AT528165B1

AT528165B1 - Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse und Elektrolyseverfahren

Info

Publication number: AT528165B1
Application number: ATA50280/2024A
Authority: AT
Inventors: Auer Christian; Vorauer Manfred
Original assignee: Seibt Kristl & Co Gmbh
Priority date: 2024-04-02
Filing date: 2024-04-02
Publication date: 2026-03-15
Also published as: AT528165A1; WO2025208167A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Durchführung einer Elektrolyse, aufweisend: ein Gefäß (2) zur Aufnahme einer Flüssigkeit (3) und ein induktives Element (12) mit einem vorzugsweise weichmagnetischen Kern (13) zur Führung eines magnetischen Flusses (φ) und einer Primärwicklung (14), um in einem Betrieb der Vorrichtung (1) eine elektrische Spannung (Ui) insbesondere direkt in die Flüssigkeit (2) zu induzieren; wobei das Gefäß (2) einen Konzentrationsabschnitt (15) und einen Umlaufabschnitt (16), welcher mit einem ersten (20) und einem zweiten Ende (21) des Konzentrationsabschnittes (15) verbunden und zumindest teilweise um das induktive Element (12) geführt ist, aufweist, wobei der Konzentrationsabschnitt (15) dazu eingerichtet ist, in dem Betrieb der Vorrichtung (1) eine elektrische Stromdichte (J) eines durch die induzierte elektrische Spannung (Ui) verursachten elektrischen Stroms (Ii) im Vergleich zu dem Umlaufabschnitt (16) zu erhöhen, wobei der Konzentrationsabschnitt (15) eine Engstelle (19) des Gefäßes (2) aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Elektrolyseverfahren.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse, aufweisend: ein Gefäß zur Aufnahme einer Flüssigkeit, insbesondere eines flüssigen Elektrolyten; und ein induktives Element mit einem insbesondere geschlossenen und vorzugsweise weich-

magnetischen Kern zur Führung eines magnetischen Flusses und einer Primärwicklung, um in

einem Betrieb der Vorrichtung eine elektrische Spannung insbesondere direkt in die Flüssigkeit zu induzieren.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Elektrolyseverfahren mit einer Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse, wobei eine Wechselspannung an eine Primärwicklung der Vorrichtung angelegt wird.

[0003] Eine Elektrolyse ist ein chemischer Prozess, bei dem ein elektrischer Strom eine Redoxreaktion in einem Elektrolyten er zwingt und Reaktionsprodukte aus den im Elektrolyten enthaltenen Stoffen entstehen. Die Elektrolyse wird in großen Maßstäben unter anderem bei der industriellen Herstellung von Wasserstoff oder Chlor eingesetzt.

[0004] Eine bekannte Variante der Elektrolyse ist die Gleichstrom-Elektrolyse. Dabei wird Gleichstrom zwischen zwei in einen Elektrolyten getauchten Elektroden geleitet. An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse Reaktionsprodukte aus den Stoffen, die im Elektrolyten enthaltenen sind. Da die chemischen Reaktionen bei der Gleichstrom-Elektrolyse an den Elektroden stattfinden und die Elektroden somit in den chemischen Prozess eingebunden sind, stellen die Elektroden bei der Gleichstrom-Elektrolyse Verschleißteile dar, die zersetzt werden und daher regelmäßig ausgewechselt werden müssen.

[0005] Bei einer alternativen Methode der Elektrolyse wird Wechselstrom eingesetzt. Die Elektrolyse auf Basis von Wechselstrom weist im Vergleich mit der Gleichstrom-Elektrolyse zwar typischerweise geringere Knallgas-Ausbeuten auf, bietet aber den Vorteil, dass, wenn ein elektrischer Wechselstrom im Elektrolyten erzeugt wird, auf Elektroden und damit deren regelmäßiges Auswechseln verzichtet werden kann.

[0006] Ein Elektrolyseverfahren auf Basis von Wechselstrom wird in dem Dokument RU 81 189 U1 beschrieben, welches eine komplexe Elektrolysevorrichtung offenbart. Der Wechselstromkomponente ist dabei noch zusätzlich eine Gleichstromkomponente überlagert.

[0007] Auch die Dokumente RU 215 527 U1 und WO 2011/038432 A1 bzw. US 2023/0012657 A1 offenbaren jeweils ein Elektrolyseverfahren, bei dem Wechselstrom eingesetzt wird. Allerdings sind bei den beschriebenen Verfahren weiterhin Elektroden erforderlich, die sich zersetzen und ausgetauscht werden müssen.

[0008] US 2021/0156037 A1 betrifft eine Elektrolysevorrichtung mit mehreren Spulen, die um ein Gehäuse angeordnet sind. Innerhalb des Gehäuses ist ein vertikaler Strömungskanal angeordnet, in welchem ein Elektrolyt einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Mithilfe zusätzlicher Elektroden wird ein elektrostatisches Feld erzeugt. Mittels eines LED-Arrays wird eine weitere Anregung erzeugt.

[90009] Weitere Vorrichtungen in Zusammenhang mit Elektrolyse sind aus EP 3 981 897 A1 und WO 2022/124711 A1 bekannt.

[90010] Im Lichte dieser Ausführungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu lindern oder gar vollständig zu beseitigen. Vorzugsweise ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse sowie ein auf Wechselstrom basierendes Elektrolyseverfahren mit einer hohen Effizienz zur Verfügung zu stellen.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Elektrolyse nach Anspruch 1 und durch ein Elektrolyseverfahren nach Anspruch 12.

[0012] Erfindungsgemäß ist bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorgesehen, dass

das Gefäß einen Konzentrationsabschnitt und einen Umlaufabschnitt, welcher mit einem ersten und einem zweiten Ende des Konzentrationsabschnittes verbunden und zumindest teilweise um das induktive Element geführt ist, aufweist, wobei der Konzentrationsabschnitt dazu eingerichtet ist, In dem Betrieb der Vorrichtung eine elektrische Stromdichte eines durch die induzierte elektrische Spannung verursachten elektrischen Stroms im Vergleich zu dem Umlaufabschnitt zu erhöhen, wobei der Konzentrationsabschnitt eine Engstelle des Gefäßes aufweist. Vorzugsweise ist der Konzentrationsabschnitt dazu eingerichtet, die Stromdichte in dem Konzentrationsabschnitt im Vergleich zum gesamten Rest des Gefäßes zu erhöhen, insbesondere zu maximieren. Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann durch Anlegen einer Wechselspannung an die Primärwicklung eine Wechselspannung und damit ein Wechselstrom direkt in die Flüssigkeit induziert werden, wodurch eine Elektrolyse der Flüssigkeit stattfindet. Aufgrund des direkt in die Flüssigkeit induzierten Wechselstromes sind im Unterschied zur Gleichstrom-Elektrolyse keine Elektroden erforderlich. Die Elektrolyse findet direkt in der Flüssigkeit statt. Ein Auswechseln von Elektroden aufgrund eines Zersetzens der Elektroden ist daher nicht notwendig. Die Elektrolyse der Flüssigkeit findet primär in dem Konzentrationsabschnitt statt. Aber auch an anderen Stellen im Gefäß kann eine Elektrolyse vereinzelt stattfinden. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass für eine elektrodenfreie Elektrolyse auf Wechselstrombasis eine hohe elektrische Stromdichte vorteilhaft ist und zur Elektrolyse führt. Der Konzentrationsabschnitt ist derart gestaltet und in der Vorrichtung angeordnet, dass im Betrieb der Vorrichtung eine hohe Stromdichte, vorzugsweise von zumindest 5 A/mm?, erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Stromdichte im Betrieb der Vorrichtung in dem Konzentrationsabschnitt im Vergleich zur Stromdichte des induzierten Stroms in den übrigen Abschnitten des Gefäßes am höchsten. Die hohe Stromdichte kann insbesondere durch eine Verengung des Gefäßes in dem Konzentrationsabschnitt erzeugt werden. Die Stromdichte lässt sich näherungsweise aus der Anzahl der Windungen der Primärwicklung (entspricht im Wesentlichen einem Übersetzungsverhältnis), der Stromstärke in der Primärwicklung und einer Wirkfläche, insbesondere einer Querschnittsfläche, des Konzentrationsabschnitts ermitteln. Die Anzahl der Windungen beträgt beispielsweise zwischen 1 und 100. Die Querschnittsfläche des Konzentrationsabschnitts beträgt beispielsweise zwischen 3 mm? und 20 mm?. Die Stromstärke in der Primärwicklung kann beispielsweise zwischen 1 A und 100 A betragen. Der Konzentrationsabschnitt ist vorzugsweise mittig im Gefäß angeordnet. Der Umlaufabschnitt ermöglicht durch seine Anordnung um das induktive Element und seine Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Ende des Konzentrationsabschnittes eine elektrische Spannungsschleife und damit einen elektrischen Stromfluss um das induktive Element. Vorzugsweise bilden der Konzentrationsabschnitt und der Umlaufabschnitt für die Flüssigkeit eine geschlossene Schleife um das induktive Element. In dieser Schleife kann eine Spannung induziert werden und ein Strom fließen. Der Konzentrationsabschnitt kann insbesondere länglich ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist der Konzentrationsabschnitt in einem Schnitt, insbesondere einem Längsschnitt, betrachtet gerade, d.h. nicht gekrümmt. Der Konzentrationsabschnitt kann über seine gesamte Länge im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Konzentrationsabschnitt rohrförmig. Der Umlaufabschnitt ist mit dem Konzentrationsabschnitt an dem ersten und zweiten Ende in Fluidverbindung. Dadurch kann die Flüssigkeit von dem Umlaufabschnitt in den Konzentrationsabschnitt und in diesen zurückfließen. Das Gefäß besteht vorzugsweise aus Kunststoff, ins besondere elektrolytbeständigem Kunststoff. Vorzugsweise fasst das Gefäß ein Volumen von zumindest 10 |. Der Konzentrationsabschnitt ist vorzugsweise durch eine Ausnehmung des induktiven Elements geführt. Die Primärwicklung kann fortlaufend um den Kern, vorzugsweise entlang der gesamten Länge des Kerns, gewickelt sein. Der Kern des induktiven Elements besteht vorzugsweise aus nanokristallinem Material. Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Primärwicklung wird in dem Kern ein magnetischer Fluss erzeugt, der zu einer induzierten Spannung in der Flüssigkeit führt. Die Flüssigkeit bildet somit, in Analogie zu einem Transformator, die Sekundärwicklung.

[0013] Sämtliche Orts- und Richtungsangaben in dieser Offenbarung beziehen sich auf den bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung, bei dem eine Elektrolyse durchgeführt wird. Bevorzugt ist dabei eine Längsachse des Konzentrationsabschnittes im Wesentlichen parallel zur Erdbeschleunigung angeordnet.

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[0014] Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass der Konzentrationsabschnitt eine Engstelle des Gefäßes aufweist. Auf diese Weise wird die elektrische Stromdichte in dem Konzentrationsabschnitt im Vergleich zur Stromdichte in dem Umlaufabschnitt erhöht und die Elektrolyse in den Konzentrationsabschnitt fokussiert. Die Engstelle kann insbesondere die engste Stelle des GefäBes für die Flüssigkeit darstellen. In der Engstelle weist das Gefäß vorzugsweise die geringste Querschnittsfläche für die Flüssigkeit auf. Die Querschnittsfläche ist vorzugsweise eine im Wesentlichen horizontale Querschnittsfläche.

[0015] Bevorzugt ist, wenn der Konzentrationsabschnitt in einem Schnitt, insbesondere einem Querschnitt oder einem Längsschnitt, betrachtet eine geringere Breite aufweist als der Umlaufabchnitt. Besonders bevorzugt ist, wenn der Konzentrationsabschnitt die geringste Breite aller Abschnitte des Gefäßes aufweist.

[0016] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Schnitt, insbesondere einem Querschnitt oder Längsschnitt, betrachtet der Umlaufabschnitt zwei um das induktive Element geführte Umlaufbereiche aufweist, wobei die zwei Umlaufbereiche jeweils mit einem ersten und einem zweiten Ende des Konzentrationsabschnitts verbunden sind. Vorzugsweise liegen die Umlaufbereiche in dem Schnitt betrachtet an gegenüberliegenden Seiten des Konzentrationsabschnitts. Die Umlaufbereiche selbst stehen vorzugsweise an einer Oberseite und an einer Unterseite des Gefäßes miteinander jeweils über einen Verbindungsabschnitt des Umlaufabschnitts in Fluidverbindung. Die Umlaufbereiche stehen auch mit dem Konzentrationsabschnitt vorzugsweise an der Oberseite und an der Unterseite des Gefäßes in Fluidverbindung, ins besondere über die Verbindungsabschnitte des Umlaufabschnitts. Vorzugsweise ist die Breite des Konzentrationsabschnitts in dem Schnitt gesehen jeweils geringer als die Breite der Umlaufbereiche. Besonders bevorzugt ist, wenn die Breite des Konzentrationsabschnitts um zumindest den Faktor zwei gegenüber der Breite der Umlaufbereiche verringert ist. Die Breite kann einem Durchmesser des Konzentrationsabschnitts bzw. der Umlaufbereiche entsprechen.

[0017] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an das erste Ende und/oder das zweite Ende des Konzentrationsabschnitts ein jeweils in Richtung des Konzentrationsabschnitts konisch zusammenlaufender Verjüngungsabschnitt des Umlaufabschnitts anschließt, über den/die der Umlaufabschnitt mit dem Konzentrationsabschnitt verbunden ist. In dem oben erwähnten Schnitt betrachtet ist die Breite des Konzentrationsabschnittes somit geringer als die Breite des dem Konzentrationsabschnitt abgewandten Endbereichs des/der Verjüngungsabschnitts/e. In dem erwähnten Schnitt betrachtet können die Umlaufbereiche über die oben erwähnten Verbindungsabschnitte und den Verjüngungsabschnitt an dem ersten Ende bzw. an dem zweiten Ende mit dem Konzentrationsabschnitt verbunden sein.

[0018] Zur Ableitung von Gasen, insbesondere Knallgasen, ist es günstig, wenn eine Längsachse des Konzentrationsabschnitts im Wesentlichen vertikal angeordnet ist. Die bei der Elektrolyse entstehenden Knallgase können nach oben aufsteigen und dadurch aus dem Konzentrationsabschnitt befördert werden. Um bei einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch als Knallgas den Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen, kann beispielsweise ein Keramikelement verwendet werden. Ein solches Keramikelement kann beispielsweise an einer Oberseite der Vorrichtung, insbesondere an einer weiter unten noch zu beschreibenden Abführöffnung, angeordnet sein. Das Keramikelement kann als Membran für bestimmte Gasmoleküle, insbesondere für Wasserstoffmoleküle, fungieren. Zu diesem Zweck kann das Keramikelement Poren aufweisen, die aufgrund ihrer Größe beispielsweise nur Wasserstoffmoleküle passieren lassen. Dadurch kann der Wasserstoff vom Sauerstoff getrennt werden.

[0019] Vorteilhaft ist, wenn der Konzentrationsabschnitt durch eine Ausnehmung des induktiven Elements geführt ist. Die Ausnehmung ist vorzugsweise eine von dem Kern und der daran angeordneten Primärwicklung begrenzte Öffnung, insbesondere eine Durchgangsöffnung. Die Öffnung kann zum Beispiel eine runde oder eckige Form aufweisen. Der Kern des induktiven Elements ist zumindest teilweise oder vollständig um die Ausnehmung geführt und ermöglicht dadurch die Führung eines magnetischen Flusses um die Ausnehmung und dadurch um den Konzentrationsabschnitt.

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[0020] Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Haupterstreckungsebene des induktiven Elements im Wesentlichen horizontal angeordnet ist. Insbesondere eine von der Ausnehmung begrenzte Fläche kann dabei im Wesentlichen horizontal orientiert sein. Der Kern des induktiven Elements ist vorzugsweise horizontal angeordnet.

[0021] Eine besonders kompakte und effiziente Ausführungsform der Vorrichtung ergibt sich, wenn eine Längsachse des Konzentrationsabschnitts im Wesentlichen rechtwinkelig zu einer Haupterstreckungsebene des induktiven Elements angeordnet ist, vorzugsweise wobei der Konzentrationsabschnitt die Haupterstreckungsebene des induktiven Elements durchdringt. Der Konzentrationsabschnitt kann die Haupterstreckungsebene des induktiven Elements insbesondere mittels der Ausnehmung durchdringen. Besonders bevorzugt ist, wenn auch die Längsachsen der Umlaufbereiche in dem Schnitt betrachtet rechtwinkelig zu der Haupterstreckungsebene des induktiven Elements verlaufen und diese vorzugsweise durchdringen.

[0022] Günstig ist, wenn das Gefäß insbesondere an einer Oberseite eine Abführöffnung zum Abführen eines Gases, vorzugsweise eines Knallgases, aufweist. Wenn die Längsachse des Konzentrationsabschnittes im Wesentlichen vertikal orientiert ist, kann bei der Elektrolyse entstehendes Gas aus der Flüssigkeit vorteilhafterweise nach oben steigen und durch die Abführöffnung abgeführt werden.

[0023] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gefäß insbesondere an einer Unterseite eine Zuleitungsöffnung zum Zuleiten der Flüssigkeit aufweist. Die ZuleitungsÖffnung kann über eine Zuleitung mit einem Vorratsbehälter für die Flüssigkeit verbunden sein. Das Gefäß kann bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch eine Ableitungsöffnung aufweisen. Durch die Zuleitungsöffnung und die Ableitungsöffnung kann während des Betriebs der Vorrichtung das Gefäß laufend mit der Flüssigkeit gespült werden.

[0024] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gefäß rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist. Auch der Kern des induktiven Elements kann rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse ausgebildet sein. Die Symmetrieachse fällt vorzugsweise mit der Längsachse des Konzentrationsabschnittes zusammen.

[0025] Eine besonders vorteilhafte Variante hinsichtlich der Höhe der in die Flüssigkeit induzierten elektrischen Spannung ergibt sich, wenn das induktive Element im Wesentlichen vollständig von dem Gefäß umgeben ist. Mit anderen Worten ist das induktive Element mit Ausnahme von Zuleitungen für die Primärwicklung im Wesentlichen vollständig innerhalb des Gefäßes angeordnet. Zu diesem Zweck kann das Gefäß eine vorzugsweise zentrale Gefäßausnehmung für das induktive Element aufweisen. Der Umlaufabschnitt umgibt das induktive Element im Wesentlichen um 360°.

[0026] Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein Elektrolyseverfahren gelöst, bei dem eine Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse verwendet und eine Wechselspannung an eine Primärwicklung der Vorrichtung angelegt wird, wobei die Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse wie oben beschrieben ausgebildet ist.

[0027] Die in Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse beschriebenen Merkmale, Vorteile und Effekte sind auf das erfindungsgemäße Elektrolyseverfahren übertragbar. Bei dem Elektrolyseverfahren wird eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt, wodurch ein magnetischer Wechselfluss in dem Kern des induktiven Elements erzeugt wird, der eine elektrische Wechselspannung und damit einen elektrischen Wechselstrom direkt in die Flüssigkeit induziert. Der Wechselstrom verursacht eine Elektrolyse in der Flüssigkeit. Die Elektrolyse findet vorzugsweise primär in dem Konzentrationsabschnitt statt. Eine Gleichstrom- oder Gleichspannungskomponente ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung in der Flüssigkeit nicht vorgesehen. Die Elektrolyse wird vorzugsweise ausschließlich durch einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung in der Flüssigkeit erzeugt. Wenn das Gefäß eine ZuleitungsÖffnung und vorzugsweise auch eine Ableitungsöffnung aufweist, kann das Gefäß im Betrieb der Vorrichtung laufend mit frischem Elektrolyten versorgt und gespült werden. Vorteilhafterweise wird das Gefäß dadurch auch gereinigt.

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[0028] Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders robust. Die Flüssigkeit muss daher chemisch nicht so rein sein wie bei den Verfahren aus dem Stand der Technik. Aus diesem Grund kann als Elektrolyt Wasser, beispielsweise Salzwasser, insbesondere Meerwasser, eingesetzt werden. Als Elektrolyt kann auch Industrieabwasser verwendet werden.

[0029] Günstig ist, wenn die Frequenz der Wechselspannung zwischen 50 Hz und 100 kHz liegt.

[0030] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Gas, insbesondere ein Knallgas, abgeführt oder entzündet wird. Insbesondere Letzteres ist vorteilhaft, um unerwünschte Komponenten des Elektrolyten zu zersetzen.

[0031] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll. Es zeigen:

[0032] Fig. 1 eine beispielhafte Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrolyse;

[0033] Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1; und [0034] Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

[0035] Fig. 1 zeigt eine auf das Wesentliche reduzierte Gesamtansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Durchführung einer Elektrolyse gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist ein Gefäß 2 zur Aufnahme einer Flüssigkeit 3, insbesondere eines Elektrolyten 4, auf. Das Gefäß 2 kann beispielsweise ein Volumen zwischen 10 | und 60 | aufweisen. Das Gefäß 2 besitzt in der gezeigten Darstellung eine im Wesentlichen zylindermantelförmige seitliche Außenfläche 5, an die an einer Oberseite 6 des Gefäßes 2 eine Deckfläche 7 anschließt, welche einen trichterförmigen Anschluss 8 mit einer Abführöffnung 9 zum Abführen eines Knallgases 52 ausbildet. An einer Unterseite 10 des Gefäßes 2 ist eine Zuleitungsöffnung 50 zum Zuleiten der Flüssigkeit 3 in das Innere des Gefäßes 2 vorgesehen. Das Gefäß 2 ist in der gezeigten Darstellung länglich ausgestaltet. Eine Längsachse 11 des Gefäßes 2 bildet gleichzeitig in der gezeigten Ausführungsform auch eine Symmetrieachse für das Gefäß 2.

[0036] Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung 1 entlang der Längsachse 11. In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Vorrichtung 1 ein induktives Element 12 mit einem weichmagnetischen Kern 13 zur Führung eines magnetischen Flusses @ aufweist. Der Kern 13 kann kreisförmig um die Längsachse 11 ausgebildet sein. Eine Haupterstreckungsebene E12 des induktiven Elements 12, insbesondere des Kerns 13, ist horizontal angeordnet. Um den Kern 13 ist eine Primärwicklung 14 gewickelt. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an der Primärwicklung 14 wird ein magnetischer Fluss e@, insbesondere ein magnetischer Wechselfluss, in dem Kern 13 hervorgerufen, welcher wiederum eine Wechselspannung U; und folglich einen Wechselstrom |; direkt in die Flüssigkeit 3 in dem Gefäß 2 induziert. Auf diese Weise wird eine Elektrolyse in der Flüssigkeit 3 hervorgerufen, ohne dass hierfür Elektroden notwendig sind, wie dies bei einer Gleichstrom-Elektrolyse der Fall ist.

[0037] Das Gefäß 2 besitzt, wie auch in dem Querschnitt gemäß Fig. 3 ersichtlich ist, einen vorzugsweise vertikal angeordneten Konzentrationsabschnitt 15 sowie einen Umlaufabschnitt 16. Der Konzentrationsabschnitt 15 ist im Wesentlichen in der Mitte des Gefäßes 2 angeordnet und kann rohrförmig ausgebildet sein. Der Konzentrationsabschnitt 15 ist länglich und vorzugsweise entlang der Längsachse 11 des Gefäßes 2 angeordnet. Mit anderen Worten sind in der gezeigten Darstellung die Längsachse 11 des Gefäßes 2 und die Längsachse des Konzentrationsabschnittes 15 ident. Die Länge des Konzentrationsabschnittes kann beispielsweise zwischen 10 mm und 200 mm betragen. Der Konzentrationsabschnitt ist durch eine Ausnehmung 17 in Form einer Öffnung 18 des induktiven Elements 12 bzw. des Kerns 13 geführt, sodass der Konzentrationsabschnitt 15 die Haupterstreckungsebene E+12 des induktiven Elements 12 schneidet. Bevorzugt durchdringt das Gefäß 2 die Öffnung 18 exakt einmal mit dem Konzentrationsabschnitt 15. Weitere Durchdringungen des Gefäßes 2 durch die Öffnung 18 sind vorzugsweise nicht vorgesehen. Der Konzentrationsabschnitt 15 weist eine Engstelle 19 des Gefäßes 2 auf. In der gezeigten Darstellung befindet sich die Engstelle 19 auf Höhe des umgebenden Kerns 13. Die Engstelle 19

erstreckt sich über die gesamte Länge des Konzentrationsabschnittes 15. Die Engstelle 19 weist die geringste Querschnittsfläche des Gefäßes 2 für die Flüssigkeit 3 auf. Die Elektrolyse der Flüssigkeit 3 findet vorwiegend in dem Konzentrationsabschnitt 15 statt, welcher aufgrund seiner Lage und Querschnittsfläche A415 die höchste Stromdichte J des Wechselstroms |; aufweist. Die Stromdichte J berechnet aus der Stromstärke in der Primärwicklung 14, der Windungszahl N der Primärwicklung sowie der Querschnittsfläche A145 des Konzentrationsabschnittes 15.

[0038] An einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 21 des Konzentrationsabschnitts 15 schließt jeweils ein in Richtung des Konzentrationsabschnitts 15 konisch zusammenlaufender Verjüngungsabschnitt 22 des Umlaufabschnitts 16 an. Die Symmetrieachse der Verjüngungsabschnitte 22 fällt mit der Längsachse 11 des Gefäßes 2 zusammen. Durch die beiden Verjüngungsabschnitte 22 ist der Konzentrationsabschnitt 15 mit dem Umlaufabschnitt 16 verbunden. Der Umlaufabschnitt 16 besitzt in dem Längsschnitt gemäß Fig. 2 gesehen zwei gegenüberliegende Umlaufbereiche 23, welche an der Oberseite 6 und an der Unterseite 10 des Gefäßes 2 jeweils über einen Verbindungsabschnitt 24 miteinander sowie mit dem entsprechenden Verjüngungsabschnitt 22 in Fluidverbindung stehen. Über die Verjüngungsabschnitte 22 und die Verbindungsabschnitte 24 verbinden die Umlaufbereiche 23 in dem Längsschnitt gemäß Fig. 2 betrachtet jeweils das erste Ende 20 mit dem zweiten Ende 21 des Konzentrationsabschnittes 15. Dadurch kann die Flüssigkeit 3 durch den Konzentrationsabschnitt 15 und den Umlaufabschnitt 16 im Kreis fließen. Die Umlaufbereiche 23 sind länglich ausgebildet. Die Umlaufbereiche 23 sind Bestandteil eines im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Teils 51 des Gefäßes 2 (siehe Fig. 3). Die Längsachsen 25 der Umlaufbereiche 23 sind parallel zur Längsachse 11 des Gefäßes 2 angeordnet. Zwischen den Umlaufbereichen 23 und dem Konzentrationsabschnitt 15 ist eine Gefäßausnehmung 26 ausgebildet, in welche das induktive Element 12 aufgenommen ist. Die Gefäßausnehmung 26 umgibt den Konzentrationsabschnitt 15. Die Wechselspannung U; verläuft entlang der Umlaufbereiche 23 und des Konzentrationsabschnitts 15. Entsprechend fließt auch der induzierte Strom I; entlang der Umlaufbereiche 23 und des Konzentrationsabschnitts 15. Die Richtung der der Spannung U; und des Stromes |; wechselt mit der Frequenz der an die Primärwicklung 14 angelegten Wechselspannung.

[0039] In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Breite des Bı5s des Konzentrationsabschnitts geringer ist als die jeweilige Breite B23 der Umlaufbereiche 23.

[0040] In Fig. 2 ist an der Oberseite 6 auch die Abführöffnung 9 zum Abführen eines Knallgases erkennbar. Entstehendes Knallgas steigt in der Flüssigkeit 3 nach oben und kann über die Abführöffnung 9 abgeleitet werden. An der Unterseite 10 ist die Zuleitungsöffnung 50 erkennbar, über welche das Gefäß mit frischer Flüssigkeit 3 versorgt werden kann.

[0041] Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung 1, welcher parallel zur Haupterstreckungsebene E+2 verläuft. Der Umlaufbereich weist in Fig. 3 einen hohlzylinderförmigen Querschnitt auf. In Fig. 3 ist ersichtlich, dass die im Längsschnitt gemäß Fig. 2 erkennbaren Umlaufbereiche 23 Teil des Umlaufabschnitts 16 sind und Bestandteile des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Teils 51 des Gefäßes 2 bilden. Der Umlaufabschnitt 16 und der Kern 13 sind konzentrisch um den Konzentrationsabschnitt 15 angeordnet.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Durchführung einer Elektrolyse, aufweisend:

ein Gefäß (2) zur Aufnahme einer Flüssigkeit (3), insbesondere eines flüssigen Elektrolyten (4); und

ein induktives Element (12) mit einem insbesondere geschlossenen und vorzugsweise weichmagnetischen Kern (13) zur Führung eines magnetischen Flusses (®) und einer Primärwicklung (14), um in einem Betrieb der Vorrichtung (1) eine elektrische Spannung (U;) insbesondere direkt in die Flüssigkeit (2) zu induzieren;

dadurch gekennzeichnet, dass

das Gefäß (2) einen Konzentrationsabschnitt (15) und einen Umlaufabschnitt (16), welcher mit einem ersten (20) und einem zweiten Ende (21) des Konzentrationsabschnittes (15) verbunden und zumindest teilweise um das induktive Element (12) geführt ist, aufweist, wobei der Konzentrationsabschnitt (15) dazu ein gerichtet ist, in dem Betrieb der Vorrichtung (1) eine elektrische Stromdichte (J) eines durch die induzierte elektrische Spannung (U)) verursachten elektrischen Stroms (I) im Vergleich zu dem Umlaufabschnitt (16) zu erhöhen, wobei der Konzentrationsabschnitt (15) eine Engstelle (19) des Gefäßes (2) aufweist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsabschnitt (15) in einem Schnitt, insbesondere einem Querschnitt oder Längsschnitt, betrachtet eine geringere Breite aufweist als der Umlaufabschnitt.

3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schnitt, insbesondere einem Querschnitt oder Längsschnitt, betrachtet der Umlaufabschnitt (16) zwei um das induktive Element (12) geführte Umlaufbereiche (23) aufweist, wobei die zwei Umlaufbereiche (23) jeweils mit dem ersten (20) und einem zweiten Ende (21) des Konzentrationsabschnitts (15) verbunden sind.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Ende (20) und/oder das zweite Ende (21) des Konzentrationsabschnitts (15) ein jeweils in Richtung des Konzentrationsabschnitts (15) konisch zusammenlaufender Verjüngungsabschnitt (22) des Umlaufabschnitts (16) anschließt, über den/die der Umlaufabschnitt (16) mit dem Konzentrationsabschnitt (15) verbunden ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsabschnitt (15) durch eine Ausnehmung (17) des induktiven Elements (12) geführt ist.

6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupterstreckungsebene (E+2) des induktiven Elements (12) im Wesentlichen horizontal angeordnet ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (11) des Konzentrationsabschnitts (15) im Wesentlichen rechtwinkelig zu einer Haupterstreckungsebene (E12) des induktiven Elements (12) angeordnet ist, vorzugsweise wobei der Konzentrationsabschnitt (15) die Haupterstreckungsebene (E+2) des induktiven Elements (12) durchdringt.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (2) insbesondere an einer Oberseite (6) eine Abführöffnung (9) zum Abführen eines Gases, vorzugsweise eines Knallgases (52), aufweist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (2) insbesondere an einer Unterseite (10) eine Zuleitungsöffnung (50) zum Zuleiten der Flüssigkeit (3) aufweist.

10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (2) rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist.

11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (12) im Wesentlichen vollständig von dem Gefäß (2) umgeben ist.

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12. Elektrolyseverfahren mit einer Vorrichtung (1) zur Durchführung einer Elektrolyse, wobei eine Wechselspannung an eine Primärwicklung (14) der Vorrichtung (1) angelegt wird und eine Elektrolyse durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Durchführung einer Elektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.

13. Elektrolyseverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt (4) Wasser, beispielsweise Salzwasser, eingesetzt wird.

14. Elektrolyseverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas, insbesondere ein Knallgas (52), abgeführt oder entzündet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen