DE2346839A1 - Wasserzersetzer zur erzeugung von knallgas - Google Patents
Wasserzersetzer zur erzeugung von knallgasInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, der mehrere aneinanderangrenzende
Elektrolysezellen aufweist, d.h. einen Elektrolyseapparat zur Erzeugung von Knallgas .
Die heutige Technik kennt eine grosse Zahl von Elektrolyseanlagen, welche normalerweise jedoch alle als Grosselektrolyseanlagen
ausgebildet sind. Solche Anlagen sind als sog. MehrZeilenanlagen ausgebildet, wobei hierzu ein hoher
technischer Aufwand notwendig ist. Zu den Anlagen gehören normalerweise Laugenpumpen, Ent mi schungs ge fasste für den ElektiöLytschaum
und zudem längere Rohrleitungen für jede Elektrolysezelle, damit die Streuströme klein gehalten werden können.
Solche Anlagen sind sehr aufwendig, schwer und teuer.
Für die Erzeugung von Knallgas sind auch kleinere Anlagen bekannt, welche transportabel, einfach im Aufbau
und relativ billig sind. Solche Apparaturen sind jedoch bis heute als einzellige Geräte ausgebildet. Es sind dabei hohe
Ströme erforderlich, und damit entstehen in den bekannten WR/st - 1 - 28 609
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Gleichrichtern hohe Verlustwärmen, da die Elektrolysespannung
etwa der Gleichrichterspannung entspricht. Durch die hohen
Ströme werden aber die Gaserzeugungsmengen der einzelligen Apparate limitiert.
Um auch hier grössere Leistungen zu erbringen,
müssten also ebenfalls mehrzellige Apparate zur Verfügung stehen
da bei gleichbleibendem Strom die erzeugte Gasmenge um das Vielfache der Zellenzahl erhöht wird.
Wie bereits weiter oben erwähnt, bedingen jedoch solche mehrzellige Anlagen einen sehr hohen technischen
Aufwand, wobei gegenüber den Grosselektrolyseanlagen für die Herstellung von Knallgas einzig das bekannte Diaphragma zur Gastrennung
wegfallen kann.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine mehrzellige Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von
Knallgas zu schaffen, d.h. einen Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, welcher aus wirtschaftlichen Gründen mehrere
aneinander angrenzende Elektrolysezellen aufweisen soll.
Gemäss der Erfindung zeichnet sich ein solcher
Wasserzersetzer nun dadurch aus, dass die Zellen als oben offene Gefässe ausgebildet sind und in den oberen Teil einer sie
umgebenden, gemeinsamen Kammer auf verschiedenen Höhen münden, und dass die Zelle mit der höchstliegenden Mündung über eine
Oeffnung in ihrem Boden mit dem unteren Teil der genannten Kammer kommuniziert.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind dabei die Elektroden mit Ausnahme wenigstens einer
ersten und einer letzten Endelektrode jeweils zwischen je zwei aneinander angrenzenden Zellen als Trennwände zwischen den betreffenden
Zellenräumen vorgesehen, wobei die oberen Mündungen der Zellen durch die oberen Ränder der Elektroden gebildet sind.
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Die Elektroden sind dabei vorteilhaft in ein gemeinsames, oben offenes Gehäuse aus isolierendem Material eingebettet.
Die genannten Elektroden können Piattenelektroden sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die
Elektroden zylinderförmig auszubilden und koaxial anzuordnen,
wobei das Haltegehäuse für die Elektroden ebenfalls einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen kann, und die Zelle mit der höchstliegenden Mündung in der Mitte angeordnet sein sollte.
Bei dieser Ausführungsform nehmen vorteilhaft die radialen Abstände zwischen den Elektroden nach aussen ab.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine automatische Niveauregulierung des Elektrolytspiegels
in der genannten Kammer, d.h. im Laugentank zu erhalten, ohne dabei auf die Verwendung von elektrischen Sonden oder
Schaugläsern angewiesen zu sein. Dies wird erfindungsgemass
dadurch realisiert, dass die Kammer, bzw. der Laugentank mit einem Ausgleichstank kommuniziert, und die Gasauslassöffnung
des Laugentankes mit einem Auslassventil versehen ist.
Dies gewährleistet eine automatische und einfache Niveauregulierung des Elektrolytspiegels. Die für solche
Niveauregulierungen oft verwendeten elektrischen Sonden können bei einer Apparatur zur Knallgaserzeugung nicht angewendet
werden, da bereits geringste Funken das hochexplosive Knallgas entzünden könnten. Die ebenfalls bekannten Schauglaser
haben den Nachteil, dass sie einerseits bersten können, oder dann durch Ablagerungen auf der Innenseite des Glases unbrauchbar
werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
noch etwas näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 eine rein schematische Darstellung eines Wasserzersetzers gemäss der Erfindung;
Fig. 2 ebenfalls rein schematisch eine Variante der Elektrolysezellen bei einem Gerät nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Ausschnitt , in rein schematischer
Darstellung, des unteren Abschnittes der mit dem Elektrolyt kommunizierenden Zelle;
Fig. 4 eine weitere Variante der Anordnung der Elektrolysezellen;
Fig. 5 einen Anschnitt aus einer Variante des Gerätes nach Fig. 1, mit Kühlschlange für den Elektrolyten,
und
Fig. 6 ein mehrzelliges Elektrolysegerät mit einer Einrichtung zur Regulierung der Höhe des Elektrolytspiegels
im Laugentank, mit zugehörigem Arbeitsdiagramm.
Figur 1 der Zeichnung zeigt in rein schematischer Weise den prinzipiellen Aufbau eines Wasserzersetzers
nach der Erfindung, d.h. eines mehrzelligen Elektrolysegerätes zur Erzeugung von Knallgas durch die bekannte Elektrolyse
von Wasser.
Das Gerät besteht aus einem Laugentank 1, welcher eine bestimmte Menge Elektrolyt 2 enthält. Im Tank 1
selbst sind die Elektroden 3-9 angeordnet, wobei diese beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus Plattenelektroden bestehen.
Die einzelnen Elektroden 3-9 sind in einem
oben offenen Gehäuse 10 aus isolierendem Material, z.B. Hartgummi,
Kunststoff usw. gehalten, wobei zwischen den Plattenelektroden sog. Elektrolysezellen 11-16 gebildet werden, welche
oben offen sind. Die beiden äussersten Elektroden 3 bzw. sind an die beiden Pole einer Gleichstrom- bzw. -spannungsquel-Ie
angeschlossen, wobei die elektrischen Zuführungen 17, bzw. 18 von oben durch den Deckel des Laugentankes 1 und vom Elektrolyten
2 isoliert an die Elektroden gelangen.
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Im Deckel des Laugentanks 1 sind zudem ein Gasauslass 19 sowie ein Einfüllstutzen 20. für Elektrolyt vorgesehen.
Dieser Einfüllstutzen 20 befindet sich oberhalb der höchsten Zelle 15, welche nicht mit dem Tankinhalt (Elektrolytbad 2)
kommuniziert.
Das Besondere bei der Konstruktion des Gerätes nach der Figur 1 liegt nun in der Ausbildung der Elektrolysezellen.
Wie bereits erwähnt, sind die Zellen 11-16 am oberen Ende offen und münden in den Tank 1. Diese freien Ausmündungen
liegen bei den verschiedenen Zellen auf verschiedenen Höhen (Niveaus). Die Zelle 16 weist dabei die grösste Höhe auf, wobei
die Höhe bzw. Ausmündung durch die oberen Ränder der diese Zelle begrenzenden Elektrodenplatten 8,9 bestimmt ist. Die benachbarte
Zelle 15 weist eine etwas geringere Höhe auf (bestimmt durch den oberen Rand der Elektrodenplatte 7), die Zelle 14
eine geringere Höhe als Zelle 15 usw., wobei die Verminderung der Höhe wie gezeigt, stufenartig erfolgt.
Die höchste Zelle 16 kommuniziert über eine
oder mehrere Oeffnungen 21 im Boden mit dem Tank 1, so dass diese Zelle 16 automatisch Elektrolyt aus dem Tank erhält.
Die übrigen Zellen 11-15 werden zuerst gefüllt, und während dem Betrieb, d.h. während dem Elcktrolysevorgang
wird sich bildender Schaum von der Zelle 16 aus, bzw. den anderen Zellen in die benachbarten, tiefer liegenden Zellen abgegeben
und so einen einwandfreien Betrieb des ganzen Gerätes gewährleisten. Die obere Seitenbegrenzung des isolierenden Gehäuses
10 muss höher liegen als das Niveau der einzelnen Kammern 11-16,damit der in jeder Kammer entstehende Elektrolytschaum
gezwungen wird in die benachbarte niedrigere Kammer abzulaufen und nicht direkt in das Elektrolytbad 2. Die niedrigste
Kammer 11 muss einen Ueberlauf haben, damit der Elektrolytschaum schliesslich wieder ins Bad 2 gelangen kann. Ein Rückstau
würde ansonsten Zellen 11 mit 12 und so fort mit flüssigem Elektrolyt überfluten und ausser Funktion setzen. Es ist nicht
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möglich, dass eine der Zellen "austrocknet", da eine Zufuhr von
Elektrolyt wenigstens in Form von Schaum immer erfolgt. Da Elektrolyt in Schaumform bekanntlich einen niedrigeren elektrischen
Leitwert hat, als flüssiger Elektrolyt, ergeben sich durch den schaumförmigen Elektrolyt nur geringe Streuströme. Somit herrschen
immer optimale Betriebsverhältnisse.
Wie bereits erwähnt, werden die Zellen 11-15 mit
Elektrolyt aufgefüllt, und zwar über den über der höchsten Zelle 15 liegenden Einfüllstutzen 20.
Figur 2 der Zeichnung zeigt eine Variante der Zellenanordnung, wobei beidseitig einer zentralen Zelle 22
weitere Zellen 23,23' mit gleichem Höhenunterschied zur zentralen Zelle 22, dann Zellen 24,24' usw. angeordnet werden können.
Bei dieser Ausführung erhält man verglichen mit dem Gerät nach Fig. 1 eine doppelte Zellenzahl bei gleicher Höhendifferenz
und somit eine noch bessere Ausnutzung der Laugenkammerhöhe.
Figur 3 zeigt, wie der untere Teil der höchsten
Zelle, der sog. "SchaumpumpzeHe", zweckmässig ausgebildet wird.
Die Zelle 25 kommuniziert durch die Bodenöffnung 26 im Gehäuse 27 mit dem Elektrolytbad 28 im Laugen tank. Dank den gezeigten
Zusatzöffnungen 29 ist ein besonders guter Elektrolytnachfluss
gewährleistet, d.h. der untere Teil der Zelle 25 bleibt immer gut elektrisch leitend, was zur Folge hat, dass auch bei hoher
Leistung durch die "Schaumpumpzelle" 25 keine nennenswerte Strombegrenzung
erfolgt. Der Elektrodenabstand e der Schaumpumpzelle
wird genügend klein gemacht, so dass das in der Zelle 25 entstehende Gas beim Hochperlen genügend flüssigen Elektrolyt mitreisst,
verschäumt und die gewünschte Schaumpumpwirkung entfaltet.
Figur 4 zeigt zylindrisch angeordnete Elektrolysezellen, wobei ausser der mit dem Elektrolytbad kommunizierenden
Zelle 30 noch konzentrische Zellen 31-33 vorgesehen sind. Zu erwähnen wäre noch, dass wegen der zunehmenden Durchtrittsfläche
für den Elektrolyten die radialen Elektrodenabstände e, , e» und e, nach aussen kleiner werden können.
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Figur 5 zeigt ein Elektrolysegerät, bei welchem die Elektrolytschaum-Pumpzelle 34 als Umwälzpumpe für den Elektrolyten
zwecks Kühlung verwendet ist. Dazu erfolgt die Verbindung zwischen der Zelle 34 und dem Elektrolytbad 35 über
eine Leitung 36, in welche eine Kühlschlange 37 eingebaut ist. Wenn erforderlich, oder zweckmässig, kann die Kühlschlange 37
von Kühlluft angeblasen werden. .
Figur 6 der Zeichnung zeigt ein Elektrolysegerät mit Laugentank 38, einer Mehrzahl von Elektroden 39, sowie
einer automatisch arbeitenden Reguliervorrichtung 40 für die Höhe des Elektrolytspiegels im Tank.
Die Elektroden 39 sind dabei in bekannter Weise als Plattenelektroden ausgebildet und über entsprechende elektrische
Zuführungen 41,42 an eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Da vom Elektrolyten überflutete
Zellen ausser Funktion sind, ist es besonders wichtig, die Höhe des Elektrolytspiegels h im Tank 38 zu regulieren.
Aus Gründen der Betriebssicherheit ist es besonders bei der Erzeugung von Knallgas nicht angebracht, eine
Niveaukontrolle mittels elektrischer Sonden oder Schaugläser durchzuführen.
Die Regulierung kann mit der gezeigten Einrichtung automatisch erfolgen. Der Tank 38 ist dicht verschlossen
und mit einem druckfest verschliessbaren Elektrolyteinfüllstutzen 43 versehen. Ferner ist eine Gasauslassleitung 44 mit
Gasauslassventil 45 vorhanden. Neben dem Laugentank 38 ist ein Ausgleichstank (Ausgleichsgefäss) 46 angeordnet, wobei die
beiden Gefässe über die Leitung 47 miteinander kommunizieren. Die Leitung 47 enthält ein Ventil 48.
Die Speisespannung U ist abhängig von der Zahl
sp
der arbeitenden Elektroden, bzw. Elektrolysezellen (von Elektrolyt
überflutete Zellen arbeiten nicht!), d.h. von Niveau h des Elektrolyten im Tank 38.
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Aus dem Arbeitsschema (rechte Seite von Fig. 6) geht hervor, dass bei maximaler Speisespannung U das Ventil
45 (V1) öffnet, um Gas abzulassen. Gleichzeitig schliesst aber
das Elektrolytausgleichsventil 48 (V-)· Die Anlage kann normal
arbeiten.
Bei einer Erstfüllung des Tanks 38 mit Elektrolyt kann der Elektrolytspiegel h im Tank höher sein, als die
niedrigsten Zellen, so dass diese überflutet sind. Dadurch wird jedoch die an den Elektroden wirksame Speisespannung belastet
und nimmt bei entsprechend gewähltem Quellenwiderstand der Speisespannung squel Ie einen niedrigeren Wert an, der etwa der Anzahl
nicht überschwemmter Zellen (also funktionstüchtiger Zellen) multipliziert mit der charakteristischen Elektrolysespannung
einer einzelnen Zelle entspricht. Ventil 45(V-) bleibt geschlossen und Ventil 48 (V2) ist offen. Das aus den funktionstüchtigen Zellen
entstehende Gas kann nicht entweichen und drückt daher den Elektrolyt über die Leitung 47 in den Ausgleichstank 46. Dadurch
werden überschwemmende Zellen normalisiert, die Spannung steigt etwa stufenweise an, bis die volle Spannung erreicht wird.
Jetzt öffnet Ventil 45 (V1) und Ventil 48 (V2) schliesst. Der
unter Gasdruck stehende Elektrolyt im Ausgleichstank 46 kann nicht mehr zurückfliessen und die Zellen überfluten. Der Gasgenerator
hat die normale volle Funktion erreicht.
Wird der Gasgenerator ausser Betrieb gesetzt,
so öffnet Ventil 48 (V2) und Ventil 45 (V1) schliesst. Da Ventile
wohl nie 1001 dicht schliessen, wird aus Tank 38 nach und nach Gas entweichen und Elektrolyt aus dem Ausgleichstank 46
in Tank 38 zurückfliessen und damit verbrauchter Elektrolyt wieder ergänzen.
Das Niveau a der Oeffnung von Leitung 47 im Tank 38 wird vorteilhaft um ein geringes weniger, als das
Niveau der niedrigsten Elektrolysezelle angesetzt. Damit wird bei einem eventuellen Defekt der elektrischen Ventilsteuerung
verhindert, dass mehr als die notwendige Menge Elektrolyt in
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den Ausgleichstank gedrückt wird.
Die Stellung der Ventilsteuerung kann über
optische Anzeigelampen erfolgen und zeigt dann an, ob die Gesamtmenge
an Elektrolyt unter das "Ueberschwemmungsniveau" gesunken ist.
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Claims (14)
1. Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, der mehrere aneinander angrenzende Elektrolysezellen aufweist,
dadui'ch-gekennzeichnet, dass die Zellen in einer gemeinsamen
Kammer als oben offene Gefässe mit auf verschiedenen Höhen liegenden Ausmündungen ausgebildet sind und dabei jede Zelle in
die angrenzende tiefer liegende Zelle mündet, und dass die Zelle mit der höchstliegenden Mündung über eine Oeffnung in
ihrem Boden mit dem unteren Teil der genannten gemeinsamen Kammer kommuniziert.
2. Wasser zersetzer nach Anspruch. 1, bei welchem die Elektroden mit Ausnahme von mindestens einer ersten und
einer letzten Endelektrode jeweils zwischen je zwei aneinanderangrenzenden Zellen als Trennwand zwischen den betreffenden
Zellenräumen dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mündungen der Zellen durch die oberen Ränder der Elektroden gebildet
sind. ■
3. Wasser zersetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in einem gemeinsamen, oben
offenen Gehäuse aus isolierendem Material eingebettet sind.
4. Wasser zersetzer nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektroden flach und rechteckig sind und parallel zueinander im offenen Gehäuse aus isolierendem
Material angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen rechteckigen horizontalen Querschnitt aufweist.
5. Wasserzersetzer nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Reihe von Elektroden vorgesehen ist, deren obere Ränder von einem niedrigstliegenden oberen Rand
einer ersten Endelektrode an bis zu einem höchstliegenden oberen Rand einer letzten Endelektrode der Reihe nach immer
höher liegen, wobei die erste Endelektrode an der inneren Oberfläche einer ersten Seitenwand des Gehäuses angrenzt und
der obere Rand dieser Seitenwand auf der gleichen Höhe wie derjenige der angrenzenden Elektrode liegt.
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6. Wasserzersetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Reihen von Elektroden vorgesehen sind, welche beidseitig einer senkrechten Mittelebene spiegelbildlich
angeordnet sind, und dadurch, dass der Zellenraum der Zelle mit der höchst liegenden Mündung zwischen den beiden Reihen gebildet
ist.
7. Wasserzersetzer nach Anspruch 5, bei welchem die letzte Endelektrode an der inneren Oberfläche einer der
ersten Seitenwand gegenüberliegenden zweiten Seitenwand des Gehäuses angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass durch den unteren
Teil der letzten Elektrode sowie durch den unteren Teil der zweiten Seitenwand hindurchgehende Zusatzöffnungen vorgesehen
sind.
8. Wasserzersetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden zylinderförmig sind und koaxial angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen kreisförmigen
horizontalen Querschnitt aufweist,
und dadurch, dass die Zelle mit der höchstliegenden Mündung in der Mitte vorgesehen ist.
9. Wasserzersetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die radialen Abstände zwischen den Elektroden nach aussen abnehmen.
10. Wasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnung im Boden der Zelle mit der
höchstliegenden Mündung über ein ausserhalb der genannten Kammer befindliches Kühlelement mit dieser Kammer kommuniziert.
11. Wasserzersetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement eine luft- oder wassergekühlte
Kühlschlange ist.
12. Wasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kammer durch die inneren Oberflächen der Wände eines geschlossenen Laugentanks gebildet ist, und
dadurch, dass in der oberen Wand dieses Laugentanks zwei Stromdurchführungen sowie eine sich zweckmässigerweise oberhalb der
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Zelle mit der zweithöchstliegenden Mündung befindliche Nachfüllöffnung
und eine Gasauslassöffnung vorgesehen sind.
13. Wasserzersetzer nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der Laugentank mit einem Ausgleichstank kommuniziert und die Gasauslassöffnung des Laugentanks mit
einem Auslassventil versehen ist, während die Ausgleichsleitung mit einem Ventil versehen ist.
14. Wasserzersetzer nach Anspruch 1, bestehend aus einem Laugentank, in diesem untergebrachten, Elektrolysezellen
bildenden Elektroden und einer Einrichtung zur Regulierung der Höhe des Elektrolytspiegels im Tank, dadurch gekennzeichnet,
dass der Tank dicht verschliessbar und mit einem Ausgleichstank verbunden ist, wobei der Laugentank mit einem Auslassventil
versehen ist, und die Ausgleichsleitung ein Ventil aufweist.
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