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Verfahren zur elektrolytisch-thermischen Spaltung von
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Wasser
Verfahren zur elektrolytisch-thermischen Spaltung
von Wasser.
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Es ist allgemein bekannt, Wasser auf elektrolytischem Wege nach der
Brutto-Gleichung H20
1/2 °2 + H2 in Sauerstoff 2 und Wasserstoff zu spalten. Wegen der vergleichsweise
geringen Leitfähigkeit des Wassers für den elektrischen Strom werden für die Elektrolyse
in der Regel wäßrige Lösungen von Säuren oder Basen, z.B. von NaOIt oder KOH verwendet.
Die elektrolytische Zersetzung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff
ist von technischer Bedeutung, und zwar insbesondere in den Fällen, in denen vergleichsweise
billiger Strom zur Verfügung steht oder es auf eine hohe Reinheit, insbesondere
des zu gewinnenden Wasserstoffs, ankomnt.
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Für die elektrolytische Spaltung von Wasser sind die verschiedensten
Elektrolysezellen und Elektrolyseanlagen bekannt geworden. Zu nennen sind z.B. die
sogenannten unipolaren und bipolaren Zellen, Elektrolyseure vom sogenannten Filterpressentyp
sowie der Zdansky-Lonza-Elektrolytor (vergl. beispielsweise Ull mann, "Enzyklopädie
der technischen Chemie", 18. Band, Seiten 523 bis 527).
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Kennzeichnend für die bekannten Elektrolysezellen und -anlagen ist
die Verwendung von Elektroden, die dem korrosiven Angriff der erzeugten Gase zu
widerstehen vermögen und eine möglichst niedrige Oberspannung aufweisen sowie die
Anordnung eines Diaphragmas zwischen den Elektroden, das die Vermischung der an
der Anode und der Kathode erzeugten Gase verhindern soll, den Stromfluß dabei jedoch
einen geringen Widerstand bietet und gegenüber dem Elektrolyten chemisch resistent
ist. Nach den bekannten Verfahren llßt sich aus der Anodenraum ein 99,5 bis 99,7
voluien-%iger Sauerstoffstrom und aus den Kathodenraun ein 99,9 voluren-iger Wasserstoffstror
abziehen.
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Da die Produktion einer Zelle oder eines Elektrolyseurs von der zugeführten
Stromstãrke abhängt und die Stromstirke eine Funktion
der Zellenspannung
ist, kann die Produktion durch Regelung der Zellenspannung dem Bedarf an Wasserstoff
angepaßt werden. Typisch für die Arbeitsweise der bekannten Verfahren ist die Anwendung
kleiner Spannungen, jedoch hoher Stromstärken.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es entgegen den bisherigen
Vorstellungen der Fachwelt möglich ist, durch Elektrolyse von Wasser und wäßrigen
Lösungen kathodisch nicht nur Wasserstoff, sondern vielmehr gleichzeitig auch Sauerstoff
zu erzeugen. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß sich an der Kathode einer
Zelle ein Wasserstoff-Sauestoffgemisch erzeugen läßt, wenn man bei vergleichsweise
hohen Spannungen und einer vergleichsweise geringen Stromdichte arbeitet und ferner
dafür Sorge trägt, daß Kathode und Anode durch einen Isolator voneinander getrennt
sind und/oder der Weg des Stromes von der Anode zur Kathode verlängert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur elektrolytisch-thermischen
Spaltung von Wasser, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Wasser, dessen Leitfähigkeit
gegebenenfalls durch Zugabe eines Elektrolyten erhöht wurde, in einem Elektrolysegerät
mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, die voneinander durch einen
einen Stromfluß unterbindenden Isolator getrennt sind, bei einer Spannung von 15
bis 1000 Volt und einer Stromdichte von 0,001 Ampre/dm2 bis 100 Ampre/dm2 elektrolytisch
spaltet.
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Anstatt einen Isolator zu verwenden, kann man auch in der Weise verfahren,
daß man den Weg des Stromes von der Anode zur Kathode verlängert. Dies kann dadurch
geschehen, daß man den Abstand der Elektroden zueinander derart wählt, daß ein Stromfluß
unterbunden wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ferner ein Verfahren zur elektrolytisch-thermischen
Spaltung von Wasser, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Wasser, dessen Leitfähigkeit
gegebenenfalls durch Zugabe eines Elektrolyten erhöht wurde, in einem Elektrolysegerät
mit
mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, die voneinander so weit entfernt
sind, daß ein Stromfluß unterbunden wird, bei einer Spannung von 15 bis 1000 Volt
und einer Stromdichte von 0,001 Ampre/d2 bis 100 Ampère/dm2 elektrolytisch spaltet.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur elektrolytisch-thermischen
Spaltung von Wasser, bestehend aus einem Behälter zur Aufnahme des Wassers, mindestens
einer Kathode und mindestens einer Anode sowie eines Gleichrichters, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß Kathode und Anode durch einen einen Stromfluß unterbindenden
Isolator voneinander getrennt sind und die Elektroden an einem auf 15 bis 1000 Volt
und eine Stromdichte von 0,001 bis 100 Ampère/dm2 ausgelegten Gleichrichter angeschlossen
sind.
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Die Erfindung ermöglicht die Entwicklung und Freisetzung außerordentlich
hoher Wärmeenergien auf engstem Raume, die Gewinnung von Wasserstoff-Sauerstoffgemischen
sowie die Gewinnung von Wasserdampf und hieraus wiederum reinem Wasser. Infolgedessen
läßt sich die Erfindung überall dort erfolgreich einsetzen, wo Strom zur Verfügung
steht und z.B. Wärmeenergie für Heizzwecke gewonnen werden soll, Sauerstoff-Wasserstoffgemische
benötigt werden, z.B. für H2/02-Batterien sowie zum Betrieb von Explosionsmotoren,
reines Wasser herzustellen ist, z.B. durch Entsalzung von Meerwasser und dergleichen.
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Für die überraschende, gleichzeitige Erzeugung von Wasserstoff und
Sauerstoff an der Kathode unter den angegebenen Verfahrensbedingungen bietet sich
folgende Erklärung an: 1.) An der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt tritt
zunächst eine Kondensatorbildung auf.
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2.) Bei einer bestimmten Spannung des angegebenen Bereiches, die für
den im Einzelfalle erzeugten Kondensator typisch ist, in
der Regel
bei 30 bis 70 Volt bricht der Kondensator zusammen.
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3.) Beim Zusammenbruch des Kondensators wird Energie freigesetzt.
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4.) Als Folge des Kondensatorzusammenbruches tritt eine Funkenentladung
auf.
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5.) Die freigesetzte Energie erhöht die Temperatur an der Grenzfläche
zwischen Kathode und Elektrolyt.
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6.) Die erhöhte Temperatur, die Funkenentladung und der bei der Elektrolyse
freigesetzte Wasserstoff führen zu einer Plasmabildung nach der Gleichung:
7.) Es erfolgt eine thermische Spaltung von H20 nach folgendem Reaktionsschema:
An der Kathode entstehen somit Wasserstoff und Sauerstoff.
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8.) Wasserstoff und Sauerstoff verbrennen bei den erzeugten Temperaturen
bei Zündung nach der Gleichung:
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, im Kathodenraum ein Wasserstoff-Sauerstoffgemisch
zu erzeugen, das je nach der angewandten Spannung aus dem Kathodenraum als nicht-brennbarer
Gasstrom oder
als brennender Wasserstoffstrom (Knallgasflamme) abgezogen
werden kann.
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Wird erfindungsgemäß die Spannung über etwa 70 Volt erhöht, so erfolgt
eine Zündung des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches, d.h.
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bei Anwendung einer Spannung von etwa 70 Volt tritt aus dem Kathodenraum
ein brennender Wasserstoffstrom, d.h. eine Knallgasflamme aus.
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Infolge der bei der elektrolytisch-thermischen Spaltung auftretenden
hohen Temperaturen verdampft gleichzeitig ein Teil des Wassers, so daß der aus dem
Kathodenraum austretende Sauerstoff-Wasserstoffstrom zusätzlich Wasserdampf enthält.
Dieser kann nach bekannten Methoden, z.B. durch Kondensation, abgetrennt werden,
gegebenenfalls nach Ausnützung der in ihm enthaltenden Wärme.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung
zieht man somit das an der Kathode bei der Spaltung des Wassers anfallende Gemisch
aus Sauerstoff und Wasserstoff als solches aus dem Kathodenraum ab und trennt das
in Form von Wasserdampf mitgeführte Wasser von dem Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch
ab.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nutzt
man die elektrolytisch-thermische Spaltung des Wassers zur Gewinnung von Wärmeenergie,
indem man das an der Kathode erzeugte Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff zündet
und die bei der Verbrennung des Wasserstoffs zu Wasser frei werdende Wärme nutzt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verwendet
man zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung Meerwasser und nutzt die elektrolytisch-thermische
Spaltung des Wassers somit gleichzeitig zur Gewinnung von entsalztem Wasser aus.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Elektroden
verwenden, wie sie üblicherweise zur Elektrolyse von
Wasser und
wäßrigen Lösungen verwendet werden. Dies bedeutet, daß die Elektroden z.B. aus den
verschiedensten Eisen-Stählen, Nickel-Stählen, Nickel, Platin, mit Kobalt plattiertem
Eisen, Aluminium, Kupfer, Messing, Silber, Titan, Tantal, Wolfram, Vanadium, Platin,
Rhodium und dergleichen bestehen können. Die Elektroden können des weiteren die
üblichen bekannten Elektrodenformen aufweisen, dh. z.B. aus stift-, stab-, platten-
oder ringförmigen Elektroden bestehen. Auch können geriffelte oder perforierte Elektroden
verwendet werden.
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In einfachster Weise weist eine Zelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Anode und eine Kathode auf. Eine Zelle oder ein Elektrolysegerät
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch auch mehrere oder
eine Vielzahl von Elektroden aufweisen, wobei die Anordnung der Elektroden unipolar
oder bipolar sein kann.
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Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, nach denen bisher Wasser
zu Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wurde, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren
die Kathode von der Anode durch einen Isolator getrennt, d.h. an die Stelle eines
für den elektrischen Strom durchlässigen Diaphragmas tritt erfindungsgemäß ein Isolator,
der für den elektrischen Strom undurchlässig ist, und den Stromkreis unterbricht,
oder aber der Stromweg wird entsprechend verlängert.
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Der Isolator kann aus den verschiedensten bekannten elektrischen Isolatoren
b6tehen, z.B. Glas, beispielsweise Pyrexglas oder Hochpolymeren mit einem hohen
elektrischen Widerstand. Der Isolator kann dabei von verschiedener Form sein, d.h.
der Isolator kann z.B. der Form der Kathode entsprechen oder dieser angepaßt sein
oder z.B. die Kathode umhüllen. Wesentlich ist allein eine wirksame Abschirmung
der Kathode oder der Kathoden von der Anode bzw.
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den Anoden. In vorteilhafter Weise beträgt der Abstand des Isolators
von der Elektrode 2 bis 20 mm.
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Der Abstand vom Isolator zur Kathode kann verschieden sein. Oblicherweise
entspricht der Abstand von Kathode zu Anode dem Abstand von der Kathode zum Diaphragma
in einer üblichen Zelle.
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In der Zeichnung sind drei erfindungsgemäße Vorrichtungen für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch, vereinfacht dargestellt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus dem Elektrolysegefäß
1 mit dem Elektrolyten 6, in dem die Kathode 2 und die beiden Anoden 3 und 3' eintauchen.
Der elektrische Strom wird der Zelle durch die Spannungsquelle oder dem Gleichrichter
4 zugeführt. Die Kathode 2 ist von den Anoden 3 und 3' durch den Isolator 5/5' abgeschirmt.
Mit 7 ist das sich entwickdnde Wasserstoff-Sauerstoffgemisch angedeutet, das aus
dem Kathodenraum in Pfeilrichtung durch eine Öffnung im Isolator 5/5' austritt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung besteht wiederum aus einem
Elektrolysegefäß 1, in dem sich der Elektrolyt 6 befindet.
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Die in Fig. 2 dargestellte Zelle weist eine Anode 3 und eine Kathode
2 auf. Im Falle dieser Ausführungsform ist die Kathode U-förmig und von einem U-förmigen
Isolator 5' umgeben. Auch die Anode wird von einem Isolator 5 abgeschirmt, obgleich
dieser Isolator an sich nicht unbedingt erforderlich ist. Mit 7 ist wiederum die
Ausbildung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches angedeutet, das das Gefäß in Pfeilrichtung
verläßt. Die Stromzufuhr erfolgt wiederum über eine Spannungsquelle oder einen Gleichrichter
4.
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Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht wiederum aus einem
Elektrolysegefäß 1, in dem sich der Elektrolyt 6 befindet. Die Zelle weist zwei
Anoden 3 und 3' und eine Kathode 2 auf. Im Falle dieser Ausführungsform weist die
Kathode 2 zwei Arme auf und ist von den Isolatoren 5 und 5" umgeben. Die Anoden
sind durch weitere Isolatoren 5' abgeschirmt. Sie sind jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Mit 7 ist wiederum die Ausbildung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches angedeutet.
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Das aus der Vorrichtung austretende Gasgemisch oder der aus der Vorrichtung
austretende brennende Wasserstoffstrom können über eine in den Zeichnungen nicht
dargestellte Leitung abgezogen werden, d.h. die Vorrichtung kann z.B. aus einem
mit einer Spannungsquelle
oder einem Gleichrichter verbundenen,
geschlossenen Behälter bestehen, dem bei Stromzufuhr ein Wasserstoff-Sauerstoff-Dampfgemisch
oder ein brennender Wasserstoffstrom entnommen werden kann.
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Beispiel Verwendet wurde eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt
ist, mit einem Gleichrichter, der die Erzeugung einer Spannung von bis zu 200 Volt
bei einer Stromdichte von bis zu 0,2 Ampere/ dm2 ermöglichte. Die Kathode bestand
aus einer Platinkathode mit einer Oberfläche von 1 cm2. Die Anode bestand ebenfalls
aus Platin und hatte ebenfalls eine Oberfläche von 1 cm2. Der Isolator bestand aus
einer Pyrex-Glasscheibe einer Stärke von 1 mm. Der Abstand vom Isolator zur Kathode
betrug 2 mm.
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Der Elektrolyt bestand aus einer 0,1 normalen Salpetersäurelösung.
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Die Elektrolytmenge betrug 500 ml.
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Bei einer Stromstärke von 120 Milli-Ampère und einer Spannung von
bis zu 70 Volt trat aus dem Kathodenraum ein Wasserstoff-Sauerstoff-Dampfgemisch
aus. Bei Erhöhung der Spannung auf über 70 Volt, beispielsweise 90 Volt, wurde der
aus dem Kathodenraum austretende Gasstrom gezündet.
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Entsprechende Ergebnisse wurden dann erhalten, wenn anstelle der Platinkathode
beispielsweise eine Kathode aus Stahl, Aluminium oder Tantal verwendet wurde. Entsprechende
Ergebnisse wurden ferner dann erhalten, wenn der Abstand zwischen Kathode und Isolator
vergrößert wurde, beispielsweise auf 2, 3, 4 oder 5 mm.
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Entsprechende Ergebnisse wurden des weiteren dann erhalten, wenn anstelle
eines salpetersauren Elektrolyten ein schwefelsaurer Elektrolyt, ein alkalischer
Elektrolyt oder Meerwasser verwendet wurde.