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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.
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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 Ionenbindung
an. Vorteilhaft ist es, wenn dem in der Flüssigkeit vorhandenen Ionenaustauscher
Wasserstoff, vorzugsweise in Ionenbindung, 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.
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Die
Flüssigkeit,
die das oder ein herzustellendes Gas enthält, ist vorzugsweise Wasser.
Der Ionenaustauscher ist vorzugsweise ein Ionenaustauscherharz.
Vor zugsweise ist der Ionenaustauscher ein saurer, insbesondere ein
stark saurer Ionenaustauscher. Der Ionenaustauscher kann gelförmig sein.
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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
(SO3). Die auszutauschenden Ionen sind vorzugsweise
Wasserstoffionen (H). Insbesondere kann der Ionenaustauscher die
allgemeine chemische Formel R-SO3-H aufweisen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustauscher,
insbesondere das Ionenaustauscher-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 Ionenaustauscher-Grundmaterial
beigemischt sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung enthält der Ionenaustauscher bzw.
das Ionenaustauscher-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 Ionenaustauscherharz
bzw. dem Ionenaustauscher-Grundmaterial
beigefügt sein.
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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.
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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.
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Ferner
ist der Einsatz von Kalilauge zur Verbesserung der Leitfähigkeit
bekannt.
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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.
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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.
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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,
Verschachtelungen oder runde und/oder eckige Oberflächen.
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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.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Anode eine Spitze aufweist.
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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.
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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.
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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 Ionenbindung 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 Ionenbindung kann derart gelockert werden, daß sie sich
einer van der Waal'schen
Bindung annähert
oder diese erreicht.
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Diese
Bindungsbeeinflussung kann durch Zerkleinern, Zerstäuben oder ähnliche
Maßnahmen
erfolgen, wobei diese Maßnahmen
bis in den mikrostrukturellen Bereich hinein durchgeführt werden
können.
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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.
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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).
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mehrere
Kammern aufweist, in denen Kationentauscher und/oder Anionentauscher
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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung
im einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigt
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1 die
in der deutschen Patentanmeldung 103 59 509.0 beschriebene Vorrichtung
zur Herstellung von Knallgas in einer schematischen Ansicht,
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2 eine
Vorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten Vorrichtungen nach 1,
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3 verschiedene
Oberflächengestaltungen
von Vorrichtungen nach 1 und 2 und
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4 eine
Vorrichtung mit einer Vielzahl von Kammern, in denen Kationentauscher
und/oder Anionentauscher vorhanden sind.
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Die
in 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.
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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.
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Zwischen
den Elektroden 6 und 7 ist ein Ionenaustauscher 10 vorhanden,
der bis zur Höhe 11 gelförmig vorliegt.
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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.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
liegt der Wasserspiegel 8 über der Höhe 11 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.
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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.
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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-SO3-H, wobei R eine Matrix, insbesondere
eine vernetzte Polystyrol-Matrix bezeichnet, SO3 eine
Sulfonsäure-Ankergruppe und H
Wasserstoff.
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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.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Ionenaustauscher
in der Flüssigkeit
in der Schwebe gehalten. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß der Ionenaustauscher
bzw. das Ionenaustauscher-Grundmaterial derart hergestellt sind,
daß sie
von sich aus in der Flüssigkeit,
also in dem Wasser 9, in Schwebe bleiben.
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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.
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Das
Verfahren kann auch mehrstufig durchgeführt werden.
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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.
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Der
Druck und die Temperatur können
so eingestellt werden, daß das
Verfahren mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
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Die
Elektroden 6, 7 sind aufgerauht, weisen also eine
Struktur mit vergrößerter Oberfläche auf.
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In 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 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 Ionentauschermaterial erreicht. In
den Ringräumen
zwischen den inneren Elektroden und den äußeren Elektroden befinden sich
Wasser und Ionentauschermaterial, wobei dem Ionenaustauscher das
herzustellende Gas anhanftet. An den oberen Enden der Behälter ist
jeweils ein Wassereinlaß und
ein Gasaustritt vorhanden.
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Mit
der Vorrichtung nach
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 II in Reihenschaltung
an die Stromquelle
13 angeschlossen. In der dritten Versuchsreihe
wurden die Behälter
I, II und III 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:
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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.
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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 II 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, so daß keine
Wärmeentwicklung
mehr feststellbar ist.
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In 3 sind
verschiedenen Ausführungsformen
von Behältern
gezeigt, in denen verschiedene Strukturen mit vergrößerter Oberfläche vorhanden
sind.
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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.
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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.
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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.
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Die
Ausführungsform
D ist eine Abwandlung der Ausführungsform
B, wobei die Platten abgerundete Querschnitte aufweisen.
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In
vier Meßreihen
wurden Behälter
der Ausführungsform
A in verschiedener Form in Reihe geschaltet, wobei sich folgende
Meßwerte
ergaben:
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Bei
einer Reihenschaltung eines oder mehrere Behälter der Ausführungsform
D mit in Wasser eingebrachtem Ionenaustauscher, der einer Strukturveränderung
unterzogen wurde, nämlich
durch Vermahlen bis in den mikrostrukturellen Bereich, ergaben sich
folgende Meßwerte:
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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:
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Eine
Erhöhung
der Strommenge (Input) führt
in allen Beispielen zu einer weiteren Verbesserung der Wirkungsgrade,
wobei auch weitere Behälter
nachgeschaltet werden können.
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Die
Ausführungsform
E zeigt eine Parallelschaltung, bei der in Wasser sowohl wasserstoffhaltige
Substanzen als auch OH-haltige Substanzen verwendet werden können (also
sowohl Kationentauscher als auch Anionentauscher).
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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.
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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 Anionen tauscher. 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.
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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.
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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.