DE102012203202A1 - Vorrichtung zur thermochemischen Spaltung von Wasser - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur thermochemischen Spaltung von Wasser, wobei die Vorrichtung ein Mikroreaktor ist.

Description

• Stand der Technik:
• Ausgangspunkt der Erfindung ist ein thermochemischer bzw. hybridisierter Kreislauf zur Wasserspaltung. Dieser dient dazu, Wärme, die als niedere Form der Energie oft ungewollt entsteht, in eine höhere Form der Energie – hier chemische Energie in der Form von Wasserstoff oder Sauerstoff – zu überführen. Hierfür können je nach Art der Anwendung verschiedene thermochemische Kreisprozesse zum Einsatz kommen. Der als geeignet erscheinende Kreisprozess wird jeweils angewandt. In dieser Patentschrift werde ich dies am hybridisierten MgCl₂-Kreislauf (s. 1 und 2/ Reaktionsgleichungen) demonstrieren. Dieser lässt sich bei Temperaturen ab 500°C durchführen. Die nötige Temperatur kann auch u. a. wie in US-Patent „ US 2010/0025260 A1 Naterer et al.” beschrieben mittels Wärmepumpen erreicht werden. Der Mikroreaktor kann je nach Anwendung auf den entsprechenden thermochem. bzw. hybridisierten Kreisprozess individuell angepasst werden (z. B. Kupferchlorid-Prozess, Schwefeliodid-Prozess etc).
• Neuheit der Erfindung:
• Die vorliegende Erfindung besteht in der Umsetzung des bekannten thermochemischen Kreisprozesses in einer Vorrichtung im Kleinstmaßstab, auch als Mikroreaktor bezeichnet. Der Vorteil in der Umsetzung als Mikroreaktor besteht darin, dass dieser einfach in Serie gefertigt werden kann und einen sicheren, geschlossenen Reaktor darstellt, der einfach zu handhaben ist.
• Beansprucht wird hierbei, dass diese Mikroreaktoren beliebig miteinander kombiniert werden können, um größere Elemente (s. Stacks bei Brennstoffzellen) zu erhalten. Da diese Umsetzung in einem Mikroreaktor deutlich kleinere Volumenanforderungen hat als in einem größeren Reaktor, sind diese Mikroreaktoren in sehr vielen technischen Anwendungen einsetzbar, sobald man Hitze von ca. 500°C zur Verfügung hat (kann auch über Wärmepumpen, s. Stand der Technik erreicht werden), da sie sehr platzsparend sind und somit auch Wärmequellen erschließen können, die mit bisherigen Reaktorkonzepten nicht nutzbar sind. Außerdem sind sie sehr leicht, somit ist auch eine mobile Anwendung, z. B. in einem Kraftfahrzeug möglich (s. Patentschrift „System zur Entfernung von Schadstoffen aus Abgasen”).
• Die notwendige Wärme kann mittels Wärmetauscher auf den Mikroreaktor übertragen werden. Weiterhin nimmt der Mikroreaktor die überschüssige Wärme auf und wandelt diese in chemische bzw. elektrische Energie um. Somit kann der Mikroreaktor auch zur Wärmerückgewinnung und damit einhergehender Kühlung genutzt werden, da sich durch dieses System große Wärmemengen in einem im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen relativ hohen Temperaturbereich effizient abführen lassen. Der Mikroreaktor kann beispielsweise auch als Überhitzungsschutz z. B. bei Reaktoren in größerem Maßstab zur Anwendung kommen.
• Beschreibung der Erfindung (Mikroreaktor):
• s. 1 und 2.
• Die Magnesiumkomponente ist an eine Trägersubstanz, die bei vorliegenden Reaktionsbedingungen stabil ist, gebunden (z. B. ein entsprechendes Zeolith) und befindet sich innerhalb einer kreisförmigen Reaktionskammer im Mikroreaktor. Dort durchläuft es abwechselnd in einem endlosen Kreislauf die Reaktionen 1) und 2) und liegt somit als MgCl₂ bzw. MgO vor. Das nötige Reaktionsedukt (Wasser bzw. Chlor) dringt in die Trägersubstanz ein und reagiert mit der entsprechenden Mg-Komponente. Nach der Reaktion tritt das entstehende Reaktionsprodukt (HCl bzw. Sauerstoff) aus der Trägersubstanz hervor und diffundiert in die Reaktionskammer. Der Sauerstoff wird dem Reaktor entzogen und kann anderweitig verwertet werden, z. B. für die Unterstützung des Verbrennungsprozesses bspw. bei Verbrennungsmotoren. Das entstehende HCl wird in die Elektrolysekammer eingeführt und dort nach Reaktion 3) wieder in die Elemente zerlegt. Der entstehende Wasserstoff wird dem Reaktor entzogen und anderweitig verwendet (Hauptträger der erhaltenen chem. Energie). Das entstehende Chlor wird in die Reaktionskammer zurückgeführt und durchläuft somit wieder Reaktion 2). Somit ist der Kreislauf geschlossen unter der Bedingung, dass entsprechend Wärme und Wasser zugeführt wird und Sauerstoff abgeführt wird.
• Der Mikroreaktor kann aus einer oder mehreren Reaktionskammern bestehen. Diese befinden sich vorzugsweise um die Elektrolysekammer herum und sind zur Elektrolysekammer hin und nach außen hin durch einen schlechten Wärmeleiter wärmeisoliert (in der Darstellung schwarz). Zwischen den einzelnen Reaktionskammern und auch zwischen der untersten Reaktionskammer und der Wärmequelle wird ein guter Wärmeleiter verwendet (in der Darstellung schraffiert). Selbstverständlich müssen diese Materialien unter den entsprechenden Bedingungen inert sein. Zwischen der Wärmequelle und der untersten wärmeleitenden Schicht können zusätzlich wahlweise thermaelektrische Elemente angebracht werden. Diese dienen dazu, den nötigen Strom für die Elektrolyse zu gewinnen. Da für thermaelektr. Elemente eine Temperaturdifferenz zwischen den entgegenliegenden Seiten des thermoelektr. Elements notwendig ist, bietet es sich an, die von der Wärmequelle abgewandte Seite des Elements durch direkte Abfuhr der Wärme durch die wärmeleitende Schicht zu den Reaktionskammern, das thermoelektr. Element zu kühlen, um den Temperaturgradienten konstant zu halten, um somit dauerhaft bei Wärmezufuhr Strom zu erzeugen. Dieser wird der Elektrolysezelle zugeführt. Zusätzlich kann noch Strom aus externen Quellen der Elektrolysezelle zugeführt werden.
• In der beigefügten 1 bedeuten die nachfolgenden Ziffern und Buchstaben folgendes:
• a Wärmeisolator
• b Membran
• c Anode
• d Kathode
• 1 Reaktion 1: MgCl₂ + H₂O → 2HCl + MgO
• 2 Reaktion 2: MgO + Cl₂ → MgCl₂ + ½O₂
• 3 Reaktion 3: 2HCl → H₂ + Cl₂ Anode: 2HCl → Cl₂ + 2H⁺ + 2e^– Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂
• In der beigefügten 2 stehen die Buchstaben und Zahlen für folgende Begriffe:
• a Kathode
• b Einlass für HCl
• c Anode
• d Membran
• e Wärmeisolator
• f Reaktionskammer
• g Wärmeleiter
• h Thermoelektrisches Element
• i Stromversorgung der Elektroden
• 1 Reaktion 1: MgCl₂ + H₂O → 2HCl + MgO
• 2 Reaktion 2: MgO + Cl₂ → MgCl₂ + ½O₂
• 3 Reaktion 3: 2 HCl → H₂ + Cl₂ Anode: 2HCl → Cl₂ + 2H⁺ + 2e^– Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2010/0025260 A1 [0001]

Claims (4)

1. Vorrichtung zur thermochemischen Spaltung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mikroreaktor ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroreaktor eine vorzugsweise kreisförmige Reaktionskammer mit einem Zulauf für H₂O und einem Ablauf für O₂ aufweist, wobei im Innern der Reaktionskammer folgende Reaktionen ablaufbar sind: MgCl₂ + H₂O → 2HCl+ MgO MgO + Cl₂ → MgCl₂ + ½O₂
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroreaktor eine Elektrolysekammer vorgesehen ist, in welcher eine Membran sitzt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Elektrolysekammer folgende Reaktion ablaufbar ist: 2HCl → H₂ + Cl₂ Anode: 2HCl → Cl₂ + 2H⁺ + 2e^– Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂

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