DE2241847B2 - Verfahren zur Steigerung der Ausbeute von elektrischem Strom durch Wärmezufuhr - Google Patents

Description

Aus der DE-OS 20 48 534 ist ein Verfahren zur Direktumwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bekannt, und zwar unter Verwendung von zwei in einem geschlossenen Gefäß angeordneten, von mindestens angenähert elektrolytfreiem Wasser umgebenen Elektroden, indem das Wasser erwärmt und an den aus dem Gefäß herausgeführten Elektroden eine elektrische Spannung abgenommen wird.

Die an den Elektroden abgenommene Spannung ist gering. Bei 100⁰C beträgt sie ca. 1,5 Volt. Die nach dem Verfahren erzielbare elektrische Leistung ist zu gering, um eine wirtschaftliche Nutzanwendung zu gestatten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Ausbeute von elektrischem Strom durch Wärmezufuhr.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem bekannten Verfahren ein neues Verfahren zu schaffen, mit dem eine maßgebliche Leistungssteigerung erzielt wird, um Wärmeenergie in elektrische Energie umzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem Paar in geringem Abstand voneinander, in einem geschlossenen Gefäß angeordneter, von elektrolytfreiem Wasser umgebener, zur Wassersynthese katalytisch wirkender Elektroden Wechselstrom zugeführt, das geschlossene Gefäß mittels einer Wärmequel-Ie beheizt und der gewonnene Strom der beiden druckdicht aus dem Gefäß herausgeführten und an einen Stromkreis angeschlossenen Elektroden entnommen und dem gemeinsamen Stromkreis zugeführt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden erfindungsgemäß zwei katalytisch wirkende Elektroden verwendet, wobei insbesondere Nickelelektroden vorteilhaft sind. Der Erfindung liegt die Kombination einer Elektrolyse und einer Elektrokatalyse thermisch dissoziierter Wärmemoleküle zugrunde. Zieht man um eine Apparatur, die gemäß der Erfindung arbeitet, einen Bilanzkreis, so wird diesem Bilanzkreis eine elektrische Erregerenergie und Wärmeenergie zugeführt. Aufgrund der Wassersynthese mit dem Ergebnis der Nutzstromerzeugung erfolgt eine Abkühlung des Wassers, w) Zur Aufrechterhaltung eines stabilen Verfahrenszustandes muß daher Wärme zugeführt werden, um die Wassertemperatur auf dem ursprünglichen Niveau zu halten. Dem Bilanzkreis wird dann elektrische Nutzenergie entnommen, wobei wesentlich ist, daß der e^r> Nutzstrom größer als der Erregerstrom ist.

An der einen Elektrode des geschlossenen Gefäßes, dem positiven Pol, wird durch diesen Zersetzungsstrom aus einem Wassermolekül Sauerstoff und an der anderen Elektrode, dem negativen Pol, Wasserstoff abgeschieden. Eine chemische Reaktion mit den Elektroden findet nicht statt. Die Zersetzungsprodukte Sauerstoff und Wasserstoff haften, elektrostatisch gebunden, an der Oberfläche der Elektroden. Sie befinden sich im Ionenzustand, d. h., sie sind energiegeladen und stark reaktionsfähig. Neben dieser Zersetzung aufgrund des Erregerstromes findet die Dissoziation weiterer Wassermoleküle durch Wärmezufuhr statt Diese dissoziierten Wassermoleküle sind wegen der erweiterten Dipoleigenschaft ebenfalls reaktionsfähig.

Die an den Elektroden haftenden elektrolytischen Zersetzungsprodukte sind infolge ihrer Aktionsfähigkeit selbst wieder die Ursache einer neuen, sekundären Spaltung thermisch diszoziierter Wassermoleküle in entgegengesetztem Sinne zur Spaltung durch den Zersetzungsstrom, wodurch Sauerstoff und Wasserstoff an der einen Elektrode unc Wasserstoff mit Sauerstoff an der anderen Elektrode unter katalytischer Förderung der Elektroden je eine Wassersynthese hervorrufen.

Die Folge ist je eine Wassersynthese an jeder Elektrode, nämlich die chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser unter Entbindung hoher Bildungsenergie. Diese Bildungsenergie tritt normalerweise in Form von Wärme auf, wird jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der Tatsache da3 sich die Reaktion direkt an der Elektrode abwickelt, als elektrische Energie gewonnen, die an den aus dem Gefäß herausgeführten Elektroden abgenommen werden kann.

Durch die Kombination von Elektrolyse thermisch aufgespaltener Wassermoleküle und Katalyse vollzieht sich ein ständiger, rasch ablaufender Wechsel von Wasserspaltung und Wassersynthese.

Zersetzungsstrom, der auch als Erregerstrom bezeichnet werden kann und der durch Wassersynthese neu produzierte Strom fließen zwangsmäßig in einem gemeinsamen Stromkreis, aus dem jedoch Nutzstrom als Energiegewinn aus der Wassersynthese entnommen werden kann. Der Anteil des Zersetzungsstromes kann in ähnlicher Weise wie der Magneterregerstrom bei modernen Dynamogeneratoren durch Rückleitung im ununterbrochenen Kreislauf voll wieder eingesetzt werden, so daß praktisch nur der Wärmeanteil als Energieeinsatz in Betracht kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher eine hochteistungsfähige Direktumwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie dar. Entsprechend der entnommenen Nutzstrommenge, vorausgesetzt eine gute Wärmeisolierung, muß lediglich der durch Wassersynthese neu gebildete Wasseranteil erneut durch entsprechende Wärmezufuhr dissoziiert werden.

Als vorteilhaft hat sich Wechselstrom erwiesen. Am Scheitel der Stromstärke und Spannung jeder Phase ist die kurzfristige Wirkung eines Wechselstromes der Dauerwirkung eines Gleichstromes gleichzusetzen. Der kurzfristige Höhepunkt der Stromintensität genügt für eine Wasserzersetzung und anschließende Wassersynthese durch Reaktion mit den thermisch dissoziierten Wassermolekülen, je eine an beiden Elektroden gleichzeitig. Beim Übergang der Phase in den Nullwert, werden die Elektroden wieder für einen kurzen Zeitintervall stromlos — es fließt in umgekehrter Richtung ein Polarisationsstrom wie bei einem geladenen Akku, jedoch ohne Zwischenreaktionen an chemisch verwandelten Elektroden, die affinitätsgebun-

den die Potentialdifferenz begrenzen —. Beim Anstieg in den Scheitelwert wird somit erneut eine Wassersynthese vorbereitet. Der Stromrichtungswechsel ist dabei problemlos. Die rhythmisch und rasch ablaufende Wiederholung der zu einer Wassersynthese führenden Funktionen ermöglicht eine hohe Stromdichte. Die Anwendung von Wechselstrom erweist sich insbesondere vorteilhaft gegenüber Gleichstrom, weil sich Wechselstrom auf einfache Weise auf jede gewünschte Spannung transformieren läßt Wie bereits angeführt, wirkt sich die Höhe der Stromspannung günstig auf die Wasserzersetzung und damit fördernd auf den Reaktionsablauf aus. Wechselstrom kann als Einphasen- oder Mehrphasenstrom benutzt werden.

In einem geschlossenen Gefäß beliebiger Form mit mindestens angenähert reinem, elektrolytfreiem Wasser befinden sich zwei inaktiv katalytisch wirksame Elektroden mit Nickel-Oberfläche. Die beiden Elektroden werden möglichst eng nebeneinander angeordnet. Es genügt eine geringe Wassermenge, welche die Elektroden gerade umgibt. Das Gefäß wird in irgendeiner Form beheizt.

Durch diese Wärmezufuhr dissoziieren die Wassermoleküle. Die Dipolarität wird mit Zunahme der Wassertemperatur ausgeprägter. Um das erfindungsgemäße Verfahren in Gang zu setzen, muß an die nach außen geführten Elektrodenkontakte ein Erregerstrom angelegt werden. Aufgrund dieses Stromes tritt eine Spaltung der Wassermoleküle an den Elektroden ein. Der innere Widerstand gegen den eingeschalteten Zersetzungsstrom verringert sich mit zunehmender Wassertemperatur, so daß sich an den Elektroden Sauerstoffionen und Wasserstoffionen gesondert abscheiden. Diese Sauerstoffionen und Wasserstoffionen haften an den Elektrodenoberflächen, ohne mit diesen selbst chemische Verbindungen einzugehen. Die von diesen Sauerstoff- bzw. Wasserstoffionen ausgehenden elektrostatischer. Kräfte wirken auf die thermisch erweiterten Dipole der sie umgebenden heißen Wassermasse. Die Folge ist eine gegenseitige Anziehung zwischen Sauerstoff an der einen Elektrode und Wasserstoff aus dem Wasserdipol einerseits und zwischen Wasserstoff an der anderen Elektrode mit Sauerstoff aus dem Wasserdipol andererseits. Der Katalysator beschleunigt die Reaktion der an seiner Wasserfläche kontaktierenden Ionen, ohne selbst dabei bleibende Veränderungen zu erfahren, jede Reaktion, die auf diese Weise zu einer Wassersynthese führt, hat eine beträchtliche Bildungsenergie zur Folge.

Die Höhe der Erregerspannung als auch die Höhe der Temperatur der Wassermasse sind für das erfindungsgemäße Verfahren Variabel, mit denen das Verfahren hinsichtlich der Höhe des Nutzstromes und des Wirkungsgrades gesteuert werden kann. Bei gleichbleibender Temperatur kann durch Veränderung der Spannung des elektrischen Zersetzungsstromes die Reaktionsgeschwindigkeit der Katalyse in weiten Grenzen reguliert werden. Je höher die Spannung des Zersetzungsstromes (Erregerstrom) ist, desto intensiver ist die elektrostatische Anziehungskraft der an den Elektroden ausgeschiedenen Wasserstoff- und Sauerstoffionen auf die thermisch dissoziierten Wassermoleküle.

Dank der Verwendung von Wechselstrom als Erregerstrom erfolgt am Scheitelpunkt der Stromintensität jeder Phase eine Wasserzersetzung mit gleichzeitig folgender Wassersynthese durch Reaktion mit den thermisch dissoziierten Wassermolekülen. Beim Nulldurchgang werden die Elektroden für einen sehr kurzen Zeitraum stromlos und daher frei für einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Polarisationsstrom unter Bildung von Wassersynthese mit Abgabe elektrischer Energie wie vergleichsweise beim Akku.

Die rhythmisch und rasch ablaufende Wiederholung der stromliefernden Reaktionen ermöglichen eine hohe Stromdichte. Erregerstrom und der aus der Wassersynthese neu gewonnene Nutzstrom fließen in einen

ίο gemeinsamen Stromkreis, aus dem die Überschußenergie als elektrischer Strom entnommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit relativ niedrigen Arbeitstemperaturen durchführbar und zeichnet sich dadurch von bisher bekannt gewordenen Vorschlägen zur Direktumwandlung von Wärme in elektrischen Strom maßgeblich aus. Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich bessere Leistungen erzielen und die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtungen sind absolut wartungsfrei, da die laufende Zersetzung von Wasser mit anschließender Neubildung im hermetisch geschlossenen Gefäß stattfindet, ohne daß sich die Wassermenge qualitativ und quantitativ ändert.

Diese Vorrichtung ist daher insbesondere für Dauerbetrieb geeignet. Besonders vorteilhaft ist auch, daß aufgrund der Temperaturwahl und der Wahl der Höhe der Erregerspannung das neue Verfahren an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden kann. Da das

jo erfindungsgemäß verwendete hermetisch geschlossene Gefäß lediglich die beiden Elektroden und gerade nur soviel elektrolytfreies Wasser enthält, als zum Bedecken der Elektroden notwendig ist. wird eine außerordentlich raumsparende Anordnung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Wärmeenergie geschaffen. Solche nach dem neuen Verfahren arbeitenden Vorrichtungen sind daher insbesondere zum elektrischen Antrieb von Fahrzeugen geeignet.

Anhand von Versuchsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild des Versuchsaufbaus,
Fig.2 eine tabellarische Zusammenstellung der Versuchsergebnisse und
Fig.3 eine graphische Darstellung der mit dem 5 Versuchsaufbau gemäß F i g. 1 erzielten Ergebnisse.

In Fig. 1 ist der Erregerstromkreis mit 10bezeichnet. Es liegt eine Primärspannung von 220 Volt Wechselstrom vor. Der Primärstromkreis 10 ist über einen Regeltrafo 12 mit dem Sekundärstromkreis 14 verbunden. Dieser weist neben den dargestellten Meßinstrumenten die beiden in einem hermetisch geschlossenen Gefäß 16 angeordneten Elektroden auf. Die Elektroden sind von Wasser umgeben. Das Gefäß wird beheizt. Die Wassertemperatur wurde jeweils gemessen und in der

■)ό Tabelle gemäß F i g. 2 und der graphischen Darstellung gemäß F i g. 3 festgehalten. Der Sekundärstromkreis 14 enthält weiterhin den Lastwiderstand 18.

Das verwendete Gefäß 16 hatte folgende Maße: 120 mm χ 70 mm χ 20 mm. Im Gefäß waren 80 cm³

W) destilliertes Wasser enthalten. Die beiden Nickelelektroden im Gefäß 16 hatten eine Fläche von 65 mm χ 100 mm, also eine gegenseitig wirksame Oberfläche von 65 cm².

In Γ i g. 3 sind zwei Kurven enthalten. Die gestrichelte

h> Kurve stellt den Erregerstrom in Abhängigkeit von der Wassertemperatur dar. Die mit ausgezogenen Linien stellt den Verlauf des Nutzstromes ebenfalls in Abhängigkeit von der Wassertemperatur dar.

Wie sich aus der graphischen Darstellung gemäß F i g. 3 ergibt, ist der Erregerstrom bei niedrigen Temperaturen, etwa bei Raumtemperatur größer als der Nutzstrom, so daß bei diesen Temperaturen ein wirtschaftlicher Betrieb nicht erzielt werden kann. Beträgt die Wassertemperatur im Gefäß 16 etwa 40⁰C₁ so sind Nutzstrom und Erregerstrom etwa gleich. Oberhalb dieser Temperatur übersteigt der Nutzstrom den Erregerstrom und, wie sich aus der graphischen Darstellung ergibt, wird der Stromgewinn um so größer, je höher die Wassertemperatur ist. Die Versuche

wurden lediglich mit einer maximalen Wassertemperi tür von 113°C gefahren. Bei dieser Temperatur betru der Erregerstrom 228,8 Watt und der Nutzstrom 252 Watt. Die Differenz stellt den Stromgewinn dar.

Dieser Versuch mit dem beschriebenen Versuchsau bau gemäß F i g. 1 wurde mehrfach hintereinandt gefahren und es ergab sich jedesmal derselbe Verlai der Leistungskurven im Primärbereich und im Sekui därbereich, abhängig von der jeweiligen Wassertempi ratur.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Steigerung der Ausbeute von elektrischem Strom durch Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß einem Paar in geringem Abstand voneinander, in einem geschlossenen Gefäß angeordneter, von elektrolytfreiem Wasser umgebener, zur Wassersynthese katalytisch wirkender Elektroden Wechselstrom zugeführt, das geschlossene Gefäß mittels einer Wärmequelle beheizt und der gewonnene Strom der beiden druckdicht aus dem Gefäß herausgeführten und an einen Stromkreis angeschlossenen Elektroden entnommen und dem gemeinsamen Stromkreis zügeführt wird.