DE69824204T2

DE69824204T2 - Wasserstoffofen mit sichtbaren flammen

Info

Publication number: DE69824204T2
Application number: DE69824204T
Authority: DE
Inventors: S. John Onehunga FLEMING; Morris Arthur LISTER
Original assignee: QUEENSTOWN TRUST; QUEENSTOWN TRUST AUCKLAND
Current assignee: QUEENSTOWN TRUST; QUEENSTOWN TRUST AUCKLAND
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: WO1999032832A2; AU1930499A; EP1060350A4; EP1060350A2; DE69824204D1; CA2356146C; ATE267985T1; EP1060350B1; US6474330B1; WO1999032832A3; CA2356146A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf einen mit Wasserstoff betriebenen Gaskamin und insbesondere auf einen Gaskamin gerichtet, der mit Wasserstoff betrieben wird, der durch einen kleinen Elektrolyseapparat erzeugt wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gaskamine sind heute in vielen Wohnungen alltäglich. Sie können die Vorteile von echtes Holz verbrennenden Kaminen ohne irgendeinen der Nachteile, wie das Befördern von Holzklötzen und Beseitigen von Ruß, bereitstellen. Um Flammen zu erzeugen, sind die Kamine mit einem oder einer Vielzahl von Brennern ausgestattet. Jeder Brenner weist typischerweise einen Gaseinlass und eine Vielzahl von Auslassöffnungen auf. Gas tritt in den Brenner über den Gaseinlass ein. Das Gas wird gezündet und es verlässt die Auslassöffnungen. Herkömmliche Gaskamine verbrennen Gase, wie Erdgas, was zu einer Erzeugung von unerwünschten Emissionen, wie Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Distickstoffoxid, führt. Somit besteht ein Bedarf für einen Gaskamin, der keine Emissionen erzeugt, beispielsweise indem er Wasserstoff verbrennt.
Die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung eines Elektrolyseapparats ist nicht neu, war jedoch vorher auf Anwendungen in industriellem Ausmaß beschränkt, die große Anzahlen von Zellen (typischerweise 150) in Reihe bedeuten, um die Gesamtspannung (annähernd 2 Volt pro Zelle) zur notwendigen Spannung aufzubauen. Es gibt zwei allgemeine Arten von Elektrolyseapparaten, unipolare Elektrolyseapparate und bipolare Zellen bzw. Filterpressen-Elektrolyseapparate. Filterzellen-Elektrolyseapparate haben mehrfache Zellen in Reihe, so dass der normale Strom von einer Endplatte durch jede Zelle zur entgegengesetzten Endplatte fließt. Herkömmliche Elektrolyseapparate weisen Zellen auf, die über ein Elektrolyt- Verteilungssystem miteinander verbunden sind, das Kanäle oder Leitungen am oberen Teil der Zelle für die Entnahme von Gas und Elektrolyt und am unteren Teil jeder Zelle für die Rückführung von Elektrolyt umfasst. Mit anderen Worten, die Elektrolyt-Verteilungssysteme sind nicht für jede Zelle einzeln. Eines der mit solchen herkömmlichen Systemen verbundenen Probleme ist, dass es zusätzlich zum normalen Stromfluss auch parasitäre Flüsse über die Kanäle oder Leitungen gibt, die sich durch benachbarte Zellen für die Entnahme von Gasen und die Rückführung der Elektrolytzufuhr erstrecken. Die parasitären Flüsse haben zwei negative Wirkungen. Erstens verringern sie den Wirkungsgrad der Zellensysteme, weil der parasitäre Stromfluss Wärme erzeugt anstatt Gas zu produzieren. Wenn die Zellen in nicht in Gebrauch sind, können zweitens umgekehrte Potenziale über die parasitären Kanäle erzeugt werden, die eine Korrosion und Deaktivierung hervorrufen. Somit besteht ein Bedarf für ein kostengünstigeres Elektrolyseapparatesystem, insbesondere eines, das parasitäre Stromflüsse verringert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige Einrichtung zum Erzeugen von Wasserstoffgas bereit, die besonders bei häuslichen Anwendungen nützlich ist, insbesondere einen mit Wasserstoff betriebenen Gaskamin. Die Wasserstoff erzeugende Einrichtung umfasst einen Filterpressen-Elektrolyseapparat, der Wasserstoff aus einer Elektrolytlösung erzeugt und eine relativ geringe Größe, z.B. etwa 600 mm² aufweist und somit für den häuslichen Gebrauch geeignet ist. Geeignete häusliche Anwendungen umfassen Öfen zum Kochen und dergleichen, sowie Gaskamine.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Filterpressen-Elektrolyseapparat wie in Anspruch 1 beansprucht bereitgestellt.
Jedes von Kathode, Anode, Membran, erste Dichtung und zweite Dichtung kann wenigstens ein Elektrolytrücklaufloch enthalten, um wenigstens einen Elektrolyt-Rückströmpfad zu bilden, der sich von den Wasserstoff- und Sauerstoffabscheidungstanks zu der und durch die Reihe von Zellen erstreckt, um Elektrolyt zurückzuführen, der durch den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff zu den Abscheidungstanks getragen wird. Vorzugsweise befinden sich der Wasserstoffabscheidungstank und der Sauerstoffabscheidungstank direkt neben den Zellen. Diese Gestaltung gestatt, dass die Eleketrolytlösung im Elektrolyseapparat ohne die Verwendung einer Pumpe zirkuliert, die erforderlich sein kann, wenn sich die Abscheidungstanks nicht in enger Nachbarschaft befinden.
Die Strömungspfade des Elektrolyseapparats können isoliert sein, um die Erzeugung von parasitären Strömen zu verringern. Insbesondere ist jeder Wasserstoffgas-Strömungspfad, jeder Sauerstoffgas-Strömungspfad und jeder Elektrolyt-Rückströmpfad wenigstens teilweise und vorzugsweise vollständig mit einem Isoliermaterial ausgekleidet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des oben beschriebenen Elektrolyseapparates ist ein mit Wasserstoff betriebener Kamin. Der Kamin umfasst einen Feuerraum, einen Brenneraufbau in dem Feuerraum und eine Einrichtung, um Wasserstoffgas zu erzeugen und erzeugtes Wasserstoffgas auf den Brenner zu richten. Das Verbrennen von Wasserstoffgas im Feuerraum in Gegenwart von Sauerstoff ruft eine Flamme hervor. Bevorzugte Einrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoffgas umfassen die oben beschriebenen Gestaltungen von Elektrolyseapparaten.
Gmäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Kamine sind in der Lage, aus Wasser und Elektrizität eine Flammenwirkung hervorzurufen. Darüber hinaus erzeugt der Kamin im Wesentlichen keine Emissionen, was Kohlenstoffablagerungen vermeidet, eine ernste Sorge, wenn auf Kohlenstoff basierende Brennstoffe, wie Naturgas, verbrannt werden. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Kamins ist, dass die Wasserstoffflamme eine natürlichere Flamme erzeugt, was den Anschein schafft, dass die Flamme aus den Scheiten heraus und um sie herum "züngelt".
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kamin eine erste Sammelkammer, die mit dem Inneren des Feuerraums in Fluidverbindung steht und sich über, hinter und unter dem Feuerraum erstreckt. Am Boden der ersten Ssammelkammer befindet sich ein Sammelbecken. Wasserdampf, der durch das Verbrennen von Wasserstoff in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt wird, fällt in der Sammelkammer hinter dem Feuerraum in das Sammelbecken, um somit den Wasserdampf zurückzuführen.
In einer stärker bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kamin ferner eine zweite Sammelkammer für Raumluft, die sich hinter der ersten Sammelkammer und über und unter dem Feuerraum befindet. Die zweite Sammelkammer ist über und unter dem Feuerraum für die Raumluft außerhalb des Feuerraums offen. Raumluft strömt in den unteren Abschnitt der zweiten Sammelkammer, strömt durch den hinteren Abschnitt der zweiten Sammelkammer hinter dem Feuerraum nach oben, wo sie durch die Wärmeverbrennungsprodukte in der ersten Sammelkammer erwärmt wird, und durch den oberen Teil der zweiten Sammelkammer mit einer erhöhten Temperatur hinaus. Durch diese Gestaltung wird eine Wärmetauscherwirkung geschaffen. Vorzugsweise ist die erwärmte Raumluft, die den Kamin verlässt, im Allgemeinen nach unten gerichtet. Somit scheint es, dass die vom Kamin erzeugte Wärme direkt vom Feuer kommt.
Der Elektrolyseapparat kann durch ein unabhängiges Energiemodul gespeist werden, das ein Gehäuse mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen umfasst. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein Vollweggleichrichter, der mit dem Eingangsanschluss des Gehäuses verbunden ist. Der Ausgang des ersten Vollweggleichrichters ist an einen Zerhacker gekoppelt. Der Zerhacker hat einen Ausgang mit variablem Lastspiel bzw. variabler relativer Einschaltdauer. Der abgeschnittene Ausgang bzw. die zerhackte Ausgabe wird auf die Primärwicklung eines Transformators gegeben. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit einem zweiten Vollweggleichrichter verbunden. Der Ausgang des zweiten Vollweggleichrichters ist mit dem Ausgangsanschluss des Gehäuses verbunden. Wenn bei dieser Ausführungsform eine Wechselspannung an den Eingangsanschluss angelegt wird, erscheint am Ausgangsanschluss eine gleichgerichtete Sinuswellenform.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Kamins gemäß der Erfindung von der Seite ist.
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Kamins gemäß der Erfindung von oben ist.
3 eine schematische Querschnittsansicht eines Kamins gemäß der Erfindung von vorn ist.
4 eine weitere schematische Querschnittsansicht eines Kamins gemäß der Erfindung von der Seite ist.
5A eine Darstellung ist, die den Aufbau der Zellen des Elektrolyseapparats der Erfindung zeigt.
5B eine schematische Querschnittsansicht der Wasserstoff- und Sauerstoffleitungen des Elektrolyseapparats ist.
5C eine schematische Querschnittsansicht der Elektrolytleitungen des Elektrolyseapparats ist.
6A eine schematische Querschnittsansicht des Elektrolyseapparats und der Abscheidungstanks der Erfindung von oben ist.
6B eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Elektrolyseapparats und der Abscheidungstanks der Erfindung von oben ist.
7 ein Flussdiagramm ist, das die Beziehungen zwischen den Komponenten des Kamins und den Komponenten der Brennstoffzellen beschreibt.
8 ein Flussdiagramm ist, das die bevorzugte Energiequelle gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
9A ein Timingdiagramm ist, das die Wellenform der Spannung an einer Stufe im Energiemodul zeigt.
9B ein Timingdiagramm ist, das die Wellenform der Spannung an einer weiteren Stufe im Energiemodul zeigt.
9C ein Timingdiagramm ist, das die Wellenform der Spannung an einer weiteren Stufe im Energiemodul zeigt.
10 eine schematische Seitenansicht eines Flammenrückschlagsicherungssystems gemäß der Erfindung ist.
11 eine schematische Querschnittsansicht von der Seite ist, die darstellt, wie Separatoren im Inneren und an den Endplatten angeordnet sind.
12 eine schematische Seitenansicht von zwei Dichtungen in Kontakt mit einer dazwischenliegenden Zellenplatte ist.
13 eine schematische Seitenansicht der beiden Dichtungen im Kontakt mit einer dazwischenliegenden Zellenplatte von 12 ist, wenn die Zellen zusammengepresst sind.
14 eine schematische Seitenansicht eines bevorzugten Brenneraufbaus gemäß der Erfindung ist.
15 eine schematische Seitenansicht eines alternativen Brenneraufbaus gemäß der Erfindung ist.
16 eine Querschnittsansicht des Brenneraufbaus von 15 entlang Linie 16-16 von der Seite ist.
17 eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brenneraufbaus gemäß der Erfindung von der Seite ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform eines mit Wasserstoff betriebenen Kamins gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 bis 4 dargestellt. Der Kamin umfasst ein Gehäuse 12, das einen Feuerraum 14, einen Elektrolyseapparat 15, der eine Reihe von Elektrolysezellen 14 umfasst, und ein Energiemodul 110.
Das Gehäuse 12 umfasst zwei Seitenwände 18, eine Rückwand 19, eine obere Wand 20 und eine Bodenwand 21. Die Vorderseite des Gehäuses 12 umfasst eine Vorderwand 22, wobei die Mitte der Vorderwand 22 ein Fenster bildet, um es Benutzern zu gestatten, in den Kamin 10 zu schauen. Das Fenster der Vorderwand 22 ist vorzugsweise mit einer Glasscheibe 24 überspannt. Alternativ kann das Fenster völlig offen sein. Der untere Teil der Vorderwand 22 enthält ein Gitter 23, um zu gestatten, dass Raumluft in eine Sammelkammer für Raumluft zwischen dem Boden 21 des Gehäuses 12 und dem Boden des Feuerraums 14 eintritt, wie unten weiter beschrieben. Die Wände 18, 19, 20, 21 und 22 können aus irgendeinem geeigneten feuerfesten Material und sogar aus Glas sein, wenn gewünscht. Beispielsweise kön nen die Wände aus gegossenem feuerfestem Material, um wie Ziegelstein auszusehen, schwarz angestrichenem korrosionsbeständigem Stahl oder reflektierendem Material, wie rostfreiem Stahl oder lackiertem bzw. emailliertem Stahl bestehen. Vorzugsweise bestehen die Wände aus chemisch aufgehelltem, klar eloxiertem, poliertem Aluminium, um die Illusion eines größeren Kamins zu geben.
Der Feuerraum 14 befindet sich im vorderen Teil des Gehäuses 12 im Allgemeinen hinter dem Fenster der Vorderwand 22. Der Feuerraum 14 umfasst zwei Seitenwände 26, eine Rückwand 27 und eine Bodenwand 28. Wenn gewünscht kann der Feuerraum 14 eine oder mehrere Wände mit dem Gehäuse 12 gemeinsam haben. Der obere Teil des Feuerraums 14 umfasst eine Öffnung. Die Mitte der Vorderwand 22 des Gehäuses 12, die in der dargestellten Ausführungsform eine Glasabdeckung 24 ist, bildet einen Teil der Vorderwand des Feuerraums 14. Am unteren Teil des Feuerraums 14 ist ein Brenner 32 bereitgestellt, wobei ein oder mehrere Scheite 30 über dem Brenner 32 bereitgestellt sind. Die Scheite 30 sind für ästhetische Zwecke bereitgestellt und können aus irgendeinem geeigneten feuerfesten Material bestehen, wie beispielsweise gegossenem farbigem Beton oder Keramik. Der Brenner 32 befindet sich vorzugsweise unter den Scheiten 30, um eine sichtbare Flamme zu erzeugen, die so angeordnet ist, dass sie von direkt unter und vorzugsweise zwischen den Scheiten 30 züngelnd herauskommt. Alternativ können eines oder mehrere der Scheite 30 ein Loch enthalten, in das oder unter das sich der Brenner 32 erstreckt. Wenn gewünscht können an Stelle der oder in Kombination mit den Scheiten imitierte Kohlen verwendet werden. Außerdem können Materialien, wie Salze und Oxide, den Scheiten und Kohlen hinzugefügt werden, um die Flammenfarbe zu verstärken.
Der Elektrolyseapparat 15 befindet sich im Gehäuse 12 hinter dem Feuerraum 14. Zwischen dem Feuerraum 14 und den Zellen 16 ist ausreichend Platz bereitgestellt, um drei Sammelkammern für einen Gasstrom zu gestatten, eine Wärmetauscherwirkung _zu schaffen, die unten ausführlicher beschrieben ist. Eine erste Sammelkammer 34 steht mit dem Inneren des Feuerraums 14 in Fluidverbindung, wobei sie sich über, hinter und unter dem Feuerraum erstreckt. Wie er hier verwendet wird, soll der Begriff "in Fluidverbindung stehen" bedeuten, in einer Weise verbunden zu sein, die das Hindurchströmen von Flüssigkeiten und/oder Gasen gestattet. Eine zweite Sammelkammer 36 befindet sich hinter der ersten Sammelkammer 34. Die zweite Sammelkammer 36 steht mit der Raumluft außerhalb des Kamins 10 in Fluidverbindung und erstreckt sich über, hinter und unter dem Feuerraum 14 und der ersten Sammelkammer. Eine dritte Sammelkammer 38 befindet sich hinter der zweiten Sammelkammer 36 und grenzt an die Zellen 16 an. Die dritte Sammelkammer 38 steht mit den oberen und unteren Abschnitten der zweiten Sammelkammer 36 in Fluidverbindung und gestattet, dass Raumluft darum herum und in den Elektrolyseapparat 15 strömt.
Der Elektrolyseapparat 15 erzeugt Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, die dem Feuerraum 14 zugeführt werden. Der Elektrolyseapparat enthält vorzugsweise von 5 bis 30 Zellen, stärker bevorzugt von 5 bis 15 Zellen. In der dargestellten Ausführungsform von 5 und 6 umfasst der Elektrolyseapparat 15 eine Reihe von acht Zellen 16. Wegen seiner relativ geringen Größe kann der Elektrolyseapparat von einer Schaltermodus-Energiezufuhr gespeist werden, beispielsweise der Energiezufuhr, die unter dem Namen RMMA 1500 von Lincoln verkauft wird.
Unter Bezugnahme auf 5A und 6A umfasst jede Zelle 16 zwei innere Platten 44 oder eine innere Platte 44 und eine Endplatte 45, zwei isolierende Dichtungen 46, eine für Ionen durchlässige Membran 48 und eine Elektrolytlösung 50. In jeder Zelle 16 ist die Membran 48 zwischen den beiden Dichtungen 46 angeordnet und diese Kombination ist zwischen den beiden Platten 44 oder 45 angeordnet.
Die Elektrolyselösung ist vorzugsweise eine Natriumhydroxidlösung mit 20 bis 40% (G/V), stärker bevorzugt eine Natriumhydroxidlösung mit 30% (G/V). Vorzugsweise umfasst die Elektrolytlösung 50 ferner Natriumhydroxid in einer Konzentration von 1% oder weniger, um die Farbe der Flammen vom Brenner zu verstärken. Es können auch Calciumionen hinzugefügt werden, um die Flammenfarbe zu verstärken.
Jede innere Platte 44 bildet einen Teil von zwei verschiedenen Zellen 16 und jede der beiden Endplatten 45 an den beiden Enden des Elektrolyseapparats bildet einen Teil von nur einer Zelle. Somit werden für die dargestellte Ausführungsform, bei der die Reihe acht Zellen 16 enthält, sieben innere Platten 44 und zwei Endplatten 45 verwendet.
Jede innere Platte 44 bildet eine Kathode 52 für eine Zelle 16 und eine Anode 54 für eine benachbarte Zelle 16. Bezüglich der beiden Endplatten 45 bildet eine nur eine Kathode 52 und bildet eine nur eine Anode 54. In jeder Zelle 16 wird an der Kathode 52, der Wasserstoff erzeugenden Seite der Zelle, Wasserstoff produziert, und wird an der Anode 54, der Sauerstoff erzeugenden Seite der Zelle, Sauerstoff produziet.
Die Platten 44 und 45 können irgendeine geeignete Form haben. Die Größe der Platten 44 und 45 hängt von der Größe des Kamins 10 ab. Beispielsweise passt ein Elektrolyseapparat mit 600 mm² für die meisten Kaminabmessungen, so dass die Größe der Platten 44 und 45 etwa 550 mm2 beträgt. Ein Faktor, der die Größe der Platten 44 und 45 begrenzt, ist die Stromdichte in den Zellen 16. Wenn der Strom durch die Zellen ansteigt, steigt die Spannung über jede Zelle an und steigt die abgeleitete Energie in den Zellen, die somit das System aufheizt. Es ist unerwünscht, im System zu viel Wärme zu erzeugen, weil die Temperatur des Systems unter dem Siedepunkt der Elektrolytlösung liegen sollte, der etwa 115°C beträgt. Eine bevorzugte Temperatur für den Elektrolyseapparat ist etwa 100°C. Um diese Temperatur aufrechtzuerhalten, muss die Stromdichte unter etwa 1 A/cm² und vorzugsweise bei etwa 0,25A/cm² gehalten werden. Wenn beispielsweise eine praktische Höchstgrenze von 10kW für einen Kamin in einer häuslichen Situation angewendet wird (um eine Überlastung der häuslichen Energieversorgung zu vermeiden), dann können die Platten 44 und 45 nicht kleiner als etwa 238 mm2 sein (wobei eine Reihe von 8 Zellen angenommen wird). Wenn die Zellenanzahl erhöht wird, dann kann die Größe der Zellen proportional verringert werden.
Die Platten 44 und 45 können aus irgendeinem geeigneten Material. bestehen, vorzugsweise aus beschichtetem rostfreiem Stahl mit hohem Nickelgehalt. Die Oberfläche jeder Platte 44 und 45, die als Kathode 52 wirkt, ist mit einem Material beschichtet, das ihre Fähigkeit, Wasserstoff zu produzieren, verbessert. Beispiele solcher Materialien umfassen eine plasmabeschichtete Oberflächenmischung aus 90% Sulzer 56F(Ni) [im Handel erhältlich von Sulzer] und 10% Sulzer 41 F(SS) [im Handel erhältlich von Sulzer] als Pulver oder Raney-Nickel. Ebenso ist die Oberfläche jeder Platte 44 und 45, die als Anode 54 wirkt, mit einem Material beschichtet, das ihre Fähigkeit, Sauerstoff zu produzieren, verbessert. Beispiele solcher Materialien umfassen eine Kombination aus Nickelmolybdän und Eisen sowie Kobalspinelle.
Die Dichtungen 46 können aus irgendeinem geeigneten isolierenden Material bestehen, vorzugsweise Neopren oder Ethylenpropylendien-Monomer (EPDM). Jede Dichtung 46 weist eine Länge und Höhe ähnlich den und vorzugsweise die gleiche wie die Platten 44 auf. Jede Dichtung 46 bildet eine im Allgemeinen rechteckige Kammer 56, die die Elektrolyselösung 50 aufnimmt. In jeder Zelle befindet sich die Elektrolytlösung 50 in den Kammern 56, die von den Dichtungen 46 zwischen der entsprechenden Platte 44 und der Membran 48 gebildet werden.
Die Membranen 48 halten das an der Kathodenoberfläche erzeugte Wasserstoffgas von dem an der Anodenoberfläche erzeugten Sauerstoffgas in jeder Zelle 16 getrennt. Jede Membran 48 besteht aus irgendeinem geeigneten für Ionen durchlässigen Material, welches für Wasserstoff und Sauerstoff relativ undurchlässig ist, das den Durchgang von Wasserstoff- und Sauerstoffgas nicht gestattet. Beispiele von geeigneten Materialien umfassen, Asbest, Polypropylen, Polyethylen, PFTE, PVDF, Flemion, Nafion und Nickeloxid. Eine besonders bevorzugte Membran besteht aus Polypropylen. Jede Membran 48 weist eine Länge und Höhe ähnlich den und vorzugsweise die gleiche wie die Platten 44 und Dichtungen 46 auf. In jeder Zelle 16 ist die Membran 48 vorzugsweise etwa doppelt so weit von der Kathode 52 (der Wasserstoff erzeugenden Seite der Zelle) wie von der Anode 54 (der Sauerstoff erzeugenden Seite der Zelle) entfernt angeordnet, weil das Verhältnis von erzeugtem Wasserstoff zu erzeugtem Sauerstoff 2:1 beträgt. Dies bedeutet, dass die Dichtung 46 zwischen der Kathodenoberfläche der Platte 44 und der Membran 48 etwa die doppelte Dicke wie die Dichtung 46 zwischen der Anodenoberfläche der Platte 44 und der Membran 48 hat.
Vorzugsweise sind die Membranen 48 beispielsweise durch Koronaentladung oder eine andere, Fachleuten auf dem Gebiet bekannte Technk behandelt, damit sie hydrophil sind, um ihre Benetzbarkeit zu erhöhen. Ein Beispiel eines geeigneten behandelten Materials ist hydrophiles Polypropylen-Spinnvlies (spun-bonded hydrophilic polypropylene), wie das, das von Mogul (Türkei) erhältlich ist. Außerdem oder alternativ kann der Elektrolytlösung 50 ein oberflächenaktives Mittel hinzugefügt sein, um die Benetzbarkeit der Membranen zu verbessern. Die Menge an oberflächenaktivem Mittel in der Elektrolytlösung sollte weniger als etwa 0,1% betragen, um das Schäumen zu verringern. Ein Beispiel für ein geeignetes oberflächenaktives Mitteel ist Orica Alkdet 15 (ein Alkylpolysaccharid, das im Handel von Orica Surfactants, Melbourne, Australien, erhältlich ist).
Unter Bezugnahme auf 6A umfasst der Elektrolyseapparat zwei Abscheidungstanks, einen Wasserstoffabscheidungstank 58 und einen Sauerstoffabscheidungstank 60. Jeder Abscheidungstank 58 und 60 umfasst vorzugsweise ein nichtleitendes Material, wie Polypropylen. Die Abscheidungstanks haben vorzugsweise eine Breite von wenigstens etwa 50 mm, eine Länge von etwa 600 mm und eine Höhe von wenigstens etwa 75 mm, stärker bevorzugt etwa. 150 bis 200 mm.
Mit dem Wasserstoffabscheidungstank 58 stehen acht Wasserstoffgasleitungen 62 in Fluidverbindung, wobei jede einer der acht Zellen 16 entspricht. Jede Wasserstoffgasleitung 62 steht mit dem oberen Teil einer anderen Zelle 16 und ihrer Wasserstoff erzeugenden Kammer in Fluidverbindung, wie unten ausführlicher beschrieben. Ebenso stehen acht Sauerstoffgasleitungen 64 mit dem Sauerstoffabscheidungstank 60 in Fluidverbindung. Jede Sauerstoffgasleitung 64 steht mit dem oberen Teil einer anderen Zelle 16 bei ihrer Sauerstoff erzeugenden Kammer in Fluidverbindung. Die Wasserstoffgasleitungen 62 und Sauerstoffgasleitungen 64 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das nichtleitend ist, gegenüber konzentrierter Ätzlösung bei etwa 90°C widerstandsfähig ist und eine angemessene Toleranz gegenüber Ausdehnen und Zusammenziehen aufweist. Geeignete Materialien umfassen Polyethylen, Polypropylen, PFTE und PVDF. Ein gegenwärtig bevorzugtes Material ist Polypropylen. Die Größe der Wasserstoffgasleitungen 62 und Sauerstoffgasleitungen 64 ist nicht entscheidend. Bevorzugte Gasleitungen 62 und 64 können beispielsweise einen Innendurchmesser von etwa 6 mm bis etwa 50 mm aufweisen.
Um die Fluidverbindungen zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffgasleitungen und den Wasserstoff und Sauerstoff erzeugenden Kammern der Zellen des Elektrolyseapparats zu verwirklichen, weisen die Platten 44 und 45, Dichtungen 46 und Membranen 48 eine Reihe von miteinander verbunden Löchern auf. Insbesondere weist jede Endplatte 45 8 Löcher entlang ihrer Oberkante auf, wie in 5A gezeigt. Die Endplatte 45, die eine Kathode 52 ist, weist acht Wasserstofflöcher 66 auf, wobei jedes einer der acht Wasserstoffgasleitungen 64 entspricht. Die Endplatte 45, die eine Anode 54 ist, weist acht Sauerstofflöcher 68 auf, wobei jedes einer der acht Sauerstoffgasleitungen 64 entspricht. Die Wasserstofflöcher 66 und Sauerstofflöcher 68 sind im Allgemeinen miteinander ausgerichtet und haben vorzugsweise einen Durchmesser ähnlich dem der entsprechenden Gasleitungen 62 und 64 (in 5A in kurzem Abstand von den Endplatten 45 abgeschnitten gezeigt). Die Gasleitungen 62 und 64 können durch irgendwelche geeigneten Mittel, beispielsweise unter Verwendung von Halterungen aus rostfreiem Stahl, Polypropylen oder irgendeinem anderen korrosionsbeständigen Material, fest an den Endplatten 45 angebracht sein.
Alle inneren Platten 44 weisen neben ihrer Oberkante 8 Löcher in Ausrichtung mit den Wasserstofflöchern 66 und den Sauerstofflöchern 68 der Endplatten 45 auf. Die Membranen 48 weisen neben ihrer Oberkante in Ausrichtung mit sieben der Wasserstoff- und Sauerstofflöcher 66 und 68 der Endplatten 45 und Löchern 67 der Innenplatten 44 sieben Löcher 69 auf. Die Membranen 48 weisen auch jeweils einen Blockierungsbereich 71 auf, der den Raum einnimmt, der sonst von einem achten ausgerichteten Loch eingenommen würde. Jede Membran 48 weist einen mit einem anderen Wasserstoffloch 66 oder Sauerstoffloch 68 ausgerichteten Blockierungsbereich 71 auf.
Die Dichtungen 46 weisen auch sieben Löcher in Ausrichtung mit den Wasserstofflöchern 66 und Sauerstofflöchern 68 auf. Außerdem weist jede Dichtung 46 einen Einschnitt 70 in Ausrichtung mit dem achten Wasserstoffloch 66 und Sauerstoffloch 68 auf. Der Einschnitt 70 einer bestimmten Dichtung 46 ist auch mit dem Blockierungsbereich 71 der Membran 48 neben dieser Dichtung 46 ausgerichtet.
Wie in 5B gezeigt, bilden die Löcher 66 oder 68 in den Endplatten, Innenplatten 44, Dichtungen 46 und Membranen 48 in Kombination mit den Einschnitten 70 und Blockierungsbereichen 71 acht Wasserstoffleitungen 73 für den Durchgang von Wasserstoffgas von der Wasserstoff erzeugenden Kammer jeder Zelle 16 zu den Wasserstoffgasleitungen. Zu der Wasserstoff erzeugenden Kammer jeder Zelle 16 gehört eine Wasserstoffleitung 73. Ebenso werden acht Sauerstoffleitungen 75 für den Durchgang von Sauerstoff aus der Sauerstoff erzeugenden Kammer jeder Zelle 16 zu den Sauerstoffleitungen 64 gebildet. Es gibt eine Sauerstoffleitung 75 für jede Zelle. Die Wasserstoffleitungen 73 und Sauerstoffleitungen 75 sind wie in 5B gezeigt angeordnet. Die Einschnitte 70 gestatten, dass Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, das in ihren jeweiligen Zellenkammern erzeugt wurde, in die zugehörige Wasserstoffleitung 73 oder Sauerstoffleitung 75 für den Durchgang zur entsprechenden Wasserstoffleitung 62 oder Sauerstoffleitung 64 strömt.
Das Wasserstoff- und Sauerstoffgas strömt durch die Leitungen 73 und 75 und Leitungen 62 und 64 zu den Abscheidungstanks 58 und 60. Zusammen mit dem Wasserstoff- und Sauerstoffgas strömt auch eine geringe Menge Elektrolytlösung 50 zu den Abscheidungstanks. Somit wird ein Mechanismus zur Rückführung der Elektrolyselösung 50 zu den Zellen 16 bereitgestellt. Ein bevorzugter Mechanismus ist vier Wasserstoff/Elektrolytrückleitungen 72, die mit dem Wasserstoffabscheidungstank 58 in Fluidverbindung stehen, und vier Sauerstoff/Elektrolytrückleitungen 74, die mit dem Sauerstoffabscheidungstank 60 in Fluidverbindung stehen. Jede Wasserstoff/Elektrolytrückleitung 72 entspricht einer der vier Zellen 16 auf der Seite des Wasserstoffabscheidungstanks 58. Jede Wasserstoff/Elektrolytrückleitung 72 steht mit dem unteren Teil einer anderen Zelle 16 und ihrer Wasserstoff erzeugenden Kammer in Fluidverbindung, wie unten ausführlicher beschrieben. Ebenso entspricht jede Sauerstoff/Elektrolytrrückleitung 74 einer der vier Zellen 16 auf der Seite des Sauerstoffabscheidungstanks 60. Jede Sauerstoff/Elektrolytrückleitung 74 steht mit dem unteren Teil einer anderen Zelle 16 bei ihrer Sauerstoff erzeugenden Kammer in Fluidverbindung. Die Elektrolytrückleitungen 72 und 74 gestatten die Rückführung von Elektrolytlösung 50 zu der Reihe von Zellen 16. Die Elektrolytrückleitungen 72 und 74 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, wie Polyethylen, Polypropylen, PFTE und PVDF. Die Größe der Elektrolytrückleitungen 72 und 74 ist nicht entscheidend. Gegenwärtig bevorzugte Elektrolytrückleitungen 72 und 74 können einen Innendurchmesser von etwa 6 mm bis etwa 50 mm aufweisen.
Um Fluidverbindungen zwischen den Zellen 16 und den Elektrolytrückleitungen 72 und 74 zu verwirklichen, weist jede Endplatte 45 entlang ihrer Unterkante vier Löcher auf. Wie in 5A und 5C gezeigt, weist die Endplatte 45, die eine Kathode 52 ist, vier Wasserstoff/Elektrolytrücklauflöcher 76 auf, die jeweils einer der vier Wasserstoff/Elektrolytrückleitungen 72 entsprechen. Die Endplatte 45, die eine Anode 54 ist, weist vier Sauerstoff/Eleketrolytrücklauflöcher 78 auf, wobei jedes einer der vier Sauerstoffrückleitungen 74 entspricht. Die Elektrolytrücklauflöcher 76 und 78 sind im Allgemeinen miteinander ausgerichtet und weisen vorzugsweise einen Durchmesser ähnlich dem der entsprechenden Elektrolytrückleitungen 72 und 74 auf. Die Elektrolytrückleitungen 72 und 74 können durch irgendwelche geeigneten Mittel fest an den Endplatten 45 angebracht sein, wie oben beschrieben.
Alle Membranen 48 weisen neben ihrer Unterkante vier Löcher 82 in Ausrichtung mit den Elektrolytrücklauflöchern 76 und 78 der Endplatten 45 auf. Jede zweite Innenplatte 44 (insgesamt vier), beginnend mit den Innenplatten, die den Endplatten 45 am nächsten sind, weist neben ihrer Unterkante drei Löcher 76 und 78 in Ausrichtung mit dreien der Elektrolytrücklauflöcher 76 und 78 auf. Diese vier Innenplatten 44 weisen auch einen Blockierungsbereich 75 auf, der den Raum einnimmt, der sonst von einem vierten ausgerichteten Loch eingenommen würde. Jede dieser vier Innenplatten 44 weist einen Blockierungsbereich 79 auf, der mit einem anderen Elektrolytrücklaufloch 76 und 78 ausgerichtet ist. Die restlichen drei Innenplatten 44 weisen neben ihrer Unterkante vier Löcher 76 und 78 in Ausrichtung mit den vier Elektrolytrücklauflöchern 76 und 78 auf.
Jede Dichtung 46 weist drei Löcher 83 in Ausrichtung mit den Elektrolytrücklauflöchern 76 und 78 auf. Außerdem weist jede Dichtung 46 einen Einschnitt 80 in Ausrichtung mit dem vierten Elektrolytrücklaufloch 76 oder 78 auf. Für jede Zelle sind die Kerben 80 der beiden Dichtungen 46 dieser Zelle miteinander ausgerichtet und auch mit dem Blockierungsbereich 75 der dieser Zelle benachbarten Innenplatte 44 ausgerichtet.
Wie am besten in 5C gezeigt, bilden die Löcher 76 und 78 in den Endplatten 45 und Innenplatten 44, die Löcher 83 in den Dichtungen 46 und die Löcher 82 in den Membranen 48 in Kombination mit den Kerben 80 in den Dichtungen und den Blockierungsbereichen 75 in den abwechselnden Innenplatten vier Wasserstoff/Elektrolytleitungen 77 für den Durchgang von Elektrolyt 50 aus dem Wasserstoffabscheidungstank 58 zu den Zellen und vier Sauerstoff/Elektrolytleitungen 79 für den Durchgang von Elektrolyt aus dem Sauerstoffabscheidungstank 60 zu den Zellen. Jede Leitung 77 und 79 gehört zu einer anderen Zelle. Die Kerben 80 in den Dichtungen 46 gestatten zurückgeführtem Elektrolyt in die Wasserstoff erzeugende Kammer und Sauerstoff erzeugende Kammer jeder Zelle zu strömen.
Bei der obigen Anordnung wird eine Thermosiphon-Wirkung (thermisch erzeugte Siphon-Wirkung) geschaffen, die die Elektrolytlösung 50 durch die Zellen 16 und Abscheidungstanks 58 und 60 zirkuliert. Der Elektrolyt 50 kühlt, wenn er aus den Abscheidungstanks zu den Zellen 16 zurückkehrt, was gestattet, dass die Zellen bei optimalen Temperaturen gehalten werden. Der Pegel der Elektrolytlösung 50 in den Abscheidungstanks 58 und 60 kann bei einem relativ konstanten Pegel gehalten werden, indem gestattet wird, dass jeglicher Überschuss aus dem Sauerstoffabscheidungstank 60 oder dem Wasser stoffabscheidungstank 58 mittels einer zusätzlichen Leitung (nicht gezeigt) in eine Sammelwanne 90 im Gehäuse 12 abläuft. Ein Schalter (nicht gezeigt) ist bereitgestellt, um zu warnen und/oder den Kamin 10 abzuschalten, wenn der Pegel der Elektrolytlösung 50 im Wasserstoffabscheidungstank 58 oder Sauerstoffabscheidungstank 60 zu gering wird. Außerdem kann ein U-Rohr (nicht gezeigt) die Abscheidungstanks 58 und 60 verbinden, um den Druck in den Tanks auszugleichen. Wenn gewünscht, kann das U-Rohr durch eines oder beide der Elektrolytrückleitungen 72 und 74 gebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wie in 6B gezeigt, sind der Wasserstoffabscheidungstank 58 und der Sauerstoffabscheidungstank 60 den Elektrolysezellen 16 direkt benachbart. Die Abscheidungstanks 58 und 60 befinden sich im Allgemeinen in einer Reihe mit den oberen Teilen der Elektrolytzellen 16. Die Wasserstoff- und Sauerstoffabscheidungstanks 58 und 60 sind direkt mit den beiden Endplatten 45 verbunden und stehen mit den acht Wasserstofflöchern 66 bzw. acht Sauerstofflöchern 68 am oberen Teil der Endplatten 45 in Fluidverbindung. Wenn die Abscheidungstanks 58 und 60 direkt mit den Endplatten 45 verbunden sind, ist vorzugsweise eine dünne Dichtung (nicht gezeigt) zwischen den Abscheidungstanks 58 und 60 und den beiden Endplatten 45 enthalten, um sowohl als Isolator als auch als Dichtungsmittel für die Löcher in den Endplatten zu wirken.
Bei dieser Gestaltung ist es unnötig, Wasserstoffgasleitungen 62 und Sauerstoffgasleitungen 64 wie oben gezeigt bereitzustellen. Durch Anordnung der Wasserstoff- und Sauerstoffabscheidungstanks 58 und 60 auf diese Weise ist es auch unnötig, eine Pumpe für die Zirkulation der Elektrolytlösung 50 zu verwenden, die erforderlich sein kann, wenn sich die Abscheidungstanks nicht in dichter Nähe befinden. Wenn gewünscht, können die Wasserstoff- und Sauerstoffabscheidungstanks 58 und 60 den Elektrolysezellen 16 direkt benachbart und nicht direkt mit den Endplatten 45 verbunden sein. Statt dessen können sie durch eine relativ kurze Leitung verbunden sein. Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Ausdruck "direkt benachbart", dass sich die Abscheidungstanks 58 und 60 innerhalb einer ausgewählten Entfernung von den Endplatten 45 befinden, wobei die ausgewählte Entfernung gleich der Länge von zehn Durchmessern der Wasserstoff- und Sauerstofflöcher 66 und 68 in den Endplatten 45 ist, was dem Durchmesser der Wasserstoff- und Sauerstoffleitungen entlang der Länge der Zellen entspricht. Vorzugsweise ist die ausgewählte Entfernung gleich der Länge von fünf Durchmessern der Wasserstoff- und Sauerstofflöcher 66 und 68, stärker bevorzugt null Durchmesser der Wasserstoff- und Sauerstofflöcher 66 und 68.
In den Sauerstoff- und Wasserstoffleitungen und Eleketrolytleitungen ist vorzugsweise eine Isolierungsauskleidung bereitgestellt. In den Sauerstoff- und Wasserstoffleitungen und Elektrolytleitungen ist die Elektrolytlösung 50 Metall ausgesetzt, wenn sie durch die Löcher in jeder Platte 44 und 45 strömt. Diese Aussetzung gestattet Leitung von den Enden der Löcher in den Platten 44 und 45 zur Elektrolytlösung 50, was ein parasitärer Stromfluss ist. Eine Auskleidung aus isolierendem Material kann diese Flüsse unterbrechen. Das isolierende Material ist ein Material, das nichtleitend und gegenüber konzentrierter Ätzlösung bei 90°C widerstandsfähig ist, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, PFTE, PVDF und bestimmte Keramiken.
Alternativ kann das isolierende Material das Dichtungsmaterial sein. Wie in 12 und 13 gezeigt, ist das Loch in jeder Platte 44 etwas größer gemacht als das Loch in jeder Dichtung 46. Wenn die Dichtung etwas zusammengedrückt wird, dehnt sie sich in die von dem Loch in der Platte 44 gebildete Lücke aus, was die Kanten des Lochs abdichtet und isoliert.
Ungeachtet dessen, welches Isolierungsverfahren eingesetzt wird, die von dem isolierenden Material bedeckte Gesamtoberfläche der Sauerstoff- und Wasserstoffleitungen und Elektro lytleitungen beträgt vorzugsweise wenigstens 50% und stärker bevorzugt 100.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der obere Teil jeder Membran 48 mit einem für Gas undurchlässigen Material laminiert. Beispielsweise kann jede Membran 48 mit undurchlässigem Polypropylen oder dergleichen laminiert sein. Die Laminierung deckt vorzugsweise ungefähr den oberen Inch der Membran 48 ab. Die Laminierung die Wahrscheinlichkeit für einen Kontakt zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffgasen auf entgegengesetzten Seiten der Membran 48, die sonst im oberen Abschnitt jeder Kammer (z.B. den oberen 0,75 in oder so) auf jeder Seite der Membran 48 auftreten könnte, wo sich Gas sammelt, aber keine Flüssigkeit vorhanden ist.
Ebenfalls bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Innenplatten 44 und Endplatten 45 mehrfache Trennelemente 51 und 53. Die Trennelemente stellen sicher, dass jede Membran 48 sehr dünn sein kann und dass sie in der Mitte ihrer jeweiligen Zelle 16 gehalten werden kann. Eine dünnere Membran verringert den Zellenwiderstand und Wärmeverluste für ein gegebenes Membranmaterial.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform sine die Trennelemente 51 und 53 direkt in die Metallplatten 44 und 45 geformt. Die Trennelemente 51 und 53 sind so angeordnet, dass es einen kleinen Zwischenraum (z.B. etwa 0,005 in) zwischen dem Trennelement und der Membran 48 gibt, um eine Ausdehnung, ein Zusammenziehen oder eine andere Bewegung der Membran zuzulassen, ohne irgendwelche Beanspruchungen oder Abnutzung bei der Membran zu verursachen.
11 zeigt, wie die Trennelemente 51 und 53 auf den Platten 44 und 45 angeordnet sind. In 11 sind wegen der Deutlichkeit die Dichtungen nicht dargestellt. Die linke Endplatte 45 enthält vier obere Trennelemente 51. Die der linken Endplatte 45 benachbarte Innenplatte 44 enthält vier obere Trennelemente 51 auf ihrer linken Oberfläche und vier untere Trennelemente 53 auf ihrer rechten Oberfläche. Die oberen Trennelemente 51 auf der Innenplatte 44 sind mit den oberen Trennelementen 51 auf der linken Endplatte 45 ausgerichtet. Die nächste Innenplatte 44 ist das Spiegelbild der vorherigen Innenplatte. Somit weist jede Innenplatte 44 auf einer Oberfläche obere Trennelemente 51, die mit den oberen Trennelementen einer benachbarten Platte ausgerichtet sind, und auf ihrer anderen Oberfläche untere Separatoren 53 auf, die mit den unteren Separatoren der anderen benachbarten Platte ausgerichtet sind. Die rechte Endplatte 45 weist nur untere Trennelemente 53 auf.
Bei einer alternativen Gestaltung können die Metalltrennelemente durch Kunststofftrennelemente ersetzt sein. Zu diesem Zweck sind in die Platten 44 und 45 Löcher gestanzt und durch diese Löcher Kunststofftrennelemente eingesetzt. Diese alternative Gestaltung beseitigt eine mögliche Leitung, die zwischen den Metalltrennelementen über die Membran auftreten kann. Bei einer weiteren alternativen Gestaltung könnte ein Kunststoffnetz oder -gitter zwischen jeder Platte und Membran angeordnet sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Gestaltung sind die Platten 44 und 45 so modifiziert, dass die Oberfläche jeder Kathode 52 und Anode 54 vergrößert ist. Eine Vergrößerung der Oberfläche jeder Kathode 52 und Anode 54 verringert die Gesamtspannung der Zelle und verbessert den Wirkungsgrad. Folglich wird die Oberfläche jeder Kathode 52 und Anode 54 beispielsweise vergrößert, indem gestauchte oder eingeschnittene Nuten auf der Oberfläche hinzugefügt werden. Alternativ kann die Oberfläche durch Hinzufügen von Rippen, Höckern oder dergleichen modifiziert sein. Die Größe der gestauchten oder eingeschnittenen Nuten ist ausreichend tief, um nicht während des Plattierungsvorgangs aufgefüllt und ausgeglichen zu werden. Vorzugsweise sind die gestauchten Nuten so geformt, dass sieeinen Winkel von etwa 60° aufweisen. Die gestauchten Nuten oder an dere Oberflächenmodifikation kann durch jedes Fachleuten auf dem Gebiet bekanntes Verfahren ausgebildet werden, z.B. mit einer herkömmlichen Stoßmaschine oder mit einem Laser.
Außerdem können auf der Außenseite der Endplatten 45 Rippen bereitgestellt sein, um eine zusätzliche Kühlung zusätzlich zu der bereitzustellen, die durch die Zirkulation von Luft durch die dritte Sammelkammer 38 bereitgestellt wird. Es könnten irgenwelche geeigneten Rippen verwendet werden, beispielsweise Rippen mit 1,5 in, die aus dem gleichen Material wie die Endplatten 45 bestehen, das in einer bevorzugten Ausführungsform rostfreier Stahl ist.
Mit jeder der Endplatten 45 ist ein Energiemodul 110 elektrisch verbunden, so dass ein unidirektionaler Strom von der Kathodenendplatte durch die Zellen zur Anodenendplatte fließt. Das Energiemodul 110 befindet sich im Gehäuse 12 unter dem Feuerraum 14. Es kann irgendein Energiemodul 110 verwendet werden, das einen unidirektionalen Strom bereitstellt. Ein besonders bevorzugtes Energiemodul 110 ist in 8, 9A, 9B und 9C dargestellt.
8 stellt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Energiemoduls 110 dar. Eine Standard-Eingangswechselspannung von etwa 220 V Wechselspannung bis 240 Volt Wechselspannung bei 50-60 Hz wird an den Eingang eines 2,5 kW Energiemoduls 110 angelegt, das eine gleichgerichtete sinusförmige Ausgabe von 16 V bei 176 A erzeugt. Es ist einzusehen, dass das Energiemodul mit geeigneten Schnittstellenelementen mit einer Eingangswechselspannung von 115 V Wechselspannung bei 60 Hz einphasig oder 400 V Wechselspannung dreiphasig verwendet werden kann, falls erforderlich. Außerdem kann die Ausgangsenergie durch Modifizieren oder Ändern der inneren Komponenten, die verwendet werden, um das Energiemodul zu verwirklichen, oder alternativ durch paralleles Anschließen mehrfacher 2,5 kW Energiemodule variiert werden. Typischerweise werden vier 2,5 kW Energiemodule 110 pa rallel angeschlossen, um eine 10 kW Ausgabe für den Elektrolyseapparat bereitzustellen, der in Verbindung mit dem mit Wasserstoff betriebenen Kamin verwendet wird.
Die Eingangswechselspannung wird an einen Filter 112 für elektromagnetische Störbeeinflussung am Eingang des Energiemoduls 110 angelegt. Der Filter 112 für elektromagnetische Störbeeinflussung ist ein Hochfrequenzabschneidefilter, der verhindert, dass unerwünschte Frequenzen aus der Ausrüstung austreten. Die gefilterte Wechselstromausgabe aus dem Filter 112 für elektromagnetische Störbeeinflussung wird an einen Vollweggleichrichter 114 gegeben. Der Vollweggleichrichter erzeugt eine gleichgerichtete sinusförmige Ausgabe, wie in 9A gezeigt. Einen Überspannungsschutz 116, wie eine SCR-Stange (SCR crowbar), kann am Ausgang des Vollweggleichrichters 114 angeschlossen sein, um das Energiemodul 110 vor großen Spannungsauslenkungen auf der Wechselstromeingangsleitung zu schützen.
Die gleichgerichtete sinusförmige Ausgabe vom Überspannungsschutz 116 wird über einen Stromfühler (current sense) 117 an eine Zerhackerschaltung 118 gegeben. Der Zerhacker 118 ist so konfiguriert, dass er eine zerhackte Ausgabe mit variabler relativer Einschaltdauer bereitstellt, wie in 9B gezeigt. Die relative Einschaltdauer des Zerhackers 118 wird von einer Steuerungseinrichtung 120 als Funktion der gleichgerichteten Ausgabe aus dem Vollweggleichrichter 114 geregelt. Der Stromfühler 117 wird verwendet, um den an den Zerhacker 118 gegebenen Strom wahrzunehmen. Die Ausgabe des Stromfühlers wird zur Steuerungseinrichtung 120 zurück geführt, die in Zusammenwirken mit einer Bezugseingabe aus dem Vollweggleichrichter 114 den an die Last gelieferten Strom steuert, indem die relative Einschaltdauer des Zerhackerausgangs variiert wird.
Die zerhackte Ausgabe wird an die Primärwicklungen (nicht gezeigt) eines Abwärtstransformators 122 gegeben. Die abwärts transformierte Spannung an den Sekundärwicklungen (nicht gezeigt) wird an einen Vollweggleichrichter 124 angelegt und von einem Ausgangsfilter 126 gefiltert, um am Ausgang des Energiemoduls eine gleichgerichtete sinusförmige Spannung zu erzeugen, wie in 9C für eine ohmsche Last gezeigt. In der beschriebenen Ausführungsform wird gestattet, dass der Ladestrom während jedes Zyklus der Eingangswechselspannung im Wesentlichen Null wird, wenn die Ausgangsspannung des Energiemoduls 110 unter die Schwellenspannung der Zellen fällt.
Vorzugsweise weist die Steuerungseinrichtung 120 eine Ausschaltmöglichkeit auf, um das Energiemodul vor Überhitzen oder alternativ vor Fehlerzuständen in der Ladeschaltung zu schützen. Wenn von Zusatzkomponenten einer dieser Zustände erfasst wird, stoppt die Steuerungseinrichtung 20 die Ausgabe des Zerhackers 118, um eine Beschädigung des Energiemoduls 110 zu verhindern.
Die Zusatzkomponenten umfassen typischerweise einen Wärmesensor (nicht gezeigt), der mit dem Wärmekontrollgeräteingang der Steuerungseinrichtung 20 verbunden ist, um die Temperatur des Energiemoduls 110 zu überwachen. Ein Fehlerdetektor (nicht gezeigt) in der Lastschaltung stellt ein Fehlerindikatorsignal für den Ausschalteingang der Steuerungseinrichtung 120 bereit. Außerdem kann eine externe Einstellung der Ausgangsspannung über eine Eingangsleitung für die Ausgangssteuerung erreicht werden. Die Ausgangsspannung des Energiemoduls 110 wird durch Variieren der relativen Einschaltdauer der Zerhackerausgabe eingestellt.
Es ist selbstverständlich, dass die Energiemodule bei einer Vielfalt von Anwendungen zusätzlich zu der bei dem oben beschriebenen Elektrolyseapparat verwendet werden können, einschließlich herkömmlicher Batterieladegeräte, Stromversorgungen zum Elektroplattieren und Schweißstromversorgungen für WIG- (Wolfram-Inertgas-) / MIG- (Metall-Inertgas-) und Bogenschweißgeräte und dergleichen. Ebenso kann der Wasserstoff erzeugende Elektrolyseapparat bei anderen Anwendungen als Kaminen verwendet werden. Die Technologie ist beispielsweise für Heißwasserbereiter, Kochherde und jegliche andere Gasgeräte nützlich.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 und 7 wird bei der oben beschriebenen Anwendung bei einem Kamin, wenn Wasserstoffgas in den Zellen 16 produziert wird, dieses vom Wasserstoffabscheidungstank 58 mittels einer Leitung (nicht gezeigt) dem Brenner 32 zugeführt. Sauerstoffgas wird aus dem Sauerstoffabscheidungstank 60 mittels einer weiteren Leitung (nicht gezeigt) dem Inneren des Feuerraums 14 an einem Ort nahe dem Brenner 32 zugeführt. Wie natürlich von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt würde, könnten der Wasserstoff und Sauerstoff in Zwischentanks zwischen den Abscheidungstanks und dem Feuerraum gespeichert werden. In der Wasserstoffleitung ist vorzugsweise nahe dem Brenner 32 ein Rückschlagventil bereitgestellt, um einen möglichen Sauerstoffstrom durch die Leitung zum Wasserstoffabscheidungstank 58 zu vermeiden, wenn der Kamin 10 ausgeschaltet ist. Die Raten, mit denen Wasserstoff und Sauerstoff dem Feuerraum 14 über die Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhrleitungen zugeführt werden, werden durch die Raten der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung in den Zellen 16 gesteuert, die durch Einstellen der vom Energiemodul 110 den Zellen 16 zugeführten Energiemenge gesteuert werden.
Das Wasserstoffgas wird im Feuerraum 14 verbrannt. Vorzugsweise wird eine geringe Menge von Elektrolytddampf dem Brenner 32 mit dem Wasserstoffgas zugeführt, was Ionen bereitstellt, um die Flamme zu färben. Anfangs ist Luft im Feuerraum 14, aber sie ist durch direkten Verbrauch schnell aufgebraucht und durch Ausdehnung ausgetrieben, was eine Atmosphäre aus Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff im Feuerraum 14 hinterlässt. Weil die Sauerstoffgasquelle im Wesentlichen frei von Kohlenstoff und Stickstoff ist, ist im Feuerraum kein Stickstoff vorhanden, um Stickstoffoxide zu erzeugen, und ist im Feuerraum kein Kohlenstoff vorhanden, um Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erzeugen. Somit weisen die Kamine 10 der vorliegenden Erfindung praktisch keine Emissionen außer Wasser auf, das durch die Verbrennung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas gebildet wird.
Da außerdem die Flamme eine Wasserstoffflamme ist, erzeugt sie keinen Ruß wie eine normale Naturgas- oder Propangasflamme. Eine normale Flamme in einem natürlichen Kamin brennt an der Oberfläche des Holzes, wenn die durch das Holz erzeugten Gase durch die Holzoberfläche diffundieren und zünden, was das Holz an seiner Oberfläche glühen lässt. Naturgase können diesen Effekt auf Grund der durch unvollständige Verbrennung bewirkten Rußbildung nicht erreichen, wenn das Gas zu nahe bei den imitierten Scheiten verbrannt wird. Das Verbrennen von Naturgas bewirkt einen Kohlenmonoxidüberschuss und kann dazu führen, dass der Kamin die regulierten Kohlenmonoxidgrenzen erfüllt. Bei einer Wasserstoffflamme kann die Flamme engen Kontakt mit den imitierten Scheiten haben, was einen viel besseren Glüheffekt mit einem viel realistischeren Aussehen erzeugt. Die Wasserstoffflamme erzeugt keinen Ruß oder Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist so reaktionsfreudig, dass eine unvollständige Verbrennung nicht auftritt, solange genügend Sauerstoff vorhanden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie in 15 und 16 gezeigt, ist ein einstellbarer Brenneraufbau zum Einstellen der Größe der Flamme bereitgestellt. Der Aufbau 140 umfasst eine Gasauslassleitung 142 mit zwei Enden und ersten und zweiten Hülsen 144 und 146, die verschiebbar an den Enden der Gasauslassleitung diese umgebend angebracht sind. Jede Hülse 144 und 146 weist ein offenes Ende 143 und ein geschlossenes ende 145 auf. Die Gasauslassleitung 142 ist mittels einer Leitung (nicht gezeigt) mit dem Wasserstoffabscheidungstank 58 verbunden. Die Gasauslassleitung 142 enthält eine Reihe von Auslasslöchern 146, durch die das Wasserstoffgas strömen kann.
Wenn sich die Hülsen 144 und 146 in einer "geschlossenen" Stellung befinden, wie in 15 gezeigt, verdecken sie den Großteil der Auslasslöcher 146, wobei nur eine geringe anzahl von Auslasslöschern in der Mitte der Gasauslassleitung 142 frei gelassen wird. Somit kann Gas nur aus einer begrenzten Anzahl von Auslasslöchern 146 austreten, was ein relativ kleines Feuer erzeugt. Die Hülsen 144 und 146 können jeweils entlang der Länge der Auslassleitung 142 verschoben werden um jede gewünschte Anzahl von Auslasslöchern 146 freizulegen, wie beispielsweise in 16 gezeigt. Wenn zusätzliche Auslasslöcher 146 freigelegt werden, vergrößert sich die Breite des Feuers.
Jede Hülse 144 und 146 umfasst wenigstens ein Auslassloch 148 nahe ihrem offenen Ende. Folglich wird dem Inneren jeder Hülse 144 und 146 sowie der Gasauslassleitung 142 Gas zugeführt. Wenn der Brenneraufbau angezündet ist, wird sowohl an den Auslasslöchern 148 der Hülsen 144 und 146 als auch den Auslasslöchern 146 der Gasauslassleitung 142 eine Flamme erzeugt. Wenn die Hülsen 144 und 146 entlang der Länge der Gasauslassleitung 142 verschoben werden, unterstützt die Flamme an den Auslasslöchern 148 in den Hülsen das Queranzünden der neu freigelegten Auslasslöcher 146 in der Gasauslassleitung 142.
Durch die obige Gestaltung wird ein attraktiveres Feuer bereitgestellt. Normalerweise wird, wenn wenig Gas für den Brenner bereitgestellt wird, ein kleines Feuer erzeugt, das über die Länge des gesamten Brenners ausgebreitet wird. Die Flammenhöhe ist sehr gering und neigt dazu, hinter den Scheiten zu verschwinden. Durch die obige Gestaltung kann man dagegen ein kleineres Feuer über eine geringere Breite aber mit höheren Flammen erreichen. Außerdem müssen bei herkömmlichen Brennern weit auseinanderliegende Teile des Brenners durch eine Anzündekette aus kleinen Löchern verbunden sein, um eine Flammenausbreitung sicherzustellen. Dies verschwendet Gas und verringert die Gesamtflammenhöhe aus einer gegebenen Gasmen ge, weil die Flammen aus den kleinen Löchern für den Benutzer nicht sichtbar sind. Durch die obige Gestaltung können die kleinen Löcher beseitigt werden, weil ein Queranzünden beispielsweise durch die Auslasslöcher in den Hülsen erreicht wird.
Die oben beschriebene Ausführungsform kann modifiziert sein, wie in 17 gezeigt. Zwischen der Hülse 144 an ihrem offenen Ende 143 und der Gasauslassleitung 142 ist ein Lager 147 bereitgestellt. Das Lager 147 enthält ein Gasloch 149, durch das Gas bezüglich der vertikal gerichteten Löcher 146 der Gasauslassleitung 142 horizontal strömen kann. Das Gasloch 149 im Lager 147 unterstützt das Queranzünden in einer Weise ähnlich den Auslasslöchern 148 in den Hülsen, die in der obigen Ausführungsform beschrieben sind.
Alternativ kann ein einstellbarer Doppelbrenneraufbau 150 bereitgestellt sein, wie in 14 gezeigt. Erste und zweite Gasauslassleitungen 142 und 143 sind voneinander versetzt parallel bereitgestellt. Eine erste Hülse 147 ist am Ende der ersten Gasauslassleitung diese umgebend angebracht und eine zweite Hülse 148 ist am Ende der zweiten Gasauslassleitung 143 diese umgebend angebracht. Dieser Brenner arbeitet in einer Weise ähnlich dem oben beschriebenen, aber hat den Vorteil, dass die Hülsen zur Mitte des Feuerraums hin gleiten, anstatt zu den Seiten des Feuerraums, was mehr Platz für die Hülsen zum Verschieben bereitstellt.
Der im Feuerraum 14 erzeugte Wasserdampf steigt in den oberen Abschnitt der ersten Sammelkammer 34 auf und wird gekühlt, während er hinter dem Feuerraum abwärts strömt. Ein Lüfter 40 befindet sich im unteren Abschnitt der zweiten Sammelkammer 36 unter dem Feuerraum 14 und bläst Raumluft durch die zweite Sammelkammer 36. Wenn der Wasserdampf abwärts strömt und in der ersten Sammelkammer 34 kondensiert, erwärmt er Luft, die aus der zweiten Sammelkammer 36 aufsteigt, was eine Wärmetauscherwirkung erzeugt. Die erwärmte Luft steigt durch die zweite Sammelkammer 36 auf und aus der Öffnung 29 über dem Feuerraum 14, die vorzugsweise in Abwärtsrichtung gerichtet ist, so dass die Wärme von dieser Luft von der am Brenner 32 erzeugten Flamme zu kommen scheint. Der Lüfter 40 bläst auch Luft in die dritte Sammelkammer 38, die sich hinter der zweiten Sammelkammer 36 befindet. Die Luft in der dritten Sammelkammer 38 steigt ebenfalls und verlässt das Gehäuse 12 durch das Gitter 42. Die durch die dritte Sammelkammer 38 strömende Luft kühlt die Zellen 16 des Elektrolyseapparats 15. Vorzugsweise ist am Eingang zur dritten Sammelkammer 38 eine Klappe oder eine Tür (nicht gezeigt) bereitgestellt. Die Tür wird geöffnet, wenn die Zellentemperatur einen vorher bestimmten Wert, z.B. 75°C erreicht, so dass Luft nicht in die dritte Sammelkammer strömt, um die Zellen zu kühlen, bis sie die gewünschte vorher bestimmte Temperatur erreichen. Somit hat die Temperatur der Zellen die Gelegenheit, schnell auf den gewünschten Wert anzusteigen, bevor Raumluft beginnt, die Zellen zu kühlen, was gestattet, dass die Zellen dem Brenner anfangs mehr Gas (und daher mehr Flamme) zur Verfügung stellen. Die Tür kann aus Memory-Metall oder Bimetall bestehen, das seine Form ändert (d.h. sich aus einer geschlossenen in eine offene Stellung bewegt), wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist. Alternativ kann die Tür durch einen Motormechanismus geöffnet und geschlossen werden, der durch einen geeigneten Temperatursensor am Elektrolyseapparat aktiviert wird.
Die unter dem Feuerraum 14 im unteren Abschnitt der ersten Sammelkammer befindliche Sammelwanne 90 sammelt das abgekühlte Wasser, das durch den hinteren Abschnitt der ersten Sammelkammer 34 fließt. Eine Pumpe 91 saugt Elektrolytlösung 50 aus der Sammelwanne 90 und pumpt Ersatzelektrolytlösung 50 durch die Leitung 86 zum Sauerstoffabscheidungstank 60. Die Pumpe 91 schickt auch eine geringe Menge Elektrolytlösung 50 zu einer oder mehreren Sprühdüsen 98 im hinteren Abschnitt der ersten Sammelkammer 34. Die Sprühdüsen 98 sprühen Elektrolytlösung 50 in das umlaufende Abgas, was bewirkt, dass Wasserdampf im Abgas kondensiert. Wenn gewünscht, kann Stahlwolle (nicht gezeigt) nahe dem Boden der ersten Sammelkammer 34 bereitgestellt sein, was zusätzliche Oberfläche erzeugt, an der Wasserdampf kondensieren kann. Der Pegel der Elektrolytlösung 50 im Sammelbecken 90 wird durch ein Ventil (nicht gezeigt) aufrechterhalten, das mit einem Wasservorrat 100 in Fluidverbindung steht. Der Wasservorrat 100 befindet sich entlang der Seite des Feuerraums 14.
Das Rückführen von Wasserdampf beginnt erst nachdem der Kamin 10 sich anfangs aufgeheizt hat, was jedes Mitreißen von Material aus der Luft, die anfangs sich anfangs im Feuerraum 14 befand, einschränkt. Durch diese Gestaltung wird kein Wasserdampf in den Raum abgelassen und wird im Wesentlichen keine Wärme erzeugt. Es ist möglich, Einheiten herzustellen, bei denen gestattet wird, dass Wasserdampf in den Raum kommt, beispielsweise wenn der Kamin ein kombiniertes Heizgerät/Befeuchter sein soll.
Obwohl Wasser zurückgeführt wird, ist periodisch einige Entnahme am oberen Teil (top off) nötig. Dies kann durch eine Leitung (nicht gezeigt) mit kleiner Bohrung zum Wasservorrat 100 direkt von der Hauptleitung oder durch Entnahme am oberen Teil vorgenommen werden, in beiden Fällen mittels einer Entionisierungseinrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, ist im oberen Teil des Feuerraums 14 eine Wanne 33 bereitgestellt. Eine Wasserquelle 35 ist über der Wanne 33 bereitgestellt und tropft Wasser auf die Wanne. Die Wanne, die durch das Feuer erwärmt wird, wirkt als Verdampfer, um zusätzlichen Wasserdampf zu erzeugen, wobei der Rest auf der Wanne zurückgelassen wird. Diese Gestaltung beseitigt den Bedarf nach entionisiertem Ersatzwasser.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Flammenrückschlagsicherungssystem, das auch als Druckregelventil dient, wie in 10 gezeigt. Wenn es in Kombination mit dem oben beschriebenen Kamin und Elektrolyseapparat verwendet wird, verhindert das Flammenrückschlagsicherungssystem, dass eine Explosion im Feuerraum in den Elektrolyseapparat weitergeht. Es dient ferner als Druckregelventil, so dass es kein Druckdifferenzial im Elektrolyseapparat gibt.
Das Flammenrückschlagsicherungssystem 150 umfasst eine primäre Kammer 152 und eine Eingangskammer 154. Die Eingangskammer 154 steht mit dem Wasserstoffabscheidungstank 58 in Fluidverbindung. Somit treten Gas und Flüssigkeit aus dem Wasserstoffabscheidungstank 58 in die Eingangskammer ein.
Der untere Teil der primären Kammer 152 ist mit dem unteren Teil der Eingangskammer 154 durch den Durchgang 156 verbunden. Die primäre Kammer 152, Eingangskammer 154 und Durchgang 156 sind in einer U-förmigen Anordnung angeordnet, so dass die Flüssigkeit im System 150 auf einem Pegel gehalten über der Oberseite des Durchgangs 156 gehalten wird. Der Durchgang 156 erstreckt sich in den unteren Teil der primären Kammer 152. Ein poröses Material 158 erstreckt sich über die primäre Kammer 152 in solcher Weise, dass jegliches Gas, das durch die primäre Kammer strömt, durch das poröse Material strömen muss. Wie er hier verwendet wird, soll der Begriff poröses Material ein Material bedeuten, das fähig ist, das Gas in kleinere, nicht verbindende Blasen aufzubrechen, wenn das Gas aus dem Durchgang 156 in die primäre Kammer 152 strömt. Vorzugsweise ist das poröse Material 158 ein Textil, wie gewebtes Polypropylen oder ein Gewebe aus rostfreiem Stahl. Das poröse Material 158 muss auch fähig sein, der Temperatur und dem aggressiven Fluiddruck des Systems 150 standzuhalten.
Der Druck des Systems ist am Punkt A und am Punkt B der gleiche. Punkt B stellt den Flüssigkeitspegel in der primären Kammer 152 dar. Somit wird der Druck im Flammenrückschlagsicherungssystem geregelt, so dass die Membranen 48 in den Zel len nicht fähig sein müssen, einem Druckdifferenzial standzuhalten.
Die primäre Kammer 152 steht mit dem Brenner 32 im Feuerraum 14 in Fluidverbindung. Da das poröse Material 158 das Gas in der primären Kammer 152 aufbricht, gibt es keine Gefahr für, dass eine Explosion aus dem Feuerraum 14 in die Elektrolysezellen 16 fortschreitet.
In der dargestellten Ausführungsform ist an der Oberseite der primären Kammer 152 ein Steigrohr 160 angebracht. Das Steigrohr 160 ist eine vorbeugende Maßnahme in dem Fall, dass es einen Flüssigkeitsübertrag gibt, wobei das Wasserstoffgas aus der primären Kammer 152 zum Brenner 32 geht. In den oberen Teil des Steigrohrs 160 wird kühles Wasser eingeführt, um jeglichen Wasserdampf zu kondensieren, der in das Steigrohr eintritt. Ein Füllmaterial 162, wie Stahlwolle, ist im Steigrohr 160 bereitgestellt, so dass Wasserdampf, der in das Steigrohr eintritt, im Füllmaterial kondensiert.
In der abgebildeten Ausführungsform steht die primäre Kammer 152 durch einen zweiten Durchgang 164 auch mit dem Sammelbecken 90 in Fluidverbindung. Der Druck am Punkt C im Sammelbecken 90 ist der gleiche wie an den Punkten A und B.
In der Eingangskammer 154 ist ein Rückschlagventilmechanismus 166 bereitgestellt. Der Rückschlagventilmechanismus umfasst einen verengten Bereich 168 und einen Schwimmkörper 170. Der verengte Bereich 168 weist eine Querschnittsfläche auf, die größer als die der Eingangskammer 164 ist. Der Schwimmkörper 170 hat eine Größe, die geringer als die Querschnittsfläche der Eingangskammer 164 aber größer als die Querschnittsfläche des verengten Bereichs 168 ist. Das System ist so gestaltet, dass sich der Flüssigkeitspegel in der Eingangskammer 154 typischerweise ausreichend unter dem verengten Bereich 168 befindet, so dass der obere Schwimmkörper unter dem verengten Bereich 168 gehalten wird. Wenn der Kamin 10 ausgeschaltet wird, steigt der Flüssigkeitspegel in der Eingangskammer 164, was den Schwimmkörper 170 aufwärts treibt, um den verengten Bereich 168 zu versperren. Somit verhindert das Rückschlagventil einen möglichen Gasstrom (einschließlich Sauerstoffgas) aus dem Feuerraum 14 zurück in den Wasserstoffabscheidungstank 58, wenn der Kamin 10 abgeschaltet ist.
Für den Sauerstoffabscheidungstank ist ein ähliches Flammenrückschlagsicherungssystem bereitgestellt. Wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt würde, ist das hier beschreibene Flammenrückschlagsicherungssystem auch in Verbindung mit anderen Geräten als Kaminen und Elektrolyseapparaten nützlich, bei denen eine Flammenrückschlagkontolle und/oder Druckregelung wünschenswert ist.
Der Kamin, Elektrolyseapparat, Energiemodul und Flammenrückschlagsicherung können alle unter Verwendung einer Fernsteuerung gesteuert und/oder überwacht werden. Im Gehäuse ist ein Bedienungsfeld bereitgestellt, beispielsweise hinter dem unteren Gitter. Unter Verwendung der Fernbedienung und des Bedienungsfeldes kann man beispielsweise ein Wasserstoffgasleck erfassen. Das (die) Energiemodule) können ein- und ausgeschaltet werden, um den Elektrolyseapparat und schließlich das Feuer zu steuern. Das Bedienungsfeld kann auch den Lüfter, die Pumpe und die Zündung steuern. Es kann ein Flammen-Fehlermechanismus bereitgestellt sein, wodurch des Energiemodul abgeschaltet wird, wenn sich das Gas nicht entzündet. Die Fluidpegel im Elektrolyseapparat und dem Vorrat können überwacht werden, so dass, wenn sie zu niedrig werden, das System abgeschaltet und mehr Wasser hinzugefügt werden kann. Außerdem kann das Bedienungsfeld dazu verwendet werden, die Position des Schwimmkörpers des Rückschlagventils zu überwachen und den Elektrolyseapparat für eine kurze Dauer einzuschalten, wenn der Schwimmkörper zu hoch ist. Es kann auch ein Thermostat zum Regeln der Raumtemperatur bereitgestellt sein. Ein geeigneter Mechanismus zum Regeln des Systems in dieser Weise ist allgemein in der US-patentanmeldung Nr. 09/036,374, eingereicht am 6. März 1998, mit dem Titel "Microprocessor Controlled Gas Fireplace" beschrieben, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Die vorhergehende Beschreibung wurde unter Bezugnahme auf gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargelegt. Fachleute auf dem Gebiet und in der Technologie, die mit dieser Erfindung zusammenhängt, werden erkennen, dass Abänderungen und Änderungen im beschriebenen Aufbau ausgeführt werden können, ohne bedeutend vom Prinzip, Geist und Umfang dieser Erfindung abzuweichen:
Beispielsweise kann die Größe, Anzahl und Anordnung von Sammelkammern im Kamin wie gewünscht geändert werden. Als nur eine Veranschaulichung, kann die im Kamin erzeugte Wärme durch einen Kamin oder eine Leitung, die sich durch eine Außenwand oder Decke erstreckt; in die Außenatmosphäre anstatt in den Raum abgegeben werden. Während es bevorzugt ist, ein Wasserdampf-Kondensationssystem zu haben, um den durch die Verbrennung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas gebildeten Wasserdampf zurückzugewinnen und wieder zu verwenden, ist es selbstverständlich, dass der Wasserdampf auch in die Außenatmosphäre oder den Raum abgegeben werden kann, wenn gewünscht. Es ist auch selbstverständlich, dass der Ort und die Anordnung der verschiedenen Komponenten, einschließlich des Elektrolyseapparats, der Energieversorgung und des Bedienungsfeldes in weiter Hinsicht eine Sache der Wahl ist Lind wie gewünscht geändert werden kann. Als nur ein zusätzliches Beispiel könnte die Elektrolytlösung im Elektrolyseapparat aus den Abscheidungstanks durch die Gasströmungsleitungen zurückkehren.
Folglich sollte die vorhergehende Beschreibung nicht als nur die genauen Aufbauten, die beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, betreffend gelesen werden, sondern sollte statt dessen konsistent mit und als Unterstützung der folgenden Ansprüche gelesen werden, die ihren vollständigsten und angemessenen Umfang haben sollen.

Claims

Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat umfassend: (a) eine Reihe von Zellen (16), die Wasserstoffgas und Sauerstoffgas aus einer elektrolytischen Lösung produzieren können, wobei jede Zelle umfasst: (i) eine Katodenplatte (44), die in der Lage ist Wasserstoffgas aus der Elektrolytlösung zu generieren, (ii) eine Anodenplatte, die in der Lage ist Sauerstoffgas aus der Elektrolytlösung zu generieren und mit Abstand von der Katodenplatte (44) angeordnet ist, (iii) eine Membran (48), die für Wasserstoff- und Sauerstoffgas undurchlässig ist, und mit Abstand zwischen der Katodenplatte und der Anodenplatte (44) angeordnet ist, (iv) eine erste Dichtung (46) angrenzend an die Peripherie der Katodenplatte (44) zwischen der Katodenplatte (44) und der Membran (48), und (v) eine zweite Dichtung (46) angrenzend an die Peripherie der Anodenplatte (44) zwischen der Anodenplatte (44) und der Membran (48); (b) einen Wasserstoffabscheidungstank (58); und (c) einen Sauerstoffabscheidungstank (60); wobei jede Katodenplatte (44), Anodenplatte (44), Membran (48), erste Dichtung (46) und zweite Dichtung (46) eine Reihe von Wasserstoffgaslöchern enthält, um einen separaten Wasserstoffgas-Strömungspfad für jede Zelle zu formen, der sich durch die Reihe von Zellen zum Wasserstoffabscheidungstank (58) erstreckt, und wobei jede Katodenplatte (44), Anodenplatte (44), Membran (48), erste Dichtung (46) und zweite Dichtung (46) eine Reihe von Sauerstoffgaslöchern enthält, um einen separaten Sauerstoffgas-Strömungspfad für jede Zelle zu formen, der sich durch die Reihe von Zellen (16) zum Sauerstoffabscheidungstank (60) erstreckt.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: (d) eine Elektrolytrückleitung (72), die sich vom Wasserstoffabscheidungstank (58) zu den Zellen (16) erstreckt; und (e) eine Elektrolytrückleitung (74), die sich vom Sauerstoffabscheidungstank (60) zu den Zellen erstreckt; wobei jede Katodenplatte, Anodenplatte, Membran, erste und zweite Dichtung wenigstens ein Elektrolytrücklaufloch enthält, um wenigstens einen Elektrolyt-Rückströmpfad zu formen, der sich durch die Reihe von Zellen erstreckt; und wobei sich der Wasserstoffabscheidungstank und Sauerstoffabscheidungstank unmittelbar neben den Zellen befinden, so dass die Elektrolytlösung innerhalb des Elektrolyseapparats ohne eine Pumpe zirkulieren kann.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder besagte Wasserstoffgas-Strömungspfad, wenigstens teilweise, durch ein Isoliermaterial abgedeckt ist; wobei jeder besagte Sauerstoffgas-Strömungspfad, wenigstens teilweise, durch ein Isoliermaterial abgedeckt ist; und wobei jeder besagte Elektrolyt-Rückströmpfad, wenigstens teilweise, durch ein Isoliermaterial abgedeckt ist.
Ein Elektrolyseapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: jedes der besagten Wasserstoffgaslöcher in der ersten Dichtung (44) und der zweiten Dichtung (46) kleiner als jedes der besagten Wasserstoffgaslöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) ist, wodurch, nach Zusammendrücken der Zellen (16), sich der Abschnitt jeder Dichtung (46) nahe jedem der besagten Wasserstoffgaslöcher in jedes der besagten Wasserstoffgaslöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) erstreckt, um dadurch die Löcher mit dem Dichtungsisoliermaterial abzudecken; jedes der besagten Sauerstoffgaslöcher in der ersten Dichtung (46) und der zweiten Dichtung (46) kleiner als jedes der besagten Sauerstoffgaslöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) ist, wodurch, nach Zusammendrücken der Zellen (16), sich der Abschnitt jeder Dichtung (46) nahe jedem der besagten Sauerstofflöcher in jedes der besagten Sauerstoffgaslöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) erstreckt, um dadurch die Löcher mit dem Dichtungsisoliermaterial abzudecken; und jedes der besagten Sauerstoffgaslöcher in der ersten Dichtung (46) und zweiten Dichtung (46) kleiner als jedes der besagten Elektrolytrücklauflöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) ist, wodurch, nach Zusammendrücken der Zellen (16), sich der Abschnitt jeder Dichtung (46) nahe jedem der besagten Elektrolytrücklauflöcher in jedes der besagten Elektrolytrücklauflöcher in der Katodenplatte (44) und Anodenplatte (44) erstreckt, um dadurch die Löcher mit dem Dichtungsisoliermaterial abzudecken.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein unabhängiges Energiemodul getrieben wird, das ein Gehäuse mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen zum Bereitstellen einer elektrischen Schnittstelle zwischen einem äußeren und einem inneren Gehäuse umfasst, wobei besagtes Modul (11) umfasst: einen ersten Vollweggleichrichter (114) mit einem an den Eingangsanschluss des Gehäuses angeschlossenen Eingang, und einen Ausgang, einen Zerhacker (118) mit einem an den Ausgang des ersten Vollweggleichrichters angeschlossenen Eingang, und einen abgeschnittenen Ausgang mit einem variablen Lastspiel, einen Transformator (122) mit einer an den abgeschnittenen Ausgang gekoppelten Primärwicklung, und eine Sekundärwicklung; und einen zweiten Vollweggleichrichter (124) mit einem an die Sekundärwicklung des Transformators (122) gekoppelten Eingang, und einem an den Ausgangsanschluss des Gehäuses angeschlossenen Ausgang, so dass eine gleichgerichtete sinusförmige Wellenform am Ausgangsanschluss erscheint, wenn eine Wechselstromspannung an den Eingangsanschluss angelegt wird.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass besagter Transformator (122) einen Abwärtstransformator umfasst.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (120) zum Regeln des Lastspiels des abgeschnittenen Ausgangs als eine Funktion der Wechselspannung.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemodul (110) weiter einen EMI-Filter (112), der zwischen der Wechselstromspannung und dem ersten Vollweggleichrichtereingang angeordnet ist; einen Überspannungsschutz, der an den ersten Vollweggleichrichterausgang angeschlossen ist, und einen Ausgangsfilter (126) zur Weiterleitung der gleichgerichteten sinusförmigen Wellenform vom zweiten Vollweggleichrichterausgang zu den Anoden- und Katodenplatten (44) umfasst.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemodul (110) eine Stromrichtung umfasst, die zwischen dem ersten Vollweggleichrichterausgang und dem Zerhackereingang angeordnet ist, besagtes Steuergerät (120) Eingänge, die an den ersten Vollweggleichrichterausgang bzw. die Stromrichtung angeschlossen sind, und einen Ausgang, der an den Zerhacker (118) zum Regeln des Lastspiels des abgeschnittenen Ausgangs angeschlossen ist, aufweist.
Ein Elektrolyseapparat nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Katodenplatte (44) und jede Anodenplatte (44) modifiziert ist seine Oberfläche zu vergrößern.
Ein Elektrolyseapparat nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Membran (46) ein poröses Polyolefin umfasst.
Ein Elektrolyseapparat nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Membran (46) behandelt ist, um wenigstens teilweise hydrophil zu sein.
Ein Filterpressen-Elektrolyseapparat nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Reihen von Zellen zahlenmäßig 5 bis 30 Zellen umfassen.