DE102021005168A1

DE102021005168A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102021005168A1
Application number: DE102021005168.8A
Authority: DE
Inventors: Roland Rieger; Petra Rahlfs
Original assignee: Energy Cube GbR Vertretungsberechtigte Ges Petra Rahlfs 83022 Rosenheim Roland Rieger 75446 Wiernshe; Energy Cube GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Petra Rahlfs 83022 Rosenheim Roland Rieger 75446 Wiernsheim
Current assignee: Energy Cube GbR Vertretungsberechtigte Ges Petra Rahlfs 83022 Rosenheim Roland Rieger 75446 Wiernshe; Energy Cube GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Petra Rahlfs 83022 Rosenheim Roland Rieger 75446 Wiernsheim
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Hilfe eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Einrichtung (1) zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms, eine Elektrolyseanlage (2) zum Erzeugen eines Wasserstoff-/ Sauerstoff- Gasgemisches, ein Verbrennungsmodul (4) zum Verbrauchen des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches und zum Erzeugen von kinetischer Energie, Transportmittel (3), die mit Sicherheitseinrichtungen versehen sind, um das Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches von der Elektrolyseanlage (2) zum Verbrennungsmodul (4) zu transportieren, und eine Einrichtung (5), die ausgestaltet ist, um unter Nutzung der erzeugten kinetischen Energie elektrischen Strom zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Stromerzeugung mit Hilfe eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst im Wesentlichen die folgenden Komponenten:

1. eine Einrichtung zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms (Startstromquelle),
2. eine Elektrolyseanlage zum Erzeugen eines Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches (Elektrolysemodul),
3. ein Verbrennungsmodul (Verbrennungsmaschine) zum Verbrauchen bzw. zum Verbrennen des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches und zum Erzeugen von kinetischer Energie,
4. mit Sicherheitseinrichtungen versehene Transportmittel zum Transportieren des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches von der Elektrolyseanlage zum Verbrennungsmodul, zum Steuern der Menge bzw. des Volumens des transportierten Gasgemisches, und zum Verhindern einer Entzündung des Gasgemisches außerhalb des Verbrennungsmoduls (Sicherheitsmodul), und
5. eine Einrichtung, die ausgestaltet ist, um unter Nutzung der erzeugten kinetischen Energie elektrischen Strom zu erzeugen (Generatormodul).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Stromerzeugung mittels eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/ Sauerstoff-Gasgemisches basiert im Wesentlichen auf der Aufspaltung von Wasser (vorzugsweise von salzhaltigem Wasser) mittels einer Elektrolyseanlage in Wasserstoff und Sauerstoff (ein Teil Sauerstoff und zwei Teile Wasserstoff) mit Hilfe eines elektrischen Stromes. Das so erzeugte Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch wird anschließend einem Verbrennungsmodul (z.B. Verbrennungsmaschine, Kolbengenerator, usw.) zugeführt, um durch Verbrennen des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches kinetische Energie zu erzeugen, die wiederum zum Erzeugen von elektrischer Energie (elektrischer Strom) mittels einer entsprechenden Einrichtung (z.B. ein Generator) verwendet wird. Durch das Verbrennen des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches wird das Wasserstoff-/ Sauerstoff-Gasgemisch wieder zu Wasser fusioniert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt eine Elektrolyseanlage, vorzugsweise in Form von einer oder mehreren herkömmlichen Elektrolysezellen (z.B. Trockenzellen oder Nasszellen), zum Einsatz, die mit Wasser (vorzugsweise mit salzhaltigem Wasser) gefüllt ist. Es können aber auch andere Arten von Elektrolyten verwendet werden. Das sich in der Elektrolyseanlage befindliche Wasser (bzw. Elektrolyt) wird durch einen zugeführten elektrischen Strom über die Elektroden der Elektrolyseanlage mit einer Spannung von etwa 1,48 Volt bis etwa 300 Volt (oder mit einem entsprechend gepulsten Strom bzw. Spannung) beaufschlagt, wodurch die Aufspaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff bewirkt wird.
Die genannten Elektrolysezellen können Nasszellen oder Trockenzellen sein. Bei einer Nasszelle befinden sich die Elektroden in einem Behältnis und sind komplett von Wasser umspült. Das Behältnis ist gasdicht gebaut, und das durch Elektrolyse erzeugte Gas kann über eine Gasleitung abgeführt werden. Bei einer Trockenzelle wird das Behältnis üblicherweise durch die Elektroden selbst gebildet, so dass die Zelle nach außen trocken bleibt. Bei einer Trockenzelle muss lediglich für einen Zulauf von Wasser gesorgt werden, da die Trockenzelle ohne ständigen Wasserzulauf sehr schnell austrocknen und überhitzen würde. Für den Wasserzulauf sorgt üblicherweise ein Wassertank, der oberhalb der Trockenzelle angebracht ist, damit das Wasser durch die Schwerkraft aus dem Wassertank in die Zelle fließen kann. Weiterhin verfügt die Zelle einen Auslass, durch den das erzeugte Gasgemisch abgeleitet wird. Bei einer Elektrolysezelle stehen sich die vorzugsweise plattenförmigen Elektroden (Anode(n) und Kathode(n)) mit einem geringen Abstand gegenüber (z.B. etwa 1,5 mm bis etwa 3 mm). Bei einer Elektrolysezelle sind die Elektroden oben und unten mit Löchern oder Schlitzen versehen, damit das Wasser im unteren Bereich der Zelle die gesamte Zelle durchströmen kann und damit sich das erzeugte Gas im oberen Bereich der Zelle sammeln und durch den Auslass entweichen kann. Mit Hilfe von umlaufenden durchgehenden Dichtungen (zumeist aus Gummi oder einem ähnlichen Material), die zwischen den Elektroden nahe der Plattenränder vorgesehen sind, werden die Elektroden auf Abstand zueinander gehalten und der Innenraum der Zelle gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die Elektroden und die zwischenliegenden Dichtungen bilden somit das Behältnis der Elektrolysezelle, in der das zulaufende Wasser elektrolysiert wird. Zusammenfassend weist eine Elektrolysezelle eine Mehrzahl von Elektrodenplatten, einen im unteren Bereich der Zelle gelegenen Wassereinlass und einen im oberen Bereich der Zelle gelegenen Gasauslass auf. Grundsätzlich bilden eine Elektrolysezelle, der zugehörige Wassertank und das Verbrennungsmodul einen Kreislauf, bei dem Wasser aus dem Wassertank in die Elektrolysezelle läuft und das durch anschließende Verbrennung (in dem Verbrennungsmodul) des in der Elektrolysezelle erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches fusionierte Wasser in den Wassertank zurückgeleitet wird.
Die Elektrolyse von Wasser besteht grundsätzlich aus zwei Teilreaktionen, die an den Elektroden (Kathoden und Anoden) der Zelle ablaufen. Das Gesamt-Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet: 2 H₂O → 2 H₂ +O₂
Wie vorstehend erläutert, sind die Elektroden der Elektrolysezelle von Wasser umgeben, das durch Zugabe von etwas Säure (z.B. Schwefelsäure) oder Lauge besser leitend gemacht wird. Auch die Zugabe von Kochsalz ist möglich. Wie vorstehend erläutert, können verschiedene Arten von Elektrolyten verwendet werden; zur Vereinfachung wird nachfolgend entweder von Wasser oder von Elektrolyt gesprochen, wobei das „Wasser“ bzw. der Elektrolyt verschiedene Zusätze enthalten kann (Säure, Lauge, Kochsalz, etc.). Während der Elektrolyse steigt der abgeschiedene gasförmige Wasserstoff an der Kathode auf, und negativ geladene Hydroxid-Anionen wandern zur positiven Anode, wo sie unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff umgewandelt werden.
Die für die Initiierung der Elektrolyse erforderliche Energie (Startstrom) kann durch eine entsprechende Einrichtung (z.B. eine elektrische Batterie oder andere mechanische stromerzeugende Geräte, z.B. ein Dynamo) zur Verfügung gestellt werden (kurz: Startstromquelle oder Startstrommodul). Es kann allerdings auch herkömmlicher Netzstrom verwendet werden. Es ist offensichtlich, dass geeignete Steuereinrichtungen vorgesehen sein können, um die für den Betrieb der Elektrolyseanlage erforderliche Spannung (Strom) zur Verfügung zu stellen. Diese Steuereinrichtungen sind zwischen der Startstromquelle und der Elektrolyseanlage geschaltet, und können Gleichrichter, Wechselrichter oder ähnliche Einrichtungen umfassen, die ausgestaltet sind, um der Elektrolyseanlage bzw. deren Zelle(n) die für die Elektrolyse erforderliche Spannung/Strom zuzuführen.
Wie vorstehend erläutert, ist ein sich oberhalb der Elektrolysezelle(n) angeordneter Wassertank bzw. Wasserbehälter über eine erste Rohrleitung mit der Elektrolysezelle (bzw. den Elektrolysezellen) der Elektrolyseanlage verbunden. Hierzu weist die Elektrolysezelle einen Wassereinlass (Zulauf) in einem unteren Bereich der Elektrolysezelle auf, so dass das Wasser durch Schwerkraft in den unteren Bereich der Elektrolysezelle einströmen und sich durch die unteren Löcher bzw. Schlitze in den Elektroden (Anoden und Kathoden) in der Elektrolysezelle verteilen kann. Durch Zuführen eines Startstroms, der durch eine entsprechende Einrichtung (z.B. Batterie oder Netzstrom) zur Verfügung gestellt wird, wird die Elektrolyse des in die Elektrolysezelle eingeleiteten Wassers initiiert. Das durch Elektrolyse zwischen den Elektroden entstehende Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff wird über die oberen Löcher bzw. Schlitze in den Elektroden einem Gasauslass zugeführt, der sich vorzugsweise im oberen Bereich der Elektrolyseelle befindet.
Dieses Gasgemisch aus der Zelle (bzw. aus den Zellen) wird über Transportmittel einem Verbrennungsmodul zugeführt. Vorzugsweise wird das Gasgemisch über eine zweite Rohrleitung, die mit dem Gasauslass der Zelle (bzw. Zellen) verbunden ist, aus der Elektrolyseanlage zunächst in einen ersten Behälter (erster Wasserbehälter) geleitet, der mit Prozesselektrolyt (z.B. salzhaltiges Wasser) gefüllt ist. Dieser erste Behälter ist vorzugsweise mit einem Druckmesser und/oder mit einer Einrichtung zum Messen der Elektrolytkonzentration (z.B. Salzgehalt des Wassers oder Konzentration der Zusätze) versehen, damit eine Überwachung und Steuerung des Prozesses erfolgen kann. So ist es möglich, dass die Konzentration der Zusätze auf Basis der Messergebnisse durch eine entsprechende Zufuhr der jeweiligen Zusätze oder von Wasser verändert werden kann. Außerdem kann der Druck im ersten Behälter beispielsweise durch ein steuerbares Ventil eingestellt werden. Das eingeleitete Gasgemisch durchströmt den ersten Behälter und fließt vorzugsweise über eine dritte Rohrleitung in einen zweiten mit Wasser gefüllten Behälter (zweiter Wasserbehälter). Das Gasgemisch durchströmt das in dem zweiten Behälter enthaltene Wasser und wird anschließend über eine vierte Rohrleitung in eine weitere Sicherheitseinrichtung (vorzugsweise ein „naturphysikalisches“ Rückschlagventil) eingeleitet. Diese Sicherheitseinrichtung verhindert bei einer etwaigen Rückzündung aus dem sich in Strömungsrichtung anschließenden Verbrennungsmodul (Verbrennungsmaschine oder Kolbengenerator) eine Zündung bzw. eine komplette Detonation des sich im vorlaufenden Prozess befindlichen Gasgemisches. Der sich aus der Elektrolyse ausbildende Druck (bis etwa 1 Atmosphäre) ist im letzten Schritt vor der Entzündung in dem „naturphysikalischen“ Rückschlagventil gebunden. In Strömungsrichtung hinter diesem Rückschlagventil ist vorzugsweise eine weitere Ventileinrichtung vorgesehen, die über eine fünfte Rohrleitung mit dem Rückschlagventil verbunden ist. Mit Hilfe dieser weiteren Ventileinrichtung, die über eine sechste Rohrleitung mit dem Verbrennungsmodul verbunden ist, kann das Verbrennungsmodul bzw. der Kolbengenerator (Zweitaktmotor, Viertaktmotor oder Freikolbenmotor) kontrolliert und autark mit dem Gasgemisch versorgt werden.
Aufgrund der hohen Reaktionsgeschwindigkeit des Gasgemisches ist eine Zweitaktverarbeitung in dem Verbrennungsmodul die optimale und bevorzugte Lösung zum Erzeugen von kinetischer Energie. Die aus der Zündung des Gasgemisches freigesetzte Expansionsbewegung treibt einen Kolben des Kolbengenerators linear entgegen dem Ruhezustand an. Die Linearbewegung wird beispielsweise durch ein Übersetzungsgetriebe in eine Drehbewegung umgewandelt, und diese Drehbewegung treibt eine Einrichtung zur Stromerzeugung (z.B. ein Generator oder ein umgepolter Elektromotor) an. Der durch die Drehbewegung mittels des Generators erzeugte Strom wird einem Steuermodul zugeführt, das beispielsweise ausgestaltet ist, um den vom Generator ausgegebenen Strom (z.B. Gleichstrom) beispielsweise in einen Wechselstrom mit geeigneter Spannung und Frequenz umzuwandeln, um anschließend einem nachfolgenden Verbraucher (Haushalt etc.) zur Verfügung gestellt werden zu können. Sobald mittels des Generators Strom generiert wird, wird dieser durch das Steuermodul oder durch eine separate Steuereinrichtung teilweise zu der Elektrolyseanlage umgeleitet und steht zur Durchführung der Elektrolyse zur Verfügung, so dass der vorstehend erläuterte Startstrom (z.B. Netzstrom) abgeschaltet und der Prozess der Elektrolyse aus eigener Stromerzeugung fortgesetzt werden kann. Diese Steuereinrichtung kann getrennt oder integriert mit den Steuereinrichtungen sein, die zwischen der Startstromquelle und der Elektrolyseanlage geschaltet sind.
Das Ergebnis des vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass eine Effizienz von 85% im Dauerlauf an Energie zur Verfügung steht. Folglich wird durch die vorliegende Erfindung ein autarkes Stromerzeugungsmodul zur Verfügung gestellt, das mit 99% Wasseranteil als Energieträger auskommt. Das aus der Verbrennung zurückgewonnene Abwasser kann nach einer geeigneten Filtration als Gebrauchswasser wieder dem Prozesswasser (Elektrolyt) der Elektrolyseanlage beigemischt werden. Mit anderen Worten: das durch Verbrennung des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches im Verbrennungsmodul fusionierte Wasser wird beispielsweise über eine siebte Rohrleitung, in die eine Filtrationseinrichtung integriert ist, von dem Verbrennungsmodul zurück in den Wassertank (z.B. in den ersten Wasserbehälter) geleitet.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der Elektrolyseprozess in der Elektrolyseanlage gestartet. Wie vorstehend erläutert, kann die Elektrolyseanlage eine oder mehrere Trockenzellen umfassen, wobei offensichtlich ist, dass statt der Trockenzellen auch Nasszellen oder ähnliche Elektrolysezellen verwendet werden können. Hierzu wird, wie vorstehend erläutert, ein elektrischer Startstrom zum Initiieren des Elektrolyseprozesses in der Elektrolyseanlage verwendet. Dieser Startstrom kann aus verschiedenen Stromquellen stammen, wie zum Beispiel aus einer Batterie (Akkumulator) oder aus der Stromquelle eines Netzbetreibers (herkömmlicher Netzstrom). Alternativ kann der erforderliche Startstrom aber auch mittels Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft oder durch Gravitätsgeneratoren zur Verfügung gestellt werden. Wie nachfolgend erläutert, ist dieser Startstrom zum Initiieren der Elektrolyse in der Elektrolyseanlage erforderlich. Die durch den Elektrolyse- und den sich anschließenden Verbrennungsprozess gewonnene kinetische Energie wird mittels eines Generators in einen elektrischen Strom umgewandelt, der wiederum verwendet wird, um den Elektrolyseprozess in der Elektrolyseanlage aufrechtzuerhalten, so dass der aus einer dieser Stromquellen (Startstromquelle) stammende Startstrom abgeschaltet oder verringert werden kann.
In einem zweiten Schritt erfolgt die Erzeugung des Prozessgases (Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff) mit Hilfe der in der Elektrolyseanlage initiierten Elektrolyse. Die Elektrolyseanlage umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine oder mehrere Elektrolysezellen (vorzugsweise Trockenzellen), die jeweils mehrere Elektrodenplatten aufweisen (vorzugsweise mindestens drei oder fünf oder mehr Elektrodenplatten pro Zelle). Von diesen Elektrodenplatten sind mindestens zwei Elektrodenplatten (vorzugsweise die gegenüberliegenden äußeren Platten) an einen Stromkreis angeschlossen, der durch die Startstromquelle (zum Initiieren der Elektrolyse) bzw. durch den Generator (vorzugsweise über die mit dem Generator gekoppelte Steuereinrichtung) gespeist wird, wobei ein Pol (+) der Stromquelle an eine erste Elektrodenplatte einer jeweiligen Zelle angeschlossen ist und der andere Pol (-) an eine zweite Elektrodenplatte einer jeweiligen Zelle angeschlossen ist. Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung mehrerer Elektrolysezellen diese Zellen entweder seriell oder parallel oder gemischt geschaltet werden können.
Bei Verwendung von drei oder mehr Elektrodenplatten pro Zelle sind die beiden äußeren Platten mit der Stromquelle (Startstromquelle oder Generator) verbunden, und die mittleren Platten fungieren als Stromleiter. Wenn eine Elektrolysezelle also beispielsweise fünf Platten aufweist, dann kann eine der außenliegenden Platten mit dem Minus-Pol und die andere (gegenüberliegende) der außenliegenden Platten mit dem Plus-Pol der Stromquelle verbunden sein, während die drei zwischenliegenden Platten als Stromleiter zwischen den beiden außenliegenden Platten dienen. Alle Platten sind mit einem definierten Abstand (z.B. etwa 1,5 mm bis etwa 3 mm) voneinander in einer parallelen Anordnung gehalten. Dies wird vorzugsweise durch Abstandhalter aus einem nichtleitfähigen Material realisiert, wie zum Beispiel EPDM oder Kautschuk. Es sind auch größere Abstände zwischen den Elektrodenplatten möglich. Die beiden außenliegenden Platten (Kathode und Anode) sind aus einem Material hergestellt, um zwei gleichwertige Elektroden zu bilden (vorzugsweise Chrom-Nickel-Stahl 1.4571 oder höherwertiger bzw. andere geeignete Materialien).
Die Elektrolysezelle umfasst ein geeignetes Behältnis, in dem die Platten einer Zelle angeordnet sind (bzw. durch diese gebildet ist) und das teilweise mit einem Elektrolyten (vorzugsweise salzhaltiges Wasser) befüllt ist, welches den anliegenden Strom aus der Stromquelle durch den Elektrolyten vom Plus-Pol zum Minus-Pol strömen lässt. Die beiden Außenseiten einer Zelle können durch Elektrodenplatten gebildet sein, die im Wesentlichen die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben wie die zwischenliegenden Platten, sind aber vorzugsweise durch separate stabilere Platten gebildet. Bei Verwendung von beispielsweise 7 oder 9 oder mehr Platten können nicht nur die beiden äußeren Platten mit dem Plus-Pol bzw. dem Minus-Pol verbunden sein, sondern auch einige der zwischenliegenden Platten. Auf diese Weise können verschiedene Schaltungskonfigurationen erreicht werden.
Bei einer anliegenden Spannung ab etwa 1,48 Volt spaltet sich das Wasser in der Elektrolysezelle in zwei wesentliche Bestandteile auf: zwei Teile Wasserstoff und ein Teil Sauerstoff. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird in der Elektrolysezelle ein Überdruck erzeugt, so dass die in der Zelle erzeugte Gasmischung aus Sauerstoff und Wasserstoff über eine Rohrleitung (die vorstehend beschriebene zweite Rohrleitung), die am Gasauslass der Zelle angeschlossen ist, aus der jeweiligen Zelle abgeleitet wird. Das erzeugte Gasgemisch wird über diese zweite Rohrleitung in einen ersten Wasserbehälter geleitet, so dass das Gasgemisch von unten nach oben die Wassersäule in dem ersten Wasserbehälter durchlaufen muss. Hierdurch wird eine erste Sicherheitsbarriere realisiert. Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung von mehreren Elektrolysezellen die Gasauslässe der jeweiligen Zellen mit der zweiten Rohrleitung verbunden sind, um das Gas aus diesen mehreren Zellen über die zweite Rohrleitung in den ersten Wasserbehälter zu leiten. Hierzu ist am Boden des ersten Wasserbehälters ein Rohranschluss für die zweite Rohrleitung vorgesehen. Wie vorstehend beschrieben, enthält der erste Wasserbehälter Wasser, das vorzugsweise die zuvor genannten Zusätze enthält.
Durch den in der Elektrolysezelle herrschenden Überdruck strömt das Gasgemisch vorzugsweise aus dem ersten Wasserbehälter in einen sich in Strömungsrichtung anschließenden zweiten Wasserbehälter, der ebenfalls mit Wasser befüllt ist. Dieser zweite Wasserbehälter dient als eine zweite Sicherheitsbarriere sowie zur Reinigung des Gasgemisches. Der erste Wasserbehälter und der zweite Wasserbehälter sind über eine dritte Rohrleitung miteinander verbunden. Hierzu ist an der Oberseite des ersten Wasserbehälters ein Rohranschluss für die dritte Rohrleitung vorgesehen, deren anderes Ende mit einem Rohranschluss vorzugsweise am Boden des zweiten Wasserbehälters verbunden ist. Das Gasgemisch wird über diese dritte Rohrleitung so in den zweiten Wasserbehälter geleitet, dass das Gasgemisch von unten nach oben die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters durchlaufen muss. Alternativ kann das andere Ende der dritten Rohrleitung mit einem Tauchrohr versehen, das von oben in den zweiten Wasserbehälter eingesetzt ist und dessen offenes Ende kurz über dem Boden des zweiten Wasserbehälters endet. In dem zweiten Wassertank müssen keine Kontroll- oder Messeinrichtungen installiert sein.
In Strömungsrichtung hinter dem zweiten Wasserbehälter ist vorzugsweise ein sogenanntes „naturphysikalisches“ Rückschlagventil realisiert, das nachfolgend näher erläutert wird. Dieses Rückschlagventil ist über eine vierte Rohrleitung mit dem zweiten Wasserbehälter verbunden, wobei die vierte Rohrleitung vorzugsweise an einem an der Oberseite des zweiten Wasserbehälters angebrachten Rohranschluss angeschlossen ist. Im Falle einer Rückschlagflamme aus der Verbrennung des Gasgemisches in dem Verbrennungsmodul wird diese Rückschlagflamme in das Rückschlagventil geleitet, wo das gezündete Gasgemisch, das eine hohe Zündgeschwindigkeit hat, im Bereich von wenigen Millisekunden einen wesentlichen Teil seines Verbrennungspotentials verliert. Den verbliebenen Teil seines Verbrennungspotentials verliert das gezündete Gasgemisch schließlich im zweiten Wasserbehälter. Das in dem zweiten Wasserbehälter enthaltene Wasser wirkt als Löschmittel und Strömungswiderstand zugleich. Das Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff reagiert zwar auf einen Zündfunken, wird aber durch den zusätzlichen Sauerstoff nicht potenziert. Daher ist das gesättigte Gasgemisch nach Reaktion von HHO zu H₂O (Wasser) chemisch stabil und nicht mehr gefährlich. Es ist offensichtlich, dass der zweite Wasserbehälter bzw. die durch den zweiten Wasserbehälter gebildete Sicherheitsbarriere sowie das „naturphysikalische“ Rückschlagventil optional sind und nicht zwangsläufig vorgesehen sein müssen. Zur Erhöhung der Sicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zweite Wasserbehälter aber bevorzugt vorgesehen, vorzugsweise in Kombination mit dem „naturphysikalischen“ Rückschlagventil.
Wie vorstehend beschrieben, umfassen die Sicherheitseinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise mehrere Sicherheitsbarrieren, die auch zur Dosierung der Strömung des Gasgemisches dienen. Diese Sicherheitsbarrieren beinhalten den ersten Wasserbehälter mit einem Einfüllstutzen zum Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit (Wasser), die zweite Rohrleitung, die vorzugsweise am Boden des ersten Wasserbehälters angebracht ist, um das aus der Elektrolyseanlage ausströmende Gasgemisch von unten in den ersten Wasserbehälter einzuleiten, so dass das Gasgemisch von unten nach oben durch die Wassersäule in dem ersten Wasserbehälter aufsteigen kann. Optional ist eine Rohrleitung vorgesehen, die ebenfalls am Boden des ersten Wasserbehälters angebracht ist, um Elektrolyt (Wasser) aus dem ersten Wasserbehälter in die Elektrolytanlage (bzw. in die jeweiligen Elektrolysezellen) einzuleiten. In diesem Fall kann der erste Wasserhälter die Funktion des vorstehend beschriebenen Wassertanks übernehmen, der über eine Rohrleitung mit der bzw. den Zellen der Elektrolyseanlage verbunden ist, um der Elektrolyseanlage die erforderliche Menge an Wasser (Elektrolyt) zuzuführen.
Der erste Wasserbehälter ist an seiner Oberseite mit dem ersten Ende der dritten Rohrleitung verbunden, deren zweites Ende mit dem zweiten Wasserbehälter verbunden ist, um das in dem ersten Wasserbehälter durch die Wassersäule aufgestiegene Gasgemisch über diese dritte Rohrleitung dem zweiten Wasserbehälter zuzuführen. Das zweite Ende dieser dritten Rohrleitung ist vorzugsweise am Boden des zweiten Wasserbehälters angebracht, so dass das Gasgemisch von oben nach unten durch die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters aufsteigen kann. Wie beschrieben, kann das zweite Ende der dritten Rohrleitung auch mit einem Tauchrohr verbunden sein, das von oben in den zweiten Wasserbehälter eingesetzt ist, um sich von oben durch die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters bis fast zum Boden des zweiten Wasserbehälters zu erstrecken. Das Gasgemisch wird durch den in der Elektrolyseanlage und in dem ersten Wasserbehälter herrschenden Überdruck von oben nach unten durch das Tauchrohr geblasen, verlässt das untere Ende des Tauchrohrs nahe dem Boden des zweiten Wasserbehälters und steigt anschließend durch die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters nach oben auf. An der Oberseite des zweiten Wasserbehälters ist eine vierte Rohrleitung angebracht, um das aus dem zweiten Wasserbehälter austretende Gasgemisch vorzugsweise zu dem vorstehend genannten „naturphysikalischen“ Rückschlagventil weiterzuleiten.
Nachfolgend wird detaillierter die Funktion der Sicherheitseinrichtungen beschrieben. Durch den durch Elektrolyse (d.h. Expansion des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches) in der Elektrolyseanlage entstehenden Überdruck wird das Gasgemisch aus der Elektrolyseanlage über die zweite Rohrleitung in den ersten Wasserbehälter eingeleitet, so dass das Gasgemisch von unten nach oben durch die Wassersäule im ersten Wasserbehälter strömt, wodurch die erste Sicherheitsbarriere gebildet wird.
Durch den im ersten Wasserbehälter vorherrschenden Überdruck wird das Gasgemisch aus dem ersten Wasserbehälter durch die dritte Rohrleitung in den zweiten Wasserbehälter geleitet, durch den die zweite Sicherheitsbarriere gebildet wird, die gleichzeitig zur Reinigung des Gasgemisches dient. Im ersten Wasserbehälter sind Kontroll- und/oder Messeinrichtungen installiert. Derartige Kontroll- und Messeinrichtungen müssen in dem zweiten Wasserbehälter nicht vorgesehen sein.
Auch in dem zweiten Wasserbehälter muss das Gasgemisch die Wassersäule von unten nach oben durchlaufen. Dies kann beispielsweise auch durch ein Rohr (Tauchrohr) erfolgen, das bis etwa 1-5 cm über dem Boden des zweiten Wasserbehälters in die Wassersäule eingetaucht ist. Das Gasgemisch tritt folglich am unteren Ende des Tauchrohrs aus und steigt durch die Wassersäule im zweiten Wasserbehälter nach oben auf. Vorzugsweise am Deckel des zweiten Wasserbehälters ist das erste Ende der vierten Rohrleitung angebracht.
Das aus dem zweiten Wasserbehälter durch die vierte Rohrleitung austretende Gasgemisch wird anschließend dem „naturphysikalischen“ Rückschlagventil zugeführt, das mit dem zweiten Ende der vierten Rohrleitung verbunden ist. Bei Entstehung einer Rückschlagflamme aus dem nachgeschalteten Verbrennungsmodul muss das Gasgemisch in entgegengesetzter Richtung (also vom Verbrennungsmodul in Richtung auf die Elektrolyseanlage) zunächst das „naturphysikalische“ Rückschlagventil durchlaufen, tritt dann über die vierte Rohrleitung in den zweiten Wasserbehälter ein. Hier kann das gezündete Gasgemisch mit dem Wasser in dem zweiten Wasserbehälter reagieren, wodurch das Gasgemisch sein restliches Verbrennungspotential verliert. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, da das HHO-Gas eine hohe Zündgeschwindigkeit hat und sich im Bereich von wenigen Millisekunden entzünden kann, wobei aber durch das Rückschlagventil und durch den zweiten Wasserbehälter eine weitere Ausbreitung der Zündflamme in Richtung auf die Elektrolyseanlage wirksam verhindert wird. Unter anderem dient das Wasser im zweiten Wasserbehälter als Löschmittel und gleichzeitig als Strömungswiederstand. Das aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehende Gasgemisch reagiert äußerst schnell auf Zündfunken aus der Verbrennungsmaschine, wird aber durch zusätzlichen Sauerstoff nicht weiter potenziert. Daher ist das gesättigte Gasgemisch nach Reaktion von HHO zu H₂O (Wasser) chemisch stabil und nicht mehr gefährlich.
Auch in dem zweiten Wasserbehälter steht das Gasgemisch noch unter Druck (bis etwa 1 Atmosphäre), drängt durch die vierte Rohrleitung in das nachgeschaltete „naturphysikalische“ Rückschlagventil und durchläuft nacheinander die einzelnen Stationen dieses Rückschlagventils. Vorzugsweise enthält das Rückschlagventil einen Edelstahlfilter, der bevorzugt aus Edelstahlwolle gebildet ist und daher eine sehr große Oberfläche hat, wodurch die Verbrennungsenergie im Fall der Entstehung einer Rückschlagflamme aus dem Verbrennungsmodul absorbiert wird. Folglich wird die Edelstahlwolle bei einer Rückzündung als eine Einrichtung zur Temperaturableitung genutzt. Oberhalb (d.h. in Strömungsrichtung der Gasmischung von der Elektrolyseanlage zum Verbrennungsmodul) des Edelstahlfilters befindet sich ein Sandfilter (vorzugsweise aus Quarz-Sand), der über dem Edelstahlfilter aufliegt und durch seine geometrisch unbestimmte Oberfläche als ein weiterer Kondensator für das Gasgemisch dient, der bei einer Rückzündung des Gases und vor dem Durchschlagen des Edelstahlfilters als Absorber für die Zündflamme des Gases zum Einsatz kommt. Der Sand (z.B. Quarz-Sand) des Sandfilters kann bei einer Temperatur von über 2500*C zu Glas schmelzen, wobei ein wesentlicher Teil der aus der Rückzündung des Gasgemisches erzeugten Energie absorbiert wird. Durch den geschmolzenen Sand des Sandfilters wird das „naturphysikalische“ Rückschlagventil schließlich vollständig geschlossen.
Nachdem das Gasgemisch das Rückschlagventil in Richtung auf das Verbrennungsmodul durchströmt hat, hat das Gasgemisch immer noch einen Druck von etwa 1 Atmosphäre und tritt durch eine fünfte Rohrleitung in eine sich in Strömungsrichtung anschließende Ventileinrichtung (Durchflussventil) ein, die über ein elektronisches Regelventil gesteuert werden kann. Bei einer Fehlermeldung (z.B. vom Druckmesser und/oder von der Einrichtung zum Messen der Elektrolytkonzentration im ersten Wasserbehälter) würde das Regelventil abschalten, wodurch die Gaszufuhr in das Verbrennungsmodul unterbrochen und die in der Elektrolyseanlage erfolgende Elektrolyse gestoppt wird.
Nachfolgend wird beschrieben, wie die durch Verbrennen des Wasserstoff-/ Sauerstoff-Gasgemisches in dem Verbrennungsmodul erzeugte Energie in kinetische Energie umwandelt und anschließend in eine Drehbewegung umgesetzt wird.
Das Verbrennungsmodul ist vorzugsweise in drei Bereiche unterteilt:

Der erste Bereich ist der Verbrennungsbereich, der als Verbrennungsraum für das einströmende Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch dient und der die Expansion des gezündeten Gases nutzt, um eine in dem Verbrennungsmodul gelagerte Kolbenstange linear vom oberen Tod-Punkt zum unteren Tod-Punkt zu treiben. Hierzu ist die Kolbenstange an einem Enden mit einem Kolben verbunden, der sich in dem Verbrennungsraum befindet und in diesem linear verschiebbar gelagert ist. Wie der Kolben und die Kolbenstange gelagert sind, ist individuell konstruierbar, zum Beispiel als Kurbelwelle oder Linearschubstange.

Der Verbrennungsraum hat einen Gaseinlass und einen Gasauslass, die über zugehörige Ventile gesteuert (d.h. geöffnet und geschlossen) werden. Der Gaseinlass ist über die sechste Rohrleitung mit der Ventileinrichtung verbunden, um das aus der Elektrolyseanlage stammende Gasgemisch in den Verbrennungsraum einzuleiten. Beim Verbrennen des Gasgemisches wird das Gemisch wieder zu Wasser fusioniert. Das fusionierte Wasser (Abwasser) wird über den Gasauslass des Verbrennungsraums und über eine weitere (siebte) Rohrleitung entweder dem Wassertank oder dem ersten Wasserbehälter zugeführt. Vorzugsweise wird das fusionierte Wasser mittels einer Filtrationseinrichtung gereinigt, die in der weiteren Rohrleitung integriert ist.
Der zweite Bereich des Verbrennungsmoduls dient zur Aufnahme der Linearbewegung der Kolbenstange, die als Übertragungsbauteil für die kinetische Energie genutzt wird. Mit anderen Worten, die Kolbenstange ist in dem zweiten Bereich für eine lineare Hin- und Herbewegung gelagert. Die Linearbewegung der Kolbenstange kann anschließend universell in eine Drehbewegung übersetzt werden. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass auch andere Mechanismen zur Umwandlung der Verbrennungsenergie in kinetische Energie denkbar sind.
In dem dritten Bereich des Verbrennungsmoduls befindet sich beispielsweise eine Rückstoßeinheit, die vorzugsweise als eine Gasfeder realisiert ist. Es ist offensichtlich, dass auch andere konstruktive Alternativen zum Einsatz kommen können. Zum Beispiel kann eine mechanische Feder oder auch eine zweite Brennkammer genutzt werden, wie zum Beispiel ein Druckkammer. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist am entgegengesetzten Ende der Kolbenstange (also gegenüberliegend zum ersten Kolben, der in der Verbrennungskammer angeordnet ist) ein zweiter Kolben angebracht, der sich in einer „geschlossenen“ Kammer zusammen mit der Kolbenstange hin- und herbewegt, um auf diese Weise eine Gasfeder zu realisieren. Die „geschlossene“ Kammer ist vorzugsweise mit einem Ventil versehen, mit Hilfe dessen eine Luftströmung in die Kammer und aus der Kammer heraus gesteuert werden kann. Auf diese Weise kann die Federkonstante der Gasfeder eingestellt werden.
Das einströmende Gas aus der Ventileinrichtung (vorzugsweise ein regelbares Durchlassventil), die optional zwischen dem Rückschlagventil und dem Verbrennungsmodul vorgesehen ist, ist auf die Menge des Zündkolbenvolumens (d.h. das Volumen des Verbrennungsraums) abgestimmt und kann entsprechend der Zündgeschwindigkeit des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches mit Umgebungsluft „verdünnt“ werden, so dass eine konstante Zündung erfolgt. Die Regelzündgeschwindigkeit beträgt beispielsweise 2820 m/s, je nach Umgebungsluftzufuhr, und ist individuell einstellbar. Die Hin- und Herbewegung der Kolben und der Kolbenstange kann mit einer sehr hohen Frequenz erfolgen, wie zum Beispiel etwa 3000-3500 Bewegungen pro Minute.
Die vorstehend beschriebene Linearbewegung der Kolbenstange mit den daran angebrachten Kolben kann mittels verschiedener Übersetzungsarten in eine Drehbewegung zum Antreiben des Generators umgewandelt werden.
So ist denkbar, dass eine mit der Kolbenstange gekoppelte Kurbelwelle die Drehbewegung in den Generator (Stromerzeuger) einleitet, wobei die Drehzahl über die gesteuerte Frequenz der Einleitung und des Zündens des Gasgemisches in dem Verbrennungsraum analog zum Stromverbrauch auf vorzugsweise etwa 3000-3500 U/min gehalten wird.
Es ist ebenfalls möglich, die Linearbewegung durch eine radial angeordnete Zahnradanordnung und mehrere radial bewegliche Zahnräder umzuwandeln, wodurch die Drehzahl über eine am äußeren Zahnradkranz befindliche Schwungmasse (Schwungrad) auf einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl gehalten wird.
Die eigentliche Stromerzeugung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Generators. Eine auf dem Schwungrad befindliche zentrale Adapterplatte, ermöglicht das Anflanschen einer Welle, die über eine Kupplung den Generator zwecks Stromerzeugung antreibt. Die eingeleitete Drehbewegung setzt den Magnetismus in der Kupferwicklung des Stromerzeugers in Gang, und mit jeder Umdrehung des Generators wird ein Strom indiziert. Der erzeugte Strom kann einer Reglereinrichtung zugeführt werden, um mögliche Spannungsspitzen zu glätten, wodurch die erzeugte Stromstärke/Spannung für den häuslichen Gebrauch stabilisiert werden kann. Durch nachgeschaltete Stromspeicher (z.B. Kondensatoren) wird ermöglicht, weitere Verbrauchsspitzen zu regulieren und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung und die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, auf Basis derer beispielhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Aspekte der Erfindung erläutert werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungen beschränkt. Beispielsweise können die verschiedenen Aspekte der Erfindung auch mit anderen Typen von Einrichtungen implementiert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Elektrolysezelle;
3 eine detaillierte schematische Darstellung der einzelnen Komponenten der Transport- bzw. Sicherheitsmittel aus 1;
4 eine schematische Darstellung des „naturphysikalischen“ Rückschlagventils und der damit verbundenen Ventileinrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbrennungsmoduls;
6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung zur Umwandlung der Linearbewegung der Verbrennungsmoduls in eine Rotationsbewegung zum Antreiben eines Generators; und
7 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Kopplung des Generators mit einem Teil des Getriebemechanismus zur Umwandlung der Linearbewegung in eine Rotationsbewegung.

Wie in der schematischen Darstellung von 1 gezeigt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung mittels eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches im Wesentlichen eine Einrichtung 1 zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms, eine Elektrolyseanlage 2 zum Erzeugen eines Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches, ein Verbrennungsmodul 4 zum Verbrennen des erzeugten Wasserstoff-/ Sauerstoff-Gasgemisches und zum Erzeugen von kinetischer Energie, Transportmittel 3, die mit verschiedenen Sicherheitseinrichtungen versehen sind, um das Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch von der Elektrolyseanlage 2 zum Verbrennungsmodul 4 zu transportieren, um die Menge bzw. das Volumen des transportierten Gasgemisches zu steuern, und um eine Entzündung des Gasgemisches außerhalb des Verbrennungsmoduls 4 zu verhindern, und eine Einrichtung 5, die ausgestaltet ist, um unter Nutzung der erzeugten kinetischen Energie elektrischen Strom zu erzeugen.
Wie eingangs erläutert, basiert die erfindungsgemäße Vorrichtung im Wesentlichen auf der Erzeugung eines Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches durch die Elektrolyseanlage 2 mit Hilfe eines elektrischen Stromes, welcher der Elektrolyseanlage von der Einrichtung 1 zugeführt wird. Das erzeugte Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch wird dem Verbrennungsmodul 4 über die Transportmittel 3 zugeführt. Das Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch wird durch das Verbrennungsmodul 4 verbrannt bzw. verbraucht, um auf diese Weise kinetische Energie zu erzeugen. Das Verbrennungsmodul 4 ist mit einer Einrichtung 5 (z.B. ein Generator) gekoppelt, um die kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Teil der erzeugten elektrischen Energie wird wieder der Elektrolyseanlage zugeführt, um den Elektrolyse-Prozess in der Elektrolyseanlage aufrechtzuerhalten, so dass der von der Einrichtung 1 gelieferte elektrische Strom abgeschaltet oder verringert werden kann. Hierzu ist der Generator 5 mit der Startstrom-Einrichtung 1 und/oder der Elektrolyseanlage 2 elektrisch verbunden. Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung 6 vorgesehen, die zwischen dem Generator 5 und der Startstrom-Einrichtung 1 bzw. der Elektrolyseanlage 2 geschaltet ist. Die Steuereinrichtung 6 erfasst die vom Generator 5 ausgegebene Energie und bestimmt, ob diese Energie bzw. ein Teil dieser Energie ausreichend ist, um die Elektrolyse in der Elektrolyseanlage 2 aufrechtzuerhalten, wobei in diesem Fall die Startstrom-Einrichtung 1 von der Elektrolyseanlage 2 getrennt und die Elektrolyseanlage 2 vom Generator 5 gespeist wird. Es ist ebenfalls möglich, dass die Startstrom-Einrichtung 1, für den Fall, dass es sich bei der Einrichtung um eine wiederaufladbare Batterie handelt, über den Generator 5 auf- bzw. nachgeladen wird. Wenn die Elektrolyse in der Elektrolyseanlage 2 korrekt erfolgt, wird über die Verbrennung des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches in dem Verbrennungsmodul 4 und die anschließende Umwandlung der durch das Verbrennungsmodul 4 erzeugten kinetischen Energie im Generator 5 mehr elektrische Energie erzeugt als für die Aufrechterhaltung der Elektrolyse in der Elektrolyseanlage 2 erforderlich ist. Dieser Überschuss an elektrischer Energie kann für andere Zwecke verwendet werden, d.h., kann einem anderen elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden, der mit dem Generator 5 elektrisch gekoppelt ist. Wie in 1 gezeigt, ist der Generator 5 elektrisch mit einem Steuermodul 7 verbunden, das wiederum elektrisch mit einer elektrischen Last 8 verbunden ist.
Wie bereits vorstehend erläutert wurde, ist die Steuereinrichtung 6 dazu ausgestaltet, um die vom Generator 5 gelieferte Energie in einen für den Betrieb der Elektrolyseanlage 2 erforderlichen Strom bzw. Spannung umzuwandeln. Ferner ist das Steuermodul 7 dazu ausgestaltet, um die vom Generator 5 gelieferte Energie in einen Strom bzw. eine Spannung umzuwandeln, die für den Betrieb der elektrischen Last 8 erforderlich ist. Das heißt, der durch den Generator erzeugte Strom wird dem Steuermodul zugeführt, das beispielsweise ausgestaltet ist, um den vom Generator ausgegebenen Strom (z.B. Gleichstrom) beispielsweise in einen Wechselstrom mit geeigneter Spannung und Frequenz umzuwandeln, um anschließend einer nachfolgenden Last bzw. Verbraucher (Haushalt etc.) zur Verfügung gestellt werden zu können. Es ist offensichtlich, dass die Steuereinrichtung 6 und das Steuermodul 7 als eine Einrichtung integriert ausgebildet sein können.
In der schematischen Darstellung von 2 ist eine beispielhafte Elektrolysezelle 10 gezeigt. Wie eingangs erwähnt, kommt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Elektrolyseanlage 2 in Form von einer oder mehreren herkömmlichen Elektrolysezellen 10 zum Einsatz. Diese Zellen können Trockenzellen oder Nasszellen sein. Bevorzugt sind Trockenzellen, die mit einem Elektrolyt (Wasser, vorzugsweise salzhaltiges Wasser) gefüllt sind, das durch einen elektrischen Startstrom über die Elektroden 11 der jeweiligen Elektrolysezelle mit einer Spannung von etwa 1,48 Volt bis etwa 300 Volt beaufschlagt wird, wodurch die Aufspaltung des in der Zelle enthaltenen Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff bewirkt wird.
Die gezeigte Elektrolysezelle 10 weist mehrere Elektrodenplatten 11, 12 auf. Die gezeigte beispielhafte Zelle enthält fünf Elektrodenplatten. Von diesen Elektrodenplatten sind zwei Elektrodenplatten 11 (vorzugsweise die gegenüberliegenden äußeren Platten) an einen Stromkreis angeschlossen, der durch die Startstrom-Einrichtung 1 bzw. durch den Generator 5 (vorzugsweise über die mit dem Generator gekoppelte Steuereinrichtung 6) gespeist wird, wobei ein Pol (+) der Startstrom-Einrichtung 1 an eine erste Elektrodenplatte 11 der Zellen und der andere Pol (-) an eine zweite Elektrodenplatte 11 angeschlossen ist. Die mittleren Platten 12 dienen als Stromleiter. Bei Verwendung mehrerer Zellen 11 können diese entweder seriell oder parallel oder gemischt miteinander verschaltet werden.
Die Platten sind parallel zueinander angeordnet und haben einen Abstand von beispielsweise 1,5 mm bis 3 mm oder 3 mm bis 10 mm. Dies wird vorzugsweise durch Abstandhalter 13 aus einem nichtleitfähigen Material realisiert, wie zum Beispiel EPDM oder Kautschuk. Zwischen den Platten sind Hohlräume 14 gebildet, die mit dem Elektrolyt gefüllt sind.
Die gezeigte Zelle 10 ist mit einem Zulauf 15 für den Elektrolyten versehen, der mit einem Wassertank verbunden ist, der vorzugsweise oberhalb der Zelle vorgesehen ist, damit der Elektrolyt (Wasser) durch die Schwerkraft in die Zelle fließen kann. Die innenliegenden Platten 12 sind oben und unten mit Öffnungen versehen, damit sich der Elektrolyt im unteren Bereich der Zelle verteilen kann und sich das erzeugte Gas im oberen Bereich der Zelle sammeln und durch einen Auslass 16 abgeleitet werden kann. Grundsätzlich bilden die Zelle 10 und der zugehörige Wassertank (in 2 nicht gezeigt) Teil eines Kreislaufs, bei dem Wasser aus dem Wassertank über den Zulauf 15 in die Zelle strömt, das durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch durch den Auslass 16 abgeleitet und dem Verbrennungsmodul 4 zugeführt wird, und das durch Verbrennung fusionierte Wasser in den Wassertank zurück geleitet wird.
Wie vorstehend erläutert, befindet sich oberhalb der Zelle 10 ein Wassertank, der in 3 als ein erster Wasserbehälter 20 dargestellt ist. Dieser erst Wasserbehälter 20 ist über eine erste Rohrleitung 21 mit dem Zulauf 15 der Zelle 10 (bzw. den Trockenzellen) der Elektrolyseanlage 2 verbunden. Das durch Elektrolyse zwischen den Elektroden der Zelle entstehende Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff wird dem Auslass 16 der Zelle zugeführt. Dieser Auslass 16 ist über eine zweite Rohrleitung 22 mit einem zugehörigen Anschluss am Boden des ersten Wasserbehälters 20 verbunden.
Wie vorstehend beschrieben, wird der in der Zelle enthaltene Elektrolyt durch die Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird in der Zelle ein Überdruck erzeugt, so dass die in der Zelle erzeugte Gasmischung aus Sauerstoff und Wasserstoff über die zweite Rohrleitung 22 in einen ersten Wasserbehälter 20 geleitet, so dass das Gasgemisch von unten nach oben die Wassersäule in dem ersten Wasserbehälter durchlaufen kann. Hierdurch wird eine erste Sicherheitsbarriere realisiert. Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung von mehreren Zellen 10 die Auslässe der jeweiligen Zellen mit dem ersten Wasserbehälter verbunden sind.
Wie in 3 gezeigt, ist am Deckel des ersten Behälters 20 ein Einlass 23 vorgesehen, um Elektrolyt in den ersten Behälter nachzufüllen. Ferner sind vorzugsweise am Deckel des ersten Behälters 20 ein Druckmesser 29 und/oder eine Einrichtung zum Messen der Elektrolytkonzentration vorgesehen, die mit einem nachfolgend beschriebenen Regelmodul 51 gekoppelt ist.
Durch den in der Zelle 10 herrschenden Überdruck strömt das Gasgemisch vorzugsweise aus dem ersten Wasserbehälter 20 in einen sich in Strömungsrichtung anschließenden zweiten Wasserbehälter 30, der mit Wasser gefüllt ist und als eine zweite Sicherheitsbarriere dient. Der erste Wasserbehälter 20 und der zweite Wasserbehälter 30 sind über eine dritte Rohrleitung 24 miteinander verbunden sind. Hierzu ist an der Oberseite des ersten Wasserbehälters 20 ein Rohranschluss für die dritte Rohrleitung 24 vorgesehen, deren anderes Ende als Tauchrohr 25 ausgebildet ist, das sich fast bis zum Boden des zweiten Behälters erstreckt. Das Gasgemisch wird über diese dritte Rohrleitung 24 so in den zweiten Wasserbehälter geleitet, dass das Gasgemisch, wenn es am unten Ende des Tauchrohrs 25 austritt, von unten nach oben die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters durchlaufen muss.
Wie vorstehend beschrieben, umfassen die Sicherheitseinrichtungen, die Teil der Transportmittel 3 aus 1 sind, vorzugsweise mehrere Sicherheitsbarrieren, die auch zur Dosierung der Strömung des Gasgemisches dienen. Diese Sicherheitsbarrieren beinhalten den ersten Wasserbehälter 20 mit einem Einfüllstutzen bzw. Einlass 23 zum Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit (Wasser), eine zweite Rohrleitung 22, die vorzugsweise am Boden des ersten Wasserbehälters 20 angebracht ist, um das aus der Zelle ausströmende Gasgemisch in den ersten Wasserbehälter einzuleiten, so dass das Gasgemisch von unten nach oben durch die Wassersäule in dem ersten Wasserbehälter aufsteigen kann. Eine weitere Sicherheitsbarriere ist durch den zweiten Wasserbehälter 30 realisiert, der über die dritte Rohrleitung 24 mit dem ersten Wasserbehälter 20 verbunden ist. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Lösung kann die dritte Rohrleitung am Boden des zweiten Wasserbehälters angeschlossen sein, so dass das aus dem ersten Wasserbehälter austretende Gasgemisch von unten nach oben durch die Wassersäule des zweiten Wasserbehälters aufsteigen kann.
An der Oberseite des zweiten Wasserbehälters 30 ist eine vierte Rohrleitung 26 angebracht, um das aus dem zweiten Wasserbehälter austretende Gasgemisch einem „naturphysikalischen“ Rückschlagventil zuzuführen, das in 4 gezeigt ist.
Die am zweiten Wasserbehälter 20 angebrachte vierte Rohrleitung 26 ist mit dem „naturphysikalischen“ Rückschlagventil 40 verbunden. Das immer noch unter Druck stehende Gasgemisch strömt aus dem zweiten Wasserbehälter durch die vierte Rohrleitung 26 in das Rückschlageventil 40. Vorzugsweise enthält das Rückschlagventil einen Edelstahlfilter 41, der bevorzugt aus Edelstahlwolle gebildet ist, und einen nachgelagerten (in Strömungsrichtung der Gasmischung) Sandfilter 42 (vorzugsweise aus Quarz-Sand). Wie eingangs beschrieben, kann der Sand des Sandfilters 42 bei einer Temperatur von über 2500*C zu Glas schmelzen, wobei durch den geschmolzenen Sand des Sandfilters das Rückschlagventil vollständig geschlossen werden kann. In Strömungsrichtung nachgelagert kann optional ein weiterer Filter 43 vorgesehen sein.
Nachdem das Gasgemisch das Rückschlagventil 40 in Richtung auf das Verbrennungsmodul 4 durchströmt hat, strömt es durch eine fünfte Rohrleitung 44 in eine sich in Strömungsrichtung anschließende Ventileinrichtung 50, die über ein elektronisches Regelmodul 51 gesteuert werden kann. Bei einer Fehlermeldung (z.B. vom Druckmesser 29 und/oder von der Einrichtung zum Messen der Elektrolytkonzentration im ersten Wasserbehälter 20) würde das Regelventil 50 abschalten, wodurch die Gaszufuhr in das Verbrennungsmodul 4 unterbrochen und die in der Elektrolyseanlage erfolgende Elektrolyse gestoppt wird. Optional ist in der fünften Rohrleitung 44 ein Durchflussmesser 52 vorgesehen, der mit dem Regelmodul 51 gekoppelt werden kann, um abhängig vom gemessenen Gas-Durchfluss die Ventileinrichtung 50 steuern zu können. Am Ausgang der Ventileinrichtung 50 (in Strömungsrichtung der Gasmischung) ist eine sechste Rohrleitung 55 angebracht, die mit dem Verbrennungsmodul 4 verbunden ist.
In 5 ist ein beispielhaftes Verbrennungsmodul 60 schematisch dargestellt, das dem Modul 4 entspricht, das in 1 gezeigt ist. Das aus der Ventileinrichtung 50 austretende Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch wird dem Verbrennungsmodul 60 über die sechste Rohrleitung 55 zugeführt und in dem Verbrennungsmodul verbrannt, um kinetische Energie zu erzeugen. Es ist offensichtlich, dass anstelle des dargestellten Verbrennungsmoduls 60 auch andere Arten von Verrennungsmaschinen, Kolbenmaschinen, Verbrennungsmotoren usw. verwendet werden können.
Das Verbrennungsmodul 60 umfasst einen Verbrennungsbereich 61, der als Verbrennungsraum für das einströmende Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch dient, einen Linearbewegungsbereich 62 und einen Gasfederbereich 63.
Der Verbrennungsraum 61 hat einen Gaseinlass 64 und einen Gasauslass 65, die über zugehörige Ventile (nicht gezeigt) gesteuert werden, wobei das Öffnen und Schließen der Ventile auf bekannte Weise synchron zu Zünden eines Zündmittels 66 (z.B. Zündkerze) erfolgt. Wie beschrieben, ist der Gaseinlass 64 über die sechste Rohrleitung 55 mit der Ventileinrichtung 50 verbunden, um das aus der Elektrolyseanlage 2 stammende Gasgemisch in den Verbrennungsraum einzuleiten. Das durch den Verbrennungsvorgang fusionierte Wasser (Abwasser) wird über den Gasauslass 65 des Verbrennungsraums 61 und eine zugehörige Rohrleitung dem ersten Wasserbehälter zugeführt.
Im Linearbewegungsbereich 62 ist eine Kolbenstange 67 verschiebbar gelagert. An den beiden Enden der Kolbenstange sind ein erster Kolben 68 und ein zweiter Kolben 69 montiert. Es ist offensichtlich, dass durch den Verbrennungsprozess im Verbrennungsraum 61 eine Linearbewegung der Kolbenstange 67 (kinetische Energie) bewirkt wird. Diese Linearbewegung wird in eine Drehbewegung übersetzt, die zum Antreiben des Generators 5 genutzt wird.
Der Gasfederbereich 63 wirkt als Rückstoßeinheit und kann, neben der gezeigten Lösung, durch andere konstruktive Lösungen realisiert werden. Wie in 5 gezeigt, ist an dem dem Verbrennungsraum 61 gegenüberliegenden Ende der Kolbenstange 67 ein Kolben 69 angebracht, der sich in dem „geschlossenen“ Gasfederbereich zusammen mit der Kolbenstange hin- und herbewegt. Die Kammer des Gasfederbereichs 63 ist mit einem Ventil 70 versehen, mit Hilfe dessen eine Luftströmung in die Kammer und aus der Kammer gesteuert werden kann.
Die vorstehend beschriebene Linearbewegung der Kolbenstange mit den daran angebrachten Kolben kann mittels verschiedener Übersetzungsarten in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Solche Übersetzungsmechanismen sind dem Fachmann bekannt. So können beispielsweise verschiedene Kurbelwellen-Mechanismen zum Einsatz kommen.
So ist es beispielsweise möglich, die Linearbewegung der Kolbenstange 67 durch eine radial angeordnete Zahnradanordnung und mehrere radial bewegliche Zahnräder umzuwandeln, wobei die Drehzahl über eine an einem äußeren Zahnradkranz befindliche Schwungmasse (Schwungrad) auf einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl gehalten wird. Eine solche beispielhafte Lösung ist in 6 gezeigt. Mit Hilfe einer mit der Kurbelstange 67 des Verbrennungsmoduls 60 gekoppelten Schubstange 80 wird über einem Getriebemechanismus ein Zahnkranz 81 mit innenliegenden Zähnen angetrieben. Um diesen Zahnkranz herum ist ein Schwungrad 82 vorgesehen.
In 7 ist ein Generator 83 gezeigt, der über eine mechanische Kupplung 84 mit einer Adapterplatte 85 gekoppelt ist. Am der Adapterplatte 85 sind der Zahnkranz 81 und das Schwungrad 82 angebracht.
Die in den Anmeldungsunterlagen, insbesondere in den Figuren, den Ansprüchen und der Beschreibung, beschriebenen bzw. angeführten Merkmale können zur Realisierung der Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich sein.

Claims

Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Hilfe eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches, wobei die Vorrichtung umfasst: - eine Einrichtung (1) zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms, - eine Elektrolyseanlage (2) zum Erzeugen eines Wasserstoff-/ Sauerstoff- Gasgemisches durch Elektrolyse, - ein Verbrennungsmodul (4) zum Verbrauchen des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches und zum Erzeugen von kinetischer Energie, - Transportmittel (3), die mit Sicherheitseinrichtungen versehen sind, um das Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisch von der Elektrolyseanlage (2) zum Verbrennungsmodul (4) zu transportieren, und - eine Einrichtung (5), die ausgestaltet ist, um unter Nutzung der erzeugten kinetischen Energie elektrischen Strom zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (1) zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms mit der Elektrolyseanlage (2) elektrisch gekoppelt ist, um der Elektrolyseanlage die für die Initiierung der Elektrolyse erforderliche Energie (Startstrom) zur Verfügung zu stellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einrichtung (1) zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine elektrische Batterie, ein mechanisches stromerzeugendes Gerät, einen Dynamo, eine Stromquelle eines Netzbetreibers (herkömmlicher Netzstrom), eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stroms durch Photovoltaik, Windkraft oder Wasserkraft und Gravitätsgeneratoren umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrolyseanlage eine oder mehrere Elektrolysezellen, Trockenzellen oder Nasszellen enthält, die von der Einrichtung (1) zum Bereitstellen eines elektrischen Startstroms gespeist werden, und die mindestens eine Elektrolysezelle mit einem Elektrolyt gefüllt ist, wobei der Elektrolyt Wasser ist, dem Säure (z.B. Schwefelsäure) oder Lauge oder Kochsalz beigemengt ist, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbrennungsmoduls (4) eine Verbrennungsmaschine, ein Kolbengenerator, ein Zweitaktmotor, ein Viertaktmotor oder ein Freikolbenmotor ist, wobei das Verbrennungsmodul (4) ausgestaltet ist, um durch Verbrennen des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches kinetische Energie zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportmittel (3) ausgestaltet sind, um eine Entzündung des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches außerhalb des Verbrennungsmoduls (4) zu verhindern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportmittel (3) einen ersten Wasserbehälter (20), der mit der Elektrolyseanlage (2) verbunden ist, und einen zweiter Wasserbehälter (30) umfasst, der mit dem ersten Wasserbehälter (20) verbunden ist, wobei das von der Elektrolyseanlage (2) erzeugte Gasgemisch das in dem ersten Wasserbehälter (20) enthaltene Wasser und das in dem zweiten Wasserbehälter (30) enthaltene Wasser durchströmt, wovor es dem Verbrennungsmodul (4) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportmittel (3) außerdem ein Rückschlagventil (40) umfassen, das in Strömungsrichtung des Gasgemisches von der Elektrolyseanlage (1) zu dem Verbrennungsmodul (4) vorgesehen und ausgestaltet ist, um eine Rückzündung des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches zu verhindern, die beim Verbrennen des Gasgemisches in dem Verbrennungsmodul (4) entstehen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei Rückschlagventil (40) einen Edelstahlfilter (41), der vorzugsweise aus Edelstahlwolle gebildet ist, und einen in Strömungsrichtung des Gasgemisches dem Edelstahlfilter nachgelagerten Sandfilter (42) aufweist, wobei der Sand des Sandfilters (42) bei einer Temperatur von über etwa 2500*C zu Glas schmelzen kann, wodurch das Rückschlagventil vollständig geschlossen werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportmittel (3) außerdem eine Ventileinrichtung (50) umfassen, die in Strömungsrichtung des Gasgemisches von der Elektrolyseanlage (1) zu dem Verbrennungsmodul (4) vorgesehen und ausgestaltet ist, um den Durchfluss des Gasgemisches zu steuern oder zu unterbrechen, und die über ein elektronisches Regelventil (51) gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (5), die ausgestaltet ist, um unter Nutzung der von dem Verbrennungsmodul erzeugten kinetischen Energie elektrischen Strom zu erzeugen, wobei die Einrichtung (5) einen Generator (5; 83) umfasst, der mit dem Verbrennungsmodul (4) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (5) zum Erzeugen von elektrischer Energie einen ersten Teil der erzeugten elektrischen Energie zur Elektrolyseanlage (2) leitet, um die Elektrolyseanlage (2) mit Strom zu versorgen, um die Elektrolyse aufrechtzuerhalten, und wobei ein zweiter Teil der erzeugten elektrischen Energie einer elektrischen Last (8) oder einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann, oder wobei der zweite Teil der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz eingespeist werden kann.
Verfahren zur Stromerzeugung mit Hilfe eines durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen eines elektrischen Startstroms, - Erzeugen eines Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches durch Elektrolyse unter Verwendung des elektrischen Startstroms, - Verbrauchen des erzeugten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemisches und Erzeugen von kinetischer Energie, - Erzeugen eines elektrischen Stroms unter Verwendung der erzeugten kinetischen Energie, und - Verwenden eines ersten Teils des erzeugten elektrischen Stroms zur Durchführung der Elektrolyse, und Verwenden eines zweiten Teils des erzeugten elektrischen Stroms zum Speisen einer elektrischen Last.
Verfahren zur Stromerzeugung nach Anspruch 13 unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.