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Patentbeschreibung Wasserstoff-Erzeuger.
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Diese Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf die zrzeugung von
tzZasserstoff und speziell auf eine Kombinatonstechnik für diesen Zweck, die sowohl
eine elektrochemische Reaktion als auch eine Elektrolyse einschließt.
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wesentliche Mengen von Wasserstoff werden in der Industrie in Sauerstoff-Wasserstoff-
und Wasserstoff-Plasma-Plammen für Hochtemperatur-Schweißung, in der Verarbeitung
von Stickstoff zu Ammoniak, beim Hydrieren voll fetten Ölen und ungesättigten Kohlewasserstoffen
und bei der Herstellung von Methyl-Alkohol gebraucht. In den letzten Jahren wurde
erkannt, daß Wasserstoff der ideale Kraftstoff für Verbrennungskraft-Maschinen oder
andere Maschinen sein kann, besser als Benzin oder andere Kohlewasserstoffe, denn,
wenn eine Mischung von Wasserstoff und Luft in einer Verbrennungskammer gezündet
wird, um motorische Kraft zu erzeugen, ist das Verbrennungs-Produkt reiner Wasserdampf,
frei von giftigen Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlewassrstoffen.
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Weiterhin wird es möglich mit Wasserstiff als Kraftstoff, die Maschine
bei geringeren Temperaturen zu betreiben und dabei den Aussto von Stickoxiden zu
verkleinern.
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Eine Anzahl von xperimentierfahrzeugen, die Wasserstoff als Kraftstoff
benutzen, sind vorgeführt und weitgehend
publiziert worden. So ist
in der Ausgabe der New York Times vom 17 September 1973 ein Artikel vorhanden Nasa
Testing Hydrogen in Gasolin to Cut Baumes". Es wird dort bemerkt ~Während der Jahre
hat es viele Spekulationen und einige Arbeiten gegeben über die Idee der Verwendung
von Wasserstoff mit seinem großen Energieinhalt und seiner Aendbarkeit, Autos anzutreiben.
In der Tat wurde Wasserstoff in zunehmendem Maß als die am meisten versprechende
Langzeit-Antwort auf den Weltenergieverbrauch angesehen, wenn die fossilen Brennstoffe
erschöpft sein werden". Aber während der Gebrauch von Wasserstoff für diesen Zweck
in vielen technischen Veröffentlichungen der Gegenstand war, hat es keine bedeutsame
Kommerzialisierung dieses Vorschlages gegeben.
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Ein Hauptgrund, der bisher eine wirtschaftliche Durchführbarkeit
eines mit Wasserstoff angetriebenen Autos oder einer anderen Maschine ausgeschlossen
hat, sind die Herstellungskosten von Wasserstoff, denn mit bekannten Techniken sind
die Kosten für Wasserstoff in einer Menge, deren Energieinhalt gemessen in Kg Cal
einer Menge von Benzin, das benötigt wird, einen Wagen für eine vorgegebene Anzahl
von Meilen zu betreiben, gleich ist, wesentlich höher als die Benzinikosten.
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Wasserstoff wird kommerziell durch die Elektrilyse von wässrigen
Salzlösungen, durch die Reaktion von verdünnter Schwefelsäure und einem Metall z.B.
Zink, durch die Reaktion von Eisen mit Wasserdampf und durch verschiedene andere
Techniken, die alle relativ teuer sind, hergestellt.
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Um die Kosten der Wasserstoff-Herstellung zu verkleinern, speziell
zum Gebrauch- in motorisch angetriebenen Maschinen, so ist dies in meinem früheren
Patent, US-Patent 3,648, 668 dargelegt, das einen Wasserstoff-Erzeuger beschreibt,
der eine Magnesiumelektrode und eine Kohleelektrode enthält, die in einen Salzwasser-Elektrolyten
eingetaucht sind, und einen veränderlichen Lastwiderstand, der zwischen den Elektroden
angeschlossen ist, um die Menge des erzeugten Wasserstoff es zu regulieren.Die vollständige
Darlegung im Patent
3,648,668 ist hier unter Bezugnahme eingeschlossen.
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Bei dem offenen Elektrodenkreis gibt es eine chemische Reaktion zwischen
der Magnesiumelektrode und dem Salz-Wasser-Elektrolyten, die langsam verläuft, um
Wasserstoffgas zu enwickeln. Wenn die Schaltung zwischen den Elektroden durch den
veränderlichen Lastwiderstand geschlossen wird, fließt ein elektrischer Strom mit
einer Stärke, die von dem Widerstand der Last abhängt. Die Menge der Wasserstoffproduktion
verändert sich im Verhältnis zu dem fließenden Strom, der umgekehrt verhältnisgleich
zum Wert des Lastwiderstandes ist.
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Die Kombination einer Magnesium- und Kohle- oder Stahl-Elektrode
in einem Salzwasser-Elektrolyten arbeitet wie ein galvanisches Element, und wenn
in ihr ein Strom fließt, ist die Wirkung so, daß die Magnesium-Elektrode abgebaut
wird, um Magnesium-Hydroxid zu bilden; diese Reaktion setzt sich fort, bis die Magnesium-Elektrode
völlig abgebaut ist. Da die elektrochemische Reaktion einen Anstieg der galvanischen
Spannung zwischen den Elektroden gibt, wird eine Elektrolyse des Wassers veranlaßt,
wobei Wasserstoff an der kathodischen Elektrode (Magnesium) freigesetzt wird und
Sauerstoff qil der anodischen Elektrode (Kohle oder Stahl). So werden zwei Moleküle
Wasserstoff auf jedes Molekül Sauerstoff gebildet.
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Da in der Zelle sowohl durch den Abbau von Magnesium als auch durch
Elektrolyse, bei der der Abbau des Magnesiums fortlaufend als kathodische Elektrode
dient, ist die Gesamtmenge des Wasserstoffs, der durch dieses Kombinationssystem
erhalten wird, viel größer als die, die durch die bekannte Reaktion von Magnesium
in Salzlösung erzeugt wird.
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Es wurde jedoch gefunden, daß mit einem Wasserstoff-Erzeuger des
Typs, der in meinem vorherigen Patent dargelegt ist, die Menge des erzeugten Wasserstoffes-bei
Beginn des Betriebes groß ist, aber mit fortgesetztem Betrieb diese Menge kleiner
wird, weil wegen der Polarisation und anderer Faktoren der Generator weniger wirkungsvoll
wird. Es wurde z.B. festgestellt, daß die Salzlösung, die anfänglich
neutral
ist, zundmend alkalisch wird. Wenn dies eintritt, wird die Produktion von Wasserstoff
verkleinert. Auch wird mit fortschreitendem Betrieb die Lösung erhitzt. Während
dies günstig ist bei etwa 320 bis 370 C, wird bei höherer Temperatur die Ausbeute
an Wasserstoff zunehmend kleiner.
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Im Hinblick auf das Vorherige ist es der Haupt-Gegenstand dieser
Erfindung, einen galvanischen Wasserstoff-Erzeuger zu schaffen, der eine Magnesiumelektrode
in einer Salzwasserlösung hat, um Wasserstoff sowohl durch elektrochemische Reaktion
als auch durch Elektrolyse zu erzeugen und bei dem der Wasserstoff-Ausstoß des Generators
während seiner nutzbaren Lebensdauer unvermindert bleibt.
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Spezieller ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, eine Wasserstoffzelle
des oben bezeichneten Typs zu schaffen, die in der Lage ist, Wasserstoff in großen
Mengen und zwar mit relativ geringen Kosten zu erzeugen, bei der der Salzwasser-Elektrolyt
fortlaufend umgewälzt wird, um die Polarisation und andere Faktoren, die den Ausstoß
verringern, zu verkleinem.
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Auch ist es ein Gegenstand der Erfindung, einen Wasserstoff-Erzeuger
des oben genannten Typs zu schaffen, bei dem die Spannung, die von der Zelle erzeugt
wird, dazu benutzt wird, eine Pumpe zum Umwälzen des Elektrolyten zu betreiben.
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Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Wasserstoff-Erzeuger-System
zu schaffen, bei dem die Spannung, die in einer oder mehreren Zellen, in denen Wasserstoff
elektrochemisch erzeugt wird, auch dazu dient, die Elektrolyse in diesen Zellen
und einer äußeren Elektrolysezelle zu bewirken.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserstoff-Erzeuger
geschaffen, der mindestens eine galvanische Zelle enthält, die eine aktive Magnesium-Primär-Liektrode
und eine nicht aktive Sekundär-Elektrode einschließt, die so angepaßt sind, um in
eine Salzwasserlösung, die in einem Tank enthalten ist, eingetaucht zu werden, wobei
dieser Tank einen Wasserstoffauslaß oberhalb des Elektrolyt-Spiegels hat.
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Dieser Wasserstoff-Erezuger ist weiter gekennzeichnet durch einen
veränderlichen Lastwiderstand außerhalb dieses Tanks, der mit den Elektroden verbunden
ist, die dabei einen Strom in der Zelle erzeugen, der eine verhälnisgleiche Produktion
von Wasseustorf und einen Spannungsanstieg an dem Lastwiderstand bewirkt. Weiter
hat der Wasserstofferzeuger einen aufteren Flüssisgkeitskreislauf, der mit dem oberen
und dem unteren Teil des Tanks verbunden ist und eine Pumpe hat zur fortlaufenden
Umwälzung und Kühlung des lektrolyten, Diese Pumpe ist elektrisch mit dem Lastwiderstand
verbunden, um von der Spannung, die in der Zelle erzeugt wird, versorgt zu werden.
Die Pumpe ist so in dem äußeren Kreislauf angeordnet, daß der Elektrolyt von der
unteren Zone abgesaugt und zur oberen Zone des Tanks zurückgepumpt wird. In einer
besonderen Ausführung der Erfindung ist eine galvanische Zelle, bestehend aus einer
Nagnesium-Elektrode und einer Kohle- oder Stahl-Elektrode, die ein Salzwasserbad
z.B.
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Seewasser eingetaucht sind, mit einem äußerem Kreislauf versehen,
der eine in den Kreislauf eingesetzte Pumpe hat, die vorzugsweise von der Zellenspannung
versorgt wird. Der Kreislauf zieht elektrolyt vom Boden des Bades ab und gibt ihn
zum oberen eil des Bades zurück, wobei der Elektrolyt ständig zirkuliert. Der Kreislauf
kann einen Wärmetauscher enthalten, um die Temperatur des .Jlektrolyten zu reduzieren.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung enthält der kreislauf eine
Elektrolysezelle, die ein Paar von gleichen Elektroden hat, zu denen die Spannung,
die an der Magnesiumzelle erhalten wird, geleitet wird, wobei der in der Elektrolysezelle
freigesetzte Wasserstoff dem Wasserstoff hinzugefügt wird, der in der galvanischen
Zelle erzeugt wurde, und der freigesetzte Sauerstoff word zu einem getrennten Ausgang
geleitet.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung als auch anderer Gegenstände
und weiterer Merkmale derselben wird in der folgenden Beschreibung auf die Zeichnungen
Bezug genommen.
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In den Zeichnungen ist: Figur 1 ein schematisches Diagramm einer besonderen
Ausführung der Erfindung,
Figur 2 ein schematisches Diagramm einer
anderen besonderen Ausführung der Erfindung.
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Erste Ausfiihrung: Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist dort eine asserstoff-Erzeugungs-Zelle
nach der Erfindung gezeigt, in der ein Salz-oder Seewasser-Elektrolyt in dem Tank
10 enthalten ist, der vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall hergestellt
und mit einer isolierenden Führung versehen ist; oder er ist aus einem hochfesten,
nicht korrosiven Plastikmaterial. Der Deckel 11 des Tanks 10 enthält einen Gasauslaß
12.
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Im ank 10 ist eine aktive Magnesium-Elektrode 13 gehalten und in
den Elektrolyten eingetaucht und ebenso eine inaktive Elektrode 14, die vorzugsweise
aus Kohle, Stahl oder einem anderen leitenden, nicht reaktiven Material besteht.
Der Tank ist hermetisch abgeschlossen mit Ausnahme des Gasaustritts, aus dem dem
der Wasserstoff entweicht. Die Elektroden 13 und 14 sind über einen veränderlichen
Lastwiderstand 15 verbunden. Diese Belastung kann auch ander elektrische Vorrichtungen
einschließen, wie Lampen und Motoren.
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Wenn die Elektroden durch den Lastwiderstand miteinander verbunden
sind, fließt in der Zelle ein Strom, dessen Größe vom Lastwiderstand bestimmt wird:
je höher der Widerstand umso kleiner ist der Strom. Die Rate der Wasserstoff-Produktion
ist proportional zum Stromfluß; sie wird am größten, wenn der Lastwiderstand effektiv
ein Kurzschluß ist. Um in der Praxis die Menge des erzeugten Wasserstoffs auf das
gewünschte Maß zu begrenzen, kann ein regelkreis vorgesehen werden, der entsprechend
der verlangten Menge arbeitet und den Lastwiderstand verändert, um den Bedarf zu
erreichen aber-nicht zu nicht zu überschreiten.
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Die elektrochemische Reaktion, die den Abbau der Magnesiumelektrode
begleitet, hat die Bildung von Magnesium-Hydroxid zur Folge, das auf dem Boden des
Tanks abgelagert wird, Wenn die Magnesiumelektrode verbraucht ist, muß sie ersetzt
werden. Das Magnesium-Hydroxid kann aufgearbeitet werden,
um das
Magesium zurückzugwinnen. Gleichlaufend mit der elektrochemischen Aktivität ist
die Xlektrolyse, die den Wasserstoff freisetzt. bine unbedeutende Menge von freibesetzter
Säuerstof entweicht aus der Zelle, denn der Sauerstoff nimmt an der nimmt an der
elektrochemischen Reaktion veil und bildet auch Wasserstoff-Superoxid. Da die Zelle
selbst die Spannung für die Elektrolyse erzeugt, arbeitet die Zelle als eine Selbst-Ldektrolyse,
die keine äußere Spannungsquelle benötigt.
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Wie vorher erwähnt ist der elektrolyt anfänglich neutral.
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Im Verlauf des Betriebes jedoch wird der Elektrolyt alkalisch, seine
Temperatur steigt und eine Polarisation findet statt.
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All dies wirkt vermindernd auf den Wasserstoff-Ausstoß.- Diese nachteiligen
effekte werden stark verkleinert durch einen äußeren Kreislauf 16, dessen eingang
mit dem Boden des Elekrolysebades im Tank 10, und dessen Ausgang mit dem oberen
Teil des Bades verbunden ist.
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In den Kreislauf 16 sind eingesetzt: ein Reiniger oder Fil-er 17,
um die Magnesium-liydroxid-Ablagerung zu sammeln, eine Pumpe 18, eine Wärmetauscherschlange
19 und ein Regelventil 20. Die Pumpe 18 wird mit Spannung von der Zelle 10 versorgt0
Wenn diese Spannung bei einer Xinzelzelle kleiner als 1,5 Volt ist, kann ein üblicher
Gieichspannungswandler benutzt werden, um diese Spannung auf eine höhere Betriebsspannung,
z.B. 24 Volt, zu steigern.
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Wenn die Pumpe arbeitet, wird der Elektrolyt vom Boden des Bades
abgezogen und durch das Filter 17 zur Abscheidung der enthaltenen Ablagerungen gedrückt;
danach passiert der elektrolyt die Wärmetauscherschlange 19, bevor er in den oberen
Teil des Bades zurückkommt. In dieser Art wird der elektrolyt ständig umgewälzt,
wobei er gereinigt und gekühlt wird, um den Betrieb der Zelle auf einem maximalen
Sirkun:sgrad zu halten.
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Zweite Ausführung: Die Anordnung ist in Figur 2 gezeigt; es ist eine
Gruppe von gleichen galvanischen Zellen 1, 2, 3 und 4 vorhanden.
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Die Gruppe hat einen gemeinsamen Tank 2#, der durch Zwischenwände
22, 23, 24 in vier Zellen aufgeteilt ist. Jede Zelle ist mit einer Magnesiumelektrode
Mg und einer Kohleelektrode C versehen. Die Zellen sind in Serie geschaltet und
mit einem einstellbaren Lastwiderstand 25 verbunden, sodaß die am Lastwiderstand
liegende Spannung viermal so groß ist wie die Spannung einer Einzelzelle. In der
Praxis kann die Anordnung aus einer größeren Anzahl von galvanischen Zellen bestehen.
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Die vier in dem Tank befindlichen Zellen haben einen gemeinsamen
Salzwasser-Elektrolyten; damit der Elektrolyt frei von Zelle zu Zelle zirkulieren
kann, ist jede Zwischenwand mit einer unteren Öffnung wie z.B. 22A und einer oberen
Öffnung 22B versehen, An den Tank 21 angeschlossen ist ein äußerer Kreislauf, in
dessen unterem Zweig 26A eine Pumpe 27 und in dessen oberen Zweig 26B ein Filter
28a liegt. Der Kreislauf führt durch eine Elektrolysezelle 28, die ein Paar von
getrennten Kohleelektroden Ce enthält, die voneinander durch eine Trennwand 29 isoliert
sind, die dazu dient, das an der negativen Elektrode erzeugte Wasserstoffgas von
dem an der positiven Elektrode erzeugten Sauerstoffgas zu trennen.
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Die Betriebsspannung für diese Elektrolysezelle wird am Lastwiderstand
25 abgenommen. Diese Spannung wird auch dazu benutzt, um die Pumpe 27 zu betreiben,
In der Elektrolysezelle findet keine chemische Reaktion statt, denn in dieser Zelle
ist nur Wasser, welches zersetzt wird. Da dieses Wasser von den galvanischen Zellen
kommt, wo Wasserstoff-Superoxid hergestellt wird, wird dieses Wasserstoff-Superoxid
zur Elektrolyse benutzt.
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Um den Wasserstoff von beiden, von den galvanißchen Zellen und der
Elektrolysezelle zu sammeln, ist eine Rohrverzweigung 30 vorgesehen, die mit aleen
diesen Zellen verbunden ist.
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Ein getrennter Auslaß 31 ist für den Sauerstoffaustritt vorgesehen.
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wurde im Verlauf des Betriebes festgestellt, daß der lektrolyt der
galvanischen Zellen 1, 2, 3 und 4, der anfänglich neutral ist, alkalisch wird, wogegen
der Elektrolyt in der lektrolysezelle 28 sauer wird. zeigen der fortlaufenden UX'wälzungdes
ilektrolyts von den galvanischen Zellen durch die Elektrolysezelle und zurück zu
den galvanischen Zellen bewirkt jedoch die Vermischung des sauren Elektrolyten mit
dem alkalischen Elektrolyten, daß der Elektrolyt im wesentlichen neutral bleibt,
wodurch der Wasserstoff-Ausstoß optimal gehalten wird.
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nährend bisher bevorzugte Ausführungen der Erfindung gezeigt wurden,
wird angenommen, daß viele Änderungen und Modifikationen gemacht werden können,
ohne jedoch von dem wesentlichen Erfindungsgedanken abzuweichen. während z.B.
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die Umwälzung des Elektrolyten durch eine in einem äußeren Kreislauf
eingebaute Pumpe verwirklicht wurde, kann man eine Zelle vorsehen, deren blektroden
in die offene See eintauchen in einer Anordnung, bei das salzige Sewasser frei zirkuliert,
um ein gleiches Resul-'at zu erhalten.