DE2819740A1

DE2819740A1 - Magneto-dynamic auto-electrolysis - with axial permanent magnets on revolving discs facing annular fluid flow

Info

Publication number: DE2819740A1
Application number: DE19782819740
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Karl Dipl Phys Boese
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1979-11-08

Abstract

Magnetdynamic autoelectrolysis is applied to decompose a fluid which is capable of dissociation, e.g. water for the mfr. of hydrogen, by a relative movement between the fluid and a magnetic field. Several revolving discs carry on their periphery axial permanent magnets between which the fluid flows in annular channels. This saves the electric power consumption and complex appts. for conventional electrolysis plant. The efficiency of the auto-electrolysis is improved by the higher relative velocity between fluid and magnetic field.

Description

Magnetodynamische AutoelektrolyseMagnetodynamic auto electrolysis

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Zerlegung eines dissoziierbaren Fluids an zwei Elektroden durch Relativ-Bewegung desselben zu einem Magnetfeld, insbesondere zur Wasserspaltung in großtechnischem Maßstab. Bei der Auswahl von leicht transportablen Energieträgern spielt Wasserstoff eine besondere Rolle, weil er bei der Verbrennung umweltfreundlich ist und ohne Einsatz fossiler Brennstoffe gewonnen werden kann. Seine Herstellung durch Elektrolyse auf dem üblichen Unweg über die Danpf- und Stromerzeugung ist aber, wenn man von den wenigen Wasserkraftwerken absieht, von vornherein unwirtschaftlich durch die zahlreichen Verluste, die auf diesem Wege unvermeidbar sind.The present invention relates to a method and apparatus for the decomposition of a dissociable fluid at two electrodes by relative movement the same to a magnetic field, especially for water splitting on a large scale Scale. Hydrogen plays a role in the selection of easily transportable energy sources a special role because it is environmentally friendly when incinerated and without Use of fossil fuels can be obtained. Its manufacture by electrolysis but on the usual impasse about the steam and power generation, if one of apart from the few hydroelectric power plants, it is uneconomical from the start numerous losses that are unavoidable in this way.

Aus den CS-PS 3.969.214 und 3.?19.583 ist das Verfahren der magnetodynamischen Auto elektrolyse bekannt. Durch die vorgeschlagene Relativbewegung eines dissoziierbaren Fluides (d. h. eines Elektrolyten) in einen Magnetfeld, das durchaus mit hochwertigen Permanentmagneten erzeugt werden kann, wird in dem Fluid unmittelbar ein Strom hervorgerufen, der beispielsweise zur Wasserspaltung verwendet werden kann. Auf diese Weise kann also ein Fluid zerlegt werden, ohne den mit zahlreichen Verlusten verbundenen Umweg über Verbrennung, Wasserdampf- und elektrodynamische Stromerzeugung. Dadurch wird nicht nur der Gesamtwirkungsgrad verbessert, sondern auch der Aufwand für Maschinen, Apparate und Rohrleitungen vermindert.From CS-PS 3,969,214 and 3? 19583 the method is the magnetodynamic Auto electrolysis known. By the proposed relative movement of a dissociable Fluids (i.e. an electrolyte) in a magnetic field that is quite compatible with high quality Permanent magnets can be generated, a current is generated directly in the fluid, which can be used, for example, to split water. That way you can That is, a fluid can be broken down without the detour associated with numerous losses via combustion, steam and electrodynamic electricity generation. This will not only improves the overall efficiency, but also the expense for machines, Apparatus and pipelines reduced.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren sowie Vorrichtungen, die zu einer Verbesserung des Wirkung sgra des bei der Anwendung der Auto elektrolyse führen, indem sie den Aufwand zur Erzielung der nötigen Relativgeschwindigkeit zwischen den dissoziierbaren Fluid und dem Magnetfeld herabsetzen.The object of the present invention is a method and devices which leads to an improvement in the effect of sgra des when using auto electrolysis lead by making the effort to achieve the necessary relative speed between reduce the dissociable fluid and the magnetic field.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs vorgeschlagenen MbBnahnen. Dabei soll die Geschwindigkeit des Fluids niedrig sein (gerade ausreichend, um den Abtransport der Produkte der Zerlegung und die Dfachfuhr frischen Elektrolyts zu gewahrleisten), um die erforderliche Pumpenleistung geringzuhalten, wogegen dem Magnetfeld ohne besondere Schwierigkeiten eine hohe Rotationsgeschwindigkeit mitgeteilt werden kann.The solution to this task is done by the in the characterizing part of the 1st claim proposed MbBnahnen. The speed of the fluid should be be low (just enough to remove the products of the cutting and to ensure the constant supply of fresh electrolyte) in order to achieve the required pump output to be kept low, whereas the magnetic field without any particular difficulties a high one Speed of rotation can be communicated.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- rens geeignete Vorrichtung weist die im 2. Anspruch genannten Merkmale auf. Mit Rücksicht auf die geringe Geschwindigkeit des Fluids ist es zulässig, dasselbe in der einen Hälfte des Ringkanals im Gegenstrom und in der anderem Hälfte im Gleichstrom zum rotierenden Magnetfeld zu führen. Um den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu verbessern, sollten die rotierenden Permanentmagnete als auch die für die Bewegung des Fluides notwendigen Pumpen nicht mit einem Elektromotor, sondern beispielsweise mit einer Dampfturbine angetrieben werden.A method for carrying out the method according to the invention rens suitable device has the features mentioned in claim 2. With consideration on the low velocity of the fluid it is permissible to do the same thing in one Half of the ring channel in countercurrent and the other half in cocurrent to guide rotating magnetic field. In order to improve the efficiency of the entire system, should be the rotating permanent magnets as well as those for moving the fluid necessary pumps not with an electric motor, but for example with one Steam turbine are driven.

Die Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4 hat in der Mitte des Kanals eine Membrane, die nur für das eine Produkt durchlässig ist. Beispielsweise gibt es Nickelmembranen, die für Wasserstoff durchlässig sind. Auf diese Weise wird das eine Produktgas bereits am Orte seines Entstehens abgezogen und kann sich nicht mehr mit dem Fluid oder dem anderen Produktgas vermischen. Dabei wird nur die eine Hälfte des Kanals vom dissoziierbaren Fluid durchflossen.The device according to claims 3 and 4 has in the middle of the channel a membrane that is only permeable to one product. For example there there are nickel membranes that are permeable to hydrogen. That way it becomes a product gas is already withdrawn at the place of its origin and cannot be mix more with the fluid or the other product gas. Only one Dissociable fluid flows through half of the channel.

Bei der Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5 dagegen werden beide Hälften des Kanals vom dissoziierbaren'Fluid durchflossen und der durch die Membrane hindurch stattfindende Ladungsaustausch sorgt für eine Trennung der beiden Produktgase.In the device according to claims 3 and 5, however, both The dissociable fluid flows through halves of the channel and the membrane flows through it Charge exchange taking place through this ensures a separation of the two product gases.

Um die an der Anode gebildeten Sauerstoffblasen daran zu hindern, infolge ihres natürlichen Auftriebs oder durch Verwirbelung im dissoziierbaren Fluid zu der als Kathode wirkenden membran zu wandern und dort die Diffusion des Wasserstoffs durch die Membran zu erschweren, werden die im 6. Anspruch genannten Merkmale vorgeschlagen.To prevent the oxygen bubbles formed on the anode from as a result of their natural buoyancy or due to turbulence in the dissociable fluid to migrate to the membrane acting as a cathode and there the diffusion of the hydrogen through the membrane to complicate, are mentioned in the 6th claim Features suggested.

Die in Anspruch 7 vorgeschlagene leitende Verbindung der beiden Elektroden untereinander bewirkt, daß die durch das Magnetfeld hervorgerufene Lorentzkraft zwischen ihnen eine Spannung aufbaut, die die Zerlegung des Fluids unterstützt. Die Elektroden haben prinzipiell die gleiche Bedeutung wie bei der bekannten Elektrolyse, sie werden aber nicht an einen Generator angeschlossen, sondern direkt und mit möglichst geringem Widerstand miteinander elektrisch verbunden.The conductive connection of the two electrodes proposed in claim 7 between each other causes the Lorentz force caused by the magnetic field a tension builds up between them, which supports the decomposition of the fluid. In principle, the electrodes have the same meaning as in the known electrolysis, However, they are not connected to a generator, but directly and with as much as possible electrically connected to each other with low resistance.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen zwei Ausführungabeispiele der Erfindung in stark schematisierter Form.Figures 1 to 4 show two exemplary embodiments of the invention in a highly schematic form.

Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.Figure 1 shows a vertical longitudinal section through an inventive Contraption.

Figur 2 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch Figur 1.FIG. 2 shows a vertical cross section through FIG. 1.

Figur 3 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine weitere Vorrichtung.FIG. 3 shows a vertical longitudinal section through a further device.

Figur 4 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch Figur 3.FIG. 4 shows a vertical cross section through FIG. 3.

In den Figuren 1 und 2 ist ein feststehender, kreisringförniger Strömungskanal 31 von rechteckigem Querschnitt auf beiden Seiten von Permanentmagneten 32 umgeben, die an rotierenden Scheiben 33 befestigt sind, welche über eine Welle 34 beispielsweise von einer hier nicht gezeigten Dampfturbine angetrieben werden. Der kreisringförmige Strömungskanal 31 ist durch eine ebenfalls kreisringförmige Membrane 35, die für den Elektrolyten undurchlässig, aber für Wasserstoff durchlässig ist, in zwei Teile getrennt.In Figures 1 and 2 is a fixed, circular ring-shaped flow channel 31 surrounded by a rectangular cross-section on both sides by permanent magnets 32, which are attached to rotating disks 33, which via a shaft 34, for example from a steam turbine, not shown here, are driven. The circular flow channel 31 is also circular Membrane 35, which is impermeable to the electrolyte, but permeable to hydrogen is separated into two parts.

Zur Verdeutlichung ist der Abstand zwischen der Nembrane 35 und den konzentrischen Wandungen des Strömungskanals 31 übertrieben groß dargestellt; er beträgt nur wenige Millimeter, sodaß im Bereich der Magnete 32 zahlreiche ähnliche Strömungskanäle konzentrisch zueinander angeordnet werden (hier nicht dargestellt). Die Seitenwände des Strömungskanals stellen eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden dar, an deren Enden sich einander entgegengesetzte Spannungen aufbauen, die die Zerlegung des Fluids unterstützen.For clarity, the distance between the membrane 35 and the concentric walls of the flow channel 31 shown exaggerated; he is only a few millimeters, so that in the area of the magnets 32 there are numerous similar ones Flow channels are arranged concentrically to one another (not shown here). The side walls of the flow channel provide a conductive connection between the Electrodes, at the ends of which opposing voltages build up, which support the decomposition of the fluid.

Der Elektrolyt strömt durch einen Einlaß 37 mit geringer Geschwindigkeit in den kreisringförmigen Strömungskanal 31. Aufgrund des mit hoher Drehzahl rotierenden Magnetfeldes wandern die positiven H-Ionen zur Membrane 35, die hier als Kathode dient und diffundieren nach Abgabe ihrer Ladung durch diese Membrane hindurch in den nicht mit Elektrolyt gefüllten Teil des Strömungskanals, aus dem das Wasserstoffgas über ein Abzugsrohr 36 entweicht. Die negativen O-Ionen wandern zu der als Anode dienenden äußeren Begrenzung des Strömungskanals 31, geben dort ihre Ladung ab und bilden dann Gasblasen, die aufgrund des natürlichen Auftriebs und der im ganzen nach oben gerichteten Strömung des Elektrolyten nach oben wandern und dort durch ein weiteres Abzugsrohr 38 abgezogen werden. Damit die in der unteren Hälfte der Vorrichtung entstehenden Sauerstoffblasen nicht aufgrund ihres natürlichen Auftriebes zur Hembrane 35 strömen, sind in der unteren Hälfte gegeneinander versetzte Leitbleche 39, 40 und 41 angeordnet. Damit die Sauerstoffblasen schneller abtransportiert erden, ist es zweckmäßig, bei 38 nicht nur den Sauerstoff sondern auch einen Teil des Elektrolyten abzuziehen, der dann mit frischem Wasser versetzt wieder bei 37 in den Trennapparat gefördert werden kann.The electrolyte flows through inlet 37 at low speed in the circular flow channel 31. Due to the rotating at high speed Magnetic field migrate the positive H ions to the membrane 35, here as a cathode serves and diffuse through this membrane into the part of the flow channel that is not filled with electrolyte and from which the hydrogen gas comes from escapes via a flue pipe 36. The negative O ions migrate to the anode serving outer boundary of the flow channel 31, give off their charge there and then form gas bubbles due to natural buoyancy and the whole upward flow of the electrolyte migrate upwards and through there another one Drain pipe 38 can be withdrawn. So that in the lower Half of the device does not create oxygen bubbles due to their natural nature Buoyancy flow to the membrane 35 are offset from one another in the lower half Guide plates 39, 40 and 41 are arranged. So that the oxygen bubbles are transported away faster ground, it is advisable at 38 not only the oxygen but also a part remove the electrolyte, which is then mixed with fresh water again at 37 can be promoted into the separator.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Vorrichtung, die ebenfalls ein rotierendes Magnetfeld aufweist. Der ebenfalls kreisrimgförmige, mit einem Einlaß 54 versehene Strömungskanal 51 ist in diesem Fall durch eine kreisringförmige Membrane 52 mit Gleitblech 53 getrennt, die für den Elektrolyten und die beiden Gase nicht durchlässig ist, die aber einen Ladungsaustausch gestattet. Der Elektrolyt fließt mit gering er Geschwindigkeit auf beiden Seiten der Membrane 52. Die innere Wand des Strömungskanals 51 dient als Kathode, während die äußere Wand als Anode dient. Auch hier erscheint es zweckmäßig, mit den produzierten Gasen sowohl durch ein erstes Abzugsrohr 55 als auch durch ein zweites Abzugsrohr 56 einen Teil des Elektrolyten abzuziehen, um innerhalb des Strömungskanals 51 eine Strömung einzustellen, die die Gase nach oben transportiert.Figures 3 and 4 show a device that is also a rotating Has magnetic field. The also circular rim, provided with an inlet 54 In this case, the flow channel 51 is provided with an annular membrane 52 Sliding plate 53 separated, which is not permeable to the electrolyte and the two gases which, however, allows an exchange of charges. The electrolyte flows with little he velocity on both sides of the diaphragm 52. The inner wall of the flow channel 51 serves as the cathode, while the outer wall serves as the anode. Also appears here it is expedient to use the gases produced both through a first exhaust pipe 55 as well as withdrawing part of the electrolyte through a second exhaust pipe 56, in order to set a flow within the flow channel 51, which the gases according to transported above.

Das folgende Beispiel gibt mögliche Daten einer Großanlage zur Wasserstofferzeugung an, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren und den zu dessen Ausübung vorgeschlagenen Vorrichtungen Gebrauch macht.The following example provides possible data for a large-scale hydrogen production plant to those proposed by the method according to the invention and those proposed for its exercise Devices makes use.

Anlagedaten Elektrolyt: 35 %ige Kalilauge Leitfähigkeit bei 80 °C # = 1,49#-1cm-1 nötige Gesamtspannung Ug = 1,68 V Elektrodenabstand in einer Zelle d = 0,2 cm Stromdichte i = 37 kA/m2 magn. Induktion B = 10 kG Elektrolysewirkungsgrad e = 0,69 Wirkungsgrad des Wasserstoffgenerators (Summe aus Reibung, Ventilation, Wirbel ströme ähnlich wie bei konventionellen Stromgenerator angenommen) iG = 0,98 Gesamtwirkungsgrad #g = 0,68 Turbinenleistung (mechanisch) Nm = 1000 MW Turbinendrehzahl y = 25 sec -1 Innendurchmesser einer Elektrolysezelle D = 3 m Elektrodenfläche F = 2 x 16.000 m2 Wasserstoffproduktion VH0 = 2 . 105 Nm³/h Strömungsgeschwindigkeit in 2 Sammelleitung (Querschnitt 2 cm2, bei Druck von 1 bar) # = 30 m/s Gesamtwirkungsgrad bezogen auf Primärenergieeinsatz (mges =#th .#g) Bei Wärmeerzeugung fossil mit äth = 0,4 #ges = 0,27 Bei Wärmeerzeugung mit LWR mit #th = 0,35 #ges = 0,24 Raumbedarf ca.: Durchmesser 5 m, Länge 20 m Anordnung: 100 Kreis ringe und 101 magnetbestückte Laufräder, Dicke je 10 cm auf einer gemeinsanen Achse. Ein Ausschnitt daraus ist in den Figuren 2 und 4 dargestellt. Ein Kreisring besteht aus 143 Einzelzellen.System data electrolyte: 35% potassium hydroxide conductivity at 80 ° C # = 1.49 # -1cm-1 required total voltage Ug = 1.68 V electrode spacing in a cell d = 0.2 cm current density i = 37 kA / m2 magn. Induction B = 10 kG electrolysis efficiency e = 0.69 efficiency of the hydrogen generator (sum of friction, ventilation, Eddy currents similar to those assumed for conventional power generators) iG = 0.98 Total efficiency #g = 0.68 turbine power (mechanical) Nm = 1000 MW turbine speed y = 25 sec -1 inside diameter of an electrolytic cell D = 3 m electrode area F = 2 x 16,000 m2 hydrogen production VH0 = 2. 105 Nm³ / h flow rate in 2 collecting line (cross-section 2 cm2, at a pressure of 1 bar) # = 30 m / s total efficiency based on primary energy use (mges = # th. # g) For fossil heat generation with eth = 0.4 #total = 0.27 For heat generation with LWR with #th = 0.35 #total = 0.24 Space requirements approx .: diameter 5 m, length 20 m Arrangement: 100 circular rings and 101 magnetic rings Impellers, each 10 cm thick, on a common axis. An excerpt from it is shown in Figures 2 and 4. A circular ring consists of 143 individual cells.

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Claims

Magnetodynamic autoelectrolysis protection claims 1. Procedure for Breakdown of a cissociatable fluid at two electrodes by relative movement the same to a magnetic field, d u r c h e -k e n n n z e i c h n e t that the fluid flows through a rotating magnetic field.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of two or more disks (33) rotatable about a common axis, on whose Circumference axially directed to the disc magnets (32) are arranged, and one or several circular channels (31, 51) arranged between two disks, which are traversed by the fluid in the direction of their circumference.

3. Apparatus according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the circular channels (31, 51) through coaxial membranes (35, 52) are divided into two parts.

4. Apparatus according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the membranes (35) impermeable to the electrolyte, but for one the products of dissociation are permeable, and that only part of the circular ring Channels (31) can be filled with the electrolyte.

5. Apparatus according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t that the membrane (52) for the electrolyte as well as for the products are impermeable to dissociation, but a charge exchange between partial flows of the electrolyte allow the two parts of the annular channels (51) can be filled.

6. Apparatus according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c That is to say, in the chambers of the annular channels which can be filled with electrolyte (31) seen in Strönnngsrichbung in front of the membranes (35) and these in the projection covering baffles (39, 40, 41) are arranged.

7. Device according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h e k en n -z e i c h n e t; that those acting as cathode or anode Parts of the circular channels (31, 51) or membranes (35) conductively with one another are connected.