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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mittels Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser auf eine so hohe Temperatur gebracht wird, dass ein Teil der Wasserstoffatome von den Wassermolekülen abgespalten wird, dass das Wasser bzw. der Wasserdampf in Berührung mit einer Wand aus einem Material kommt, das ausschliesslich für Wasserstoff eine gute Durchlässigkeit besitzt, dass durch diese Wand der abgespaltene Wasserstoff vom Wasser getrennt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Wassers und der in Patentanspruch 1 erwähnten Wand mittels Sonnenenergie erfolgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pa- tentanspruch 1 mit einem Druckgefäss, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser in das Druckgefäss gebracht und erhitzt wird, dass ein Teil der Wände des Druckgefässes aus einem undurchlässigen, druck- und hitzefesten Material besteht und der andere Teil der Wände aus einem Material besteht, das ausschliesslich für Wasserstoff eine gute Durchlässigkeit besitzt, dass das Druckgefäss im Bereiche der wasserstoffdurchlässigen Wände von einem vakuumdichten Gefäss umschlossen ist, derart dass der die wasserstoffdurchlässigen Wände durchdringende Wasserstoff in diesem Gefäss gesammelt wird und abgepumpt werden kann.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Druckgefäss im Brennpunkt eines Para bolspiegels befindet, der auf die Sonne ausgerichtet ist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium im Brennpunkt eines Parabolspiegels durch die Sonnenstrahlung erhitzt wird und dass die entstandene Wärme durch das Medium auf das Wasser und das Druckge- fäss übertragen wird.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme des abgeführten Wasserstoffes und die Wärme des verbrauchten abgeführten Wassers aus dem Druckgefäss in einem Wärmeaustauscher auf das Wasser übertragen wird, das dem Druckgefäss frisch zugeführt wird.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffdurchlässigen Wände des Druckgefässes auf der Seite des Wassers mit einer dünnen Oberflächenschicht aus einem Material versehen sind, das eine Korrosion der wasserstoffdurchlässigen Wände vermindert.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffdurchlässigen Wände aus einem porösen, gasdurchlässigen, druck- und hitzefestem Material bestehen, auf das das wasserstoffdurchlässige Material als dünne Folie auf der Seite des Wassers aufgetragen ist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffdurchlässigen Wände eine Röhre im Innern des Druckgefässes bilden.
Wasserstoff wird allgemein als ein wesentlicher Energieträger der Zukunft angesehen. Die entscheidenden Vorteile des Wasserstoffs bestehen darin, dass er unbeschränkt aus Wasser hergestellt werden kann und dass bei der Verbrennung im wesentlichen nur wieder Wasser entsteht. Zudem besitzt Wasserstoff eine grosse Verbrennungswärme. Es werden zur Zeit grosse Anstrengungen unternommen, neue Verfahren zur kostengünstigen Lagerung von Wasserstoff zu finden.
Die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser erfolgt mit einem gutem Wirkungsgrad durch Wasserelektrolyse. Dazu wird elektrische Energie benötigt. Stehen jedoch andere Energieformen wie z.B. Wärme oder Sonnenenergie zur Verfügung, so müssen diese Energien für die Wasserelektrolyse zuerst in elektrische Energie umgewandelt werden, was sowohl einen beträchtlichen Mehraufwand wie auch eine wesentliche Re duktion im Gesamtwirkungsgrad verursacht. Als Folge davon ist die Rentabilität der Wasserstoffherstellung mit Sonnenenergie unter Verwendung der Wasserelektrolyse entsprechend klein.
Die Erfindung bezweckt diesen Nachteil zu überwinden.
Hierzu wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung erfindungsgemäss derart entwickelt, dass Wasserstoff aus Wasser direkt durch Wärme oder Sonnenenergie hergestellt werden kann. Dazu wird Wasser in einem Druckgefäss mittels Sonnenenergie oder einer anderen Wärmequelle auf eine hohe Temperatur gebracht. Dieses Druckgefäss besitzt erfindungsgemäss Wände, die teilweise aus einem Material bestehen, das ausschliesslich für Wasserstoff eine gute Durchlässigkeit besitzt. Bekannt ist diese Eigenschaft z.B. beim Metall Palladium, das bei hohen Temperaturen eine grosse selektive Durchlässigkeit für Wasserstoff zeigt und daher zur Reinigung von Wasserstoff verwendet wird. Der Anteil von freien Wasserstoffatomen oder Wasserstoffmolekülen in Wasser ist bei Zimmertemperatur verschwindend klein, nimmt aber bei höheren Temperaturen stark zu.
Erreicht die mittlere thermische Energie der Wassermoleküle den Betrag der Dissoziationsenergie des Wasserstoffatoms vom Wassermolekül, so trennt sich nach den Gesetzen der statistischen Mechanik ein grosser Teil der Wasserstoffatome von den Wassermolekülen. Bei genügend hohen Temperaturen wird sich daher ein Teil der Wasserstoffatome vom Wasser abspalten und in das wasserstoffdurchlässige Material eindringen. Das Druckgefäss befindet sich erfindungsgemäss dergestalt im Innern eines vakuumdichten Gefässes, dass der Wasserstoff, der die wasserstoffdurchlässigen Wände des Druckgefässes durchdringt, gesammelt und abgepumpt werden kann. Andere Stoffe, insbesondere Wasserdampf können die betreffenden Wände nicht durchdringen.
Die Produktionsrate von Wasserstoff steigt mit höherer Temperatur, mit höherem Wasserdruck bzw. Wasserdampfdruck und mit dünnerer Wandstärke des wasserstoffdurchlässigen Materials. Damit die wasserstoffdurchlässigen Wände einem möglichst hohen Druck widerstehen, sind sie nach einer besonderen Ausführungsart als Röhre im Innern des Druckgefässes angeordnet, wobei die Innenseite der Röhre vakuumdicht vom Wasser getrennt ist und eine Öffnung nach aussen besitzt, damit der die Wände der Röhre durchdringende Wasserstoff gesammelt und abgepumpt werden kann. Nach einer besonden Ausführungsart ist das wasserstoffdurchlässige Material als dünne Schicht auf ein poröses, gasdurchlässiges Trägermaterial aufgetragen, das bei den benötigten Temperaturen die erforderliche Festigkeit besitzt.
Mit dieser Anordnung kann auch bei hohem Wasserdruck die Wanddicke des wasserstoffdurchlässigen Materiales sehr dünn gehalten werden.
Nach einer besonderen Ausführungsart ist das wasserstoffdurchlässige Material auf der Seite des Wassers mit einer dünnen Oberflächenschicht aus einem Material versehen, das eine Korrosion der wasserstoffdurchlässigen Wände durch das Wasser vermindert oder ganz verhindert.
Wird das Wasser und das Druckgefäss durch Sonnenenergie erwärmt, so kann das Druckgefäss direkt in den Brennpunkt eines zylindnschen oder sphärischen Parabolspiegels gebracht werden. Es kann aber auch ein Zwischenmedium im Brennpunkt erwärmt werden, mit dem die Wärme auf das Wasser und das Druckgefäss übertragen wird. In diesem Falle kann sich das Druckgefäss ausserhalb des Parabolspiegels befinden.
Nach einer besonderen Ausführungsart wird die Wärme des abgepumpten Wasserstoffs und die Wärme des verbrauchten Wassers aus dem Druckgefäss in einem Wärmeaustauscher auf das Wasser übertragen, das dem Druckgefäss frisch zugeführt wird.
Es ist für die Erfindung nicht von Bedeutung, ob das Wasser als Flüssigkeit oder als Wasserdampf mit den wasserstoff
durchlässigen Wänden in Berührung kommt. Ebenfalls nicht von Bedeutung für die Erfindung ist die Anordnung der notwendigen Pumpen sowie die Anordnung der Wärmeisolationen, da dies dem Fachmann vertraut ist.
In der Zeichnung Fig. list ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in vereinfachter Form dargestellt. Die dem Fachmann geläufigen Details wie Wärmeisolationen, Pumpen, lichtabsorbierende Schichten, usw. wurden dabei weggelassen.
Anhand der Beschreibung und den schematisch gehaltenen Figuren wird das Verfahren, sowie ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 die erfindungsgemässe Vorrichtung,
Fig. 2 die Wärmeübertragung mittels eines Mediums,
Fig. 3 den Aufbau der wasserstoffdurchlässigen Wände.
Im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wird Wasser über eine Leitung 5 in ein Gefäss 13 gebracht. Zur besseren Anschaulichkeit wurde dabei in der Zeichnung ein Teil der Wände weggelassen.
Im Innern dieses Gefässes 3 befindet sich ein weiteres Gefäss 4, dessen Wände z.B. aus Palladium gefertigt sind. Das Wasser in Gefäss 3 wird vorzugsweise durch Sonnenlicht 1 erwärmt, das durch den Parabolspiegel 2 auf das Gefäss 3 fokussiert ist. Wird das Wasser genügend erhitzt, so spalten sich bei der Berührung von Wassermolekülen mit der Palladium-Wand des Gefässes 4 Wasserstoffatome vom Wasser ab und dringen in das Palladium ein. Da Palladium bei höheren Temperaturen ausschliesslich für Wasserstoff eine gute Durchlässigkeit besitzt, durchdringt ein Teil der Wasserstoffatome die Palladium-Wand und es sammelt sich Wasserstoff im Innern des Gefässes 4 an. Dadurch wird Wasserstoff vom Wasser getrennt und der in Gefäss 4 angesammelte Wasserstoff kann über Leitung 7 abgepumpt werden.
Das nun mit Sauerstoff angereicherte Wasser in Gefäss 3 kann über Leitung 6 wieder abgeführt werden. Ein Wärmeaustauscher 8 sorgt für eine optimale Ausnützung der Wärmeenergie.
Die dem Fachmann geläufigen Details wie Wärmeisolation, Pumpen, lichtabsorbierende Schichten, usw. wurden weggelassen. Im weiteren ist es auch möglich, dass anstelle von Wasser eine andere Substanz verwendet wird, die Wasserstoff enthält oder dass der Wasserstoff in Gefäss 4 nicht abgepumpt, sondern durch eine weitere Flüssigkeit ausgespült wird oder als Hydrid gespeichert wird.
Nach einer anderen Ausführungsart in Fig. 2 wird im Brennpunkt des Parabolspiegels 2 eine Leitung 9 mit einem Medium wie z.B. Silikonöl erhitzt. Das erhitzte Silikonöl überträgt dann die Wärmeenergie auf. das Gefäss 3, das identisch ist mit dem Gefäss 3 von Fig. 1.
Nach einer weiteren Ausführungsart in Fig. 3 bestehen die Wände des Gefässes 4 aus mehreren Schichten, wobei wieder das Gefäss dem Gefäss 4 in Fig. 1 entspricht. Im wesentlichen besteht das Gefäss 4 aus einer mechanisch widerstandsfähigen Wand z.B. aus einem porösen Keramikmaterial 10, das einem hohen Druck widerstehen kann. Auf dieses Keramikmaterial 10 ist auf der Seite des Wassers eine dünne Palladiumfolie aufgebracht, die die gewünschte selektive Durchlässigkeit für Wasserstoff besitzt. Diese Palladiumfolie 11 wird wiederum durch eine sehr dünne Oberflächenschicht 12 z.B. aus Nickel vor Korrosion durch das Wasser geschützt.
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PATENT CLAIMS
1. A process for the production of hydrogen from water by means of heat, characterized in that water is brought to such a high temperature that part of the hydrogen atoms is split off from the water molecules in such a way that the water or the water vapor comes into contact with a wall from a Material comes that has a good permeability exclusively for hydrogen, so that the separated hydrogen is separated from the water through this wall.
2. The method according to claim 1, characterized in that the heating of the water and the wall mentioned in claim 1 takes place by means of solar energy.
3. Device for performing the method according to claim 1 with a pressure vessel, characterized in that water is brought into the pressure vessel and heated, that part of the walls of the pressure vessel consists of an impermeable, pressure and heat-resistant material and the other part the walls are made of a material that is only permeable to hydrogen, that the pressure vessel in the area of the hydrogen-permeable walls is enclosed by a vacuum-tight vessel, so that the hydrogen penetrating the hydrogen-permeable walls is collected in this vessel and can be pumped out.
4. Device according to claim 3, characterized in that the pressure vessel is in the focal point of a Para bolspiegeles, which is aligned with the sun.
5. Device according to claim 3, characterized in that a medium is heated at the focal point of a parabolic mirror by the solar radiation and that the heat generated is transmitted through the medium to the water and the pressure vessel.
6. The device according to claim 3, characterized in that the heat of the removed hydrogen and the heat of the used removed water is transferred from the pressure vessel in a heat exchanger to the water which is freshly supplied to the pressure vessel.
7. The device according to claim 3, characterized in that the hydrogen-permeable walls of the pressure vessel on the water side are provided with a thin surface layer made of a material which reduces corrosion of the hydrogen-permeable walls.
8. The device according to claim 3, characterized in that the hydrogen-permeable walls consist of a porous, gas-permeable, pressure and heat-resistant material, on which the hydrogen-permeable material is applied as a thin film on the side of the water.
9. The device according to claim 3, characterized in that the hydrogen-permeable walls form a tube in the interior of the pressure vessel.
Hydrogen is generally seen as an essential energy source of the future. The decisive advantages of hydrogen are that it can be produced from water without restriction and that essentially only water is produced when it is burned. In addition, hydrogen has a high heat of combustion. Great efforts are currently being made to find new processes for the inexpensive storage of hydrogen.
Hydrogen is produced from water with good efficiency by water electrolysis. This requires electrical energy. However, are there other forms of energy such as Heat or solar energy available, these energies for water electrolysis must first be converted into electrical energy, which causes both a considerable additional effort and a substantial reduction in overall efficiency. As a result, the profitability of producing hydrogen with solar energy using water electrolysis is correspondingly small.
The invention aims to overcome this disadvantage.
For this purpose, a method and a device according to the invention were developed in such a way that hydrogen can be produced from water directly by heat or solar energy. To do this, water is brought to a high temperature in a pressure vessel using solar energy or another heat source. According to the invention, this pressure vessel has walls which are partially made of a material which is only permeable to hydrogen. This property is known e.g. for the metal palladium, which shows a high selective permeability to hydrogen at high temperatures and is therefore used to purify hydrogen. The proportion of free hydrogen atoms or hydrogen molecules in water is negligible at room temperature, but increases sharply at higher temperatures.
If the average thermal energy of the water molecules reaches the amount of the dissociation energy of the hydrogen atom from the water molecule, then according to the laws of statistical mechanics, a large part of the hydrogen atoms separate from the water molecules. At sufficiently high temperatures, some of the hydrogen atoms will split off from the water and penetrate into the hydrogen-permeable material. According to the invention, the pressure vessel is located in the interior of a vacuum-tight vessel such that the hydrogen which penetrates the hydrogen-permeable walls of the pressure vessel can be collected and pumped out. Other materials, especially water vapor, cannot penetrate the walls in question.
The production rate of hydrogen increases with higher temperature, with higher water pressure or water vapor pressure and with thinner wall thickness of the hydrogen-permeable material. So that the hydrogen-permeable walls withstand the highest possible pressure, they are arranged according to a special embodiment as a tube inside the pressure vessel, the inside of the tube being vacuum-tightly separated from the water and having an opening to the outside so that the hydrogen penetrating the walls of the tube is collected and can be pumped out. According to a special embodiment, the hydrogen-permeable material is applied as a thin layer on a porous, gas-permeable carrier material which has the required strength at the required temperatures.
With this arrangement, the wall thickness of the hydrogen-permeable material can be kept very thin even at high water pressure.
According to a special embodiment, the hydrogen-permeable material is provided on the water side with a thin surface layer made of a material which reduces or completely prevents corrosion of the hydrogen-permeable walls by the water.
If the water and the pressure vessel are heated by solar energy, the pressure vessel can be brought directly into the focus of a cylindrical or spherical parabolic mirror. However, an intermediate medium can also be heated at the focal point, with which the heat is transferred to the water and the pressure vessel. In this case, the pressure vessel can be outside the parabolic mirror.
According to a special embodiment, the heat of the pumped hydrogen and the heat of the water used are transferred from the pressure vessel in a heat exchanger to the water which is freshly supplied to the pressure vessel.
It is not important for the invention whether the water as liquid or as water vapor with the hydrogen
permeable walls comes into contact. The arrangement of the necessary pumps and the arrangement of the heat insulation are likewise not important for the invention, since this is familiar to the person skilled in the art.
In the drawing, FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a device for carrying out the method according to the invention in a simplified form. The details familiar to the person skilled in the art, such as heat insulation, pumps, light-absorbing layers, etc., have been omitted.
The method and an exemplary embodiment of the device are explained in more detail on the basis of the description and the schematically held figures. It shows
1 shows the device according to the invention,
2 the heat transfer by means of a medium,
Fig. 3 shows the structure of the hydrogen-permeable walls.
In the exemplary embodiment in FIG. 1, water is brought into a vessel 13 via a line 5. For the sake of clarity, part of the walls has been omitted from the drawing.
Inside this vessel 3 there is another vessel 4, the walls of which are e.g. are made of palladium. The water in vessel 3 is preferably heated by sunlight 1, which is focused on vessel 3 by parabolic mirror 2. If the water is heated sufficiently, 4 hydrogen atoms split off from the water when water molecules come into contact with the palladium wall of the vessel and penetrate into the palladium. Since palladium is only permeable to hydrogen at higher temperatures, some of the hydrogen atoms penetrate the palladium wall and hydrogen accumulates in the interior of the vessel 4. As a result, hydrogen is separated from the water and the hydrogen accumulated in vessel 4 can be pumped out via line 7.
The water now enriched with oxygen in vessel 3 can be discharged again via line 6. A heat exchanger 8 ensures optimal use of the thermal energy.
The details familiar to the person skilled in the art, such as heat insulation, pumps, light-absorbing layers, etc., have been omitted. Furthermore, it is also possible for another substance which contains hydrogen to be used instead of water, or for the hydrogen in vessel 4 not to be pumped out, but instead to be flushed out by another liquid or stored as a hydride.
According to another embodiment in Fig. 2, in the focal point of the parabolic mirror 2, a line 9 with a medium such as e.g. Silicone oil heated. The heated silicone oil then transfers the heat energy. the vessel 3, which is identical to the vessel 3 of FIG. 1.
According to a further embodiment in FIG. 3, the walls of the vessel 4 consist of several layers, the vessel again corresponding to the vessel 4 in FIG. 1. Essentially, the vessel 4 consists of a mechanically resistant wall e.g. a porous ceramic material 10 that can withstand high pressure. A thin palladium foil, which has the desired selective permeability to hydrogen, is applied to this ceramic material 10 on the water side. This palladium foil 11 is in turn covered by a very thin surface layer 12 e.g. made of nickel protected against corrosion by the water.