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Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator zur Erzeugung eines Wasser-Sauerstoff-Mischgases, welches mittels einer Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung dem Kraftstoff-Luftgemisch von Verbrennungskraftmaschinen beimischbar ist.
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Bekannt ist, Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas mittels sogenannter HHO-Zellen zu erzeugen, die durch Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Die in diesen Zellen als Platten ausgebildeten Elektroden befinden sich in einem gasdichten Gefäß (Nasszelle) oder bilden selbst ein gasdichtes Gefäß (Trockenzelle).
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Während eine Nasszelle den Elektrolyt in einer Art Wanne hält, muss die Trockenzelle stetig mit Wasser gespeist werden, um deren Austrocknen und Überhitzen zu vermeiden. Aus einem mit der Zelle über einen Wasserzulauf verbundenen Wasserbehälter, der oberhalb der Trockenzelle angebracht ist, kann das Wasser schwerkraftbedingt in das Innere der Trockenzelle fließen.
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Jede Art der HHO-Zelle besitzt anodisch und kathodisch gepolten Elektroden, die in geringem Abstand voneinander angeordnet sind (meist 1,5 mm - 3 mm). Die Elektroden einer Trockenzelle sind oben und unten mit Löchern oder Schlitzen versehen, damit sich das Wasser in der gesamten Zelle verteilen und das Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas entweichen kann. Mit einer Gummidichtung in Ringform werden die Elektroden auf Abstand zueinander gehalten. Elektroden und Gummiringe bilden so das Gefäß der Trockenzelle, in der das Wasser elektrolysiert wird. Jede Trockenzelle hat einen Wassereinlauf (unten) und einen Gasauslass (oben). Zelle und Wasserbehälter bilden einen Kreislauf, in dem stetig Wasser aus dem Wasserbehälter in die Zelle fließt und gleichzeitig Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas, vermischt mit Wasser, in den Wasserbehälter zurückströmt. Dieser Kreislauf dient neben der Versorgung der Trockenzelle mit Wasser auch ihrer Kühlung.
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Durch Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas ist es möglich, den Verbrauch des originären Kraftstoffs durch die effektivere Verbrennung des angereicherten Kraftstoffs im Verbrennungsraum zu senken. Einen Gasgenerator mit HHO-Zelle, der zur Kraftstoffanreicherung in Verbrennungskraftmaschinen genutzt wird, offenbart beispielsweise
EP 1 967 614 A2 .
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Ein Nachteil der am Markt derzeit verfügbaren HHO-Trockenzellen ist, dass zwischen baugleichen Produkten große Leistungsunterschiede in Bezug auf die Mischgaserzeugung auftreten. Zudem neigen bekannte HHO-Trockenzellen zur Überhitzung.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen und einen nach dem Prinzip der Wasserelektrolyse arbeitenden Gasgenerator bereitzustellen, der Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas mit weitgehend konstanter Menge pro Zeiteinheit (Gasrate) liefert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gasgenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung nach Anspruch 9 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführt.
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Nach Maßgabe der Erfindung umfasst der Gasgenerator zur Erzeugung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases eine mit einem wasserhaltigen Elektrolyten gefüllte Elektrolysezelle. Diese besitzt einen Stapel aus mehreren parallel zueinander angeordneten, elektrisch leitfähigen Elektrodenplatten. Jede der Elektrodenplatten weist zu jeder ihrer im Stapel benachbarten Elektrodenplatten einen definierten Elektrodenabstand auf. Der Elektrodenabstand ist mittels eines jeweils im Bereich der Plattenränder zwischen den benachbarten Elektrodenplatten angeordneten elektrisch isolierenden Abstandshalters eingestellt. Die Maßtoleranz des Elektrodenabstands beträgt ± 0,1 mm und die maximale Parallelitätsabweichung der gegenüberliegenden Oberflächen zweier im Stapel benachbarter Elektrodenplatten 0,1 mm. Die mittlere Rauheit (Ra) der Plattenoberflächen der Elektrodenplatten beträgt erfindungsgemäß höchstens 0,2 µm.
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Jeder der Abstandshalter ist eine Umfangsdichtung eines zwischen jeweils zwei benachbarten Elektrodenplatten ausgebildeten, mit dem Elektrolyt gefüllten Elektrolysekompartiments. In den Elektrolysekompartimenten findet an den Elektrodenplatten bei bestimmungsgemäßen Betrieb die Zersetzung des im Elektrolyt befindlichen Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff statt. Als Elektrolyt dient beispielsweise destilliertes Wasser; vorzugsweise wird eine zweiprozentige wässrige Kaliumhydroxidlösung verwendet.
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Jede der Elektrodenplatten weist mindestens einen Elektrodenplattendurchbruch auf, der den Durchfluss des Elektrolyten zwischen den Elektrolysekompartimenten gewährleistet.
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Um den Wasseranteil des Elektrolyten elektrolytisch zu spalten, ist die Elektrolysezelle in bekannter Weise an eine Gleichstromquelle angeschlossen, die die elektrische Energie zur Wasserelektrolyse bereitstellt. Die Elektrolysezelle kann mit einer im Kraftfahrzeugbetrieb üblichen Betriebsspannung von 12 V oder 24 V und einem Strom von 20 A betrieben werden.
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Die Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung für eine Verbrennungskraftmaschine weist neben dem Gasgenerator eine Gaszuführleitung zur Zuführung des Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine auf. Mittels eines Dosierventils, welches über eine Steuerungsvorrichtung gesteuert ist, ist der Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgasstrom durch die Gaszuführleitung regulierbar, d. h., ein im Ansaugtrakt strömendes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels der Steuervorrichtung und des Dosierventils mit dem Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas in einer vorgegebenen Menge pro Zeiteinheit (Gasrate) angereichert.
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Die elektrische Energie kann mittels eines an die Verbrennungskraftmaschine angeschlossenen Stromgenerators und/oder einer Batterie bzw. eines Akkumulator bereitgestellt werden.
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Ein Vorteil des offenbarten Gasgenerators ist, dass die Mischgaserzeugung mit hoher Konstanz bzw. nur geringfügen Schwankungen der Gasrate erfolgt. Infolge der baugleichen bzw. identischen Elektrolysekompartimenten herrschen sehr homogene Bedingungen innerhalb der Elektrolysezelle des Gasgenerators. Dies verhindert, dass es in bestimmten Bereichen zu Überhitzungen - gefolgt vom Einbruch der Gaserzeugung - kommt. Besonders vorteilhaft wirkt sich diese Konstanz der Gaserzeugung auf Unterschiede zwischen baugleichen Ausführungen der Gasgeneratoren aus: Offenbarungsgemäß hergestellte Gasgeneratoren zeigen kaum Bau- bzw. Chargenschwankungen.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung ist es möglich, Kraftstoffeinsparungen von 30 % bis 35 % zu erreichen. Durch die effizientere Verbrennung im Brennstoffraum einer Verbrennungskraftmaschine benötigt diese weniger originären Kraftstoff, um die gleiche Leistung bereitzustellen. Die Standardregler der Verbrennungskraftmaschinen drosseln bei Zugabe des Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases die Kraftstoffzufuhr, wodurch letztlich die Kraftstoffeinsparung (pro Zeiteinheit) erfolgt.
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Der Energiegewinn aus der effizienteren Verbrennung übersteigt erfahrungsgemäß den Energiebedarf eines an die Verbrennungskraftmaschine angeschlossenen Stromgenerators. Somit liegt eine positive Gesamtenergiebilanz bei Verwendung der Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung vor.
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Auch die Erhitzung der Verbrennungskraftmaschine wird verringert, sodass - insbesondere bei Landmaschinen - längere Betriebsdauern bei intensiver Nutzung der Verbrennungskraftmaschinen möglich sind.
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Die Anreicherung von Kraftstoff mit dem Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases senkt weiterhin den Anteil unverbrannten Kraftstoffs im Abgas der Verbrennungskraftmaschinen um bis zu 80 % und trägt somit - neben der Reduzierung der Abgasmenge an sich - zur Verringerung der Umweltbelastungen durch Verbrennungskraftmaschinen bei. Zudem wird - infolge der geringeren Erhitzung der Verbrennungskraftmaschine - auch der Stickoxidanteil (NOx) im Abgas der Verbrennungskraftmaschine vermindert.
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Ein weiterer positiver Effekt ist die Reinhaltung des Verbrennungsraumes. Verbrennungskraftmaschinen, die mit angereichertem Kraftstoff betrieben werden, zeigen weniger Ablagerungen von Verbrennungsrückständen (zum Beispiel Ruß). Dies verzögert die alters-/verschleißbedingte Degradation der Maschinenleistung.
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In einer Ausgestaltung weist der Stapel aus den Elektrodenplatten in der Elektrolysezelle des Gasgenerators mindestens eine Stapeleinheit mit einer anodisch gepolten Elektrodenplatte, einer kathodisch gepolten Elektrodenplatte und ein oder mehreren ungepolten Elektrodenplatten auf. Die ungepolten Elektrodenplatten sind zwischen den beiden gepolten Elektrodenplatten angeordnet. Vorteilhafterweise befinden sich zwischen den beiden gepolten Elektrodenplatten beim Anlegen einer Betriebsspannung von 12 V fünf ungepolte Elektrodenplatten und beim Anlegen einer Betriebsspannung von 24 V neun ungepolte Elektrodenplatten. Allgemein ist eine Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Elektrodenplatten von circa 2 V angestrebt.
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Die Elektrodenplattendurchbrüche können fluchtend, d. h. in einer Reihe oder Linie übereinander, im Stapel der Elektrodenplatten angeordnet sein. Alternativ sind auch versetzte Anordnungen der Elektrodenplattendurchbrüche benachbarter Elektrodenplatten möglich, die zum Beispiel eine mäandrierende oder wirbelartige Gas- bzw. Elektrolytströmung in der Elektrolysezelle bewirken.
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Bevorzugt weisen die Elektrodenplatten einen Elektrodenabstand von 1,0 mm auf.
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Ebenso bevorzugt beträgt die Plattendicke der Elektrodenplatten 1,0 mm.
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Ein geeigneter Werkstoff der Elektrodenplatten ist rostfreier Cr-Ni-Stahl.
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Die Oberflächenqualität ist durch Polieren der Plattenoberflächen erreichbar. Zudem sollten die Plattenränder der Elektrodenplatten entgratet sein.
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Als Abstandshalterwerkstoffe eignen sich Elastomere, insbesondere verstärkte Elastomere, die zum Beispiel eine Gewebeeinlage enthalten.
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In einer Ausgestaltung umfasst der Gasgenerator ferner einen zumindest teilweise mit dem Elektrolyt gefüllten Elektrolytbehälter. Die Elektrolysezelle weist eine Bodenplatte mit einem Bodendurchlass und eine Deckenplatte mit einem Deckendurchlass auf. Der Elektrolysebehälter ist über bzw. oberhalb der Deckenplatte der Elektrolysezelle angeordnet. Am Elektrolytbehälter sind eine Decken- und eine Bodenleitung angebracht, wobei die Deckenleitung mit dem Deckendurchlass der Elektrolysezelle und die Bodenleitung mit dem Bodendurchlass der Elektrolysezelle verbunden sind. Durch diese Ausführung wird erreicht, dass die Elektrolysezelle stetig mit Elektrolyt gespeist bzw. die Elektrolytfüllung in der Elektrolysezelle aufrechterhalten wird.
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Die Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung weist einen in der Gaszuführleitung integrierten bzw. zwischengeschalten Zwischenspeicherbehälter zum Verhindern eines Flüssigkeitsdurchflusses durch die Gaszuführleitung und zum Zwischenspeichern des erzeugten Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases auf. Gelangt der (flüssige) Elektrolyt in die Mischgasleitung, zum Beispiel indem der Elektrolyt infolge einer Kippbewegung oder einer Schrägstellungen der Vorrichtung den Eintritt zur Mischgasleitung im Elektrolysebehälter umspült, wird dieser in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angesaugt. Der in der Mischgasleitung zwischengeschaltete Zwischenspeicherbehälter unterbricht diesen Elektrolytfluss durch die Mischgasleitung; der angesaugte Elektrolyt sammelt sich im Zwischenspeicherbehälter und rinnt schwerkraftbedingt aus dem oberhalb des Elektrolytbehälters angeordneten Zwischenspeicherbehälter zurück in den Elektrolytbehälter.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:
- 1: die Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung mit Gasgenerator im Längsschnitt,
- 2: den Gasgenerator im Längsschnitt, und
- 3: den Gasgenerator im Querschnitt.
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Die Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung gemäß der 1 umfasst neben dem Gasgenerator mit der Elektrolysezelle 1 und dem Elektrolytbehälter 2, zudem die Mischgasleitung 22, den Zwischenspeicherbehälter 3, das Dosierventil 5 sowie die Steuervorrichtung 4.
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Die Elektrolysezelle 1 ist mit dem Elektrolytbehälter 2 mittels der Deckenleitung 20 und der Bodenleitung 21 verbunden, wobei die Deckenleitung 20 am Deckendurchlass 16 der Deckenplatte 14 und die Bodenleitung 21 am Bodendurchlass 17 der Bodenplatte 15 angebracht sind. Da der mit dem Elektrolyt 7 teilweise gefüllte Elektrolytbehälter 2 über bzw. oberhalb der Elektrolysezelle 1 positioniert ist, fließt der Elektrolyt 7 über die Deckenleitung 20 und die Bodenleitung 21 schwerkraftbedingt in die Elektrolysezelle 1. Die Elektrolysezelle 1 ist in diesem hydraulisch verbundenen System stets mit Elektrolyt 7 gefüllt, sofern ausreichend Elektrolyt 7 im Elektrolytbehälter 2 vorhanden ist.
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Der Elektrolyt 7 ist eine zweiprozentige Kaliumhydroxidlösung, die aus destilliertem Wasser und Kaliumhydroxid hergestellt wird. In der Elektrolysezelle 1 entsteht nach Anlegen einer elektrischen Spannung an die anodisch gepolten Elektrodenplatten 10.1 und die kathodisch gepolten Elektrodenplatten 10.2 durch die elektrolytische Zersetzung des Wassers im Elektrolyt 7 in Wasserstoff und Sauerstoff. Beide Gase treten als Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas 8 aus der Elektrolysezelle 1 über den Deckendurchlass 16 und die Deckenleitung 20 aus und gelangen in den Elektrolysebehälter 2, in dessen Deckenbereich sie sich sammeln.
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Das Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas 8 wird mittels der Mischgasleitung 22 aus dem Elektrolytbehälter 2 ausgeleitet. Über das Dosierventil 5 wird das Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas 8 in den Ansaugtrakt 6 der Verbrennungskraftmaschine zum Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 zugeben und vermengt sich mit diesem.
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Das Dosierventil 5 ist mit der Steuerungsvorrichtung 4 verbunden. Die Zugabemenge des Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgases 8 zum Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 wird - angepasst an die jeweilige Verbrennungskraftmaschine - mittels der Steuerungsvorrichtung 4 und des Dosierventils 5 reguliert.
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In der Mischgasleitung 22 ist der Zwischenspeicherbehälter 3 integriert, der das Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas 8 zwischenzeitlich auffängt. Bei Verwendung der Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung in oder an Kraftfahrzeugen verhindert der oberhalb des Elektrolytbehälters 2 angeordnete Zwischenspeicherbehälter 3, dass der Elektrolyt 7 zum Dosierventil 5 hin angesaugt wird und in den Ansaugtrakt 6 gelangt. Bei Kippbewegungen oder Schrägstellungen des Fahrzeuges kann es im Extremfall zum Übertritt des Elektrolyten 7 in den Zwischenspeicherbehälter 3 kommen; ein direktes Ansaugen des Elektrolyten 7 aus dem Elektrolytbehälter 2 in den Ansaugtrakt 6 wird durch die vom Zwischenspeicherbehälter 3 unterbrochene Mischgasleitung 22 unterbunden.
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Die Elektrolysezelle 1 weist - siehe 2. - zwischen der Deckenplatte 14 (mit dem Deckendurchlass 16) und der Bodenplatte 15 (mit dem Bodendurchlass 17) den Stapel aus den Elektrodenplatten 10 auf. Die Elektrodenplatten 10 sind mittels der als Umfangsdichtung ausgebildeten Abstandshalter 12 getrennt. Der Raum zwischen zwei benachbarten Elektrodenplatten 10, innerhalb der Umfangsdichtung, bildet jeweils eines der Elektrolysekompartimente 13.
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Die Elektrodenplatten 10 sind 1 mm dicke Cr-Ni-Stahlbleche mit polierter Plattenoberfläche; sie besitzen einen Elektrodenabstand S von 1 mm. Die Deckenplatte 14 und die Bodenplatte 15 bestehen aus Polyamid.
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Der durch die Deckenplatte 14 und die Bodenplatte 15 jeweils oben und unten abgeschlossene Stapel aus Elektrodenplatten 10 und Abstandshaltern 12 ist mittels der Befestigungselemente 18 in Form jeweils einer Gewindestange mit Muttern an beiden Gewindestangenenden verbunden. Jede Gewindestange ist mit einer isolierenden Schutzhülle (nicht dargestellt) umgeben. Durch diese Schraubverbindungen ist die Elektrolysezelle 1 als kompakte, zerlegbare Einheit aufgebaut.
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Die den Stapel der Elektrodenplatten 10 umschließende Umfangswandung 19 verhindert den Zugriff von außen.
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Jede der Elektrodenplatten 10 besitzt jeweils zwei Elektrodenplattendurchbrüche 11, die jeweils in einer Linie im Stapel übereinander (fluchtend) angeordnet sind (in 2 als gepunktete Linien dargestellt).
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Der Elektrolyt 7 (nicht dargestellt in 2) gelangt entweder über den Deckendurchlass 16 oder den Bodendurchlass 17 und anschließend die Elektrodenplattendurchbrüche 11 in jedes der Elektrolysekompartimente 13.
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Die Elektrodenplatten 10 unterteilen sich in die anodisch gepolten Elektrodenplatten 10.1, die kathodisch gepolten Elektrodenplatten 10.2 sowie die ungepolten Elektrodenplatten 10.3. Im Stapel der Elektrodenplatten 10 bilden diese mehrere Stapeleinheiten, die jeweils eine anodisch gepolte Elektrodenplatte 10.1, eine kathodisch gepolte Elektrodenplatte 10.2 und fünf dazwischen angeordnete, ungepolte Elektrodenplatten 10.3 umfassen.
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Die elektrische Kontaktierung mit Gleichstrom erfolgt über die seitlich aus dem Stapel herausragenden Anschlüsse der gepolten Elektrodenplatten 10.1, 10.2. Als Gleichstromquellen sind beispielweise Batterien, Akkumulatoren oder Stromgeneratoren verwendbar. Die in 2 dargestellte Elektrolysezelle 1 ist für eine Betriebsspannung von 12 V ausgelegt.
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Die Draufsichtdarstellung der Elektrolysezelle 1 gemäß 3 entspricht hinsichtlich der Bezugszeichen denen der 2. Die Elektrodenplatten 10 besitzen eine quadratische Grundform; die gepolten Elektrodenplatten 10.1, 10.2 weisen zudem seitlich herausragende Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf. Die den Stapel der Elektrodenplatten 10 umgebende Umfangswandung 19 ist im Bereich dieser Anschlüsse unterbrochen, wobei statt der Umfangswandung 19 eine (nicht bezeichnete) Abdeckkappe aufgebracht ist.
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Die äußere Kontur der Abstandshalter 12 entspricht der Form der Elektrodenplatten 10; sie liegen vollumfänglich im Randbereich der Elektrodenplatten 10 auf.
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Die zwei kreisförmigen Elektrodenplattendurchbrüche 11 sind beabstandet zueinander auf der Diagonalen der quadratischen Elektrodenplatte 10 angeordnet.
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Zur gleichmäßigen Arretierung der (nicht dargestellten) Deckenplatte 14, der Bodenplatte 15 und der dazwischen angeordneten Elektrodenplatten 10 und Abstandshalter 12 dienen die acht umfänglich verteilten Befestigungselemente 18.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrolysezelle
- 2
- Elektrolytbehälter
- 3
- Zwischenspeicherbehälter
- 4
- Steuerungsvorrichtung
- 5
- Dosierventil
- 6
- Ansaugtrack einer Verbrennungskraftmaschine
- 7
- Elektrolyt
- 8
- Wasserstoff-Sauerstoff-Mischgas
- 9
- Kraftstoff-Luft-Gemisch
- 10
- Elektrodenplatte
- 10.1
- Elektrodenplatte, anodisch gepolt
- 10.2
- Elektrodenplatte, kathodisch gepolt
- 10.3
- Elektrodenplatte, ungepolt
- 11
- Elektrodenplattendurchbruch
- 12
- Abstandshalter
- 13
- Elektrolysekompartiment
- 14
- Deckenplatte
- 15
- Bodenplatte
- 16
- Deckendurchlass
- 17
- Bodendurchlass
- 18
- Befestigungselemente
- 19
- Umfangswandung
- 20
- Deckenleitung
- 21
- Bodenleitung
- 22
- Mischgasleitung
- S
- Elektrodenabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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