Begasungsvorriehtung

Die Erfindung betrifft eine Begasungsvorrichtung für in einem Teilsystem einer technischen Anlage geführtes Wasser mit Was¬ serstoff oder Sauerstoff.

In einer Vielzahl von technischen Anlagen, beispielsweise in chemischen Produktionsstatten oder auch in nuklear oder fos¬ sil betriebenen Kraftwerksanlagen, sind Teilsysteme vorgese¬ hen, in denen Wasser geführt wird. Bei einem derartigen Teil¬ system kann es sich beispielsweise um einen Kühlkreislauf oder auch um einen Umlaufkreis für ein Arbeitsmedium handeln. Für das in einem solchen Teilsystem geführte Wasser kann eine Begasung mit Wasserstoff oder mit Sauerstoff aus verschie¬ denen Gründen erforderlich sein.

Beispielsweise führt einerseits eine hohe Sauerstoffkonzen- tration im in dem Teilsystem geführten Wasser zur Korrosion von Einbauteilen oder Rohren des Teilsystems. Dies kann durch eine Begasung des Wassers mit Wasserstoff unterbunden werden, da der dem Wasser zugeführte Wasserstoff sich mit dem über¬ schüssigen Sauerstoff verbindet und so die Sauerstoffkonzen- tration im Wasser reduziert.

Auch für einen Primärkühlkreislauf als Teilsystem eines Druckwasserreaktors eines Kernkraftwerks ist üblicherweise eine Begasung des darin als Kühlmediuiri geführten Wassers mit Wasserstoff vorgesehen. In diesem Fall soll dadurch einer radiolytischen Zersetzung des im Kühlkreis strömenden Mediums entgegengewirkt werden.

Andererseits kann aber auch eine Begasung des in einem Teil- system einer technischen Anlage geführten Wassers mit Sauer¬ stoff erforderlich sein. Dieses Erfordernis tritt beispiels-

weise bei einer Kläranlage auf, bei der der Sauerstoff dem Wasser zu Reinigungszwecken zugeführt wird.

Zur Begasung von in einem solchen Teilsystem geführten Wasser mit Wasserstoff oder Sauerstoff ist üblicherweise ein Gasein¬ speisesystem vorgesehen. Dabei iεt an das mit Wasserstoff oder mit Sauerstoff zu versorgende Teilsystem üblicherweise über ein Rohrsystem ein Gas-Vorratsbehälter angeschlossen, in dem eine Wasserstoff- bzw. Sauerstoffreserve vorgehalten wird. Ein derartiges Gaseinspeisesystem umfaßt jedoch üblicherweise eine Vielzahl von Komponenten, wie z.B. Lager¬ behälter, Rohrleitungen oder Sicherheitseinrichtungen, und ist somit aufwendig und anfällig. Ein derartiges Einspeise¬ system für Wasserstoff muß zudem, insbesondere aufgrund einer möglichen Bildung explosiver Gasgemische bei aus dem Einspei¬ sesystem austretendem Wasserstoff, kontinuierlich auf Leckagen geprüft werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Be- gasungsvorrichtung der obengenannten Art anzugeben, mit der eine schnelle und exakte Einstellung des Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgehaltes des im Teilsystem geführten Wassers auf besonders einfache und zuverlässige Weise und mit geringem Wartungsaufwand gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in das Teil¬ system eine Elektrolyseeinheit zur Zersetzung einer Teilmenge des dort geführten Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff ge ^¬ schaltet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die Übertra¬ gungswege für den Wasserstoff bzw. den Sauerstoff besonders kurz auszulegen. Eine geeignete Verkürzung der Übertragungs¬ wege ist erreichbar, indem auf eine zentrale Gaslagerung ver- ziehtet und der Wasserstoff bzw. der Sauerstoff unmittelbar an dem Ort erzeugt wird, an dem die Begasung des Teilsystems vorgesehen ist. Dies ist auf besonders effektive Weise er-

reichbar, indem eine Teilmenge des im Teilsystem geführten Wassers selbst zur Erzeugung des Wasserstoffs bzw. des Sauer¬ stoffs herangezogen wird. Dies kann durch eine geeignete Zer¬ setzung dieser Teilmenge in Wasserstoff und Sauerstoff er- reicht werden, wobei der dabei erzeugte Wasserstoff oder der dabei erzeugte Sauerstoff unmittelbar in das nicht zersetzte, im Teilsystem geführte Wasser eingebracht werden.

Zweckmäßigerweise umfaßt die Elektrolyseeinheit eine Anzahl von Membranelektrolysezellen. Bei einer derartigen Membran¬ elektrolysezelle wird das Funktionsprinzip einer Brennstoff¬ zelle, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz "Brennstoffzellen für Elektrotraktion", K. Straßer, VDI-Be- richte, Nr. 912 (1992), S. 125 ff., bekannt ist, umgekehrt. Dazu wird einer zwischen einer Anode und einer Kathode an¬ geordneten Membran Wasser zugeführt. Durch Anlegen einer Ver¬ sorgungsspannung zwischen der Anode und der Kathode wird das Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Eine derartige Membranelektrolysezelle zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus, so daß eine Elektro¬ lyseeinheit mit einer Anzahl von Membranelektrolysezellen auf besonders engem Raum untergebracht sein kann. Daher kann eine derartige Elektrolyseeinheit besonders flexibel und an die spezifischen Bedürfnisse des Teilsystems angepaßt in das Teilsystem geschaltet sein.

Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung an die Elektro¬ lyseeinheit ein Ableitungssystem für Sauerstoff bzw. Wasser¬ stoff angeschlossen. Somit kann das bei der Zersetzung der Teilmenge des Wassers entstehende und, nicht für die Begasung des Wassers benötigte Gas auf besonders einfach Weise abge¬ führt sowie einer anderen Verwendung zugeführt werden.

Um eine besonders effektive Lösung des in das Wasser einge- speisten Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs im Wasser zu gewähr¬ leisten, ist der Elektrolyseeinheit vorteilhafterweise ein

vom Wasser des Teilsystems durchstrombarer Durchmischer nach¬ geschaltet.

Alternativ oder zusätzlich ist für eine besonders gute Losung des einzuspeisenden Gases im Wasser der Elektrolyseemheit vorteilhafterweise ein Regelsystem zur Einstellung eines vor¬ gebbaren Wasserdrucks nachgeschaltet. Die Abhängigkeit der Löslichkeit von Wasserstoff oder Sauerstoff in Wassser vom Druck des Wassers ist somit auf besonders einfach Weise für das Begasungssystem nutzbar.

Weiterhin ist der Elektrolyseeinheit zweckmäßigerweise ein Ionenaustauscher als Filter vorgeschaltet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson¬ dere darin, daß durch die in das Teilsystem geschaltete Be¬ gasungsvorrichtung eine Produktion des zur Begasung des Was¬ sers erforderlichen Wasserstoffs oder Sauerstoffs durch Zer¬ setzung einer Teilmenge des im Teilkreis geführten Wassers selbst möglich ist. Somit sind keine verfahrenstechnischen Peripherieanlagen zur Begasung des Teilsystems mit Wasser¬ stoff oder Sauerstoff erforderlich. Insbesondere ist kein aufwendiges Gasvorratssystem mit den entsprechenden Rohrlei¬ tungen, Regeleinrichtungen und Gasabscheidern erforderlich.

Eine aufwendige Lagerung und ein störanfälliger Transport des Wasserstoffs bzw. des Sauerstoffs über lange Strecken sind nicht erforderlich, so daß dadurch bedingte Wartungsarbeiten minimiert sind. Zudem ist eine dezentrale Anordnung einer An- zahl von Begasungsvorrichtungen am Teilsystem aufgrund der kompakten Bauweise der Elektrolyseeinheit in besonders einfa¬ cher Weise möglich, so daß die Produktion des Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs besonders flexibel und an aktuelle Erforder¬ nisse anpaßbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert . Darin zeigt die Figur eine Be-

gasungsvorrichtung für ein Teilsystem einer technischen An¬ lage.

Die Begasungsvorrichtung 1 gemäß der Figur ist zur Begasung von in einem auszugsweise dargestellten Teilsystem 2 einer technischen Anlage geführtem Wasser W mit Wasserstoff H ₂ vor¬ gesehen. Das Teilsystem 2 kann dabei beispielsweise ein Kühl¬ wasserkreislauf einer chemischen Produktionsstätte, ein Was¬ ser-Dampf-Kreislauf einer Kraftwerksanlage oder auch ein Primär- oder Sekundärkreislauf einer Kernkraftswerkanlage sein. Es kann sich aber auch um ein beliebiges anderes Teil¬ system 2 einer technischen Anlage handeln, in dem Wasser W geführt ist.

Die Begasungsvorrichtung 1 umfaßt eine Elektrolyseeinheit 3, die in einem Rohrstück 4 angeordnet ist. Das Rohrstück 4 ist seinerseits über Flansche 6 in ein Rohrleitungssystem 8 des Teilsystems 2 geschaltet. Insbesondere für den Fall, daß das Teilsystem 2 ein Primär- oder Sekundärkreislauf einer Kern- kraftswerkanlage ist, ist das Rohrleitungssystem 8 dabei zweckmäßigerweise eine über (nicht dargestellte) Ventile ab¬ sperrbare Bypassleitung.

Zur Sicherstellung einer für die Funktionsfähigkeit der Elek- trolyseeinheit 3 ausreichenden Wasserreinheit ist dieser eine Ionenaustauschereinheit 9 als Filterelement vorgeschaltet.

Die Elektrolyseeinheit 3 umfaßt eine Anzahl von Membranelek¬ trolysezellen 10. Bei jeder Membranelektrolysezelle 10 ist eine Membran 12 aus einem polymeren Elektrolyt zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 angeordnet. Für eine besonders hohe Resistenz gegen Korrosion bestehen die Anode 14 und die Kathode 16 vorzugsweise aus Platin oder einer Platin¬ legierung. Es können aber auch andere Materialien vorgesehen sein.

Die Anode 14 und die Kathode 16 εind in nicht näher darge¬ stellter Art und Weise mit einer Spannungsquelle verbunden. Zur Steuerung der Wasserstoff- oder SauerstofProduktion der Membranelektrolysezellen 10 iεt die Spannungsquelle in Ab- hängigkeit eines Gaskonzentrations-Meßwertes des Wassers W regelbar.

Für jede Membranelektrolysezelle 10 ist deren Membran 12 mit der an ihr angeordneten Anode 14 und der an ihr angeordneten Kathode 16 von einem Gehäuse 18 umschlossen. Das Gehäuse 18 jeder Membranelektrolysezelle 10 weist eine Anzahl von Zu¬ trittsöffnungen 20 für Wasser W sowie eine Anzahl von Aus- trittsöffnungen 22 für Wasserstoff H ₂ auf. An einer ebenfalls im Gehäuse 18 jeder Membranelektrolysezelle 10 vorgesehenen Austrittsöffnung 24 für Sauerstoff 0 ₂ ist ein Ableitungs- system 26 angeschlossen, das durch das Rohrstück 4 geführt ist.

Der Elektrolyseeinheit 3 ist ein Durchmischer 28 nachgeschal- tet. Zusätzlich oder alternativ kann der Elektrolyseeinheit 3 auch ein Regelsystem zur Einstellung eines vorgebbaren Was¬ serdrucks nachgeschaltet sein.

Beim Betrieb der Begasungsvorrichtung 1 wird das in das Rohr- leitungssystem 8 geschaltete Rohrstück 4 von im Teilsystem 2 geführtem Wasser W durchströmt. Ein durch die Pfeile T sym¬ bolisierter Teilstrom des Wasser W gelangt dabei durch die Zutrittsöffnungen 20 in die Membranelektrolysezellen 10. Durch Anlegen einer Spannung an die Anode 14 und die Kathode 16 jeder Membranelektrolysezelle 10 wird das jeder Membran¬ elektrolysezelle 10 zugeführte Wasser in Wasserstoff H ₂ und in Sauerstoff 0 ₂ zersetzt. Der Wasserstoff H ₂ gelangt durch die Austrittsöffnung 22 in das im Teilsystem 2 geführte Was¬ ser W und löst sich darin. Um diese Lösung zu begünstigen, werden der Wasserstoff H ₂ und das Wasser W in dem Durch¬ mischer 28 durchmischt. Alternativ oder zusätzlich kann über das Regelsystem ein in Abhängigkeit von einer Wasserstoff-

Sollkonzentration vorgebbarer Wasserdruck im Wasser W einge ^¬ stellt werden. Der bei der Zersetzung der Teilmenge des Was¬ sers W produzierte Sauerstoff 0 ₂ wird über das Ableitungs- system 26 abgeführt.

Im Ausführungsbeispiel ist die Begasungsvorrichtung 1 zur Be¬ gasung des Wassers W mit Wasserstoff H ₂ ausgelegt. Alternativ kann die Begasungsvorrichtung 1 aber auch für die Begasung des Wassers W mit Sauerstoff 0 ₂ ausgelegt sein. In diesem Fall ist die Austrittsöffnung 24 für den generierten Sauer ^¬ stoff 0 ₂ unverschlossen, so daß der Sauerstoff 0 ₂ direkt in das Wasser W eindringen kann. Die Austrittsöffnung 22 für den generierten Wasserstoff H ₂ ist in diesem Fall an das Ablei- tungssystem 26 angeschlossen.

Aufgrund der kompakten Bauweise der Membranelektrolysezellen 10 ist die Begasungsvorrichtung 1 besonders raumsparend und somit besonders flexibel in das Teilsystem 2 der technischen Anlage einschaltbar. Die Wasserstoff- oder Sauerstoffpro- duktion ist somit, auch durch eine variable Anordnung einer Anzahl von Begasungsvorrichtungen 1 im Teilsystem 2, beson¬ ders flexibel an die Erfordernisse der Wasserstoff- oder Sauerstoffproduktion anpaßbar.