DE3442404A1 - Heizgeraet mit wasserstoff-gaserzeugung und speicherung - Google Patents

Heizgeraet mit wasserstoff-gaserzeugung und speicherung

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Description

344240
Michael Prießner
Heinrich - Lanz -Str.32
6800. Mannheim 1
Heizgerät mit Wasserstoff-Gaserzeugung und Speicherung zur elektrochemischen Umwandlung mehrerer unterschiedlicher Energieformen in eine speicherfähige umweltfreundliche Energie ,bei hohem Wirkungsgrad mittels Wasser-Elektrolysezellen.
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energieumwandlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I .
Die Anlage soll die allseits bekannten anwachsenden Probleme bei der Energieversorgung und damit einhergehender,bedrohlich steigender Umweltbelastung mindern,was erfindungsgemäß durch die hier beschriebene Anlage weitgehends zu realisieren ist. Durch die relativ kleinen Abmessungen und des geringen Gewichtes ist sie transportabel und ihrerFunktion entsprechend anschlussmäßig hinsichtlich der Ver-und Entsorgung, an keinen bestimmten Aufstellungsort gebunden.
Aufgrund entsprechender Einrichtung zur Abführung und Sammlung sowie anschließender Nutzung der beim Betrieb anfallenden Abwärme zu Heizungszwecken-z.B. Hausheizung-, arbeitet sie nahezu verlustlos. ■ ·
~* 2 —
Durch ausreichende Schalldämmung und unter Berücksichtigung jeglicher Sicherheitsvorkehrungen wie kontaktlose Steuerung, Selbstdiagnose-System im Umgang mit Wasserstoff , könnte sie dezentral - praktisch in jedem Haus eingesetzt werden , da dort die Versorgung mit Leitungswasser sowie elektrische Energie und auch Brennstoff, wie z.B. öl, Stadtgas oder Erdgas gegeben ist.
Den bekannten auf dem Markt befindlichen Anlagen haftet durchweg ein Mangel an, entweder sie werden bei mehr oder weniger schlechtem Wirkungsgrad betrieben (Einstellung) und belasten dadurch dementsprechend die Umwelt z.B. bei Öl-Gebläse-Brenner, Gasbrenner mit fossilen Brennstoffen betriebene Wärmepumpen bis hin zu Kraft-Wärme-Kopplung unter dem Namen Totem bzw.Energiebox bekannt.Oder aber sie sind in unseren Breitengraden unrentabel wie Solaranlagen mit Kollektoren, Solarzellen (zu hohe Investitionskosten) oder gar Peltirelemente (OS 2520044) wobei den meisten der Nachteil anhaftet, daß die von ihnen bereitete Energie nur sehr mangelhaft und unter großem Aufwand zu speichern ist. Wobei speziell beim oben angeführten Energiebox-System die starren Bestimmungen der "EVUs" hinsichtlich des El.-Energie-Rückkaufs hinderlich sind. (Zeitschrift ELO 1982 S.34-38)
Die erfindungsgemäße Anlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie nicht an eine bestimmte Form der zuzuführenden Energie gebunden ist. Der Anlage kann zum Betrieb bei entsprechender Vorkehrung bzw. Einstellung Energie in folgenden Formen zugeführt werden: I.Fossile Brennstoffe wie Benzin-Luftgemisch, Dieselöl, Erdgas und Stadtgas die ausnahmslos den Verbrennungsmotor antreiben. Dem Motor wird nun zusätzlich noch ein Teil Wasserstoffgas, welches im Elektrolyseblock durch den Stromfluss vom Generatordurchdas vom Verbrennungsmotor gekoppelte Drehmoment- erzeugt zugeführt.
Dadurch wird der Schadstoffausstoß deutlich verringert, desweiteren wird eine teilweise Substitution der zugeführten Energie- in oben angeführter Form - erreicht und somit eine erhebliche Einsparung erziehlt.
Das ermöglicht nun unter Berücksichtigung des Schadstoffausstoßes, sowie des momentanen Wärmebedarfs des zu beheizenden Objektes eine Leistungserhöhung, das dadurch mehrproduzierte Wasserstoffgas wird der Anlage entnommen und gespeichert, es bildet somit einen jederzeit abrufbaren Energievorrat. 2.Mit den nichtfossilen Brennstoffen wie Alkohol-Luftgemisch, Pflanzenöl-Luftgemisch oder ähnlichem, die in absehbarer Zeit wegen voraussehender Verknappung des globalen Vorrates an fossilen Brennstoffen, vermehrt Interesse finden werden, wird in gleicher Weise wie mit den unter I. beschriebenen fossilen Brennstoffen verfahren.
3.Elektro-Energie, die als verbilligter Nachtstrom oder sonstigem Niedertarif-Angebot z.B. Übernahme der Energie die von auf Grundlast angewiesenen nicht abschaltbar weiterfahrenden Atomkraftwerken erzeugt wird, aus dem Netz entnommen wird. Diese Energie kann aufgrund der Thyristorschaltung, direkt in den Elektrolyseblock bei Stillstand des Motors und des Generators eingespeist werden, wobei das gesammte erzeugte Wasserstoff gas in den Speicher, der als Druck-oder Hydridspeicher ausgebildet sein kann, geführt wird und die im Elektrolyseblock und bei Betankung des Hydridspeichers entstehende Abwärme dem Heizungskreislauf des zu beheizenden Objekt zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur zugeführt wird. 4.Elektro-Energie, die der Umwelt mittels Solarzellen, Windgeneratoren, Wasserturbinen oder ähnlichem entnommen wird, erfolgt die Zuführung wie unter 3. beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen : Pig. I Den schematischen Aufbau der Anlage mit den einzelnen
Geräten und deren Verbindung untereinander. Fig. 2 Die Vorder- und Seitenansicht einer einzelnen Zelle. Fig. 3 Einen aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzten
Elektrolyseblock mit den Anschlüssen. Fig. 4 Eine komplette Dichtung mit Abstandstreifen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und folgend näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1-1 den Verbrennungsmotor der hinsichtlich auf Laufruhe sowie Vibration als Vierzylinderausführung verwendet wird.
Er ist mit Wasserkühlung versehen.
Der Treibstoff wird wahlweise über Vergaser 13 oder über die Einspritzvorrichtung 9 am Anschluss 42 der Zweistoff-Einspritzvorrichtung zugeführt,wobei der freien Seite der Einspritzdüsen 14 ,Wasserstoff bei entsprechendem Druck zugeführt wird.
Der Sauerstoff aus dem Elektrolyseblock 4 Wird über die Leitung 16 dem Vergaser 13 zugeführt und bewirkt einen geringeren Stickoxydausstoß.
Die Auspuffgase gelangen direkt in den Wärmetauscher 10 und werden nach Abkühlung über Anschluss 11 abgeleitet. Die Induktionszündanlage und Ein-bzw.Auslassventile mit Nockenwellensteuerung sowie die Anlassvorrichtung entspricht in Bauweise und Funktion den üblichen Ausführungen und ist nicht eingezeichnet.
Die Einspritzvorrichtung 9 arbeitet zweiseitig wobei die H - Seite bei entsprechender Vorverdichtung auch als Durchlasssteuerung ausgeführt sein kann.(DE OS 2924128) Das an der Kurbelwelle wirkende Drehmoment wird über eine mechanische Kupplung auf den Innenläufer des Generators 2 übertragen der in der üblichen auf dem Markt befindlichen Bauweise ausgeführt ist und für 3Ph 220/380 V,50 HZ bei 1500 U/min ausgelegt ist.
Die mögliche Leistungsaufnahme It.Leistungsschild richtet sich nach der Abgabeleistung des Verbrennungsmotors und wird dementsprechend gewählt.
Der Generator ist mit Fremdkühlung ausgestattet und ermöglicht somit die Abführung der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme in den Wicklungen und Lagern.
-sr- J
Die vpm Generator gelieferte elektrische Leistung wird mittels Kabel über denTHyristorsteuersatz 3 der als Drehstrombrücke ausgebildet ist geführt,mit dem der ankommende 3-Ph Drehstrom in Gleichstrom gerichtet wird. Desweiteren ist eine zweite Drehstrombrücke montiert und ausgangsseitig (Gleichstrom) mit erster elektrisch verbunden, sie dient zur Aufnahme der aus dem Netz eingespeisten Leistung. Den beiden Brücken sind jeweils getrennt 2 Steuersätze zugeordnet,die für Brücke 1 von der vom Generator gelieferten Spannung und für Brücke 2 von der Netzspannung geführt werden.Die beiden Steuersätze sind ansteuer-bzw.regelungsseitig derart geschaltet,daß stufenlos von ausschließlichem Generator,-über Misch,-zu Netzbetrieb gestellt werden kann. Durch diese Regelung wird ermöglicht,daß je nach Betriebsart der Anlage die Leistungsverhältnisse vom Motor,Generator und Elektrolyseblock bestimmt werden können. Die Leistungstyristoren sind auf eine Kühlmittel durchflossene Platte montiert,die an den Wärmekreislauf angeschlossen ist und die Thermostatventile zur Regelung und Mischung des Kreislaufs enthält.
Die vom Thyristorsatz in Höhe geregelte,oberwellige Gleichspannung wird an die Elektrodenanschlüsse 5 am Elektrolyseblock 4 gelegt.Wobei der Block als Einzellblock oder zu mehreren in Reihe geschalteten Blöcken je nach anstehender Spannung und verwendeten Elektrodenflächen 27 ausgeführt sein kann.
Die Einzelzelle wie in Figur 2 schematisch dargestellt,ist aus isolierendem glasfaser »verstärktem Kunstharz gefertigt und ist mit Bohrungen und Aussparungen versehen. Die genau zentrisch von der Mittelachse ausgehenden Aussparungen bzw.Bohrungen sind a)zur Aufnähme der Gewindestäbe Fig.3-38,b)Kühlmittelführung 23,c)Elektrodenaufnähme,d)Elektrolytzufluss 29,e) Gasverbindung 22,f)Elektrolytleitung 26 und g)Seperationskammer 30 vorgesehen.
In die Einzelplatten mit dem eingegossenen Anschlusssteg 5 werden die aus feinspähnigen Edelstahlfiltermatten gefertigten Elektroden 27 eigesetzt und am Steg festgelötet. Danach wird die Dichtung aufgelegt die die gleichen Aussparungen wie die Platte aufweist und sternförmige Abstandstreifen Fig.4 4 5 enthält,die beim weiteren Zusammenbau jeweils doppelt aufeinander zu liegen kommen und die Elektrode im Rahmen fixieren und den Abstand bestimmen und halten.
Desweiteren bildet sich im oberen Elektrodenbereich ein Trennsteg 44,der zur sicheren Gastrennung beiträgt.
Die darauffolgende Einzelplatte wird in gleicher Weise wie die vor beschriebene vorbereitet und dann seitenverkehrt aufgelegt. Bei der vorhergehenden Platte links befindliche Seperationskammer kommt nun rechts zu liegen und in gleicher Weise wird wechselseitig zusammengestellt,bis zu ca.30 Platten danach werden die beiden Schalengehäuse mit innenseitiger Abschlussplatte angebracht und mittels Muttern auf den Gewindestäben der gesammte Block zusammengepresst und somit gleichzeitig abgedichtet.
In der Abschlussplatte für Wasserstoffseite sind die Bohrungen derart eingebracht,daß a)die Gasverbindungsbohrung, zur Fortleitung über Verbindungsrohr 34,b)der obere Kühlmittelaustritt 35,c)die Elektrolytverbindungsbohrung 26 und d)der Elektrolytzufluss 29 zur Druckleitung-Elektrolytpumpe 40 freigegeben wird.
Inder Abschlussplatte für Sauerstoffseite sind die Bohrungen jeweils gegenüberliegend eingebracht und zwar,daß a)die Gasverbindungsbohrung in der Seperationskammer 30 zur Fortleitung über Verbindungsrohr 16 ,b)der untere Kühlmitteleintritt 36,c)die Elektrolytverbindungsbohrung 32 und d)der Elektrolytzufluss freigegeben wird.Wobei die jeweils gegenüberliegenden Bohrungen abgedichtet werden.
Die .Schalengehäuse 49 u.5O sind mit einem Filter versehen der als Gewebe oder Quarzsandfilter oder einer Kombination von beiden ausgebildet ist und über verschließbare Anschlussstutzen an den Pumpen Ein-bzw.Ausgängen rückgespült werden kann,desweiteren ist jeweils ein automatisches Entlüftungsventil 6 u.7 an der oberen Gehäusedecke angebracht worüber das Restgas über Verbindung 33 u.34 abgeleitet wird. Zur Unterstützung des Elektrolytflusses sind die Pumpen 8 montiert,welche die Elektrolytflüssigkeit unterhalb der Filter am Anschluss 39 ansaugen und über die Rohrleitung 40 in die Elektrolytzuflusskanäle pumpen.
An die Pumpendruckleitung Η-Seite ist ein T-Stück eingeschraubt/das zur Aufnahme des Füllventils 46 dient. Die beiden Auslässe mit dem Ventil 47 verschlossen,dienen der Entleerung des Blockes und werden bei Rückspülung von Hand entsprechend geöffnet.
Start und Betrieb
Nach dem Einschalten der Anlage wird über Programmsteuerung nacheinander als erstes über den Füllstandsfühler 48 und dem Füllventil 46 der am Fühler eingestellte Soll-Elektro lytstand 31 hergestellt(dieser Schaltkreis bleibt aktiv), nach Erreichen desselben ein Selbstdiagnosesystem aktiviert, das die gesammte Anlage auf evtl.Fehler Z.B.Kurzschluss durch Vergleichen einprogrammierter Werte mit den tatsächlichen überprüft und bei Abweichungen den Start abbricht und Störung anzeigt.Im nächsten Schritt wird die Zündung und die Anlassvorrichtung über Batterie solange eingeschaltet, bis am Generator eine deutlich höhere Spannung als beim Anlassvorgang gemessen wird und der Motor angelaufen ist, danach der Anlasser abgeschaltet.
Um den Anlassvorgang abzukürzen oder in bestimmten Betriebsarten (Pflanzenöl) überhaupt zu ermöglichen,wird dabei Benzin dem Vergaser zugeführt.
-i -
Durch das Anlaufen des Generators setzt im Elektrolyseblock unter Stromfluss im Elektrolyten Gasung ein. An den mit dem minus-Pol verbundenen Elektroden bilden sich Wasserstoff-Gasbläschen und steigen nach oben.Das bewirkt einen gesammten Elektrolytfluss in der gleichen Richtung,ebenfalls an der plus-Elektrode,um die Hälfte vermindert Sauerstoffbläschen.
Dadurch,daß nun auch die Elektrolytpumpen einsetzen die an der gleichen Spannung mit den Elektroden paralell geschaltet sind,verstärkt sich der Elektrolytstrom und es stellt sich eine Saugwirkung ein,die in jeder Zelle vom unteren Elektrolytzufluss 29 durch die Elektrode zur Seperationskammer hin gerichtet ist. Dadurch wird das an der Elektrode entstehende Gas jeweils im Zelleninneren hochgesaugt und somit getrennt.
Durch die unterschiedliche Gasentwicklung in plus-undminus-Zelle,ist die Pumpe für Sauerstoffseite mit einem Stellwiderstand versehen wodurch die Drehzahl genau angepasst und reguliert werden kann.
Durch den Stromfluss im Elektrolyten erhitzt sich derselbe, was eine erhöhte Aktivität und höheren Stromfluss bei gleicher Spannung hervorruft,bei einer Themperatur von ca 70-75 C° wird durch Thermostatventile im Mischverteiler des Heizungskreislaufs die Zirkulation durch die Kühlmittelkammer des Ε-Blocks freigegeben und somit die günstige Themperatur beibehalten.
Das mit dem Elektrolyt hochsteigende Gas in der Seperationskammer wird durch die niederere Temperatur an den Innenwänden des Seperators abgekühlt und dadurch schneller ausgetrieben, der nahezu blasenfreie Elektrolyt durchfließt die Durchbrechungen 24 und wird über die Elektrolytverbindungsbohrung 32 von der Elektrolytpumpe über den Filter angesaugt.Das Restgas das in die Elektrolytsammelkammer über den Filtern gelangt,wird über die autom.Entlüftungsventile 6 u.7 abgeführt.
/3 3A4240A
Der Sauerstoff am Anschluss 16 wird durch Unterdruck im Vergaser angesaugt,der Wasserstoff am Anschluss 34 wird vonder Kompressionspumpe der Einspritzvorrichtung angesaugt und durch deren Volumensteuerung über Stellglieder in der Programmsteuerung,dem Verbrennungsmotor zugeführt und so die Drehzahl bzw.Leistung bestimmt. In den Leitungen 34 u. 16 können nach Bedarf zusätzlich Filter bzw.Kondenswasserabscheider eingebaut werden,die beim Betrieb des Elektrolyseblocks mit erhöhter Temperatur einen Teil Wasserdampf zurück halten,der zur Leistungserhöhung und Unterbindung von Früh-bzw.Rückzündungen dem Verbrennungsraum zugeführt wird.
Durch die entsprechende Auslegung aller im Gerät verwendeten Teile,ist die Anlage Dauerbetriebsfest und kann abgesehen von den Wartungsintervallen,durch die stufenlose Leistungsregelung durchgehend betrieben werden. Die Abwärme wird im Sommer z.B. zur Brauchwassererwärmung oder Schwimmbeckenheizung genutzt oder wird über entsprechende Vorrichtungen an die Außenluft abgegeben,somit ist auch bei abgestellter Gebäudeheizung der Regelbetrieb möglich.
2χι Zeichnungen Fig.1,2,3 und
Bezeichnungsliste
1 = Verbrennungsmotor
2 = El-Generator
3 = Ihyristorbrücke
4 = Elektrolyseblock
5 = Zellenanschluss
6 = aut.Entlüftungsventil O-Seite
7 = aut.Entlüftungsventil H-Seite
8 = Elektrolytpumpe
9 = Einspritzvorrichtung
10 = Abgaswärmetauscher
11 = Abgasrohr
12 = Heizungsvorlauf
13 = Vergaser
14 = Einspritzdüse
15 = Luftansaugrohr
16 = Sauerstoffleitung
17 = Wasserstoffspeicher
18 = Kühl-bzw. Heizwasser
19 = Elektrolyt
20 = Wasserstoff
21 = Bohrung für Gewindestab
22 = Gasverbindungsbohrung
23 = Kühlmittelkammer
24 = Durchbrechungen
25 = Kunstharzplatte
26 = Elektrolytverbindungsbohrung
27 = Elektrode
28 = Doppeldichtung
29 = Elektrolytzufluss
30 = Gaskammer
31 = Elektrolytstand
32 = Elektrolytverbindungsbohrung
33 = Verbindungsrohr-Sauerstoff
34 = Verbindungsrohr-Wasserstoff
35 = Kühlmittelaustritt
36 = Kühlmitteleintritt
37 = Filter
38 = Gewindestab mit Mutter
39 = Ansaug für Elektrolytpumpe
40 = Druckleitung-Elektrolytpumpe
41 = Wasserstoff entnahme
42 = Kraftstoffzufuhr
43 = Heizungsrücklauf
44 = Trennsteg
45 = Abstandstreifen
46 = Füllventil
47 = Entleerung
48 = Füllstandfühler
49 = Schalengehäuse O -Seite
50 = Schalengehäuse H -Seite

Claims (1)

  1. Ansprüche
    Heizgerät mit Wasserstoff-Gaserzeugung und Speicherung zur elektrochemischen Umwandlung mehrerer unterschiedlicher Energieformen in eine speicherfähige , umweltfreundliche Energie, bei hohem Wirkungsgrad mittels Wasser-Elektrolysezellen, gekennzeichnet durch das Zusammenwirken von drei Einzelsystemen bestehend aus: a) Verbrennungsmotor, b) Elektrogenerator und c) Elektrolyseblock.
    Verbrennungsmotor a) nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Gase (Eerdgas, Flüssiggas, Biogas o.a.) oder Gasgemische (Benzin-Luftgemisch, Alkohol-Luftgemisch o.a.) sowie Heizöl, Pflanzenöl o.a. zugeführt werden können und je nach Zündwilligkeit, Abgaskonzentration und Leistung zusammen mit dem Wasserstoff aus dem Elektrolyseblock c. der anteilmäßig in jedem Betriebsfall getrennt zugeführt, bzw. eingespritzt, verdichtet und bei Explosion verbrannt wird.
    3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein Mehrzylinder-Viertakt-Hubkolbenmotor mit angekoppelter Einspritzvorrichtung, Induktionszündung, Wasserkühlung und Agaswarmetauscher verwendet wird.
    4. Elektrogenerator nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet , daß er als selbstzündend und selbsterregend sowie mit drei Wicklungen um 120° versetzt ausgebildet ist und vorzugsweise Fremdkühlung besitzt.
    5. Elektrolysezellen nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zellen baugleich angefertigt sind und bei dem Zusammenbau zum Block die Polarität festgelegt wird, Die Einzelzellen mit Längsbohrungen zur Fixierung versehen, durch die darin geführten Gewindestäbe zusammengepresst und somit zu einem Block, bei gleichzeitigem Anpressen der dazwischen liegenden Dichtungen zusammengehalten werden.
    Elektrolysezellen nach Anspruch I u. 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen Aussparungen enthalten zum einen zur Aufnahme der Elektroden die aus rostfreiem Stahl als feinspännige Filtermatte ausgebildet sind, zum Andern als Kanäle die Kühlmittel führen, desweiteren zur Seperation des im Elektrolyten geführten Gases und Ableitung desselben.
    7. Elektrolysezellen nach Anspruch 5 u. 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenanschluss als Edelstahl-Flachstab vom oberen Zellenaußenrand durch die Seperationskaituner bis zur Elektrode durchgeführt und dort elektrisch verbunden ist, wobei im oberen Bereich der Seperationskammer schräg in Richtung Elektrolytaufstieg hinzeigende Durchbrechungen eingebracht sind.
    8. Elektrolysezellenblock nach Anspruch 5-7 dadurch gekennzeichnet , daß als Abschluss an den beiden Stirnseiten des aus Einzelzellen zusammengesetzten Blockes jeweils eine Abschlussplatte mit Schalengehäuse angepresst ist, welche die Anschlüsse für Gasentnahme aufweist- eine Seite Sauerstoff andere Seite Wasserstoff. Desweiteren eine Elektrolytsammeikammer und einen Filter, der als Sand- oder Gewebefilter oder einer Kombination von beiden ausgebildet ist und eine Elektrolytpumpe die den Elektrolytfluss durch den Zellenblock sowie durch den Filter unterstützt. Zusätzlich ist an der oberen Gehäusedecke ein Anschluss für ein automatisches Entlüftungsventil zur Abführung des Restgases angebracht .
    9. Elektrischer Anschluss mit Steuereinrichtung nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß die gesammte Anlage über Halbleiter gesteuert wird, das für den LastStromkreis mit wassergekühlten Thyristorenbrücken zur Gleichrichtung und Regelung zutrifft sowie für den Steuerstromkreis.
    10. Gesamtregelung nach Anspruch 1,2,9 dadurch gekennzeichnet ,daß dem Verbrennungsmotor der Anlage nur soviel - aus dem jeweiligen verschiedenförmigen Energieangebot wie öl, Gas oder Elektroenergie von derselben produziertem Wasserstoff zugeleitet wird, wie es zum störungsfreien Betrieb nötig ist und der Überschuss an Wasserstoffgas gespeichert und zum Beispiel als Kraftstoff zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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