AT512692A2 - Elektrolytische Zelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolytische Vorrichtung, im Einzelnen elektrolytische Zellen, und findet Einsatz in verschiedenen technologischen Bereichen bei der Herstellungvon Wasser- und Sauerstoff mittels der Elektrolyse von Wasserelektrolyten.

Description

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ELEKTROLYTISCH

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolytische Vorrichtung, im Einzelnen elektrolytische Zellen, und findet Einsatz in verschiedenen technologischen Bereichen bei der Herstellung von Wasser- und Sauerstoff mittels der Elektrolyse von Wasserelektrolyten.

Bekannt (Patent RU 2149921) ist eine elektrolytische Zelle zur Elektrolyse des Wassers, umfassend mehrere Elektroden in Form eines die Anode bildenden Stapels, wobei jede anodische Elektrode aus einer flachen Platte sowie mehreren Elektroden in Stapelform, die die Kathode bilden, besteht, wobei jede kathodische Elektrode aus einer flachen Platte besteht und die anodischen Elektroden mit den kathodischen Elektroden austauschen. Ferner umfasst die elektrolytische Zelle mindestens ein erstes leitfahiges Verbindungselement, das durch die austauschenden Anoden verläuft und eine elektrische Verbindung nur mit jeder anodischen Elektrode ermöglicht, und mindestens ein zweites Verbindungselement, das durch die austauschenden Kathoden verläuft und eine elektrische Verbindung nur mit jeder kathodischen Elektrode ermöglicht.

Nachteile der bekannten elektrolytischen Zelle bei der Herstellung von Wasser- und Sauerstoffgasen zum Einsatz bei Schweißarbeiten sind deren komplizierte Gestaltung und niedrige Effizienz.

Bekannt (Patent RU 2228390) ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie, Wasser- und Sauerstoff, umfassend ein Gehäuse aus einem dielektrischen Material, einen Deckel, Anoden- und Kathodenhohlräume, eine mit dem positiven Pol der Speisequelle verbundene planare Ringanode mit Öffnungen im Anodenhohlraum, eine mit dem negativen Pol der Speisequelle verbundene, in ein dielektrisches Rohr eingeschobene Kathode in Form einer Stange aus refraktärem Stoff sowie eine im mittleren Abschnitt des Anodenhohlraums angeordnete Zuleitöffnung für eine Arbeitslösung, wobei der Deckel aus einem dielektrischen Stoff besteht und eine zylindrisch-kegelförmige Verlängerung mit einem gemeinsam mit dem Gehäuse die Anoden- und Kathodenhohlräume bildenden äußeren Gewinde, wobei das dielektrische Rohr in die Kammer zwischen den Elektroden mittels des den oberen Kathodenhohlraum bildenden äußeren Gewindes durch eine mit Gewinde versehene Öffnung im Gehäuse eingefuhrt und in der DuchlassÖffnung des den oberen Kathodenhohlraum bildenden Deckels zentriert wird, wobei der Anodenhohlraum mit dem oberen Kathodenhohlraum über einen aus einem vertikalen und einem horizontalen Abschnitt bestehenden Kanal im Deckel, wobei der Spalt zwischen dem oberen und unteren Kathodenhohlraum durch Verschieben des dielektrischen Rohrs verstellbar sind; die • » • · z « • «

Vorrichtung umfasst ferner eine auf einer Seite des Deckels angeordnete Ableitöffnung für die Arbeitslösung sowie eine im oberen Abschnitt des Deckels koaxial mit dem oberen Kathodenhohlraum angeordnete Austrittsöffnung für eine Gasmischung, und die Anode und Kathode sind mit dem aus einem Impulserzeuger und einer Steuerschaltung bestehenden Stromerzeuger verbunden.

Nachteile der bekannten Vorrichtung sind deren komplizierte Gestaltung und niedrige Effizienz.

Der vorliegend bereitgestellten technischen Lösung am nächsten kommt Patent RU 2175027, eine Vorrichtung für die Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie, Wasser- und Sauerstoff, umfassend ein Gehäuse aus einem dielektrischen Material, die eine Durchlassöffnung, eine Kammer zwischen den Elektroden, Zu- und Ableitöffnungen für eine Arbeitslösung, eine mit dem positiven Pol der Speisequelle verbundene Anode sowie eine mit dem negativen Pol der Speisequelle verbundene Kathode aufweist. Das Gehäuse mit der axialen Öffnung umfasst eine untere zylindrisch-kegelförmige Verlängerung sowie einen unteren, gemeinsam mit dem Gehäuse die aus einem Anoden- und einem damit verbundenen Kathodenhohlraum im unteren Teil bestehenden Kammer zwischen den Elektroden bildenden Deckel. Im Anodenhohlraum ist eine planare Ringanode angeordnet. Die Kathode liegt in Form einer in ein mit Gewinde versehenes dielektrisches Rohr eingeschobenen Stange aus refraktärem Material vor. Das dielektrische Rohr wird über eine mit einem Gewinde versehene Öffnung im unteren Deckel in die Kammer eingeschoben, und lässt sich entlang der axialen Linie der Vorrichtung vertikal verschieben. Der im Kathodenhohlraum angeordnete Behälter der Arbeitslösung mit einem automatischen Lösungspegelregler ist mit dem Anodenhohlraum verbunden. Die Vorrichtung umfasst ebenfalls eine Kühlkammer zur Separation von Dampfkondensat und Wasserstoff, deren Hohlraum mit der Zuleitöffhung des Anodenhohlraums für die Arbeitslösung. Eine Zuleitöffhung der Kühlkammer für eine Dampf-/Gasmischung wird mittels ihres Gewindes in die Öffnung des Gehäuses eingeführt, und eine Sauerstoff-Austrittsöffnung wird in den oberen Teil des Anodenhohlraums eingeführt.

Die bekannte Vorrichtung funktioniert wie folgt.

Die Arbeitslösung wird in einen Behälter gegossen, aus dem sie eine Dosiervorrichtung und ein Schwimmergehäuse durchläuft, um den Anoden- und Kathodenhohlraum zu erreichen. Nachdem der erforderliche Lösungspegel im Reaktor erreicht wird, wird die Eintrittsöffhung der Dosiervorrichtung durch den Schwimmer des Schwimmergehäuses geschlossen. Dann wird Strom zugeführt, und die Spannung wird *·*· *· t « · *· ·· *»* ·*·· ··· ** schrittweise bis zur Erzeugung von stabilem Plasma im Kathodenbereich erhöht. Die an der Kathode erzeugte Dampf-/Gasmischung wird dem Kühler zugefuhrt. Der der kalten Oberfläche des Kühlerrohrs ausgesetzt Dampf kondensiert sich, und das freigesetzte Gas strömt von unter dem Reflektor zur Austrittsöffnung hinaus. Dem Anodenhohlraum wird über ein Rohr und die Eintrittsöffnung Dampfkondensat zugeführt. Der an der Anode freigesetzte Sauerstoff wird dem oberen Teil des Anodenhohlraums zugeführt und über eine Öffnung entfernt. Da der Lösungspegel im Reaktor automatisch geregelt wird, funktioniert auch diese Vorrichtung zur Erzeugung von Wasser- und Sauerstoff auch automatisch. Gleichzeitig mit dem Verbrauch der Arbeitslösung wird in den Füllbehälter mehr davon gefüllt.

Der Charakter der physisch-chemischen Prozesse im Reaktor ist derart, dass ein elektrisches Feld zwischen der Kathode und der Anode den ersten auf die Kathode konzentrierten Ionenfluss des im Elektrolyten vorliegenden Alkalimetalls erzeugt, wobei der Kathodenbereich weitaus kleiner ist als der des Anode. Aufgrund einer während der kathodenorientierten Bewegung angesammelten kinetischen Energiereserve schieben die Alkalimetallionen die Wasserstoffatomen weg von den Wassermoiekülen. Sobald sie die Kathod erreichen, erwerben Protonen Elektronen, um Wasserstoffatome zu bilden und Photonen freizusetzen, die atomares Wasserstoffplasma bei 5000 - 10 000 °C bilden. Die Energie dieses Plasmas treibt die thermische Dissoziation des Wassers in Wasser- und Sauerstoff sowie eine Freisetzung zusätzlicher Energie voran, die unschwer von der erhöhten Energie der aufgewärmten Lösung, des verdampften Wassers und der gesammelten Gase angedeutet wird. Die elektrolytische Wasserstofffreisetzung erfolgt gleichzeitig an der Anode. So ist das Wasserstoffplasma an der Kathode die Quelle der auf die Wasserlösung übertragenen thermischen Energie und zugleich die Quelle des atomaren und molekularen Wasser- und Sauerstoffs.

Ein Nachteil der bekannten technischen Lösung besteht darin, dass sich die Kathode dauerhaft innerhalb des Plasmabereichs befindet, was ihre Lebensdauer dramatisch verkürzt. Darüber hinaus ist die Vorrichtung ziemlich kompliziert gestaltet.

Ziel dieser Erfindung ist es, eine effiziente elektrolytische Zelle zur Zersetzung von Wasser in Wasser- und Sauerstoff bereitzustellen.

Vorgeschlagen wird, diese Aufgabe unter Einsatz einer der vorliegend beschriebenen Auslegung entsprechenden elektrolytischen Plasmazelle zu lösen. Die elektrolytische Plasmazelle umfasst eine in miteinander im jeweiligen unteren Teil über ein Rohr verbundenen dielektrischen Behältern angeordnete Anode und Kathode. Die spiralförmige • t

Kathode besteht aus elektrisch isoliertem Kupferdraht, wobei die Isolierung lokale Durchbrüche aufweist, die Anode planar ist, die Kathoden- und Anodenbehälter jeweils Deckel mit eingebetteten Gasdruckregelventilen aufweisen, die oberen Teile der Behälter mit Gasabzugsvorrichtungen verbunden sind, und die Kathoden- und Anodenbehälter Elektrolytenzugaben ermöglichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die elektrische Isolierung der Kathode entfernt, um ein schrittweises Muster mit 4 bis 6 mm breiten Streifen in Abständen von 20 - 60 mm zu bilden. Für die Entfernung der Isolierung von der Kathode existieren jedoch auch andere Alternativen. Vorzugsweise wird der Kathodenbehälter von der Kathode gefüllt, ln einigen Ausfuhrungsformen der Erfindung ermöglicht die elektrolytische Zelle die Hinzugabe weiterer Portionen Elektrolyt in die unteren Teile der Kathoden- und Anodenbehälter.

Das operative Prinzip der vorliegend bereitgestellten Vorrichtung ist dasselbe wie das operative Prinzip des ihr am nächsten kommenden Gegenstücks. Die vorliegend bereitgestellte technische Lösung ermöglicht die Erzeugung von Wasser- und Sauerstoff aus einem Wasserelektrolyten im Wege der Plasmaelektrolyse unter gleichzeitiger Separation der Gase. Die Plasmaelektrolyse erfolgt unter Einsatz einer Kathode, von der nur einige vom Elektrolyten nicht isolierte Arbeitsbereiche mit der Lösung in Berührung kommen. So wird vermieden, dass sich Plasma bei hoher Temperatur in einem einzigen Bereich konzentriert und eine Verteilung der Wärme über eine größere Fläche der Kathode ermöglicht.

Hierdurch wird die Wärmebelastung der Kathode deutlich reduziert, was deren Lebensdauer erheblich verlängert. Die gepulste Plasmabildung in verschiedenen Kathodenbereichen erzeugt Stromimpulse, die im Durchschnitt viel kleiner sind als beim Einsatz von Gleichspannung und -ström zur Wasserelektrolyse. Hierdurch wird der Stromverbrauch der Elektrolyse erheblich verringert.

Außerdem erfolgt eine separate Herstellung von Wasser- und Sauberstoff dadurch, dass die Kathode und die Anode in verschiedenen Behältern angeordnet werden, deren Lösungen nur im unteren Teil der Behälter über ein Rohr mit kleinem Durchmesser miteinander verbunden sind.

Die im Kathodenbehälter angeordnete Kathode besteht vorzugsweise aus spiralförmigem, lackinsuliertem Kupferdraht. Eine gleichmäßige Verteilung der Wärmebelastung auf die Kathode wird dadurch erreicht, dass die Isolierung der Kathode nur teilweise entfernt wird, um Abstände von 3 - 5 cm zu bilden, die vorzugsweise weniger als 5 mm lang sind.

Die Anode ist im Anodenbehälter angeordnet und ist plattenförmig. I ·*·· • * * ·*· ·*«·«··

Der an der Kathode freigesetzte Wasserstoff verlässt den Behälter über ein Ventil, das den Druck im Kathodenbehälter regelt; der Sauerstoff verlässt den Behälter über das Ventil und die Öffnung im oberen Deckel des Anodenbehälters. 5

Die Grundausführungsform der elektrolytischen Plasmazelle weist die nachfolgende Gestaltung auf. Die elektrolytische Plasmazelle umfasst zwei dielektrische Behälter, einen für die Kathode und einen für die Anode, die im unteren Teil über das dielektrische Rohr miteinander verbunden sind. Die Kathoden- und Anodenbehälter sind über die Rohrleitungen, durch die sie mit dem Elektrolyten versorgt werden, mit dem gemeinsamen Behälter verbunden. 10

Die Kathode besteht aus lackisoliertem Kupfer, von dem die Isolierung derart entfernt worden ist, dass Abstände von bis zu mm Länge in Abständen von 3 - 5 m gebildet werden. Die Kathode ist spiralförmig. Die Anode ist plattenförmig und besteht aus einem elektrisch 1 eit fähigen Metall. Die Kathoden- und Anodenbehälter weisen die Deckel auf, in denen die Ventile installiert sind, die den Druck in den Kathoden- und Anodenbehältem regeln. 15

Wasserstoff verlässt den Kathodenbehälter über das Ventil und die Rohrleitung, die ihn einem herkömmlichen Trockner zuführt. Sauerstoff verlässt den Anodenbehälter über das Ventil und die Rohrleitung, die ihn einem herkömmlichen Trockner zuführt. 20 »*·« Ο • ·«

Nachdem der Behälter 4 und die Behälter und mit dem Elektrolyten gefüllt sind (sic), wird den Klemmen Strom zugeführt; damit beginnt die Aufwärmung des Elektrolyten. Die Gasfreisetzungsgeschwindigkeit steigt schrittweise an, und wenn die Temperatur der Lösung die kritische Schwelle erreicht, werden Plasmaimpulse an unisolierten Streifen der Kathodenoberfläche erzeugt, und die Gasffeisetzungsgeschwindigkeit steigt dramatisch, um ein Zigfaches, um 0,3 - 0,5 1/s zu erreichen. Angemessen geregelte Ventile der Kathoden-und Anodenbehälter erhalten im jeweiligen Behälter den erforderlichen Lösungspegel aufrecht. Die Stromstärke variiert in diesem Zeitraum willkürlich, der Durchschnittswert bleibt jedoch relativ niedrig, was Strom spart. Die Lebensdauer der Kathode wird folglich um ein Zigfaches verlängert. 25

Claims (4)

1. • ··· • *♦* PATENTANSPRÜCHE 1. Elektrolytische Plasmazelle, umfassend eine in über ein Rohr im unteren Teil miteinander verbundenen dielektrischen Behältern enthaltene Anode und Kathode, wobei die 5 spiralförmige Kathode aus elektrisch isoliertem Kupferdraht besteht und die elektrische Isolierung lokale Durchbrüche aufweist, die Anode planar ist, die Kathoden- und Anodenbehälter jeweils Deckel mit eingebetteten Gasdruckregelventilen aufweisen, die oberen Teile der Behälter mit Gasabzugsvorrichtungen verbunden sind, und die Kathoden-und Anodenbehälter Elektrolytenzugaben ermöglichen. 10
2. 2. Elektrolytische Plasmazelle nach Anspruch 1, wobei die elektrische Isolierung der Kathode entfernt wird, um ein schrittweises Muster mit 4 bis 6 mm breiten Streifen in Abständen von 20 - 60 mm zu bilden.
3. 3. Elektrolytische Plasmazelle nach Anspruch 1, wobei die Kathode den Kathodenbehälter vorzugsweise maximal lullt.
4. 4. Elektrolytische Plasmazelle nach Anspruch 1, wobei die elektrolytische Zelle die Hinzugabe weiterer Portionen Elektrolyt in die unteren Teile der Kathoden- und 20 Anodenbehälter ermöglicht.