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Verfahren und Vorrichtung zur Ausführung einer Elektrolyse unter
Druck Die Erfindung bezieht sich auf neuartige Verfahren zur Herstellung von chemischen
Verbindungen mittels neuartiger Vorrichtungen.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien sind von besonderem
Vorteil bei elektrolytischen Prozessen, die unter äußerer Druckcin;\rirkung stattfinden,
und werden nachstehend im Zusammenhang mit der elektrolytischen Herstellung von
Wasserstoff und Sauerstoff beschrieben.
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Dieselben Grundprinzipien sind jedoch im wesentlichen auch bei zahlreichen
anderen chemischen und elektrochemischen Verfahren anwendbar. Dies ist der Fall
vor allem bei solchen Verfahren, welche von hohen Drücken günstig beeinflußt werden;
insoweit diese Grundprinzipien auf
solche anderen Vorgänge anwendbar
sind, sind sie Teil dieser Erfindung.
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Es sind verschiedene frühere Versuche im Zusammenhang mit der Elektrolyse
unter Druck bekannt, bei welchen Druck in kostspieligen, dickwandigen Druckbehältern
aus Metall bei Normalbedingungen außerhalb des Druckgefäßes erzeugt wurde. Ein Gesichtspunkt
der Erfindung ist, allgemein ausgedrückt, daß sie von derartigen Versuchen dadurch
abweicht, daß sie von den geologischen Gegebenheiten der Erdoberfläche und -kruste,
wo hohe Druckzustände herrschen, welche zur Ausführung von chemischen und elektrochemischen
Prozessen benutzt werden können, Gebrauch macht.
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Die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse
in einem Druckgefäß hat verschiedene Vorteile gegenüber früheren Verfahren. Beispielsweise
werden in vielen Elektrolyseanlagen zweipolige Zellen benutzt, welche ein relativ
ungünstiges Größenverhältnis aufweisen; gewöhnlich etwa ein Punftel der üblicheren
einpoligen Zelle, und Wasserstoff bei Drücken zwischen 30 und 200 Atmosphären herstellen.
Gewisse Vorteile können durch die Druckanwendung erzielt werden, zum Beispiel ist
der Spannungsbedarf an der Zelle um so niedriger, je höher der Druck ist, wodurch
die Stromstärke erhöht wird, was wiederum zu einer weiteren Verringerung der Spannung
führt, da diese höheren Temperaturen standhalten können. Dadurch kann der spezifische
Energiebedarf unter die bei Elektrolyseanlagen, welche bei atmosphärischem Druck
arbeiten, üblichen 0,130 bis o,145 KTh/scf (etwa 4,58 bis 5,11 kWh/Nm³) herabgesetzt
werden. Neben der wirtschaftlichen Energieausnutzung ist auch der Aufwand für die
Kühlung geringer als bei
Elektrolyseanlagen unter atmosphärischem
Druck und außer dem werden die Kosten für die mechanische Druckerzeugung dadurch
umgangen, daß die erzeugten Gase unter Drücken abgegeben werden, die im wesentlichen
dem Betriebsdruck in der Elektrolyseanlage gleich sind. Letzteres ist von besonderer
Bedeutung, wenn ein Gas einem chemischen Prozeß unter Druck zugeführt werden muß,
wie dies zum Beispiel bei der Ammoniak-Synthese erwünscht ist, um Kosten hinsichtlich
Verdichtung und großer Lagerbehälter zu sparen. Während die obenstehenden Vorteile
mittels der Elektrolyse unter Druck zu erreichen sind, ergeben sich jedoch sowohl
wirtschaftliche als auch technische Schwierigkeiten bei der Druckanwendung. Von
größter Bedeutung ist die Aufrechterhaltung eines völlig dichten Systems.
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Aufgrund der Arbeitsweise der Elektrolysezelle führt bereits das geringste
Entweichen eines der Gase in die Atmosphäre zu Druckunterschieden zwischen der Anoden-und
Kathodenkammer, was unter Umständen zu einer MDchmg der Gase und dem Entstehen einer
gefährlichen Situation führen kann. Aus diesem Grund muß der Druckbehälter aus geeigneten,
hochwertigen Werkstoffen mit solcher Genauigkeit hergestellt sein, daß Undichten
vermieden werden, während es jedoch möglich sein muß, die dissoziierten Gase in
solchen Mengen abzuziehen, daß das System im Gleichgewicht bleibt. Deshalb müssen
Hochdruck-Elektrolyseanlagen im Vergleich zu Atmo sphärendruck-Elektro ly seanlagen
teure Druckbehälter mit Wandungen von großer Wandstärke und relativ kleine Elektrodenoberflåchen
aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung der geschilderten und anderer
Nachteile von Hochdruck-Elektrolyseanlagen und die zusätzliche Herbeiführung verschiedener
Vorteile.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, in welchem Elektrolyseanlagen
außer dem Innendruck in der Apparatur auch dem Überdruck eines äußeren Mediums,
in welchem das Zellen-Druckgefäß sich während des Betriebes befindet, ausgesetzt
wird.
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Einer der Vorteile gegenüber Anlagen bekannter Ausführung liegt in
der Wirtschaftlichkeit des Aufbaus und des Betriebes. Außerdem liegen in einem Medium,
wie z.B.
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Wasser, die erzeugten Gase unter praktisch dem gleichen Druck sie
das Medium vor und neigen daher nicht zum Entweichen, obgleich selbst in einem solchen
Palle eine gefährliche Situation nicht unmittelbar entstände. Zusätzlich zur Wirtschaftlichkeit
des Betriebes können demnach Einsparungen an Versicherungs- und Anlagekosten erzielt
werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Grundprinzip der
Erfindung in der weitgehenden Ausgleichung des Druckes innerhalb und außerhalb des
Druckgefäßes, z.B. durch Einbringung des Druckgefäßes in ein flüssiges Medium, wie
Wasser, in eine Tiefe, bei elcher der statische Druck ungefähr gleich dem gewählten
inneren Betriebsdruck der Elektrolyse-Zelle ist, oder durch Anwendung eines neuartigen
Druckbehälters, welcher zuläßt, daß der Druck der Flüssigkeit einen weitgehenden
Druckausgleich innerhalb des Behälters herbeiführt, wodurch die gewöhnlich durch
den Innendruck auftretenden Spannungen im Druckbehälter im wesentlichen durch den
Außendruck des flüssigen Mediums kompensiert werden. Die Art des äußeren Mediums
ist nicht auf einflüssiges Medium beschränkt, es kann ebenso gasförmig oder fest
oder in verschiedener Kombination der vorgenannten vorliegen. Aufgrund des Auvendrucks
ist es möglich, den Behälter aus dünnen, relativ billigen Werkstoffen
zu
konstruieren, große Elektrodenkammern können vorgesehen werden, und ganz allgemein
können alle Vorteile der Atmosphärendruck-Anlage erzielt werden, während gleichzeitig
die Anlagen mit Überdruck betrieben werden können, um sämtliche Vorteile der Überdruck-Anlagen
zu erreichen.
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Der Aufbau einer geeigneten elektrolytischen Zelle für den Betrieb
unter Druck im Rahmen dieser Erfindung kann nach bekannten Prinzipien erfolgen und
ist kein kritischer Bestandteil der Erfindung. Es ist deshalb möglich, die Grundlagen
dieser Erfindung bei Elektrolyse-Zellen mit getrennten Elektroden, oder Einheitszellen
mit zwei Anoden und einer Kathode oder umgekehrt, oder Vielfach-Zellen, Membran-Zellen,
glockenförmige Zellen und dgl. anzuwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines neuartigen
Verfahrens sowie einer neuartigen Vorrichtung zur Ausführung von chemischen und
elektrochemischen Prozessen bei +Überdruck, insbesondere unter Anwendung von Druck
mittels eines äußeren Mediums, wodurch die Nachteile des erhöhten Innendrucks in
dem bei chemischen und elektrochemischen Verfahren üblicherweise verwendeten Druckbehältern,
vermieden werden.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Herstellungsanlage,
bei der ein Druckbehälter sich in einem Medium befindet, dessen darüber lastende
Flüssigkeitssäule dazu benutzt wird, den Innendruck im Behälter wie auch den Außendruck
zu erhöhen, oder auch um lediglich den durch bereits bekannte Verfahren hergestellten
Innendruck auszugleichen.
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Weitere Zwecke der Erfindung sind: Schaffung eines neuartigen Verfahrens
zur Überdruck-Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff
in einem Behälter, dessen Innendruck sich nicht vom Umgebungsdruck unterscheidet.
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Schaffung eines neuartigen Verfahrens zur Herbeiführung von Überdruck
in einem Elektrolysebehälter.
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Schaffung einer neuartigen Vorrichtung, die aus Behältern besteht,
welche geeignet sind, in oder unter ein äußeres Medium verbracht zu werden, und
in der sich der Druck des innen befindlichen Mediums aufrechterhalten laßt, ohne
daß das äußere Medium mit dem Medium innerhalb des Behälters in Beziehung tritt.
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Schaffung von Verfahren und Systemen, bei denen die obenerlfahnten
Behälter mit Ausgangsmaterialien beschickt und die Endprodukte unter Druck abgeführt
werden.
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Schaffung von Verfahren zur Herstellung von CheT'likalien und chemischen
Verbindungen unter druck durch chemische und elektrochemische Methoden unter Versfendung
von durch ein äußeres Medium auf erhöhten Druck gebrachten Realtionsgefäßen.
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Schaffung von Vorrichtungen zum Entfernen und zur Lagerung der hergestellten
Produkte unter Druck in Lagerbehältern, die sich ebenfalls in einem Medium unter
Überdruck befinden oder sonst entsprechend ausgestattet sind, um die Produkte bis
zum Zeitpunkt des Weiter transportes oder Verbrauchs unter Druck zu halten.
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Schaffung von Verfahren und Vorrichtungen zur Elektrolyse von Wasser
unter hohem Druck in einem äußeren Medium, wie Wasser, dessen Druck auf dem Niveau
des Behälters in diesem einen Druck erzeugt, der dem Außendruck ungefähr gleich
ist.
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Verschiedene weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung sind aus der
nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Elektrolyseanlage
auf dem Grund eines Gewässers zeigt unter Angabe der Bauteile der Anlage.
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Fig. i-A ist eine Frontansicht des Elektrolysebehälters der Fig.
1.
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Elektrolyseanlage gemäß
der Erfindung, die hier in Verbindung mit einer Ammoniak-Synthese-Anlage, welche
die Eleltrolyse-Produkte als Rohstoffe verwendet, gezeigt ist.
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Fig. 3 zeigt eine andere unter nasser aufgebaute Elektrolyseanlage.
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enn man einen elektrischen Strom durch besser leitet, wandern Wasserstoffionen
zur negativen Elektrode (Kathode), wo sie sich mit Elektronen verbinden und iasserstoffatome
bilden, die sich dann zu Wasserstoffmolekülen verbinden, welche aus dem Wasser als
Gasblasen entweichen. Gleichzeitig wandern Sauerstoffionen
zur positiven
Elektrode (Anode), wo sie Elektronen abgeben und sich zu Wassermolekülen und Sauerstoffatomen
und weiter zu Sauerstoffnolekülen verbinden und als Blasen dem Wasser entweichen.
Wegen der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit des 1wassers werden gewöhnlich Natrium
oder Kaliumhydroxydlösungen mit destilliertem Wasser für die elektrolytische Herstellung
von wasser stoff und Sauerstoff verwendet. Wasser-Elektrolyseanlagen, welche unter
atmosphärischem Druck arbeiten, bilden relativ große Gasblasen aus, die zusammen
mit anderen Bedingungen hohe Zellspannung erfordern. Wie bereits oben erwähnt, liegt
die Betriebsspannung der Zellen bei 2,o bis 2,3 Volt bei Normaldruck. Die erforderliche
Gleichstromleistung beträgt 13c bis 145 kann je 1000 scf erzeugten Gas (etwa 4,58
bis 5,11 kWh/Nm3). Da der Gleichstrom meist durch Gleichrichten von Wechselstrom
erzeugt wird, beträgt der Wechselstromverbrauch etwa 160 bis 180 kWh je 1000 scf
(5,64 bis 6,34 kh/Nm In Fig. 1 ist die beste Art zur Verwirklichung der Erfindung
gezeigt. Fig. 2 zeigt eine Ammoniak-Synthese-Anlage in Verbindung mit dem ifasser-Elektrolyse-Verfahren,
um die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf andere chemische Verfahren zu
veranschaulichen, was nachstehend näher erläutert wird.
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Die Elektrolysiervorrichtung kann aus einer der zur Zeit verfügbaren
Einheiten bestehen. Bevorzugt wird jedoch eine zweipolige Zdansky-Lonza-Ausführung,
und obgleich das Nachfolgende größtenteils anderweitig verfügbar ist, wird an dieser
Stelle eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Gesichtspunkte gegeben.
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Die Elektrolysiervorrichtung 5 steht auf dem Grund
des
Gewässers, während sich die Neben- und Hilfseinrichtungen an der Oberfläche und
an Land befinden.
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Die Stromversorgung erfolgt mittels eines 3-Phasen-Wechselstrom-Hochspannungsnetzes.
Ein Transformator setzt zunächst die Spannung auf den Eingangswert des nachgeschalteten
Gleichrichters herab, welcher den 3-PhaW senwechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
Siliciumgleichrichter sind wegen ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer soliden Bauweise
und ihres einfachen Betriebs besonders vorteilhaft. Die Stromstärke des Gleichstroms
für die Elektrolyse wird mittels einer stufenlosen Regelung wegen der flachen teistungs'charakteristik
der Zelle konstant gehalten. Eine Regelung erfolgt (auf der Eingangsseite des Gleichrichters
- GW?) mittels eines Laststufenschalters mit kontinuierlicher Wandlerregelung, innerhalb
des Bereichs von zwei Transformatoranzapfungen.
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Zwischen dem Gleichrichter und der Elektrolyse-Zel le befindet sich
ein Trennschalter, welcher die Elektrolyse-Zelle (unter Last) vom Netz abschalten
ka-nn. Ein niedrigohmiger Widerstand in Reihe mit einem Schütz ist diesem Trennschalter
parallelgeschaltet, um zu große Stromstöße während des Anfahrvorganges, wenn die
Zelle noch nicht polarisiert ist, zu verhindern. Nach Erreichung einer bestimmten
elektrolytischen Spannung wird der Widerstand durch das Schütz kurzgeschlossen.
Der Anfahrwiderstand erlaubt auch, den Gleichrichter ohne gro-Be Reservekapazität
auszulegen, da die Möglichkeit großer Stromstöße ausgeschaltet ist. Die elektrische
Einrichtung wird von einem zentralen Schalt raum an der Oberfläche aus kontrolliert.
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Die Anordnung gemäß Fig. 1 weist lediglich eine Elektrolyse-Einheit
5 auf, während in Wirklichkeit wahrscheinlich
eine Vielzahl von
Einheiten benutzt werden würde. Jede Einheit besteht wiederum aus mehreren Zellen
10.
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Das der Elektrolyseanlage zugeführte Speisewasser muß von größter
Reinheit sein, da sich Verunreinigungen während der Elektrolyse ansammeln und konzentrieren
und schließlich die elektrochemischen Reaktionen beeinflussen würden. In dieser
Hinsicht sind die Bedingungen die gleichen wie in jeder anderen unter Atmosphärendruck
stehenden Anlage. Das vorgewärmte Wasser läuft durch einen Aktivkohlefilter und
eine Entsalzungsanlage, wo das Wasser bis zu einem spezifischen elektrischen Widerstand
von 1o6 bis 1o7S cm entsalzt wird. Die Leistung der Entsalzungsanlage wird automatisch
über die Beitfähigkeit des Wassers überwacht. Entsalztes Wasser wird dann über eine
Pumpe 20 der Elektrolyseanlage nach Bedarf zugeführt. Die Pumpe 20 wird deshalb
in die Leitung eingeschaltet, damit jederzeit die Versorgung der Elektrolyseanlage
mit Elektrolyt gelyährleistet ist. Sie muß in der Lage sein, den notwendigen Druck
in der Zuleitung 25 zu erzeugen.
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Die Elektrolyseanlage ist von einem Schutzbehälter aus o,635 cm (1/4")
dickem rostfreien Stahl, keramischem Werkstoff, Kunststoff oder einem ähnlichen
inerten Werkstoff in Art eines Zylinders 11 zwischen zwei Abschlußplatten 12 und
13 umgeben. Der Elektrolyt wird unmittelbar in das Rohr 15 gepumpt, welches in Verbindung
mit sämtlichen Zellen 10 steht und diesen Elektrolyt zuführt. Das Rohr 25 mündet
in die Elektrolyseanlage und enthält Elektrolyt unter dem gleichen Druck wie das
System, wie weiter unten ausgeführt wird. Es wird als bekannt vorausgesetzt, daß
.iasserstoff- und Sauerstoffgas in einer Elektrolyse-Vorrichtung an zwei getrennten
Stellen
gesammelt und abgeführt wird, was hier bei 30 und 35 mittels rostfreier Stahlröhren
erreicht wird, welche in Samnelrohre 40 und 45 und die Wasserstoffableitung 30 und
Sauerstoffableitung 40 münden.
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Bei diesem völlig kontinuierlichen System leiten die Rohre 3o und
35 die erzeugten Gase zu den Zwischen kühlern 50 und 55 und weiter zu den Sammel-
und Abscheidebehältern 60 und 65. Die Rohrleitungen 7o und 75führen von den Sammelbehältern
60 und 65 zu den Lagerbehältern 80 und 85. Diese enthalten ein schweres Material,
wie Sand, Beton oder dgl., um sie fest auf dem Grund zu verankern und gegen den
Auftrieb der Gase zu sichern. Die Auslässe 9o und 95 stellen eine offeneVerbindung
zwischen dem Lagerbehälterinnenraum und dem ungebenden Wasser her und befinden sich
auf etwa der gleichen Höhe wie die Oberkante der Elektrolysezellen und des darin
befindlichen Elektrolyts. Durch diese Auslässe können die Behälter mit Wasser gefüllt
und in ihrer Stellung versenkt werden. Die Rohre 30 und 35 leiten Wasserstoff und
Sauerstoff zu Zwischenkuhlern 50 und 55, welche vorzugsweise aus rostfreiem Stahl
bestehen und nit einem oder mehreren Umlenkblechen sersehen sind, um eine Richtungsänderung
vor Eintritt in die Sammel- und Abscheidebehälter 60 und 65 zu erzielen.
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Ebenso weisen die Ssmmel- und Abscheidebehälter ein oder mehrere Umrerkbleche
auf, die eine oder mehrere Richtungsänderungen herbeiführen und Elektrolyt abscheiden.
Zusätzlich wird Elektrolyt während der Ableitung von Wasserstoff und Sauerstoff
durch die Leitungen 70 und 75 zu den Lagerbehältern 80 und 85 abgeschieden.
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Die Abscheidung des Elektrolyten ist in diesem System nicht kritisch
und kann völlig außer Acht gelassen werden, so daß der im Gasstrom mitgeführte Elektrolyt
in die magerbehalter gelangt, wo er sich aus dem'Gas abtrennen
und
in das Wasser im Lagerbehälter fallen kann.
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Aus Obenstehendem ist ersichtlich, daß es sich hier um ein offenes
System zwischen der Pumpe 20 durch die Elektrolyse-Zellen 5, Austrittsrohre Do,
Lagerbehälter 80 und Schieber loo und 105 zu den Austrittsleitungen 110 und 115
handelt. Die Drücke auf das System sind im Gleichgewicht zwischen der Pumpe 20 und
dem Wasser druck in den Lagertanks 8o und 85. In den Lagertanks wird sich immer
Seewasser befinden, welches einen Druck, entsprechend der Meerestiefe, auf welcher
die Lagertanks liegen, ausübt; genauer, entsprechend dem Niveau der Gas-TwEasser-Trennlinie
in den Tanks. Auf diese Weise wird der Umgebungsdruck dem gesamten Elektrolyse-System
mitgeteilt. Die Lagerbehälter sind derart angeordnet, daß die Gas-Wasser-Trennlinie
in ihnen immer höher liegt als der Elektrolytspegel in den Elektrolyse-Zellen, um
einen Überdruck in den Zellen zu vermeiden, welcher eintreten würde, wenn die Lagerbehälter
oder die Gas-Wasser-Trennlinie sich unterhalb des Elektrolytspiegels befänden. Dadurch,
daß das Seewasser Druck auf die Gase in den Lagerbehaltern ausübt, ist der Innendruck
in den Zellen gleich dem Umgebungsdruck der jeweiligen Meerestiefe. Sollte aus irgendeinem
Grund Überdruck in den Zellen auftreten, verdrängen die Gase in den Lagerbehältern
so viel Wasser aus diesen, bis sie aus den Auslässen 9o und 95 austreten d dadurch
Schäden an der Anlage verhindern. Vorstenend ist dargelegt worden, wie der Ausgleich
zwischen irnien- und Außendruck bei der Elektrolyseanlage durch eIn neuartiges Verfahren
erzielt wird, welches völlig kontinuierlich arbeitet und praktisch kein Abschalten
und 1eine Reinigung der Anlage erforderlich macht.
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Nach Indienststellung wird den Zellen genügend
Elektrolyt
bei entsprechendem Druck zugeführt, um ständig auf Elektrolytkapazität zu bleiben.
Elektrolyt wird laufend bei der Bildung der Gase verbraucht. Die Gase werden danach
in die Lagerbehälter geleitet, welche bei großen Anlagen von den Ausmaßen eines
Schiffes sind. Während der Herstellung der Gase wird automatisch Elektrolyt nachgeführt,
und für den Fall, daß ein übermäßiger Rückstau entsteht, sind in Leistung 25 Drucksonden
vorgesehen, welche die Unterbrechung der Stromzufuhr auslösen. Alle Leitungen und
Verbindungen für Strom, Elektrolyt, Elektrolyseprodukte usw. sind von gleicher Bauweise
wie für eine Oberflächenanlage, d.h.
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drucksicher und korrosionsbeständig. In Unterwasseranlagen sind im
Handel erhältliche Bronze oder rostfreier Stahl besonders geeignet.
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In den Lagerbehältern kann sich auf dem Wasser ein schwimmendes Material
befinden, welches, falls notwendig, Gas und Wasser trennt. Unter sehr hohem Druck
kann die Diffusion von Gas und Wasser zu Gasverlusten führen.
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Das Trennmittel kann aus einem im Tank auf- und abgleitenden Schwimmer
aus Kunststoff, einer ölschicht oder anderem geeigneten Materialien bestehen.
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Im Falle einer Oberflächenanlage werden die Gassammelbehälter mit
Stickstoff gefüllt und danach der Gleichstrom eingeschaltet. Dies ermöglicht die
Inbe triebnahme innerhalb weniger Minuten und gewährleistet völlige Sicherheit.
Dieses Verfahren kann ebenfalls bei vorliegendem System verwendet werden; jedoch
müssen die Zellen und Sammelbehälter lediglich mit einer nichtkompressiblen Flüssigkeit
gefüllt werden, dann wird Elektrolyt in die Anlage gepumpt, wenn sie auf der gewünschten
Neerestiefe installiert ist, und die Anlage angefahren. Überschüssige Flüssigkeit
oder Elektrolyt
wird in die Lagerbehälter und von dort in das Meer
abgeführt.
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Gleichstrom wird der Einheit am Stirnende 12, welches gleichzeitig
der positive Pol ist, durch Stromschienen zugeführt. Die Stromableitung erfolgt
an der Rückseite 13, dem negativen Pol, des Zellblocks.
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Vor Inbetriebnahme der Anlage wird eine angemessene Menge Elektrolyt
entsprechend der Kapazität der Elektrolyseeinheit in einem Tank bereitgestellt.
Kaliumhydroxyd wird im festen Zustand in diesen Tank gefüllt und im Speisewasser
aufgelöst und danach in die Elektrolyseanlage eingespeist. Vor Eintritt in die Anlage
wird der Elektrolyt zur Reinigung gefiltert.
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Alle Bauteile der Anlage, mit Ausnahme der Zellen selbst, sind gegen
Grund geerdet 120. Daher fallen Rohr-oder andere Verbindungen an der Anlage fort,
welche elektrisch isoliert werden müssen, wodurch die Gefahr von Stroniverlusten
an solchen Stellen ausgeschaltet ist.
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An anderen Elektrolyseanlagen stellt dies im Gegensatz zu den hier
behandelten eine Quelle für beträchtliche Korrosionsprobleme dar.
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Jede Zelle ist an beiden Enden mittels gewölbter, nickelplattierter
Stahlplatten in ringförmigen Rahmen abgedichtet. Gitter aus feinem, nickelplattierten,
aktivierten Stahldraht über der gewölbten Platte dienen als Elektroden auf der Anoden-
und Kathodenseite. Anoden-und Kathodenkammern sind durch Rahmen mit geschichtetem
reinen Asbest voneinander getrennt. Die Zellenrahmen sind voneinander mittels Teflon-beschichteter
Dichtungsringe isoliert. Durch das Rohr 15 gelangt der Elektrolyt zuerst ur Kathodenseite
der Zellen, ein Teil läuft
dann durch Öffnungen in den gewölbten
Platten zur Anodenseite. Die durch die Zellen aufwärtsfließende Gas- und Elektrolytmischung
wird auf der Kathodenseite in der Wasserstoffleitung und auf der Anodenseite in
der Sauerstoffleitung gesammelt und abgeführt. Dank des hohen Arbeitsdrucks in der
Anlage aufgrund ihrer versenkten Lage und dem daraus resultierenden niedrigen spezifischen
Volumen der Gase können die Zellen von sehr raumsparender Bauweise sein.
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Die Elektrolysezellen werden beim Hersteller zu Blocks vormontiert.
Dann werden die Zellenblocks in diesem vormontierten Zustand zur Montagestelle geliefert,
wo die Leitungen angeschlossen werden; dann werden sie nur noch an dem vorbestimmten
Ort versenkt und geerdet.
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Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache, schnelle und verläßliche
Installation und Bergung der Elektroly seeinheiten und beschränkt die Anzahl der
Arbeitsgänge auf See auf ein Mindestmaß. Alle Materialien sollten selbstverständlich
so beschaffen sein, daß sie den Wie trungsbedingungen, z.B. Wasser, widerstehen,
oder sie sollten eine Schutzschicht oder andere Schutzmaßnahmen gegen schädigende
Einflüsse aufweisen.
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Einzelne Einheiten können eine Normalkapazität im Bereich von etwa
5 600 bis 24 oo Standard Kubikfuß (etwa 200 bis 850 Nm3) Wasserstoff je Stunde haben.
Es können auch größere Einheiten gebaut und in vielfacher Anordnung parallel geschaltet
installiert werden. Die Reinheit des Wasserstoffs liegt zwischen 99,8 und99'9Y'
auf Volumenbasis, die des Sauerstoffs zwischen 99,3 und 99,5". Der Gasdruck ist
eine Punktion der Tiefe, in rfelcher die Anlage oder die Anlagen arbeiten.
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Jede Art von Druckzelle kann gemäß der Erfindung
verwendet
werden, wie dies bereits oben erwähnt wurde.
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So können die Zellen beispielsweise vom Typ der bekannten Knowles
Zelle, Hauser Zelle, Bamag Elektrolyser, Pechkranz Elektrolyser oder dgl. sein,
wie sie in einer Abhandlung von C.E. Bowen, "The Production of Hydrogen and Oxygen
by the Elektrolysis of Mater1,, Journal Institute Electrical Engineers (London),
Vol. 90 No. I, pp. 474 bis 485 beschrieben und abgebildet sind.
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Andere geeignete Zellen sind zum Beispiel die von Zdansky (US-Patentschrift
2 881 123) beschriebenen Arten, in einer Abwandlung mit größeren Elektrodenoberflächen
und weniger ringförraigen Bauteilen.
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In Fig. 2 wird eine Kernenergleanlage zur Dampferzeugung gezeigt,
womit Gleichstrom über Turbinen und Generatoren, allgemein Energieumarandler genannt,
erzeugt wird. Die Kernreaktor- und Energleumwandlungsanlage werde vorzugsweise am
Land stationiert, von wo mit hochisolierten Zuleitungen niedriggesrannter Strom
hoher Stromstarke zur Elektrolyseanlage auf dem Meeresgrund geleitet wird. Für die
Anschlüsse sind die gleichen Maßnahmen bezüglich Druckabdichtung und elektrischer
Isolierung zu treffen wie bei Oberflächen-Hochdruckanlagen.
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Wie dargestellt, wird die Errichtung einer Anlage auf einer Plattform
auf dem Meeresgrund bevorzugt. Andere Fundamente können gleichfalls benutzt werden,
z.B.
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geflutete Pontons, Aufhängung unter schwinmenden Plattformen, und
ähnliches.
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Wasser wird der Elektrolyseanlage direkt von der Ammoniakanlage zugeleitet,
welches unter gewissen Bedingungen
als Nebenprodukt der Stickstofferzeugung
abfällt. Da die Elektrolyseanlage kontinuierlich und unter Druck arbeitet, muß der
Speisewasserdfuck genügend über den hydrostatischen Druck erhöht werden, um in die
Elektrolyseanlage gelangen zu können. Nach der ersten Füllung der Elektrolyseanlage
mit Elektrolyt sind nur gelegentliche, geringe Berichtigungen seiner chemischen
Zusammensetzung notwendig, was ohne weiteres durch die Speiseleitung der Elektrolyseanlage
möglich ist.
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In Fig. 2 werden der Hochdruck-lfasserstoff und -sauerstoff durch
Leitungen an Land geführt, wo sie in bekannter gleise in der Ammoniak-Synthese Verwendung
finden, oder sie werden unter Druck im gasförmigen oder flüssigen Zustand in erforderlicher
Tiefe in einem Lagerbehälter aufbewahrt, welcher unter einer Vorrichtung auf der
Wasseroberfläche aufgehängt oder in anderer geeigneter Weise unter der Oberfläche
installiert ist, jedenfalls vorzugsweise an einem Ort, an welchem Überdruck gegenüber
Atmosphärenbedingungen herrscht. Für das synthetisch produzierte Ammoniak gilt dasselbe.
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Durch dieses neue Konzept ist es möglich, die Lagerung von Ammoniak
an der Oberfläche unter Druck und Kühlung auszuschalten.
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Bei der Errichtung der Vorrichtung auf dem Meeresboden kann in verschiedener
Weise verfahren werden, eingeschlossen, aber nicht beschränkt darauf, die Erhöhung
des Innendrucks zum Angle ich an den Umgebungsdruck während des absenkens an den
Standort, soweit dies zur Vermeidung übermäßiger innerer oder äußerer Spannungen
während der Errichtung notwendig ist. Ein anderes Verfahren stellt die Füllung der
Anlage mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. Elektrolyt, dar, um ein Zusammenfallen
des Behälters unter dem wasserdruck zu verhindern.
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Bezüglich weiterer Anwendungsbeispiele der Grund prinzipien der Erfindung
wird auf Figuren 3 und 5 hingewiesen.
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Die Elektrolyt-1lasserstoff- und Elektrolyt-Sauerstoff-Mischungen
verlassen die Zellenblocks durch die Steiger 159-H und 159-0, Krümmer 160 und Zwischenkühler
161 und gelangen dann in die Gastrennkammern 162 und 163, wo die Gase vom mitgeführten
Elektrolyt getrennt werden. Der Wasserstoff steigt auf zum Wasserstoff-Abscheider
162, durch den Tröpfchenabscheider 164, in dem mitgerissene Elektrolytpartikel ausgefällt
werden, weiter durch den Leitungsh'Uiler 169 und schließlich durch das Kontrollventil
169 zum Verwendungsort oder zur lLagerung an der Oberfläche. Statt wasserstoff und
Sauerstoff gleich zur Oberfläche zu leiten, kann man die Gase unter Wasser beim
Austrittsdruck aus den Abscheidern in einem Behälter, z.B. einem der in Fig. 1 gezeigten
Bauweise, lagern. In Anbetracht der auftretenden gemperaturen und Drücke können
Wasserstoff- und Sauerstoff-Isotopen vorliegen, welche vor dem Verbrauch aus den
verflüssigten oder gaszörmigen Gasen abgesondert und abgeschieden erden können.
Von den Gasabscheidern 162 und 163 strömt der Elektrolyt zur Rückspeisepumpe 170,
durch den Filter 171 und durch den Druckausgleicher 172 zuriick zu den Zellen.
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Der Innendruck der Anlage wird mittels des Druckausgleichers 172
aufrechterhalten, der eine offene Seite 172A und eine undurchlässige Membran 172B
aufweist, welche durch die Öffnung 172A in Kontakt zur Umgebung steht und gleichfalls
mit dem Elektrolyten in der Beitung zwischen Pumpe 171 und Filter 172 in Berührung
ist. Die llembrane 172B besteht vorzugsweise aus 1,27 cn
(1/2 inch)
dickem Gummi und ist in geeigneter Weise in der Kammer befestigt. Der aus der Mambran
172B und dem geschlossenen zylindrischen Teil 172C gebildete Druckausgleicher 172
hat etwa ein Zehntel bis die Hälfte der Größe des 3lektrolyseanlagenbehälters, an
den er angeschlossen ist, in diesem Falle den Behälter 181. Der Druckausgleicher
dient hauptsachlich zur Aufrechterhaltung eines mehr oder weniger konstanten Druckes
entsprechend dem Umgebungsüberdruck im Anlagenbehälter.
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Zwangsumlauf gewährleistet eine gründliche Mischung zwischen dem Elektrolyten
in den Anoden- und Kathodenkammern der Zelle und verhindert Konzentrationsunterschiede.
Ebenfalls wird dadurch die gleichunäßige Versorgung der Zellen mit Elektrolytflüssigkeit
erreicht. Der den Elektrolyten ständig reinigende Pilter besteht aus einer Anzahl
von perforierten Filterrohren, welche in den Bohrungen des Filterbodens angebracht
und mit dichtem Filtergewebe bedeckt sind. Die Flüssigkeit strömt durch das Filtergewebe
und den durchbo ten Filterboden und schließlich durch einen Filterzylinder als zusätzliche
Sicherung gegen Verunreinigung der Zellen. Als Sicherheitseinrichtung gegen Überdruck
im System wirkt das pneumatische Druckkontrollgerät 173, welches das Membranventil
166 in der Wasserstoffleitung auslöst. Dieses Drucküberwachungsgerät ist eine Drucksonde,
die die Wasserstoffleitung beim Erreichen eines gewissen Drukkes öffnet. Der Elektrolytspiegel
in den Gasabscheidern wird durch eine Niveausonde 174 gehalten, welche den Elektrolytspiegel
im Sauerstoffabscheider 163 überwacht. Diese öffnet oder schließt-das ljembranventil
169 in Abhängigkeit vom Niveau im Sauerstoffabscheider. Da beide Ibscheidebehälter
162 und 163 durch eine Anzahl von kommunizierenden Rohrkrümmern 175 unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels verbunden sind, bewirkt die Gleichhaltung
des
Niveaus im Sauerstoffabscheider den gleichen Effekt im Wasserstoffabscheider. Ein
Sicherheitsventil wird geöffnet im Falle, daß der Betriebsdruck im Druckkompensator
172 überschritten wird.
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Es sind ebenfalls Vorkehrungen getroffen, um den Übertritt von Wasserstoff
vom Abscheider 162 zum Sauerstoffabscheider 163 zu verhindern. Erzielt wird dies
durch die Kontrolle des Elektrolytspiegels in den Abscheidern. Wenn infolge einer
Störung, z.B. des Niveauregulierers, das Niveau in einem der Abscheider fällt, dann
wird das Relais 178 betätigt und schaltet die Gleichstromversorgung ab. Da dann
kein weiteres Gas produziert wird, kommt der Niveauabfall -zum Stills-tand. Das
Relais löst ebenfalls akustische und optische Alarmsignale aus. Das Schwimmerventil
179 stellt eine zusätzliche Sicherung dar und öffnet den Abscheider, in dem sich
der Elektrolytspiegel als ole der Störung gesenkt hat.
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wodurch das Gas entweichen kann. Die resultierende geringe Druckabsenkung
in diesem Abscheider bewirkt den Niveauausgleich zum anderen Abscheider.
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Obgleich die vorstehende Beschreibung sich auf Anlagen für den Betrieb
im Ozean bezieht, ist doch jedes Gewässer hinreichenaer Tiefe geeignet. Das Meer
hat verschiedene Vorteile, so seine Ausbreitung, Vorhandensein großer Meeres tiefen
und der konstante Druck in der gewählten Tiefe. Dennoch kann für die Erfindung die
Ausnutzung anderer geologischer Gegebenheiten in Betracht gezogen werden, wie z.B.
eine Bohrung in der Erdkruste, oder ein durch Erosion, vulkanische oder andere Erscheinungen
hervorgerufener Hohlraum.