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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer
Gase.
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Bei
dem Verfahren wird eine Flüssigkeit
elektrolytisch behandelt. Durch die Elektrolyse werden eines oder
mehrere Gase gebildet. Insbesondere dient das Verfahren dazu, Wasserstoff
oder Wasserstoff und Sauerstoff, letzteres insbesondere als Mischung
(Knallgas), herzustellen.
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Verfahren
zur Herstellung von Wasserstoff oder von Wasserstoff und Sauerstoff
oder von Knallgas sind bereits bekannt. Bei dem üblichen elektrolytischen Verfahren
wird dafür
Wasser verwendet. Die Wassermoleküle enthalten Wasserstoff und
Sauerstoff. Allerdings sind der Wirkungsgrad und die Reaktionsgeschwindigkeit
des vorbekannten Verfahrens verbesserungsbedürftig.
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Aus
der US-A 5 879 522 ist eine Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung
von Wasserstoff und Sauerstoff bekannt, die eine Anodenkammer und
eine Kathodenkammer aufweist, in denen elektrisch leitende Ultramikroelektrodenpartikel
vorhanden sind, die mit der Kathode und der Anode jeweils in Kontakt
stehen und die zur Verbesserung der Leitfähigkeit und zur Minimierung
von Überspannungen
dienen.
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Aus
der JP 2002-322584 A ist ein Verfahren zur Elektrolyse von Wasser
bekannt, bei dem die Reaktion durch ein feines Juwelenpulver oder
Steinpulver oder durch ein feines Pulver verschiedener Arten von
Mineralen oder Metallen unterstützt
wird. Die feinen Pulver sollen die Leitfähigkeit verbessern.
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Die
DE 100 16 591 C2 offenbart
ein Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff, bei dem ein erster Elektrolyt
im Innenraum einer Mikrohohlfaser und ein zweiter Elektrolyt außerhalb
der Mikrohohlfaser bereitgestellt wird. Die Mikrohohlfaser trägt auf ihren
Wandoberflächen
getrennt Anode und Kathode.
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Die
US 2001/0050234 A1 offenbart eine Elektrolysezelle mit einer ersten
Elektrode und einer zweiten Elektrode, zwischen denen eine Elektrolyt-Membran
angeordnet ist. Für
die Elektrolyt-Membran kann ein Elektronenaustauscherharz verwendet
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs angegebenen
Art vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In der Flüssigkeit ist
ein Stoff, dem das oder eines der durch die Elektrolyse herzustellenden
Gase anhaftet, nämlich
ein Ionenaustauscher, vorhanden. Vorzugsweise haftet dieses Gas
diesem Stoff in Ionenbindung an.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorteilhaft
ist es, wenn dem in der Flüssigkeit
vorhandenen Stoff Wasserstoff, vorzugsweise in Ionenbindung, anhaftet.
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Vorzugsweise
ist das herzustellende Gas Wasserstoff.
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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. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das Knallgas 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.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustauscher
ein Ionenaustauscherharz ist.
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Vorzugsweise
ist der Ionenaustauscher ein saurer, insbesondere ein stark saurer,
Ionenaustauscher.
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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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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer Vorrichtung durchgeführt werden, die 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, umfaßt.
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Vorzugsweise
ist eine Elektrode rohrförmig
ausgestaltet.
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In
der Flüssigkeit,
die das herzustellende Gas und einen Ionenaustauscher enthält, insbesondere
innerhalb der röhrförmigen Elektrode,
kann ein Füllmaterial
vorhanden sein. Bei diesem Material handelt es sich vorzugsweise
um Watte.
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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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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen
erläutert.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung zur Herstellung
von Knallgas in einer schematischen Ansicht.
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Die
in der einzigen Figur 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 Dekkel 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, ins besondere
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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Bei
praktischen Versuchen wurden die nachfolgend wiedergegebenen Meßwerte ermittelt: Beispiel
1:
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Der
Versuch Nr. 1 ist ein Vergleichsversuch, der ohne Ionenaustauscher
in Wasser durchgeführt
wurde. Bei dem Versuch Nr. 2 wurde eine geringe Menge Ionenaustauscher
verwendet. Der Versuch Nr. 3 wurde mit einer großen Menge Ionenaustauscher
durchgeführt.
Bei Versuch Nr. 4 wurde zusätzlich
eine geringe Menge Salzsäure
zugegeben.
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Bei
dem Versuch Nr. 1 wird ein Strom von 1,0 A bei einer Spannung von
10,2 V zugeführt,
so daß die zugeführte elektrische
Leistung 10,2 W beträgt.
Dabei werden 10 ml/min Knallgas erzeugt, was einen Energieinhalt
pro Zeit in Höhe
von 1,8 W entpsricht. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von (1,8
: 10,2 =) 0,176.
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Durch
die Zugabe des Ionenaustauschers steigt die Stromstärke je nach
zugegebener Menge über
3,0 auf 7,5 A, während
die Spannung entsprechend über
9,2 V auf 6,5 V fällt.
Die Menge des erzeugten Knallgases steigt über 40 ml/min auf 100 ml/min.
Der Wirkungsgrad steigt über
0,260 auf 0,370.
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Durch
die Zugabe einer geringen Menge Salzsäure im Versuch Nr. 4 steigt
die Stromstärke
weiter auf 8,1 A, und die Spannung fällt weiter auf 5,7 V. Die Menge
erzeugten Knallgases steigt weiter auf 115 ml/min, wodurch der Wirkungsgrad
auf 0,448 ansteigt.
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Beispiel 2:
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Es
wurde die in der einzigen Figur gezeigte Versuchsanordnung verwendet,
wobei allerdings die Polung umgedreht wurde. Das die Minus-Elektrode
bildende Gehäuse 3 ist
als Rohr mit einer Länge
von 116 mm, einem Innendurchmesser von 26 mm und einem Außendurchmesser
von 28 mm ausgestaltet. Die die Plus-Elektrode bildende innere Elektrode 7 ist
als Rohr mit einer Länge
von 116 mm, einem Innendurchmesser von 14 mm und einem Außendurchmesser
von 16 mm ausgestaltet. Als Stromquelle 13 wird ein Batterieladegerät verwendet,
das Gleichstrom mit einer Spannung von 12V abgibt. Als Ionenaustauscher
wurde Styrol-DVB der Firma Amberlit verwendet, der in Form von dunklen
bernsteinfarbenen Kugeln vorliegt. Die funktionelle Gruppe dieses
Ionenaustauschers wird von Sulfonsäure gebildet. Das Innere der
inneren Elektrode 7 wurde mit Watte (ohne einen weiteren
Zusatz) gefüllt.
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Zur
Durchführung
der Versuche wird die Elektrodenanordnung mit 50 ml Trinkwasser
gefüllt,
was einer Stoffmenge von 2,75 mol entspricht. Die gesamte Anordnung
wird vollständig „unter
Wasser" gesetzt,
so dass ein Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Inneren der inneren Elektrode
7 und dem Ringraum
zwischen der inneren Elektrode
7 und dem Gehäuse
3 stattfinden
kann, und zwar sowohl über
das obere Ende der inneren Elektrode
7 als auch über deren
unteres Ende, also den Zwischenraum zwischen dem unteren Ende der
inneren Elektrode
7 und dem unteren Deckel
5.
Das Trinkwasser hat einen pH-Wert von 7,0, eine elektrische Leitfähigkeit
von 266 μS/cm
(bei 25°C)
und eine Wasserhärte
von 5,4 dH°.
Bei Anlegen der Gleichspannung ergeben sich in Abhängigkeit
der zugegebenen Menge des Ionenaustauschers die nachfolgend wiedergegebenen
Werte für
die Stromstärke,
die Spannung, die Leistung und die pro Zeit gebildete Masse Knallgas
(KG), die als Normvolumen angegeben ist, wobei der bereits beschriebene
Ionenaustauscher verwendet wurde:
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Im
ersten Versuch wurde kein Ionenaustauscher zugegeben. Es wurden
5,0 ml/min Knallgas erzeugt. Diese Menge wird durch die Zugabe von
1 ml Ionenaustauscher bereits verdoppelt. Die pro Minute erzeugte Menge
Knallgas steigt mit der Erhöhung
der Menge des Ionenaustauschers an.
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Beispiel 3:
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Es
wurde dieselbe Versuchsanordnung wie im Beispiel 2 verwendet, wobei
allerdings die Länge
des Gehäuses
3 und
der inneren Elektrode
7 von 116 mm auf 270 mm vergrößert wurde.
Ansonsten ist die Versuchsanordnung nicht geändert worden. Dabei ergaben
sich folgende Meßwerte:
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in der Weise durchgeführt
werden, daß ein
Stoff, dem das herzustellende Gas insbesondere in Ionenbindung anhaftet,
z.B. ein saurer Kationentauscher, als Katalysator und Donator bei
der Elektrolyse einer Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, zugegeben wird, so daß die Zerlegung des zu zerlegenden
Stoffes, z.B. Wasser, um ein Vielfaches beschleunigt wird, wobei
der zugegebene Stoff keine Säure
und keine Base und keine Ionentauschermembran ist. In einer besonderen
Ausgestaltung wird z.B. bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung
von Wasserstoff und Sauerstoff oder Knallgas dem an sich bekannten
Elektrolysevorgang ein Ionenaustauscher, insbesondere ein Kationenaustauscherharz
und/oder ein Anionenaustauscherharz, zugegeben, das als Katalysator
zur Erhöhung
des Stromflusses dient und zugleich als Wasserstoff- und/oder Sauerstoffdonator
zur Durchführung
des Verfahrens beitragen kann. Auf diese Weise können bei einer Stromstärke von
beispielsweise 3900 C/min je nach Ausgestaltung Wirkungsgrade von
0,6 bis 0,85 erreicht werden. Eine entsprechende Vorrichtung kann
Knallgas in einer Menge von 14,6 l/h erzeugen. Die Vorrichtung zur
Her stellung des Knallgases kann Bestandteil eines Motors sein und
das für
den Motor benötigte
Knallgas nativ erzeugen. Auf diese Weise kann eine Verflüssigung
und Lagerung des Knallgases überflüssig gemacht
werden, da es laufend in der erforderlichen Menge erzeugt werden
kann. Es ist allerdings auch möglich,
Wasserstoff und Sauerstoff getrennt herzustellen und zu nutzen.
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Im
Inneren der rohrförmigen
Elektrode 7 kann ein Füllmaterial
vorhanden sein, insbesondere Watte. Dieses Material bzw. die Watte
kann mit Säure,
vorzugsweise Salzsäure,
benetzt sein. Hierdurch läßt sich
die Ausbeute erheblich steigern, wie im Versuch Nr. 4 angegeben.
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Die
elektrolytisch behandelte Flüssigkeit
kann Wasser sein. Es sind aber auch andere Flüssigkeiten möglich, die
das herzustellende Gas, z.B. Wasserstoff oder einen anderen Stoff,
enthalten.
