Patent WO2022175691A2 - Energy Cell - ENG8 Limited

Patent
Patentnummer	WO2022175691A2
Bezeichnung	Energy Cell
Anmelder	ENG8 Limited
Erfinder	Altunin, Sergei Kulakovskii, Oleg Back, Haslen Matthew Tyutina, Valeria
Anmeldetag	21.02.2022
Veröffentlichungstag	25.08.2022
Erteilungstag	25.08.2022

Zusammenfassung

Eine Energiezelle umfassend: eine Kammer zur Aufnahme eines Arbeitsfluids und mit mindestens einem Einlass und Auslass, um das Arbeitsfluid durch die Kammer fließen zu lassen; mindestens eine Elektrode innerhalb der Kammer, um elektrische Energie auf das Arbeitsfluid anzuwenden und darin Plasma zu erzeugen; und die Energiezelle umfasst weiterhin: ein Fluidzirkulationssystem zur Zirkulation des Arbeitsfluids durch die Kammer; und ein Energieentnahmesystem zur Entnahme der durch das Fluid abgegebenen Energie aus der Kammer.

Das Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelle, die Plasma enthält und als Energiezelle bezeichnet wird und der Strom zur Erzeugung des Plasmas von einer Hochspannungsenergiequelle, dem sogenannten Plasmagenerator, zugeführt wird.

Der Hintergrund der Erfindung

Es wurden Energiezellen und Verfahren zur Plasmaerzeugung vorgeschlagen, die eine Kathode, eine Anode und eine optionale Stabilisierungselektrode umfassen, wobei die Stabilisierungselektrode einen Bereich des Plasmas in einem Fluid stabilisiert, sowie Verfahren zur Plasmaerzeugung und deren Verwendung. Eine solche Energiezelle wird in der gleichzeitig laufenden Patentanmeldung GB1917736.9 beschrieben, die am 4. Dezember 2019 eingereicht wurde, sowie in den zugehörigen Anmeldungen NL2024421, eingereicht am 11. Dezember 2019, und PCT/EP2020/084425, eingereicht am 3. Dezember 2021 (der Inhalt jeder dieser Anmeldungen wird hier durch Bezugnahme einbezogen).

Die Weiterentwicklungen der Energiezelle, der Plasmageneratoren und des Systems, in das sie integriert sind, haben zu verschiedenen Verbesserungen und Anwendungen für die Energiezellen und Verfahren geführt, insbesondere zu Anwendungen der Energiezelle.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Energiezelle bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

eine Kammer zur Aufnahme eines Arbeitsfluids mit mindestens einem Einlass und einem Auslass, um dem Arbeitsfluid das Durchfließen der Kammer zu ermöglichen;

mindestens eine Elektrode innerhalb der Kammer, um elektrische Energie auf das Arbeitsfluid anzuwenden, um darin ein Plasma zu erzeugen; und die Energiezelle umfasst weiterhin:

ein Fluidzirkulationssystem zum Umwälzen des Arbeitsfluids durch die Kammer; und ein Energieentnahmesystem zur Entnahme der durch das Fluid abgegebenen Energie aus der Energiezelle.

Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die Zirkulation von Fluiden durch die Kammer gemäß den Ausführungsformen die Effizienz der Energiezelle erhöht und erhebliche Vorteile bietet. Insbesondere kann die Zirkulation des Arbeitsfluids den Durchgang von Elektrolyten durch die Plasmakammer ermöglichen. Der Fachmann wird verstehen, dass verschiedene Katalysatoren in dem Arbeitsfluid enthalten sein können. Während die Auswahl spezifischer Katalysatoren die Effizienz des Plasmazellenbetriebs optimieren kann, hält der Antragsteller dies derzeit für eine zweitrangige Überlegung, da die Energiebedingungen als wesentlich bedeutsamer betrachtet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die elektrische Energie in Form von Hochspannungsimpulsen mit einer steilen Front zugeführt werden. Solche Impulse können den effektivsten Weg bieten, um die Plasmazelle zu aktivieren. Der Antragsteller ist der Ansicht, dass die Coulomb-Barriere bei der Synthese von Mikropartikeln in den Ausführungsformen überwunden werden kann, ohne extrem hohe Temperaturen und Kraftfelder zu erzeugen. Dies kann zum Beispiel auf die Erzeugung hoher Gradienten elektrischer Energie innerhalb der Plasmazone zurückzuführen sein.

Die Energiezelle kann mindestens eine Arbeitselektrode und mindestens eine Stabilisierungselektrode umfassen. Die Elektroden können eine Vielzahl von Arbeitselektroden umfassen. Eine Vielzahl von Elektroden kann eine Kathode, eine Anode und eine Stabilisierungselektrode umfassen. Die Stabilisierungselektrode kann eine Region von Plasma innerhalb des Arbeitsfluids stabilisieren. Die Elektroden können so konfiguriert sein, dass sie entweder ein Kathodenplasma oder ein Anodenplasma erzeugen. Der Körper der Kammer kann eine Kathode oder eine Anode sein.

Das in dem Arbeitsfluid erzeugte Plasma kann in Form von einer oder mehreren Plasmablasen innerhalb des Fluids vorliegen. Die Energiezelle kann ferner einen elektromagnetischen Feldgenerator zur Steuerung der Position und/oder der Form des Plasmas umfassen.

Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, ermöglichen die Bedingungen innerhalb der Energiezelle das Auftreten von Mikroblasen in der Plasmazone, welche mit konzentrierten Wasserstoff- und Sauerstoffionen gefüllt sind. Dies führt, wenn Kavitation auftritt, zu einer höheren Effizienz bei der Freisetzung von Energie aus den Arbeitsfluiden.

In einem anderen Beispiel sind die Elektroden statt in ein Fluid wie flüssigem Wasser möglicherweise in einem Gas-, Dampf- oder Aerosolfluss eingetaucht. Dieser Fluss kann in Form eines Wirbelstromes von Fluiden vorliegen. Dies hat den Vorteil, dass eine maximale Konsistenz und Oberfläche der Fluide sowie eine Dispersion der Elektrolyte und/oder Katalysatoren in dem Fluid geschaffen wird.

Die Elektrolyte und/oder Katalysatoren können der Energiezelle innerhalb des Arbeitsfluids / der Arbeitsfluide zugeführt werden oder durch den Zerfall der Elektroden, insbesondere, aber nicht ausschließlich der Kathode, und durch die Atome, Moleküle und Mikropartikel, aus denen die Kathode besteht, in den Fluiddampf eingetragen werden.

Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, können die Atome, Ionen, Moleküle und Mikropartikel als Elektrolyte und/oder als Katalysatoren wirken. Die elektrische Entladung ionisiert den Fluidfluss, und der Wirbel kann Regionen mit konzentriertem Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Ionen erzeugen, was zu einer höheren Effizienz bei der Freisetzung von Energie aus den Fluiden führt. Die Stabilität des Wirbels trägt zur Stabilisierung des Plasmafeldes bei.

Die Injektion von Fluiden ermöglicht es, die Kathode und andere Bereiche und Komponenten der Energiezelle zu kühlen.

Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die aus den Arbeitsfluiden freigesetzte Energie in Form von Licht vorliegen, was mit den physikalischen und elektromagnetischen Bedingungen im Inneren der Energiezelle zusammenhängt.

Die im Inneren der Energiezelle erzeugte Wärme kann von den Arbeitsfluiden und/oder von einem separaten Kühlkreislauf abgeführt werden. Das Gehäuse der Energiezelle kann so gestaltet sein, dass es die Energieabsorption maximiert und Kühlkreisläufe enthält.

Die dielektrischen Eigenschaften des Arbeitsfluids können temperaturabhängig sein. Durch einen integrierten Vorwärmer zur Erwärmung der Arbeitsfluide vor ihrer Einleitung in die Energiezelle können die dielektrischen Eigenschaften der Arbeitsfluide optimiert werden. Dies erhöht auch die Energieeffizienz des Systems, da die erschöpften Arbeitsfluide über einen Wärmetauscher und/oder einen elektrischen Vorwärmer zur Erwärmung der zugeführten Arbeitsfluide verwendet werden können, um die Anlaufzeit und den Energieverbrauch zu minimieren.

Wird der Energiezelle ein Gemisch aus Wasser und anderen Gasen in Form von komprimierter Luft oder einem Inertgas wie Argon oder einem Aktivgas wie Kohlendioxid zugeführt, können die Bedingungen am und im Wirbel für die Plasmastabilität und die Energiefreisetzung aus den Arbeitsfluiden optimiert werden.

Die dielektrischen und anderen Eigenschaften der Arbeitsfluide können zur Plasmastabilität und Effizienz der Energiezelle beitragen. Es hat sich gezeigt, dass Sensoren an den Arbeitsfluiden, die die Leitfähigkeit und den Gehalt an Elektrolyten und/oder Katalysatoren messen und an Elektrolyt- und/oder Katalysatordosiereinheiten gekoppelt sind, es ermöglichen, die Konzentrationen der Elektrolyte und/oder Katalysatoren des Arbeitsfluisd während des Betriebs zu optimieren. Umgekehrt kann zusätzlich Wasser hinzugefügt werden, um das Arbeitsfluid zu verdünnen und die Betriebsbedingungen innerhalb der Energiezelle zu optimieren.

Die Energieabgaben des Systems können aufgrund von Trägheit im System und einer Reihe von Faktoren, die zur Energiefreisetzung aus den Arbeitsfluiden beitragen, um mindestens den Faktor 2 variieren, wodurch der Druck in der Energiezelle dramatisch ansteigen kann. Um die Druckschwankungen innerhalb der Energiezelle auszugleichen, hat sich ein Rückdruckregler als vorteilhaft erwiesen.

In einem Durchlauf wurde festgestellt, dass die Druckeinstellungen des Rückdruckreglers manuell oder ferngesteuert erfolgen können, um den genauen Betriebsdruck einzustellen.

Die Energieabgabe des Systems kann aufgrund von Trägheit im System um mindestens den Faktor 2 schwanken, was auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen ist, welche zur Energiefreisetzung aus den Arbeitsfluiden beitragen. Es hat sich gezeigt, dass für den sicheren Betrieb einer Energiezelle eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können, darunter der Einbau eines Notablassventils, eines druckaktivierten elektrischen Abschaltschalters oder einer Kombination aus beidem, die aktiviert werden, wenn der maximale Betriebsdruck des Systems erreicht wird.

Wenn das System angehalten wird oder ein Bruch im Zufuhrsystem für den Fluiddruck auftritt, kann der Druck im Inneren der Energiezelle größer werden als der Druck in den Leitungen der Eingangsfluide. Die Materialien und Komponenten des Eingangsfluidsystems sind möglicherweise nicht dafür ausgelegt, bei den Temperaturen zu arbeiten, wie sie im Inneren der Energiezelle herrschen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Rückschlagventile an den Zuleitungen für das Eingangsfluid anzubringen, um eine Beschädigung bzw. einen Ausfall des Fluideingangssystems zu verhindern.

Eine weitere Methode zur Wärmeregulierung der Komponenten innerhalb der Energiezelle besteht darin, nicht nur den Strom, sondern auch die Frequenz der Impulse zu steuern und sowohl einen Wechsel- als auch einen Gleichstrom mit intermittierenden Impulsen zuzuführen.

Die Energiezelle kann ferner eine Quelle für Hochspannungsenergie umfassen, die mit den Elektroden gekoppelt ist. Bei der Hochspannungsenergiequelle kann es sich um eine Wechsel-, Gleich- oder gepulste Hochspannungsenergiequelle handeln.

Die Integration von Steuerelektroden, die passiv oder aktiv sein können, ermöglicht es, die Form und Größe des Plasmafeldes zu steuern, was zu optimalen Betriebsbedingungen und einem optimalen Wirkungsgrad, einschließlich der Ionisation der Arbeitsfluide innerhalb der Plasmazone(n), führt.

Das Plasma kann durch eine oder mehrere elektrische Eingangsquellen gezündet und aufrechterhalten werden, zum Beispiel eine zur Zündung des Plasmas und eine zu dessen Aufrechterhaltung. Dies kann Kondensatoren oder eine Teslaspule zur Zündung und Pufferung der Energiefluktuationen innerhalb der Energiezelle umfassen, um das Plasmafeld zu stabilisieren.

Das System aus Energiezelle und Plasmagenerator kann ein Steuerungssystem enthalten, das die internen und/oder externen Bedingungen der Energiezelle überwacht. Ein solches Steuerungssystem gewährleistet die optimale Effizienz und Funktion der Energiezelle, einschließlich der Betriebstemperaturen der Komponenten und der maximalen Effizienz des Plasmafeldes.

Ein solches System kann eine Sicherheits- und/oder Sicherungsfunktion enthalten, um einen unbefugten Zugriff zu verhindern und das System der Energiezelle vor unsachgemäßem Zugriff oder Betrieb zu sperren.

Ein solches System kann einen Mechanismus zur Messung der Energiezufuhr und -abgabe umfassen und in ein Abrechnungssystem integriert werden.

In einem Beispiel sind die folgenden elektrischen Eingangsbereiche eines Plasmagenerators bekannt, um eine Energiezelle zu betreiben. 6 kV, 1 A mit Impulsen von bis zu 5 A, wobei die Dauer dieser Impulse zwischen 5 und 40 μs liegen und die Frequenz 40 kHz betragen kann. Diese Bereiche hängen von der Geometrie und der Größe der Energiezelle ab. Die Kondensatoren und/oder eine Teslaspule können Kurzzeitspannungen erzeugen, die mehr als zehnmal so hoch und zehnmal so lang sind. Die Kondensatoren und/oder eine Teslaspule können elektrischen Strom aufnehmen, um einen Zusammenbruch des Plasmafeldes zu verhindern.

Die elektromagnetischen Bedingungen innerhalb und in der Umgebung der Energiezelle, die durch das Plasmafeld und den Plasmagenerator entstehen, erzeugen ein beträchtliches elektromagnetisches Rauschen, das sich auf die Messungen durch Messgeräte wie Durchflussmesser, Thermoelemente, Antennen, dielektrische Sensoren des Arbeitsfluids, optische Sensoren usw. auswirkt. Um die Übertragung dieses Rauschens an das Steuerungssystem zu minimieren, können ein Hochfrequenzsender und -empfänger, z. B. eine Wi-Fi-Verbindung, installiert werden, die das Steuerungssystem von den Messinstrumenten isolieren. Dies kann auch mit Hilfe von Filtern wie Ferritklammern und oder Potentialladungssignalprozessoren geschehen. Dies kann mit einer Glasfaserverbindung erreicht werden.

In einem Durchlauf wurde auch festgestellt, dass die an die Energiezelle angeschlossenen optischen und/oder elektromagnetischen Sensoren Informationen an die Steuerungseinheit übertragen. Es hat sich herausgestellt, dass Spannung, Stromstärke und Frequenz des in die Energiezelle fließenden Stroms vorzugsweise mit der Abgabe der von den Sensoren empfangenen Photonen und/oder elektromagnetischen Energie übereinstimmen. Dies kann als statischer Betriebszustand eingerichtet oder vom Steuerungssystem automatisch angepasst werden.

Die Steuerungseinheit regelt die Eingänge in die Energiezelle. Wenn das System nicht über eine Rückkopplungsschleife verfügt, kann es zu einer Überhitzung kommen, die zu einem Ausfall oder einer schnellen Alterung der Kathode und anderer Komponenten innerhalb der Energiezelle führt.

Durch die Trägheit des Systems entsteht zwischen den Sensoren und dem Steuerungssystem eine Verzögerung, die zu einer Überhitzung der Kathode und anderer Komponenten in der Energiezelle führen kann. Durch Anwendung eines maschinellen Lernalgorithmus kann dieser Code die Bedingungen innerhalb der Energiezelle vorhersehen und über das Steuerungssystem eingreifen.

Die Einspritzströme und -drücke von Wasser und anderen Gasen/Fluiden werden aktiv über die in die Energiezelle gelangende elektrische Energie geregelt und der Druck über einen Druckentlastungswert abgebaut. Ein entsprechendes Schema findet sich in Abbildung 25.

Das System zur Entnahme von Energie kann dem aus der Energiezelle fließenden Fluid Wärmeenergie entziehen.

Die Energieentnahmeeinrichtung kann z. B. einen Generator umfassen, der die thermische Energie in ein Drehmoment umwandelt, wodurch eine Antriebskraft erzeugt oder ein elektrischer Generator angetrieben wird.

Das Energieentnahmesystem kann einen Wärmetauscher umfassen. Es versteht sich von selbst, dass ein Wärmetauscher viele praktische Anwendungen haben kann und zum Beispiel in ein Raumheizungssystem oder ein Kühlsystem integriert werden kann. Ein mehrstufiger Wärmetauscher kann beispielsweise aus einer Vielzahl von Wärmetauschern bestehen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Zusätzlich oder alternativ kann das Energieentnahmesystem einen Regulator für den Massentransfer von Fluiden umfassen.

Das Energieentnahmesystem kann ein dampfbasiertes Stromerzeugungssystem umfassen, zum Beispiel eine Dampfmaschine oder eine Dampfturbine.

Das Energieentnahmesystem kann ein berührungsloses System zur Energieübertragung umfassen, wie beispielsweise eine Antenne, eine thermoelektrische Zelle oder eine photovoltaische Zelle, die in oder um die Energiezelle herum angebracht ist. Die Energiezelle einer Ausführungsform könnte beispielsweise mit einem integrierten optischen/elektromagnetischen Sender ausgestattet sein, der eine Photonenquelle und eine oder mehrere optische/elektromagnetische Linsen zur Bündelung der Ausgangsstrahlung enthält. Eine photovoltaische Zelle, zum Beispiel eine gekühlte photovoltaische Zelle, kann dann dazu verwendet werden, die übertragene optische/elektromagnetische Energie zu empfangen.

Die Energiezelle kann auch zur direkten Nutzung der Ausgangsleistung verwendet werden, z. B. zur Lichterzeugung (transparentes Gehäuse), als Laser, als Gehäuse mit Linse, als mechanisches Gehäuse mit Kolben, für direkten Schub (Dampfrakete), für die Übertragung kinetischer Energie (Wasserstrahlschneiden) oder für eine Kombination der oben genannten Verfahren.

Die Energiezelle kann direkt mit einem Zylinder verbunden sein, um Arbeit zu verrichten, oder selbst als Zylinder dienen, um als Wärme- oder Druckspeicher Energie zu speichern.

Durch verschiedene Variationen der Elektrochemie kann die Energiezelle eine Reihe von Gasen erzeugen, z. B. H2, O2, H2O2 und andere, die zur Erzeugung von Energie und zur Speicherung von Energie genutzt werden können.

Bei der Energiezelle kann es sich um einen Druckbehälter handeln. Die Energiezelle und das Fluidzirkulationssystem können so konfiguriert sein, dass das Arbeitsfluid unter Druck gehalten wird. Beispielsweise kann das Arbeitsfluid mit einem Druck von mindestens 100 kPa (1 Bar) beaufschlagt werden. Die Fluide können z. B. auf einen Druck von mindestens 10 000 kPa (100 Bar), z. B. 50 000 kPa (500 Bar) oder mehr gebracht werden, je nach der Leistung, die die Energiezellen zu erbringen haben.

Die Kammer kann nichtleitende Endkappen aufweisen. Das Gehäuse und die Endkappen können aus dielektrischen Materialien wie Glas, Keramik und/oder Verbundwerkstoffen gefertigt sein.

Die Kammer kann ein nichtleitendes oder elektromagnetisch transparentes Gehäuse oder eine Kombination aus beidem umfassen.

Bei dem Druckbehälter kann es sich um eine aktive Elektrode handeln. Die Kammer im Druckbehälter kann eine dielektrische Hülse, ein Rohr und/oder dielektrische Beschichtungen umfassen und/oder eine isolierende Ummantelung aufweisen.

Das Fluidzirkulationssystem kann mindestens eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung des Fluids vor der Zuführung zur Energiezelle und/oder zur Bereitstellung der Antriebskraft für die Zirkulation des Fluids umfassen. Das Fluidzirkulationssystem kann einen Vorwärmer zur Konditionierung des Fluids vor dem Eintritt in die Energiezelle umfassen. Der Vorwärmer kann einen Wärmetauscher verwenden, der erhitztes Fluid aus der Energiezelle aufnimmt.

Das Fluidzirkulationssystem kann einen Fluidvorrat umfassen. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Das Fluidzirkulationssystem kann einen Vorrat an Fluidadditiven enthalten, z. B. einen Vorrat an Katalysatoren (z. B. katalytische Salze) und/oder metallischen Ionen (die als Elektrolyte fungieren). Bei dem Wasser kann es sich um destilliertes und/oder deionisiertes Wasser handeln. Mit den Additiven kann die Leitfähigkeit des Wassers eingestellt werden.

Bei den Arbeitselektroden kann es sich um Durchflusselektroden handeln. Durch mindestens einen Einlass und einen Auslass der Kammer kann das Arbeitsfluid durch die Durchflusselektroden geleitet werden.

Die Energiezelle kann ferner ein Steuerungselement umfassen. Das Steuerungselement kann den Fluidstrom durch die Kammer regeln. Das Steuerungselement kann (zusätzlich oder alternativ) die den Elektroden zugeführte Energie regeln. Das Steuerungselement kann den Fluidstrom in Abhängigkeit von der Nachfrage nach Energieentnahme aus der Brennstoffzelle regeln. Das Steuerungselement kann die Zufuhr von Fluiden in das System regeln und beispielsweise die Konzentration von Additiven in dem Fluid regeln.

Die Energiezelle kann ferner einen Vorwärmer umfassen, um der Energiezelle externe Wärme zuzuführen. Das Steuerungselement kann die Heizvorrichtung steuern (z. B. um die Plasmaerzeugung zu optimieren).

Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass das Arbeitsfluid im Gebrauch sowohl durch direkte Erwärmung als auch durch induktive Erwärmung der Energiezellenkammer erwärmt wird. Als solche kann die Plasmaerzeugung in dem Fluid Energie zur Erwärmung des Fluids und des Gehäuses freisetzen. Aus Gründen der Effizienz kann die Außenseite der Kammer isoliert sein. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen kann die Außenseite der Energiezelle isoliert oder mit einem System zur Absorption von mechanischen Schwingungen, Stößen und Geräuschen versehen sein.

Die Initiierung und Stabilisierung einer Plasmaentladung in einem Fluid, insbesondere die Erzeugung einer Plasmaentladung in einem Fluid zur Bildung von zweiphasigen Gasdampf- und Flüssigphasenbereichen, die durch eine Grenzfläche zwischen zwei potenziellen Elektroden (d. h. der Kathode und der Anode) getrennt sind, können durch Stabilisierung der Grenzfläche zwischen den Gasdampf- und Fluidbereichen unter Verwendung der Stabilisierungselektrode erfolgen. Somit stabilisiert die Stabilisierungselektrode einen Bereich der Plasmaentladung innerhalb des Fluids. Insbesondere kann die Stabilisierungselektrode eine Grenzfläche zwischen dem Bereich der Plasmaentladung und dem Fluid stabilisieren. Die Stabilisierung kann auch durch die Erzeugung spezifischer elektromagnetischer Bedingungen innerhalb der Energiezelle erreicht werden, indem in das Gehäuse der Energiezelle magnetische Materialien oder elektromagnetische Vorrichtungen eingebaut oder dem Gehäuse der Energiezelle hinzugefügt werden. Der hier verwendete Begriff „stabilisieren“ und analoge Begriffe sollen bedeuten, dass die Grenzfläche zwischen dem Plasmabereich und dem Fluid aufrechterhalten wird, um die thermischen und elektrischen Schwankungen an der Grenzfläche zu minimieren.

Die Stabilisierungselektrode kann die Plasmaentladung initiieren und anschließend eine stabilisierende/aufrechterhaltende Funktion ausüben, indem sie den Zusammenbruch der Entladung verhindert. Die Stabilisierungselektrode wird häufig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Optional kann die Stabilisierungselektrode entweder auf der Anode oder der Kathode positioniert werden, wobei in diesem Fall die Stabilisierungselektrode von der Kathode und/oder der Anode isoliert ist. In diesem Fall ist die Stabilisierungselektrode von der Kathode und/oder der Anode isoliert. Der Begriff „zwischen“ hat hier seine übliche Bedeutung und bezieht sich insbesondere auf die Stellen, an denen die Stabilisierungselektrode die Plasmaentladung abfangen und mit ihr interagieren kann, so dass diese Elektrode ihre Stabilisierungsfunktion erfüllen kann. Die Plasmaentladung wird zwischen der Kathode und der Stabilisierungselektrode erzeugt. Darüber hinaus ermöglichen solche Konfigurationen, dass die Plasmaentladung zwischen der Stabilisierungselektrode und der Kathode oder Anode eingegrenzt wird.

Die Stabilisierungselektrode kann geladene Teilchen, wie z. B. Kelektronen, in die Fluide emittieren, wodurch sowohl die Initiierung als auch die Aufrechterhaltung der Plasmaentladung verbessert wird.

Optional können eine oder mehrere Stromversorgungskonfigurationen über die Elektroden (d. h. die Kathode, die Anode oder die Stabilisierungselektrode) miteinander verbunden werden und einen Stromkreis bilden. So kann beispielsweise eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit der Kathode und der Anode verbunden werden. Außerdem kann eine Hochfrequenz-Wechselstromversorgung mit der Kathode und der Stabilisierungselektrode verbunden sein. Unter bestimmten Plasmabedingungen kann die Stabilisierungselektrode jedoch stromlos sein und daher nicht an die Hochfrequenz-Wechselstromversorgung angeschlossen sein. Alternativ dazu kann unter bestimmten Plasmabedingungen die Verbindung zwischen der Hochfrequenz-Wechselstromversorgung und der Stabilisierungselektrode inaktiv oder periodisch inaktiv sein, so dass die Stromversorgung nur dann erfolgt, wenn ein Stabilisierungsbedarf festgestellt wird. Der Initiierungs- und Stabilisierungsprozess der Plasmaentladung wird durch eine Hochfrequenz-Hochspannungsfunkenentladung zwischen der Kathode (oder Anode) und der Stabilisierungselektrode intensiviert, wobei der Strom der Funkenentladung niedriger ist als der (von der Gleichstromversorgung gelieferte) Plasmaentladungsstrom. Das elektrische Potenzial der Hochfrequenz-Hochspannungsfunkenentladung ist entsprechend höher eingestellt als das elektrische Potenzial der Plasmaentladung an der Kathode. Zusätzlich oder optional kann die Stromversorgung der Kathode und der Anode entweder als Wechselstrom, als Gleichstrom und/oder in einer Impulsform erfolgen. Zusätzlich oder optional kann die Stromversorgung der Stabilisierungselektrode entweder als Wechselstrom, als Gleichstrom oder in einer Impulsform erfolgen.

Die Stabilisierungselektrode kann eine von vielen Formen annehmen, abhängig von der am besten geeigneten Konfiguration für eine bestimmte Anwendung. Beispielsweise kann die Stabilisierungselektrode die Form einer Platte, einer Kugel, eines Stabes oder einer Kombination davon haben. Optional kann die Stabilisierungselektrode eine gekrümmte Form haben (z. B. eine gekrümmte Platte oder eine „Schalenform“), wie beispielsweise eine gekrümmte halbelliptische Form, die bezüglich der Kathode konvex oder konkav sein kann. Ebenso kann die Stabilisierungselektrode im Wesentlichen flach, quadratisch, elliptisch oder parabolisch geformt sein. Häufig werden Formen mit allgemein großem Querschnitt in zwei Achsen gewählt, da diese die Wechselwirkung mit dem Plasma und dessen Stabilisierung effizient unterstützen. Daher werden häufig Stäbe oder Platten gewählt.

Die Stabilisierungselektrode kann porös sein. So kann die Stabilisierungselektrode beispielsweise entlang ihrer Oberfläche Perforationen aufweisen. Diese Perforationen können sich vollständig durch die Oberfläche der Stabilisierungselektrode erstrecken oder die Form von Oberflächenvertiefungen annehmen, die sich nur teilweise in die Oberfläche der Stabilisierungselektrode erstrecken. Die Perforationen ermöglichen den Durchgang geladener Teilchen und Moleküle in dem Fluid durch die Oberfläche der Stabilisierungselektrode und aus dem System heraus zu Sammelpunkten.

Alternativ kann die Stabilisierungselektrode auch nichtporös und fest sein.

Um auf die oben beschriebenen Stromversorgungskonfigurationen zurückzukommen, kann optional eine Entkopplungsdrossel zwischen der Hochspannungsgleichstromversorgung und der Kathode bzw. Anode angeordnet werden. Die Entkopplungsdrossel dient dem Schutz der Gleichstromversorgung, indem sie Wechselstrom und Hochfrequenzsignale davon abhält, die Hochspannungsgleichstromversorgung zu erreichen und potenziell zu beschädigen. Alternativ kann die Entkopplungsdrossel auch zwischen der Hochspannungsgleichstromversorgung und der Anode angeordnet sein. Grundsätzlich kann die Entkopplungsdrossel an jeder geeigneten Stelle innerhalb des Schaltkreises angeordnet werden, vorausgesetzt, die Entkopplungsdrossel befindet sich in einer Reihenschaltung mit der Kathode und der Anode.

Zusätzlich und optional kann ein Entkopplungskondensator zwischen der Hochfrequenzwechselstromversorgung und der Stabilisierungselektrode eingefügt werden. Der Entkopplungskondensator dient dem Schutz der Wechselstromversorgung, indem er den mit der Gleichstromversorgung verbundenen Gleichstrom daran hindert, die Wechselstromversorgung zu erreichen und möglicherweise zu beschädigen. Im Prinzip kann der Entkopplungskondensator an jeder geeigneten Stelle innerhalb des Stromkreises angeordnet werden, vorausgesetzt, die Entkopplungsdrossel befindet sich in einer Reihenschaltung mit der Kathode und der Anode.

Um den zwischen Kathode, Anode und Stabilisierungselektrode fließenden Strom zu regeln, können verschiedene Schaltelemente implementiert werden. Diese Schaltelemente können unter anderem Festkörper-, Elektrovakuum- und elektronische Schaltelemente umfassen.

In einigen Ausführungsformen kann eine Energiezelle integriert oder in Verbindung mit einer Expansionskammer verwendet werden, um Energie aus dem Prozess nutzbar zu machen und/oder zu speichern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Energiezelle bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

eine Kammer zur Aufnahme eines Arbeitsfluids und mit mindestens einem Einlass;

mindestens eine Elektrode innerhalb der Kammer, um elektrische Energie auf das Arbeitsfluid anzuwenden, um in dieser ein Plasma zu erzeugen;

eine Fluidversorgung zum Zuführen von Arbeitsfluid durch mindestens einen Einlass;

einen Auslass zum Ablassen des Plasmas und des Arbeitsfluids;

und die Energiezelle umfasst ferner:

eine Expansionskammer im Fluidaustausch mit dem Auslass und

ein Energieentnahmesystem, das mit der Expansionskammer verbunden ist.

Bei der Expansionskammer kann es sich zum Beispiel um eine Kammer oder einen Zylinder eines Motors handeln. Der Motor kann weitere Einlässe zum Einführen zusätzlicher Kraftstoffe, wie Kohlenwasserstoffe und Luft, in die Expansionskammer enthalten (so dass das Plasma aus dem Plasmagenerator die Zündung des Kraftstoffes bewirkt).

In einigen Ausführungsformen kann die Energiezelle als modulare Einheit ausgebildet sein, die anstelle einer herkömmlichen Zündkerze als alternative Zündquelle in einen Motor eingebaut werden kann (was beispielsweise Vorteile in Form einer höheren Leistungsabgabe und/oder eines höheren Wirkungsgrades mit sich bringen kann). Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen der Auslass von einem Gehäuse mit Außengewinde umgeben sein.

Die Energiezelle kann einen Anoden- oder Kathodenkörper mit einem Anoden- oder Kathodenstab darin umfassen, der eine elektrochemische Reaktion der in die Kammer eingespritzten Fluide (Flüssigkeiten, Aerosole oder Gase) bewirkt. Dies kann zu einem raschen Temperatur- und Druckanstieg führen, der sich dann in der Expansionskammer (bei der es sich um einen Zylinder des Motors handeln kann) ausdehnt. Durch die Expansion kann Arbeit verrichtet werden, indem eine Kurbelwelle in Drehung versetzt wird, um ein Drehmoment zu erzielen. Bei dem in die Plasmakammer eingespritzten Arbeitsfluid kann es sich lediglich um Wasser oder auch um Wasser und/oder ein Kohlenwasserstoffgas handeln.

Bei dem Auslass der Plasmakammer kann es sich um ein Rohr handeln, in einigen Ausführungsformen jedoch auch um eine Düse (z. B. kann der Auslass konisch/venturiförmig sein). Die Formgebung des Auslasses als Düse kann die Druckverhältnisse in der Plasmakammer optimieren. Der Anmelder hat festgestellt, dass die Einführung von Wasser in die Plasmakammer die Absorption der elektromagnetischen Energie erhöhen und diese Energie beispielsweise in Wärme umwandeln kann, wodurch sich der Druck der Gase in der Plasmakammer erhöht, welche dann in die Expansionskammer expandieren.

Einige Ausführungsformen der Erfindung können verwendet werden, um ein eigenständiges und transportables modulares Kraftwerk bereitzustellen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftwerk bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

eine Energiezelle mit:

einer Kammer zur Aufnahme eines Arbeitsfluids und mit mindestens einem Einlass und einem Auslass, um das Arbeitsfluid die Kammer durchströmen lassen zu können,

mindestens einer Elektrode innerhalb der Kammer zur Beaufschlagung des Arbeitsfluids mit elektrischer Energie zur Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Kammer, und

einem Fluidzirkulationssystem zum Zirkulieren des Arbeitsfluids durch die Kammer; einem Wärmeaustauschsystem, bestehend aus einem Dampferzeuger, welcher mit der Plasmakammer verbunden ist, um Energie aus der Kammer zur Erzeugung von Dampf zu nutzen, und einem dampfgetriebenen elektrischen Generator.

Daher kann davon ausgegangen werden, dass das eigenständige Kraftwerk einen Dampfkraftzyklus zur Anwendung bringen kann, bei dem elektrische Energie in die Energiezelle eingespeist und mit Hilfe des dampfgetriebenen Stromgenerators Energie entnommen wird.

Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, weisen die erhaltenen experimentellen Daten darauf hin, dass die in die Energiezelle eingeleiteten Fluide den primären Energievektor bilden. Die elektrische Energie aus dem Plasmagenerator wird zur Ionisation des Arbeitsfluids / der Arbeitsfluide in der Energiezelle verwendet. Die Energie, welche durch das Fluid / die Fluide freigesetzt wird, ist elektromagnetisch und liegt in Form von Photonen (Licht) vor. Die elektromagnetischen und physikalischen Bedingungen, die in der Energiezelle geschaffen werden, führen dazu, dass die Fluide ionisiert werden und die Ionen an Energie verlieren, welche in Form von Photonen freigesetzt wird. Dieser Prozess kann exotherm ablaufen, wobei der Leistungskoeffizient größer als eins sein kann. Zusätzlich zu den heißen Fluiden, die aus der Energiezelle freigesetzt werden, werden auch Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserstoffperoxid erzeugt. Diese können über einen Gasabscheider abgetrennt und gespeichert werden.

Sofern nicht anders angegeben, kann jede der beschriebenen Ganzzahlen in Kombination mit jeder anderen Ganzzahl zur Anwendung kommen, ganz so, wie es von einer Person mit Fachkenntnissen verstanden werden würde. Darüber hinaus besteht, obwohl alle Aspekte der Erfindung vorzugsweise die in Bezug auf den jeweiligen Aspekt beschriebenen Merkmale „umfassen“, ausdrücklich die Möglichkeit, dass sie aus den in den Ansprüchen umrissenen Merkmalen „bestehen“ oder „im Wesentlichen bestehen“. Darüber hinaus sind alle Begriffe, sofern sie hier nicht ausdrücklich definiert sind, in ihrer allgemein üblichen Bedeutung zu verstehen.

Ferner ist bei der Erörterung der Erfindung, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Offenlegung alternativer Werte für die obere oder untere Grenze des zulässigen Bereiches eines Parameters so zu interpretieren, dass jeder Zwischenwert des Parameters, der zwischen der kleineren und größeren der Alternativen liegt, selbst auch als ein möglicher Wert für den Parameter offenbart wird.

Darüber hinaus sind, sofern nicht anders angegeben, alle numerischen Werte in dieser Anmeldung als modifiziert durch den Begriff „etwa“ zu verstehen.

Damit die Erfindung besser verstanden werden kann, wird sie weiterhin unter Bezugnahme auf die Abbildungen und die spezifischen Beispiele im Folgenden beschrieben.

…