AT503432B1 - ENERGY SUPPLY METHOD FOR AN ELECTROLYSIS CELL - Google Patents
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- AT503432B1 AT503432B1 AT0082806A AT8282006A AT503432B1 AT 503432 B1 AT503432 B1 AT 503432B1 AT 0082806 A AT0082806 A AT 0082806A AT 8282006 A AT8282006 A AT 8282006A AT 503432 B1 AT503432 B1 AT 503432B1
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Description
2 AT 503 432 B12 AT 503 432 B1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer Elektrolysezelle mit elektrischer Energie zur Erstellung eines gasförmigen Produktes aus einem flüssigen Medium durch Elektrolyse, wobei die Energie aus einer Primärenergiequelle bezogen wird, eine hierzu geeignete Vorrichtung, weiters ein Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Produktes aus einer Flüssigkeit durch Elektrolyse in einer Elektrolysezelle, bei dem zwischen zumindest zwei Elektroden ein Stromfluss erzwungen wird und eine hierzu vorgesehene Vorrichtung.The invention relates to a method for supplying an electrolytic cell with electrical energy for producing a gaseous product from a liquid medium by electrolysis, wherein the energy is obtained from a primary energy source, a device suitable for this purpose, further a method for producing a gaseous product from a liquid Electrolysis in an electrolytic cell in which a current flow is forced between at least two electrodes and a device provided for this purpose.
Wasserstoff als alternativer Energieträger gewinnt immer mehr an Bedeutung, nicht zuletzt aufgrund der ständig steigenden Preise für Rohölprodukte. Die Herstellung erfolgt in der Regel durch Elektrolyse von Wasser. Heute gängige Elektrolysezellen verbrauchen trotz ständiger Optimierung nach wie vor mehr an elektrischer Energie für die Herstellung von 1 m3 Wasserstoff, als dies theoretisch erforderlich ist. Bedingt ist dies durch die hohe Verlustleistung. Wird Wasserstoff in der Folge verbrannt, kann man daraus ca. 3,5 kWh Energie zurück gewinnen, sodass also derzeit die Energiebilanz negativ ist und somit der Anteil verbrauchter Energie aus Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichen Energieträgern noch verschwindend gering ist.Hydrogen as an alternative energy source is becoming increasingly important, not least because of the ever-increasing price of crude oil products. The preparation is usually carried out by electrolysis of water. Today's common electrolysis cells still consume more electrical energy for the production of 1 m3 of hydrogen, despite the constant optimization, than is theoretically necessary. This is due to the high power loss. If hydrogen is burned in the sequence, it can recover about 3.5 kWh of energy, so that currently the energy balance is negative and thus the proportion of energy consumed from hydrogen in comparison to conventional energy sources is still negligible.
Es sind bereits Verfahren zur Verringerung des Stromverbrauches bei der Wasserelektrolyse bekannt. Diese zielen auf die Optimierung des Kathoden- und Anodenmaterials ab, sowie auf die Optimierung der elektrischen Parameter der Speisungskreise der Elektrolysezelle.There are already known methods for reducing the power consumption in the electrolysis of water. These aim at the optimization of the cathode and anode material as well as at the optimization of the electrical parameters of the supply circuits of the electrolysis cell.
Die DE 197 15 690 A beschreibt einen Generator, der sich speziell für Anwendungen mit langsamen Antriebsquellen eignet, wie z.B. Windenergieanlagen, freie Wasserräder oder Gezeitenkraftwerke. Durch die Konstruktion des Generators können aufwendige Getriebe eingespart werden. Es steht ohne weitere Umformung und dadurch verlustfrei Gleichstrom zur Verfügung, wie er z.B. bei Elektrolyse von Wasser oder beim Laden von Akkumulatoren gebraucht wird. Bei der Anbindung an ein öffentliches Netzt wird ein Wechselrichter nachgeschaltet. Bei dem Generator können die Anzahl der Spulen beim Läufer und Stator gleich sein und immer den gleichen Wickelabstand zwischen den Spulen haben, sodass ein einzelner Gleichstromimpuls entsteht und erst bis sich die Spulen wieder treffen, der nächste Impuls. Bei dieser Variante kann man möglicherweise auf Kondensatoren an den Ständerspulen verzichten. Bei einer Ausführungsvariante, bei der auf den Stator und dem Läufer eine unterschiedliche Anzahl von Spulen angeordnet ist, kann je nach Aufteilung eine geglättete Gleichspannung durch Überlappung der einzelnen Impulse entstehen. Durch die Überlappung der Impulse ergibt sich eine regelmäßige Gleichspannung. Die nachgeschalteten Gleichrichter/Kondensatoren glätten die Stromimpulse noch weiter. Dieser Strom kann durch einen Wechselrichter fließen und mit der passenden Frequenz auch in ein öffentliches Netz eingespeist werden.DE 197 15 690 A describes a generator which is particularly suitable for applications with slow drive sources, such as e.g. Wind turbines, free water wheels or tidal power plants. Due to the construction of the generator complex gears can be saved. It is without further transformation and thus lossless DC available, as it is e.g. in the electrolysis of water or in charging of accumulators is needed. When connecting to a public network, an inverter is connected downstream. In the generator, the number of coils in the rotor and stator can be the same and always have the same winding distance between the coils, so that a single DC pulse occurs and only until the coils meet again, the next pulse. In this variant, one may possibly do without capacitors on the stator coils. In a variant in which a different number of coils is arranged on the stator and the rotor, depending on the distribution, a smoothed DC voltage can be produced by overlapping the individual pulses. The overlap of the pulses results in a regular DC voltage. The downstream rectifiers / capacitors smooth the current pulses even further. This current can flow through an inverter and be fed with the appropriate frequency in a public network.
Aus der EP 0 362 445 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrisches Konditionieren von Elektroden bekannt, wobei die Elektroden in einem Elektrolyt angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode umfassen. Es wird dabei ein pulsierendes Gleichspannungssignal mit besonderer Eigenschaft hinsichtlich Impulsbreite, Spitzenspannung und Dauer zwischen aufeinander folgenden Impulsen des Signals verwendet, wobei Werte derart ausgewählt sind, dass bei Anlegen des pulsierenden Gleichspannungssignals an die Elektroden während des Intervalls zwischen den Impulsen, wo das Potential des Anodenabschnittes der Elektroden positiv gegenüber dem Wasserstoff-Standardpotential ist und während der Dauer jedes Impulses, wenn der Anodenabschnitt positiver gemacht wird, als während des Intervalls zwischen den Impulsen, der Anodenabschnitt der Elektrodenelemente im Wesentlichen in einem Zustand der Endpassivierung gehalten wird, wobei das spezielle, den Anodenabschnitt umfassende Metall freigelegt bleibt, im Wesentlichen kein Sauerstoff an dem Anodenabschnitt erzeugt wird und der Anodenabschnitt während des Betriebs der Vorrichtung verzehrt wird und wobei der Wasserstoff an den Katodenabschnitt der Elektrodenelemente schnell erzeugt wird.EP 0 362 445 A discloses a method for producing hydrogen by electrically conditioning electrodes, wherein the electrodes are arranged in an electrolyte and comprise a cathode and an anode. In this case, a pulsating DC signal is used with particular characteristics in terms of pulse width, peak voltage and duration between successive pulses of the signal, wherein values are selected such that upon application of the pulsating DC voltage signal to the electrodes during the interval between the pulses, where the potential of the anode section of the electrodes is positive with respect to the hydrogen standard potential and during the duration of each pulse, when the anode portion is made more positive than during the interval between the pulses, the anode portion of the electrode members is maintained substantially in a state of final passivation, the particular one Substantially no oxygen is generated at the anode portion and the anode portion is consumed during operation of the device and wherein the hydrogen is applied to the cathode portion of the electrode elements is generated quickly.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben mit dem bzw. der die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser wirtschaftlicher durchgeführt werden kann. 3 AT 503 432 B1The object of the present invention is therefore to specify a method and a device with which the extraction of hydrogen from water can be carried out more economically. 3 AT 503 432 B1
Diese Aufgabe der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Energie aus der Primärenergiequelle in eine Antriebsvorrichtung eingespeist wird, dass weiters mit der Antriebsvorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung von Spannungspulsen angetrieben wird, wobei diese Einrichtung mit der Elektrolysezelle ein eigenes elektrisches Netz bildet, das von der Primärenergiequelle getrennt ist, und die Spannungspulse in die Elektrolysezelle eingeleitet werden, weiters durch das Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Produktes aus einer Flüssigkeit nach dem die Versorgung der Elektrolysezelle mit elektrischer Energie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, unabhängig davon durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Primärenergiequelle eine Antriebseinrichtung mit Energie versorgt, bei der weiters eine Einrichtung zur Erzeugung von Spannungspulsen elektrisch leitend mit der Elektrolysezelle verbindbar und elektrisch getrennt von der Primärenergiequelle angeordnet ist, wobei diese Einrichtung mit der Primärenergiequeile antriebsseitig verbunden ist, sowie durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines gasförmigen Produktes aus einer Flüssigkeit bei der für die Versorgung der Elektrolysezelle mit elektrischer Energie eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Elektroden elektrisch leitend verbunden angeordnet ist.This object of the invention is achieved in the method according to the invention in that the energy from the primary energy source is fed into a drive device, that further with the drive device at least one means for generating voltage pulses is driven, said device forms a separate electrical network with the electrolysis cell , which is separated from the primary energy source, and the voltage pulses are introduced into the electrolytic cell, further by the method for producing a gaseous product from a liquid after the supply of the electrolytic cell with electrical energy by the method according to the invention, regardless of the inventive device in which the primary energy source supplies power to a drive device, in which further a device for generating voltage pulses can be electrically connected to the electrolysis cell and electrically separated is arranged from the primary energy source, said device being connected on the drive side with the primary energy source, and by a device for producing a gaseous product from a liquid in which a device according to the invention is electrically connected to the electrodes for supplying the electrolytic cell with electrical energy.
Die Erfindung beruht darauf, dass erkannt wurde, dass bei einer Wasserelektrolyse nach der elektrischen Trennung der Elektrolysezellen vom Stromnetz die Elektrolyse für einige Zeit weiter abläuft. Bei bisher bekannten Elektrolysezellen ist das Stromnetz der Zelle mit dem Gesamtnetz verbunden, sodass Messgeräte, die die Parameter der Zelle während der Elektrolyse messen, nicht nur die Größe des Gleichpotentials, also jenes Potential welches zu Betriebsbeginn vorherrscht und der Mittelwert des dabei entstehenden Stromes berücksichtigt wird. In einem solchen Stromzuflusssystem berücksichtigen die Messgeräte nicht die Größe der Spannung die für die Nachladung der Zelle aufgrund des Energieverbrauchs erforderlich ist, sondern den Gesamtwert des Gleichpotentials der, wie die Erfinder herausgefunden haben, das 10 bis 15 fache des für das Nachladen der Zelle erforderlichen Potentials beträgt. Alle bisher bekannten Optimierungsvarianten eines solchen Stromspeisungsverfahrens sind davon beeinflusst. Dem gegenüber wird mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren durch die Spannungspulse jene Energiemenge nachgeliefert, welche für die Aufrechterhaltung des Gleichpotentials erforderlich ist. Die Verlustleistung der Zelle kann damit gesenkt werden. Durch die elektrische Trennung der Zelle von der Primärenergiequelle, beispielsweise dem Stromnetz, ist die Messung des Verbrauchs der Energie in der Zelle selbst unabhängig von den vorgenannten Größen möglich.The invention is based on the fact that it was recognized that in a water electrolysis after the electrical separation of the electrolysis cells from the mains, the electrolysis continues for some time. In previously known electrolysis cells, the power network of the cell is connected to the overall network, so that measuring devices that measure the parameters of the cell during electrolysis, not only the size of the DC potential, ie that potential which prevails at the beginning of operation and the average value of the resulting current is taken into account , In such a power supply system, the meters do not take into account the amount of voltage required to recharge the cell due to power consumption, but the total value of the equipotential which, as the inventors found, is 10 to 15 times the potential required to recharge the cell is. All previously known optimization variants of such a power supply method are affected by it. On the other hand, with the method according to the invention, the amount of energy supplied by the voltage pulses, which is required for maintaining the same potential, is replenished. The power loss of the cell can thus be reduced. By the electrical separation of the cell from the primary energy source, for example the power grid, the measurement of the consumption of energy in the cell itself is possible regardless of the aforementioned sizes.
Die Einrichtung zur Erzeugung der Spannungspulse und die Antriebseinrichtung werden mit gleicher Drehzahl betrieben, sodass die Verlustleistung der Antriebseinrichtung ebenfalls minimiert werden kann.The device for generating the voltage pulses and the drive device are operated at the same speed, so that the power loss of the drive device can also be minimized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Spannungspulse, welche in die Elektrolysezelle eingeleitet werden, eine steil ansteigende und eine sanft abfallende Flanke aufweisen. Es kann damit das Energiedefizit aufgrund des Verbrauchs in der Zelle sehr rasch abgebaut werden, andererseits wird damit den Elektroden ausreichend Zeit gegeben das Gleichpotential wieder herzustellen.According to a preferred embodiment, it is provided that the voltage pulses, which are introduced into the electrolytic cell, have a steeply rising and a gently sloping edge. It can thus be the energy deficit due to the consumption in the cell degraded very quickly, on the other hand so that the electrodes given enough time to restore the DC potential.
Es können Spannungspulse verwendet werden, deren Amplitude um einen Wert größer ist als das Potential zwischen den Elektroden der ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 % und einer oberen Grenze von 25 %, wodurch nicht nur eine höhere Stabilität der Zelle erreicht wird, sondern auch die Kontinuität der Gasproduktion vergleichmäßigt werden kann.Voltage pulses can be used whose amplitude is greater by a value than the potential between the electrodes selected from a range with a lower limit of 5% and an upper limit of 25%, whereby not only a higher stability of the cell is achieved but also the continuity of gas production can be made uniform.
Die Spannungspulse können weiters eine Pulsdauer aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 ms und einer oberen Grenze von 10 ms, wodurch eine weitere Senkung des Energieverbrauchs möglich ist.The voltage pulses may further have a pulse duration selected from a range having a lower limit of 0.5 ms and an upper limit of 10 ms, thereby allowing further reduction in power consumption.
Dabei ist es von Vorteil, wenn eine Pulsfrequenz der Spannungspulse verwendet wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 100 Hz und einer oberen Gren- 4 AT 503 432 B1 ze 300 Hz.It is advantageous if a pulse frequency of the voltage pulses is used, which is selected from a range with a lower limit of 100 Hz and an upper limit 4 Hz.
Ebenso können Spannungspulse verwendet werden, mit einer mittleren Amplitude die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 30 V und einer oberen Grenze von 50 V.Similarly, voltage pulses may be used with an average amplitude selected from a range having a lower limit of 30V and an upper limit of 50V.
Durch diese Maßnahmen ist eine weitere Steigerung der Effizienz, d.h. des Wirkungsgrades des Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich.By these measures, a further increase in efficiency, i. the efficiency of the method or the device possible.
Die Antriebseinrichtung kann ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor sein, wodurch eine ausreichende Stabilität der Energieversorgungsvorrichtung erreicht wird.The drive device may be an electric motor or an internal combustion engine, whereby a sufficient stability of the power supply device is achieved.
Bevorzugt ist der Elektromotor als so genannter Einphasenmotor ausgeführt, wodurch eine feinstufige Abstimmung der Drehzahl ermöglicht wird.Preferably, the electric motor is designed as a so-called single-phase motor, whereby a fine-tuning of the speed is made possible.
Die Einrichtung zur Erzeugung von Spannungspulsen ist bevorzugt ein magnetischer Induktor, kann aber auch ein Pulsgenerator sein, wobei die Effizienz durch die Verwendung des magnetischen Induktors gesteigert werden kann. Für die Kompaktheit der Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn sowohl die Antriebseinrichtung und die Einrichtung zur Erzeugung von Spannungspulsen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.The device for generating voltage pulses is preferably a magnetic inductor, but may also be a pulse generator, wherein the efficiency can be increased by the use of the magnetic inductor. For the compactness of the device, it is advantageous if both the drive device and the device for generating voltage pulses are arranged in a common housing.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorrichtung weist der magnetische Induktor einen Anker auf, der einen Werkstoff umfasst, der eine hohe Koerzitivkraft von mindestens 300 Oe aufweist. Dabei kann die Koerzitivkraft ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 300 Oe und einer oberen Grenze von 15 kOe.To increase the efficiency of the device, the magnetic inductor has an armature comprising a material having a high coercive force of at least 300 Oe. Here, the coercive force may be selected from a range having a lower limit of 300 Oe and an upper limit of 15 kOe.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.For a better understanding of the invention, this will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:Each shows in a schematically simplified representation:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Energieversorgung;Fig. 1 is a schematic representation of the device for power supply;
Fig. 2 ein Schaltbild zur Messung der elektrischen Größen bei der experimentellen Überprüfung des erfindungsgemäßen Verfahrens;2 shows a circuit diagram for measuring the electrical quantities in the experimental verification of the method according to the invention;
Fig. 3 einen möglichen Verlauf der an die Elektroden anliegenden Spannung;3 shows a possible course of the voltage applied to the electrodes;
Fig. 4 die experimentelle Abhängigkeit der Änderung der spezifischen Leistung von der Anzahl der verwendeten Zellen;4 shows the experimental dependence of the change in the specific power on the number of cells used;
Fig. 5 die Abhängigkeit der spezifischen Leistung von der Spannung an der Zelle.Fig. 5 shows the dependence of the specific power on the voltage at the cell.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der 5 AT 503 432 B1 oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.By way of introduction, it should be noted that in the differently described embodiments, the same parts are provided with the same reference numerals or the same component names, wherein the disclosures contained in the entire description can be mutatis mutandis to the same parts with the same reference numerals or component names. Also, the location information chosen in the description, such as top, bottom, side, etc. related to the immediately described and illustrated figure and are to be transferred to the new situation mutatis mutandis when a change in position. Furthermore, individual features or combinations of features from the different exemplary embodiments shown and described can also represent independent, inventive or inventive solutions. All statements on ranges of values in the description of the present invention should be understood to include any and all sub-ranges thereof, e.g. the indication 1 to 10 should be understood to mean that all subregions are included, starting from the lower limit 1 and the upper limit 10 AT 503 432 B1, i. all subregions begin with a lower limit of 1 or greater and end at an upper limit of 10 or less, e.g. 1 to 1.7, or 3.2 to 8.1 or 5.5 to 10.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Versorgung von Elektroden 2 einer Elektrolysezelle 3 mit elektrischer Energie. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Primärenergiequelle 4, die eine Antriebseinrichtung 5 mit Energie versorgt, weiters eine Einrichtung 6 zur Erzeugung von Spannungspulsen, die über Leitungen 7 mit den Elektroden 2 der Elektrolysezelle 3 elektrisch leitend verbunden ist.1 shows a device 1 for supplying electrodes 2 of an electrolysis cell 3 with electrical energy. This device 1 comprises a primary energy source 4, which supplies power to a drive device 5, furthermore a device 6 for generating voltage pulses, which is electrically conductively connected to the electrodes 2 of the electrolytic cell 3 via lines 7.
Die Primärenergiequelle 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch das Stromnetz gebildet. Dieses Stromnetz versorgt die als Elektromotor ausgeführte Antriebseinrichtung 5.The primary energy source 4 is formed in the present embodiment of FIG. 1 by the power grid. This power supply supplies the drive device 5 designed as an electric motor.
Anstelle des Stromnetzes bzw. des Elektromotors kann als Primärenergiequelle 4 auch ein Kohlenwasserstoffgemisch verwendet werden, welches in einem Tank vorrätig gehalten wird und mit dem ein Verbrennungsmotor als Antriebseinrichtung 5 angetrieben wird.Instead of the power grid or the electric motor can be used as the primary energy source 4 and a hydrocarbon mixture, which is kept in stock in a tank and with which an internal combustion engine is driven as drive means 5.
Als Elektromotor können sämtliche, aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren verwendet werden, beispielsweise Mehrphasenelektromotoren, Asynchronmotoren, etc. Bevorzugt wird jedoch ein so genannter Einphasenmotor verwendet.As an electric motor, all known from the prior art electric motors can be used, for example polyphase electric motors, asynchronous motors, etc. Preferably, however, a so-called single-phase motor is used.
Die Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungspulse ist bevorzugt durch einen magnetischen Induktor gebildet. Dieser magnetische Induktor weist dabei zumindest eine Wicklung und einen Anker auf, der von der Wicklung umgeben ist. Durch die Bewegung des magnetischen Induktors werden die Spannungspulse erzeugt.The device 6 for generating the voltage pulses is preferably formed by a magnetic inductor. This magnetic inductor has at least one winding and an armature which is surrounded by the winding. The movement of the magnetic inductor generates the voltage pulses.
In der Elektrolysezelle 3 nach Fig. 1 sind lediglich zwei Elektroden 2 angeordnet. Es ist jedoch möglich, mehr als zwei Elektroden 2 anzuordnen, wobei in diesem Fall jedes Elektrodenpaar eine Subzelle der Elektrolysezelle 3 bildet.In the electrolysis cell 3 according to FIG. 1, only two electrodes 2 are arranged. However, it is possible to arrange more than two electrodes 2, in which case each electrode pair forms a subcell of the electrolytic cell 3.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungspulse elektrisch getrennt von der Antriebseinrichtung 5 angeordnet, also mit anderen Worten, elektrisch von der Primärenergiequelle mit dem Stromnetz getrennt.As can be seen from Fig. 1, the means 6 for generating the voltage pulses is arranged electrically separated from the drive means 5, in other words, electrically separated from the primary power source to the power grid.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind sowohl die Antriebseinrichtung 5 als auch die Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungspulse in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet.In a preferred embodiment, both the drive device 5 and the device 6 for generating the voltage pulses are arranged in a common housing 8.
Die Antriebseinrichtung 5 versetzt den Anker des magnetischen Induktors in Bewegung. Für die Übertragung der Rotationsbewegung der Antriebseinrichtung 5 ist eine gemeinsame Welle 9 mit der Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungsimpulse verbunden. Gelagert wird diese Welle beispielsweise in Lagern 10, welche am Gehäuse 8 angeordnet sind.The drive device 5 sets the armature of the magnetic inductor in motion. For the transmission of the rotational movement of the drive device 5, a common shaft 9 is connected to the device 6 for generating the voltage pulses. This shaft is stored for example in bearings 10, which are arranged on the housing 8.
Obwohl die gemeinsame Welle 9 die bevorzugt Ausführungsvariante ist, besteht selbstverständlich die Möglichkeit, andere Übertragungseinrichtungen für die Rotationsbewegung vorzusehen, beispielsweise mit Keilriemen bzw. Zahnriemen oder über Kettenräder mit Ketten.Although the common shaft 9 is the preferred embodiment, it is of course possible to provide other transmission means for the rotational movement, for example with V-belts or toothed wheels or chain wheels with chains.
Im bevorzugten Anwendungsfall ist in der Elektrolysezelle 3 Wasser enthalten, um daraus durch die Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Dazu ist die Elektrolysezelle 3 im Wesentlichen gegenüber der Umwelt gekapselt und sind lediglich Ausgänge zur Gasabnahme in einen Lagerbehälter 11 vorgesehen. Sollte eine Zwischenlagerung des Wasserstoffes nicht gewünscht sein, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch Teil einer größeren Anlage sein, beispielsweise einer Verbrennungsvorrichtung, um aus dem Wasserstoff Wärmeenergie zu gewinnen. Ebenso kann der Wasserstoff für diverse chemische Reaktionen verwendet wer- 6 AT 503 432 B1 den, beispielsweise Hydrierungen, etc., sodass also die Vorrichtung 1 auch Bestandteil chemischer Anlagen sein kann.In the preferred application, water is contained in the electrolysis cell 3 in order to recover hydrogen and oxygen from it by the electrolysis. For this purpose, the electrolytic cell 3 is substantially encapsulated in relation to the environment and are provided only outputs for gas sampling in a storage container 11. If intermediate storage of the hydrogen is not desired, the device 1 according to the invention can also be part of a larger system, for example a combustion device, in order to obtain heat energy from the hydrogen. Likewise, the hydrogen can be used for various chemical reactions, for example hydrogenations, etc., so that the device 1 can also be part of chemical plants.
Es wird damit eine kostengünstige Vorortproduktion der benötigten Produktionsmittel ermöglicht.It is thus a low-cost on-site production of the required means of production allows.
Um die Elektrolyse zu starten, genügt es also die Antriebseinrichtung 5 beispielsweise an das Stromnetz anzuschließen, sodass durch die Drehung des Elektromotors weiters der magnetische Induktor, d.h. dessen Anker, in Drehung versetzt wird und somit die damit erzeugte elektrische Energie in Form von Spannungsimpulsen in die Elektrolysezelle 3 eingespeist wird.In order to start the electrolysis, it is therefore sufficient to connect the drive device 5, for example, to the power supply, so that, by the rotation of the electric motor, the magnetic inductor, i. whose armature is rotated and thus the electrical energy generated in the form of voltage pulses is fed into the electrolysis cell 3.
Die Elektrolysezelle 3 wird mit Gleichstrom betrieben. Für den Fall, dass dieser nicht zur Verfügung steht, ist in der Vorrichtung 1 ein Gleichrichter 12 angeordnet, der dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet ist. Der Gleichrichter 12 kann zwischen der Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungsimpulse und der Elektrolysezelle 3 angeordnet sein, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.The electrolysis cell 3 is operated with direct current. In the event that this is not available, a rectifier 12 is arranged in the device 1, which is formed according to the prior art. The rectifier 12 may be disposed between the means 6 for generating the voltage pulses and the electrolytic cell 3, as shown in FIG. 2 can be seen.
Aus Fig. 2 ist ebenfalls ersichtlich, dass zur Transformation der Netzspannung in der Vorrichtung 1 ein Transformator 13 vorgesehen werden kann, der nach der Einspeisung der elektrischen Energie aus dem Stromnetz in der Vorrichtung 1 angeordnet ist.From Fig. 2 it is also apparent that for transforming the mains voltage in the device 1, a transformer 13 may be provided, which is arranged after the supply of electrical energy from the mains in the device 1.
Bei Ausbildung der Antriebseinrichtung 5 als Verbrennungsmotor kann der Transformator 13 entfallen.When forming the drive device 5 as an internal combustion engine, the transformer 13 can be omitted.
Als Elektroden 2 können prinzipiell alle für die Elektrolyse geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Elektroden 2 verwendet werden. Für die Versuchsanordnung in Fig. 2 mit der die elektrischen Parameter der Vorrichtung bestimmt wurden, wurden Stahlelektroden verwendet.In principle, all electrodes 2 suitable for electrolysis and known from the prior art can be used as electrodes 2. For the experimental setup in Fig. 2, with which the electrical parameters of the apparatus were determined, steel electrodes were used.
Die Versuchsanordnung in Fig. 2 weist vor dem Transformator 13 unmittelbar nach der Einspeisung der elektrischen Energie in die Vorrichtung 1 einen Energiezähler 14, in Flussrichtung hinter dem Transformator 13, ein Wattmeter 15, im Stromkreis der Elektrolysezelle 3 ein hinter dem Gleichrichter 12 ein Amperemeter 16, das in Serie geschaltet ist, ein parallel geschaltetes Voltmeter 17, sowie einen ebenfalls parallel geschalteten Oszillografen 18 auf.The experimental arrangement in FIG. 2 has an energy meter 14 in the flow direction downstream of the transformer 13, a wattmeter 15, in the circuit of the electrolytic cell 3, an ammeter 16 downstream of the rectifier 12, immediately before the supply of electrical energy , which is connected in series, a parallel-connected voltmeter 17, as well as an oscillograph 18 also connected in parallel.
Mit dieser Versuchsanordnung kann gezeigt werden, dass sobald der Betrieb der Vorrichtung 1, d.h. der Betrieb der Elektrolysezelle 3, aufgenommen wird, diese Zelle bis zu einem so genannten Gleichpotential Up aufgeladen wird, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Größe dieses Potentials nimmt mit der Anzahl der einzelnen Subzellen in der Elektrolysezelle 3 zu.With this experimental set-up it can be shown that once the operation of the device 1, i. the operation of the electrolytic cell 3, is recorded, this cell is charged to a so-called DC potential Up, as shown in FIG. 3 can be seen. The size of this potential increases with the number of individual subcells in the electrolysis cell 3.
Erfindungsgemäße wurde gefunden, dass für einen Langzeitbetrieb der Elektrolysezelle 3 es ausreichend ist, diese mit zusätzlichen Spannungspulsen zu beaufschlagen, oder einfacher ausgedrückt diese „nachzuladen“, wobei es von Vorteil ist, wenn die Amplitude der Spannungspulse die Größe des Gleichpotentials Up um 5 % bis 25 %, insbesondere 5 % bis 10 % übersteigt. Der Mittelwert eines solchen Pulses kann in Abhängigkeit vom Pulsverhältnis und Pulslänge 5 bis 10 % des gesamten Gleitpotentials betragen.According to the invention, it has been found that for a long-term operation of the electrolysis cell 3, it is sufficient to apply additional voltage pulses to these, or more simply to "recharge" them, it being advantageous if the amplitude of the voltage pulses increases the size of the direct potential Up by 5% to 25%, in particular 5% to 10%. The mean value of such a pulse can be 5 to 10% of the total sliding potential, depending on the pulse ratio and pulse length.
Wie bereits eingangs ausgeführt, ist das Stromnetz einer aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolysezelle zur Herstellung von Wasserstoff mit dem Gesamtnetz verbunden, sodass an den Geräten, die die Aufnahmeleistung der Elektrolysezelle messen, Werte abgelesen werden, in denen die Größe des Gleichpotentials und des Mittelwert des dabei entstehenden Stroms berücksichtigt werden. In einem derartigen Stromzuführsystem berücksichtigen die Messgeräte also nicht die Größe der Spannung, die für die Nachladung der Elektrolysezelle erforderlich ist, sondern den Gesamtwert des Gleichpotentials, der das 10 bis 15fache des für das Nachladen der Elektrolysezelle erforderlichen Potentials ausmacht. Aus den Werten der Versuchsanlage nach Fig. 2 konnte festgestellt werden, dass die von der Antriebseinrichtung 5, 7 AT 503 432 B1 insbesondere dem Elektromotor, und der Einrichtung 6 zur Erzeugung der Spannungspulse, insbesondere ein magnetischer Induktor, gebildete Leistung gleich ist dem Produkt vom Mittelwert des Spannungspulses und dem Mittelwert des Strompulses ist. Dieser Wert ist wesentlich geringer als das Produkt aus Gleichpotential und mittlerem Stromwert.As already explained at the outset, the power grid of an electrolysis cell known from the prior art for the production of hydrogen is connected to the overall network, so that values are read on the devices which measure the absorption capacity of the electrolysis cell, in which the size of the direct potential and the mean value be taken into account in the resulting current. Thus, in such a power supply system, the meters do not take into account the magnitude of the voltage required to recharge the electrolytic cell, but the total value of the equipotential, which is 10 to 15 times the potential required to recharge the electrolytic cell. From the values of the experimental plant according to FIG. 2, it could be stated that the power formed by the drive device 5, 7, in particular the electric motor, and the device 6 for generating the voltage pulses, in particular a magnetic inductor, is equal to the product of Mean value of the voltage pulse and the average value of the current pulse is. This value is much lower than the product of the same potential and the average current value.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist es von Vorteil, wenn die Spannung, mit der die Elektrolysezelle 3 beaufschlagt wird, d.h. der Verlauf der Spannung an den Elektroden 2 (Fig. 1), von Spannungspulsen überlagert wird, welche ein steil aufsteigende Flanke und eine sanft abfallende Flanke aufweisen. Im Wesentlichen kann der Spannungsverlauf also einen zumindest annähernd sägezahnförmigen Verlauf aufweisen.As is apparent from Fig. 3, it is advantageous if the voltage applied to the electrolytic cell 3, i. the course of the voltage across the electrodes 2 (Figure 1) is superimposed by voltage pulses having a steeply rising edge and a gently sloping edge. In essence, the voltage curve can therefore have an at least approximately sawtooth-shaped profile.
Fig. 4 zeigt eine experimentelle Abhängigkeit 19 der Änderung der spezifischen Leistung der Elektrolysezelle 3 (W/l Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch) von der Anzahl der verwendeten Subzellen für einen magnetischen Induktor mit einer Sollleistung von ca. 4 W. Dabei ist auf der Abszisse die Anzahl der Subzellen der Elektrolysezelle 3 und auf der Ordinate die spezifische Leistung in W/l des Gasgemisches aufgetragen. Die experimentelle Abhängigkeit basiert auf den Anzeigen des Voltmeters 17, dass das Potential 19 der Elektrolysezelle 3 misst, und den Anzeigen des Amperemeters 16, das den Mittelwert des Stromes, der durch die Elektrolysezelle 3 fließt, misst (Fig. 2).4 shows an experimental dependence 19 of the change in the specific power of the electrolytic cell 3 (W / l hydrogen-oxygen-gas mixture) on the number of subcells used for a magnetic inductor with a nominal power of approximately 4 W. Here, on the abscissa the number of subcells of the electrolytic cell 3 and plotted on the ordinate the specific power in W / l of the gas mixture. The experimental dependency is based on the readings of the voltmeter 17, which measures the potential 19 of the electrolytic cell 3, and the readings of the ammeter 16, which measures the mean value of the current flowing through the electrolytic cell 3 (Figure 2).
Aus dieser Abhängigkeit 19 geht hervor, dass die spezifische Leistung zur Gewinnung des Gasgemisches bei einer Erhöhung der Subzellen gleich bleibt. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass dies ein direkter Kennwert ist, weil er keinen Leistungsverbrauch der Transformation und Gleichrichtung von der Netzspannung enthält, was ungefähr 30 % der angeführten Abhängigkeit ausmacht. Deshalb zeigt der Elektroenergiezähler bei einem herkömmlichen Speisungsverfahren aus dem Stand der Technik eine Größe von 5,8 W/l.From this dependence 19 it can be seen that the specific power for obtaining the gas mixture remains the same with an increase in the subcells. It should be noted that this is a direct characteristic because it contains no power consumption of the transformation and rectification of the mains voltage, which accounts for about 30% of the stated dependence. Therefore, in a conventional prior art feeding method, the electric energy meter has a size of 5.8 W / L.
Die experimentelle Abhängigkeit 20 in Fig. 4 basiert auf den Anzeigen des Energiezählers 14 und des Wattmeters 15, korrigiert um den Verbrauch für den Leerlauf des magnetischen Induktors, der ca. 7 % der angeführten Abhängigkeit ausmacht. Berücksichtigt man nun den Leistungsverbrauch für das Gleichrichten der vom Induktor genierten Spannung, liegen die Anzeigen des Oszillografen 18 unweit der Anzeigen des Wattmeters 15 und des Elektroenergiezählers 14. Beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Versorgung einer Elektrolysezelle 3 mit Energie mit vier bzw. fünf Subzellen zeigen Voltmeter 17 und Amperemeter 16 ca. 4,5 W/l und der Energiezähler 14 ca. 2,0 W/l Gasgemisch.The experimental dependence 20 in FIG. 4 is based on the indications of the energy meter 14 and the wattmeter 15, corrected for the consumption for the idle of the magnetic inductor, which accounts for approximately 7% of the stated dependence. If the power consumption for rectifying the voltage induced by the inductor is taken into account, the displays of the oscilloscope 18 are located near the displays of the wattmeter 15 and the electric energy meter 14. In the method according to the invention or the device 1 according to the invention for supplying an electrolytic cell 3 with energy with four resp five subcells show voltmeter 17 and ammeter 16 about 4.5 W / l and the energy meter 14 about 2.0 W / l gas mixture.
Mit der Anzahl der Subzellen steigt die spezifische Leistung zur Gewinnung des Gasgemisches. Dazu kommt es, weil eine steigende Zahl von Subzellen den Strom in der Statorspule und den reaktiven Magnetstrom im Magnetleiter des Induktors erhöht. Dadurch verringern sich die magnetischen Eigenschaften des Magneten des Ankers. Zur Effizienzsteigerung ist es daher von Vorteil, wenn ein Anker verwendet wird mit einer hohen Koerzitivkraft, insbesondere größer 300 Oe bzw. ausgewählt aus einem Bereich von 300 Oe bis 15 kOe.With the number of subcells, the specific power for obtaining the gas mixture increases. This is because an increasing number of subcells increase the current in the stator coil and the reactive magnet current in the magnetic conductor of the inductor. This reduces the magnetic properties of the magnet of the armature. To increase the efficiency, it is therefore advantageous if an anchor is used with a high coercive force, in particular greater than 300 Oe or selected from a range of 300 Oe to 15 kOe.
Weitere Versuche bei der Verwendung des magnetischen Induktors zeigten einen Minimalverbrauch an spezifischer Leistung bei der Wasserelektrolyse, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist. Mit der Änderung der Subzellenanzahl ändert sich dabei die Größe der Spannung, bei er Auftritt, während die Größe des Minimums nahezu unverändert blieb.Further experiments with the use of the magnetic inductor showed a minimum consumption of specific power in the electrolysis of water, as can be seen from FIG. As the subcell number changes, the magnitude of the voltage changes as it occurs, while the size of the minimum remains nearly unchanged.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit, die man bei vier Subzellen erhält.Fig. 5 shows the dependence obtained with four subcells.
Es ist gelungen die Spannung so genau zu erhalten, dass die spezifische Leistung in allen Wiederholungen ein und desselben Versuchs minimal war. Trotzdem lagen bei fast allen Versuchsreihen von fünf Experimenten die festgestellten Anzeigen für die spezifische Leistung unweit 1. Aus diesem Grund zeigt Fig. 4 die Ergebnisse bei unvollständiger Nutzung der vorhandenen Reserven zur Senkung des Verbrauchs von elektrischer Energie für die Wasserelekt- 8 AT 503 432 B1 rolyse mittels magnetischem Induktors.We have succeeded in maintaining the tension so precisely that the specific power was minimal in all repetitions of the same experiment. Nevertheless, in almost all series of experiments of five experiments, the specific performance readings were close to 1. For this reason, Fig. 4 shows the results of incomplete use of the available reserves to reduce the consumption of electrical energy for the water electrowater by means of magnetic inductor.
Es konnte also experimentell bewiesen werden, dass der Energieverbrauch zur Wasserelektrolyse im Vergleich zu herkömmlichen Zellen auf ca. die Hälfte reduziert werden kann.Thus, it could be proven experimentally that the energy consumption for water electrolysis can be reduced to about half compared to conventional cells.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist nicht nur für die Wasserelektrolyse, d.h. zur Herstellung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas geeignet, sondern besteht eine prinzipielle Anwendbarkeit für Elektrolysezellen 3, wobei selbstverständlich Frequenzlängen und Pulsverhältnisse für jeden konkreten Einsatzfall individuell angepasst werden müssen. Dies liegt im Fachwissen des Fachmanns, sodass sich hierzu weitere Erörterung an dieser Stelle erübrigen.The device 1 according to the invention is not only for the electrolysis of water, i. for the production of hydrogen gas and oxygen gas suitable, but there is a principle applicability for electrolysis cells 3, of course, frequency lengths and pulse ratios must be adjusted individually for each specific application. This is within the skill of the artisan, so that further discussion is unnecessary here.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Verringerung der von Elektrolysezellen 3 verbrauchten elektrischen Energie erhöht deren energetischen Wirkungsgraden und verringert die Kosten der bei der Wasserelektrolyse erhaltenen Gase Sauerstoff und Wasserstoff.The proposed method for reducing the electrical energy consumed by electrolysis cells 3 increases their energy efficiencies and reduces the cost of the gases obtained in the electrolysis of water oxygen and hydrogen.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass prinzipiell auch die Verwendung eines elektronisch aufgebauten Pulsgenerators möglich ist. Bevorzugt ist dieser modulartig aufgebaut, wobei in einem ersten Energieeinspeisungsmodul, z.B. einem Trafo, die vom Netz oder anderen Energiequellen, wie z.B. Akkumulatoren, etc., eingespeiste elektrische Energie galvanisch vom erdbezogenen Energiesystem getrennt wird. Für den Fall der Wechselstromeinspeisung, erfolgt gegebenenfalls in einem Gleichrichtermodul, z.B. mit herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Gleichrichterelementen, die erdfreie Gleichrichtung der eingespeisten Energie.It should be mentioned at this point that in principle the use of an electronically constructed pulse generator is possible. Preferably, this is constructed in a modular fashion, wherein in a first energy supply module, e.g. a transformer that is powered by the grid or other sources of energy, such as Accumulators, etc., fed electrical energy is galvanically separated from the terrestrial energy system. In the case of the AC power supply, if appropriate in a rectifier module, e.g. with conventional, known from the prior art rectifier elements, the floating rectification of the injected energy.
Mit dem Energieeinspeisungsmodul bzw. dem Gleichrichtermodul leitungsverbunden ist ein Versorgungsmodul, mit welchem die kontinuierliche Gleichspannung in eine pulsierende Gleichspannung erdfrei umgewandelt wird. Diese pulsierende Gleichspannung wird in der Folge in die Elektrolysezelle 3 eingespeist, d.h. auf dessen Anode und Kathode.Wired to the power supply module or the rectifier module is a supply module, with which the continuous DC voltage is converted into a pulsating DC voltage ground. This pulsating DC voltage is subsequently fed to the electrolysis cell 3, i. on its anode and cathode.
Zur Regelung und/oder Steuerung ist bevorzugt ein Regel- und/oder Steuermodul vorgesehen, dass aus einzelnen Kondensatoren, Transistoren, zumindest einem IGPT aufgebaut ist und beispielsweise in einer Ausführungsvariante in Form einer Platine ausgeführt sein kann. Mit Hilfe diesem Regel- und/oder Steuermodul ist beispielsweise die Regelung und/oder Steuerung von Pulsbreiten, Pulsdauern sowie der Wiederholfrequenz der Pulse möglich.For control and / or control, a control and / or control module is preferably provided, which is constructed from individual capacitors, transistors, at least one IGPT and, for example, in an embodiment variant in the form of a circuit board. With the help of this control and / or control module, for example, the control and / or control of pulse widths, pulse durations and the repetition frequency of the pulses is possible.
Bei dieser Ausführungsvariante enthält die Vorrichtung 1 keine Antriebsvorrichtung. Interessantenweise hat sich jedoch in der praktischen Durchführung gezeigt, dass die Steigerung des Wirkungsgrades nicht im vermuteten Ausmaß vorhanden ist, sodass diesbezüglich noch weitere Entwicklungsarbeit zu leisten ist.In this embodiment, the device 1 contains no drive device. Interestingly, however, the practical implementation has shown that the increase in efficiency is not present to a presumed extent, so that further development work has to be done in this regard.
Der magnetische Induktor kann so bemessen sein, dass die Pulsdauer der Spannungspulse ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze 0,5 ms und einer oberen Grenze von 10 ms, weiters die Pulsfrequenz ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 100 Hz und einer oberen Grenze von 3000 Hz, sowie mit einer mittleren Amplitude der Spannungspulse, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 V und einer oberen Grenze von 50 V. Diese Werte sind insbesondere für die Elektrolyse von Wasser vorteilhaft.The magnetic inductor may be so dimensioned that the pulse duration of the voltage pulses is selected from a range having a lower limit of 0.5 ms and an upper limit of 10 ms, and further, the pulse frequency is selected from a range having a lower limit of 100 Hz and an upper limit of 3000 Hz, as well as with an average amplitude of the voltage pulses, which is selected from a range with a lower limit of 1 V and an upper limit of 50 V. These values are particularly advantageous for the electrolysis of water.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Vorrichtung 1 zur Versorgung einer Elektrolysezelle 3 mit elektrischer Energie, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen GebietThe embodiments show possible embodiments of the device 1 for supplying an electrolytic cell 3 with electrical energy, it being noted at this point that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments thereof, but rather various combinations of the individual embodiments are possible with each other and this Variability due to the teaching of technical action by objective invention in the skill of the field in this technical field
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