DE102010010822A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch (partielle) Dehydrogenierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes. Die Vorrichtung (10) umfasst ein Brennstoffreservoir (14) für einen Brennstoff, das über eine Brennstoffzuleitung (16) mit einem Reaktor (18) verbunden ist, um Brennstoffaus dem Reservoir (14) dem Reaktor (18) zuzuführen, und eine Heizeinrichtung (22, 24) zum Erwärmen des dem Reaktor (18) zugeführten Brennstoffes auf eine Reaktionstemperatur. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Reaktor (18) wenigstens eine aus einer Pd/Ag-Legierung gebildete Trennwandung (30) aufweist, auf deren einen Seite die (partielle) Dehydrogenierung abläuft und auf deren anderer Seite durch die Trennwandung (30) hindurchdiffundiertes Wasserstoffgas aufgefangen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 12.
  • Eine derartige Vorrichtung sowie ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus der DE 10 2005 044 926 B3 bekannt. Die bekannte Vorrichtung erzeugt das Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes und umfasst ein Brennstoffreservoir für einen in flüssiger Phase vorliegenden Brennstoff, das über eine Brennstoffzuleitung mit einem Reaktor verbunden ist, um Brennstoff aus dem Reservoir dem Reaktor zuzuführen, wobei der Reaktor über eine Rückleitung mit dem Reservoir verbunden ist, über welche bei der Dehydrogenierung zugeführten Brennstoffes erzeugter Restbrennstoff an das Reservoir zurückgeleitet wird, und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des dem Reaktor zugeführten Brennstoffes auf eine Reaktionstemperatur.
  • Wie es der DE 10 2005 044 926 B3 detailliert zu entnehmen ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, besitzt die gattungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die (partielle) Dehydrogenierung im Allgemeinen auf der endotherm verlaufenden Reaktion CnHx → H2 + CnHx-2 basiert, eine ganze Reihe von Vorteilen. Insbesondere wird damit eine energieoptimierte Anordnung zur Steigerung der Energieausbeute bzw. Effizienz bei gleichzeitig geringem Gewicht und geringem Volumen der Vorrichtung geschaffen. Die Vorrichtung ist somit insbesondere für mobile Anwendungen, insbesondere an Bord eines Fahrzeugs, insbesondere Luftfahrzeugs, besonders geeignet.
  • Problematisch ist bei diesem Stand der Technik die Erzielung eines hohen Reakionsumsatzes bei gleichzeitig möglichst hoher Reinheit des bereitgestellten Wasserstoffgases.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich des Reaktionsumsatzes und/oder der Reinheit des erzeugten Wasserstoffes zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Für die Erfindung wesentlich ist die Verwendung wenigstens einer aus einer Palladium (Pd)/Silber(Ag)-Legierung gebildeten Trennwandung, wobei auf der einen Seite der Trennwandung die Dehydrogenierung abläuft und auf der anderen Seite durch die Trennwandung hindurchdiffundiertes Wasserstoffgas aufgefangen und gegebenenfalls abgeführt wird.
  • Der Begriff ”Pd/Ag-Legierung” soll im Rahmen der Erfindung jede Palladium (Pd) und Silber (Ag) enthaltende Legierung umfassen. Bevorzugt ist der Pd-Anteil größer als 80%, weiter bevorzugt größer als 90%. Der Ag-Anteil ist vor allem zur metallurgischen Stabilisierung der Legierung von Vorteil und kann z. B. in einem Bereich von 5 bis 40% liegen. Derartige Prozentangaben sind hier jeweils als Massenprozent bzw. Gewichtsanteile zu verstehen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass eine aus einer Pd/Ag-Legierung gebildete Trennwandung eine äußerst vorteilhafte Trennwirkung besitzt, durch welche Wasserstoff mit hoher Reinheit bei gleichzeitig hohem Durchsatz aus dem Reaktionsraum heraus abgetrennt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pd/Ag-Trennwandung selbsttragend, was in vielen Anwendungsfällen mit einer Wandstärke von wenigstens 0,1 mm, z. B. im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm realisierbar ist.
  • Von Vorteil ist es, wenn die Prozessparameter wie insbesondere die Reaktionstemperatur und der Reaktionsdruck in Anpassung an den betreffenden Brennstoff gewählt werden. Außerdem kann die erfindungsgemäße Wasserstoffgewinnung durch eine entsprechende Gestaltung der Trennwandung (z. B. deren konkrete Legierungszusammensetzung und Geometrie) positiv beeinflusst werden. Beispiele solcher Gestaltungsdetails (z. B. Rohrbündel-Anordnung) werden weiter unten noch erläutert.
  • Da der Erfindung eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion zugrunde liegt, muss der dem Reaktor zugeführte Brennstoff, z. B. mittels einer eigens hierfür vorgesehenen Heizeinrichtung, auf eine geeignete Reaktionstemperatur gebracht werden. Eine solche Heizeinrichtung kann z. B. einen Brenner umfassen, der mit erzeugtem Restbrennstoff und/oder mit Verunreinigungen versorgt wird, die mittels einer Reinigungseinheit von dem jenseits der Trennwandung erzeugten Wasserstoffgas abgetrennt wurden. Dies sind hinsichtlich der Effizienz des Verfahrens besonders günstige Möglichkeiten zur Erzeugung der Heizenergie. Falls ein solcher Brenner nicht ausreichend mit Restbrennstoff bzw. mit vom Wasserstoffgasstrom abgetrennten Verunreinigungen versorgt werden kann, so kommt z. B. in Betracht, zusätzlich einen Teilstrom des aus dem Brennstoffreservoir geförderten Brennstoffes hierfür zu benutzen. Werden die leicht oxidierbaren, gasförmigen Brennstoffe zum Heizen benutzt, so ist insbesondere eine katalytische Verbrennung in der Heizeinrichtung von Vorteil. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung auch in anderer Weise versorgt werden, z. B. durch elektrische Energie etc. Bei Verwendung in einem Luftfahrzeug mit Strahltriebwerk kann der Reaktor vorteilhaft auch durch ohnehin verfügbare Zapfluft (”Bleed Air”) beheizt werden.
  • Alternativ kann auch Abwärme aus dem Strahltriebwerk und/oder einer gegebenenfalls vorhandenen Brennstoffzellenanordnung verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Reaktionstemperatur größer als 300°C, insbesondere größer als 400°C, ist und/oder ein Reaktionsdruck mindestens 6 bar, insbesondere mindestens 8 bar beträgt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Reaktor einen Katalysator (z. B. Metall und/oder Metalloxide) enthält, um die Aktivierungsenergie der Dehydrogenierungsreaktion herabzusetzen.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Reaktionsdruck eingestellt (bevorzugt geregelt) wird durch entsprechende Ansteuerung einer im Verlauf der Zuleitung angeordneten Brennstoffpumpe und/oder eines im Verlauf einer Rückleitung angeordneten Druckhalteventils. Hierfür ist eine bevorzugt kontinuierliche Überwachung der wesentlichsten Prozessparameter, insbesondere von Temperatur und Druck im Reaktor, von Vorteil.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Brennstoff flüssig ist, wobei die Dehydrogenierung des Brennstoffes im Reaktor z. B. ebenfalls in flüssiger Phase ablaufen kann. In einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Dehydrogenierung in der so genannten superkritischen Phase ablaufen gelassen wird. Die Festlegung hierfür geeigneter Prozessparameter führt dazu, dass der Prozess energetisch noch effizienter ist, was insbesondere für die hier besonders interessanten mobilen Anwendungen von Vorteil ist. Als superkritische Phase (auch: überkritische Phase) bezeichnet man allgemein einen Zustand, in welchem die Grenze zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet bzw. die flüssige Phase und die gasförmige Phase ununterscheidbar werden. Dieser Zustand wird erreicht, wenn sowohl die Temperatur als auch der Druck jeweils überhalb der ”kritischen Temperatur” bzw. des ”kritischen Drucks” liegen, welche den ”kritischen Punkt” (im Phasendiagramm) der betreffenden Substanz definieren. Im Vergleich zu einer Dehydrogenierung in der Gasphase, ausgehend von einem ursprünglich in flüssiger Phase vorliegenden Brennstoff, ergibt sich der Vorteil, dass bei der Brennstoffzufuhr vom Reservoir zum Reaktor keine Phasenänderungsenergie zur Verdampfung des Brennstoffes aufgewendet werden muss und nach der Reaktion im Reaktor keine Phasenänderungsenergie zur Kondensation abgeführt werden muss. Vielmehr muss der Brennstoff lediglich erwärmt und unter Druck gehalten bzw. gesetzt werden, um die Dehydrogenierung in superkritischer Phase ablaufen zu lassen. Auch im Vergleich zu einer Dehydrogenierung in flüssiger Phase, ausgehend von einem flüssig vorliegenden Brennstoff, ist bei einer Dehydrogenierung in superkritischer Phase die Energieausbeute beträchtlich gesteigert. Wenngleich die Lage des kritischen Punktes von der chemischen Zusammensetzung des betreffenden Kohlenwasserstoff-Brennstoffes abhängt, so hat es sich zur Realisierung einer superkritischen Phase für die meisten Fälle als geeignet herausgestellt, wenn die Reaktionstemperatur größer als 350°C ist, beispielsweise in einem Bereich zwischen 350°C und 450°C liegt. Für viele Kohlenwasserstoff-Brennstoffe hat es sich als besonders praktikabel herausgestellt, wenn ein Reaktionsdruck, bei welchem die Dehydrogenierungsreaktion in superkritischer Phase abläuft, mindestens 8 bar beträgt, z. B. in einem Bereich zwischen 8 bar und 25 bar liegt, insbesondere zwischen 10 bar und 25 bar.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Brennstoff Kerosin ist. Alternativ kann es sich bei dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff z. B. um Benzin oder Diesel handeln. Weitere Alternativen sind Kohlenwasserstoff-Brennstoffe nicht-fossilen Ursprungs z. B. basierend auf Biomasse.
  • In einer insbesondere für mobile Anwendungen (z. B. an Bord eines Flugzeuges) interessanten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Reaktor über eine Rückleitung mit dem Reservoir verbunden ist, um bei der Dehydrogenierung zugeführten Brennstoffes erzeugten Restbrennstoff an das Reservoir zurückzuleiten.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dicke der Trennwandung so bemessen ist, dass diese einer im Betrieb der Vorrichtung auftretenden Differenz zwischen den Drücken beiderseits der Trennwandung standhält. In diesem Fall ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die gesamte Trennwandungsfläche für die Abtrennung des Wasserstoffes nutzbar ist.
  • Bevorzugt ist die Trennwandung aus Pd/Ag-”Vollmaterial” hergestellt. Bei hinreichender Wandstärke (1 mm oder weniger zumeist ausreichend) kann damit eine selbsttragende Trennwandung realisiert werden, bei welcher kein zusätzliches (von der Pd/Ag-Legierung verschiedenes) Substrat zur mechanischen Stabilisierung der Trennwandung erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Pd-Anteil der Pd/Ag-Legierung größer als 70%, bevorzugt größer als 80% ist. Der Ag-Anteil der Pd/Ag-Legierung kann beispielsweise mehr als 10% betragen. Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass die Legierung neben Pd und Ag noch weitere Legierungspartner enthält.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trennwandung rohrförmig als ein aus einer Pd/Ag-Legierung gebildetes Trennrohr ausgebildet ist. Das Trennrohr kann z. B. einen kreisrunden Querschnitt besitzen.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein solches Trennrohr über seine Länge betrachtet einen einheitlichen Querschnitt besitzt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei welchen sich in Rohrlängsrichtung betrachtet der Querschnitt ändert.
  • In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Dehydrogenierung im Innenraum des Trennrohres stattfindet und der hindurchdiffundierte Wasserstoff auf der Außenseite des Trennrohres aufgefangen (und gegebenenfalls abgeführt) wird. Bei dieser Ausführungsvariante kann z. B. ein sich in Strömungsrichtung vergrößernder Querschnitt des Trennrohres vorgesehen sein (z. B. konisch oder in Stufen sich vergrößernder Querschnitt). Damit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass sich in Strömungsrichtung betrachtet die Konzentration des durch die Dehydrogenierung umzusetzenden Eduktes – und somit Wasserstoffproduktionsrate – verringert, so dass die mit der Querschnittsvergrößerung einhergehende Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit zu einer vorteilhaften, gewissen Kompensation dieses Effektes führt. In einer umgekehrten Ausführungsvariante wird die Dehydrogenierung auf der Außenseite des Trennrohres ablaufen gelassen und der Innenraum des Trennrohres zum Auffangen (und gegebenenfalls Abführen) des hindurchdiffundierten Wasserstoffes genutzt.
  • Eine für beide Ausführungsvarianten vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, das Trennrohr im Innenraum eines im Wesentlichen wasserstoffundurchlässigen Mantelrohres unterzubringen. Ein Zwischenraum zwischen Trennrohr und Mantelrohr kann dann, je nach Ausführungsvariante, als Auffangraum für den erzeugten Wasserstoff oder als Reaktionsraum für die Dehydrogenierung genutzt werden.
  • Das Mantelrohr sollte gute Wärmeleitungseigenschaften und eine hohe Korrosionsbeständigkeit besitzen. Es kann z. B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein.
  • In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Innenraum des Mantelrohres wenigstens ein weiteres, aus einer Pd/Ag-Legierung gebildetes Trennrohr angeordnet ist. Damit kann ein ”Rohrbündel-Reaktor” mit einer Mehrzahl z. B. parallel zueinander verlaufender Trennrohre ausgebildet werden. Im einfachsten Fall sind die einzelnen Trennrohre im Wesentlichen identisch ausgebildet, z. B. als einfache zylindrische Rohre. Eine im Querschnitt betrachtet möglichst ”dichte Packung” eines solchen Rohrbündels kann z. B. durch Anordnung der Trennrohre auf einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter erzielt werden. Durch eine solche Parallelanordnung von Trennrohren kann der Durchsatz der Wasserstofferzeugung entsprechend gesteigert werden.
  • Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens ist die mobile Wasserstoffgaserzeugung, beispielsweise an Bord eines Flugzeugs, Hubschraubers, Kraftfahrzeugs etc. Das erzeugte Wasserstoffgas ist hierbei insbesondere zum Betreiben von Hilfsaggregaten attraktiv. Eine Antriebseinrichtung wie z. B. ein Flugzeugtriebwerk oder eine Brennkraftmaschine wie ein Ottomotor oder Dieselmotor bei einem Kraftfahrzeug kann demgegenüber unmittelbar mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir versorgt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Wasserstoffgaserzeugung mit einem Reaktor gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
  • 2 eine schematische Seitenansicht eines Reaktors gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht des Reaktors von 2,
  • 4 eine schematische Seitenansicht eines Reaktors gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
  • 5 eine schematische Querschnittsansicht des Reaktors von 4, und
  • 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Reaktors gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt eine beispielsweise an Bord eines Flugzeuges zur Versorgung von Hilfsaggregaten verwendbare Vorrichtung 10 zur Erzeugung von Wasserstoffgas an einem Wasserstoffauslass 12.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst einen Brennstofftank 14, der im dargestellten Ausführungsbeispiel flüssiges Kerosin enthält, welches in erster Linie zur Versorgung eines Triebwerkes des Flugzeuges eingesetzt wird (nicht dargestellt).
  • Der Brennstofftank 14 ist über eine Brennstoffzuleitung 16 mit einem Reaktor 18 verbunden, um den Brennstoff aus dem Tank 14 dem Reaktor 18 zuzuführen.
  • Im Verlauf der Brennstoffzuleitung 16 sind eine Brennstoffpumpe 20, ein Wärmetauscher 22 und eine Heizeinrichtung 24 in dieser Reihenfolge angeordnet. Abweichend von der schematischen Darstellung von 1 kann die Heizeinrichtung in der Praxis besonders vorteilhaft auch innerhalb des Reaktors 18 oder im Bereich einer Eintrittsöffnung (zur Einströmung des Brennstoffes) des Reaktors 18 angeordnet sein.
  • Der mittels der Pumpe 20 geförderte und mittels des Wärmetauschers 22 und der Heizeinrichtung 24 auf eine Reaktionstemperatur erwärmte Brennstoff gelangt über einen Brennstoffeinlass 26 des Reaktors 18 in einen Reaktionsraum 28 des Reaktors 18, der über eine aus einer Pd/Ag-Legierung gebildete Trennwandung 30 von einem Wasserstoffauffangraum 32 getrennt ist. Im Hinblick auf die Wasserstoffdurchlässigkeit der Trennwandung 30 ist diese in den Figuren gestrichelt dargestellt. Tatsächlich handelt es sich jedoch um ein selbsttragendes Vollmaterial.
  • Die Erzeugung des Wasserstoffgases erfolgt im Reaktionsraum 28 des Reaktors 18 durch eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion, wobei ein großer Anteil des erzeugten Wasserstoffes durch die Trennwandung 30 hindurchdiffundiert und somit im Auffangraum 32 aufgefangen wird. Der Auffangraum 32 mündet in den erwähnten Wasserstoffgasauslass 12, mittels welchem das Wasserstoffgas abgeleitet (z. B. abgepumpt) und zur Versorgung der Hilfsaggregate und/oder zur Befüllung eines Wasserstoffspeichers bereitgestellt wird.
  • Im Reaktionsraum 28 ist ein in 1 durch eine Rautenfläche symbolisierter Katalysator (bzw. ”Katalysatorbett”) 29 angeordnet, um die Reaktionsschwelle der Dehydrogenierungsreaktion herabzusetzen. Der Katalysator 29 kann z. B. von Pt/CeO/Al2O3, CuZn/Al2O3 oder dergleichen gebildet sein und z. B. als Schüttgut (z. B. Pellets, gebrochenes Material etc.) in den Reaktionsraum 28 eingebracht sein. Das auf die Reaktionstemperatur vorgeheizte Kerosin wird kontinuierlich über diesen Katalysator geleitet.
  • An einem mit dem Reaktionsraum 28 verbundenen Restbrennstoffauslass 34 wird der (teilweise dehydrogenierte) Restbrennstoff in eine Rückleitung 36 austreten gelassen, die über den Wärmetauscher 22 und ein steuerbares Druckhalteventil 38 in den Brennstofftank 14 führt, um bei der Dehydrogenierung erzeugten Restbrennstoff in den Brennstofftank 14 zurückzuleiten.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Dehydrogenierungsreaktion im Reaktionsraum 28 des Reaktors 18 bei einer Reaktionstemperatur von etwa 300 bis 450°C und einem Reaktionsdruck von etwa 6 bis 10 bar.
  • Die zum Erwärmen des dem Reaktor 18 zugeführten Brennstoffes auf die Reaktionstemperatur vorgesehene Heizeinrichtung 24 kann z. B. als ein Brenner ausgebildet sein oder einen Brenner aufweisen, der mit einem Teil des im Prozess erzeugten Restbrennstoffes versorgt wird.
  • Mittels des Wärmetauschers 22 erfolgt vorteilhaft eine Vorerwärmung des über die Brennstoffzuleitung 16 dem Reaktor 18 zugeführten Brennstoffes und gleichzeitig eine Abkühlung des über die Rückleitung 36 strömenden Gemisches aus Restbrennstoff und evtl. kleineren Wasserstoffanteilen, indem Wärme von der Rückleitung 36 zur Zuleitung 16 übertragen wird.
  • Zur Aufrechterhaltung des Reaktionsdruckes im Reaktionsraum 28 tragen im dargestellten Ausführungsbeispiel die mittels eines Steuersignals 51 steuerbare Brennstoffpumpe 20 und das mittels eines Steuersignals s2 steuerbare Druckhalteventil 38 bei, welches z. B. als einstellbares Proportionalventil ausgebildet ist, dessen Rückhaltevermögen durch eine Steuereinrichtung ST eingestellt wird.
  • In der dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung 10 werden die Reaktionstemperatur T und der Reaktionsdruck p im Reaktionsraum 28 durch eine (nicht dargestellte) Sensorik gemessen und für eine geeignete Einstellung bzw. Regelung dieser Prozessparameter herangezogen. Hierfür werden auf Basis der gemessenen Werte von T und p die Brennstoffpumpe 20 (oder eine gegebenenfalls im weiteren Verlauf der Brennstoffzuleitung 16 vorgesehene Hochdruckpumpe), die Heizeinrichtung 24 und das Druckhalteventil 38 geeignet angesteuert.
  • Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem das Druckhalteventil 38 als einstellbares Proportionalventil vorgesehen ist, könnte dieses auch mit einem fest eingestellten Druckhaltevermögen vorgesehen sein.
  • Je nach konkreter Festlegung der Prozessparameter kann die Dehydrogenierungsreaktion z. B. in flüssiger Phase oder in superkritischer Phase des Brennstoffes (hier: Kerosin) erfolgen. In beiden genannten Ausführungsvarianten ergibt sich der Vorteil, dass der in flüssiger Phase bevorratete Brennstoff lediglich erwärmt und unter Druck gesetzt werden muss. Eine zusätzliche Wärmezufuhr, etwa zur Phasenänderung in die Gasphase (und eine zusätzliche Wärmeabfuhr zur Kondensation des Restbrennstoffes) ist dann vorteilhaft nicht erforderlich.
  • Mit der dargestellten Vorrichtung 10 lässt sich vergleichsweise reiner Wasserstoff bei vergleichsweise hohem und vorteilhaft kontinuierlichem Durchsatz bereitstellen. Maßgeblich trägt hierzu die Verwendung einer Pd/Ag-Legierung als Trennwandung 30 bei. Eine derartige Legierung besitzt eine hohe Selektivität für Wasserstoff bei gleichzeitig hohem Rückhaltevermögen für den Brennstoff (insbesondere Kerosin) bzw. Restbrennstoff. Die kontinuierliche Abtrennung von Wasserstoff aus dem Dehydrogenierungsprozess kann unter Verwendung von dichten Pd/Ag-Membranen aus z. B. gewalztem Vollmaterial erfolgen, wobei hohe Wasserstoff-Permeationsraten ab etwa 300°C und ab etwa 10 bar erhalten werden. Letztere Prozessparameter liegen somit in einem Bereich, der auch für die Effizienz der Dehydrogenierungsreaktion vorteilhaft ist.
  • Wenngleich dies in 1 nicht dargestellt ist, so könnte der am Auslass 12 bereitgestellte Wasserstoff vor seiner Verwendung parallel zur Rückleitung 36 durch den Wärmetauscher 22 geführt werden, um auch die im erzeugten Wasserstoff enthaltene Wärme vorteilhaft zur Vorerwärmung des dem Reaktor 18 zuzuführenden Brennstoffes auszunutzen.
  • Durch eine bauliche Zusammenfassung der Trennwandung 30 mit den daran angrenzenden Reaktions- und Auffangräumen 28, 32 zu einem ”Membranreaktor” 18 ergibt sich eine insbesondere für mobile Anwendungen vorteilhaft kompakte Anordnung.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
  • 2 zeigt einen Reaktor 18a gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, zum Einsatz in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoffgas, beispielsweise einer Vorrichtung der mit Bezug auf die 1 bereits beschriebenen Art (als Ersatz für den dort eingesetzten Reaktor 18).
  • Der Reaktor 18a besitzt einen Brennstoffeinlass 26a und einen Restbrennstoffauslass 34a, die jeweils als Rohrstutzen ausgebildet sind. Dazwischen ist ein rohrförmig als ein aus einer Pd/Ag-Legierung gebildetes Trennrohr 30a angeordnet, dessen Innenraum einen Reaktionsraum 28a für die Dehydrogenierungsreaktion und dessen Außenraum einen Auffang- und abführraum 32a für den erzeugten Wasserstoff bildet. In dieser Ausführungsform wird die zur Abtrennung des Wasserstoffes aus dem Dehydrogenierungsprozess verwendete Trennwandung also durch das Trennrohr 32a bzw. dessen in sich geschlossene Rohrwandung gebildet.
  • Der Außenraum des Trennrohres 30a wird durch ein wasserstoffundurchlässiges Mantelrohr 40a (z. B. aus Edelstahl oder Kupfer) begrenzt. Der davon begrenzte Auffangraum 32a mündet in einen rohrstutzenförmigen Wasserstoffgasauslass 12a zur Bereitstellung des abgetrennten Wasserstoffes.
  • 3 zeigt den Reaktor 18a in einer schematischen Querschnittsansicht (in einem in Durchströmungsrichtung betrachtet mittleren Bereich).
  • 4 zeigt einen modifizierten Reaktor 18b mit einer Parallelanordnung mehrerer ”Einzelreaktoren” der mit Bezug auf die 2 und 3 bereits beschriebenen Art.
  • Im Reaktor 18b sind mehrere Reaktions- bzw. Trennrohre 30b-1 bis 30b-7 in einer Parallelanordnung innerhalb eines dieses ”Rohrbündel” umgebenden Mantelrohres 40b untergebracht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Trennrohre 30b-1 bis 30b-7 durch einen gemeinsamen Brennstoffeinlass 26b versorgt, wobei erzeugter Restbrennstoff über einen gemeinsamen Restbrennstoffauslass 34b ausgelassen und z. B. an ein Brennstoffreservoir (z. B. Kerosintank) zurückgeführt wird.
  • 5 zeigt die Gestaltung des Reaktors 18b in einer schematischen Querschnittsansicht. Daraus ist ersichtlich, dass die im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt 7 Trennrohre 30b-1 bis 30b-7 im Querschnitt betrachtet auf einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter angeordnet sind. Prinzipiell sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Bei den Trennrohren 30b-1 bis 30b-7 kann jeweils ein in Rohrlängsrichtung betrachtet konstanter, beispielsweise kreisrunder Querschnitt oder z. B. ein sich in Strömungsrichtung vergrößernder Querschnitt vorgesehen sein (z. B. konische oder gestufte Trennrohre).
  • 6 veranschaulicht in einer der 5 entsprechenden Darstellung ein weiteres Beispiel eines Reaktors 18c mit einer Mehrzahl von Trennrohren, hier drei Trennrohre 30c-1 bis 30c-3, von jeweils nicht-rundem Rohrquerschnitt. Im dargestellten Beispiel besitzen die einzelnen Reaktions- bzw. Trennrohre 30c-1 bis 30c-3 jeweils einen rechteckigen Querschnitt, und sind in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet.
  • Mittels einer Rohrbündelanordnung, wie beispielhaft anhand der 4 bis 6 veranschaulicht, lässt sich die Vorrichtung zur Wasserstoffgaserzeugung in einfacher Weise für größere Durchsatzraten skalieren.
  • Abweichend von den beschriebenen Rohrbündeleinheiten, bei welchen die Diffusion des Wasserstoffes jeweils aus dem Innenraum eines Trennrohres in den Außenraum erfolgt, könnte auch die umgekehrte Anordnung vorgesehen sein, bei welcher der die einzelnen Trennrohre umgebende Außenraum als Reaktionsraum genutzt wird und der hindurchdiffundierte Wasserstoff im Innenraum der einzelnen Trennrohre aufgefangen und abgeführt wird. Ausgehend von den dargestellten Ausführungsbeispielen wären hierfür der Brennstoffeinlass mit den Trennrohrumgebungen zu verbinden, der Restbrennstoffauslass an die Trennrohrinnenräume anzuschließen und die Katalysatoren in der Trennrohrumgebung anzuordnen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005044926 B3 [0002, 0003]

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, umfassend ein Brennstoffreservoir (14) für einen Brennstoff, das über eine Brennstoffzuleitung (16) mit einem Reaktor (18) verbunden ist, um Brennstoff aus dem Reservoir (14) dem Reaktor (18) zuzuführen, und eine Heizeinrichtung (22, 24) zum Erwärmen des dem Reaktor (18) zugeführten Brennstoffes auf eine Reaktionstemperatur (T), dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (18) wenigstens eine aus einer Pd/Ag-Legierung gebildete Trennwandung (30) aufweist, auf deren einer Seite die Dehydrogenierung abläuft und auf deren anderer Seite durch die Trennwandung (30) hindurchdiffundiertes Wasserstoffgas aufgefangen wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reaktionstemperatur (T) größer als 300°C, insbesondere größer als 400°C, ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Reaktionsdruck (p) mindestens 6 bar, insbesondere mindestens 8 bar beträgt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zugeführte Brennstoff flüssig ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zugeführte Brennstoff Kerosin ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Trennwandung (30) so bemessen ist, dass diese einer im Betrieb der Vorrichtung (10) auftretenden Differenz zwischen den Drücken beiderseits der Trennwandung (30) standhält.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Pd-Anteil der Pd/Ag-Legierung größer als 70%, bevorzugt größer als 80% ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ag-Anteil der Pd/Ag-Legierung im Bereich von 5 bis 40%, bevorzugt im Bereich von 5 bis 20%, liegt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trennwandung (30) rohrförmig als ein aus einer Pd/Ag-Legierung gebildetes Trennrohr ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Trennrohr im Innenraum eines im Wesentlichen wasserstoffundurchlässigen Mantelrohres (40) untergebracht ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei im Innenraum des Mantelrohres (40) wenigstens ein weiteres, aus einer Pd/Ag-Legierung gebildetes Trennrohr (30) angeordnet ist.
  12. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffgas durch Dehydrogenierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, umfassend ein Zuführen eines Brennstoffes aus einem Brennstoffreservoir (14) zu einem Reaktor (18), und gegebenenfalls ein Zurückleiten von bei der Dehydrogenierung erzeugten Restbrennstoffes an das Reservoir (14), wobei der dem Reaktor (18) zugeführte Brennstoff auf eine Reaktionstemperatur (T) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydrogenierung auf einer Seite einer aus einer Pd/Ag-Legierung gebildeten Trennwandung (30) ablaufen gelassen wird, und dass auf der anderen Seite der Trennwandung (30) durch diese hindurchdiffundiertes Wasserstoffgas aufgefangen wird.
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