DE102006041958B3

DE102006041958B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid

Info

Publication number: DE102006041958B3
Application number: DE102006041958A
Authority: DE
Inventors: Till Kaz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-08-31

Abstract

Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid, umfassend eine Reaktionskammer mit mindestens einem Reaktionsraum, welchem Natriumborhydrid in Pulverform zuführbar ist, eine Wasserzuführungseinrichtung, über welche dem mindestens einen Reaktionsraum Wasser zuführbar ist, und eine Transporteinrichtung, durch welche Natriumborhydrid in dem mindestens einen Reaktionsraum transportierbar ist, wobei die Transporteinrichtung ein oder mehrere Transportelemente mit einer Katalysatoroberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Natriumborhydrid.
In Natriumborhydrid ist Wasserstoff chemisch gebunden gespeichert. Der Wasserstoff lässt sich in einer katalytischen Reaktion durch Zugabe von Wasser freisetzen. Über Natriumborhydrid lässt sich Wasserstoff bei hoher Speicherdichte (die bei ca. 12 Gew-% liegt) auch langzeitspeichern.
Auf der Internetseite http://www.millenniumcell.com/fw/main/How_it_Works31.html ist ein Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid beschrieben, bei dem eine Natriumborhydrid-Lösung in einen Reaktor gepumpt wird und in einem anschließenden Gas-Flüssigkeits-Trennschritt Wasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Fluid abgetrennt wird. Dieses Fluid wird durch einen Wärmetauscher geführt, um den Wasserstoff zu trocknen. Der getrocknete Wasserstoff kann dann einer Brennstoffzelle zugeführt werden.
Aus der WO 2004/035464 A2 ist ein Wasserstoff-Erzeugungssystem bekannt, bei welchem ein Hydrid durch einen Katalysator in Wasserstoff und Restprodukte zerlegt wird, wobei die Vorrichtung Mittel umfasst, um eine Hydridlösung herzustellen, welche über Transportmittel einem Katalysator zugeführt wird.
Aus der WO 03/084866 A2 ist ein System zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt, welches eine Kammer umfasst, welche zur Erzeugung einer Flüssigmischung dient.
Aus der US 2005/0079130 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Hochdruckgases bekannt.
Aus der US 6,737,184 B2 ist ein Energiesystem mit einem Brennstoffzellenstapel bekannt. Diesem ist ein Speicher zur Speicherung einer Hydridlösung zugeordnet. In einem Reaktor mit einem Katalysator wird durch katalytische Zerlegung des Hydrids Wasserstoff erzeugt, welcher dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der bzw. dem sich auf effektive Weise Wasserstoff aus Natriumborhydrid freisetzen lässt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese eine Reaktionskammer mit mindestens einem Reaktionsraum, welchem Natriumborhydrid in Pulverform zuführbar ist, umfasst, einer Wasserzuführungseinrichtung, über welche dem mindestens einen Reaktionsraum Wasser zuführbar ist, umfasst, und eine Transporteinrichtung umfasst, durch welche Natriumborhydrid in den mindestens einen Reaktions raum transportierbar ist, wobei die Transporteinrichtung ein oder mehrere Transportelemente mit einer Katalysatoroberfläche aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in dem Reaktionsraum Natriumborhydrid transportieren, wobei das Natriumborhydrid in Kontakt mit katalytisch wirksamen Oberflächen kommt. Die katalytische Reaktion, bei der Wasserstoff erzeugt wird, findet in demselben Reaktionsraum statt. Weiterhin wird Wasser, welches für die katalytische Reaktion benötigt wird, in den Reaktionsraum eingekoppelt.
Die Vorrichtung lässt sich dadurch kompakt aufbauen, da die wesentlichen Verfahrensschritte für die Wasserstofferzeugung in demselben Reaktionsraum erfolgen. Dem Reaktionsraum lässt sich Natriumborhydrid in Pulverform zuführen und gasförmiger Wasserstoff lässt sich direkt abführen. Dadurch ist keine Flüssigkeitsaufbereitung notwendig; beispielsweise muss keine Natriumborhydrid-Wasser-Emulsion hergestellt werden.
Durch den Transport des Natriumborhydrids mit der Transporteinrichtung hat das Natriumborhydrid ständig Kontakt mit Katalysatoroberflächen, wobei dieser Kontakt insbesondere ständig wechselt. Dadurch lässt sich ein hoher Umsatz für die katalytische Reaktion erreichen.
Die Transporteinrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass nichtflüssiges fließfähiges Material transportierbar ist. Dadurch lässt sich Natriumborhydrid in Pulverform im trockenen und im angefeuchteten Zustand transportieren. Ferner lässt sich das Reaktionsprodukt Natriummetaborat, welches unter Umständen mit Wasser gemischt ist, transportieren.
Insbesondere lässt sich Natriumborhydrid (in unverbrauchter Form und in verbrauchter Form) kontinuierlich durch den mindestens einen Reaktionsraum transportieren. Dadurch lässt sich, bis ein Vorrat an Natriumborhydrid-Pulver verbraucht ist, kontinuierlich Wasserstoff mit hoher Ausbeute erzeugen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transporteinrichtung mindestens einen Schneckenförderer umfasst. Dieser Schneckenförderer weist Transportelemente auf, welche mit einer Katalysatoroberfläche versehen sind. Durch den Schneckenförderer kommt das Natriumborhydrid in ständig wechselnden Kontakt mit den Katalysatoroberflächen. Durch eine ständige Umwälzung lässt sich ein hoher Umsatz für die katalytische Reaktion erzielen. Weiterhin lässt sich mit einem Schneckenförderer Natriumborhydrid (verbraucht und unverbraucht) im trockenen Zustand und im befeuchteten Zustand durch den Reaktionsraum hindurch transportieren und verbrauchtes Natriumborhydrid (in der Form von Natriummetaborat) lässt sich auf einfache Weise abführen.
Günstigerweise weist die Reaktionskammer einen Einkopplungsbereich für Natriumborhydrid-Pulver auf. An diesen Einkopplungsbereich lässt sich beispielsweise ein Tank für Natriumborhydrid-Pulver anschließen.
Es ist ferner günstig, wenn die Reaktionskammer einen Auskopplungsbereich für verbrauchtes Natriumborhydrid umfasst. An diesem Auskopplungsbereich kann verbrauchtes Natriumborhydrid (Natriummetaborat) gegebenenfalls vermischt mit Wasser entnommen werden. Das Natriummetaborat kann danach getrocknet werden und wieder mit Wasserstoff "beladen" werden, um einen Wasserstoffkreislauf auszubilden.
Insbesondere ist durch die Transporteinrichtung Material von einem Einkopplungsbereich zu dem Auskopplungsbereich transportierbar. Dadurch lässt sich Trägermaterial für den Wasserstoff, nämlich Natriumborhydrid, durch den mindestens einen Reaktionsraum fördern, um durch die katalytische Reaktion Wasserstoff zu generieren. Verbrauchtes Natriumborhydrid lässt sich auf einfache Weise abführen.
Insbesondere steht der Auskopplungsbereich in Verbindung mit einem Aufnahmeraum für verbrauchtes Natriumborhydrid. Dadurch kann Natriummetaborat aus dem System entnommen werden und beispielsweise einem Kreislauf zugeführt werden.
Günstig ist es, wenn der Aufnahmeraum ein variables Volumen aufweist. Dadurch kann der Aufnahmeraum sukzessive mit verbrauchtem Natriumborhydrid (und gegebenenfalls Wasser) beladen werden, um so das Reaktionsprodukt Natriummetaborat abführen zu können.
Insbesondere ist der Aufnahmeraum durch mindestens eine Begrenzungswand begrenzt, welche beweglich ist. Durch die Bewegung der Begrenzungswand lässt sich der Aufnahmeraum sukzessive auffüllen. Beispielsweise wird durch die Transporteinrichtung ein Druck auf das Material im Aufnahmeraum ausgeübt, welcher die Bewegung der Begrenzungswand antreibt.
Insbesondere ist die mindestens eine bewegliche Begrenzungswand federbeaufschlagt. Dadurch wird das Volumen des Aufnahmeraums minimiert; verbrauchtes Natriumborhydrid muss gegen die Federkraft in den Aufnahmeraum eingebracht werden. Es lässt sich dadurch eine effektive Befüllung erreichen.
Es ist ferner günstig, wenn ein Aufnahmeraum für Natriumborhydrid-Pulver vorgesehen ist. Dieser Aufnahmeraum ist in einem Tank gebildet. Der Tank kann dabei fest an die Vorrichtung angeschlossen sein oder ist auf lösbare Weise an diese anschließbar.
Es ist günstig, wenn eine Antriebseinrichtung zur Zuführung von Natriumborhydrid-Pulver aus dem Aufnahmeraum zu dem mindestens einen Reaktionsraum vorgesehen ist. Diese Antriebseinrichtung sorgt für eine Einkopplung von Natriumborhydrid-Pulver als Speichermaterial für Wasserstoff in dem mindestens einen Reaktionsraum. Die Antriebseinrichtung ist beispielsweise mittels eines federbeaufschlagten Kolbens ausgebildet. Es kann auch ein motorischer oder pneumatischer oder hydraulischer Antrieb vorgesehen sein.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine oder mehrere Begrenzungswände des mindestens einen Reaktionsraums mindestens teilweise durchlässig für Wasserstoff ausgebildet sind. Es kann dadurch der entstandene Wasserstoff auf einfache Weise entnommen werden. Es lässt sich insbesondere vermeiden, dass sich ein hoher Überdruck aufbaut. Ferner ist es dadurch möglich, im Wesentlichen trockenen Wasserstoff zu entnehmen.
Es ist ebenfalls günstig, wenn eine oder mehrere Begrenzungswände des mindestens einen Reaktionsraums so ausgebildet sind, dass durch sie hindurch Wasser in den mindestens einen Reaktionsraum führbar ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise Natriumborhydrid-Pulver in dem Reaktionsraum befeuchten, um die katalytische Reaktion zu ermöglichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine oder mehrere Begrenzungswände des Reaktionsraums mindestens teilweise porös ausgebildet sind. Dadurch lässt sich Wasserstoff auf einfache Weise abführen. Ferner lässt sich Wasser auf einfache Weise in den Reaktionsraum einkoppeln, um Natriumborhydrid zu befeuchten.
Günstig ist es, wenn eine oder mehrere Begrenzungswände des mindestens einen Reaktionsraums mindestens in einem Teilbereich eine Katalysatoroberfläche aufweisen, welche dem mindestens einen Reaktionsraum zugewandt ist. Dadurch können auch an oder in der Nähe der Begrenzungswände katalytische Umsetzungen erfolgen. Beispielsweise wird durch eine Transporteinrichtung wie einen Schneckenförderer Natriumborhydrid in ständig wechselndem Kontakt auch an den Begrenzungswänden vorbeigeführt. Durch die katalytisch wirksame Oberfläche erreicht man denn einen hohen Umsetzungsgrad.
Es kann vorgesehen sein, dass an der Reaktionskammer mindestens ein Wasserdocht angeordnet ist. Dem Wasserdocht wird Wasser zugeführt. Über den Wasserdocht lässt sich Wasser in den mindestens einen Reaktionsraum einkoppeln, um Natriumborhydrid zu befeuchten.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Wasserdocht an einem vorderen Teilbereich der Reaktionskammer angeordnet ist (und nur in dem vorderen Teilbereich angeordnet ist), welcher an oder in der Nähe eines Einkopplungsbereichs für Natriumborhydrid-Pulver positioniert ist. Dadurch lässt sich Natriumborhydrid-Pulver beim Eintritt oder unmittelbar nach dem Eintritt befeuchten, um die katalytische Reaktion auszulösen. Die Wassereinkopplung erfolgt dabei nur in einem Teilbereich, so dass der Restbereich zur Auskopplung von Wasserstoff zur Verfügung steht. Ferner lässt sich dadurch ein hoher Umsetzungsgrad bei angepasster Wassereinkopplungsmenge erreichen. Es muss nur so viel Wasser eingekoppelt werden, dass die katalytische Umsetzung erfolgt. Das Wasser ist nicht notwendig für den Transport des Natriumborhydrids in dem Reaktionsraum. Dadurch wiederum lässt sich der Aufwand zur Trocknung von feuchtem verbrauchten Natriumborhydrid (Natriummetaborat) gering halten.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Wasserdocht in Wirkverbindung mit einer Abführungseinrichtung für Reaktionswasser eines Brennstoffzellensystems steht. Der hergestellte Wasserstoff wird insbesondere als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem verwendet. Über das Reaktionswasser des Brennstoffzellensystems wird das für die katalytische Erzeugung von Wasserstoff notwendige Wasser bereitgestellt. Dadurch lässt sich ein geschlossener Kreislauf für die Erzeugung von Wasserstoff und Bereitstellung von Wasser realisieren.
Bei einer Ausführungsform sind eine Zuführungsrichtung für Natriumborhydrid-Pulver in dem mindestens einen Reaktionsraum und eine Transportrichtung für Material durch den mindestens einen Reaktionsraum mindestens näherungsweise parallel zueinander. Dadurch lässt sich Natriumborhydrid (verbraucht und unverbraucht) in einer Richtung durch die Vorrichtung "durchschieben".
Insbesondere sind ein Aufnahmeraum für Natriumborhydrid-Pulver, die Reaktionskammer und ein Aufnahmeraum für verbrauchtes Natriumborhydrid hintereinander angeordnet, wobei die Reaktionskammer zwischen den Aufnahmeräumen positioniert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind eine Zuführungsrichtung für Natriumborhydrid-Pulver in den mindestens einen Reaktionsraum und eine Transportrichtung für Material durch den mindestens einen Reaktionsraum quer zueinander. Dadurch lässt sich eine Vorrichtung realisieren, welche kompakt ausgebildet ist und insbesondere eine kurze Länge aufweist.
Insbesondere sind ein Speichertank für Natriumborhydrid-Pulver und eine Kammer für verbrauchtes Natriumborhydrid übereinander angeordnet, um eine kompakte Ausbildung realisieren zu können.
Es ist vorgesehen, dass eine Zuführungsrichtung für Natriumborhydrid-Pulver in den mindestens einen Reaktionsraum und eine Abführungsrichtung für verbrauchtes Natriumborhydrid aus dem mindestens einen Reaktionsraum mindestens näherungsweise parallel oder koaxial zueinander sind. Dadurch lässt sich ein effektiver Durchtransport für Natriumborhydrid (verbraucht und unverbraucht) durch den Reaktionsraum erreichen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einem Reaktionsraum Natriumborhydrid-Pulver zugeführt wird, das Natriumborhydrid-Pulver in dem Reaktionsraum mit Wasser befeuchtet wird, und Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum von einem oder mehreren Transportelementen mit Katalysatoroberfläche transportiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere wird dem Reaktionsraum trockenes Natriumborhydrid-Pulver zugeführt. Trockenes Natriumborhydrid-Pulver lässt sich auf einfache Weise auch für lange Zeiten speichern.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum durch einen Schneckenförderer mit Transportelementen transportiert wird. Über den Schneckenförderer lässt sich eine große Transportoberfläche bereitstellen. Dadurch wiederum ist eine große Katalysatoroberfläche gebildet, um eine effektive katalytische Umsetzung zu erreichen. Durch den Schneckenförderer kommt das Natriumborhydrid in ständig wechselnden Kontakt mit Katalysatoroberflächen. Dadurch lässt sich die Umsetzung mit einem hohen Umsetzungsgrad erreichen. Weiterhin ist es möglich, durch den Schneckenförderer verbrauchtes Natriumborhydrid (Natriummetaborat) in einen Aufnahmeraum "einzuschieben".
Insbesondere rotiert der Schneckenförderer, um Material in den Reaktionsraum zu fördern.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn gasförmiger Wasserstoff durch eine oder mehrere poröse Begrenzungswände des Reaktionsraums abgeführt wird. Dadurch lässt sich verhindern, dass sich ein zu großer Überdruck in dem Reaktionsraum aufbaut. Ferner lässt sich gasförmiger Wasserstoff, welcher im Wesentlichen trocken ist, abführen.
Es ist ferner günstig, wenn Wasser durch eine oder mehrere poröse Begrenzungswände des Reaktionsraums in den Reaktionsraum geführt wird. Dadurch ist die Wassereinkopplung auf einfache Weise realisierbar. Ferner lässt sich Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum in einer definierten Befeuchtungsstrecke gleichmäßig befeuchten.
Günstig ist es, wenn eine oder mehrere Begrenzungswände des Reaktionsraums mit einer Katalysatoroberfläche versehen werden. Es können dann auch an oder in der Nähe der Begrenzungswand bzw. der Begrenzungswände katalytische Reaktionen stattfinden. Insbesondere wird über die Transporteinrichtung Natriumborhydrid an den Begrenzungswänden vorbeigefördert. Dadurch ergibt sich ein ständig wechselnder Kontakt mit Katalysatoroberflächen, durch den eine effektive Umsetzung mit hohem Umsetzungsgrad erreicht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass Wasser dem Reaktionsraum über einen Wasserdocht zugeführt wird. Dadurch lässt sich auf einfache Weise Wasser in den Reaktionsraum einkoppeln.
Es kann vorgesehen sein, dass Reaktionswasser eines Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Es lässt sich dadurch ein Kreislauf realisieren, bei dem erzeugter Wasserstoff als Brennstoff dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird und Reaktionswasser aus dem Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Wasserstoff aus Natriumborhydrid eingesetzt wird.
Es wird verbrauchtes Natriumborhydrid oder eine Mischung aus Wasser und verbrauchtem Natriumborhydrid abgeführt. Dieses verbrauchte Natriumborhydrid (Natriummetaborat) lässt sich wieder mit Wasserstoff "beladen", um einen Wasserstoffkreislauf auszubilden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid; und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid.
Natriumborhydrid (NaBH₄) wird zur Speicherung von chemisch gebundenem Wasserstoff eingesetzt. Natriumborhydrid weist eine relativ hohe Speicherdichte von ca. 12 Gew-% auf. Über Natriumborhydrid lässt sich Wasserstoff bei hoher Speicherdichte langzeitspeichern.
Durch Zuführung von Wasser lässt sich aus dem Natriumborhydrid gemäß folgender Reaktionsformel NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂ der chemisch gebundene Wasserstoff katalytisch freisetzen. Das weitere Reaktionsprodukt dieser Reaktion ist Natriummetaborat (NaBO₂). Das verbrauchte Natriumborhydrid (das Natriummetaborat) kann eingesammelt werden und wieder beispielsweise mit aus Erdgas, Öl oder aus alternativen Energiequellen gewonnenem Wasserstoff versetzt werden. Der Träger des (chemisch gebundenen) Wasserstoffs lässt sich in einem Kreislauf weiter verwenden und wird nicht verbraucht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid als Speicher von chemisch gebundenem Wasserstoff, welche in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Reaktionskammer 12 mit (mindestens) einem Reaktionsraum 14.
Der Reaktionskammer 12 ist ein Einkopplungsbereich 16 zugeordnet, welchem Natriumborhydrid-Pulver zuführbar ist. Ferner ist der Reaktionskammer 12 ein Auskopplungsbereich 18 zugeordnet, an welchem verbrauchtes Natriumborhydrid (Natriummetaborat), welches insbesondere mit Wasser vermischt ist, abführbar ist.
Der Reaktionsraum 14 ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet und durch eine ringzylindrische Begrenzungswand 20 begrenzt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen der Einkopplungsbereich 16 und der Auskopplungsbereich 18, welche insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, an jeweiligen Stirnseiten und einander gegenüber.
An die Reaktionskammer 12 ist an dem Einkopplungsbereich 16 ein Speichertank 22 für trockenes Natriumborhydrid 24 (in Pulverform) angeschlossen bzw. anschließbar. Der Speichertank 22 weist einen oder mehrere Aufnahmeräume 26 auf, in welchen das Natriumborhydrid-Pulver aufgenommen ist.
Dem Speichertank 22 ist eine Zuführungseinrichtung 28 zugeordnet, über welche dem Reaktionsraum 14 Natriumborhydrid-Pulver aus dem Aufnahmeraum 26 zuführbar ist. Insbesondere ist die Zuführungseinrichtung 28 so ausgebildet, dass dem Reaktionsraum 14 kontinuierlich Natriumborhydrid-Pulver aus dem Aufnahmeraum 26 zuführbar ist.
Die Zuführungseinrichtung 28 umfasst beispielsweise einen Kolben 30, welcher kraftbeaufschlagt ist. Dieser Kolben bildet eine Begrenzungswand des Aufnahmeraums 26 und drückt Natriumborhydrid-Pulver in Richtung des Reaktionsraums 14.
Der Kolben 30 ist beispielsweise über eine oder mehrere Federn kraftbeaufschlagt. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass dem Kolben 30 beispielsweise ein motorischer Antrieb zugeordnet ist.
In dem Reaktionsraum 14 ist eine Transporteinrichtung 34 angeordnet. Durch diese Transporteinrichtung 34 ist Natriumborhydrid in einer Transportrichtung 36 (und einer Gegenrichtung dazu, wie unten noch näher beschrieben wird) in dem Reaktionsraum 14 transportierbar.
Die Transporteinrichtung 34 umfasst einen oder mehrere Schneckenförderer 38, wobei ein Schneckenförderer 38 Transportelemente 40 mit Transportflächen umfasst, die auf das Material in dem Reaktionsraum 14 wirken und dieses fördern. Die Transportelemente 40 sind an einer Schneckenwelle 42 angeordnet. Die Schneckenwelle 42 ist um eine Rotationsachse 44 rotierbar. Zum Rotationsantrieb ist eine Antriebseinrichtung vorgesehen (in 1 nicht gezeigt). Die Rotationsachse 44 ist parallel zur Transportrichtung 36.
Die Transportelemente 40 weisen jeweils Katalysatoroberflächen aus einem für die oben genannte Reaktion wirksamen Katalysatormaterial auf. Beispielsweise weisen die Transportelemente 40 eine Platinoberfläche auf. (Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Transportelemente 40 ganz aus dem Katalysatormaterial hergestellt sind.)
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fällt die Rotationsachse 44 mit einer Zylinderachse des zylindrischen Reaktionsraums 14 zusammen.
Die Begrenzungswand 20, welche den Reaktionsraum 14 begrenzt und damit auch die Transporteinrichtung 34 umgibt, ist für Wasserstoff durchlässig ausgebildet. Insbesondere ist sie porös ausgebildet. Sie ist ferner so ausgebildet, dass über eine Wasserzuführungseinrichtung 46 Wasser in den Reaktionsraum 14 zur Befeuchtung des Natriumborhydrid-Pulvers für die oben genannte Reaktion einkoppelbar ist.
Die Begrenzungswand 20 weist dem Reaktionsraum 14 zugewandt mindestens in einem Teilbereich eine Katalysatoroberfläche aus einem für die oben genannte Reaktion wirksamen Katalysatormaterial wie beispielsweise Platin auf.
Die Wasserzuführungseinrichtung 46 umfasst (mindestens) einen Wasserkanal 48, welcher die Reaktionskammer 12 ringförmig umgibt. Der Wasserkanal 48 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einer Wasserquelle. Beispielsweise ist der Wasserkanal 48 an eine Abführungseinrichtung 50 für Reaktionswasser eines Brennstoffzellensystems 52 gekoppelt. Beispielsweise ist die Abführungseinrichtung 50 für Reaktionswasser direkt an einen oder mehrere Brennstoffstacks gekoppelt.
Zwischen dem Wasserkanal 48 und der Begrenzungswand 20 ist ein Wasserdocht 54 angeordnet. Diesem Wasserdocht 54 ist über den Wasserkanal 48 Wasser zuführbar. Dazu weist der Wasserkanal 48 eine oder mehrere dem Wasserdocht 54 zugewandte Öffnungen auf. Über den Wasserdocht 54 wiederum ist durch die poröse Begrenzungswand 20 hindurch dem Reaktionsraum 14 Wasser zuführbar.
Die Wasserzuführungseinrichtung 46 mit dem Wasserkanal 48 und dem Wasserdocht 54 ist an einem Teilbereich der Reaktionskammer 12 angeordnet, an welchem der Einkopplungsbereich 16 gebildet ist oder welcher in der Nähe von diesem liegt. Dieser Teilbereich der Reaktionskammer 12 erstreckt sich dabei nicht über die gesamte Länge der Reaktionskammer, so dass Wasser in den Reaktionsraum 14 über einen begrenzten Bereich in der Nähe des Einkopplungsbereichs 16 für Natriumborhydrid-Pulver einkoppelbar ist und Natriumborhydrid bei der Einkopplung oder kurz danach befeuchtbar ist.
An der Reaktionskammer 12 ist ferner (mindestens) ein Abführungskanal für gasförmigen Wasserstoff angeordnet. Diesem Abführungskanal 56 ist bei der oben genannten Reaktion entstandener Wasserstoff durch die poröse Begrenzungswand 20 zuführbar und von dort an eine Anwendung abführbar. Der entstandene Wasserstoff wird beispielsweise dem Brennstoffzellensystem 52 als Brennstoff zugeführt.
Der Abführungskanal 56 ist neben dem Wasserkanal 48 und dem Wasserdocht 54 angeordnet und schließt sich insbesondere unmittelbar an diese an. Insbesondere grenzt der Abführungskanal 56 an den Wasserkanal 48. Der Abführungskanal 56 erstreckt sich über die Restlänge der Reaktionskammer 12.
An den Auskopplungsbereich 18 des Reaktionsraums 14 ist ein Aufnahmeraum 58 für verbrauchtes Natriumborhydrid (d. h. für Natriummetaborat) eventuell gemischt mit Wasser angeschlossen. Dieser Aufnahmeraum 58 ist in einer Kammer 60 gebildet. Die Kammer 60 ist beispielsweise zylindrisch. Die Kammer 60 ist vorzugsweise als Tank für eine Natriummetaborat-Wasser-Mischung ausgebildet. Dieser Tank ist lösbar an der Reaktionskammer 12 fixiert und kann nach dessen Befüllung abgenommen werden, um nach Trocknung Natriummetaborat wieder zur Speicherung von chemisch gebundenem Wasserstoff verwenden zu können.
Der Aufnahmeraum 58 ist zu einer Seite hin durch eine bewegliche Begrenzungswand 62 begrenzt. Diese ist über eine oder mehrere Federn 64 kraftbeaufschlagt. Dadurch ist das Volumen des Aufnahmeraums 58 in der Kammer 60 variabel. Durch die Transporteinrichtung 34 lässt sich verbrauchtes Natriumborhydrid (mit Restwasser) gegen den Druck der Feder 64 in den Aufnahmeraum 58 einpressen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kammer 60 gleich ausgebildet ist wie der Speichertank 22. In einem Kreislaufprozess kann dann eine mit Natriummetaborat gefüllte Kammer 60 abgenommen werden und nach Trocknung kann durch "Wasserstoffbeladung" Natriumborhydrid erzeugt werden. Der entsprechende Speichertank für Natriumborhydrid lässt sich dann an dem Einkopplungsbereich 16 der Reaktionskammer 12 fixieren.
Der Reaktionskammer 12 und/oder der Kammer 60 kann eine Kühleinrichtung zugeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
In dem Speichertank 22 ist trockenes Natriumborhydrid-Pulver gespeichert. Dieses wird über den Einkopplungsbereich 16 in den Reaktionsraum 14 eingekoppelt. In dem Reaktionsraum 14 wird es in der Art von Schüttgut durch die Transporteinrichtung 34 transportiert.
Über die Wasserzuführungseinrichtung 46 wird das Natriumborhydrid-Pulver in dem Reaktionsraum 14 befeuchtet. Es erfolgt dann die katalytische Umsetzung gemäß oben genannter Reaktion, wobei Katalysatormaterial an den Oberflächen der Transportelemente 40 und gegebenenfalls an der Begrenzungswand 20 vorhanden ist.
Es genügt dabei, über die Wasserzuführungseinrichtung 46 so viel Wasser zuzuführen, dass die oben genannte Reaktion abläuft und eine hohe Ausbeute erzielt wird. Es muss keine Natriumborhydrid-Pulver-Emulsion hergestellt werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass feuchtes Schüttgut, welches grundsätzlich fließfähig ist aber nicht flüssig ist, über die Transporteinrichtung 34 in dem Reaktionsraum 14 transportiert wird.
Der entstandene Wasserstoff wird durch die poröse Begrenzungswand 20 und den Abführungskanal 56 abgeführt.
Die oben genannte Reaktion tritt dabei erst nach der Befeuchtung des Natriumborhydrid-Pulvers auf.
Längs der Transportrichtung 36 nimmt der Anteil an Natriumborhydrid ab und an verbrauchtem Natriumborhydrid, d. h. an Natriummetaborat, zu. Über den Auskopplungsbereich 18 wird Material ausgekoppelt, welches zu einem hohen Anteil verbrauchtes Natriumborhydrid enthält. Es ist dabei entsprechend der zugeführten Wassermenge angefeuchtet und kann beispielsweise nachträglich getrocknet werden.
In dem Reaktionsraum 14 erfolgt die Förderung des Natriumborhydrids durch die Transporteinrichtung 34, die Wasserbeimischung und der katalytische Umsatz mit der Entstehung von Wasserstoff. Diese verschiedenen Prozesse erfolgen räumlich und zeitlich integral.
Der entstandene Wasserstoff kann durch die poröse Begrenzungswand 20 direkt abgegeben werden, ohne dass ein großer Überdruck aufgebaut wird.
Durch die Rotation des Schneckenförderers 38 hat das Natriumborhydrid-Pulver einen ständig wechselnden Kontakt zur Oberfläche der Transportelemente 40 und zur Begrenzungswand 20 und damit zu dem Katalysatormaterial. Dadurch lässt sich ein hoher Wasserstoffumsatz erreichen, bei dem Natriumborhydrid sich im Wesentlichen vollständig verbrauchen lässt.
Die Transporteinrichtung 34 lässt sich vorzugsweise so betreiben, dass ein Transport in die Richtung 36 und die Gegenrichtung möglich ist. Durch Transport in die Gegenrichtung zur Richtung 36 lässt sich die Aufenthaltsdauer von unverbrauchtem Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum 14 erhöhen und damit die Ausbeute erhöhen. Beispielsweise wird die Transporteinrichtung 34 so angesteuert, dass im Wechsel ein Vorfahren und Zurückfahren erfolgt.
Wenn die Wasserstoffproduktion schnell abgeschaltet werden soll, ist ein Zurückfahren gegen die Richtung 36 sinnvoll, um eine Abreaktion im Reaktionsraum 14 zu ermöglichen.
Die Vorrichtung 10 lässt sich kompakt aufbauen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Zuführungsrichtung 66 für Natriumborhydrid-Pulver zu dem Reaktionsraum 14 im Wesentlichen parallel zu der Transportrichtung 36. Eine Abführungsrichtung 68 für verbrauchtes Natriumborhydrid ist im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung 36. Der Speichertank 22, die Reaktionskammer 12 und die Kammer 60 sind hintereinander angeordnet, wobei die Reaktionskammer 12 zwischen dem Speichertank 22 und der Kammer 60 positioniert ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches in 2 gezeigt und dort mit 70 bezeichnet ist, umfasst einen Speichertank 72 für Natriumborhydrid-Pulver, welcher grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie der Speichertank 22. Ferner ist eine Kammer 74 für verbrauchtes Natriumborhydrid und gegebenenfalls Wasser vorgesehen, welche grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie die Kammer 60.
Der Speichertank 72 ist über einen Einkopplungsbereich 76 an eine Reaktionskammer 78 angeschlossen. Über einen Auskopplungsbereich 80 ist die Kammer 74 an die Reaktionskammer 78 angeschlossen.
Der Einkopplungsbereich 76 und der Auskopplungsbereich 80 liegen übereinander.
Die Reaktionskammer 78 weist einen Reaktionsraum 82 auf, in welchem ein rotierbarer Schneckenförderer 84 angeordnet ist. Eine Transportrichtung 86, zu welcher eine Rotationsrichtung des Schneckenförderers 84 parallel ist, liegt dabei quer zu einer Zuführungsrichtung 88 für Natriumborhydrid-Pulver in den Reaktionsraum 82. Die Transportrichtung 86 ist ebenfalls quer zu einer Abführungsrichtung 90 von verbrauchtem Natriumborhydrid.
Der Reaktionsraum 82 ist außerhalb des Einkopplungsbereichs 76 und des Auskopplungsbereichs 80 durch eine poröse Begrenzungswand 92 begrenzt. Nach oben und nach unten ist der Reaktionsraum 82 jeweils durch eine gasdichte, nicht poröse Wand 94, 96 begrenzt.
Der Schneckenförderer 84 ist über einen Antrieb 98, welcher insbesondere ein motorischer Antrieb ist, angetrieben. Der Antrieb 98 sitzt beispielsweise an einer Außenseite der Wand 94.
An der Reaktionskammer 78 ist ein Abführungskanal 100 für Wasserstoff (in Gasform) angeordnet.
Dem Einkopplungsbereich 76 benachbart ist eine Wasserzuführungseinrichtung 102 vorgesehen, über die sich Wasser in den Reaktionsraum 82 zur Befeuchtung des Natriumborhydrids einkoppeln lässt. Die Wasserzuführungseinrichtung 102 umfasst insbesondere einen Wasserkanal 104 und einen Wasserdocht 106. Die Befeuchtung erfolgt dabei am Beginn einer Transportstrecke für Natriumborhydrid durch den Reaktionsraum 82 hindurch.
Bei der Vorrichtung 70 sind der Speichertank 72 und die Kammer 74 übereinander angeordnet und die Reaktionskammer 78 ist seitlich neben dem Speichertank 72 und der Kammer 74 positioniert. Natriumborhydrid wird dabei von oben nach unten, bezogen auf die Schwerkraftrichtung, durch den Reaktionsraum 82 transportiert. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Natriumborhydrid von unten nach oben durch den Reaktionsraum 82 transportiert wird.
Durch die Anordnung des Speichertanks 72 über der Kammer 74 (bzw. der Kammer 74 über dem Speichertank 72) lässt sich eine kompakte Vorrichtung realisieren, bei welcher die Gesamtlänge minimiert ist.
Ansonsten funktioniert die Vorrichtung 70 wie anhand der Vorrichtung 10 beschrieben.

Claims

Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid, umfassend eine Reaktionskammer (12; 78) mit mindestens einem Reaktionsraum (14; 82), welchem Natriumborhydrid (24) in Pulverform zuführbar ist, eine Wasserzuführungseinrichtung (46; 102), über welche dem mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) Wasser zuführbar ist, und eine Transporteinrichtung (34; 84), durch welche Natriumborhydrid in dem mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) transportierbar ist, wobei die Transporteinrichtung (34; 84) ein oder mehrere Transportelemente (40) mit einer Katalysatoroberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (34; 84) so ausgebildet ist, dass nichtflüssiges fließfähiges Material transportierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (34; 84) so ausgebildet ist, dass Natriumborhydrid kontinuierlich durch den mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) transportierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (34; 84) mindestens einen Schneckenförderer (38) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (12; 78) einen Einkopplungsbereich (16; 76) für Natriumborhydrid-Pulver umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (12; 78) einen Auskopplungsbereich (18; 80) für verbrauchtes Natriumborhydrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Transporteinrichtung (34; 84) Material von einem Einkopplungsbereich (16; 76) zu dem Auskopplungsbereich (18; 80) transportierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskopplungsbereich (18; 80) in Verbindung mit einem Aufnahmeraum (58) für verbrauchtes Natriumborhydrid steht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (58) ein variables Volumen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (58) durch mindestens eine Begrenzungswand (62) begrenzt ist, welche beweglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bewegliche Begrenzungswand (62) federbeaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aufnahmeraum (26) für Natriumborhydrid-Pulver.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung zur Zuführung von Natriumborhydrid-Pulver aus dem Aufnahmeraum (26) zu dem mindestens einen Reaktionsraum (14; 82).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Begrenzungswände (20; 92) des mindestens einen Reaktionsraums (14; 82) mindestens teilweise durchlässig für Wasserstoff ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Begrenzungswände (20; 92) des mindestens einen Reaktionsraums (14; 82) so ausgebildet sind, dass durch sie hindurch Wasser in den mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) führbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Begrenzungswände (20; 92) des Reaktionsraums (14; 82) mindestens teilweise porös ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Begrenzungswände (20; 92) des mindestens einen Reaktionsraums (14; 82) mindestens in einem Teilbereich eine Katalysatoroberfläche aufweisen, welche dem mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) zugewandt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Reaktionskammer (12; 78) mindestens ein Wasserdocht (54; 106) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wasserdocht (54; 106) an einem vorderen Teilbereich der Reaktionskammer (12; 78) angeordnet ist, welcher an oder in der Nähe eines Einkopplungsbereich (16; 76) für Natriumborhydrid-Pulver positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wasserdocht (54; 106) in Wirkverbindung mit einer Abführungseinrichtung (50) für Reaktionswasser eines Brennstoffzellensystems (52) steht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungsrichtung (66) für Natriumborhydrid-Pulver in den mindestens einen Reaktionsraum (14) und eine Transportrichtung (36) für Material durch den mindestens einen Reaktionsraum (14) mindestens näherungsweise parallel zueinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmeraum (26) für Natriumborhydrid-Pulver, die Reaktionskammer (12) und ein Aufnahmeraum (58) für verbrauchtes Natriumborhydrid hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungsrichtung (88) für Natriumborhydrid-Pulver in den mindestens einen Reaktionsraum (14) und eine Transportrichtung (86) für Material durch den mindestens einen Reaktionsraum (14) quer zueinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speichertank (72) für Natriumborhydrid-Pulver und eine Kammer (74) für verbrauchtes Natriumborhydrid übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungsrichtung (66; 88) für Natriumborhydrid-Pulver in den mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) und eine Abführungsrichtung (68; 90) für verbrauchtes Natriumborhydrid aus dem mindestens einen Reaktionsraum (14; 82) mindestens näherungsweise parallel oder koaxial zueinander sind.
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Natriumborhydrid, bei dem einem Reaktionsraum Natriumborhydrid-Pulver zugeführt wird, das Natriumborhydrid-Pulver in dem Reaktionsraum mit Wasser befeuchtet wird, und Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum von einem oder mehreren Transportelementen mit Katalysatoroberfläche transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsraum trockenes Natriumborhydrid-Pulver zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass Natriumborhydrid in dem Reaktionsraum durch einen Schneckenförderer mit Transportelementen transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmiger Wasserstoff durch eine oder mehrere poröse Begrenzungswände des Reaktionsraums abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser durch eine oder mehrere poröse Begrenzungswände des Reaktionsraums in den Reaktionsraum geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Begrenzungswände des Reaktionsraums mit einer Katalysatoroberfläche versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser dem Reaktionsraum über einen Wasserdocht zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionswasser eines Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass verbrauchtes Natriumborhydrid oder eine Mischung aus Wasser und verbrauchtem Natriumborhydrid abgeführt wird.