DE2527924A1

DE2527924A1 - Elektrolyse-verfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2527924A1
Application number: DE19752527924
Authority: DE
Inventors: Stepehn Horvath
Original assignee: Beeston Co Ltd
Current assignee: Beeston Co Ltd
Priority date: 1974-07-03
Filing date: 1975-06-23
Publication date: 1976-01-22
Also published as: CA1060839A; IE41261L; DD121034A5; NO144356B; NO752232L; IE41261B1; AR211521A1; SE415374B; BR7504169A; NZ185097A; BR7504170A; NL7507944A; FR2277158A1; LU72811A1; GB1508849A; FR2277158B1; FI61046C; AU500040B2; AU7699674A; FI751877A

Description

Elektrolyse-Verfahren und -Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich generell auf das Gebiet der Elektrolyse und betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die Elektrolyse von Wasser zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff.

In einem Elektrolysevorgang wird zwischen einer Anode und einer Kathode, wobei diese Elektroden in Kontakt mit einem elektrolytischen Leiter stehen, ein Potentialunterschied angelegt, um einen elektrischen Strom durch den elektrolytischen Leiter zu erzeugen.

Viele geschmolzene Salze und Hydroxide sind elektrolyt!sehe Leiter·; gewöhnlich handelt es sich jedoch bei dem Leiter um eine Lösung eines Stoffes, der in der Lösung dissoziiert und Ionen bildet. Der Ausdruck "Elektrolyt" wird hier zur Bezeichnung eines Stoffe« verwendet, der bei seiner Auflösung in einem geeigneten Lösungsmittel mindestens in einem gewissen Maß zu Ionen dissoziiert. Die sich dabei ergebende Lösung wird als "Elektrolytlösung" bezeichnet.

In einem einfachen Elektrolysevorgang ist die an der Anode oder Kathode freigesetzte Stoffmenge gemäß den Faraday'sehen Elektrolyse-Gesetzen streng proportional'zu der zwischen Anode und Kathode transportierten Elektrizitätsmenge. Die Zerlegungcgeschwindigkeit des Elektrolyts ist daher begrenzt, und es ist im allgemeinen unwirtschaftlich, etwa Wasserstoff und Sauerstoff aus Vasser mittels eines Slektrolysevorgangs in kommerziellen Maßstab, zu t-rzeu£c?n.

S09884/0798

ORIGINAL /NSPECTiO

Bekanntlich lassen sich Verbindungen, einschließlich Elektrolyte wie etwa Wasser, durch Bestrahlung mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung in ihre Bestandteile zerlegen. Eine derartige durch Strahlung ausgelöste Dissoziierung oder Zerlegung wird gelegentlich als "Radiolyse" bezeichnet. Beispielsweise ist die Radiolyse von Wasser und einer Anzahl von Kohlenwasserstoffen in einem Aufsatz von Dr. Akibumi Danno mit dem Titel "Producing Hydrogen With.Nuclear Energy", veröffentlicht in "Chemical Economy and Engineering Review" Juni,1974, im einzelnen beschrieben, wobei" die bei einer derartigen Radiolyse auftretenden elementaren Reaktionen erläutert werden. Kurz gesagt ist festgestellt worden, daß eine Bestrahlung mit kurzwelligen Röntgen- oder Gammastrahlen, d.h. mit einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge

-10

von weniger als 10 m, zu einer direkten Zersetzung der betreffenden Verbindungen führt. Wird beispielsweise Wasser mit Gammastrahlung bestrahlt, so wird es in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Als Strahlungsquelle für die Behandlung großer Mengen schlägt Danno die Verwendung eines Kernreaktors vor; er kommt jedoch zu dem Ergebnis, daß die Radiolyse von Wasser kein sehr leistungsfähiges Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff darstellt. Stattdessen schlägt er ein Verfahren vor, das mit der Radiolyse von Kohlendioxid zur Erzeugung von Kohlenmonoxid und Sauerstoff sowie einer anschließenden Umwandlung des Kohlenmonoxids in Wassergas durch den herkömmlichen Wasser/Gas-Umwandlungsvorgang arbeitet.

Die Erfindung vermittelt ein Elektrolyseverfahren, bei dem auch eine Radiolyse stattfindet. Es hat sich herausgestellt, daß bei der Kombination von Elektrolyse und Radiolyse die Ausbeute an Zerlegungsprodukten größer sein kann, als sie durch einen einfachen Elektrolysevorgang oder einfache Radiolyse erzielt wird. Die Ausbeute ge schwindigkeit läßt sich in dem kombinierten Elektrolyse- und Radiolyse-Verfahren dadurch stark verbessern, daß in dem elektrolytischen Leiter ein Magnetfeld erzeugt wird, das für die schnellen Elektronen der kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung und auch für die Ionen in dem elektrolytischen Leiter bevorzugte Bahnen schafft und dadurch die Möglichkeit von Zusammenstößen zwischen den Elektronen und Ionen erhöht, was eine bessere Ausbeute der Radiolyse ergilrfc.

0988A/079 8

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwischen, der Anode und der Kathode einer elektrolytischen Zelle Hochspannungsimpulse elektrischer Energie derart angelegt, daß die für die Radiolyse erforderliche kurzwellige Strahlung erzeugt wird. Bei einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Entladungen in Form von Hochspannungsimpulsen elektrischer Energie in einem oder mehreren Kurzwellen-Strahlungsgeneratoren gearbeitet, die von der Anode und der Kathode getrennt, jedoch derart angeordnet sind, daß der in der'Zelle befindliche elektrolytische Leiter mit der so erzeugten kurzwelligen Strahlung bestrahlt wird. Die Hochspannungsimpulse lassen sich dabei durch einen recht bescheidenen Eingangs-Gleichstrom erzeugen, während die erfindungsgemäßen Verfahren eine weitaus größere Ausbeute an Elektrolyse-Produkten ergeben, als sie sich erreichen läßt, wenn der zugeführte Strom durch den elektrolytischen Leiter geführt wird.

Die Erfindung vermittelt ferner Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.

Wie oben erwähnt, ist die Erfindung insbesondere auf die Elektrolyse von V/asser oder wäßrigen Lösungen zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff anwendbar. Zur genaueren Erläuterung der Erfindung wird daher im folgenden eine speziell für eine derartige Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff gebaute Vorrichtung anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild für eine erfindungsgemäß gebaute

Vorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine elektrolytische Zelle

der Vorrichtung;
Fig. 3 einen Längsschnitt längs der Linie 3-3 nach

Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der

Fig. 3;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die elektrolytische Zelle,

wobei gewisse obere Teile entfernt worden sind; Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 nach Fig. 2;

50988 U/0798

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 nach Fig. 2; Fig. 8 einen vertikalen Schnitt durch eine Variante

der elektrolytischen Zelle;

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 nach Fig. 8; Fig. 10 ein Schaltbild für die Variante nach Fig. 8 und 9;

und
Fig. 11 ein Schaltbild für eine weitere Variante der

Vorrichtung.

Die in Fig. 1 bis 7 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine generell mit 11 bezeichnete elektrolytische Zelle mit einer Anode 12 und einer Kathode 13. Die Vorrichtung ist mit einer elektrischen Schaltung versehen, die Hochspannungsimpulse elektrischer Energie erzeugt, die zwischen Anode 12 und Kathode 13 angelegt werden. Die Schaltung ist insbesondere so ausgelegt, daß sie die erforderlichen Hochspannungsimpulse aus einer elektrischen Gleichstromquelle erzeugt, bei der es sich beispielsweise um eine zwischen Klemmen 14 und

15 eingeschaltete 12-V-Batterie handeln mag. Dabei sei angenommen, daß die Leitung 16 von der Klemme 14 die positive Eingangsleistung aufnimmt, während die Leitung 17 von der Klemme 15 die gemeinsame negative Leitung für die Schaltung bildet. Die Leitung

16 enthält einen einfachen EIN/AUS-Hauptschalter 18.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die elektrische Schaltung eine Impulsgenerator-Stufe mit einem Unijunction-Transistor Q1 und zugehörigen Widerständen R1, R2·, R3 sowie Kondensatoren C2 und C3. Diese Stufe erzeugt Impulse, die zur Triggerung eines NPN-Silicium-Leistungs-Transistors Q2 dienen, der seinerseits über einen Kondensator C4 Triggerimpulse für einen Thyristor T1 liefert.

Der Widerstand R1 und der Kondensator C2 sind in Serie über eine Leitung 21 an einen der festen Kontakte eines Relais RL1 angeschlossen. Die Wicklung 26 des Relais RL1 ist zwischen der Leitung 16 und einer Leitung 27 eingeschaltet, die den bewegbaren Kontakt des Relais über einen normalerweise geschlossenen druckbetätigten Schalter 19 mit der gemeinsamen negativen Leitung 17 verbindet. Die Drucksteuerleitung 20 des Schalters 19 ist auf die weiter

509884/0798

unten beschriebene Weise an die Gassammeikammer der elektrolytischen Zelle 11 angeschlossen, um eine Steuerverbindung herzustellen, über die der Schalter 19 geöffnet wird, wenn das Gas in der SamEielkammer einen gewissen Druck erreicht. Vorausgesetzt jedoch, der Schalter 19 bleibt geschlossen, stellt das Relais RL1 bei Schließen des Hauptschalters 18 eine Verbindung zwischen den Leitungen 21 und 27 und damit eine Verbindung zwischen dem Kondensator C2 und der gemeinsamen negativen Leitung 17 her. Der Hauptzweck des Relais RL1 besteht darin, bei der ersten Beaufschlagung der Schaltung die besagte Verbindung zwischen dem Kondensator C2 und der gemeinsamen negativen Leitung 17 mit einer leichten Verzögerung zu versehen. Dadurch wird die Erzeugung von Triggerimpulsen für den Thyristor T1 verzögert, bis in der weiter unten beschriebenen Transformatorstufe ein erforderlicher elektrischer Zustand erreicht ist. Vorzugsweise ist das Relais RL1 hermetisch abgedichtet und weist einen ausgeglichenen Anker auf, so daß das Relais in jeder Stellung arbeiten und erhebliche Stöße und Schwingungen aushalten kann.

Ist die Verbindung zwischen dem Kondensator C2 und der Leitung 17 über das Relais RL1 hergestellt, so arbeitet der Unijunction-Transistor Q1 als Oszillator und erzeugt auf einer Leitung 24 positive Ausgangsimpulse mit einer Impulsfrequenz, die von dem Verhältnis R1:C2 gesteuert wird, und einer Impulsstärke, die durch das Verhältnis R2:R3 bestimmt ist. Mit diesen Impulsen wird der Kondensator C3 aufgeladen. Direkt zwischen der gemeinsamen positiven Leitung 16 und der gemeinsamen negativen Leitung 17 ist ein Elektrolytkondensator C1 eingeschaltet, der alles statische Rauschen aus der Stufe herausfiltert.

Der Widerstand R1 und der Kondensator C2 sind so gewählt, daß die Impulse am Eingang des Transistors Q1 sägezahnförmig sind. Dadurch wird die Form der in der nachfolgenden Stufe erzeugten Impulse gesteuert; die Sägezahnform der Impulse ist gewählt worden, weil man annimmt, daß sie die zufriedenstellendste Arbeitsweise der pulsierenden Stufe ergibt. Es sei jedoch betont, daß auch andere Impulsformen, etwa Rechteckinpulse, verwendet v/erden könnten. Der Kondensator C3,der mit den Ausgangsimpulsen des

5 0 9 0 8 /, / 0 7 9 8

Transistors Q1 aufgeladen wird, entlädt sich über einen Widerstand RA und erzeugt Triggersignale für den Transistor Q2. Der Widerstand R4 ist an die geraeinsame negative Leitung 17 angeschlossen und dient zur Begrenzung des Gate-Stroms für den. Transistor Q2.

Die Trigger signale, die von dem Transistor Q1 über das den Kondensator C3 und den Widerstand R4 umfassende Netzwerk erzeugt werden, haben die Form positiver scharfer Impulsspitzen. Der Kollektor des Transistors Q2 ist über einen Widerstand R6 an die positive Versorgungsleitung 16 angeschlossen, während der Emitter dieses Transistors über einen Widerstand R5 mit der gemeinsamen negativen Leitung17 verbunden ist. Die Widerstände R5 und Ro steuern die Stärke der dem Kondensator C4 zugefuhrten Stroreimpulse; dieser Kondensator entlädt sich über einen an die gemeinsame negative Leitung 17 angeschlossenen Widerstand R7, wodurch der Gate-Elektrode des Thyristors T1 TriggersignaIe zugeführt werden. Die Gate-Elektrode des Thyristors T1 erhält außerdem eine negative Vorspannung von der gemeinsamen negativen Leitung 17 über den Wi rl erstand R7, der somit verhindert, daf3 der Thyristor durch Einschalt-Stromspitzen getriggert wird.

Bei den der Gate-Elektrode des Thyristors T1 zugeführten Triggerimpulsen handelt es sich um sehr scharfe Spitzen, die mit dor gleichen Frequenz wie die von dem Unijunction-Transistor C1 abgegebenen sägezahnförmigen Impulse auftreten. Vorzugsweise liegt diese Frequenz in der Größenordnung von 10000 Impulsen pro Sekunde. Einzelheiten der speziellen Schaltungselemente, die dieses Ergebnis liefern, sind in der Liste weiter unten aufgeführt. Der Transistor Q2 dient als Kopplung zwischen-dem Unijunction-Transistor Q1 und dem Thyristor T1 und verhindert, daß cine EMK von der Gate-Elektrode des Thyristors zurückfließt, die sonst die Arbeitsweise des Transistors Q1 stören würde. Ivcgen der von dem Thyristor geschalteten hohen Spannungen und der an dem Transistor Q2 liegenden hohen Gegen-EKK muß der Transistor Q2 auf einem Kühlkörper montiert sein.

Die Kathode des Thyristors T1 ist über eine Leitung 29 an die

50988A/0798

gemeinsame negative Leitung 17 angeschlossen, während seine Anode über eine Leitung 31 mit dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung 32 eines zu einer ersten Stufe gehörigen Transformators TR1 verbunden ist. Die beiden Enden der Transformatorwiclilung 32 sind über Dioden D1 und D2 sowie eine Leitung 33 mit der gemeinsamen Leitung 17 verbunden, so daß eine Zweiweg-Gleichrichtung des Transformator-AusgangsSignaIs erfolgt.

Der Transformator TR1 weist drei Primärwicklungen 34, 35 und auf, die gemeinsam mit der Sekundärwicklung 32 auf einen Kern 37 gewickelt sind. Der Transformator kann einen herkömmlichen Halbschalen-Aufbau mit einem Ferritkern haben. Die Sekundärwicklung kann dabei auf einen den Kern umgebenden Spulenkörper aufgewickelt sein, während die Primärwicklungen 34 und 35 bi~ filar über die Sekundärwicklung gewickelt sein können. Die weitere Primärwicklung 35 kann schließlich auf die wicklungen 34 und 56 aufgewickelt sein. Die Primärwicklungen 34 und 35 sind jeweils mit einem Ende über eine Leitung 38 an aas gemeinsame positive Potential der Schaltungsleitung 16 und mit ihren jeweils anderen Ende über Leitungen 39 b?;w. 40 an die Kollektor-Elektroden von Transistoren 03 bzw. Q4 angeschlossen. Die Emitter-Elektroden dieser Transistoren Q3, Q4 sind ständig über eine Leitung 41 mit der gemeinsamen negativen Leitung 17 verbunden. Zwischen den Leitungen 39 und 40 liegt ein Koneenpator CG, der als Filter wirkt und Potentialunterschiede zwischen den Kollektor-Elektroden der Transistoren Q3 und 0.4 verhinder

Die beiden Enden der Primärwicklung 35 sind über Leitungen 42, 43 an die Basis-Elektroden der Transistoren Q3 bzw. Q4 angeschlossen. Diese Wicklung ist mit einem Mittelabgriff versehen, von dem aus eine Leitung 44 über einen Widerstand R9 an die positive Leitung 16 und über einen Widerstand R10 an die gemeinsame negative Leitung 17 führt.

Beim ersten Beaufschlagen der Schaltung mit Leistung befinden sich die Transistoren Q3 und Q4 in ihren nicht-leitenden Zustand, so daß kein Strom durch die Primärwicklungen 34 und 36 fließt. Der positive Strom auf der Leitung 16 liefert jedoch über den

0 9 8 8 4/0793 _{oR1QlNAL 1NSPE}CT£D

Widerstand R9 ein Triggersignal, das dem Mittelabgriff der Wicklung 35 zugeführt wird; dieses Signal löst eine abwechselnde Kochrequenz-Oszillation der Transistoren Q3» Q4 aus, was zu rasch wechselnden Impulsen in den Primärwicklungen 34 und 36 führt. Das dem Mittelabgriff der Wicklung 35 zugeführte Triggersignal wird durch das von den Widerständen R9 und R10 gebildete Widerstandsnetzwerk derart gesteuert, daß seine Größe nur zur Triggerung eines der Transistoren Q3 oder Q4, nicht aber beider Transistoren Q3 und Q4 gleichzeitig ausreicht. Daher wird durch das anfängliche Triggersignal nur einer der Transistoren gezündet, was bewirkt, daß durch die betreffende Primärwicklung oder 36 Strom fließt. Das Signal, das erforderlich ist, um den Transistor in seinem leitenden Zustand zu halten, ist wesentlich kleiner als das Signal, das zum anfänglichen Triggern das Transistors erforderlich ist, so daß dann, wenn der Transistor leitend wird, ein Teil des am Mittelabgriff der Wicklung 35 liegenden Signals zu dem nicht-leitenden Transistor umgeleitet wird und diesen triggert. Wird auf diese Weise der zweite Transistor in seinen leitenden Zustand gezündet, so fließt Strom durch die betreffende andere der Primärwicklungen 34, 36; da aber die Emitter-Elektroden der beiden Transistoren direkt miteinander verbunden sind, bewirkt nun das positive Ausgangssignal des zweiten Transistors, daß der zuerst gezündete Transistor abschaltet. Nimmt der Strom ab, der von dem Kollektor des als zweiter gezündeten Transistors gezogen wird, v/ird wieder ein Teil des Signals am Mittelabgriff der Wicklung 35 zum Kollektor des ersten Transistors gelenkt und dieser v/ird erneut gezündet. Wie man sieht, wiederholt sich dieser Zyklus unbegrenzt, so daß die Transistoren Q3 und Q4 abwechselnd und in sehr rascher Folge gezündet und wieder abgeschaltet werden. Daher fließen durch die Primärwicklungen 34 und 36 Stromimpulse in abwechselnder Folge mit einer sehr hohen Frequenz, die konstant ist und unabhängig von Änderungen in der Eingangsspannung der Schaltung. Die rasch wechselnden Impulse in den Primärwicklungen 34 und 36, die fortgesetzt auftreten, solange der Hauptschalter 18 geschlossen bleibt, erzeugen in der Sekundärwicklung 32 des Transformators Signale gleicher Frequenz aber höherer Spannung.

5098 8U /0798

Ein mit einem Widerstand R8 überbrückter Speicherkondensator C5 ißt über eine Leitung 46 an die Leitung 31 von der Sekundärwicklung des Transformators TR1 angeschlossen und führt das Ausgangssignal dieses Transformators, das über eine v/eitere Leitung 47 einem zu einer zweiten Stufe gehörigen Transformator TR2 zugeführt wird.

Wird der Thyristor T1 in seinen leitenden Zustand getriggert, so wird die gesamte Ladung des Speicherkondensators C5 an den Transformator TR2 der zweiten Stufe abgegeben. Gleichseitig hört der Transformator TR1 der ersten Stufe infolge dieses kurzzeitig an ihm auftretenden Kurzschlusses auf zu arbeiten, wodurch auch der Thyristor T1 abfällt, d.h. nicht-leitend wird. Dadurch wird es möglich, daß eich an dem Speicherkondencator C5 wieder Ladung aufbaut, die freigegeben wird, wenn der Thyristor anschließend durch ein Signal aus dem Transistor Q2 getriggert wird. Somit erzeugen während jedem der Intervalle, in denen der Thyristor nic?it-leitend ist, die durch dio kontinuierlich oszillierenden Transistoren Q3, Q4 erzeugten rasch wechselnden Impulse in den Primärwicklungen 34, 36 des Transformators TRi über die Transformatorkopplung Ausgangsimpulse verhältnismäßig hoher Spannung, die an dem Kondensator C5 eine hohe Ladung aufbauen, und diese Ladung wird plötzlich freigegeben, wenn der Thyristor getriggert wird. In einer typischen Vorrichtung, bei der die Klemmen 14, 15 mit einer Gleichspannung von 12V versorgt werden, mögen auf der Leitung 47 Impulse der Größenordnung von 22A bei 300V erzeugt werden.

Wie oben erwähnt, ist das Relais RL1 in der Schaltimg vorgesehen, um in der Verbindung des Kondensators C2 mit der gemeinsamen negativen Leitung 17 eine Verzögerung zu schaffen. Diese Verzögerung ist zwar sehr kurz, reicht aber aus, daß die Transistoren Q3, Q4 anfangen können zu oszillieren, so daß der Transformator TR1 an dem Speicherkcndensator C5 eine Ladung aufbauen kann, bevor das erste Triggersifnal dem Thyristor T1 zugeführt und der Kondensator entladen wird.

5 0 G Β 8 A / 0 7 9 8 _OB\G^^AU

Bei dem in der Schaltung vorgesehenen Transformator TR2 der zweiten Stufe handelt es sich um einen Aufwärtstransformator mit einer Primärwicklung 48 und einer Sekundärwicklung 49,-wobei die beiden Wicklungen auf einem gemeinsamen PCern 51 aufgewickelt sind; der Transformator erzeugt in der Sekundärwicklung 49 Impulse sehr hoher Spannung, die zwischen der Anode 12 und der Kathode 13 angelegt werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Sekundärwicklung 49 nicht nur zwischen die Anode und die Kathode eingeschaltet, sondern auch zur negativen Seite der Primärwicklung 48 zurückgeführt. Der Transformator TR2 ist in die Anode der elektrolytischen Zelle 11 eingebaut. Sein räumlicher Aufbau sowie die Art, in der seine elektrischen Anschlüsse ausgeführt sind, sollen im einzelnen weiter unten erläutert werden.

In einer typischen Vorrichtung besteht das Ausgangssignal des Transformators TRI der ersten Stufe aus Impulsen mit 300V in der Größenordnung von 22A bei einer Frequenz von 10000 Impulson pro Sekunde und einem Tastverhältnis von etwas weniger als 0,1. Dies läßt sich bei Anlegen einer Gleichstromversorgung von 12V und 4OA an die Klemmen 14, 15 und unter Verwendung folgender Schaltungselemente erreichen:

R1 ... 2,7 Ko 0,5W 2% Widerstand

R2 ... 220 Ω 0,5W 2% Widerstand

R3 ... 100 Q 0,5W 2% Widerstand

R4 ... 22 ΚΩ 0,5W 2% Widerstand

R5 ... 100 Ω o,5W 2% Widerstand

R6 ... 220 ^Ω 0,5W 2% Widerstand

R7 ... 1 ΚΩ 0,5W 2% Widerstand

R8 ... 10 MQ 1 W 5% Widerstand

R9 ... 100 Ω 5 W 10% Widerstand

R10... 5,6 Ω 1 W 5% Widerstand

C1 ... 220CuF 16V Elektrolytkondensator

C2 ... 0,1CUF 100V 1-OSS Kondensator

C3 ... 2,2 uF 100V 10# Kondensator

C4 ... 1 MF 100V 10% Kondensator

5098B A/0798

C5 ... 1uF 100OV Ducon Papierkondensator 5 S10A C6 ... 0,02aiF 160V Kondensator Q1 ... 2N 2647 PN-Unijunction-Transistor Q2 ... 2N 3055 NPN-Silizium-Leistungstransistor Q3 ... 2N 3055 NPN-Silizium-Leistungstransistor Q4 ... 2N 3055 NPN-Silizium-Leistungstransistor T1 ... BTVi 30 800RM flink abschaltender Thyristor D1 ... A 14 P Diode

D2 ... A 14 P Diode

RL1... PW5LS hermetisch dichtes Relais PS1... P658A-10051 Druckschalter TR1... Halbschalen-Transfornatorkerne 36/22-341

Spulenträger 4322-021-30390, gewickelt mit einen Wicklungsverhältnis von Sekundär- zu Primärwicklung von 18:1

Sekundärwicklung 32 : 380 Y/indungen Primärwicklung 34 : 9 Windungen Primärwicklung 36 : 9 Windungen Primärwicklung 35 : 4 Windungen

Die Transistoren 02, Q3 und Q4 müssen jeweils auf einem Kühlkörper montiert sein, wobei sich für diesen Zweck ein Kühlkörper der Type 35D 3CB eignet. Die übrigen Schaltungselemente können in einem Stahlbehälter montiert sein, während die auf Kühlkörpern montierten Transistoren an einer Außenfläche des Stahlbehälters angebracht sein können. Alternativ wäre es auch möglich, mindestens den Transistor Q2 in den Kasten einzubauen, falls darin ein geeigneter Kühlkörper mit vergrößerter Oberfläche vorgesehen ist.

Der räumliche Aufbau der Elektrolytzelle 11 und des Transformators TR2 der zweiten Stufe ist in Fig. 2 bis 7 dargestellt. Die Zelle umfaßt ein äußeres Gehäuse 71 mit einer rohrförmigen Hantelwand 72 sowie einem oberen Abschluß 73 und einem unteren Abschluß 74. Der untere Abschluß 74 besteht aus einem gewölbten Deckel 75 und einer elektrisch isolierenden Scheibe 76, wobei diese Elemente durch am Umfang verteilt angeordnete Spannbolzen 77 an der Unterseite der Mantelwand 72 befestigt sind. Der obere

5 0 9 8 8 4/0798

Abschluß 73 besteht aus einem Paar von einander zugewandten Deckplatten 78, 79, die durch über den Umfang verteilte Spannbolzen 81 festgehalten v/erden; die Spannbolzen 81 sind in Gewindebohrungen am oberen Ende der Mantelwand 72 eingeschraubt.

Die Anode 12 der Zelle hat eine generell rohrartige Form. Sie ist innerhalb des äußeren Gehäuses 71 senkrecht angeordnet und zwischen einem oberen Isolator 82 und einem unteren Isolator 83 eingespannt. Der obere Isolator 82 weist einen mittleren Nabenteil 84 und am Umfang einen ringförmigen Flansch 85 auf, dessen äußerer Rand zwischen die Deckplatte 79 und das obere Ende der Mantelwand 72 eingespannt ist. Der untere Isolator 83 weist ebenfalls einen mittleren Nabenteil 86 auf, ferner einen den Nabenteil 86 umgebenden ringförmigen Flansch 87 und einem vorn äußeren Rand des Flansches 87 nach oben verlaufenden äußeren Rohrabschnitt 88. Die Isolatoren 82 und 83 sind aus einem elektrisch isolierenden und gegen Alkali beständigen Material geformt. Ein geeignetes Material bildet beispielsweise PoIytetrafluoräthylen.

In ihrem vom oberen und unteren Abschluß zusammengehaltenen Zustand bilden die Isolatoren 82 und 83 einen umschlossenen Raum, in dem die Anode 12 und der Transformator TR2 der zweiten Stufe angeordnet sind. Die Anode 12 ist, wie gesagt, generell rohrförmig und einfach zwischen den beiden Isolatoren 82, 83 eingespannt, wobei ihr innerer zylindrischer Mantel an den Nabenteilen 84 bzw. 86 der Isolatoren anliegt. Die Anode 12 bildet eine Transformatorkammer, die durch die Nabenteile der beiden Isolatoren abgeschlossen wird und mit geeignetem Transformatorenöl gefüllt ist. Zwischen den Nabenteil 86 und die Anode 12 ist eine O-Ringdichtung 90 eingefügt, die ein Austreten von öl aus der Transformatorkammer verhindert.

Der Transformatorkern 51 ist als laminierter V/eicheisenstab mit einem quadratischen Querschnitt von etwa 19 mm ausgebildet. Er verläuft in senkrechter Richtung zwischen den Nabenteilen 84, 86 der Isolatoren 82, 83, wobei seine Enden in Aussparungen innerhalb dieser Nabenteile angeordnet sind. Die Sekundärwicklung 49

509884/0798

des Transformators ist direkt auf den Kern 51 aufgewickelt, während die Primärwicklung 48 auf einen rohrförmigen Spulenträger 89 aufgewickelt ist und sich in äußerem Abstand von der Sekundärwicklung innerhalb der ölgefüllten Transformatorkammer befindet.

Die Kathode 13 hat die Form eines in Längsrichtung geschlitzten Rohres, das eng in den äußeren Rohrabschnitt 88 des Isolators 83 eingepaßt ist. Sie v/eist acht gleichmäßig verteilte Längsschlitze 91 auf, so daß sie im wesentlichen aus acht Kathodenstegen 92 besteht, die sich zwischen den Schlitzen befinden und nur oben und unten miteinander verbunden sind.

Sowohl die Anode als auch die Kathode bestehen aus massivem Nickel. Der Außenmantel der Anode 12 ist so bearbeitet, daß er acht am Umfang verteilte Hohlkehlen 93 aufweist, deren Bögen sich an scharfen Graten oder Rippen 94 zwischen den Hohlkehlen treffen. Die acht Anodenrippen 94 sind in Radialrichtung auf die Mitte .der Kathodenstege 92 ausgerichtet, und der Umfang der Anode, gemessen längs ihrer Außenfläche, ist gleich den zusaEraengesetzten Breiten sämtlicher Kathodenstege, gemessen an deren Innenflächen, so daß Anode und Kathode über den Hauptteil ihrer Länge gleiche effektive Flächen aufweisen. Diese Flächengleichheit ist bei zylindrischen Anoden-Kathoden-AnOrdnungen nach dem Stand der Technik generell nicht vorhanden.

Der Ringraum 95 zwischen Anode und Kathode dient als Kammer für die Elektrolytlösimg. Diese Kammer ist durch eine rohrförmige Membran 9β unterteilt, die aus einer Nickelfolie einer Dicke von

2 höchstens 0,38 mm und einer Perforation von 775 Löchern pro mn mit einem Lochdurchmesser von höchstens 0,1 mm besteht. Diese perforierte Membran dient als Sperre gegen ein Mischen des an der Kathode bzw. Anode entstehenden Wasserstoffs und Sauerstoffs, während sie den elektrolytischen Strcmfluß zwischen den Elektroden gestattet. Die Enden der Membran 96 sind in Ringnuten in den am Umfang vorgesehenen Flanschen des oberen Isolators 82 und des unteren Isolators 83 eingepaßt, so daß die Membran gegenüber allen übrigen Bauteilen der Zelle elektrisch isoliert ist. In alternativer Ausführung kann die gleiche Sperre auch durch eine

509884/0798

straff gespannte Bahn aus Nylon-Maschenmaterial mit ausreichend kleiner Maschengröße gebildet sein, so daß die Maschenöffnungen keine Blasen mit einem Durchmesser oberhalb 0,1 mm durchlassen. Das Maschenmaterial kann dabei zwischen Endringen einer Kunctstoff-Halterung gespannt sein, die zwischen den Ringnuten der Isolatoren 82, 83 eingepaßt ist.

Anfangs wird die Kammer 95 zu ungefähr 13% mit einer Elektrolytlösung aus 25/s Kaliumhydroxid in destilliertem Wasser gefüllt. Im Verlauf der Reaktion verarmt dann das Wasser und wird mit Frischwasser wieder ergänzt, das über eine in der oberen Deckplatte 78 geformte Einlaßdüse 97 in den äußeren Abschnitt der Kammer 95 eingeleitet wird. Die Elektrolytlösung gelangt durch die Löcher in der Membran 96 von außen her in den inneren Abschnitt der Kammer 95. Es wird darauf hingewiesen, daß die Membran 96 nur unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Elektrolytlösung perforiert ist, so daß keine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb der Zelle stattfindet. Die Löcher sind zwar groß genug, um Elektrolytlösung hindurchzulassen, jedoch so klein, daß sie den Durchtritt von bei der Reaktion auftretenden Wasserstoff- und Sauerstoffblasen verhindern. Falls die Gassperre aus einem Hylon-Iiaschenmaterial besteht, kann der obere Ring der Halterung so ausgebildet sein, daß er über dem Flüssigkeitsspiegel der Elektrolytlösung eine feste Sperre bildet.

Gemäß Fig. 6 v/eist die Einlaßdüse 97 eine Strömungsdurchführung 98 auf, die zu einem von einem Schwimmer 101 in der Kammer 95 gesteuerten Elektrolyt-Einlaßventil 99 führt. Das Ventil 99 umfaßt eine Buchse 102, die in einer die Deckplatte 79 sowie den Flansch 85 des oberen Isolators 82 nach unten durchsetzenden Öffnung montiert ist und einen Ventilsitz bildet, der mit einer Ventilnadel 103 zusammenarbeitet. Die Nadel 103 ist durch eine Feder 104 innerhalb der Ventilbuchse 102 leicht nach oben vorgespannt. Der Druck der Elektrolytlösung innerhalb der Düse 97 reicht jedoch aus, um die Nadel gegen die Kraft dieser Feder nach unten zu drücken und die Zuführung von Elektrolytlösung in die Kammer 95 freizugeben, bis der Schwimmer 101 die Nadel anhebt und fest gegen den Ventilsitz drückt. Gemäß Fig 4 gleitet

509884/0798

der Schwimmer 101 in vertikaler Richtung an einem Paar von Gleitstangen 106 mit sternförmigen Querschnitt, die zwischen dem oberen Isolator 82 und den unteren Isolator 83 verlaufen und ebenfalls aus Polytetrafluorethylen bestehen. Die Stangen 106 durchsetzen entsprechende Bohrungen 107 in dem Schwimmer 101.

Die Höhe des Schwimmers 101 ist entsprechend dem Fall gewählt, daß die Elektrolytlösung nur etwa 75/o der Kammer 95 füllt und den oberen Teil der Kammer als Gasraum freiläßt, in den sich das erzeugte Gas bei Erwärmung innerhalb der Zelle ausdehnen kann.

Bei fortschreitender Elektrolyse der in der Kammer 95 enthaltenen Elektrolytlösung entsteht an der Kathode gasförmiger Wasserstoff und en der Anode gasförmiger Sauerstoff. Diese Gase steigen in Blasen in den oberen Teil der Kammer 95, wo sie in den durch die Membran 96 definierten inneren und äußeren Abschnitten getrennt bleiben, wobei darauf hingewiesen wird, daß die Elektrolytlösung xn den mit Sauerstoff, nicht in den mit Wasserstoff, gefüllten Abschnitt der Kammer eintritt, weshalb keine Gefahr besteht, daß der Wasserstoff durch die Elektrolyt-Einlaßdüse 97 zurück entweicht.

Die aneinanderliegenden Flächen der Deckplatten 78, 79 sind mit übereinstimmenden Ringnuten versehen, die in dem oberen Abschluß 73 einen äußeren und einen inneren Gassammelkanal 108, 109 bilden. Der äußere Kanal 103 ist ringförmig und steht mit dem Wasserstoff abschnitt der Kammer 95 über acht Durchlässe 111 in Verbindung, die die Deckplatte 79 und den Flansch 85 des oberen Isolators 82 nahe den Kathodenstegen 92 nach unten durchsetzen. Der Wasserstoff strömt durch die Durchlässe 111 nach oben in den Kanal 108 und von dort nach oben durch ein Einweg-Ventil 112 (Fig. 7) in einen Behälter 113. Der Behälter 113 wird von einem Kunststoff-Gehäuse 114 gebildet, das durch einen mittleren Bolzen 115 an die obere Deckplatte 78 angeschraubt und mit einer Dichtung 116 abgedichtet ist. Der untere Teil des Gehäuses 114 ist mit Wasser 117 gefüllt, und der Wasserstoff gelangt in den Behälter 113 über ein Rohr 118. Das Ventil 112 umfaßt eine Buchse

503884/0798

119, die einen Ventilsitz für einen Ventilstößel 121 bildet, wobei der Ventilstößel 121 durch eine Feder 122 sowie durch das Gewicht des auf ihn einwirkenden Wassers nach unten vorgespannt wird.

Aus dem Behälter 113 wird der Wasserstoff über einen Krümmer entnommen, der an eine Auslaßdurchführung 124 in der oberen Deckplatte 78 angeschlossen ist. Gemäß Fig.2 endet die Auslaßdurchführung 124 in einer Wasserstoff-Abgabedüse 125, über die der Wasserstoff entweder einem Speicherbehälter oder direkt der jeweiligen Verbrauchstelle zugeführt v/erden mag.

Der Sauerstoff wird der Kammer 95 über den inneren ringförmigen Kanal 109 in dem oberen Abschluß 73 entnommen. Der Kanal 109 ist nicht kreisförmig, sondern weist eine um den Elektrolyt-Einlaß herum eingebauchte Form auf. Der Sauerstoff gelangt in den Kanal 109 über sieben Durchlässe 131, die die Deckplatte 79 und den ringförmigen Flansch 85 des oberen Isolators 82 durchsetzen. Von dem Kanal 109 strömt der Sauerstoff nach oben durch ein Einweg-Ventil 132 (Fig. 2) in einen Behälter 133, der von einem Kunststoffgehäuse 134 gebildet wird. Diese Anordnung ist ähnlich der zu Entnahme des V/asserstoffs und soll daher im einzelnen nicht weiter beschrieben werden. Es sei nur gesagt, daß der Boden des von dem Gehäuse 134 gebildeten Behälters mit V/asser gefüllt ist und der Sauerstoff über einen Krümmer 135 und eine in der oberen Deckplatte 78 vorgesehene Auslaßdurchführung I36 entnommen wird, die in einer Sauerstoff-Abgabedüse 137 endet.

Die Drucksteuerleitung 20 des Schalters 19 ist gemäß Fig. 2 und 3 über eine in der oberen Deckplatte 78 und dem oberen Isolator 82 vorgesehene Durchführung 138 direkt mit dem oberen Teil der Kammer 95 verbunden, um den Wasserstoffdruck in dem oberen Teil der Kammer 95 zu messen. Steigt dieser Druck über einen vorgegebenen Pegel, so spricht der Schalter 19 an und trennt in der Schaltung nach Fig. 1 den Kondensator C2 von der gemeinsamen negativen Leitung 17. Dadurch wird das negative Signal von dem Kondensator C2 weggenommen, das erforderlich ist, um den kontiiuierlichen Betrieb der Impulsgeneratorstufe zur Erzeugung der

B0988A/0798

Triggerimpulse für den Thyristor T1 aufrechtzuerhalten} diese Triggerimpulse hören daher auf. Der Transformator TR1 arbeitet jedoch weiter und lädt den Speicherkondensator C5, der jedoch, da der Thyristor T1 nicht getriggert werden kann, einfach 'geladen bleibt, bis der Wasserstoffdruck in der Kammer 95 unter den vorgegebenen Pegel fällt und dem Thyristor T1 wieder Triggerimpulse zugeführt werden. Der Druckschalter 19 steuert somit die Geschwindigkeit der Gaserzeugung entsprechend der Geschwindigkeit, mit der das Gas entnommen wird. Beispielsweise ist es möglich, die V/asser st off- und Sauerstoff-Gase direkt ohne Zwischenspeicherung einer Brennkraftmaschine zuzuführen, wobei die Vorrichtung die Gase entsprechend dem jeweiligen Bedarf erzeugt. Die Steifigkeit der Steuerfedern für die Gasauslaßventile 112, 132, muß dabei so gewählt werden, daß der Y/asserstoff und der Sauerstoff in demjenigen Verhältnis entweichen, in denen diese Gase durch die Elektrolyse erzeugt werden, d.h. in dein Volumenverhältnis 2:1.

Die Behälter 113 und 133 sind als Sicherheitsmaßnahme vorgesehen. Sollte sich in den Abgabeleitungen ein plötzlicher Druckstau aufbauen, so würde dieser nur die Kunststoffgehäuse 114, 134 sprengen, könnte aber nicht in die Elektrolytzelle zurückübertragen werden. Der Schalter 19 würde dann ansprechen und die weitere Erzeugung von Gasen in der Zelle unterbrechen.

Die elektrischen Verbindungen des Transformators TR2 der zweiten Stufe sind in Fig. 3 gezeigt. Danach sind die beiden Enden der Transformator-Primärwicklung 48 über Drähte 156, 157 an Leiter 158, 159 angeschlossen, die durch den mittleren Nabenteil 84 des oberen Isolators 82 hindurch nach oben verlaufen. Die oberen Enden der Leiter 158, 159 ragen als Stifte in eine Dose 161 hinein, die im oberen Teil des oberen Isolators 82 ausgebildet ist. Die Dose 161 ist oben durch einen Deckel 162 abgeschlossen, der durch einen mittleren Bolzen I63 gehalten wird und eine Durchführung 164 aufweist. Durch diese Durchführung 164 hindurch können Drähte von der externen Schaltung geführt und über einen geeigneten, in der Dose 161 angeordneten (nicht gezeigten) Stecker an die Leiter 158, 159 angeschlossen v/erden.

509384/0798

Die Enden der Sekundärwicklung 49 sind mit der Anode und der Kathode verbunden, wobei eine zusätzliche Verbindung mit dem an die negative Seite der Primärwicklung 48 angeschlossenen Leiter 158 vorhanden ist. Genauer ist ein Ende der Wicklung über einen Draht 141 mit der Anode verbunden, wobei diese Verbindung vollständig innerhalb der Anode liegt. Das andere Ende der Wicklung 49 ist an die Kathode über einen Draht 142 angeschlossen, der nach unten durch eine Bohrung in dem unteren Isolator 83 verläuft und das Gehäuse 71 in horizontaler Richtung zwischen der unteren isolierenden Scheibe 76 und dem Isolator 83 -verläßt. Die obere Fläche der Scheibe 76 und die untere Fläche des Isolators 83 sind mit Rillen zur Aufnahme und Festklemmung des Drahtes 142 versehen. Außerhalb des Gehäuses 71 ist der Draht 142 mit einem Kathoden-Anschlußbolzen 143 verbunden. Der Anschlußbolzen 143 umfaßt einen Stift 144, der durch eine Öffnung in der Kathode sowie eine isolierende Buchse 145 verläuft, ^T/obei die Buchse 145 in eine fluchtende Öffnung in der Kantelwand 72 eingesetzt ist. Der Kopf 146 des Anschlußbolzens 143 wird durch Festziehen einer Spannmutter 147 gegen die Innenwand der Kathode gezogen; das Ende des Drahtes 142 ist mit einer Öse versehen, die durch Festziehen einer Anschlußmutter 149 zwischen die Mutter 147 und eine Beilagscheibe 148 eingespannt wird. Eine v/eitere Beilagscheibe 151 ist zwischen der Mutter 147 und der Buchse 145 vorgesehen. Zwischen dem Bolzenkopf 146 und der Kathode sowie zwischen der Buchse 145 und der Kantelwand 72 des Gehäuses 71 sind dichtende O-Ringe 152, 153 angeordnet, um ein Entweichen von Elektrolytlösung zu verhindern. Die Anschlußverbindung ist mit einem Gehäuse 154 abgedeckt, das durch Schrauben 155 befestigt ist.

Die weitere elektrische Verbindung zwischen der Sekundärwicklung 49 und dem Leiter 158 wird von einem Draht 140 gebildet, der den Draht 142 mit dem Draht 156 verbindet.

Nimmt man für den Transformator TR2 der zweiten Stufe eine Eingangsleistung von 22A bei 300V und ein Wicklungsverhältnis von 100:1 an, so hat die zwischen Anode und Kathode liegende Ausgangsspannung 30000V bei einer Impulsfrequenz von 10000 Impulsen pro. Sekunde und einem Strom von 220 mA.

509884/0798

Diese Ausgangsleistung ergibt zwischen der Anode und dem Elektrolyt eine Entladung, die zur Erzeugung einer kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung führt, sowie außerdem einen pulsierenden Strom innerhalb des Elektrolyten. In dem Raum" zwischen Anode und Kathode besteht aufgrund der Sekundärwicklung des Transformators ein pulsierendes magnetisches Feld, das die Erzeugung der kurzwelligen Strahlung unterstützt. Insbesondere

10 -1 ^ tritt eine Strahlung der Wellenlänge von 10 bis 10 -*m auf, die eine Radiolyse des Elektrolyts bewirkt, während der elektrolytische Stromfluß dafür sorgt, daß die Zersetzungsprodukte der Hydrolyse freigesetzt werden.

Die Gestaltung von Anode und Kathode sowie die Anordnung des Sekundärtransformators innerhalb der zentrischen Anode sind von großer Wichtigkeit. Da Anode und Kathode aus Magnetmaterial bestehen, wirkt auf sie das Magnetfeld des Transformators TR2, so daß Anode und Kathode während der Erregungsperiode dieses Transformators starke Leiter für den Magnetfluß v.^rerden und in dem Zwischenelektrodenraum zwischen Anode und Kathode ein starkes Magnetfeld erzeugen. Durch den mit Hohlkehlen versehenen Außenmantel der Anode und die stegförmige Ausbildung der Kathode wird dieses Magnetfeld weiterhin so geformt, daß die von der Anode ausgehenden Feldlinien die von der Kathode ausgehenden Feldlinien schneiden, wie dies durch die gestrichelten Liniengruppen A und B in einem Teil der Elektrolytkammer in Fig. 4 angedeutet ist. Diesen Feldlinien folgen die schnellen Elektronen der kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung. Ferner v/erden die Wasserstoff- und Sauerstoffionen in dem Elektrolyt an diesen Feldlinien konzentriert, wobei sie sich tatsächlich längs diesen Linien bewegen. Die statistische Möglichkeit von Zusammenstößen zwischen den schnellen Elektronen der kurzwelligen Strahlung und den Ionen in dem Elektrolyten wird durch die Erzeugung dieses speziellen Magnetfeldes sehr verbessert. Außerdem besteht eine stark erhöhte Möglichkeit von Zusammenstößen zwischen den Ionen selbst, da diese an den Schnittpunkten der Feldlinien A und B zusammenzustoßen suchen, woraus sich eine erhöhte Freisetzung der Wasserstoff- und Sauerstoffgase ergibt. Die Gestaltung von Anode und Kathode, die die sich schneidenden

509884/0798

Magnetfeldlinien hervorruft, ist also zur Verbesserung der Wirksamkeit des Radiolysevorgangs sowie für die Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff als Zerlegungsprodukte äußerst wichtig. Diese spezielle Gestaltung bewirkt weiterhin, daß die Oberfläche der Anode vergrößert wird, und sie schafft eine Anordnung, bei der Anode und Kathode gleiche Oberflächen haben, was höchst erwünscht ist, um elektrische Verluste auf einem Minimum zu halten. Es ist ferner erwünscht, daß die Oberflächen von Anode und Kathode, an denen Gas entsteht, beispielsweise durch Sandstrahlen aufgerauht werden. Dadurch wird die Ablösung der Gasblasen von den Elektrodenflächen gefördert und die Gefahr von Überspannungen vermieden. Sowohl die Anode als auch die Kathode können aus Nickel bestehen, was jedoch nicht wesentlich ist. Alternativ könnten die Elektroden aus vernickeltem Stahl oder aus Platin bestehen oder platiniert sein.

Die von dem Transformator TR2 erzeugte Wärme wird über die Anode der Elektrolytlösung zugeführt und erhöht die Beweglichkeit der Ionen in der Elektrolytlösung, wodurch der Elektrolyse- und Radiolysevorgang weiterhin gefördert wird. Falls zur Wärmeableitung erwünscht, können Kühlrippen vorgesehen sein, wie sie etwa in Fig. 4 mit 150 bezeichnet sind. Die Anordnung des Transformators innerhalb der Anode gestattet es ferner, die Verbindungen der Sekundärwicklung 49 mit der Anode und der Kathode als kurze, gut geschützte Leiter auszuführen.

Der Speicherkondensator C5 bestimmt das Verhältnis von Aufladezu Entlade-Zeit, das von der Impulsfrequenz weitgehend unabhängig ist. Die von dem Unijunction-Transistor Q1 bestimmte Impulsfrequenz muß so gewählt sein, daß die Entladezeit nicht ausreicht, um die Transformatorwicklungen, insbesondere die Sekundärwicklung 49 des Transformators TR2, zu überhitzen. Bei dem sägezahnförmigen Eingangssignal und den scharfen Ausgangs-Impulsspitzen der bevorzugten Oszillatorschaltung betrug das Tastverhältnis der mit einer Frequenz von 10 KHz erzeugten Impulse etwa 0,006. Die genannte Impulsform trägt dazu bei, Probleme der Überhitzung von Elementen der Oszillatorschaltung bei den vorliegenden hohen Impulsfrequenzen so klein wie möglich zu machen. Ein Tastverhältnis bis hinauf zu etwa 0,1, wie es sich

50988A/0798

- 21 - 252792A

bei einem Rechteckwellen-Singangssignal ergeben würde, wäre möglich; bei einer Impulsfrequenz von 1OOOO Impulsen pro Sekunde wäre es jedoch dann erforderlich, daß gewisse Schaltungselemente ungewöhnlich hohe 7«^rärmeleistungen aushalten. Ein Tastverhältnis von etwa 0,005 dürfte das Minimum bilden, das sich mit einer Oszillatorschaltung des gezeigten Typs erreichen läßt.

Die gezeigte elektrolytische Zelle 11 ist so ausgelegt, daß sie Wasserstoff und Sauerstoff mit einer zum Betrieb von Brennkraftmaschinen oder für sonstige bekannte Zwecke ausreichenden Geschwindigkeit erzeugt. In einer typischen Ausführung mag die Zelle einen Durchmesser von etwa 20 cm und eine Höhe von ebenfalls etwa 20 cm haben: wie ersichtlich, ist eine solche Zelle also außerordentlich kompakt.

In Fig. 8 bis 10 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung ist der oben in Verbindung mit Fig. 1 bis 7 beschriebenen Vorrichtung weitgehend gleich, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Bei der Vorrichtung nach Fig.8 bis 10 wird jedoch das Ausgangssignal des Transformators TR2 der zweiten Stufe nicht direkt zwischen der Anode 12 und der Kathode 13 angelegt; vielmehr wird dieses Signal Strahlungsgeneratoren zugeführt, die generell mit 201 bezeichnet sind und im unteren Teil der elektrolytischen Zelle montiert sind. Außerdem liegt zwischen Anode und Kathode eine Gleichspannung von beispielsweise 12V, wie dies in Fig. 10 angedeutet ist. Zu den Änderungen im unteren Teil der elektrolytischen Zelle gehört eine Verdickung des mittleren Nabenteils am unteren Isolator 83. Der verdickte Uabenteil ist mit 8SA bezeichnet. Die isolierende Scheibe 7β der oben beschriebenen Vorrichtung ist weggelassen, während der untere gewölbte Deckel gemäß Fig. 8 und 9 verändert ist und die Bezugsziffer 75A trägt. Der abgeänderte Deckel 75A ist mit einem am Umfang nach oben ragenden Bord 202 versehen und an der Unterseite des äußeren Gehäuses 71 durch lange Spannbolzen 7TA befestigt, die vertikale Bohrungen in dem Bord 202 durchsetzen.

509884/0798

Die Strahlungsgeneratoren 201 sind direkt unterhalb der ringförmigen Elektrolytkammer an diametral gegenüberliegenden Seiten dieser Kammer angeordnet. Sie sind in ihrem Aufbau identisch, wobei jeder Generator eine zylindrische keramische Halterung mit einer zentrischen Bohrung zur Aufnahme von V/olfram-Stabelektroden 204, 205 umfaßt. Diese Elektroden sind in einem Abstand voneinander angeordnet, und die Halterung 203 v/eist eine obere Aussparung 210 auf, an der der Elektrodenabstand freiliegt. Die Elektrode 205 ist an ihrem äußeren Snde mit einem gewölbtein Kopf versehen, wobei eine Feder zwischen den Kopf 206 und das innere Ende eines Hohlbolzens 208 eingespannt ist, der in eine den Bord 202 des Deckels 75A in Radialrichtung durchsetzend.e Öffnung eingeschraubt ist. Das innere Ende der Elektrode 205 ist mit einer scharfen Spitze versehen, die von dem gegenüberliegenden flachen Ende der Elektrode 204 in einem Abstand von mindestens 0,15 mm und vorzugsweise etwa 0,4 mm angeordnet ist. Die Elektrode 204 ist als einfacher zylindrischer V/olframstab geformt, der mit einer inneren Endkappe 209 aus Messing ausgerüstet ist. Die Endkappe 209 v/eist einen Stift 211 auf, der in einen Schlitz 212 am Ende eines Messingütabes 213 eingreift; der Messingstab 213 ist in einer den verdickten Habenteil 86 des Isolators 83 diametral durchsetzenden Bohrung montiert.

Das Ausgangssignal der Transformator-Sekundärwicklung 49 wird über den Transformatorkern 51, eine Feder 214 und einen nach unten in den Nabenteil 86A und eine Gewindebohrung in der Mitte des Stabes 213 eingreifenden Bolzen 215 dem Messingstab 213 zugeführt. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Draht 141 in diesem Fall in den Kern 151 eingeführt und nicht wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung mit der Anode verbunden, während der Draht 142 der oben beschriebenen Vorrichtung weggelassen ist, so daß zwischen der Sekundärwicklung und der Kathode keine Verbindung besteht. Stattdessen ist die Gleichspannungsquelle mit 12V direkt zwischen Anode und Kathode über isolierte Drähte 216, 217 eingeschaltet. Der Draht 216 ist dabei anstelle des Drahtes 142 mit dem Anschlußbolzen 143 verbunden, während der Draht 217 durch eine Nylonbuchse 218 in dem Bord 202 des unteren Deckels 75A hindurchgeführt ist und von dort nach oben durch

50988 4/0798

ein Loch 219 in dem Isolator 83 in das untere Ende der Kathode verläuft.

V/erden an den Messingstab 213 Impulse von 30000V angelegt,' so führt dies dazu, daß einer der Strahlungsgeneratoren 201 eine hochintensive Gammastrahlung erzeugt, die den Elektrolyt zwischen Anode urd Kathode bestrahlt. Diese Hochspannungsenergie wird über denjenigen Strahlungsgenerator entladen, der den geringeren elektrischen Widerstand darstellt, so daß immer nur jeweils ein Generator arbeitet. Fällt jedoch einer der Generatoren aus, so beginnt der andere zu arbeiten. Die raschen Impulse der zwischen den Elektroden 204, 205 liegenden Potentialdifferenz ergeben eine Gamma-Strahlung, da sie nicht in der Lage sind, zwischen den Elektroden einen Stromfluß herzustellen, der ausreicht, um die beteiligten schnellen Elektronen zu.transportieren. Das spitze Ende der Elektrode 205 erhöht den Widerstand für den Elektronenübergang und verstärkt daher die Erzeugung von Gammastrahlung,

-10 deren Wellenlänge kürzer ist als 10 m und generell im Bereich

von 10"¹⁰ bis 10~¹\ liegt.

Das durch die Sekundärwicklung des Transformators TR2 induzierte starke Magnetfeld trägt ferner zur Erzeugung von Gammastrahlung bei; tatsächlich ermöglicht es die Erzeugung einer Strahlung verhältnismäßig hoher Intensität durch Freiluft-Funkenentladung. Eine weitere Verbesserung ließe sich dadurch erzielen, daß die Elektroden 204, 205 in eine evakuierte Röhre eingeschlossen werden.

Wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bilden die sich schneidenden magnetischen Feldlinien von der Anode und von der Kathode bevorzugte Bahnen für die schnellen Elektronen der Gammastrahlung, und die Ionen in dem Elektrolyt bewegen sich ebenfalls längs dieser Feldlinien, so daß die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen zwischen Ionen und schnellen Elektronen innerhalb des Elektrolyts stark erhöht wird und auch eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen von Ionen untereinander an den Schnittpunkten der Feldlinien besteht. Es findet also eine rasche Zerlegung durch Radiolyse und Freisetzung der durch

50988 4/0798

Elektrolyse erzeugten Zersetzungsprodukte statt.

Tig. 11 zeigt ein Schaltbild für eine Variante der Vorrichtung nach Fig. 8 bis 10. In diesem Fall bleibt der räumliche Aufbau der in Fig.8 und 9 dargestellten elektrolytischen Zelle unverändert; statt einer Zuführung eines Gleichspannungspotentials von 12V zwischen Anode und Kathode ist jedoch die Anode über ein Steuergerät 300 mit der Ausgangsseite des Relais RL1 verbunden. Das Relais RL1 erzeugt ausgangsseitig ein Gleichspannungspotential von 12V, und das Steuergerät 300 dient dazu, dieses Potential zu modifizieren, bevor es der Anode zugeführt wird. Das Zerlegungspotential für Wasser beträgt 1,8V, wobei dieser Wert das theoretische Minimum bildet, bei dem die Elektrolyse von Wasser stattfindet. In der Praxis ist es erforderlich, eine zusätzliche Spannung, die als Überspannung bezeichnet wird, zuzuführen, die von den physikalischen Eigenschaften der elektrolytischen Zelle und der Elektrolytmenge abhängt. Wird die Überspannung überschritten, so wird keine Verbesserung erzielt, und die weitere Spannung wird einfach in Form von erzeugter Wärme verschwendet. Der Zweck des Steuergerätes 300 besteht darin sicherzustellen, daß die erforderliche Überspannung zugeführt wird, die weitere Spannung aber so klein wie möglich gemacht wird. Das Steuergerät 300 kann auch dazu dienen, ein Rückfließen von EMK aus dem Elektrolyt in die Schaltung zu verhindern. Das Gerät kann beispielsweise eine Diode oder eirB Anzahl von in Serie geschalteten Dioden umfassen, um die Spannung an der Ausgangsseite des Relais RL1 herunterzuteilen und den Strom entsprechend zu erhöhen. Alternativ kann das Steuergerät 300 eine Einrichtung umfassen, die eine pulsierende Gleichspannung zur Zuführung an die Anode 12 erzeugt. Für den gleichen Zweck könnten auch verschiedene Standard-Schaltkreise, insbesondere eine Standard-Multivibratorschaltung, verwendet werden. Wird mit einem pulsierenden Strom gearbeitet, so ist es erforderlich, die Impulsfrequenz unter etwa 10000 Impulsen pro Minute zu halten, weil sonst der in dem Elektrolyt erzeugte pulsierende Strom eine Wechselstromcharakteristik annimmt, die die Elektrolyse hemmt.

Versuche mit kleinen Vorrichtungen wie etwa der hier beschriebe-

B0988A/0798

nen haben gezeigt, daß zur Erzeugung der erforderlichen kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung die elektrische Ausgangsspannung des Transformators TR2 mindestens 10000V betragen muß, veil sonst keine merkliche Gammastrahlung erzeugt wird. Höhers Spannungen führen zwar zu einer stärkeren Strahlung; die Spannung und daher auch die Strahlungsleistung müssen jedoch an die physikalischen Eigenschaften der Zelle und die verwendete Elektrol3^rtnenge angepaßt sein. Die oben beschriebene elektrische Schaltung erzeugt etwa 30000V, ein Wert, der sich als Optimum für die spezielle erläuterte Vorrichtung erwiesen hat. Un ferner Erwärmungsprobleme in der elektrischen Schaltung zu vermeiden, muß die Impulsfrequenz der elektrischen Entladung größer als 5000 Impulse pro Sekunde sein, vorzugsweise in der Größenordnung von 10000 Ircpulsen pro Sekunde liegen.

Ferner hat sich herausgestellt, daß die kurzwellige Strahlung eine Intensität von mindestens 6 mR/h haben muß, um eine signifikante Radio?x.yse des Wassers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erzeugen. Die erforderliche Strahlungsintensität hängt dabei von der Große der Anlage und der Menge des bestrahlten Elektrolyts ab; man nimmt jedoch an, daß 6 mR/h als absolutes Minimum betrachtet werden muß, um irgendein signifikantes Ergebnis selbst in einer kleinen Vorrichtung zu erzielen« Eine entsprechend Fig. 8 bis 10 gebaute Vorrichtung hat eine Gamma-Strahlungsleistung von 26 bis 28 mR/h erbracht, was ganz geeignet ist, eine rasche Radiolyse des Elektrolyts in einer solchen Vorrichtung zu erzeugen.

Die oben erläuterte Vorrichtung ist nur als Beispiel dargelegt worden; die Erfindung beschränkt sich in keiner './eise auf die Einzelheiten dieser speziellen Vorrichtung. Vielmehr gestattet die Erfindung auch die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff in großen Mengen zur Energieerzeugung in umfangreichen festen Anlagen oder für andere Zwecke. Dabei wäre eine viel höhere elektrische Eingangsleistung erforderlich, und die elektrische Schaltung müßte entsprechend ausgelegt sein.

500884/0798

Claims

Patentansprüche

f 1, Elektrolyseverfahren, bei den ein elektrischer Stromfluß zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt wird und Anode und Kathode mit einem dazwischen befindlichen elektrolytischen Leiter in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Stromfluß zwischen Anode und Kathode der elektrolytische Leiter mit elektromagnetischer Strahlung einer Yfellen-

-10
länge von weniger als 10 m bestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Kathode ein Magnetfeld erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Kathode als Magnetflußleiter derart verwendet werden, daß die von der Anode ausgehenden magnetischen Feldlinien die von der Kathode ausgehenden magnetischen Feldlinien schneiden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Strom ein pulsierender Strom verwendet wird, und daß sowohl die elektromagnetische Strahlung ε.] s auch der pulsierende Strom in dem elektrolytischen Leiter dadurch erzeugt werden, daß zwischen Anode und Kathode elektrische Energieimpulse mit einer Frequenz von mehr als 5000 Impulsen pro Sekunde angelegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung dadurch erzeugt wird, daß eine elektrische Versorgungsenergie in wesentlichen original INSPECTED 5 0 9 8 B A / 0 7 9 8

gleichförmiger Spannung und gleichförmigen Stroms in elektrische Energieimpulse einer Frequenz von mindestens 5000 Impulsen pro Sekunde umgeformt wird, wobei die Spannung jedes Impulses größer ist als die besagte gleichförmige Spannung, und daß zur Erzeugung der Strahlung die Impulse zwischen Elektroden entladen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Energieimpulse mit einer Spannung von mindestens 10000V verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit von der Anode und der Kathode getrennten Elektroden gearbeitet wird und daß zur Erzeugung des elektrischen Stromflusses in dem elektrolytischen Leiter ein Gleichspannungspotential ζλ'/ischen Anode und Kathode angelegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit von der Anode und von der Kathode getrennten Elektroden gearbeitet wird und daß GIeichspannungsimpulse mit einer Frequenz von weniger als 10000 Impulsen pro Minute zwischen Anode und Kathode angelegt werden, um den elektrischen Stromfluß zwischen Anod· und Kathode in Form eines pulsierenden elektrischen Stroms zu erzeugen.
9. Elektrolysevorrichtung mit einer elektrolytischen Zelle, in der ein elektrolytischer Leiter sowie eine Anode und eine Kathode in Kontakt mit dem elektrolytischen Leiter angeordnet

60988/. /0798

sind, lind mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in dem eIektrolytisehen jueiter zwischen Anode und Kathode, gekennzeichnet durch einen Strahlungsgenerator, der eine elektromagnetische Strahlung einer

-10

Wellenlänge von weniger als 10 m zum Bestrahlen des elektrolytischen Leiters erzeugt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zwischen Anode und Kathode.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Kathode als Magnetflußleiter arbeiten und daß die von der Anode ausgehenden magnetischen Feldlinien die von der Kathode ausgehenden magnetischen Feldlinien schneiden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsgenerator einen elektrischen Umformer, der elektrische Energie aus einer Energiequelle im wesentlichen gleichförmigen Spannung und gleichförmigen Stroms in Impulse einer Frequenz von mindestens 5000 Impulsen pro Sekunde und einer Spannung von mindestens 10000V umformt, sowie Elektroden umfaßt, zwischen denen die Impulse zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung entladen werden.
13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer einen ersten Transformator (TR1) mit einer durch die Gleichstromenergie aus der genannten Energiequelle beaufschlagten Primärwicklung (34...36) und einer mit der Primär-

509884/0798

wicklung induktiv gekoppelten Sekundärwicklung (32) umfaßt, ferner einen an die Sekundärwicklung (32) des ersten Transformators (TR1) angeschlossenen Speicherkonder.sator (C5), der durch das elektrische Ausgangssignal der Sekundärwicklung (32) autgeladen wird, ferner einen Oszillator (Q1, Q2) zur Erzeugung elektrischer Impulse aus der Gleichstromenergie der besagten Quelle, eine Schalteinrichtung (Ti), die entsprechend den einzelnen elektrischen Impulsen aus dem Oszillator aus einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand schaltbar ist und mit der Sekundärwicklung (32) des ersten Transformators (TR"!) sowie mit dem Speicherkondensator (C5) derart verbunden ist. daß jede Umschaltung aus dem nicht-leitenden in den leitenden Zustand eine Entladung des Speicherkcndensators (C5) sowie einen Kurzschluß der ersten Transformators (TR^) und damit eire Rückführung der Schalteinrichtung (T1) in ihren nicht-le.iter.deri Zustand bewirkt, sowie einen zweiten Transformator i'XR2) rait einer Primärwicklung (48) zur Aufnahme der von dem Speicherkond&nsator (C5) entladenen Impulse und einer mit der Primärwicklung (46) gekoppelten Sekundärwicklung (49), die eine aufvärx-s-transformierte Spannung erzeugt und mit den Elektroden (12, 13; 204, 205) elektrisch verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, da3 die Elektroden (204, 205) außerhalb des elektrolytischen Leiters angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) die Anode (12) umgibt, daß die Anode (12) hohl ist, und daß die Pri&ä'r- und Sekundärwicklungen

509384/0 7 98

(48, 49) des zweiten Transformators (TR2) innerhalb der Anode
(12) angeordnet sind.
16. Elektrolycevorrichtung mit einer elektrolytischen Zelle,
die einen elektrolytischen Leiter sowie ein Paar von Elektroden, zwischen denen ein Elektrolysestrom innerhalb des elektrolyt.ischen Leiters fließt, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß beide
Elektroden (12, 13) hohlzylindrische Gestalt haben und innerhalb der Zelle (11) ineinander angeordnet sind, daß die innere
Elektrode (12) an ihrer Außenfläche mit einer Reihe von in Uir-·
fangsrichtung verteilten und in Längsrichtung verlaufenden H alkehlen (93) versehen ist, daß die äußere Elektrode (13) in eine
Reihe von elektrisch leitenden und in Längsrichtung verlaufenden Stegen (92) aufgeteilt ist, daß ebenso viele Stege (92) wie
Hohlkehlen (93) vorgesehen sind, daß die gesamte wirksame Fläche der Stege (92) im wesentlichen gleich ist der gesamten wirksamen Fläche der Hohlkehlen, und daß die Stege (92) in Radialrichtung
mit den von den Hohlkehlen (93) gebildeten Rippen (94) fluchten.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb der hohlen inneren Elektrode (12) ein Transformator
(TR2) angeordnet ist.

PS/CV/

509884/0798