Fachgebiet
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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Elektrolysen, welche typischerweise die Zersetzung
eines Elektrolyten durch einen elektrischen Strom zur Folge haben, und insbesondere ein
System, in dem ein pulsierender Gleichstrom an die Elektroden in einer Elektrolysezelle angelegt
wird.
Stand der Technik
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Beim typischen Betrieb einer Elektrolysezelle wird ein elektrischer Strom erzeugt, und
Wasserstoff und Sauerstoff werden jeweils an den negativen (Kathode) und positiven (Anode)
Elektroden produziert, welche typischerweise Metallplatten sind, die in einem ausgewählten
Elektrolyt angeordnet sind. Der derart erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff kann abhängig von der
speziellen Anwendung aufgefangen und wie gewünscht verwendet werden oder er kann
verworfen werden. Viele verschiedene Elektrolysesysteme sind bekannt. Typischerweise haben die
Elektroden ein unterschiedliches Potential, aus dem ein Gleichstrom zwischen den zwei
Elektroden resultiert und folglich ein elektrischer Stromausstoß von der Zelle ausgeht.
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In einigen Anwendungen wird ein äußerer Strom an die Elektroden angelegt. Ein Beispiel eines
solchen Apparates, in welchem ein gepulster Gleichstrom verwendet wird, ist in der
US-Patentschrift Nr. 3.980.053 von Horvath beschrieben. Horvaths gepulstes Gleichstromsignal ist jedoch
durch eine hohe Frequenz und einen hohen Strom gekennzeichnet. Der Apparat ist uneffizient
und kann im tatsächlichen Betrieb ziemlich gefährlich werden. Das Ziel von Horvaths Apparat
ist die Produktion von Wasserstoff sowie Sauerstoff. Die Elektrode, die den Sauerstoff
produziert, wird in einem Zustand von Passivierung gehalten. In der US-A-4.372.828 ist ein
Verfahren zur Reaktivierung einer Anode beschrieben, bei dem das Betriebspotential der Anode
einer
Elektrolysezelle periodisch für eine Zeit reduziert wird, die ausreicht, um eine solche
Reaktivierung zu verursachen.
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Die preiswerte, sichere Produktion von Wasserstoff wird zunehmend wünschenswert, weil
Wasserstoff zusätzlich zu anderen leichten Kohlenwasserstoffgasen wie Propan und Butan als eine
preiswerte und saubere Brennquelle für Energie populär wird. Der Wirkungsgrad ist somit eine
wichtige Frage bei der Produktion von Wasserstoff, obwohl die meisten existierenden Systeme
zur Produktion von Wasserstoff, insbesondere Systeme, die in einen relativ kleinen Umfang
arbeiten, sehr uneffizient wie auch teuer sind. Ferner sind solche Systeme oft schwierig geeignet
zu überwachen, um die Sicherheit zu erhalten. Diese Nachteile haben, zusätzlich zu den
anderen, zu einem Mangel an Nachdruck und folglich Erfolg in der kommerziellen Produktion von
Wasserstoff mit Elektrol yse-Technolog ie geführt.
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In einem etwas verwandten technologischen Gebiet gibt es auch einen fortdauernden Bedarf an
preiswerten und zuverlässigen Verfahren, um Oxide oder Rückstände oder andere Schichten oder
Beläge von anorganischen Verbindungen von den Metallplatten zu entfernen, als auch einen
Bedarf an Verfahren zum Polieren oder anderweitigen Vorbereiten der Metallplattenoberflächen
in irgendeiner Art zum Galvanisieren und dergleichen. Metallplatten entwickeln bei der
Verwendung typischerweise Oxidbeläge oder andere elektrisch nichtleitende Schichten. In Autobatterien
z.B. können Bleiplatten mit einer übermäßigen Menge von Bleisulfaten überdeckt werden, bis
zu einem Punkt, wo die Batterie ihren Betrieb einstellen wird. Dies wird häufig als ein Zustand
von Passivierung bezeichnet, bei dem die Elektroden tatsächlich "passiv" werden, d.h. es fließt
kein Strom zwischen den Platten. Ein Artikel in Power Sources 8, 1981, Seiten 523 bis 534
beschreibt die Reaktivierung passivierter Elektroden unter Verwendung eines Kathodenstroms. Ein
negatives Potential von ungefähr -2 V wurde für eine beträchtliche Zeitspanne, typischerweise
Minuten, angelegt.
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Ein anderes bekanntes Beispiel eines Metalloxidbelages ist die Rostschicht, die Stahlplatten
bedeckt, ein Zustand, der in vielen Anwendungen unerwünscht ist. Bekannte Verfahren zum
Entfernen solcher nichtleitenden Beläge sind in der Regel etwas beschwerlich und ziemlich teuer.
Deshalb gibt es einen Bedarf an einem zuverlässigen Verfahren zum Entfernen solcher Beläge,
das effizient sowie relativ preiswert ist.
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Neben der Entfernung von Oxiden und anderen Belägen gibt es andere verwandte Situationen,
die Metallplatten betreffen, deren Oberfläche in einer speziellen Art und Weise zur Nutzung
und/oder Weiterbearbeitung vorbereitet werden müssen. Elektrolytisches Polieren und Beizen
sind nur zwei Beispiele für eine derartige Oberflächenvorbereitung. Beizen zum Beispiel bezieht
sich auf einen Prozeß zur gründlichen Reinigung einer Metalloberfläche, speziell Stahl, aber
ebenso anderer Metalle. Es hat in der Regel die Auflösung der vorhandenen Oxidschicht oder
Rückstände auf dem Stahl mit Mineralsäuren wie Schwefel-, Salpeter-, Chlorwasserstoff- oder
Fluorwasserstoffsäuren zur Folge.
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Ein anderes etwas verwandtes Problem, das sich mit Metalloberflächen beschäftigt, ist der
Schutz von Metalloberflächen vor Oxidation oder anderem Zersatz durch die Elektrolyse. Dies
wird im allgemeinen als Kathodenschutz bezeichnet und umfaßt den Schutz von Rohrleitungen
und Schiffsrümpfen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch
elektrisches Konditionieren von Elektroden bereitgestellt, wobei die Elektroden in einem
Elektrolyt angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode umfassen und wobei das Verfahren
gekennzeichnet ist durch die Schritte:
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Bilden eines puls ierenden Gleichspannungssignals mit besonderen Eigenschaften, welche
Impulsbreite, Spitzenspannung und Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Signals
beinhalten, wobei Werte derart ausgewählt sind, daß bei Anlegen des pulsierenden
Gleichspannungssignals an die Elektroden während des Intervalls zwischen den Impulsen, wenn das
Potential des Anodenabschnitts der Elektroden positiv gegenüber dem Wasserstoff-Standardpotential
ist, und während der Dauer jedes Impulses, wenn der Anodenabschnitt positiver gemacht wird
als während des Intervalls zwischen den Impulsen, der Anodenabschnitt der Elektrodenelemente
im wesentlichen in einem Zustand der Entpassivierung gehalten wird, wobei das spezielle, den
Anodenabschnitt umfassende Metall freigelegt bleibt, im wesentlichen kein Sauerstoff an dem
Anodenabschnitt erzeugt wird und der Anodenabschnitt während des Betriebs der Vorrichtung
verzehrt wird, und derart, daß Wasserstoff an dem Kathodenabschnitt der Elektrodenelemente
schnell erzeugt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter speziellem Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung der Kombination eines Elektroden-
Konditionierungs-Systems und einer Elektrolysezelle.
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Figur 2 ist ein vereinfachtes Schema einer Elektrolysezelle und der dazugehörigen Kammer zur
Wasserstoffspeicherung.
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Figur 3 ist ein Schaltbild des Elektroden-Konditionierungs-Systems.
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Figur 4 ist ein Diagramm, das für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die
Produktion von Wasserstoff über der Zeit zeigt, unter Verwendung des Schaltkreises der
Figur 3 und der Verwendung von Aluminiumelektroden in der Elektrolysezelle.
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Figur 5 ist ein Diagramm, das für eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
die Produktion von Wasserstoff über der Zeit zeigt, unter Verwendung des
Schaltkreises der Figur 3 und der Verwendung von Stahlelektroden in der Elektrolysezelle.
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Figur 6 ist ein Diagramm, das für die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform die
Ausgangsspannung über der Zeit zeigt.
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Figur 7 ist ein Diagramm, das für die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform den
Ausgangsstrom über der Zeit zeigt.
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Figur 8 ist ein Diagramm, das für die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform die
Ausgangsspannung über der Zeit zeigt.
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Figur 9 ist ein Diagramm, das für die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform den
Ausgangsstrom über der Zeit zeigt.
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Figur 10 ist eine Tabelle, die die Ergebnisse von Versuchen darstellt, die an einer
Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, unter
Verwendung des Schaltkreises der Figur 3 und sowohl Aluminium- als auch
Stahlelektroden, jeweils in der Elektrolysezelle.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Gemäß den Figuren 1 und 2 wird ein Elektroden-Konditionierungs-System in Bezug auf eine
Elektrolysezelle und eine Kammer zur Speicherung des während des Betriebs des Systems
erzeugten Wasserstoffs in vereinfachter Form dargestellt. Der Elektroden-Konditionierungs-
Schaltkreis, dargestellt als Block 10 in Figur 1, arbeitet mit einer Wechselspannungsquelle 12.
Der Ausgabe des Elektroden-Konditionierungs-Schaltkreises 10 an den Leitungen 14 und 16 ist
ein gepulster Gleichstrom. Leitung 14 ist mit einer ersten Gruppe von Platten 17 in einer
Elektrolysezelle verbunden, die insgesamt mit 18 bezeichnet ist. Leitung 16 ist mit der anderen
Gruppe von Platten 20 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform umfassen die Platten
17 die Kathode und die Platten 20 die Anode.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die Platten 17 und 20 vier rechteckige
Aluminiumoder Stahlplatten, die ungefähr 4,3 cm breit, 0,1 cm dick und 15 cm lang sind und die in einem
Elektrolyten 28 vertikal montiert sind, so daß ungefähr 13,5 cm von jeder Platte eingetaucht
sind. Die Platten sind 1,1 cm voneinander entfernt. Die zwei Platten 17 - 17, die die Kathode
umfassen, sind durch die Leitung 24 parallel verbunden, während die zwei anderen Platten 20
- 20, die die Anode umfassen, durch die Leitung 26 parallel verbunden sind. Der Elektrolyt 28,
in dem die Platten montiert sind, ist im wesentlichen Salzwasser, insbesondere sind in der
dargestellten Ausführungsform ungefähr 36 Gramm Speisesalz in 1600 Milliliter Leitungswasser
aufgelöst.
Ebenso gibt es in dem in Figur 1 dargestellten Schaltkreis einen Widerstand 30 und ein
Amperemeter 32. Der Widerstand dient, wenn notwendig, zum Ausgleichen des Schaltkreises, und das
Amperemeter dient zur Anzeige der Strommenge im Schaltkreis. Keines dieser Elemente ist
jedoch für die Erfindung unbedingt notwendig.
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Aus der Elektrolysezelle 18 heraus erstreckt sich, wie in Figur 2 dargestellt, eine Leitung 34,
die mit einem Zylinder 36 oder einem anderen Behälter verbunden ist. Der Zylinder 36 ist
vollständig mit Wasser gefüllt. Wasserstoffgas, das während des nachfolgend beschriebenen
Prozesses produziert wird, tritt aus der Elektrolysezelle 18 durch die Leitung 34 aus und wird im
Zylinder 36 gespeichert.
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Es versteht sich, daß der Elektrolysezellenabschnitt des Systems, wie er hier beschrieben ist,
ebenso wie der Apparat zur Speicherung des produzierten Wasserstoffgases, ziemlich
herkömmlich sind und daß anders konstruierte Anordnungen und Konfigurationen verwendet werden
können. Es versteht sich weiterhin, daß die Elektrolysezelle im Grunde genommen jede Größe
annehmen kann, einschließlich einer bedeutend größeren als hier beschrieben. Die Konfiguration
der Elektrolysezelle in der dargestellten Ausführungsform dient nur zum Zwecke der
Erläuterung.
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Der in Figur 10 dargestellte Elektroden-Konditionierungs-Schaltkreis ist mit den Anschlüssen
27, 29 der Zelle von Figur 2 verbunden, um die gewünschten Ergebnisse zu produzieren. Wenn
die Schalter 31a, 31b geschlossen sind und die Schalter 33a, 33b offen sind, ist ein Anschluß
positiv und der andere negativ. Wenn die Schalter 31a, 31b offen sind und die Schalter 33a, 33b
geschlossen sind, trifft das Gegenteil zu, so daß die Platten 17 - 17 und 20 - 20 jeweils entweder
als Kathode oder als Anode in der Elektrolysezelle dienen können. Die Elektrolysezelle kann so
angeordnet werden, daß gegenüberliegende Seiten einer einzelnen Platte jeweils als Kathode und
als Anode dienen können, d.h. bipolare Elektroden.
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Der Elektroden-Konditionierungs-Schaltkreis 10 ist in Figur 3 detaillierter dargestellt. Eine 120-
Volt-Wechselspannung wird an die Primärwicklung 38 eines mittenangezapften Transformators
40 angelegt. Ein Schalter 42 kontrolliert den Ein-/Aus-Betrieb des Schaltkreises 10 und die
Neonröhre 44 zeigt den Betriebszustand an. Eine träge Sicherung sorgt für den Schutz des
Schaltkreises 10.
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Die Ausgabe der Sekundärwicklung 46 des Transformators 40 ist ein
25-Volt-Wechselstromsignal, das durch die Dioden 49 und 50 gleichgerichtet wird und damit ein pulsierendes
Gleichstromsignal mit 18-Volt-Spitzen ergibt. Dieses pulsierende Gleichstromsignal wird durch
einen Kondensator 52 geglättet, welcher in der dargestellten Ausführungsform ziemlich groß ist,
in einer Größenordnung von 0,037 Farad. Dieses Signal wird an den Eingang eines
Spannungsregler gelegt, der aus einem Operationsverstärker 54 und sich anschließendem
Rückkopplungskondensator 56 besteht. Die Ausgabe des Spannungsreglers ist ein stabiles
12-Volt-Gleichstromsignal auf Leitung 58.
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Der Zeitschaltkreis 60, an dem das Signal von Leitung 53 anliegt, besteht im großen und ganzen
aus zwei Zeitschaltkreisen in einem einzelnen integrierten Schaltkreischip. In der dargestellten
Ausführungsform ist das ein von Intercell Corporation hergestellter NE/5E556 oder ein
gleichwertiger, wie z.B. TLC 556 von Radio Shack. Als Rückwirkung auf das Eingangssignal von
Stift 14 ist die Ausgabe des ersten Zeitschaltkreises eine Rechteckwelle, die von einer seriellen
RC-Schaltung bestimmt ist, die aus einem regulierbaren Widerstand 62 und Kondensator 64
besteht. Das Rechteckwellen-Signal an Stift 5 wird durch eine parallele RC-Schaltung geformt, die
aus einem regulierbaren Widerstand 66 und Kondensator 68 besteht, um eine relativ kurze
Spannungsspitze zu jedem Zeitpunkt zu erzeugen, wenn die Rechteckwelle vom Zeitschalter 60 am
Stift 5 positiv wird.
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Die Spannungsspitze wird verwendet, um den Transistor 70 zu steuern, der mit dem Widerstand
72 einen monostabilen Multivibrator bildet, der, wenn er ausgelöst wird, nachfolgend einen
Ausgabeimpuls einer ausgewählten Dauer erzeugt. Die Breite dieses Impulses wird durch die
Werte des regulierbaren Widerstandes 74, Widerstandes 76 und Kondensators 78 festgelegt. Der
Widerstand 76 hat in der dargestellten Ausführungsform 220 Ohm und der Kondensator 78 hat
0,7 Mikrofarad. Die Impulsfolge des Kondensators 70 wird an den Transistor 84 angelegt, der
nachfolgend den Ausgang des Transistors 86 steuert.
Der Transistor 86 arbeitet als ein Ausgangsstromschalter. Wenn der Transistor 86 an ist, tritt
zwischen den Ausgängen 88 und 90 eine Gleichstromausgabe ausgewählter Größe auf. Transistor
86 wird so gesteuert, daß die Ausgabe ein pulsierendes Gleichstromsignal mit einer ausgewählten
Impuls-Wiederholrate und Impulsbreite ist. Der Widerstand 92 und das Meßinstrument 94 sind
verbunden, um eine direkte Anzeige des Durchschnittstroms bereitzustellen, mit dem die
Elektrolysezelle versorgt wird.
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Die Ausgangspunkte 88 und 90 sind mit der Elektrolysezelle verbunden, wie in den Figuren I
und 2 dargestellt ist. Die Spitzenspannung, Impuls-Wiederholungsrate, Impulsbreite und
Impulsdauer (Arbeitszyklus) des Gleichstrom-Impulssignals an den Ausgängen 88 und 90 kann durch
die Regulierung der verschiedenen Elemente wie oben beschrieben variiert werden. In der
dargestellten Ausführungsform werden eine oder mehrere der Signalcharakteristika, insbesondere die
Spitzenspannung und die Impulsdauer gesteuert, wie unten detaillierter erklärt wird, so daß die
Verwendung des Signals an den gegebenen Elektroden in einem gegebenem Elektrolyten zur
Produktion von Wasserstoff an der einen Elektrode und zur Fortsetzung der Entpassivierung der
anderen Elektrode führen wird.
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Beim Depassivierungsprozeß werden Oxide und andere Oberflächenbedeckungen, wie Beläge
anorganischen Materials oder spezielle Überreste wie Rost oder andere Rückstände von der
Oberfläche entfernt, und das blanke Material darunter, das die Elektrode umfaßt, bleibt im
wesentlichen in einem freigelegten Zustand, so daß die Elektrode sich zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen weiterhin entladen kann. Anstatt beständig zu sein, löst sich die Oberfläche
der Elektrode auf diese Weise auf oder korrodiert. Typischerweise entsteht, wenn überhaupt,
relativ wenig Sauerstoff an der entpassivierten Elektrode, so daß die Elektrode nicht die
Möglichkeit hat, sich durch die Bildung einer Oxidoberfläche "selbst zu heilen". Solch ein
Prozeß läßt die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei
Metalloberflächen-Reinigungsanwendungen zu, wie das Oberflächen-Polieren oder Beizen von Stahl oder anderen Metallen.
Diese Merkmale werden unten detaillierter besprochen, wie auch die hohen Energie- und
Stromwirkungsgrade, die mit der vorliegenden Erfindung aufgrund der mit einem relativ
geringen Stromeingang erzeugten Wasserstoffmenge möglich ist.
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Die Figuren 4, 6 und 7 sind Diagramme, die die Ergebnisse darstellen, die man bei einer
Verbindung der Elektrolysezelle und einem Elektroden-Konditionierungssystem wie oben
beschrieben erhält, unter Verwendung von Aluminiumelektroden in der Elektrolysezelle. Figur 4
zeigt die Produktion von Wasserstoff über der Zeit in Bezug auf den
Elektroden-Konditionierungs-Schaltkreis von Figur 3, wobei der Signalausgang (Spannung und Strom über der Zeit) zur
Elektrolysezelle der Figuren 6 und 7 dargestellt wird.
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Insbesondere auf Figur 6 bezugnehmend ist der Schaltkreis von Figur 3 so angeordnet, um einen
Spannungsimpuls von ungefähr 0,7 Volt Spitze mit einer Impulsbreite von 0,075 Millisekunden
zu erzeugen. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen ist 3,39 Millisekunden, was eine
Impulsdauer von ungefähr 0,02 ergibt. Die korrespondierenden Strom-Signal-Pegel sind in Figur
7 dargestellt.
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Beim Betrieb wird als Reaktion auf das elektrische Signal der Figur 6 eine Gruppe von
Aluminiumplatten als Kathode und die andere als Anode polarisiert, was zur Produktion einer Art von
Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid, d.h. Al&sub2; O&sub3; oder Al(OH)&sub3; an der Anode und von
Wasserstoff an der Kathode führt. Während des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden
elektrischen Impulsen des Schaltkreises der Figur 3, hält die Reaktion der Elektroden in der
Elektrolysezelle an, ohne daß äußere elektrische Energie angelegt wird.
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Die Produktion von Wasserstoff und Aluminiumhydroxid während des Intervalls zwischen von
außen angelegter elektrischer Energie wird als Elektrolyse-Entladen bezeichnet, d.h. die
Elektroden "entladen" sich tatsächlich. Die Repolarisation bezieht sich auf das Zeitintervall,
während dem an die Elektroden elektrische Energie angelegt wird, d.h. in Intervallen von 3,39
Millisekunden in Figur 6.
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Wie oben dargelegt wurde herausgefunden, daß das in Figur 6 dargestellte Gleichstrom-Impuls-
Muster die Passivierung der Aluminiumelektrode verhindert und die Fortsetzung des Elektrolyse-
Entladens der Zelle sichert. Die Elektrodenoberfläche bleibt im wesentlichen blank und es wird
relativ wenig Sauerstoff produziert, wenn überhaupt.
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Die Spannungsspitze der Figur 6 der dargestellten Ausführungsform reicht aus, um Al(OH)&sub3; zu
produzieren. Der Voltspitzenwert stellt die minimale Antriebsspannung dar, um die Reaktion der
Aluminiumelektroden aufrechtzuerhalten. Bei einer genügend höheren Sp itzenspannung werden
verschiedene Aluminiumoxide oder -hydroxide oder sogar Sauerstoff produziert, was in
bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann. Jedoch ist es in vielen Anwendungen
nützlich, die Spannungs- und Strom-Pegel relativ gering zu halten, um so den Energiewirkungsgrad
zu maximieren und keinen Sauerstoff zu erzeugen.
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Die Reaktion an der Anode in der dargestellten Ausführungsform ist 2Al - 6e&supmin; T 2Al³&spplus;,
während an der Kathode die Reaktion 6H&spplus; + 6e&supmin; T 3H&sub2; ist. Die gesamte Reaktion ist 2Al + 6
H&sub2;O T 2Al(OH)&sub3; + 3H&sub2;. Bei dieser Ausführungsform kann es somit sein, daß relativ kleine
Mengen Sauerstoff produziert werden, wenn überhaupt. Außer den anderen, oben diskutierten
Vorteilen in Zusammenhang mit Reinigung und Depassivierung, erhöht dies die innere Sicherheit
der Apparatur. Sauerstoff kann, wenn gewünscht, durch Erhöhung der Antriebsspannung auf die
benötigten, bekannten Pegel, produziert werden.
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Eine ähnliche Diagramminformation ist in den Figuren 5, 8 und 9 für herkömmliche
Hochqualitätsstahl-Elektroden gegeben. Figur 5 stellt die Produktion von Wasserstoff über der Zeit dar,
für ein Spannungs-Konditionierungssignal wie es in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist.
Insbesondere auf Figur 8 bezugnehmend, ist die Spitzenspannung des Impulses 1,2 Volt, was etwas
mehr ist als die Spitzenspannung für die Aluminiumelektroden-Ausführungsform. Die
Impulsbreite von 0,89 Millisekunden ist wesentlich breiter als für die
Aluminiumelektroden-Ausführungsform, obwohl die Impulsdauer des Signals ungefähr gleich ist. Der Spitzenstrom der
Impulse ist auch größer, ungefähr 2,5 Ampere gegenüber 1,0 Ampere. Der Energiewirkungsgrad
jedoch ist bis zu 100 % und sogar größer.
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Die Reaktion an der Anode ist Fe - 2e Fe²+, während die Reaktion an der Kathode 2H&spplus; +
2e&supmin; T H&sub2; ist. Die gesamte Reaktion ist Fe + 2H&sub2;O T Fe(OH)&sub2; + H&sub2;. Wieder wird sehr wenig
oder gar kein Sauerstoff an den festgestellten Spitzenspannungs-Pegel produziert. Höhere
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Spitzenspannungen führen jedoch zur Produktion von Fe(OH)&sub3; und bei noch höheren Pegeln wird
O&sub2; produziert.
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Die vorliegende Erfindung hat einen sehr hohen Energie- und Stromwirkungsgrad. Figur 10 ist
eine Tabelle, welche ein repräsentatives Beispiel von Versuchsergebnissen bei der Kombination
der Elektrolysezelle und dem Elektroden-Konditionierungssystem der Figur 3 darstellt, mit dem
zu den Figuren 6 bis 9 in Übereinstimmung stehenden Ausgangssignal. Figur 10 zeigt auch
entsprechende Berechnungen zum Energiewirkungsgrad und Stromwirkungsgrad bei der
Verwendung der für Strom und Spannung erhaltenen Werte.
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Die bekannte Formel für den Stromwirkungsgrad (CE) in Prozent, bezüglich der
Wasserstoffproduktion ist:
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CE = 8.616H (60) (100) / Iav (3600) (5)
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= 14.36H / Iav (t)
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wobei H in Millilitern für ein spezielles Zeitintervall (t) und !av in Ampere angegeben ist.
Weiterhin ist aus "Perrys Chemical Engineering Handbook" bekannt, daß 11.477 kWh/m³ (325
kwh/cu.ft) der maximale Heizwert von Wasserstoff ist. Das entspricht 0.00336 Watt hr/ml
Wasserstoff. Der Energiewirkungsgrad (EE), in Prozent, ist demnach:
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EE = 0.0036H (60) (100) / Iav (Vpk) (t)
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= 20.16H / Iav (Vpk) (t)
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Wie in Figur 10 dargestellt, kann der Energiewirkungsgrad für die vorliegende Erfindung 100 %
oder, unter speziellen Umständen, sogar viel höher sein. Andere Schaltkreiskonfigurationen, die
andere Metalle als Elektroden und andere Elektrolysezellen-Konfigurationen benutzen, können
etwas unterschiedliche Wirkungsgrade haben.
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In den vorstehend angegebenen Ausführungsformen ist ein primärer Zweck, hochqualitativen
Wasserstoff bei einem hohen Energiewirkungsgrad auf eine relativ sichere Art zu produzieren.
Diese Ausführungsformen haben Anwendungen, die unter anderem ein tragbares Brennelement
einschließen, bei dem Wassergas die Energiequelle ist, oder als ein Mittel um Wasserstoff an
einer entfernten Stelle direkt zu produzieren, was die Notwendigkeit, Wasserstoff an die Stelle
zu transportieren, beseitigt.
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Außer zur Produktion von Wasserstoff kann die Erfindung als ein relativ preiswertes Mittel zur
Produktion verschiedener Metallhydroxide oder -oxide, wie Aluminiumhydroxid, benutzt
werden, abhängig von dem Metall, das für die Elektroden verwendet wird. Solche Hydroxide/Oxide
haben mehrere verschiedene gewerbliche Verwendungen.
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In anderen Anwendungen, die die vorliegende Erfindung einbeziehen, müssen der Energie- oder
Stromwirkungsgrad nicht die wichtigsten Faktoren sein. Zum Beispiel sind in Anwendungen, die
die Metalloberflächenbehandlungen betreffen, sind andere Faktoren als ein hoher
Energiewirkungsgrad ziemlich wichtig; dies umfaßt speziell das Entfernen von Metalloxiden oder
anorganischen Verbindungen oder anderen Rückständen oder Überresten, wie beispielsweise Rost,
von Platten oder das Beizen von Stahl oder anderen Metallen oder das Rekonditionieren von
Batterien durch das Entfernen von Bleisulfaten von den Platten oder das Metall-Entgalvanisieren
oder das Elektropolieren oder das Ätzen, um Metalloberflächen zu reinigen und vorzubereiten,
hauptsächlich für die weitere Bearbeitung, wie Galvanisieren. Die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung können als ein schnelles, preiswertes und praktisches Mittel genutzt werden, um die
obigen Funktionen zu erreichen. Dies wird durch das Regulieren einer oder mehrerer
Eigenschaften des Signals, z.B. der Impulsdauer, der Spitzenspannung und der Impuls-Wiederholrate
erreicht, um die spezielle Anwendung abzustimmen. In Bezug auf die Impulsdauer z.B. läge ein
normaler Regulierbereich zwischen etwas unter 2 % bis 10 %, wobei eine höhere Impulsdauer
einen geringeren Nutzwirkungsgrad zur Folge hat. Jedoch in verschiedenen Anwendungen, wie
Stahlbeizen und Rekonditionierung von Bleisäure-Batterien, wird die Impulsdauer typischerweise
höher sein, z.B. 35 % mit einem möglichen Bereich von 30 % bis 40 %.
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Darüber hinaus können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung genutzt werden, um einen
Kathodenschutz für Rohrleitungen und Boote zu sichern, indem der Strom auf ein ausreichendes
Niveau reguliert wird, um die Korrosion des Kathodenelementes zu stoppen oder signifikant zu
reduzieren.
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Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hier zur Erklärung
dargestellt wurde, versteht es sich, daß verschiedene Änderungen, Modifikationen und Ersetzungen
in einer solcher Ausführungsform vorgenommen werden können.