Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines oder mehrerer Gase

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines oder mehrere Gase, bei dem eine Flüssigkeit elektrolytisch behandelt wird, wobei in der Flüssigkeit ein Ionenaustauscher vorhanden ist, dem das herzustellende Gas anhaftet. Die Vorrichtung umfaßt einen Behälter mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode.

Eine derartige Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens wird in der prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung 103 59 509.0 beschrieben. Vorzugsweise haftet das herzustellende Gas dem Ionenaustauscher in lonenbindung an. Vorteilhaft ist es, wenn dem in der Flüssigkeit vorhandenen Ionenaustauscher Wasserstoff, vorzugsweise in lonenbindung, anhaftet. Vorzugsweise ist das herzustellende Gas Wasserstoff. Die herzustellenden Gase können Wasserstoff und Sauerstoff sein. Dabei ist es möglich, Wasserstoff und Sauerstoff getrennt herzustellen. Es ist allerdings auch möglich, Wasserstoff und Sauerstoff in einer Mischung (Knallgas) herzustellen. Besonders vorteilhaft ist die native Herstellung von Knallgas. Das Knallgas kann im richtigen (stöchiometrischen) Mischungsverhältnis hergestellt werden. Es kann in dieser Form verwendet werden, insbesondere zur Energieerzeugung.

Die Flüssigkeit, die das oder ein herzustellendes Gas enthält, ist vorzugsweise Wasser. Der Ionenaustauscher ist vorzugsweise ein lonenaustauscherharz. Vor-

zugsweise ist der Ionenaustauscher ein saurer, insbesondere ein stark saurer Ionenaustauscher. Der Ionenaustauscher kann gelförmig sein.

Vorteilhaft ist es, wenn der Ionenaustauscher eine Matrix, Ankergruppen und auszutauschende Ionen aufweist bzw. daraus besteht. Bei der Matrix kann es sich insbesondere um einen vernetzten Kunststoff, insbesondere vernetztes Polystyrol, handeln. Die Ankergruppen sind vorzugsweise Sulfonsäuregruppen (SO ₃ ). Die auszutauschenden Ionen sind vorzugsweise Wasserstoffionen (H). Insbesondere kann der Ionenaustauscher die allgemeine chemische Formel R - SO ₃ - H aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustauscher, insbesondere das lonenaustauscher-Grundmaterial, katalytisch wirkende Stoffe enthält. Bei den katalytisch wirkenden Stoffen kann es sich insbesondere um stromleitende Stoffe, insbesondere stromleitende Folien, handeln. Die katalytisch wirkenden Stoffe können dem Stoff bzw. dem Ionenaustauscher bzw. dem lonenaustauscher-Grundmaterial beigemischt sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung enthält der Ionenaustauscher bzw. das lonenaustauscher-Grundmaterial katalytisch wirkende und/ oder gasliefernde Enzyme. Als derartige Enzyme werden vorzugsweise organischen Säuren, insbesondere Weinsäure verwendet. Die Enzyme können dem Stoff bzw. dem Ionenaustauscher bzw. dem lonenaustauscherharz bzw. dem lonenaustauscher- Grundmaterial beigefügt sein.

Die Vorrichtung nach der Deutschen Patentanmeldung 103 59 509.0, die auch für die vorliegende Erfindung geeignet ist, umfaßt einen Behälter mit einer Flüssigkeit, die das herzustellende Gas und einen Ionenaustauscher enthält, und eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die an eine Stromquelle anschließbar oder angeschlossen sind. Vorzugsweise ist eine Elektrode rohrförmig ausgestaltet. In der Flüssigkeit, die das herzustellende Gas und einen Ionenaustauscher enthält, insbesondere innerhalb der rohrförmigen Elektrode, kann ein Füllmaterial vorhan-

den sein. Bei diesem Material handelt es sich vorzugsweise um Watte. In dem Füllmaterial ist vorzugsweise eine Säure vorhanden. Dieses Material ist vorzugsweise mit einer Säure benetzt. Bei der Säure handelt es sich vorzugsweise um Salzsäure.

Aus der US-A 5 879 522, aus der JP 2002-322584 A, aus der DE 100 16 591 C2 und aus der US 2001/0050234 A ist es bekannt, überspannungen bei der Anwendung der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff durch Aufbringen von Edelsteinpulver und/oder Edelmetallen oder durch Einfügen von Membranen mit darin eingelagerten Stoffen abzubauen bzw. die Trennung von entstehendem Knallgas in Wasserstoff und Sauerstoff durch Membranen zu bewerkstelligen.

Ferner ist der Einsatz von Kalilauge zur Verbesserung der Leitfähigkeit bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen, die es ermöglicht, den Wirkungsgrad bei der Durchführung des eingangs angegebenen Verfahrens, inbesondere nach der Deutschen Patentanmeldung 103 59 509.0, zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode weist bzw. weisen eine Struktur mit vergrößerter Oberfläche auf. Hierdurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden.

Die vergrößerte Oberfläche kann durch eine Veränderung der Oberflächenstrukturen der positiven und/oder negativen Elektroden oder sonstiger stromleitender Elemente erzeugt werden, beispielsweise durch Aufrauhung, Spitzenanordnungen, Anbringen von Ecken und Kanten, Anbringen von Kanälen oder sonstigen Kanalanordnungen, konkave oder konvexe Oberflächen, Verfaltungen, Verschachtelun- gen oder runde und/oder eckige Oberflächen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß mehrere positive Elektroden und/oder mehrere negative Elektroden vorhanden sind, die in Reihe geschaltet sind. In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, mehrere positive Elektroden und/oder mehrere negative Elektroden stattdessen oder zusätzlich parallel zu schalten.

Vorteilhaft ist es, wenn die Anode eine Spitze aufweist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Kathode eine Vertiefung auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Anode eine Spitze aufweist. In diesem Fall kann eine Verspitzung der Anode einer Vertiefung der Kathode angenähert werden, ohne daß eine Berührung stattfindet.

In bestimmten Fällen kann auch die umgekehrte Anordnung vorteilhaft sein, bei der die Kathode eine Spitze aufweist und/oder die Anode eine Vertiefung aufweist, die einander angenähert sein können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Bindung des oder der herzustellenden Gase an den Ionenaustauscher vermindert. Es erfolgt also eine Bindungsbeeinflussung des der Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zugesetzten, das herzustellende Gas enthaltenden Ionenaustauschers. Vorteilhaft ist es, wenn bei dem Ionenaustauscher eine vornehmlich in lonenbindung vorliegende Bindung des herzustellenden Gases bzw. der herzustellenden Gase, insbesondere von Wasserstoff (H) oder von Wasserstoff und Sauerstoff (OH) an eine Matrix des Ionenaustauschers gelockert wird. Die lonenbindung kann derart gelockert werden, daß sie sich einer van der Waal'schen Bindung annähert oder diese erreicht.

Diese Bindungsbeeinflussung kann durch Zerkleinern, Zerstäuben oder ähnliche Maßnahmen erfolgen, wobei diese Maßnahmen bis in den mikrostrukturellen Bereich hinein durchgeführt werden können.

In einer speziellen Ausgestaltung erfolgt diese Bindungsbeeinflussung durch Verflüssigung oder Vergasung der einzubringenden oder bereits eingebrachten Ionenaustauscher. Hierdurch kann die Bindung von H ⁺ bzw. OH ^" -Ionen an eine Matrix des Ionenaustauschers gegen Null gehen. Diese Art der Bindungsbeeinflussung ist besonders wirkungsvoll, wenn sie während eines laufenden Herstellungsprozesses von Knallgas oder Wasserstoff aus Wasser erfolgt.

Die Bindungsbeeinflussung kann durch eine entsprechende Wahl der Anode und/oder Kathode oder sonstiger stromleitender Elemente erfolgen, durch eine entsprechende Ausgestaltung der Oberfläche oder Oberflächenstruktur der Anode und/oder Kathode bzw. der stromleitenden Elemente, durch eine entsprechende Bemessung des Abstandes zwischen Anode und Kathode bzw. stromleitenden Elementen, durch eine entsprechende Temperaturführung und/oder durch eine Variierung der zugeführten Strommenge sowie durch die Art der Schaltungsanordnungen (Reihenschaltung, Parallelschaltung).

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mehrere Kammern aufweist, in denen Kationentauscher und/oder Anionentau- scher vorhanden sind. In dem Behälter kann eine Vielzahl von Kammern vorhanden sein. Die Abfolge der in den Kammern vorhandenen Kationentauscher und/oder Anionentauscher kann sich wiederholen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die in der deutschen Patentanmeldung 103 59 509.0 beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Knallgas in einer schematischen Ansicht,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten Vorrichtungen nach Fig. 1 ,

Fig. 3 verschiedene Oberflächengestaltungen von Vorrichtungen nach Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Kammern, in denen Kationentauscher und/oder Anionentauscher vorhanden sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt einen Behälter 1 , der um die Mittenachse 2 rotationssymmetrisch ausgestaltet ist und der aus einem rohrförmigen Gehäuse 3 besteht, das durch einen oberen Deckel 4 und einen unteren Deckel 5 abgeschlossen ist. Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise länger als dargestellt ausgeführt.

An der Innenwand des Gehäuses 3 ist eine ringförmige äußere Elektrode 6 vorgesehen. Im Inneren des Gehäuses 3 befindet sich eine rohrförmige innere Elektrode 7. Der Behälter 1 ist bis zum Wasserspiegel 8 mit Wasser 9 gefüllt.

Zwischen den Elektroden 6 und 7 ist ein Ionenaustauscher 10 vorhanden, der bis zur Höhe 11 gelförmig vorliegt.

Die äußere Elektrode 6 ist über einen Schalter 12 mit dem Pluspol einer Stromquelle 13, beispielsweise einer 12V-Autobatterie, verbunden. Der Minuspol der Stromquelle 13 ist mit der inneren Elektrode 7 verbunden. Die Polarität kann allerdings auch umgedreht werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform liegt der Wasserspiegel 8 über der Höhe 1 1 des gelförmigen Ionenaustauschers 10 und über dem oben offenen Rohr der inneren Elektrode 7. Die Elektrode 7 kann allerdings auch geschlossen ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Elektrode 7 den Wasserspiegel 8 überragt. Ferner liegt in der dargestellten Ausführungsform die Höhe 11 des gelförmigen Ionenaustauschers 10 knapp unterhalb des oberen Endes der äußeren Elektrode 6. Die Vorrichtung kann allerdings auch derart ausgestaltet sein, daß diese Höhe 11 über dem oberen Ende der Elektrode 6 liegt. Die innere Elektrode 7 kann unten geschlossen oder offen sein. Sie kann ferner an ihrem unteren Ende

dichtend mit dem unteren Deckel 5 verbunden sein.

Wenn der Schalter 12 geschlossen wird, findet in dem Behälter 1 eine elektrolytische Reaktion statt, bei der von der positiven äußeren Elektrode 6 negativ geladene Elektronen und Ionen angezogen werden. Positive Ionen wandern zur negativen inneren Elektrode 7. Auf diese Weise entsteht in dem Raum 14 zwischen dem Wasserspiegel 8 und dem oberen Deckel 4 Knallgas, wobei es sich um eine native Erzeugung von Knallgas handelt. Diese Reaktion wird durch den Ionenaustauscher 10 erheblich beschleunigt. Das Knallgas liegt im stöchiometrischen Verhältnis vor. Es kann aus dem Raum 14 abgezogen werden (in der Zeichnung nicht dargestellt). Dies kann diskontinuierlich (Batch-Betrieb) oder kontinuierlich erfolgen. Es ist ferner möglich, durch eine entsprechende Ausgestaltung des Behälters 1 den entstehenden Wasserstoff und den entstehenden Sauerstoff getrennt aufzufangen und abzuleiten.

Bei dem Ionenaustauscher 10 handelt es sich um einen stark sauren, gelförmigen Ionenaustauscher mit Sulfonsäuregruppen als Ankergruppen. Der Ionenaustauscher hat die allgemeine chemische Formel R - SO ₃ - H, wobei R eine Matrix, insbesondere eine vernetzte Polystyrol-Matrix bezeichnet, SO ₃ eine Sulfonsäure- Ankergruppe und H Wasserstoff.

Vorzugsweise wird der Ionenaustauscher 10 in Bewegung gehalten. Dies geschieht vorzugsweise derart, daß der Ionenaustauscher 10 nicht absinkt. Der Ionenaustauscher kann durch ein Wirbelbett-Verfahren in Bewegung gehalten werden. Wenn der Ionenaustauscher in Bewegung gehalten wird, werden die Gasbildung und der Elektronenfluß verbessert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Ionenaustauscher in der Flüssigkeit in der Schwebe gehalten. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß der Ionenaustauscher bzw. das lonenaustauscher-Grundmaterial derart hergestellt sind, daß sie von sich aus in der Flüssigkeit, also in dem Wasser 9, in Schwebe bleiben.

Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Hierzu kann der Ionenaustauscher 10 laufend zugeführt und abgeführt werde (in der Zeichnung nicht dargestellt). Der abgeführte Ionenaustauscher kann regeneriert und erneut zugeführt werden.

Das Verfahren kann auch mehrstufig durchgeführt werden.

Das sich bildende Gas kann aus dem Raum 14 abgesaugt werden. Zu diesem Zweck ist es möglich, in diesem Raum 14 ein Vakuum zu erzeugen. Hierdurch kann ferner erreicht werden, daß das nach oben abziehende Gas den Ionenaustauscher 10 mitreißt und auf diese Weise eine Durchmischung und Verteilung des Ionenaustauschers 10 bewirkt.

Der Druck und die Temperatur können so eingestellt werden, daß das Verfahren mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.

Die Elektroden 6, 7 sind aufgerauht, weisen also eine Struktur mit vergrößerter Oberfläche auf.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der vier Behälter I, II, III, IV in Reihe geschaltet sind, so daß die Elektroden eine vergrößerten Oberfläche aufweisen. Die Behälter I - IV sind im wesentlichen wie derjenige nach Fig. 1 ausgestaltet. Der Pluspol der Stromquelle 13 ist mit den äußeren Elektroden verbunden, der Minuspol ist mit den inneren Elektroden verbunden. Durch die Reihenschaltung wird eine Vergrößerung von Kontakten zwischen den stromführenden Elementen und dem eingebrachten lonentauschermaterial erreicht. In den Ringräumen zwischen den inneren Elektroden und den äußeren Elektroden befinden sich Wasser und lonentauschermaterial, wobei dem Ionenaustauscher das herzustellende Gas anhanftet. An den oberen Enden der Behälter ist jeweils ein Wassereinlaß und ein Gasaustritt vorhanden.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 wurden vier Versuchsreihen durchgeführt. Bei der ersten Versuchsreihe wurde nur der Behälter I an die Stromquelle 13 angeschlossen. Bei der zweiten Versuchsreihe wurden die Behälter I und Il in Reihenschaltung an die Stromquelle 13 angeschlossen. In der dritten Versuchsreihe wurden die Behälter I, Il und IM in Reihenschaltung an die Stromquelle 13 angeschlossen. In der vierten Versuchsreihe wurden alle Behälter I bis IV in Reihenschaltung an die Stromquelle 13 angeschlossen. Es handelte sich um eine Stromquelle, die einen Strom von 10 Ampere bei einer Spannung von 12 Volt liefert. Dabei ergaben sich folgende Werte:

Der Wirkungsgrad, auf Wasserstoff bezogen, verbessert sich bei Reihenschaltung von vier Behältern von 0,22 auf 1 ,29. Der Wirkungsgrad, auf Knallgas bezogen, verbessert sich von 0,42 auf 2,52.

Der Stromfluß beträgt bei der Verwendung von nur einem Behälter 10 Ampere bei 12 Volt, also 120 W, wodurch eine starke Wärmeentwicklung erzeugt wird. Bei der Reihenschaltung der Behälter I und Il ergibt sich eine Leistung von 80 W, wodurch die Wärmeentwicklung reduziert wird. Bei der Reihenschaltung von drei Behältern

beträgt die Leistung 40 W, was nur noch eine leichte Wärmeentwicklung zur Folge hat. Bei der Parallelschaltung von vier Behältern beträgt die Leistung nur noch 20 W ₁ so daß keine Wärmeentwicklung mehr feststellbar ist.

In Fig. 3 sind verschiedenen Ausführungsformen von Behältern gezeigt, in denen verschiedene Strukturen mit vergrößerter Oberfläche vorhanden sind.

Bei der Ausführungsform A ist die innere Elektrode mit Plattenelektroden verbunden, die parallel zueinander und im Abstand voneinander verlaufen und die sich in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung erstrecken. Die äußeren Elektroden sind in den Zwischenräumen mit entsprechenden ringförmigen Platten versehen.

Bei der Ausführunsform B weisen die Platten einen dreieckförmigen Querschnitt auf, wobei die Spitze des Dreiecks der mit der inneren Elektrode verbundenen Platten nach außen weist und die Spitzen des Dreiecks bei den mit der äußeren Elektrode verbundenen ringförmigen Platten nach innen weist.

Die Ausführungsform C entspricht teilweise der Ausführungsform A, wobei allerdings die mit der Innenelektrode verbundenen Platten und die mit der Außenelektrode verbundenen Platten jeweils auf gleicher Höhe liegen.

Die Ausführungsform D ist eine Abwandlung der Ausführungsform B, wobei die Platten abgerundete Querschnitte aufweisen.

In vier Meßreihen wurden Behälter der Ausführungsform A in verschiedener Form in Reihe geschaltet, wobei sich folgende Meßwerte ergaben:

Bei einer Reihenschaltung eines oder mehrere Behälter der Ausführungsform D mit in Wasser eingebrachtem Ionenaustauscher, der einer Strukturveränderung unterzogen wurde, nämlich durch Vermählen bis in den mikrostrukturellen Bereich, ergaben sich folgende Meßwerte:

Bei einer Reihenschaltung von einem oder mehreren Behältern gemäß Ausführungsform B mit einem in Wasser eingebrachten Ionenaustauscher, der einer Strukturveränderung durch Verflüssigen unterzogen wurde, ergaben sich folgende Meßwerte:

Eine Erhöhung der Strommenge (Input) führt in allen Beispielen zu einer weiteren Verbesserung der Wirkungsgrade, wobei auch weitere Behälter nachgeschaltet werden können.

Die Ausführungsform E zeigt eine Parallelschaltung, bei der in Wasser sowohl was- serstoffhaltige Substanzen als auch OH-haltige Substanzen verwendet werden können (also sowohl Kationentauscher als auch Anionentauscher).

Fig. 4 zeigt einen Behälter 15, der in eine Vielzahl von Kammern 16, 17, 18 ... unterteilt ist. An seiner Oberseite weist der Behälter 15 einen Einlaßstutzen 21 für die Wasserbefüllung auf sowie eine Gasableitung 22, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein kann. Ferner befindet sich im oberen Bereich des Behälters 15 eine Siebanordnung 23. Die gasdurchlässige Siebanordnung 23 verhindert ein Austragen von Stoffen, wenn diese Feststoffcharakter haben. Die Polung der Elektroden kann durch Umpolungsvorrichtungen verändert werden.

In der ersten Kammer 16 befindet sich Wasser und ein Kationentauscher. In der zweiten Kammer 17 befindet sich Wasser und ein Kationentauscher sowie ein Anionentauscher. In der dritten Kammer 18 befindet sich Wasser und ein Anionentauscher. In der vierten Kammer 19 befindet sich Wasser und ein Anionentauscher

und ein Kationentauscher. Aber der Kammer 20 wird diese Anordnung wiederholt. Dementsprechend befindet sich in der Kammer 20 wie in der Kammer 16 Wasser und ein Kationentauscher. Die rechts an die Kammer 20 anschließende Kammer ist wie die Kammer 17 befüllt, und so weiter. In dem Behälter 15 befindet sich eine Vielzahl dieser Vierergruppen.

Dabei ist die jeweils erste Kammer einer Vierergruppe, also die Kammer 16, die Kammer 20 usw. an den Minuspol einer Stromquelle angeschlossen. Die jeweils zweite und dritte Kammer (Kammern 17, 18 usw.) sind an den Pluspol angeschlossen, und die jeweils vierte Kammer (19 usw.) sind an den Minuspol angeschlossen.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, den Wirkungsgrad der Elektrolyse zur Herstellung von Knallgas bzw. Wasserstoff ohne aufwendige Einbauten, ohne eine aufwendige Membrantechnologie und ohne Einsatz von Laugen zu erhöhen. Die Zwischenräume zwischen Kathoden und Anoden können je nach Oberflächengestaltung und je nach Anordnung unterschiedlich angeordnet sein. Sie können im Millimeterbereich bis Zentimeterbereich liegen. Die zugesetzten Stoffe, insbesondere die Ionenaustauscher, können ebenfalls alle denkbaren Formen und Gestaltungen aufweisen. Hierdurch können die Abstände zwischen den Elektroden beeinflußt werden. Vorteilhaft ist es, den Ionenaustauscher zu gelieren, zu verflüssigen oder zu vergasen, was vor dem Zusatz des Ionenaustauschers und/oder während der laufenden Elektrolyse stattfinden kann. Je größer die Oberflächen der Elektroden und der zugesetzten Stoffe sind, und je berührungsintensiver das Inkontakttreten zwischen Elektroden und Ionenaustauschern ist, desto größer wird der Wirkungsgrad. Dabei bleiben sowohl die Elektroden als auch die Ionenaustauscher als selbständige Elemente erhalten. Exakte Zwischenraumanordnungen, also eine exakte Gestaltung und ein exakt eingehaltener Abstand von Anode und Kathode, in denen sich die Ionenaustauscher befinden, bewirken einen Stromfluß über die gesamte Oberfläche der Elektroden.