DE112014002509T5

DE112014002509T5 - System für die Elektrolyse von Wasser, das rotierende Kathoden und einen automatisierten Kathoden-Reiniger hat

Info

Publication number: DE112014002509T5
Application number: DE112014002509.7T
Authority: DE
Inventors: Zvi Livni; Omer Livni; Udi Siboni; Motti Karin
Original assignee: CQM Ltd; C Q M Ltd
Current assignee: CQM Ltd; C Q M Ltd
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20160090656A1; WO2014188432A1; CN105283423B; CN105283423A; US10301728B2

Abstract

Ein Elektrolysemechanismus zur Bereitstellung in einem Wasserbehälter, wobei das Elektrolysesystem mindestens eine rotierende Kathode hat, die an einer Achse montiert und ausgebildet ist, um sich während eines Elektrolyseprozesses zu drehen, mindestens ein stationäres Kathodenreinigungselement, das so bereitgestellt ist, dass es eine Fläche der rotierenden Kathode berührt, so dass während des Elektrolyseprozesses, während die rotierende Kathode sich dreht, Ablagerungen an der rotierenden Kathode entfernt werden, und mindestens eine stationäre Anode die angrenzend an die rotierende Kathode angeordnet ist. Eine bevorzugte Ausführungsform davon schließt Folgendes ein: eine Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden, eine Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente, wobei in jeder Lücke zwischen den rotierenden Kathoden ein stationäres Kathodenreinigungselement angeordnet ist, so dass es eine Fläche jeder der rotierenden Kathoden berührt, zwischen denen es angeordnet ist, und eine Vielzahl stationärer Anoden, so dass mindestens eine der stationären Anoden in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden angeordnet ist.

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, die in der Elektrolyse von Wasser verwendet werden, und im Speziellen betrifft es ein System für die Elektrolyse von Wasser, das rotierende Kathoden und einen automatisierten Kathoden-Reiniger hat.
Das System der vorliegenden Erfindung ist besonders gut geeignet zur Verwendung mit einem Wasserreinigungs- und -desinfektionssystem für die Behandlung von Wasser in einem im Wesentlichen geschlossenen Wasserzirkulationssystem, das Elektrolyse nutzt, um freies Chlor und andere Oxidantien zu erzeugen, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf Ozon (O₃) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂), worin das gesamte Wasser im System dem Elektrolyseprozess ausgesetzt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein System für die Elektrolyse von Wasser, das rotierende Kathoden und einen automatisierten Kathoden-Reiniger hat.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrolysemechanismus für die Verwendung in einem Wasserbehälter bereitgestellt, wobei das Elektrolysesystem Folgendes umfasst: (a) mindestens eine rotierende Kathode, die auf einer Achse montiert und ausgebildet ist, um sich während eines Elektrolyseverfahrens zu drehen; (b) mindestens ein stationäres Kathodenreinigungselement, das eingesetzt ist, um eine Fläche der rotierenden Kathode zu berühren, so dass während des Elektrolyseprozesses, während sich die rotierende Kathode dreht, Ablagerungen an der rotierenden Kathode entfernt werden; und (c) mindestens eine stationäre Anode, die angrenzend an die rotierende Kathode angeordnet ist.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung (a) ist die mindestens eine rotierende Kathode als Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden ausgebildet; (b) ist das mindestens eine stationäre Kathodenreinigungselement als Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente ausgebildet, deren Anzahl gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eines der stationären Kathodenreinigungselemente angeordnet ist, um so eine Fläche jeder der rotierenden Kathoden zu berühren, zwischen denen das eine stationäre Kathodenreinigungselement angeordnet ist; und (c) ist die mindestens eine stationäre Anode als Vielzahl stationärer Anoden ausgebildet, deren Anzahl mindestens gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eine der stationären Anoden befindet.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist das stationäre Kathodenreinigungselement so angeordnet, dass es sich von einem Punkt angrenzend an die Achse mindestens bis zu einer Kante der rotierenden Kathode erstreckt.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist das stationäre Kathodenreinigungselement als ein Element aus einer Liste ausgebildet, die Folgendes einschließt: im Wesentlichen weiche, im Wesentlichen abrasive und ein kratzendes Element.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist das kratzende Element mit Schabekanten ausgestattet und nach außen gespannt, so dass die Schabekanten die Fläche jeder der rotierenden Kathoden berühren, zwischen denen das kratzende Element angebracht ist.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist die rotierende Kathode im Wesentlichen als Scheibe ausgebildet.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur automatisierten Kathodenreinigung in einem Elektrolysesystem bereitgestellt, das mindestens eine rotierende Kathode und mindestens eine stationäre Anode hat, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Anordnen mindestens eines stationären Kathodenreinigungselements, so dass es eine Fläche der rotierenden Kathode berührt; (b) Betätigung des Elektrolysesystems, wodurch die rotierende Kathode zum Drehen gebracht wird, während dessen ein Elektrolyseverfahren durchgeführt wird; (c) Entfernen von Ablagerungen auf der rotierenden Kathode mit Hilfe des stationären Kathodenreinigungselements, während sich die rotierende Kathode dreht.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine rotierende Kathode als Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden ausgebildet, und die mindestens eine stationäre Anode ist als Vielzahl stationärer Anoden ausgebildet, so dass die Bereitstellung mindestens eines stationären Kathodenreinigungselements als die Bereitstellung einer Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente implementiert wird, deren Anzahl gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eines der stationären Kathodenreinigungselemente befindet, um so eine Fläche der rotierenden Kathoden zu berühren, zwischen denen das eine stationäre Kathodenreinigungselement angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist hierin rein exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine transparente isometrische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Systems für die Elektrolyse von Wasser ist, konstruiert und betriebsbereit gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung;
2 eine transparente isometrische Ansicht des Elektrolysemechanismus der Ausführungsform in 1 ist,
3 ein Seitenriss des Elektrolysemechanismus der Ausführungsform in 2 ist;
4 eine Draufsicht des Elektrolysemechanismus der Ausführungsform in 2 ist;
5 eine Stirnansicht des Elektrolysemechanismus der Ausführungsform in 2 ist;
6 Detail A von 5 ist;
7 eine transparente isometrische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Systems für die Elektrolyse von Wasser ist, konstruiert und betriebsbereit gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, hier dargestellt mit den Reinigungselementen in Explosionsansicht aus dem Hauptkörper heraus;
8 Detail B von 7 ist; und
9 eine isometrische Ansicht eines einzigen Reinigungselements der Ausführungsform in 7 ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Grundsätze und der Betrieb eines Systems für die Elektrolyse von Wasser mit rotierenden Kathoden und einem automatisierten Kathoden-Reiniger gemäß der vorliegenden Erfindung ist besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügte Beschreibung zu verstehen.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform 2 eines Systems für die Elektrolyse von Wasser, konstruiert und betriebsbereit gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung. Wie in solchen Systemen üblich ist, ist der Behälter 4 mit einem Einlass 6 und einem Auslass 8 versehen. Es wird erkannt werden, dass das Elektrolysesystem der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen in jedem Behälter für die Aufnahme von Wasser angebracht werden kann.
Was in solchen Systemen nicht üblich ist, ist der Antriebsmechanismus 10, hier dargestellt als ein Getriebeuntersetzungsaufbau, ausgebildet zur Befestigung an einem nicht dargestellten Antriebsmotor.
Wenn man sich nun die 2–6 ansieht, so ist mindestens eine scheibenförmige rotierende Kathode 20, hier als Vielzahl dargestellt, an der Achse 12 befestigt, die sich vom Antriebsmechanismus 10 in den Behälter 4 erstreckt. Am stationären Rahmen 30 ist mindestens eine Anode 32, hier als Vielzahl dargestellt, befestigt. In dieser Anordnung gehen die Elektronen von den rotierenden Kathoden 20 an die benachbarten Anoden 32 über, während die rotierenden Kathoden sich an der Achse 12 drehen.
Es wird erkannt werden, dass der Umfang, und damit der Oberflächeninhalt, der rotierenden Kathodenscheiben 20 und der Oberflächeninhalt der Anoden 32 je nach den Erfordernissen des jeweiligen Systems variieren können. Es versteht sich auch, dass die Figuren hierin zwar die Anoden 32 als Paar von Anoden darstellen, die symmetrisch auf beiden Seiten der Achse 12 angeordnet sind, dies jedoch nur zur Illustration einer bevorzugten Ausführungsform dient und nicht als Beschränkung der Anordnung der Anoden und ihrer Beziehung zu den rotierenden Kathoden zu interpretieren ist. Zum Beispiel liegt auch eine Ausführungsform, die Anoden nur auf der rechten Seite der Achse einschließt, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Wie es bei Systemen für die Elektrolyse von Wasser üblicherweise der Fall ist, bilden sich unerwünschte Ablagerungen auf der Oberfläche der Kathoden. Bei heutigen Systemen aus dem Stand der Technik wird versucht, dieses Problem zu lösen durch Konstruktion der Elektroden, der „Kathoden” und der „Anoden”, aus demselben Material und durch intermittierendes Wechseln der Polarität des Systems, so dass die Kathoden zu Anoden werden und die Anoden zu Kathoden werden und diese Änderung dann wiederholt wird. Es gibt mehrere Nachteile bei dieser Vorgehensweise, von denen der größte die Kosten sind. Da das effizienteste Material für Kathoden Platin oder Platinlegierungen sind, müssen beide Elektronen aus dem teuren Material hergestellt sein. Weiter können die Kosten für die elektrischen Schalter, die verwendet werden, um die Polarität des Systems umzukehren, sehr hoch sein, besonders in großen Hochleistungssystemen.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Ablagerungen sich zwar langsamer aufbauen, im Laufe der Zeit jedoch an beiden Elektroden Ablagerungen entstehen, die bei ausgeschaltetem System gereinigt werden müssen. Auch solche routinemäßige Wartung stellt einen finanziellen und Zeitverlust dar.
Das System der vorliegenden Erfindung löst diese Probleme durch Bereitstellung stationärer Kathodenreinigungselemente 40, die in Kontakt mit den rotierenden Kathoden 20 stehen und im Wesentlichen alle Ablagerungen entfernen, während das System in Betrieb ist und der Elektrolyseprozess läuft. Wie hierin erläutert, wird das stationäre Kathodenreinigungselement vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise so bereitgestellt, dass es sich von einem Rahmenelement, das hierin als Rahmen-Querholzelement 42 dargestellt ist, bis zu einem Punkt angrenzend an die Achse erstreckt, um wenigstens den Abstand im Wesentlichen von der Achse bis zur Kante der rotierenden Kathode zu überspannen.
Es wird erkannt werden, dass die Reinigungselemente im Wesentlichen aus jedem geeigneten Material hergestellt werden können, von im Wesentlichen weichem Material, wie zum Beispiel Schwamm (natürlich oder synthetisch), bis zu abrasivem Material, wie zum Beispiel Scotch-Brite^TM oder Stahlwolle. Alternativ kann das Kathodenreinigungselement als Kratzelement, wie zum Beispiel eine harte Klinge, ausgebildet sein (siehe 7–9).
Daher sind in einem System der vorliegenden Erfindung, das eine Vielzahl rotierender Kathoden hat, die Kathoden als eine Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden ausgebildet. Die stationären Kathodenreinigungselemente sind als Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente ausgebildet, deren Anzahl gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass eines der stationären Kathodenreinigungselemente in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden angeordnet ist, um so eine Fläche jeder der rotierenden Kathoden zu berühren, zwischen denen das stationäre Kathodenreinigungselement angeordnet ist. Ebenso sind die stationären Anoden als Vielzahl stationärer Anoden ausgebildet, deren Anzahl gleich der Anzahl der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eine der stationären Anoden befindet.
Es wird erkannt werden, dass die Ablagerungen, die sich am Boden des Tanks 4 sammeln, zum Beispiel durch Spülen des Tanks über den Auslass 18 entfernt werden können.
Da die rotierenden Kathoden 20 im Wesentlichen frei von Ablagerungen gehalten werden, besteht keine Notwendigkeit, die Polarität des Systems umzukehren, die rotierenden Kathoden 20 können Kathoden bleiben und die stationären Anoden 32 können Anoden bleiben. Daher müssen nur die rotierenden Kathoden 20 aus teurerem Material bestehen, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Platin. Die Anode 32 kann aus weniger teurem Material hergestellt werden, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, rostfreien Stahl.
Da keine Notwendigkeit besteht, die Polarität des Systems umzukehren, besteht auch kein Bedarf an teuren Schaltern.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform 102 eines Systems für die Elektrolyse von Wasser, konstruiert und betriebsbereit gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, ist in den 7–9 dargestellt. Es wird erkannt werden, dass der allgemeine Betrieb dieser Ausführungsform in den 7–9 im Wesentlichen identisch ist mit dem Betrieb der Ausführungsform in den 1–6, insbesondere was die Arbeit der stationären Anoden 132 und der rotierenden Kathoden 120 betrifft.
Die 7–9 werden dargestellt, um Varianten einiger der oben beschriebenen Elemente zu verdeutlichen.
Am deutlichsten sind die Kathodenreinigungselemente 140, von denen eine Vielzahl am besten in 8 und einzeln in 9 zu sehen ist.
Wie hier dargestellt, ist die Vielzahl von Kathodenreinigungselementen 140 mit dem Rahmen-Querbalkenelement 142 verbunden, das wiederum durch Verbindungselemente 144 und Verbindungsnuten 146 lösbar am Rahmen 130 befestigt ist.
Wie bei den oben beschriebenen Kathodenreinigungselementen 40 wird ein Kathodenreinigungselement 140 zwischen jeden der Vielzahl rotierender Kathoden 120 angeordnet, die sich vom Rahmen-Querbalkenelement 142 bis zu einem Punkt angrenzend an die Achse 112 erstrecken, um so mindestens den Abstand zu überbrücken, der im Wesentlichen von der Achse 112 zur Kante der rotierenden Kathode 120 reicht.
Wie am besten in 9 zu sehen ist, ist das Kathodenreinigungselement 140 als Abstreifer ausgebildet. Abstreifer 150 sind nach außen vorgespannt, so dass die Schabekanten 152a und 152b die Oberflächen beider rotierender Kathoden 120 berühren, zwischen denen sie sich befinden. Es wird ohne Weiteres verständlich sein, dass die Abstreifelemente 150 als einzelne Einheit oder als Vielzahl von Einheiten ausgebildet sein können, die als Gruppe bereitgestellt werden können.
Das Kathodenreinigungselement 140 schließt auch einen Achsenreiniger ein, der hier als Achsenabstreifer 154 dargestellt und ausgebildet ist, um in die Oberfläche der Achse 112 einzugreifen, die sich zwischen der rotierenden Kathode 120 (sic) erstreckt.
Der Pfeil 170 zeigt die Drehrichtung der rotierenden Kathoden 120 an und es wird daher erkennbar sein, dass die Kraft dieser Drehung gegen die Kathodenreinigungselemente 140 dazu neigen würde, die Kathodenreinigungselemente 140 aus ihrer miteinander ausgerichteten Position zu verschieben. Um eine solche Ausrichtungsverschiebung zu verhindern, sind die Kathodenreinigungselemente 140 mit einer Stützverlängerung 156 ausgestattet. Die Krümmung der Stützverlängerung 156 entspricht im Wesentlichen der Krümmung des Umfangs der Achse 112. Daher wird verständlich sein, dass während des Betriebs des Systems 102, während sich die rotierenden Kathoden 120 drehen, die Stützverlängerung 156 auf der Oberfläche der Achse 112 aufliegt und so eine korrekte Ausrichtung zwischen dem Kathodenreinigungselement 140 und den Abstreifelementen 150 aufrechterhalten wird.
Es versteht sich, dass es, wie oben erwähnt, in den heute gebräuchlichen Systemen normal ist, dass die Polarität der „Kathoden” und „Anoden” intermittierend umgeschaltet wird, so dass die Kathoden zu Anoden werden und die Anoden zu Kathoden werden, und dass die Änderung dann wiederholt wird. Diese Praxis zeigt, dass es in Elektrolysesystemen als Designoption betrachtet werden kann, welche Elemente Kathoden sind und welche Anoden sind. Unter diesen Bedingungen wird erkannt werden, dass, obwohl das Elektrolysesystem der vorliegenden Erfindung hierin dahingehend beschrieben ist, dass es rotierende Kathoden und stationäre Anoden hat, dies nicht als Einschränkung, sondern als Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform zu betrachten ist. Somit liegt eine Ausführungsform mit rotierenden Anoden und stationären Kathoden innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Es wird erkannt werden, dass die obigen Beschreibungen nur als Beispiele dienen sollen und dass zahlreiche andere Ausführungsformen innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind.

Claims

Ein Elektrolysemechanismus zur Anordnung in einem Wasserbehälter, wobei das Elektrolysesystem Folgendes umfasst: (a) mindestens eine rotierende Kathode, montiert an einer Achse und ausgebildet, um sich während eines Elektrolyseprozesses zu drehen; (b) mindestens ein stationäres Kathodenreinigungselement, das so ausgebildet ist, dass es eine Fläche der rotierenden Kathode berührt, so dass während des Elektrolyseprozesses, während sich die rotierende Kathode dreht, Ablagerungen an der rotierenden Kathode entfernt werden; und (c) mindestens eine stationäre Anode, an die rotierende Kathode angrenzend angeordnet.
Der Elektrolysemechanismus gemäß Anspruch 1, wobei: (a) die mindestens eine rotierende Kathode als eine Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden ausgebildet ist; (b) das mindestens eine stationäre Kathodenreinigungselement als Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente ausgebildet ist, deren Anzahl gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eines der stationären Kathodenreinigungselemente befindet, so dass es eine Fläche jeder der rotierenden Kathoden berührt, zwischen denen das eine stationäre Kathodenreinigungselement angeordnet ist; und (c) die mindestens eine stationäre Anode als Vielzahl stationärer Anoden ausgebildet ist, deren Anzahl mindestens gleich der Anzahl der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eine der stationären Anoden befindet.
Der Elektrolysemechanismus gemäß Anspruch 1, wobei das stationäre Kathodenreinigungselement so angeordnet ist, dass es sich von einem Punkt angrenzend an die Achse bis zu mindestens einer Kante der rotierenden Kathode erstreckt.
Der Elektrolysemechanismus gemäß Anspruch 3, wobei das stationäre Kathodenreinigungselement ausgebildet ist als eines aus einer Liste, die Folgendes einschließt: im Wesentlichen weich, im Wesentlichen abrasiv und ein Kratzelement.
Der Elektrolysemechanismus gemäß Anspruch 4, wobei das Kratzelement mit Schabekanten und nach außen vorgespannt ausgebildet ist, so dass die Schabekanten die Fläche jeder der rotierenden Kathoden berühren, zwischen denen das Kratzelement angeordnet ist.
Der Elektrolysemechanismus gemäß Anspruch 1, wobei die rotierende Kathode im Wesentlichen als Scheibe ausgebildet ist.
Ein Verfahren zur automatisierten Kathodenreinigung in einem Elektrolysesystem, das mindestens eine rotierende Kathode und mindestens eine stationäre Anode hat, wobei das Verfahren folgendes umfasst: (a) Anordnen mindestens eines stationären Kathodenreinigungselements, so dass es eine Fläche der rotierenden Kathode berührt; (b) Betätigung des Elektrolysesystems, wodurch die rotierende Kathode veranlasst wird, sich zu drehen, während ein Elektrolyseprozess durchgeführt wird; (c) Enfernen von Ablagerungen an der rotierenden Kathode mit Hilfe des stationären Kathodenreinigungselements, während sich die rotierende Kathode dreht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die mindestens eine rotierende Kathode als Vielzahl beabstandeter rotierender Kathoden implementiert ist und die mindestens eine stationäre Anode als Vielzahl stationärer Anoden implementiert ist, so dass die Bereitstellung mindestens eines stationären Kathodenreinigungselements als Bereitstellung einer Vielzahl stationärer Kathodenreinigungselemente ausgeführt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl von Lücken zwischen den rotierenden Kathoden ist, so dass sich in jeder der Lücken zwischen den rotierenden Kathoden eines der stationären Kathodenreinigungselemente befindet, so dass es eine Fläche jeder der rotierenden Kathoden berührt, zwischen denen das eine stationäre Kathodenreinigungselement angeordnet ist.