Vorrichtung zum Spalten einer chemischen Verbindung und Verfahren hierzu

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spalten einer chemischen Verbindung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Spalten einer chemischen Verbindung nach Patentanspruch 11.

Wasserstoff wird zunehmend ein wichtiger Rohstoff in der che ^¬ mischen Industrie, dieser wird heute fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern, insbesondere durch Elektrolyse erzeugt. Selbst wenn vermehrt Überschussstrom aus erneuerbaren Energiequellen für die Wasserstofferzeugung herangezogen werden kann, sind bis dato fossile Energieträger in absehbarer Zukunft für die Bereitstellung von Strom zur Elektrolyse und Wasser zu Wasserstoff unverzichtbar.

Zur Reduzierung des Treibhauseffektes ist es jedoch notwendig, die Anwendung fossiler Brennstoffe zu reduzieren, weshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, eine Vorrich ^¬ tung und ein Verfahren zur Spaltung von chemischen Verbindungen, insbesondere von Wasser bereitzustellen, durch die der Bedarf an fossilen Brennstoffen zur Erzeugung von elektrischem Strom verringert wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zur Spaltung einer chemischen Verbindung nach Patentanspruch 1. Diese Vorrichtung umfasst eine Temperiervorrichtung, zwei voneinander getrennte Gasräume sowie ein Element, das pyroelektri- sches Material umfasst. Dieses, pyroelektrische Material um ^¬ fassende Element (im weiteren vereinfachend Element genannt) weist mindestens zwei Oberflächen mit unterschiedlich polarisierten Ladungen auf. Diese Oberflächen stehen zumindest teilweise im Kontakt mit der zu spaltenden chemischen Verbindung. Die Oberflächen sind jeweils einen der getrennte Gas ^¬ räume der Vorrichtung zugewandt, wobei die an der Oberfläche durch Spaltung der chemischen Verbindung entstehenden Gase voneinander getrennt in den der jeweiligen Oberfläche zugeordneten Gasraum gelangt.

Durch die Temperiervorrichtung wird in an sich bekannter Weise, das pyroelektrische Material aufgeheizt und wieder abge ^¬ kühlt. Durch diese zeitlich veränderliche Temperatur des py- roelektrischen Materials entstehen auf den Oberflächen des Elementes, das das pyroelektrische Material umfasst, elektri ^¬ sche Ladungen. Diese elektrischen Ladungen dienen dazu, die zu spaltende chemische Verbindung in weitere, insbesondere gasförmige chemische Verbindungen zu spalten. Bei der zur Spaltenden chemischer Verbindung handelt es sich bevorzugt um Wasser, das an den Oberflächen des Elementes zu molekularem Wasserstoff (H ₂ ) und molekularem Sauerstoff (O ₂ ) zerlegt wird. Das zu spaltende Material sollte bei Betriebstemperatur der Vorrichtung einen anderen Aggregatszustand aufweisen als die Spaltungsprodukte, also insbesondere im flüssigen Zustand vorliegen, während die Produkte gasförmig sind. Hierdurch wird eine Vorrichtung von Produkten und Edukten vermieden.

Da die Oberflächen des Elementes jeweils einem Gasraum zuge ^¬ wandt sind, entstehen je nach Polarisierung an den unterschiedlichen Oberflächen unterschiedliche Spaltungsprodukte der chemischen Verbindung. Insbesondere entsteht bei der Spaltung von Wasser an einer Oberfläche Wasserstoff und an der anderen Oberfläche bevorzugt Sauerstoff. Diese beiden Spaltungsprodukte werden in getrennte Gasräume abgeleitet und sind somit bereits nach ihrer Entstehung chemisch voneinander getrennt. Dies bedeutet, dass im Idealfall keine weitere che ^¬ mische Trennung des Gasgemisches erfolgen muss, insbesondere wird bei der Stoffkombination von Wasserstoff und Sauerstoff einem Zusammentreffen dieser beiden Verbindungen verhindert, was einen enormen Vorteil an Sicherheit mit sich bringt, da eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff bekanntermaßen hoch explosiv ist.

Unter dem Begriff der Temperiervorrichtung wird eine Vorrichtung verstanden, die grundsätzlich dazu geeignet ist, das Element mit dem pyroelektrischen Material einen zeitlichen Temperaturgradienten ÄD/At zu unterziehen. Das bedeutet, dass es sich um eine Aufheiz- und Abkühlvorgänge handelt. Py ^¬ roelektrisches Material ist bei konstanter Temperatur elekt ^¬ risch inaktiv.

Unter dem Begriff Gasraum wird der Raum in der Vorrichtung verstanden, der einerseits im Kontakt mit einer der Oberflä ^¬ chen des Elementes steht und der gegebenenfalls zumindest teilweise mit der zur Spaltung chemischen Verbindung gefüllt ist. Der Gasraum kann auch als Reaktionsraum bezeichnet werden .

Das pyroelektrisches Material umfassende Element weist min ^¬ destens zwei Oberflächen auf. Dabei bestehen die Oberflächen gegebenenfalls zumindest teilweise aus Elektroden bzw. Elekt ^¬ rodenmaterial. Wenn von der Oberfläche des Elementes gespro ^¬ chen wird, so ist die Oberfläche gemeint, die dem Gasraum zu ^¬ gewandt ist, die grundsätzlich aus pyroelektrischem Material oder einer auf dieser angebrachten Beschichtung bzw. einer auf dieser angebrachten Elektrode bestehen kann. Hierbei kann die Elektrode die Oberfläche bei Bedarf auch nur teilweise bedecken .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, eine Elektrode so anzuordnen, dass sie von der Oberfläche des Elementes beabstandet angeordnet ist. Hierbei kann es zweckmäßig sein, dass zwischen der

Elektrode und der Oberfläche des Elementes die zu spaltende chemische Verbindung sich befindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Temperiervorrichtung mit einem Wärmeübertragungsmedium gespeist, das wiederum Abwärme aus einem thermischen Prozess an das Element überträgt. Bei der Nutzung von insbesondere niedergrädiger Abwärme (< 200°C) kann Energie, die ansonsten durch Abkühlen an die Atmosphäre übertragen werden würde, zur Erzeugung von Strom und zur Elektrolyse von Wasserstoff gewinnbringend und umweltschonend genutzt werden.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Spalten einer chemischen Verbindung, insbesondere von Wasser, wobei die chemische Verbindung in Kontakte mit zwei Oberflä ^¬ chen eines pyroelektrisches Material enthaltenden Elementes gebracht wird. Das pyroelektrische Material wird durch eine Temperiervorrichtung einer zeitlich dynamischen Temperaturänderung unterzogen, wodurch an den Oberflächen des Elementes Ladungen entstehen, durch die die chemische Verbindung in gasförmige Verbindung gespaltet wird, die jeweils in zwei durch das Element getrennte Gasräume abgeleitet werden. Die gasförmigen Verbindungen, die an den jeweiligen Oberflächen an den getrennten Gasräumen entstehen, unterscheiden sich in der chemischen Zusammensetzung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen und weitere Merkma ^¬ le der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungsformen, die auch in ihren Merkmalskombinationen keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Merkmale mit derselben Bezeichnung, die in unterschiedlichen Ausführungsformen in den Figuren dargestellt sind, weisen jeweils dieselben Bezugszeichen auf.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum

Spalten einer chemischen Verbindung in gasförmige Bestandteile,

Figur 2 eine Vorrichtung gemäß Figur 1 mit unterschiedlich ausgestalteter Temperiervorrichtung und Elektrodenanordnung,

Figur 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach den Figuren 1 und 2, wobei die Zellen in Reihe ange ^¬ ordnet sind und Figur 4 eine Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Spaltung von chemischen Verbindungen, wobei die Zellen von der Verbindung durchflössen werden und

Figur 5 ein Element 8 mit an dessen Oberfläche aufgebrachten pyroelektrischem Material.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Spaltung eines flüssigen Materials, insbesondere von Wasser in gasförmige Produkte dargestellt. Im Weiteren wird hierbei von der Elektrolyse von Wasser gesprochen. Grundsätzlich könnten mit dieser Vorrichtung auch chemische Verbindungen, die bei Prozesstemperatur im flüssigen Zustand vorliegen in gasförmige Produkte zerlegt werden. Der Unterschied des Aggregatzustandes zwischen Eduk- ten und Produkten ist insofern wichtig, da Edukte und Produkte im selben Gasraum vorliegen und sich bei selbem Aggregatszustand vermischen würden.

Die Vorrichtung 2 weist ein Element 8 auf, dass pyroelektri- sches Material 5 umfasst und das das Innere der Vorrichtung in zwei unterschiedliche Gasräume 6 und 7 trennt. Bei den Gasräumen 6 und 7 handelt es sich eigentlich um Reaktionsräu me, in denen bei der vorliegenden chemischen Reaktion als Produkt ein Gas entsteht. Zudem befindet sich in den Gasräu ^¬ men auch das zu spaltende Ausgangsmaterial, also die chemi ^¬ sche Verbindung, eine chemische Verbindung 3, die hier im Weiteren als Wasser 3 bezeichnet wird. Diese Verbindung 3 liegt bei Prozesstemperatur der Vorrichtung 2 im flüssigen Zustand vor.

Das Element 8 ist hierbei so ausgestaltet, dass das pyro- elektrische Material 5 als Festkörper im Inneren des Elementes 8 angeordnet ist, an Oberflächen 10 und 11 des Elementes 8 sind Elektroden 14 angeordnet, die beim Betrieb der Vor ^¬ richtung 2 unterschiedliche Polarisierungen aufweisen, die durch die Ladungen '+' und '-' veranschaulicht sind.

Durch das Vorliegen von unterschiedlichen Ladungen an den Oberflächen 10 und 11 des Elementes 8 in den beiden getrenn- ten Gasräumen 6 und 7 kommt es zur Elektrolyse, wobei je nach vorherrschender Ladung an einer Oberfläche 11 Wasserstoff und an der anderen Oberfläche 10 Sauerstoff entsteht. Diese Pro ^¬ duktgase Wasserstoff und Sauerstoff steigen als Blasen 12 und 13 in dem jeweiligen Gasraum 6 und 7 auf und werden über eine Gasableitung 18 aus den jeweiligen Gasräumen 6 und 7 getrennt abtransportiert .

Im Folgenden wird auf die Erzeugung der Ladungen an den Oberflächen des Elementes 8 eingegangen. Das in dem Element 8 enthaltene pyroelektrische Material ist so ausgestaltet, dass die Kristalle des pyroelektrischen Materials das beispiels ^¬ weise aus Nioblanthanat bestehen kann, bestimmte Vorzugsrich ^¬ tungen aufweisen. Durch einen zeitlichen Temperaturgradienten, also einer Abkühlung und Aufheizung der Kristalle des pyroelektrischen Materials 5 werden an den Enden der Kristal- lite des pyroelektrischen Materials 5 Ladungen erzeugt.

Für die Erzeugung dieser Ladung ist eine Vorrichtung notwendig, die eine Temperaturänderung des Elementes, insbesondere der pyroelektrischen Kristalle vornimmt. Dies ist in Figur 1 durch die Temperiervorrichtung 4 gegeben. Die Temperiervorrichtung 4 in Figur 1 ist derart ausgestaltet, dass sie die innere Zelle der Vorrichtung 2 umgibt, und dabei von einem Wärmeübertragungsmedium 16, beispielsweise Wasser, durchflössen wird. Das Wärmeübertragungsmedium 16 enthält Abwärme aus einem weiteren thermischen Prozess, insbesondere aus einem industriellen Prozess. Insbesondere Abwärme, die in geringere Temperaturen, beispielsweise unter 200°, insbesondere unter 100° aufweist, lässt sich für thermische Maßnahmen nur schwer nutzen. Gegebenenfalls durch Wärmetauschprozesse kann diese Abwärme aus industriellen Prozessen auf das Wärmeübertra ^¬ gungsmedium 16 übertragen werden und das wiederum ebenfalls durch einen Wärmetauschprozess die Wärme an das Element 8 ab ^¬ gibt. In Figur 1 ist dieser Wärmeübertragungsprozess in der Form dargestellt, dass das Wärmeübertragungsmedium 16 seine Wärme an die gesamte innere Zelle (Element und Gasräume) der Vorrichtung 2 abgibt. Hierbei wird sowohl die zu spaltenden Flüssigkeit Verbindung 3 also das Wasser 3 als auch das Ele ^¬ ment 8, das sich in der Vorrichtung 2 befindet, gemeinsam aufgeheizt und wiederum abgekühlt. Weitere vorteilhafte Wär ^¬ metauschprozesse bzw. Temperierprozesse werden noch bezüglich der Figuren 2 und 5 erläutert.

Das Element 8 trennt die Vorrichtung 2 in die zwei Gasräume 6 und 7, so dass die Oberflächen 10 und 11 des Elements 8 je ^¬ weils einen dieser Gasräume zugewandt sind. Dabei ist es nicht nötig, wie in Figur 1 schematisch dargestellt, dass die beiden Gasräume in ihrer Gesamtheit durch das Element 8 ge ^¬ trennt werden müssen. Insbesondere können in den nicht reaktiven Bereichen Trennanordnungen 20 vorgesehen sein, die beispielsweise aus Glas oder einem anderen nicht elektrisch lei ^¬ tenden Material bestehen. Diese Trennanordnungen 20 sind im Gegensatz zum Element 8 kostengünstiger herzustellen.

Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass jeder Gasraum 6, 7 unterschiedliche Ladung, eine positive oder eine negative Ladung anliegen hat, so dass in jedem Gas ^¬ raum eine andere Reaktion entsteht. Die Eduktgase sind bei ihrer Entstehung chemisch voneinander getrennt. Würde das py- roelektrische Material 5 direkt ins Wasser gegeben werden, so würde, um am Beispiel des Wassers zu bleiben, Sauerstoff und Wasserstoff als Gasgemisch entstehen und müsste anschließend voneinander getrennt werden. Die Trennung in zwei Gasräume bewirkt somit auch eine Trennung der Eduktgase und macht so ^¬ mit einen weiteren Prozessschritt überflüssig.

Es ist dabei jedoch nicht auszuschließen, dass in einen Gasraum tatsächlich das Produktgas in Reinstform entsteht. In dem Gasraum, in dem beispielsweise Wasserstoff entsteht, kann durchaus auch eine Verunreinigung von Sauerstoff mit auftre ^¬ ten. Diese Verunreinigungen sind abhängig von den Oberflächenstrukturen der Oberflächen 10 oder 11 sowie von der Kristallstruktur des pyroelektrischen Materials 5. Durch geschickte Anordnung dieser Oberflächenstrukturen ist es jedoch möglich, ein möglichst reines Produkt bereitzustellen. In Figur 2 ist eine mit der Figur 1 vergleichbare Zelle abge ^¬ bildet, sie weist jedoch zwei Variationen auf, die jedoch nicht notwendigerweise miteinander kombiniert werden müssen. Die erste Variation der Figur 2 gegenüber der Figur 1 besteht darin, dass das Element 8 direkt durch die Temperiervorrichtung 4 gekühlt wird. Die Temperiervorrichtung 4 verläuft in Form von Kanälen durch das Element 8, durch die das Wärmeübertragungsmedium 16 geleitet wird. Auf direkte Temperierung des Elementes 8 reagiert das Gesamtsystem weniger träge, es kann insbesondere ein bestimmter Temperaturbereich exakt eingestellt werden. Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, in den einzelnen Gasräumen die Temperiervorrichtung 4 anzuordnen (graphisch nicht dargestellt) und die Gasräume 6 und 7, ins- besondere das darin enthaltene Wasser 3 durch jeweils eine separate Temperiervorrichtung auf unterschiedlichen Temperaturen zu temperieren.

Der zweite Unterschied in Figur 2 bzgl. Figur 1, der von der alternativen Temperierung der Figur 2 jedoch vollkommen unabhängig ist, besteht darin, dass die Oberflächen 10 und 11 des Elementes 8 nicht mit den Elektroden 14 beschichtet sind. Die Elektroden 14 befinden sich vielmehr durch das Wasser 3 von den Oberflächen 10 und 11 getrennt, in dem jeweiligen Gasraum 6 und 7. Hierbei sind die Elektroden 14 über einen Verbindungsleiter 17 miteinander verbunden. Zwischen den Oberflächen 10 und 11 und den Elektroden 14 sollte jedoch eine Potentialdifferenz vorhanden sein. Zur Spaltung von Wasser sollte die Potentialdifferenz, insbesondere 1,23 V betragen. Zwischen den Elektroden 14 in den beiden Gasräumen 6 und 7 kann jedoch sehr wohl eine größere Potentialdifferenz bestehen, die gegebenenfalls dazu dienen kann, elektrische Energie zwischen den beiden Elektroden 14 abzugreifen. Der Gasdruck, der in den Gasräumen 6 und 7 vorliegt, muss nicht notwendigerweise Atmosphärendruck sein. Je nach Anord ^¬ nung und je nach Potentialdifferenz, insbesondere auch je nach dem, welche Verbindung 3 gespalten werden soll, kann ein höherer oder niedrigerer Gasdruck durchaus zweckmäßig sein.

In Figur 3 ist eine Vorrichtung 2 dargestellt, die schema- tisch dem Aufbau der Figuren 1 und 2 entspricht, wo jedoch die Zellen in Reihe geschaltet sind. Somit treten hierbei al ^¬ ternierende Gasräume 6 und 7 auf, die jeweils wieder Elektro ^¬ den 14 umfassen und die durch die Elemente 8 getrennt sind. In Figur 4 ist eine alternative Ausgestaltungsform der Vorrichtung 2 beschrieben, wobei in dieser Ausgestaltungsform das Wasser nicht in statischer Form in den Gasräumen 6 und 7 vorliegt, sondern dass die Gasräume 6 und 7 durch das Wasser 3 durchströmt wird. Die Gasräume 6 und 7 sind insofern in Form von Kanälen ausgebildet, durch die das Wasser strömt. Neben den Elementen 8, die die einzelnen Gasräume 6 und 7 voneinander trennen, ist auch hier eine weitere Trennanordnung 20 dargestellt, die ebenfalls die Trennung zwischen den Gasräumen 6 und 7 bewirkt und dabei so ausgestaltet ist, dass eine möglichst laminare Strömung vorherrscht. Die Gasabfüh ^¬ rung ist in Figur 4 nicht näher dargestellt. Die Temperierung der Elemente 8 in Figur 4 erfolgt analog der Temperierung in Figur 2. In Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltungsform des Elementes 8 dargestellt. Hierbei besteht das Element 8 im Kern aus ei ^¬ nem gut wärmeleitenden und einem gut elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer, das die Elektrode 14 bil ^¬ det. Ferner ist diese Elektrode 14 direkt mit der Temperier- Vorrichtung 4 gekoppelt, wobei hier eine direkte Wärmeübertragung von der Temperiervorrichtung 4 auf die Elektrode 14 erfolgt. Diese Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmeleitung. An den Oberflächen 10 und 11 des Elementes, ist pyroelektri- sches Material in kristalliner Form aufgebracht. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Kristallstruktur des pyroelektri- schen Materials eine Vorzugsrichtung aufweist. Diese Vorzugs ^¬ richtung ist beispielsweise bei Aufbringen der Kristallstruktur auf die Elektrode 14 durch Anwendung von gerichteten elektrischen Feldern zu bewirken. Durch elektrische Felder werden die Kristalle zu einem gerichteten Wachstum angehal ^¬ ten .

Das m Figur 5 beschriebene Element 8 kann grundsätzlich au in einem der vorangegangenen Figuren als Element 8 ersetzt werden .