WO2024068650A2 - Hydrodynamisches elektrolyseverfahren - Google Patents

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WO2024068650A2
WO2024068650A2 PCT/EP2023/076576 EP2023076576W WO2024068650A2 WO 2024068650 A2 WO2024068650 A2 WO 2024068650A2 EP 2023076576 W EP2023076576 W EP 2023076576W WO 2024068650 A2 WO2024068650 A2 WO 2024068650A2
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electrolysis
reactor
water
hydrodynamic
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Inventor
Andreas Noffke
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Andreas Noffke
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes

Definitions

  • the present invention is a hydrodynamic electrolysis process for energy-reduced, i.e. efficient, production of hydrogen according to the preamble of claim 1.
  • the method according to the invention can have one or more consecutive (preferably 3) process stages.
  • individual process stages can be combined with one another, which can interlock and be dependent on one another.
  • the electrostatic interactions between the water molecules have a significant influence on the efficiency of electrolysis of water to hydrogen and oxygen.
  • a change in the higher-level intermolecular interaction structure i.e. in particular a change in the electrostatic interactions in the liquid phase of the molecular compound of water molecules, According to the laboratory tests and experiments carried out, this has a beneficial effect on efficiency, i.e. the energy input necessary/required for electrolysis.
  • a special process control which would require the atomization of water in the electrolysis cell, is not necessary according to the present invention.
  • the present invention has for its object to improve the hydrogen-producing electrolysis of water and of aqueous electrolyte solutions with regard to their efficiency, i.e. the energy expenditure, without the addition of supplementary substances.
  • the fluid is mechanically pretreated in an axisymmetric, downwardly tapering reactor, with an inlet for the fluid in an upper section and an outlet for the fluid in a lower section of the reactor, in order to reduce the electrostatic interactions between the water molecules, by setting the fluid into a rotation which accelerates from the upper section to the lower section of the reactor of at least 120 rotations per second and/or at least 500 km/h translation speed in the lower section, that the mechanically pretreated fluid is split into hydrogen and oxygen by means of electrolysis, preferably following the completed pretreatment.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention are specified in the dependent claims.
  • an aqueous electrolyte solution contains both water and a proportion of electrically conductive substances that dissolve in the water.
  • the electrical conductivity of the water can in principle influence the energetic efficiency of the electrolysis.
  • such aqueous solutions can be optimized by appropriate mechanical treatment with regard to the energy required to produce a defined amount of hydrogen from water.
  • An additional external addition of further electrolyte additives or other substances is not necessary for this.
  • the electrostatic interactions of the aqueous electrolysis liquid and thus in particular the wetting of the electrodes with the aqueous medium can also have a positive effect on the energetic efficiency of hydrogen production in the electrolysis process.
  • Reduced electrostatic interactions can also be synonymous with reduced intermolecular interactions between the individual water molecules.
  • the existing hydrogen bonding forces no longer have to be overcome or only have to be overcome to a reduced extent.
  • the energetic efficiency of electrolysis can be further increased by repeated mechanical pretreatment, preferably 2-4 times. A summation of the effect of the mechanical treatment with shear forces in the reactor can be observed.
  • the reduction of the electrostatic interactions in the electrolyte and the electrolysis can take place in the same container or the same receptacle. According to the present invention, however, it is possible to maintain the disturbed electrostatic interaction and to The procedures in accordance with the invention must be carried out in separate process steps, even spatially separated from one another.
  • the receptacle can be designed as a single chamber, in which in such a case both the device for reducing the electrostatic interactions of the electrolysis liquid and the electrolysis electrodes are provided.
  • the electrolysis electrodes can be electrolysis electrodes that are common to those skilled in the art. They therefore require no further explanation.
  • the receptacle is formed from at least two chambers, with the device for reducing the electrostatic interactions of the aqueous electrolysis liquid being arranged in at least a first chamber and the electrolysis electrodes being arranged in a second chamber.
  • the chambers are preferably fluidically connected to one another, and an outlet of the first chamber can be fluidically connected to an inlet of the second chamber.
  • an inlet for fluid to the second chamber it is not necessary for an inlet for fluid to the second chamber to contribute to the disruption of the intermolecular interactions in the fluid, preferably in the water.
  • the reduction in the electrostatic cohesion of the molecules can preferably be completed before the fluid enters the second chamber, i.e. the electrolysis cell.
  • an inflow/inflow of fresh electrolyte from the first chamber into the second chamber takes place during the electrolysis, whereby an electrostatic interaction possibly increasing during the electrolysis due to fresh (treated) Electrolytes from the first chamber can be diluted down.
  • This process can occur continuously and discontinuously and/or directly from the first chamber or from a storage container for pretreated fluid.
  • the electrostatic interactions of the electrolyte in the second chamber can be adjusted as required, preferably in real time.
  • a conveying device for transporting the aqueous electrolyte from the at least one first chamber into the at least one second chamber.
  • conventional conveying means can be provided, which are preferably connected to a device for measuring electrostatic interactions of the aqueous solutions in the second chamber and/or are controlled by this in order to feed treated fluid from the first chamber into the second chamber as required, so that a stored maximum value of the electrostatic interactions of the electrolyte in the second chamber is not exceeded.
  • the method according to the invention is at least implemented when the electrostatic interactions of a fluid, in particular an aqueous solution of an electrolyte, for example an aqueous electrolysis liquid for producing hydrogen, are reduced by mechanical treatment and the fluid, in particular the aqueous solution, is subsequently subjected to electrolysis with reduced electrostatic interactions.
  • a fluid in particular an aqueous solution of an electrolyte, for example an aqueous electrolysis liquid for producing hydrogen
  • this can in particular be an alkaline water electrolysis, membrane electrolysis, high-temperature electrolysis and/or catalytic decomposition of water.
  • An increased proportion of hydroxide ions in the water can be generated by the mechanical treatment itself.
  • the energy required to break the molecular bond between the oxygen atom and the two hydrogen atoms of a water molecule in an association of water molecules is reduced according to the invention.
  • the process according to the invention can also be referred to as a process for the electrolysis of electrostatically permanently modified liquid water.
  • sustainable can be understood as meaning that the changed physical properties are maintained beyond the treatment for a significant period of time (minutes, hours, days, weeks or even months), i.e. the change in the physical properties according to the invention
  • the procedure is not just an excited or changed state that only lasts at the moment of the procedure/treatment.
  • the method according to the invention can also be applied to other fluids which, for example due to their intermolecular interactions (e.g. dipole-dipole, Van der Wals and/or electrostatic interactions in general), have a surface tension or viscosity.
  • Electrostatics can be understood as a general term for intermolecular interactions.
  • these can be polar fluids, especially water.
  • At least one of the following process steps can be used to sufficiently mechanically pretreat the fluid for electrolysis.
  • the fluid to be treated is set into an accelerating rotation.
  • Hollow vortex formations are characterized by a flow-dynamic velocity profile (Fig. 1 ), which would theoretically have a velocity c — ⁇ °° and a pressure p — -•> ⁇ > in the core, i.e. in the central axis. Negative pressures, i.e. tensile stresses, are not possible in the fluid. This means that the fluid structure breaks apart and a vapor core forms.
  • a core is formed from lighter components of the medium, usually gases, or, if the vapor pressure of the fluid is reached, from fluid vapor (water vapor). This effect is not advantageous at this point in the process.
  • the reason for this is the high energy consumption in hollow vortices (also known as potential vortices).
  • the aim is to initially set the fluid in an accelerating rotational motion with a relatively low energy expenditure and thus to generate high centrifugal forces and shear stresses. Forced guidance can be achieved by guiding a fluid in a certain direction (here rotation) and limiting the rotating volume flow preferably inside and/or outside.
  • a flow profile similar to a positive guide can be formed in a pipe (Fig. 2).
  • the flow profile shown in FIG. 2 is only preferred for the purpose according to the invention. It improves/reduces the energy input to reduce interactions in the fluid. In principle, however, the reduction in interactions in the fluid can be achieved despite the vortex.
  • the necessary shear stresses are generated in the direction of flow and rotation and the entire volume flow can move helically towards the tapered part of the reaction body.
  • the downward, tapering helical movement of the fluid can best be described as a superposition of rotational movement and translational movement.
  • reaction body i.e. the rotating fluid
  • a vortex chamber for mixing media i.e. the rotating fluid
  • the downward, tapering helical movement can best be explained as a superposition of rotational movement and translational movement (Fig. 3).
  • the fluid can therefore also be passed over an uneven, rough or flaky inner reactor wall in order to enhance the effect according to the invention.
  • the degree of roughness should not be important. However, the higher the roughness, the greater the effect described.
  • This structure is partly responsible for a number of physical properties - including dynamic viscosity.
  • any foreign substances carried along They are also subject to the high centrifugal forces, shear stresses and frictional forces between the water layers. It is particularly important to note that in the outer area of the reaction body, in addition to the high volume flow, a high pressure is built up. Due to the decreasing size ratios of inlet and outlet, a back pressure can already be present at barometric pressure. If this is now increased, the reaction speed in the reaction body area also increases. A 1 bar increase in pressure doubles the reaction speed.
  • the system works optimally at a pressure of 3 bar.
  • this area can also be called a continuous pressure reactor.
  • the directed and forced rotating media flow is deflected inwards against its original direction of movement (translational) (Fig. 5) - in fact, it is "turned” into itself with its rotation and preferably fed to the outlet pipe (outlet spout).
  • the access area of the outlet spout has a further strong taper (further increase in the circular speed w and centrifugal force Fz).
  • the relative direction of rotation of the now ascending volume flow changes (Fig. 6) - the absolute direction of rotation is maintained for the entire volume flow.
  • the volume flow can be changed from the downward movement to an ascending movement (brine area) at the reversal point.
  • the outlet pipe preferably along a dome located in the brine area of the reactor, with a geometry/shape that tapers upwards towards the inlet opening of the outlet pipe.
  • the outlet pipe is preferably also arranged in the brine area of the reactor adjacent to the dome.
  • the absolute direction of rotation in the direction of flow is retained. For example, if the inlet rotates clockwise, the direction of rotation remains clockwise after reversal.
  • the ascending media column It is also characteristic of the ascending media column that, on the one hand, it is forced to move by the nozzle/taper in the outlet (particularly in its outer area) and, up to the narrowest point of the nozzle/taper, i.e. up to the point at which pressure or overpressure prevails, it is also forced to move by the optional air intake pipes in the area of the central axis.
  • the third stage of the process can involve the formation of a hollow vortex, which is superimposed by a volume expansion by means of an appropriately designed nozzle shape (usually a Laval nozzle).
  • the outlet spout/outlet itself is preferably designed in its lower region in such a way that it initially has a cross-sectional constriction and preferably immediately thereafter a cross-sectional expansion.
  • the goal is a completely directed relaxation of the medium flowing through.
  • Such nozzles also called Laval nozzles
  • an inner forced guide which projects into the tapered outlet, can optionally be used as an air intake pipe.
  • This output option is adjustable and configurable. In addition to the calculations for individual media, practical tests have shown that optimal suction, i.e. optimal negative pressure, is achieved with an internal reaction body pressure of 3 bar and above and when ambient air is used as the suction medium.
  • the high required pre-pressure results from the friction and energy losses in the reaction body up to the air intake nozzle. If there is no air intake from the outside, the system "gases out” gases bound or dissolved in the fluid due to the negative pressure. In addition, the vapor diffusion pressure is reached in this area for H2O.
  • the cause of this “column” or vortex formation can be the central positive guidance/guide axis.
  • a hollow vortex can form at this point in the entire system and, if necessary, the hollow vortex can be overlaid by an inner, non-rotating column from the negative pressure area of the Laval nozzle (suction of other media).
  • the process preferably consists of at least one of the three individual process stages, which can intertwine and be dependent on each other.
  • the rotating volume flow can be “turned into itself”, ie a change in direction is carried out translationally while maintaining the absolute direction of rotation. This creates extreme shear and friction forces. te and pressure conditions that can cause cavitation and break down foreign matter carried along.
  • the volume flow is subject to further acceleration in its rotation due to nozzle tapering (Laval nozzle inlet; tapering of the outlet/outlet pipe) without creating a hollow vortex. (2nd process stage)
  • the positive guidance ends through the air intake pipe/through the further internal positive guidance. From this area onwards, the formation of a hollow vortex with a vortex core (reaching the vapor diffusion point - outgassing or vapor formation) is superimposed on the negative pressure of the Laval nozzle (atomizer or water jet nozzle principle).
  • the high energy input caused by the hollow vortex in this area, increases the rearrangement of the molecular structure and the change in viscosity or surface tension.
  • an oxidant usually oxygen from the air
  • Vapor diffusion creates small amounts of OH radicals, which have an oxidative effect. Additional oxidizing agents greatly increase the oxidation effect.
  • Venturi effect - The Venturi equation consists of two components: the static part and the dynamic part (r/2 * c 2 ) - the geodetic one Share is not taken into account here due to its low influence
  • Rotation speed 120-180/sec - angular speed w (or more)
  • Negative pressure in nozzle -0.5 to -0.7 bar relative / 0.5 to 0.3 bar absolute
  • the rotation speed of min 120/sec and/or the translation speed of min 500 km/h in the vortex leads to a mechanical pretreatment of the fluid, whereby the forces acting on the fluid sustainably reduce the energy requirement of the electrolysis.
  • a treatment of the fluid at least with the sufficiently fast rotation described according to the invention in a reactor designed to taper downwards results in a change in surface tension and / or viscosity in favor of a lower one Energy consumption during a subsequent electrolysis, compared to the same fluid without the mechanical treatment according to the invention.
  • the fluid can be diverted with introduction into a Venturi or Laval nozzle in a lower area/section of the reactor, preferably in the brine area of the reactor.
  • Electrolysis can therefore be carried out with reduced energy consumption compared to the same untreated fluid.
  • Electrostatic interactions or properties based on electrostatic interactions according to the invention can be in particular the surface tension and the viscosity of fluids.
  • Test conditions of laboratory tests on the process according to the invention 10 individual measurements were carried out in a tensiometer K10 from Krüss, Hamburg, measuring device: Pt-Ir-Ring.
  • test results show a sustained reduction in surface tension beyond the treatment of the fluid.
  • the fluid was mechanically pretreated in an axisymmetric, downwardly tapering reactor, with an inlet for the fluid in an upper section and an outlet for the fluid in a lower section of the reactor, in order to reduce the electrostatic interactions between the water molecules, by setting the fluid in a rotation accelerating from the upper section to the lower section of the reactor of at least 120 rotations per second and/or at least 500 km/h translational speed in the lower section.
  • the fluid was mechanically pretreated in an axisymmetric, downwardly tapering reactor, with an inlet for the fluid in an upper section and an outlet for the fluid in a lower section of the reactor, in order to reduce the electrostatic interactions between the water molecules, by setting the fluid in a rotation accelerating from the upper section to the lower section of the reactor of at least 120 rotations per second and/or at least 500 km/h translational speed in the lower section.
  • viscosity determinations were carried out at different temperatures, which were carried out with untreated water and with water that passed through the reactor for either 5 or 30 minutes.
  • the viscosity was carried out using a vibration viscosity SV-10 (times Instruments GmbH).
  • the SV-10 consists of 2 gold-coated paddle-like sensors that oscillate at a frequency of 30 Hz in the liquid being examined.
  • the viscosity of the sample causes the vibration to be dampened, thereby reducing the amplitude.
  • the force required to cause the sensors to oscillate at the original amplitude is measured and converted into the viscosity of the sample.
  • the mechanically pretreated fluid is fed to the electrolysis chamber/electrolysis step without atomization.
  • the electrical conductivity (Siemens per meter [S/m]) of water (ps/cm / microsiemens per centimeter) is influenced by ionically dissolved substances (ions). Salts, acids and alkalis break down into positively charged cations and negatively charged anions.
  • table salt (NaCI) breaks down in water into sodium ions (Na+) and chloride ions (CI-) and demineralized water (fully desalinated) has a very low conductivity, since approximately every billionth water molecule (H2O) breaks down into the ions H+ and OH-.
  • the electrical conductivity is measured using a resistance measurement.
  • the measuring cell consists of two metal electrodes between which an alternating voltage is applied. The more ions the measuring solution contains, the greater the current flowing between the electrodes.
  • the conductivity is calculated from this using Ohm's law.
  • Pure water (DI water - distilled or demineralized - conductivity ⁇ 10 pS/cm) has an extremely low conductivity. It is only about one billionth that of metals, but is about 1000 times more conductive than an insulating material. If salts, acids or bases are added to the water that release freely mobile ions in an aqueous solution, the conductivity increases (e.g. 4% salt in distilled water increases the conductivity 1000 times).

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Abstract

Hydrodynamisches Elektrolyseverfahren zur effizienten Erzeugung von Wasserstoff aus von flüssigem Wasser und wässrigen Elektrolytlösungen, nachfolgend summarisch als Fluid bezeichnet wobei das Fluid in einem achsensymmetrischen, sich nach unten hin verjüngendem Reaktor, mit einem Einlass für das Fluid in einem oberen Abschnitt und einem Auslass für das Fluid in einem unteren Abschnitt des Reaktors, zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen, mechanisch vorbehandelt wird, indem das Fluid in eine sich von dem oberen Abschnitt zu dem unteren Abschnitt des Reaktors hin beschleunigende Rotation von mindestens 120 Rotationen pro Sekunde und/oder min 500 km/h Translationsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt versetzt wird und wobei das mechanisch vorbehandelte Fluid mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.

Description

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Hydrodynamisches Elektrolyseverfahren
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein hydrodynamisches Elektrolyseverfahren zur energiereduzierten, also effizienten Erzeugung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine oder mehrere aufeinanderfolgende (vorzugsweise 3) Verfahrensstufen aufweisen. Um ein optimales Ergebnis zu erhalten, können einzelne Verfahrensstufen miteinander kombiniert werden, welche ineinandergreifen können und sich bedingenden können.
Nach der vorliegenden Erfindung konnte insbesondere festgestellt werden, dass die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz einer Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff haben. Eine Veränderung der übergeordneten intermolekularen Wechselwirkungsstruktur, also insbesondere eine Veränderung der elektrostatischen Wechselwirkungen in flüssiger Phase des Molekülverbunds von Wassermolekülen, wirkt sich, gemäß den durchgeführten Labortests und Versuchen, vorteilhaft auf die Effizienz, also den für eine Elektrolyse notwendigen/erforderlichen Energieeintrag aus. Eine besondere Verfahrensführung, welche das Zerstäuben von Wasser in der Elektrolysezelle erfordern würde, ist nach der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Grundsätzlich ist es bekannt, physikalische Eigenschaften von Wasser durch chemische Zusätze zu verändern.
Diese Additive haben jedoch gerade hinsichtlich einer Elektrolyse den Nachteil, dass sie die Elektrolyseelektroden angreifen und teilweise passivieren, wodurch sukzessive die Effizienz des Elektrolyseverfahrens reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die wasserstofferzeugende Elektrolyse von Wasser und von wässrigen Elektrolytlösungen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades, also dem energetischen Aufwand nach, ohne Zugabe von ergänzenden Stoffen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Diese sind, dass das Fluid in einem achsensymmetrischen, sich nach unten hin verjüngendem Reaktor, mit einem Einlass für das Fluid in einem oberen Abschnitt und einem Auslass für das Fluid in einem unteren Abschnitt des Reaktors, zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen, mechanisch vorbehandelt wird, indem das Fluid in eine sich von dem oberen Abschnitt zu dem unteren Abschnitt des Reaktors hin beschleunigende Rotation von mindestens 120 Rotationen pro Sekunde und/oder mindestens 500 km/h Translationsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt versetzt wird, dass das mechanisch vorbehandelte Fluid, vorzugsweise anschließend an die abgeschlossen Vorbehandlung, mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Grundsätzlich weist eine wässrige Elektrolytlösung sowohl Wasser als auch einen Anteil an elektrisch leitfähigen Stoffen auf, die sich im Wasser lösen. Die elektrische Leitfähigkeit des Wassers kann grundsätzlich die energetische Effizienz der Elektrolyse beeinflussen. Nach der vorliegenden Erfindung lassen sich solche wässrigen Lösungen durch entsprechende mechanische Behandlung hinsichtlich der notwendigen Energie für die Erzeugung einer definierten Menge an Wassersoff aus Wasser optimieren. Eine zusätzliche äußere Zugabe von weiteren Elektrolyten additiven oder sonstigen Stoffen ist dafür nicht erforderlich. Darüber hinaus wurde jedoch erfindungsgemäß erkannt, dass auch die elektrostatischen Wechselwirkungen der wässrigen Elektrolyseflüssigkeit und damit auch insbesondere die Benetzung der Elektroden mit dem wässrigen Medium die energetische Effizienz der Wasserstoffherstellung im Elektrolyseverfahren positiv beeinflussen kann. Herabgesetzte elektrostatische Wechselwirkungen kann hierbei auch gleichbedeutend sein mit einer verringerten intermolekularen Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Je stärker die Wasserstoffbrücken und/oder andere elektrostatische Kräfte zwischen den einzelnen Wassermolekülen gestört beziehungsweise unterbrochen werden, desto höher die energetische Effizienz für das Elektrolyseverfahren. Während der Elektrolyse müssen so die bestehenden Wasserstoffbrücken-Bindungskräfte nicht mehr oder nur verringert überwunden werden.
Durch wiederholte mechanische Vorbehandlung, vorzugsweise 2-4-mal lässt sich die energetische Effizienz der Elektrolyse weiter steigern. Eine Aufsummierung des Effekts der mechanischen Behandlung mit Scherkräften im Reaktor ist feststellbar.
Grundsätzlich können die Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen in dem Elektrolyten und die Elektrolyse in demselben Behälter beziehungsweise derselben Aufnahme erfolgen. Nach der vorliegenden Erfindung ist es jedoch unter Aufrechterhaltung der gestörten elektrostatischen Wechselwirkung möglich das erfin- dungsgemäße Verfahren in separaten Verfahrensschritten auch räumlich getrennt voneinander vorzunehmen.
Bei den mechanischen Mitteln können bevorzugt solche Einrichtungen verwendet werden, welche eine molekulare Trennung innerhalb der wässrigen Elektrolyseflüssigkeit bewirken beziehungsweise ausgebildet sind, das ausgebildete Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk zu stören. Dazu können Scherkräfte angewendet werden.
Grundsätzlich kann die Aufnahme als einzelne Kammer ausgebildet sein, in welche in einem solchen Fall sowohl die Einrichtung zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen der Elektrolyseflüssigkeit als auch die Elektrolyseelektroden vorgesehen sind. Bei den Elektrolyseelektroden kann es sich um für den Fachmann übliche Elektrolyseelektroden handeln. Sie bedürfen daher keiner weiteren Ausführung.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Aufnahme mindestens aus zwei Kammer gebildet ist, wobei zumindest in einer ersten Kammer die Einrichtung zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen der wässrigen Elektrolyseflüssigkeit und in einer zweiten Kammer die Elektrolyseelektroden angeordnet sind. Dabei stehen die Kammern miteinander vorzugsweise in fluidischer Verbindung, und ein Ablauf der ersten Kammer kann mit einem Zulauf der zweiten Kammer fluidisch verbunden sein. Nach der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass ein Zulauf für Fluid zur zweiten Kammer zur Störung der intermolekularen Wechselwirkungen im Fluid, vorzugsweise im Wasser, beiträgt. Bevorzugt kann die Herabsetzung des elektrostatischen Zusammenhalts der Moleküle abgeschlossen sein, bevor das Fluid die zweite Kammer, also die Elektrolysezelle betritt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein Zulauf/Zustrom von frischem Elektrolyten aus der ersten Kammer in die zweite Kammer während der Elektrolyse erfolgt, wodurch eine möglicherweise während der Elektrolyse steigende elektrostatische Wechselwirkung durch frischen (behandelten) Elektrolyten aus der ersten Kammer herunter verdünnt werden kann. Dieser Prozess kann kontinuierlich und diskontinuierlich erfolgen und/oder direkt aus der ersten Kammer oder aus einem Vorratsbehälter für vorbehandeltes Fluid erfolgen.
Durch eine entsprechende Anzahl von ersten Kammern und oder eine Durchflussgeschwindigkeit durch die fluidische Verbindung aus der ersten Kammer in die zweite Kammer können die elektrostatischen Wechselwirkungen des Elektrolyten in der zweiten Kammer bedarfsgerecht, vorzugsweise in Echtzeit, angepasst werden.
Für eine bedarfsgerechte Steuerung des Zuflusses von behandeltem Fluid (Elektrolyten) von der ersten Kammer (direkt oder indirekt) in die zweite Kammer kann eine Fördereinrichtung für einen Transport des wässrigen Elektrolyten von der mindestens einen ersten Kammer in die mindestens eine zweite Kammer bereitgestellt sein. Hierfür können übliche Fördermittel vorgesehen sein, welche vorzugsweise mit einer Einrichtung zur Messung elektrostatischer Wechselwirkungen der wässrigen Lösungen der zweiten Kammer verbunden sind und/oder durch diese angesteuert werden, um behandeltes Fluid aus der ersten Kammer in die zweite Kammer bedarfsgerecht nachzuführen, sodass ein hinterlegter Maximalwert der elektrostatischen Wechselwirkungen des Elektrolyten in der zweiten Kammer nicht überschritten wird.
Man erkennt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest dann verwirklicht ist, wenn die elektrostatischen Wechselwirkungen eines Fluids, insbesondere einer wässrigen Lösung eines Elektrolyten, beispielsweise einer wässrigen Elektrolyseflüssigkeit zur Herstellung von Wasserstoff, durch mechanische Behandlung herabgesetzt wird und anschließend das Fluid, insbesondere die wässrige Lösung, mit herabgesetzten elektrostatischen Wechselwirkungen einer Elektrolyse unterzogen wird.
Nach der vorliegenden Erfindung kann es sich insbesondere um eine alkalische Wasser Elektrolyse, Membran-Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse und/oder katalytische Zersetzung von Wasser handeln. Wobei ein erhöhter Anteil an Hydroxidio- nen im Wasser durch die mechanische Behandlung selbst erzeugt werden kann. Bei einem solchen Verfahren ist der Energieaufwand für das Brechen der molekularen Verbindung zwischen dem Sauerstoffatom und den beiden Wasserstoffatomen eines Wassermoleküls in einem Verband von Wassermolekülen erfindungsgemäß herabgesetzt. Demnach kann das erfindungsgemäße Verfahren auch als Verfahren zur Elektrolyse von elektrostatisch nachhaltig verändertem flüssigem Wasser bezeichnet werden.
Nachhaltig kann in diesem Zusammenhang insofern verstanden werden, als dass die veränderten physikalischen Eigenschaften über die Behandlung hinaus für einen signifikanten Zeitraum (Minuten, Stunden, Tage, Wochen oder sogar Monate) aufrechterhalten bleiben, es sich also bei der Veränderung der physikalischen Eigenschaften nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht lediglich um einen angeregten oder veränderten Zustand handelt, der nur im Moment der Verfahrensführung/Behandlung andauert.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch auf andere Fluide anwenden, welche, beispielsweise aufgrund ihrer intermolekularen Wechselwirkungen (z.B. Dipol-Dipol, Van-der-Wals und/oder elektrostatische Wechselwirkungen allgemein), eine Oberflächenspannung beziehungsweise Viskosität aufweisen. Die Elektrostatik kann hierbei als Oberbegriff von intermolekularen Wechselwirkungen verstanden werden.
Vorzugsweise kann es sich um polare Fluide, insbesondere Wasser handeln.
Mindestens einer der folgenden Verfahrensstufen kann angewendet werden, um das Fluid ausreichend mechanisch für die Elektrolyse vorzubehandeln.
1. Verfahrensstufe
Das zu behandelnde Fluid wird in eine sich beschleunigende Rotation versetzt.
Kennzeichnend für diese Rotationsbewegung ist, dass es sich um eine zwangsge- führte Bewegung handelt, d.h. um keine Hohlwirbelbildung nach strömungsdynamischen Gesetzen.
Hohlwirbelbildungen sind gekennzeichnet durch ein strömungsdynamisches Geschwindigkeitsprofil (Fig. 1 ), welches im Kern, also in der Mittelachse, theoretisch eine Geschwindigkeit c — ► °° und einen Druck p — -•><> aufweisen würde. Negative Drücke, d.h. Zugspannungen, sind im Fluid nicht möglich. D.h., das Fluidgefüge zerreißt und es bildet sich ein Dampfkern.
Im Zentrum bildet sich ein Kem aus leichteren Bestandteilen des Mediums, meist Gasen, oder wenn der Dampfdruck des Fluids erreicht ist, aus Fluiddampf (Wasserdampf). Dieser Effekt ist an dieser Stelle des Verfahrens nicht vorteilhaft. Grund hierfür ist der hohe Energieverbrauch bei Hohlwirbeln (auch Potentialwirbel bezeichnet).
Ziel ist, zunächst mit vergleichbar geringem Energieaufwand, das Fluid in eine sich beschleunigende Rotationsbewegung zu versetzen und damit hohe Zentrifugalkräfte sowie Scherspannungen zu erzeugen. Die Zwangsführung kann dadurch erreicht werden, dass ein Fluid in eine bestimmte Richtung geführt wird (hier Rotation) und eine Begrenzung des rotierenden Volumenstroms bevorzugt innen und/oder außen erfolgt.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich kein Hohlwirbel bildet. Bevorzug kann dadurch auch ein Strömungsprofil ähnlich einer Zwangsführung in einem Rohr ausgebildete werden (Fig. 2). Das in Fig. 2 abgebildete Strömungsprofil ist jedoch anders als die bereit diskutierten Scherkräfte für den erfindungsgemäßen Zweck nur bevorzugt. Es verbessert/reduziert den Energieeintrag zur Herabsetzung der Wechselwirkungen im Fluid. Grundsätzlich kann die Herabsetzung der Wechselwirkungen im Fluid aber trotz Holwirbel erzeugt werden.
Es werden die notwendigen Schubspannungen in Fließ-ZRotationsrichtung erzeugt und der gesamte Volumenstrom kann sich schraubenförmig zum verjüngenden Teil des Reaktionskörpers bewegen. Die sich nach unten hin ausbildende, sich verjüngende schraubenförmige Bewegung des Fluids kann man am ehesten mit einer Überlagerung aus Rotationsbewegung und Translationsbewegung beschreiben.
In diesem Bereich erfolgt durch die Verjüngung des Reaktionskörpers und damit Volumenänderung bei konstanter Menge des zugeführten Mediums eine Erhöhung der Drehzahl n.
Mit der Drehzahlerhöhung n folgt eine Erhöhung der Kreisgeschwindigkeit w. Aus der Erhöhung der Kreisgeschwindigkeit ergibt sich ein starkes Anwachsen der Fliehkraft Fz.
Eine Hohlwirbelbildung oder „Verwirbelung“ in der Reaktionskammer oder in der „Stoffmischung“ ist grundsätzlich allein durch die gerichtete, zwangsgeführte Rotation und die auftretenden hohen Zentrifugalkräfte nicht möglich. Im Gegenteil - die hohen und zum Auslauf hin, also unterem, engsten Punkt des Reaktionskörpers stark anwachsenden Zentrifugalkräfte (Fz), bewirken eine Stofftrennung aufgrund der unterschiedlichen Massen der im Medium enthaltenen bzw. mitgeführten Fremdstoffe. Die Wirkung bis zum unteren Punkt ist demnach mit der eines Zyklons zu vergleichen.
Insofern ist der Reaktionskörper, also das rotierende Fluid nicht mit einer Wirbelkammer zum Durchmischen von Medien zu vergleichen oder zu verwechseln.
Die sich nach unten hin ausbildende, sich verjüngende schraubenförmige Bewegung kann man am ehesten mit einer Überlagerung aus Rotationsbewegung und Translationsbewegung erklären (Fig. 3).
Betrachtet man die einzelnen Strömungsschichten im Reaktionskörper mit einem Stapel Papier, so stellt man fest, dass, bedingt durch die Verjüngung sich die einzelnen Schichten stark gegeneinander verschieben und somit im Teilchenbereich neben der Zentrifugalkraft hohe Scherkräfte oder Schubspannungen (ss) auftreten (Fig. 4). Auf eine Betrachtung der Wandrauhigkeiten des Reaktors/Behälters wird des erheblichen Umfanges wegen an dieser Stelle nicht näher eingegangen (Ausbildung einer „Strömungsröhre“) - sie verstärkt letztlich den Schereffekt. Nach der vorliegenden Erfindung kann das Fluid daher auch über eine unebene, raue oder schuppige Reaktorinnenwand geleitet werden, um den erfindungsgemäßen Effekt zu verstärken. Auf den Grad der Rauigkeit soll es dabei nicht ankommen. Je höher die Rauigkeit, desto größer ist jedoch der beschriebene Effekt.
Die auftretenden Scherspannungen ss und die Zentrifugalkraft Fz üben einen so starken Einfluss auf die molekularen Bindungskräfte der meisten Fluide aus, dass sich deren elektrostatischen Wechselwirkungen z.T. erheblich ändert. D.h., die vorhandenen, „van der Wals-Kräfte“ (elektr. Anziehung zwischen Molekülen) werden zwar nicht aufgebrochen, aber so beeinflusst, dass sich die Gitterstruktur der Teilchen im Medium neu ordnet. Dies vereinfacht das Herauslösen von einzelnen Wassermolekülen während der Elektrolyse, was den notwendigen Energieeintrag für die Wasserspaltung verringert.
Praktisch erläutern lässt sich dies am ehesten am Beispiel von Wasser:
Die van der Wals-Bindung (Wasserstoffbrückenbindung) basiert bei Wasser und den meisten anderen Fluiden auf der Tatsache, dass das Wassermolekül durch Ladungsverschiebung, nach außen als Dipol auftritt und wirkt. Sauerstoff = wirkt negativ geladen (zieht das gemeinsame e- zwischen 0 und H an), Wasserstoff = positiv.
Diese Struktur ist mitverantwortlich für eine Reihe physikalischer Eigenschaften - so u.a. für die dynamische Viskosität.
Für mitgeführte Fremdstoffe, soweit vorhanden, gilt: Auch sie unterliegen den hohen Zentrifugalkräften, Scherspannungen und Reibungskräften zwischen den Wasserschichten. Zu beachten ist insbesondere im äußeren Bereich des Reaktionskörpers der Umstand, dass neben dem hohen Volumenstrom ein hoher Druck aufgebaut wird. Aufgrund der abnehmenden Größenverhältnisse Zulauf - Ablauf kann bei barometrischem Druck ohnehin ein Staudruck vorliegen. Wird dieser nun erhöht, erhöht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit im Reaktionskörperbereich. 1 bar Druckerhöhung bringt eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit mit sich.
Das System arbeitet optimal ab einem Druck von 3 bar.
Durch das unterschiedliche Verhältnis Zulauf (Summe aller Zuläufe) zu Ablauf (Summe aller Abläufe) wird sichergestellt, dass einerseits ein kontinuierlicher Volumenstrom fließt und zum anderen ein kontinuierlicher Reaktionsdruck vorliegt (beides steuer-, regel- und reproduzierbar).
Demnach kann man diesen Bereich auch als kontinuierlichen Druckreaktor bezeichnen.
2. Verfahrensstufe
Im unteren Umlenkpunkt, d.h. der Fußpunkt des Reaktors/Behälters wird der gerichtete und zwangsgeführte rotierende Medienstrom entgegen seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung (translatorisch) nach innen umgelenkt (Fig. 5) - faktisch mit seiner Rotation in sich „gestülpt“ und vorzugsweise dem Auslaufrohr (Auslauftülle) zugeführt. Der Zugangsbereich der Auslauftülle weist eine weitere starke Verjüngung auf (weitere Erhöhung der Kreisgeschwindigkeit w und Zentrifugalkraft Fz). Zudem ändert sich die relative Drehrichtung des nunmehr aufsteigenden Volumenstromes (Fig. 6) - die absolute Drehrichtung bleibt für den gesamten durchgeführten Volumenstrom erhalten. Dies führt direkt im Umlenkbereich an den Berührungsstellen von absteigendem und aufsteigendem Volumenstrom zu teilweise extremen Scher- und Reibungskräften, bedingt durch die hohe, gegenläufige Kreisgeschwindigkeit. Für eine effiziente Verfahrensführung kann der der Volumenstrom im Umkehrpunkt von der nachunten gerichteten Bewegung in eine aufsteigende Bewegung (Solebereich) in das Auslaufrohr vorzugsweise entlang eines sich im Solebereich des Reaktors befindlichen Doms, mit einer sich nach oben in Richtung Eintrittsöffnung des Auslaufrohrs verjüngender Geometrie/Form, umgelenkt. Bevorzug wird das Auslaufrohr hierfür ebenfalls im Solebereich des Reaktors anschließend an den Dom angeordnet.
Die absolute Drehrichtung in Fließrichtung bleibt erhalten. Z.B. Zulauf rechtsdrehend, so bleibt die Drehrichtung „rechtsdrehend nach Umlenkung erhalten.
Dieser Umlenkpunkt ist strömungstechnisch mit oder überhaupt am stärksten belastet. Hohe Rotationsgeschwindigkeit mit Umkehrung der relativen Drehrichtung und Flächenkontakt der unterschiedlich im Drehsinn, ausgerichteten Volumenströme (gemeint ist hier aufsteigend und absteigend) führen im Grenzbereich zu starken Turbulenzen sowie Kavitationserscheinungen (Durch die strömungsdynamischen Zustände und dem vorherrschenden Druck (Staudruck) bilden sich Gasblasen aus dem im Fluid gelösten Gas, welche sofort wieder implodieren).
Für die aufsteigenden Mediensäule ist ebenfalls bezeichnend, dass diese einerseits durch die TülleA/erjüngung im Auslass zwangsgeführt wird (insbesondere in dessen äußeren Bereich) und bis zur engsten Stelle der TülleA/erjüngung, also bis zu dem Punkt, an welchem ein Druck bzw. Überdruck herrscht, auch durch die optionale Luftansaugrohre im Bereich der Mittelachse eine Zwangsführung besteht.
Somit bildet sich in diesem Bereich ebenfalls ein rotierender Volumenstrom ohne Bildung eines Hohlwirbels, mit dem dafür typischen Geschwindigkeitsverlauf aus.
3. Verfahrensstufe
Die dritte Stufe des Verfahrens kann die Bildung eines Hohlwirbels, welcher durch eine Volumenentspannung mittels einer entsprechend gestalteten Düsenform (i.d.R. Lavaldüse) überlagert wird, aufweisen. Die Auslauftülle/Auslass selbst ist vorzugsweise in ihrem unteren Bereich so ausgebildet, dass sie zunächst eine Querschnittsverengung und bevorzugt sofort anschließend eine Querschnittserweiterung aufweist.
Das Ziel ist dabei eine vollständig gerichtete Entspannung des durchfließenden Mediums.
An derartigen Düsen (auch Laval-Düse genannt) wird zur weiteren Behandlung des Mediums ein hydrodynamisches Paradoxon genutzt.
Physikalische Einzelheiten:
Aus der Kontinuitätsgleichung für inkompressible Medien
A1 u1 = A2u2 = qu = konst. Mit u2<u1 und p1-p2 = r/2(u12-u22) folgt, dass an einer Verengung Unterdrück herrscht, also p2 < p1 !
Vorzugsweise kann eine innere Zwangsführung, welche in den verjüngenden Auslass hineinragt, optional als Luftansaugrohr verwendet werden.
Diese Ausgangsmöglichkeit ist regel- und einstellbar. Neben den Berechnungen zu einzelnen Medien haben Praxisversuche gezeigt, dass eine optimale Ansaugung, d.h. ein optimaler Unterdrück bei einem Reaktionskörpersinnendruck ab 3 bar und der Nutzung von Umgebungsluft als Ansaugmedium vorliegt.
Der hohe notwendige Vordruck ergibt sich aus den Reibungs- und Energieverlusten im Reaktionskörper bis zur Luftansaugdüse. Liegt keine Luftansaugung von außen vor, so „gast“ das System, bedingt durch den Unterdrück, von Fluid gebundene oder gelöste Gase aus. Zudem wird bei H2O in diesem Bereich der Dampfdiffusionsdruck erreicht.
Ursache für diese „Säulen“- oder Wirbelbildung kann die mittlere Zwangsfüh- rung/Führungsachse sein. Dadurch kann sich an dieser Stelle der Gesamtanlage ein Hohlwirbel und bei Bedarf eine Überlagerung des Hohlwirbels durch eine innere, nichtrotierende Säule aus dem Unterdruckbereich der Lavaldüse (Ansaugung von anderen Medien) bilden.
Kennzeichnend für diesen Hohlwirbel ist der Umstand, dass sich dieser nicht auf Basis des barometrischen Luftdrucks bildet, sondern sich in diesem Fall aus dem hohen Druck und der Rotationsgeschwindigkeit aus sich gelösten Gasen oder der Dampfdiffusion ergibt.
In diesem Bereich (Auslass, Auslaufrohr) können folgende Verfahrensreaktionen stattfinden:
Weiterer Eintrag kinetischer Energie und weitere Neuordnung der Moleküle des Fluids sowie durch ff. Abbau der Rotation eine „Beruhigung“ des Mediums und Stabilisierung der Gitterstruktur
Das Verfahren besteht vorzugsweise aus mindestens einem der drei einzelnen Verfahrensstufen, welche ineinandergreifen können und sich bedingenden können.
Zunächst wird eine Rotation ohne Hohlwirbel in einem zwangsgeführten Volumenkörper erzeugt. Dabei wird eine hohe Zentrifugalkraft, wachsende Rotationsgeschwindigkeit und hohe Schubspannungen erzeugt, welche die Gitterstruktur des Fluids ändern. (1 . Verfahrensstufe)
Im unteren Umlenkpunkt kann der rotierende Volumenstrom „in sich gestülpt“ werden, d.h. unter Beibehaltung der absoluten Drehrichtung wird eine Richtungsänderung translatorisch durchgeführt. Dabei entstehen extreme Scher- und Reibungskräf- te sowie Druckverhältnisse, die Kavitation bewirken und mitgeführte Fremdstoffe zerkleinern können. Der Volumenstrom unterliegt in seiner Rotation durch Düsenverjüngung (Eingang Lavaldüse; Verjüngung des Auslasses/ Auslaufrohrs) einer weiteren Beschleunigung, ohne dass ein Hohlwirbel entsteht. (2. Verfahrensstufe)
Am engsten Punkt der Verjüngung/Lavaldüse endet die Zwangsführung durch das Luftansaugrohr/durch die weitere innere Zwangsführung. Ab diesem Bereich überlagert sich die Entstehung eines Hohlwirbels mit Wirbelkern (Erreichen des Dampfdiffusionspunktes - Ausgasung bzw. Dampfbildung) mit dem Unterdrück der Lavaldüse (Zerstäuber oder Wasserstrahldüsenprinzip). Der hohe Energieeintrag, bedingt durch den Hohlwirbel in diesem Bereich, verstärkt die Neuordnung des Molekülverbundes und die Änderung der Viskosität oder Oberflächenspannung. (3. Verfahrensstufe)
Durch wahlweises Öffnen des Ansaugrohres kann zusätzlich ein Oxidativ (meist Sauerstoff aus der Luft) angesaugt werden, was für die erfindungsgemäße Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Wassers jedoch nicht wesentlich ist. Durch die Dampfdiffusion entstehen geringfügig OH — Radikale, welche oxidativ wirksam werden. Zusätzliche Oxidationsmittel erhöhen den Oxidationseffekt sehr stark.
Um Änderungen in der Wasserstruktur zu erreichen, ist grundsätzlich Energie notwendig.
Dabei ist es vom Grundsatz her unerheblich, welche Energie genutzt wird - kinetische (z.B. Druck) oder dynamische Energie (z.B. Geschwindigkeit).
Für die Effizienz der Strukturänderung ist dies wiederum durchaus erheblich. So kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die dynamische Energie, sprich Bewegungsenergie, wesentlich besser ein Energieübertrag und eine Energieverwertung im Wasser stattfinden. Verfahrensaspekte und deren Wirkungen: Das Ausführen mindestens einer dieser Schritte 1-6 führt zur gewünschten Wirkung (erhöhte Viskosität, geringere Oberflächenspannung, Veränderung des PH-Werts, ... )
1) Beschleunigte Rotation im Behälter a) Rotationsbeschleunigung durch Verjüngung des äußeren Behälters von oben nach unten und Zuführung des Fluids an einem äußeren oberen Punkt - Erzielung hoher Zentrifugalkräfte und Scherwirkung zwischen den Fluidschichten des Wirbels b) Umdrehungszahlen Eingangs von vorzugsweise 10 p. see bis zur engsten Stelle vorzugsweise >120 p. see. (optimal ab 180/sec)
2) In Verbindung mit beschleunigter Rotation - Scherkräfte c) durch die geometrische Form und die Fluidführung bedingt bestehen zwischen den „Wasserschichten“ Geschwindigkeitsdifferenzen; diese führen zu interner Reibung und Kraftgradienten, die die innere Struktur belasten, bis zur kurzzeitigen Trennung
3) Geschwindigkeitsdifferenz im Wirbel - Innengeschwindigkeit bis Unendlich - außen gegen Null d) im Wirbel (Draufsicht) bestehen ebensolche Krafteinträge, die die Wasserstruktur beeinflussen - die geschieht bis zur Überschreitung des Dampfdruckes (Erzeugung Hohlwirbel)
4) Druckerhöhung in Verbindung mit translatorischer (gerader) Bewegung und Überlagerung mit Rotation - Venturi-Effekt e) Venturi-Effekt - Die Venturigleichung besteht aus zwei Komponenten: dem statischen Teil und dem dynamischen Teil (r/2 * c2) - der geodätische Anteil wird wegen geringem Einfluss an dieser Stelle nicht beachtet
Figure imgf000017_0001
Beide Kräfte (Bewegung und Druckerhöhung) haben Einfluss auf die Wasserstruktur. Im engsten Teil ist der dynamische (Bewegung)- Anteil am höchsten, der statische geht gegen Null
5) Entspannung nach Düse/Verjüngung - Druck (hier statische Druckerhöhung) f) Im Diffusor, das heißt im Entspannungsteil der Düse geht der dynamische Anteil zurück und der statische Anteil wieder hoch. Da dies sehr schnell passiert, ist ein hoher spezifischer Krafteintrag auf die Molekülstruktur des Fluids vorhanden. Praktisch wird das Wasser aus dem statischen Unterdruckzustand schockartig wieder in den Druckbereich geführt. Hier wirkt ein hoher Druckimpuls.
6) Rotationsumkehr im unteren Punkt des Reaktors - hohe Scherkräfte g) Es erklärt sich von selbst, dass zwei mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander laufende und sich berührende Volumenströme eine hohe Reibung aufweisen. Bei Feststoffen (Metall) führt dies zur Schmelze - Bei Fluiden zur Temp. -Erhöhung und der kurzzeitigen Zerstörung der inneren Bindungen zwischen den Molekülen. Die schockartigen Druckunterscheide führen zur Kavitation.
Folgende Parameter sind nach einer Ausführungsform bevorzugt:
Rotationsgeschwindigkeit: 120-180/sec - Winkelgeschwindigkeit w (oder mehr)
Unterdrück in Düse: -0,5 bis -0,7 bar relativ / 0,5 bis 0,3 bar absolut
(oder mehr)
Translatorische Geschw. Im Wirbel 500, vorzugsweise 600 bis 900 km/h (oder mehr) Zentrifugalkraft
Figure imgf000018_0001
Verhältnis zu Erdanziehung: 9,81 m/s2 = 1 Erde
1 Erde / Hl-System = 1 : 7 bis 1 :10 (oder mehr)
Herleitung ergibt sich aus obiger Gleichung für F und g=F/m
Im Ergebnis ändert sich die Wasserstruktur wie folgt:
Oberflächenspannung: Senkung (in Abhängigkeit von Begleitstoffen wie
Kalk etc.) von 72 mN/m auf min. 48 mN/m
Viskosität bei 20°C von 1 mPa *sec auf min 0,75 mPa * see pH-Wert von ca. 7,2 auf 7,4 bis 7,6
Die Rotationsgeschwindigkeit von min 120/sec und/oder die Translationsgeschwindigkeit von min 500 km/h im Wirbel führt zu einer mechanischen Vorbehandlung des Fluids, wobei die dabei auf das Fluid einwirkenden Kräfte den Energiebedarf der Elektrolyse nachhaltig verringert.
Nach der Erfindung wird aufgrund der mechanischen Behandlung des Fluids für die anschließende Elektrolyse weniger Energie benötigt als für dasselbe Fluid ohne mechanische Behandlung. Dieser Effekt wird vorliegend als energiereduzierte Elektrolyse, oder energiereduzierten Erzeugung von Wasserstoff aus Fluiden bezeichnet.
Bereits eine einzelne Führung/Durchleitung von Fluid durch den Reaktor in hier beschriebener Weise kann die (energetische) Effizienz der Elektrolyseverdoppeln. Bereits die Rotationsenergie beziehungsweise Rotationsgeschwindigkeit, vorzugsweise von mindestens 150 bis 200 Rotationen pro Sekunde mit den dabei auftretenden Scherkräften und zusätzlich bei einer Einleitung dieses Wirbels, der den Reaktor durchlaufen hat in eine Venturi- oder Lavaldüse, kann den intramolekularen Zusammenhalt im Wasser auseinanderreißen und dadurch die Oberflächenspan- nung/Viskosität über einen längeren Zeitraum von Minuten, Stunden, Tagen oder sogar Monaten (je nach Lagerung) stören/verringern. Durch mehrmalige Wiederholung dieses Prozesses kann die Oberflächenspannung um bis zu ca. 45 % bei 4 bis 5 Wiederholungen herabgesetzt werden. Bereits eine einzelne Behandlung führt zu einer Verdopplung der Effizienz bei der anschließenden Elektrolyse von Wasser. Insgesamt kann die Oberflächenspannung so auf bis zu 43 mN/m reduziert werden.
Es ist insbesondere festzustellen, dass basierend auf eigenen und unabhängigen Laborergebnissen eine Behandlung des Fluids zumindest mit der nach der Erfindung beschriebenen ausreichend schnellen Rotation in einem dafür vorgesehen, sich nach unten hin verjüngenden Reaktor, eine Veränderung der Oberflächenspannung und/oder Viskosität zu Gunsten eines geringeren Energieverbrauchs während einer anschließenden Elektrolyse, verglichen mit dem selben Fluid ohne die erfindungsgemäße mechanische Behandlung, erfolgt. Zur Verstärkung des Effekts kann eine Umlenkung des Fluids mit Einleitung in eine Venturi- oder Lavaldüse in einem unteren Bereich/ Abschnitt des Reaktors, bevorzug im Solebreich des Reaktors erfolgen.
Die Elektrolyse kann demnach mit reduziertem Energieverbrauch gegenüber demselben unbehandelten Fluid erfolgen.
Elektrostatische Wechselwirkungen, bzw. auf elektrostatischen Wechselwirkungen basierende Eigenschaften nach der Erfindung können insbesondere die Oberflächenspannung und die Viskosität von Fluiden sein.
Prüfbedingungen von Laborversuchen zum erfindungsgemäßen Verfahren: Es wurden in einem Tensiometer K10 der Fa. Krüss, Hamburg, Messvorrichtung: Pt- Ir-Ring 10 Einzelmessungen vorgenommen.
Es wurde eine Versuchsreihe mit Münchner Leitungswasser durchgeführt und die aus der Behandlung resultierende Oberflächenspannung des Wassers mit unbehandeltem Wasser gegenübergestellt. Die Ergebnisse sind als Oberflächenspannung in mN/m als Mittelwert aus den 10 Einzelmessungen angegeben (Fig. 6).
Die Prüfergebnisse zeigen eine nachhaltig anhaltende Verringerung der Oberflächenspannung über die Behandlung des Fluids hinaus.
Das Fluid wurde dafür in einem achsensymmetrischen, sich nach unten hin verjüngendem Reaktor, mit einem Einlass für das Fluid in einem oberen Abschnitt und einem Auslass für das Fluid in einem unteren Abschnitt des Reaktors, zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen, mechanisch vorbehandelt, indem das Fluid in eine sich von dem oberen Abschnitt zu dem unteren Abschnitt des Reaktors hin beschleunigende Rotation von mindestens 120 Rotationen pro Sekunde und/oder mindestens 500 km/h Translationsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt versetzt wurde.
Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde unbehandeltes Leitungswasser mit einer Anfangsoberflächenspannung von 70,5mN/m verwendet, die Messgeräte waren dieselben wie bei der vorherigen Versuchsreihe.
Die Proben wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt, wobei das Wasser wieder Scherkräften durch die Rotation bei hohen Geschwindigkeiten ausgesetzt wurde. Dabei wurde zu Vergleich sowohl ohne (1.) als auch mit (2.) Zugabe von Luft mechanisch behandelt. Die Ergebnisse sind wiederum als Mittelwert von 10 Versuchen dargestellt.
Selbst nach einer Lagerzeit von 3 Stunden bzw. 4 Tagen waren noch immer deutlich niedrigere Oberflächenspannungen messbar als bei dem unbehandelten Wasser. (Fig. 9) Das Fluid wurde dafür in einem achsensymmetrischen, sich nach unten hin verjüngendem Reaktor, mit einem Einlass für das Fluid in einem oberen Abschnitt und einem Auslass für das Fluid in einem unteren Abschnitt des Reaktors, zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen, mechanisch vorbehandelt, indem das Fluid in eine sich von dem oberen Abschnitt zu dem unteren Abschnitt des Reaktors hin beschleunigende Rotation von mindestens 120 Rotationen pro Sekunde und/oder mindestens 500 km/h Translationsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt versetzt wurde.
Weiterhin wurden Viskositätsbestimmungen bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen, welche mit jeweils unbehandeltem Wasser sowie mit Wasser das entweder 5 oder 30 Minuten lang den Reaktor durchlief, vorgenommen wurde. Die Viskosität wurde mit einem Vibration-Viskosität SV-10 (mal werden Instruments GmbH) durchgeführt. Das SV-10 besteht aus 2 mit goldbeschichteten paddelähnlichen Sensoren, die mit einer Frequenz von 30 Hz in der zu untersuchenden Flüssigkeit schwingen. Die Viskosität der Probe führt zu einer Dämpfung der Schwingung, wodurch die Amplitude reduziert wird. Die Kraft die benötigt wird, um die Sensoren mit der ursprünglichen Amplitude schwingen zu lassen, wird gemessen und in die Viskosität der Probe umgerechnet.
Das Ergebnis der Untersuchung ist Figur 10 zu entnehmen, wobei Proben 0 das unbehandelte Wasser ist, Probe 1 das Wasser mit 5-minütiger Behandlungszeit und Probe 2 mit 30-minütiger Behandlungszeit ist (Figur 10).
Aus dem abgebildeten Grafen in Fig. 10 wird klar ersichtlich, dass die Behandlung des Wassers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Reduzierung der Viskosität gegenüber dem unbehandelten Wasser führt.
Die Änderung des pH-Wertes ergibt sich aus einer erhöhten Erzeugung von Hydro- xid-lonen durch die mechanische Behandlung des Wassers, d.h. das Wasser wird leicht basisch. Dies ist eine Erklärung für die besondere Leitfähigkeit (Vorhandensein von zusätzlichen Ionen = Ladungsträgern) bei einer möglichen nachgeschalteten Elektrolyse.
Dies kann einer Korrosion der Elektroden, wie sie bei einer üblichen Wasserelektrolyse regelmäßig auftritt vorbeugen. Zusätzlich hinzugefügte Elektrolyten, wie z.B. Salze, können zwar verwendet werden, um die Effizienz der Elektrolyse zu steigern, werden aber für die Durchführbarkeit des Verfahrens bei Verwendung eines wie voranstehend beschrieben behandelten Wassers grundsätzlich nicht benötigt. Dadurch kann die Gesamtzugabe von Elektrolyten für eine Elektrolyse mit gewünschten Parametern grundsätzlich verringert oder sogar darauf verzichtet werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das mechanisch vorbehandelte Fluid zerstäubungsfrei der Elektrolysekammer/dem elektrolyseschritt zugeführt wird.
Die elektrische Leitfähigkeit (Siemens pro Meter [S/m]) des Wassers (ps/cm / Mikrosiemens pro Zentimeter) wird durch ionisch gelöste Stoffe (Ionen) beeinflusst. Salze, Säuren und Laugen zerfallen in positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen. So zerfällt z. B. Kochsalz (NaCI) im Wasser zu Natrium-Ionen (Na+) und Chlorid-Ionen (CI-) und VE-Wasser (voll entsalzt) besitzt eine sehr geringe Leitfähigkeit, da etwa jedes milliardste Wassermolekül (H2O) in die Ionen H+ und OH- zerfällt.
Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit erfolgt über eine Widerstandsmessung. Im einfachsten Fall besteht die Messzelle aus zwei metallischen Elektroden, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird. Je mehr Ionen die Messlösung enthält, desto grösser ist der zwischen den Elektroden fließende Strom. Mit dem Ohm’schen Gesetz wird daraus die Leitfähigkeit berechnet. Die Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist S/cm 1 S/cm = 1000 mS/cm + 1 mS/cm = 1000 pS/cm.
Da es unzählige Typen von Leitfähigkeitssensoren gibt, können die Messbereiche stark variieren. Für die Kompensation der Geometrie der Leitfähigkeitszelle auf den Messwert dient die sogenannte Zellenkonstante: Leitfähigkeit [S/cm] = Messwert [S] x Zellenkonstante [1/cm], Die Zellenkonstante ist entweder bekannt oder wird mit Leitfähigkeitsstandards ermittelt. Vor der Messung muss die Zellenkonstante im Messgerät eingegeben werden.
Reines Wasser (VE-Wasser - destilliert oder demineralisiert - Leitfähigkeit <10 pS/cm) hat eine äußerst geringe Leitfähigkeit. So hat es nur ca. ein Milliardstel im Vergleich zu Metallen, ist aber ca. 1000-mal leitfähiger als ein Isolierstoff. Wenn dem Wasser Salze, Säuren oder Basen hinzugefügt werden, die in wässriger Lösung freibewegliche Ionen freisetzen, so steigt die Leitfähigkeit an (z. B. setzen 4 % Salz in destilliertem Wasser die Leitfähigkeit auf das 1000-Fache hoch).

Claims

Ansprüche
1. Hydrodynamisches Elektrolyseverfahren zur energiereduzierten Erzeugung von Wasserstoff aus flüssigem Wasser oder wässrigen Elektrolytlösungen, nachfolgend summarisch als Fluid bezeichnet dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in einem achsensymmetrischen, sich nach unten hin verjüngendem Reaktor, mit einem Einlass für das Fluid in einem oberen Abschnitt und einem Auslass für das Fluid in einem unteren Abschnitt des Reaktors, zur Herabsetzung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen, mechanisch vorbehandelt wird, indem das Fluid in eine sich von dem oberen Abschnitt zu dem unteren Abschnitt des Reaktors hin beschleunigende Rotation von mindestens 120 Rotationen pro Sekunde und/oder mindestens 500 km/h Translationsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt versetzt wird, dass das mechanisch vorbehandelte Fluid anschließend an die abgeschlossen Vorbehandlung mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
2. Elektrolyse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofferzeugung aus dem mechanisch vorbehandelten Fluid in einer oder mehreren von der mechanischen Behandlung separaten Elektroly- sekammer(n)/separaten Elektrolyseschritt(en) durchgeführt wird.
3. Hydrodynamisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorbehandlung des Fluids, vollzogen/bewirkt ist, bevor das Fluid der separaten Elektrolysekammer/dem separaten Elektrolyseschritt zugeführt wird und/oder oder aus dem Reaktor austritt. Hydrodynamisches Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das mechanisch behandelte Fluid zwischengelagert wird, bevor es der separaten Elektrolysekammer/dem separaten Elektrolyseschritt zugeführt wird. Hydrodynamisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die die Elektrolyse in einem Tauchbad durchgeführt wird, in welchem Elektrolyseelektroden in das behandelte Fluid eintauchen. Hydrodynamisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in die Elektrolysekammer laminar strömend eingeleitet wird. Hydrodynamisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in dem Reaktor zwangsgeführt wird, indem das Fluid in eine bestimmte Richtung geführt wird (hier Rotation) und eine Begrenzung des rotierenden Volumenstroms bevorzugt innen und/oder außen erfolgt.
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