DE2346839C3 - Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas - Google Patents

Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, der mehrere aneinander angrenzende Elektrolysezellen aufweist,
d. h. einen Elektrolyseapparat zur i£i"zeugung von Knallgas.
Die heutige Technik kennt eine große Zahl von Elektrolyseanlagen, welche normalerweise jedoch alle als Großelektrolyseanlagen ausgebildet sind. Solche Anlagen sind als sog. Mehrzellenanlagen ausgebildet, wobei hierzu ein hoher technischer Aufwand notwendig ist. Zu den Anlagen gehören normalerweise Laugenpumpen, Entmischungsgefäße für den Elektrolytschaum und zudem längere Rohrleitungen für jede Elektrolyse zelle, 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 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 Zeilenzahl erhöht wird.
Nach der DE-OS 22 02 739 ist ein Gasgenerator.
insbesondere for Hartlot- und Sehweißgeräte mit durch einen Elektrolyt elektrisch verbundenen Elektroden vorgeschlagen worden, bei dem eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Elektrodenplatten vorgesehen sind, wobei von dieser Plattenreihe die erste und die letzte an eine elektrische Energiequelle anschließbar sind, während zwei aufeinanderfolgende Elektroden jeweils durch den sich zwischen diesen befindlichen Elektrolyt elektrisch verbunden sind, wogegen die durch jeweils zwei aufeinanderfolgende plattenförmige Elek- ι ο troden definierten Zwischenräume untereinander kommunizieren, um ein gemeinsames Auffüllen der Zwischenräume mit Elektrolyt und eine gemeinsame Entnahme der bei fließendem Strom an den Elektroden erzeugten Gase zu ermöglichen. Mit diesem Gasgenerator soll eine einfache, leichte und kostensparende Vorrichtung zur Erzeugung von Gasen, insbesondere für Hartlot- und Schweißgeräte geschaffen sein.
Wie bereits weiter oben erwähnt, bedingen jedoch solche mehrzellige Anlagen einen sehr hohen technisehen Aufwand, wobei gegenüber den Großelektrolyseanlagen für die Herstellung von Knallgas einzig das bekannte Diaphragma zur Gastrennung wegfallen kann.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es somh, eine mehrzellige Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Knallgas zu schaffen, d.h. einen Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, welcher aus wirtschaftlichen Gründen mehrere aneinander angrenzende Elektrolysezeilen 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 Öffnung 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. Die Elektroden sind dabei vorteilhaft in ein gemeinsames, oben offenes Gehäuse aus isolierendem Material eingebettet Die genannten Elektroden können Plattenelektroden sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Elektroden zylinderförmig auszubilden und koaxial anzuord- so nen, 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 r> 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 erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß die Kammer, bzw. der Laugentank mit einem Ausgleichstank kommuniziert, und die Gasauslaßöffnung des Laugentankes mit einem Auslaßventil f» versehen ist.
Dies gewährleistet eine automatische und einfache Niveauregulierung des Elektfolytspiegels. Die für solche Niveauregulierungen oft verwendeten elektrischen Sonden können bei einer Apparatur zur Krmllgaserzeugung nicht angewendet werden, da bereits geringste Funken das hochexplosive Knallgas entzünden könnten. Die ebenfalls bekannten Schaugläser 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
F i g. I 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 Elektrolyseztllen;
F i g. 5 einen Anschnitt aus einer Variante des Gerätes nach F i g. 1, mit Kühlschlange für den Elekuolyten, und
Fig.6 ein mehrzelliges Elektrolysegerät mit einer Einrichtung zur Regulierung der Höhe des Elektrolytspiegels im Laugentank, mit zugehörigem Arbeitsdiagramm.
F i g. 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. 9 sind an die beiden Pole einer Gleichstrom- bzw. -Spannungsquelle 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.
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 Fig.] liegt nun in der Ausbildung der Elektrolysezelle^ Wie bereits erwähnt, sind die Zellen 11 —16 am oberen Ende offen und münden in den Tar.k 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. Ausmüfidung 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 Öffnungen 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 Elektrolyscvorgang 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 M —16, damit der in jeder Kammer entstehende Elcktrolytschaum gezwungen wird in die benachbarte niedrigere Kammer abzulaufen und nicht direkt in das Elcktrolytbad 2. Die niedrigste Kammer 11 muß einen Überlauf haben, damit der Elektrolytschaum schließlich wieder ins Bad 2 gelangen kann. Ein Rückstau würde ansonsten Zellen Il mit 12 und so fort mit flüssigem Elektrolyt überfluten und außer Funktion setzen. Es ist nicht möglich, daß eine der Zellen »austrocknet«, da eiiic Zufuhr von Eiekiroiyi wenigstens in Form von Schaum immer erfolgt. Da Elektrolyt in Schäumform 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 höchstens Zelle 15 liegenden Einfüllstutzen 20.
F i g. 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. I eine doppelte Zeilenzahl bei gleicher Höhendifferenz und somit eine noch bessere Ausnutzung der Laugenkammerhöhe.
Fig.3 zeigt, wie der untere Teil der höchsten Zelle, der sog. »Schaumpumpzelle«, zweckmäßig ausgebildet wird. Die Zelle 25 kommuniziert durch die Bodenöffnung 26 im Gehäuse 27 mit dem Elektrolytbad 28 im Laugentank. Dank den gezeigten Zusatzöffnungen 29 ist ein besonder?; piilpr Flpktrnlvtnarhfltiii orpu/ährlpictpt 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 25 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.
F i g. 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 ei, ei und d nach außen kleiner werden können.
Fig.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.
F i g. 6 der Zeichnung zeigt ein Elektrolysegerät mit Laugentank 38, einer Mehrzahl von Elektroden 39, sowie einer automatisch arbeitenden Reguliervorrich tung 40 für die Höhe des Elektrolytspiegels im Tank.
Die Elektroden 39 sind dabei in bekannter Weise al; Plattenelektroden ausgebildet und über entsprechend! r, elektrische Zuführungen 41, 42 an eine Gleichspan nungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Da vorr Elektrolyten überflutete Zellen außer Funktion sind, is es besonders wichtig, die Höhe des Elektrolytspiegels / im Tank 38 zu regulieren.
to Aus Gründen der Betriebssicherheit ist es besonder bei der Erzeugung von Knallgas nicht angebracht, ein« Niveaukontrolle mittels elektrischer Sonden ode Schaugläser durchzuführen.
Die Regulierung kann mit der gezeigten Einrichtun( automatisch erfolgen. Der Tank 38 ist dicht verschlosset und mit einem druckfest verschließbaren Elektrolytein füllstutzen 43 versehen. Ferner ist eine Gasauslaßleilunj 44 mit Gasauslaßventil 45 vorhanden. Neben den Lauguniank 38 ist ein AuSglciCnSiaük (AuSgiciOnsgcidu 46 angeordnet, wobei die beiden Gefäße über di< Leitung 47 miteinander kommunizieren. Die Leitung 4', enthält ein Ventil 48.
Die Speisespannung Usp ist abhängig von der Zahl de arbeitenden Elektroden, bzw. Elektrolysezellen (voi
?> Elektrolyt überflutete Zellen arbeiten nicht!), d.h. voi Niveau hdes Elektrolyten imTank38.
Aus dem Arbeitsschema (rechte Seite von Fig.6 geht her\ or, daß bei maximaler Speisespannung U,p da: Ventil 45 ^V1) öffnet, um Gas abzulassen. Gleichzeitij
jn schließt aber das Elektrolytausgleichsventil 48 (V2). Di< Anlage kann normal arbeiten.
Bei einer Erstfüllung des Tanks 38 mit Elektrolyt kam der Elektrolytspiegel h im Tank höher sein, als di< niedrigsten Zellen, so daß diese überflutet sind. Dadurcl wird jedoch die an den Elektroden wirksame Speise spannung belastet und nimmt bei entspreche™ gewähltem Quellenwiderstand der Speisespannungs quelle einen niedrigeren Wert an, der etwa der Anzah nicht überschwemmter Zellen (also funktionstüchtige Zellen) multipliziert mit der charakteristischen Elektro lysespannung einer einzelnen Zelle entspricht. Ventil 4f /V.) hlpiht gpsrhlnwn und Ventil 48 (V,) ist offen. Da: aus den funktionstüchtigen Zellen entstehende Ga: kann nicht entweichen und drückt daher den Elektroly über die Leitung 47 in den Ausgleichstank 46. Dadurcl werden überschwemmende Zellen normalisiert, di< Spannung steigt etwa stufenweise an, bis die volU Spannung erreicht wird. Jetzt öffnet Ventil 45 (V\) unc Ventil 48 (V2) schließt. Der unter Gasdruck stehend< Elektrolyt im Ausgleichstank 46 kann nicht meh zurückfließen und die Zeilen überfluten. Der Gas^ene rator hat die normale volle Funktion erreicht.
Wird der Gasgenerator außer Betrieb gesetzt, s< öffnet Ventil 48 (V2) und Ventil 45 (V1) schließt. D; Ventile wohl nie 100% dicht schließen, wird aus Tank 31 nach und nach Gas entweichen und Elektrolyt aus den Ausgleichstank 46 in Tank 38 zurückfließen und dami verbrauchter Elektrolyt wieder ergänzen.
Das Niveau a der Öffnung von Leitung 47 im Tank 31 wird vorteilhaft um ein geringes weniger, als das Niveai der niedrigsten Elektrolysezelle angesetzt Damit win bei einem eventuellen Defekt der elektrischen Ventil steuerung verhindert daß mehr als die notwendigi IVf enge Elektrolyt in den Ausgleichstank gedruckt wird.
Die Stellung der Ventilsteuerung kann über optischi Anzeigelampen erfolgen und zeigt dann an, ob dii Gesamtmenge an Elektrolyt unter das »Oberschwem mungsniveau« gesunken ist
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche;
1. Wasserzersetzer zur Erzeugung von Knallgas, der mehrere aneinander angrenzende Elektrolysezellen aufweist, wobei die Zellen in einer gemeinsamen Kammer als oben offene Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (11 bis 16) mit auf verschiedenen Höhen liegenden Ausmündungen versehen sind und dabei jede Zelle in die angrenzende tiefer liegende Zelle mündet, und daß die Zelle (16) mit der höchstliegenden Mündung über eine öffnung (21) in ihrem Boden mit dem unteren Teil der genannten gemeinsamen Kammer (1) kommuniziert.
2. Wasserzersetzer nach Anspruch 1, bei welchem die Elektroden mit Ausnahme von mindestens einer ersten und einer letzten Endelektrode jeweils zwischen je zwei aneinandergrenzenden Zellen als Trennwand zwischen den betreffenden Zellenräumen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mündungen der Zellen (11 bis 16) durch die oberen Ränder der Elektroden (3 bis 9) gebildet sind.
3. Wasserzersetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3 bis 9) in einem gemeinsamen, oben offenen Gehäuse (10) aus isolierendem Material eingebettet sind.
4. Wasserzersetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3 bis 9) flach und rechteckig sind und parallel zueinander im offenen Gehäuse (10) aus isolierendem Material angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen rechtekkigen horizontalen Querschnitt ai-:fweist.
5. Wasserzersetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reifte vr>p Elektroden (3 bis 9) vorgesehen ist, deren obere Ränder von einem niedrigstliegenden oberen Rand einer ersten Endelektrode (3) an bis zu einem höchstliegenden oberen Rand einer letzten Endelektrode (9) der Reihe nach immer höher liegen, wobei die erste Endelektrode (3) an der inneren Oberfläche einer ersten Seitenwand des Gehäuses (10) angrenzt und der obere Rand dieser Seitenwand auf der gleichen Höhe wie derjenige der angrenzenden Elektrode (3) liegt.
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 (22) mit der höchstliegenden 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 (29) 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 (30) mit der höchstliegenden Mündung in der Mitte vorgesehen ist.
9. Wasserzersetzer nach Anspruch 8. dadurch
f ,ennzeichnet, daß die radialen Abstände zwischen - .·π Elektroden nach außen abnehmen,
10. Wasserzersetzer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung im Boden der Zelle mit der höchstliegenden Mündung über ein außerhalb der genannten Kammer befindliches Kühlelcment mit dieser Kammer kommuniziert
11. Wasserzersetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement eine Tuft- oder wassergekühlte Kühlschlange (37) ist
12. Wasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch die inneren Oberflächen der Wände eines geschlossenen Laugentanks (38) gebildet ist, und dadurch, daß in der oberen Wand dieses Laugentanks zwei Stromdurchführungen sowie eine sich zweckmäßigerweise oberhalb der Zelle mit der zweithöchstliegenden Mündung befindliche Nachfüllöffnung und eine Gasauslaßöffnung (44) vorgesehen sind.
13. Wasserzersetzer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß der Laugentank (38) mit einem Ausgleichstank (46) kommuniziert und die Gasauslaßöffnung (44) des Laugentanks (38) mit einem Auslaßventil (45) versehen ist während die Ausgleichsleitung (47) mit einem Ventil (48) 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 (38) dfcht verschließbar und mit einem Ausgleichstank (48) verbunden ist wobei der Laugentank mit einem Auslaßventil versehen ist und die Ausgleichsleitung (47) ein Ventil (48) aufweist
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