einlasses (4) zumindest einen Durchflussmesser (24, 25) zur Messung der einströmenden und/oder ausströmenden Menge an Gas aufweist. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung zur Regelung der in den Behälter (2) einströmenden Zusatzgasmenge vorgesehen ist, welche mit dem Sau- erstoffsensor und/oder Wasserstoffsensor und/oder zumindest einem Durchflussmesser (24, 25) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Menge an Zusatzgas abhängig von den gemessenen Werten des dem Sauerstoffsensors und/oder Wasserstoffsensors und/oder dem gemessenen Gasfluss zu regeln. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise zumindest 10 Elektrolyseeinheiten (7) im Behälter (2) angeordnet sind und die Elektrolyseeinheiten (7) parallel zueinander geschaltet sind, dass jede Elektrolyseeinheit (7) zumindest eine Katode (11) und zumindest eine Anode (12) aufweist, die jeweils gemeinsam in einem Gehäuse (8) angeordnet sind und dass die Elektrolyseeinheiten (7) vorzugsweise unabhängig voneinander steuerbar sind. Elektrolysevorrichtung (1) Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrolyseeinheit (7) einen Gleichrichter (9) zum Gleichrichten einer Versorgungswechselspannung der Elektrolyseeinheit (7) aufweist und dass vorzugsweise alle Elektrolyseeinheiten (7) jeweils einen Gleichrichter (9) zur Versorgung der jeweiligen Elektrolyseeinheit (7) aufweisen. Elektrolysevorrichtung (1) Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest einer, vorzugsweise aller Elektrolyseeinheiten (7) an einer der Oberfläche des Elektrolysemediums (3) zugewandten Seite zumindest ein, vorzugsweise zwei, Öffnungen (8a) aufweist, und an einer der Oberfläche des Elektrolysemediums (3) abgewandten Seite zumindest eine Öffnung (8b) aufweist. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einer Katode (11) und zumindest einer Anode (12) der Elektrolysevorrichtung (1) zumindest eine, vorzugsweise 9, elektrisch leitfähige Platten (13) angeordnet sind, welche untereinander und/oder von der Katoden (11) und/oder von der Anoden (12) nur über das Elektrolysemedium (3) elektrisch miteinander verbunden sind und dass diese Katode (11) vorzugsweise als Katodenplatte und/oder diese Anode (12) als Anodenplatte ausgeführt sind.
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