Zellen & co Wissen & Theorie - HOME|SHUTEX.com · HHO-Zellen „HHO“ ist ein unter Fachkundigen gültiger Ausdruck für Knallgas im 2:1 Verhältnis. HHO- ... Die Nasszelle (engl

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Zellen & co – Wissen & Theorie

Zelltypen

1. PEM - Brennstoffzelle (Elektrolysezelle)

1.1. Was ist eine Brennstoffzelle

1.2. Was ist eine PEM-Brennstoffzelle

1.2.1. Was ist eine Protonenaustauschmembran und wie funktioniert sie?

1.3. Wie ist eine PEM-Brennstoffzelle/PEM-Elektrolyseur aufgebaut?

1.4. Wie funktioniert ein PEM-Elektrolyseur

1.5. Wie funktioniert eine PEM-Brennstoffzelle

1.6. Wozu wird diese Technik verwendet

2. HHO-Zellen

2.1. Nasszelle (Wet-Cell)

2.1.1. Aufbau

2.1.2. Funktionsweise

2.1.3. Vor-und Nachteile

2.2. Trockenzelle (Dry-Cell)

2.2.1. Aufbau


2.2.3. Vor-und Nachteile

Sonstiges

3. Zubehör

3.1. KOH-Lösungs-Vorratsbehälter/Ausgleichsbehälter

3.1.1. Aufbau


3.2. Bubbler

3.2.1. Aufbau


3.2.3. Materialien

3.3. Stromversorgung

3.3.1. Voraussetzungen

3.3.2. Die Autobatterie

3.3.3. Das Festspannungsnetzteil

3.3.4. Das einstellbare Netzteil

3.3.5. „Aus der Steckdose“

3.3.6. Schweißgeräte

3.4. Flammenarrestoren

3.5. HHO-Brenner

3.6. Gesamtaufbau


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Vorwort

Ziel dieses Kapitels ist Basiswissen über die im Inhaltsverzeichnis erwähnten Elektrolyse-

und Brennstoffzellen und einiges Zubehör zu vermitteln, sowie die zugrundeliegenden

chemischen und physikalischen Prozesse näher zu erläutern. Technische Details des

Zellenbaus wie die Auswahl geeigneter Werkstoffe und gesammelte Erfahrungen werden in

späteren Kapiteln, beispielsweise im Bauprojekt, behandelt.

1. Die PEM-Brennstoffzelle (Elektrolysezelle)

1.1. Was ist eine Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Reaktionsenergie eines Brennstoffs und seines

Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Der Name deutet darauf hin, dass in der Zelle

ein Verbrennungsvorgang (Oxidation) abläuft - allerdings ohne Flamme. Man spricht von

kalter Verbrennung.

Die Bauformen von Brennstoffzellen unterscheiden sich nach der Art des vorgesehenen

Brennstoffs und nach der erwarteten elektrischen Leistung.

1.2. Was ist eine PEM-Brennstoffzelle?

Bei einer PEM-Brennstoffzelle finden die chemischen Reaktionen auf der Oberfläche zweier

katalytisch wirkenden Elektroden statt. Das Kernstück ist jedoch die Protonenaustausch-

membran zwischen den beiden Elektroden (Proton Exchange Membrane). Der Brennstoff der

Zelle ist Wasserstoff, als Oxidationsmittel kommt Sauerstoff aus der Luft oder reiner

Sauerstoff in Frage. Bei Verwendung von reinem Sauerstoff erbringt die Zelle mehr Leistung

und hat auch nicht das Problem der Verschmutzung durch Kohlenstoffmonoxid (CO), welcher

sich auf der empfindlichen Membran ablagern kann und die Zelle schädigt. Es wird versucht,

die CO-Toleranz der Zellen zu erhöhen – das Spülen der Brennstoffzelle mit reinem

Wasserstoff oder Inertgas (Edelgas) ermöglicht zwar die Ablösung des Kohlenmonoxids,

trotzdem sind möglichst wartungsfreie Zellen erwünscht.

Die Zelle ist reversibel, d.h. dass sie die Reaktion in „beide Richtungen“ ablaufen lassen

kann. Das bedeutet, dass sie nicht nur die kalte Verbrennung und die daraus resultierende

Stromerzeugung, sondern auch die Spaltung von Wasser (Elektrolyse) mit Hilfe des

elektrischen Stroms ermöglicht.

Es gibt Hoch-und Niedertemperaturbrennstoffzellen.

1.2.1. Was ist eine Protonenaustauschmembran und wie funktioniert sie?

Eine Protonen-Austausch-Membran, häufig auch Proton Exchange Membrane (PEM) oder

Polymer Electrolyte Membrane (PEM) genannt, ist eine im Allgemeinen aus Ionomer

(spezieller Kunststoff – zumeist Nafion) hergestellte semipermeable (halbdurchlässige) Membran.

PEMs sind für Protonen durchlässig, während der Transport von Gasen wie beispielsweise

Sauerstoff oder Wasserstoff verhindert wird. Dadurch wird eine getrennte Gewinnung und

Ableitung der beiden Gase ermöglicht.

Bauprojekt.docx

http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle

http://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle#Prinzip

http://de.wikipedia.org/wiki/Protonen-Austausch-Membran


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Strukturformel Nafion

1.3. Wie ist eine PEM-Brennstoffzelle / PEM-Elektrolyseur aufgebaut?

Innen (Betriebsmodus Gasproduktion)


4 4 4

Innen (Betriebsmodus Stromerzeugung)

1.4. Wie funktioniert ein PEM-Elektrolyseur?

In einem PEM-Elektrolyseur läuft die reguläre Elektrolyse an den beiden Elektroden auf

beiden Seiten der Protonenaustauschmembran ab. Dabei bildet die Protonenaustausch-

membran eine Trennwand zwischen den entstandenen Gasen und ermöglicht die getrennte

Ableitung derselben.

Im Detail funktioniert die Elektrolyse dabei folgendermaßen: Die Trennwand ist nur für

Protonen durchlässig, weshalb der Protonentransport nicht durch die Oxoniumionen

stattfindet, da diese nicht durch die engmaschige Trennwand diffundieren können.

Reaktionen:

Die Aufspaltung des Wassermoleküls geschieht an der Anode:

2 H2O O2 + 4H+ + 4e

- (Hier entstehen Sauerstoffatome die sich zu Sauerstoffmolekülen

verbinden – Sie können nicht durch die Protonenaustauschmembran).

Unter dem Einfluss des zwischen Anode und Kathode bestehenden elektrischen Feldes

wandern die Protonen alleine durch die Membran zur negativ geladenen Kathode. Der an der

Kathode bestehende Elektronenüberschuss ermöglicht die Neutralisierung der Protonen – es

bilden sich Wasserstoffatome und aus diesen Wasserstoffmoleküle, welche nicht mehr durch

die Protonenaustauschmembran zurück können.

Kathodenreaktion: 4H+ + 4e

- 2H2

Die Oxoniumionen bilden sich zwar, zerfallen aber wieder, da sie nicht an der Reaktion

teilnehmen. Es wird in den Zellen kein flüssiges Elektrolyt, sondern lediglich die katalytisch

wirkenden Elektroden benötigt. Der Katalysator ermöglicht auf den Elektrodenoberflächen

die erforderlichen Ionisierungsreaktionen. Als Katalysator wird meist ein Kohlenstoff-Platin-

oder Platin-Ruthenium-Gemisch verwendet.


5 5 5

1.5. Wie funktioniert eine PEM-Brennstoffzelle?

Der Prozess beginnt an der Anode: Auf der metallischen Anodenoberfläche werden

Wasserstoffmoleküle zu Atomen getrennt (Dissoziation) und ionisiert (das Anodenmetall hat

eine Elektronennegativität, die ausreicht, um Wasserstoffatome zu ionisieren – d.h. die

Wasserstoffatome werden in Protonen und Elektronen getrennt).

Der Trick ist jetzt, dass die Elektronen und die Protonen unterschiedliche Wege durch

unterschiedliche Leiter gehen müssen: Nur die Protonen können die PEM-Membran passieren

– den Elektronen bleibt nur der Weg über die Anode und den angeschlossenen Leitungsdraht:

Strom fließt.

Die Elektronen ermöglichen an der Kathode die Ionisierung von Sauerstoffatomen.

Die entstehenden Sauerstoffionen (O2+

) bilden mit den durch die PEM-Membran

ankommenden Protonen Wassermoleküle.

Da eine einzige Zelle jedoch nicht genug Leistung erbringt, werden mehrere Zellen zu einem

Zellenstapel zusammengeschlossen, einem sogenannten Stack.

1.6. Wozu wird diese Technik verwendet?

Elektrolyse:

Gewinnung von Sauerstoff aus Wasser (z.B. in Atom-U-Booten, Weltraum)

Erzeugen von Wasserstoff zur Energiespeicherung

Stromerzeugung:

U-Boote

Raumfahrttechnik

Autoantrieb (Elektromotor)

Nutzung der Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen

uvm.

und das Beste: Am Schluss entsteht nur Wasser!!!

http://de.wikipedia.org/wiki/Dissoziation_(Chemie)


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2. HHO-Zellen

„HHO“ ist ein unter Fachkundigen gültiger Ausdruck für Knallgas im 2:1 Verhältnis. HHO-

Zellen produzieren, wie der Name schon sagt, HHO. Aufgrund ihrer Bauformen und dem

Fehlen einer Protonenaustauschmembran oder Ähnlichem vermischen sich die beiden Gase

Sauerstoff und Wasserstoff bereits in der Zelle und bilden Knallgas.

HHO-Zellen haben normalerweise keinen Katalysator, weshalb dem Wasser ein Elektrolyt

(meist KOH) hinzugegeben werden muss. Dieses verbraucht sich nicht, man muss lediglich

neues destilliertes Wasser hinzugeben (siehe Kapitel: Hintergrundwissen).

2.1. Die Nasszelle (engl. Wet Cell)

2.1.1. Aufbau

Bei der Nasszelle befinden Sie alle Elektroden und die Stromanschlüsse in einem Behälter, in

welchem die Elektrolytlösung enthalten ist und das Gas entsteht.

Eine Nasszelle besteht aus aufeinander gestapelten Edelstahlplatten, welche durch

Abstandhalter aus Kunststoff getrennt sind. Von überall kann elektrolythaltiges Wasser

einströmen. Zusammengehalten wird die Zelle mit Plastikstäben, die durch Löcher der

einzelnen Platten gesteckt sind und von oben und unten Druck auf die Platten ausüben. Die

Stromanschlüsse sind je nach Bedarf an unterschiedlichen Platten gewählt. Obwohl die

einzelnen Platten voneinander durch die isolierenden Abstandhalter getrennt sind, und nicht

jede Platte einen Stromanschluss hat, nehmen alle Platten als Elektroden an der Elektrolyse

teil. Die Platten mit Stromanschlüssen bekommen meist ein + oder – zugeteilt, die restlichen

ohne Stromanschlüsse sind neutrale Platten; sie werden meist mit einem „n“ gekennzeichnet.

Diese Zeichen werden verwendet, um anderen die Plattenanordnung schnell zu erläutern. In

diesem Fall (Schema) wäre das also „+ nnnnnnnnnnnn – “.


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Nasszelle in Betrieb (Funktionstest in Wasserschüssel)

1) Edelstahlplatte

2) Stromanschluss

3) Gewindestab aus

Plastik mit Mutter


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Hier wurde die Nasszelle lediglich als Test in eine Schüssel

Wasser gehalten. Da man das Gas natürlich auffangen

möchte, wird sie meist in einen geschlossenen Behälter mit

Wasser gehängt, welcher lediglich einen Ausgang für das

Gas hat. Wenn die Zelle das Wasser weitestgehend

verbraucht hat, wird der Behälter aufgeschraubt und neues

Wasser eingefüllt. Die herausragenden Stromanschlüsse sind

abgedichtet.

Nasszellen gibt es in unglaublich vielen Bauvarianten, die

jedoch alle auf offen gelegte Elektroden abzielen, die sich in

einem geschlossenen Behältnis mit Elektrolytlösung

befinden.


~Folgender Text gilt sowohl für Nass – als auch für Trockenzellen~

Die neutralen Platten sind zwischen den aktiven Platten angeordnet, sie sind im Gegensatz zu

den aktiven Platten nicht mit einer Spannungsquelle verbunden. Sie sind trotzdem nicht

überflüssig, da sie zwischen unterschiedlich geladenen Platten stehen. Das zwischen den

geladenen Platten bestehende elektrische Feld bewirkt auf den neutralen Platten eine

Ladungstrennung (Wirkung der elektrischen Influenz).

Die Grundanordnung ist ein Kondensator:

http://de.wikipedia.org/wiki/Influenz


9 9 9

Zwischen den beiden Kondensatorplatten besteht ein elektrisches Feld. Dieses Feld kann auf

einem zwischen den Platten befindlichen Körper eine Ladungstrennung verursachen. Die

Ladungstrennung ist bei leitenden Materialien (Metallen) deutlich stärker als bei Isolatoren:

In einem bekannten Schauexperiment wird ein solcher Körper in trennbarer Ausführung in

das Feld gebracht und im Feld in zwei Teile getrennt:

Bei diesem Experiment können die Platten nach ihrer Trennung aus dem Feld genommen

werden – sie sind unterschiedlich geladen; zwischen ihnen existiert ein elektrisches Feld.

In der Nasszelle/Trockenzelle findet die Ladungstrennung auf jeder neutralen Platte statt –

jede neutrale Platte hat eine anodische und kathodische Seite:

Hier sind die Feldlinien hellgrau eingezeichnet:

Die neutralen Platten vergrößern die elektrisch geladenen Flächen in der Zelle und so auch die

Fläche, auf der die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff stattfinden kann. Das

vergrößert die Leistungsfähigkeit der Zelle.


10 10 10

Spannungsaufteilung in einer Nass-/Trockenzelle:

Die zwischen zwei aktiven Platten bestehende Spannungsdifferenz wird durch das Einbringen

einer neutralen Platte in der Art aufgeteilt, dass zwischen je zwei benachbarten Platten die

halbe Spannungsdifferenz besteht.

Bei einer größeren Zahl neutraler Platten geschieht die Spannungsaufteilung in gleicher Weise

nach der Zahl der Plattenzwischenräume.

Eine Spannung ( ΔU, sprich: „Delta U“) wird durch Anzahl a neutraler Platten in

Teilspannungen aufgeteilt da a neutrale Platten a + 1 Zwischenräume entstehen lassen.

Wenn beim oberen Beispiel also eine Spannung von 12V an den aktiven Platten angelegt

werden würde, hätte man zwischen jeder Platte eine Spannung von

= 6 V.

Die Elektrolyse kann nur stattfinden, wenn zwischen zwei benachbarten Platten die Zerfalls-

spannung für Wasser erreicht oder überschritten wird. Die Zersetzungsspannung für Wasser

liegt bei etwa 1,24 V (ohne Überspannung). Die Spannung zwischen zwei benachbarten

Platten sollte also nicht unter 1,24 V abfallen.

Verschiedene Beschaltungsmöglichkeiten

Die nötige Kammernspannung (Volt) für die Zelle hängt von dem Abstand zwischen den

einzelnen Platten (durch die Dicke der Dichtungen bestimmt) ab, der maximale Stromfluss

(Ampere) von der Kaliumhydroxidkonzentration und der aktiven Elektrodenoberfläche.


11 11 11

Wenn man eine Spannungsquelle mit fester Spannung hat, muss eine passende Kombination

von Reihenschaltung und Parallelschaltung der Zellblöcke gefunden werden, um die

erforderliche Spannung herzustellen.

Verwendete Grundschaltungen:

Reihenschaltung (Hintereinanderschaltung, Spannungsteilerschaltung)

Die angelegte Spannung wird auf die in Reihe geschalteten Verbraucher aufgeteilt:

In gleicher Weise können drei Zellblöcke (Stacks) hintereinandergeschaltet werden; in diesem

Fall wird die anliegende Spannung U in drei Teilspannungen U/3 aufgeteilt:

Parallelschaltung (Nebenschaltung)

An allen parallel geschalteten Verbrauchern liegt die gleiche Versorgungsspannung an, aber

der Strom (Ampere) wird gleichmäßig aufgeteilt.


12 12 12

Kombination der Grundschaltungen

Beide Schaltungen können miteinander kombiniert werden. Dabei ist das folgende Vorgehen

zweckmäßig:


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Die Zellblöcke werden meist parallel geschaltet, so dass der Strom aufgeteilt wird. Innerhalb

eines Zellblocks sind die einzelnen Kammern in Reihe geschaltet. D.h. die am Zellblock

anliegende Spannung teilt sich gleichmäßig auf die Kammern auf.

Daraus ergeben sich die folgenden Formeln:

Strom pro Zellblock:

(1)

Spannung pro Kammer eines Zellbocks:

(2)

Falls eine Spannungsquelle mit fester Spannung verwendet werden soll, müssen die

Zellblöcke mit so vielen Platten ausgestattet werden, dass zwischen zwei Platten eine

geeignete Spannung entsteht (mind. 1,24V) - für die Berechnung der Anzahl der Platten

verwendet man Formel (2).

I B=I g

nB

U K=U g

nK

Legende:

U = Spannung (Volt)

I = Strom (Ampere)

B = Zellblock/Stack

n = Anzahl (Blöcke/Kammern)

K = Kammer

g = Gesamt


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Die folgende Zeichnung zeigt das Bauschema meiner Trockenzelle, in der aus 21 Platten 4

Zellblöcke mit je 5 Kammern aufgebaut werden.

Ladungstransport zwischen geladenen Plattenoberflächen:

Der Ladungstransport zwischen den geladenen Plattenoberflächen erfolgt nun nach den

geltenden Regeln der Elektrolyse (siehe Hintergrundwissen).

In einer Elektrolytflüssigkeit, die Kaliumhydroxid (KOH) enthält, kann diese Substanz

dissoziieren (selbsttätige Teilung einer chemischen Verbindung in Atome/Moleküle/Ionen) und an

der elektrolytischen Reaktion teilnehmen. Entstehendes Kalium reagiert mit Wasser über

Zwischenschritte wieder zu Kaliumhydroxid. Das in der Elektrolytflüssigkeit enthaltene KOH

verbraucht sich also nicht. [http://de.wikipedia.org/wiki/Kaliumoxid]

Hintergrundwissen.docx

http://de.wikipedia.org/wiki/Dissoziation_(Chemie)


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2.1.3. Vor – und Nachteile (von Nasszellen)

Vorteile Nachteile

Einfacher Bau Es sammeln sich große Mengen Gas an

hohe Explosionsgefahr

Relativ kostengünstig Stromverluste (Strom „wandert“ auch außen

an Platten vorbei)

Einfach zu kühlen

Gut einsehbar & einfache Wartung

Verschiedene Elektrolyte können einfach

getestet werden (durch Umstellen der Zelle)

2.2. Die Trockenzelle (engl. Dry Cell)

2.2.1 Aufbau

Eine Trockenzelle besteht aus einem Stapel mehrerer Metallplatten, bevorzugt korrosions-und

laugenbeständiger Edelstahl oder Titan. Jede Platte hat ein oder mehrere Löcher (oder

Schlitze) durch die im oberen Bereich das entstehende Gas austreten kann und ggf. ein unteres

Loch für den Flüssigkeitsausgleich der einzelnen Kammern.

Zwischen den Metallplatten liegt eine nichtleitende Dichtung. So ergeben sich die einzelnen

Kammern, in denen die Elektrolytlösung enthalten ist. Je größer die Anzahl der Platten, und je

dicker die Dichtung ist, umso mehr Elektrolytlösung kann die Trockenzelle aufnehmen.

Die Trockenzelle hat außen zwei dicke, nicht beteiligte Platten (aus Kunststoff, Plexiglas oder

Edelstahl) die von Außen die Elektroden mit den dazwischen liegenden Dichtungen

zusammenpressen und festhalten. Sie haben außerdem 1 oder 2 Löcher mit daran befestigten

Schlauchtüllen, durch welche das entstandene HHO abgeleitet und KOH-Lösung zugeleitet

wird. Der Strom kann entweder an Platten mit einem längeren herausragenden Edelstahlstück

oder an kleinere, mit Anschlüssen versehene Platten angeschlossen werden – dies ist von


16 16 16

Zelle zu Zelle verschieden. Die Außenplatten haben mehrere Bohrungen, durch die

Gewindestangen geführt werden welche durch Muttern und Unterlegscheiben die Platten

aneinander halten. Um einen Kurzschluss durch Berühren der Gewindestangen mit den

Elektroden zu vermeiden, werden passende Schlauchstücke über die Gewindestangen gestülpt

um diese zu isolieren.


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2.2.2 Funktionsweise

Wie bei der Nasszelle gibt es auch bei der Trockenzelle neutrale Platten und „aktive“ Platten

(Platten mit Stromanschluss). Jedoch ist die Zelle ein durch die Dichtungen geschlossenes

System, weshalb nicht Wasser überall von außen eindringen kann, sondern die Zelle mit

Elektrolytlösung befüllt werden muss. Dies geschieht über die unteren Schlauchanschlüsse an

den Außenplatten. Die Lösung und das Gas fließen durch die Löcher in den Edelstahlplatten

zwischen den einzelnen Kammern. In jeder Kammer läuft für sich die Elektrolyse ab. Auch

hier gilt: Je größer die aktive Oberfläche der Elektroden, desto mehr Elektrolyse kann

betrieben werden, und umso mehr kann eine Zelle leisten. Die Anzahl an Platten und

Kammern bestimmt, wie viel Spannung an die Zelle angelegt werden kann. Ist die Spannung

zu hoch, entsteht unnötige Wärme – die Zelle produziert jedoch nicht mehr Gas. Ist die

Spannung zu niedrig, kann die Elektrolyse erst gar nicht beginnen. Die anzulegende

Spannung hängt außerdem von der Elektrolytkonzentration ab – meist liegt diese bei 2-7%.

***Physikalische und chemische Funktionsweise siehe Kapitel 1.2.2***

2.2.3 Vor – und Nachteile (von Trockenzellen)

Vorteile Nachteile

In der Zelle sammeln sich sehr geringe

Gasmengen anSicherer

Aufwändigerer Bau als der einer Nasszelle

Geschlossenes System, mobil

Kompakte Bauweise

Trockenzellen sind nicht nur optisch ansprechend, auch in anderen Punkten sind sie deutlich

besser als Nasszellen. Sie lassen sich einfacher einbauen und können explosionsgeschützt

ohne größeren Aufwand gebaut werden. Sie sind die modernere, sicherere und verbreitetere

Technik als Nasszellen.


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3.1. Der KOH-Lösungs-Vorratsbehälter/Ausgleichsbehälter

3.1.1 Aufbau

Ein Ausgleichsbehälter dient dazu, den Elektrolytfüllstand in der Trockenzelle auszugleichen,

da der Großteil der Zelltypen im Innern nicht viel Elektrolyt speichern kann. Der

Ausgleichsbehälter wird mit KOH-Lösung gefüllt und an die Zelle angeschlossen.


Der KOH-Lösungs-Vorratsbehälter/Ausgleichbehälter hat 3 Anschlüsse. Zwei an der

Oberseite und einen unten. Der untere Anschluss ist mit dem Wasseranschluss der Zelle

verbunden (falls die Zelle jeweils zwei Anschlüsse hat, kann man einen T- oder Y-

Schlauchverbinder benutzen um diese zu verknüpfen) und füllt diese mit dem Elektrolyt bis

auf die Höhe des Wasserspiegels des Ausgleichsbehälters (Prinzip der kommunizierenden

Röhren). Die oberen Anschlüsse dienen zum Gastransport von der Zelle über den

Vorratsbehälter und weitere Sicherheitselemente zum Verbraucher. Der Gaseingang wird

manchmal mit einem Schlauchstück versehen - es ermöglicht beim Verwenden eines

undurchsichtigen Bubblers eine grobe Abschätzung der aktuellen Gasproduktion. Diese

Maßnahme ist nicht zwingend notwendig. Aufgrund von Nachteilen beim Druckaufbau

empfehle ich es nur, wenn man keine andere Kontrollmöglichkeit hat. Außerdem fängt der

Ausgleichsbehälter einen Großteil des bei der Elektrolyse entstehenden Schaumes ab.

http://de.wikipedia.org/wiki/Kommunizierende_R%C3%B6hren

http://de.wikipedia.org/wiki/Kommunizierende_R%C3%B6hren


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3.2. Der Bubbler

3.2.1 Aufbau

Ein Bubbler ist ein mit Wasser gefüllter Behälter, durch den das erzeugte Gas geleitet wird. Er

dient zum Schutz der Zelle und des Vorratsbehälters vor einem Flammenrückschlag

(Flashback). Außerdem reinigt er das Gas von elektrolythaltigen Wasserrückständen.

Das Gas wird über ein Rohr in das Wasser geführt, blubbert dann durch das Wasser nach

oben, und strömt an einem zweiten Schlauchanschluss wieder aus dem Behälter. Bei größeren

Gasströmen wird ein Zersprudler verwendet, der das ankommende Gas in noch kleinere

Bläschen aufteilt.


Bei einem Flammenrückschlag, sprich wenn sich die Flamme durch den Schlauch

zurückzieht, verhindert der Bubbler einen Rückschlag in die Zelle. Stattdessen entzündet sich

das angesammelte Gas im Bubbler und detoniert – das Wasser bildet eine zuverlässige

Barriere zum ankommenden Gas und zur Zelle.

3.2.3 Materialien

Der Bubbler sollte explosionssicher sein, um im Falle eines Rückschlages nicht zu bersten.

Deshalb sollte man keinesfalls zu dünne und instabile Plastikbehälter (Flaschen usw.)

nehmen, da diese im Falle eines Flashbacks explodieren und gefährliche Plastiksplitter


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umherfliegen können. Allgemein sollte auf ein möglichst geringes Gasvolumen im Bubbler

geachtet werden.

Erste Wahl ist ein Bubbler aus Edelstahl:

Der seitliche Hahn dient hier zum Nachfüllen von Wasser

Ein Edelstahlbubbler ist bei ausreichender Wandstärke nicht nur ungemein stabil, sondern

auch korrosionsbeständig gegenüber dem Wasser im Inneren.

Die günstigere, aber unsicherere Variante ist ein Bubbler aus einem Plexiglasrohr oder

Doppelwasserfilter:


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3.3. Die Stromversorgung

3.3.1 Voraussetzungen

Da für die Elektrolyse Gleichstrom (DC) benötigt wird, sollte bei der Wahl einer

Stromversorgung darauf geachtet werden, dass sie, falls es sich um ein Netzteil handelt,

immer Gleichstrom und keinesfalls Wechselstrom liefert. Außerdem sollte sie fähig sein,

relativ hohe Ströme liefern zu können, um das Potenzial der Zelle auszuschöpfen. Die

benötigte Spannung hängt von der Anzahl der Platten/Kammern ab. Beachtet werden sollte,

dass jede Zelle eine Grenze hat, d.h., dass die Zelle sich bei steigender Stromstärke und

Spannung ab einem bestimmten Punkt nur noch erhitzt. Dies hängt von Faktoren wie aktiver

Oberfläche, Elektrolytkonzentration und mehr ab.

3.3.2 Die Autobatterie

Eine Autobatterie hat den Vorteil, dass sie auf dem Schrottplatz oder gebraucht günstig zu

bekommen ist und die für die Elektrolyse benötigten hohen Ströme liefern kann. Außerdem

haben Autobatterien eine recht zuverlässige Festspannung von 12 V, mit der man gut die

benötigte Plattenanzahl berechnen kann.

Allerdings dauert es bei kleineren

Autobatterien nicht lange bis sie

vollständig entladen sind. Bereits

kleinere Zellen können 25 Ampere

verbrauchen, womit eine Autobatterie

mit 30Ah nach einer Stunde und 12

Minuten leer wäre. Deshalb empfehlen

sich Autobatterien mit hohen

Kapazitäten wie 80Ah und mehr, um

die Zelle längere Zeit betreiben zu

können.

Zudem sollte man sich auch um ein

passendes Ladegerät kümmern.


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3.3.3 Das Festspannungsnetzteil

Wenn man genau weiß was man möchte ist ein Festspannungsnetzteil die erste Wahl. Es

liefert eine konstante Spannung und Stromstärke und versorgt die Zelle zuverlässig mit ihrem

benötigten Strom. Industrienetzteile können dabei sogar 100 Ampere und mehr liefern.

Link zu oben stehenden Netzteil (KLICK MICH)

3.3.4 Das einstellbare Netzteil

Wer mehrere Zellen hat und für den Großteil nur ein Netzteil verwenden möchte, oder mit

Zellen experimentieren will (was passiert wenn ich Spannung/Stromstärke erhöhe oder die

Beschaltung ändere usw.), für den ist ein einstellbares Netzteil am besten geeignet. Bei einem

einstellbaren Netzteil lassen sich, wie der Name schon sagt, Spannung und Stromstärke in

einem vorgegebenen Bereich regeln. Es kann damit an nahezu jede Zelle angeschlossen

werden und diese mit genau der Menge an Strom versorgen, die sie benötigt.

Link zu oben stehenden, oft verwendetem, einstellbaren Netzteil (KLICK MICH)

(http://www.ett-online.de/netzgeraet-mcpower-mrgn-900-19-3he-3-regelbare-bereiche-0-15-v-0-30-v-0-60-v-

900-w-max-60-a/)

http://www.ett-online.de/schaltnetzteil-mcpower-snt-1322-13-8v-20-22a-stabilisiert-festspannung/

http://www.ett-online.de/netzgeraet-mcpower-mrgn-900-19-3he-3-regelbare-bereiche-0-15-v-0-30-v-0-60-v-900-w-max-60-a/




23 23 23

3.3.5 „Aus der Steckdose“

Zu guter Letzt bleibt noch die Möglichkeit, eine Zelle zu bauen, die auf die Haushalts-

spannung (~230V) ausgerichtet ist. Bei dieser Möglichkeit kann man enorm viel Strom für die

Elektrolyse verwenden (bei einem mit 16 Ampere abgesicherten Haushalt bis zu 3680

Watt!!!), und auch große Zellen voll ausschöpfen.

Da aus der Steckdose allerdings Wechselstrom (AC) kommt, wird noch ein Gleichrichter und

ein FI-Schalter benötigt. Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom in den benötigten

Gleichstrom um – der FI-Schalter dient als Sicherheitsmaßnahme vor Kontakt mit offen

liegenden Leitern.

3.3.5 Schweißgeräte

Des Öfteren auch empfohlen sind Schweißgeräte die mit Invertertechnik arbeiten (haben

deshalb Gleichstrom). ABER ACHTUNG: Schweißgeräte sind absolut UNBRAUCHBAR!

Auch ich selbst habe erst überlegt meine Zelle mit einem unglaublich günstigen 50€-

Inverterschweißgerät zu betreiben, musste allerdings einsehen, dass man sie echt nicht

verwenden kann, aus folgenden Gründen:

1. Bei Schweißgeräten ist nur eine Leerlaufspannung angegeben. Die nominell recht

hohe Spannung fällt bei Anschluss eines Verbrauchers allerdings enorm ab.

Auf welchen Wert die Spannung abfällt, lässt sich so gut wie nicht vorausberechnen,

da dies vom Innenwiderstand der Schweißgeräts, von Widerstand der Zelle und vielem

mehr abhängt.

2. Schweißgeräte erhitzen sich extrem schnell, deshalb brauchen sie „Ruhepausen“ um

sich abzukühlen. Bei einer Einschaltdauer (ED) von 60% kann das Gerät 6 min am

Stück genutzt werden und schaltet sich danach für 4 min ab um sich abzukühlen. Dies

ist für eine konstante Elektrolyse äußerst unvorteilhaft.


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3.4. Flammenarrestoren

3.4.1 Aufbau

Ein Flammenarrestor besteht aus zwei Schlauchanschlüssen, einem Gaseingang und einem

Gasausgang (können vertauscht werden), und einem Mittelstück aus Stahl oder Edelstahl,

welches dicht mit sehr feiner Edelstahlwolle gefüllt ist.


Die feine Edelstahlwolle im Inneren des Flammenarrestors bildet eine Barriere welche die

Flamme aufteilt und entstehende Wärme über das Metallrohr nach Außen abgibt. Im Prinzip

ist das ganz einfach: Je enger das Geflecht, umso kleiner die theoretische Flamme die im

Innern möglich ist und umso kleiner damit auch der Gasdruck der nötig ist um die Flamme im

Arrestor auszublasen. Achtung: Ist die Stahlwolle nicht fein genug oder nicht dicht genug

gestopft (erkennbar daran, dass man ohne größere Probleme hindurch blasen kann), können

sich Hohlräume im Mittelstück bilden, in denen sich angesammeltes Gas entzünden kann und

die Stahlwolle verbrennt ( starke Erhitzung des Arrestors). Der Arrestor wird geschädigt

und ein Rückschlag wird möglich.

3.4.1 Sinterfilterarrestoren

Die modernste und sicherste Flammenarrestortechnik besteht aus einer Kombination eines

Sinterfilters mit einem Rückschlagventil – manchmal auch nur ein Sinterfilter:

http://de.wikipedia.org/wiki/Sintern


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Bei dem Sinterfilter handelt es sich hier um extrem feinporigen Edelstahl (um ein vielfaches

feinporiger als gestopfte Edelstahlwolle), durch welchen Gas zwar hindurch strömen kann,

jedoch eine mögliche Flamme so drastisch verkleinert wird, sodass sie keine Gefahr mehr

darstellt. Zusätzlich verbaut ist noch ein Rückschlagventil, welches den Zurückfluss von Gas

allgemein unterbinden soll.

Gesinterter, offenporiger Metallschaum

Rostfreie Sintermetallfilter in verschiedenen Formen und Größen


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3.4. HHO-Brenner

3.4.1 Aufbau

Ein Knallgasbrenner (Torch) besteht aus einem Schlauchanschluss, einem Mittelstück mit

feiner Stahlwolle und einer feinen Düse (Ø 0,3 mm –3 mm). Er unterscheidet sich von einem

Arrestor also nur dadurch, dass er anstatt eines zweiten Gasanschlusses eine Düse hat, an

welcher das Gas entzündet werden kann.

3.4.1 Düsenöffnung und LPM

Welchen Durchmesser die Düsenöffnung haben sollte hängt davon ab, wie viel Liter pro

Minute bei 1,01 bar und einer Gastemperatur von 0 °C (LPM bzw. Normliter pro

Minute[lässt sich zurückrechnen]) die angeschlossene Zelle produziert. Denn wenn die Düse

zu groß ist, kann sich keine Flamme bilden und stattdessen verbrennt im Mittelstück die

Stahlwolle. Ist die Düsenöffnung jedoch zu klein ist der Druck zu groß und die Flamme

erlischt. Achtung: Ist die Stahlwolle nicht fein genug oder nicht dicht genug gestopft

(erkennbar daran, dass man ohne größere Probleme hindurch blasen kann), können sich

Hohlräume im Mittelstück bilden in denen sich angesammeltes Gas entzünden kann und die


27 27 27

Stahlwolle verbrennt. Der Arrestorteil des Brenners wird geschädigt und ein Flashback ist

möglich.

Gasproduktion der Zelle * Größe der Düsenöffnung *

0,3 – 1,5 LPM 0,3 mm

0,5 – 2 LPM 0,4 mm

2,0 – 6 LPM 0,8 mm

3,0 – 8 LPM 1 mm

4,0 – 10 LPM 1,2 mm

10 – 20 LPM 1,8 mm

20 – 40 LPM 2,4 mm

*Alle Angaben sind ungefähre Erfahrungswerte

3.4.1 Die Knallgasflamme

Ein sehr interessanter und spannender Bereich der HHO-Technik ist die Knallgasflamme. Sie

setzt unglaubliche Hitze (ca. 2800-3050°C) zielgerichtet frei (da keine Kohlenstoffe enthalten

sind, hat sie kaum Strahlungswärme). Denn nur vor und in der Flamme herrschen diese hohen

Temperaturen.

Mit der Knallgasflamme lassen sich Steine, Metall und viele andere Materialien mit hohen

Schmelz-/Sublimationspunkten verschmelzen oder sublimieren. Damit lässt sich die Flamme

gut zum Schweißen, zur Schmuckbearbeitung, Schneiden von Metallen und anderen

Tätigkeiten, die solch enorm hohe Temperaturen erfordern, benutzen. Steine werden bei ihrer

Bearbeitung zu Halbedelsteinen, Nägel fangen an zu tropfen und vieles mehr.

Und das Tolle: Statt Ruß, CO2 oder anderen umweltschädlichen Verbrennungsprodukten

entsteht bei der Knallgasflamme nur Wasser.


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3.5. Gesamtaufbau

Die Trockenzelle spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf, die sich

in ihr vermischen und abgeleitet werden. Der Ausgleichsbehälter versorgt die Trockenzelle

mit leitfähig gemachtem Wasser (leichte KOH-Lauge) und nimmt das produzierte HHO auf.

Das Knallgas wird über den oberen Anschluss des Ausgleichsbehälters zum

explosionssicheren Edelstahlbubbler geleitet, in welchem es durch das Wasser blubbert. Von

dort drängt es durch eine weitere Sicherheitsbarrikade, den Arrestor, und von dort in den

seinerseits geschützten HHO-Brenner. An der Spitze des HHO-Brenners kann das Gas ohne

Bedenken verbrannt werden. Der Brenner steht hier stellvertretend für alle anderen

Verbraucher.

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