DE102020114998A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, welche Vorrichtung einem Behälter (12) bildet, der einen Zulauf-Sammelraum (14) für das Gasgemisch (MG) und einen Abzug-Sammelraum (15) für Wasserstoff (H2) definiert, wobei der Zulauf-Sammelraum (14) von dem Abzugs-Sammelraum (15) mittels einer für Wasserstoff durchlässigen Membran (16) abgetrennt ist. Um bei einer solchen Vorrichtung eine sehr große Austauschfläche der eingesetzten Membran auf kleinem Bauraum zu realisieren, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Membran (16) im Wesentlichen falten-, spiral- oder wendelförmig mit einer Mehrzahl von in einem Abstand angeordneten Membrangängen (17) so angeordnet ist, dass in dem Abstand (a)zwischen einander benachbarten Membrangängen (17) abwechselnd Bereiche (14', 14'',14''';15',15'') des Zulauf-Sammelraums (14) und des Abzugssammelraums (15) ausgebildet sind. Verfahrensgemäß kann die Membran von zwei Vorratshaspeln ab- und in zwei einander abwechselnden Membranlagen (16a,b) zur Bildung des Separators aufgewickelt werden, wobei bevorzugt zwischen einer der Haspeln (25a) und einer Wickelstation (28) wenigstens eine der Membranlagen (16a) mit einer Abstandhalter bildenden Prägung (19) versehen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, mit einem Behälter, der einen Zulauf-Sammelraum für das Gasgemisch und einen Abzug-Sammelraum für Wasserstoff definiert, wobei der Zulauf-Sammelraum von dem Abzugs-Sammelraum mittels einer für Wasserstoff durchlässigen Membran abgetrennt ist. Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch gerichtet, die eine für Wasserstoff durchlässige Membran, einen Gasgemisch-Zulauf, einen Wasserstoff-Abzug und einen Restgas-Auslass aufweist.
  • Es ist bekannt, mittels elektrischer Energie, insbesondere solcher, die aus Wind- oder Solarkraft gewonnen wurde, durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff herzustellen und diesen somit zur Speicherung von überschüssigem Solar- oder Windstrom zu verwenden. Der Wasserstoff kann hierfür nicht nur in geeigneten Gastanks gespeichert werden, sondern es ist auch möglich, ihn in ein bestehendes Erdgasnetz einzuspeisen und zu transportieren. Er kann dann entweder gemeinsam mit dem Erdgas wieder in elektrische Energie umgewandelt werden oder auch aus dem Erdgas wieder abgeschieden werden, um ihn z.B. für Brennstoffzellen in Fahrzeugen verfügbar zu machen. Eine Einspeisung von bis zu 10 % Wasserstoff in das Erdgas-/Stadtgasnetz ist sicherheitstechnisch unbedenklich. Das Gasnetz erfüllt nicht nur eine Speicherfunktion für den Wasserstoff, sondern ermöglicht auch dessen Transport zu einer beliebigen Stelle im Gas-Rohrleitungssystem, an der er mit einer geeigneten Wasserstoffseparationsanlage von dem Restgas abgetrennt und seiner weiteren Verwendung zugeführt werden kann, z.B. zur Versorgung einer Wasserstofftankstelle für Fahrzeuge.
  • Die EP 3 080 038 B1 beschreibt ein derartiges Verfahren zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff, wobei der durch Elektrolyse erzeuge Wasserstoff mit Synthesegas zu Methan umgesetzt und das so hergestellte Methangas in das Erdgasnetz eingespeist wird. Die dem eingeleiteten Methan entsprechende Menge Erdgas wird dem Gasnetz an der gewünschten Stelle entnommen und mittels eines Dampfreformers in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt, um den Wasserstoff, beispielsweise für den Einsatz in einer Brennstoffzelle wieder verfügbar zu machen.
  • Die Rückgewinnung des Wasserstoffes aus dem Gasgemisch mittels eines Dampfreformers ist sowohl in technischer Hinsicht aufwendig als auch unter energetischen Gesichtspunkten nicht optimal. Die US 2006/0090649 A1 beschreibt ein tubulär aufgebautes, großflächiges, anorganisches Modul, das zur Separation von Wasserstoff mittels eines Membran-Trennverfahrens geeignet ist, welches Verfahren eine bessere Energieeffizienz als andere Verfahren aufweist und das leichter als solche anderen Verfahren betrieben werden kann. Als Membranmaterial zur Abscheidung des Wasserstoffes aus dem Gasgemisch werden Palladium, Palladiumlegierungen, Zeolithe, Aluminium, Siliziumcarbid oder Siliziumdioxid beschrieben. Die genannten Membranwerkstoffe sind teuer und/oder nicht in großem Maße verfügbar.
  • Die DE 10 2010 049 792 B4 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff aus einem Pyrolysegas, bei dem der Wasserstoff aus dem Gasgemisch mittels einer semipermeablen Eisenmembran (Reineisen/Roheisen/ferritisches Eisen) abgetrennt wird. Auch hier erfolgt der Gasaustausch in einer einem Röhrenreaktor vergleichbaren Vorrichtung mit einer Vielzahl an Rohren, deren Rohrwände die Membran bilden. Da die Wasserstoffdiffusion durch eine Eisenmembran um einen Faktor 100 bis 1000 geringer ist als bei den vorstehend angesprochenen Materialien wie Palladium, muss zum Abtrennen einer vergleichbar großen Menge Wasserstoff aus einem Gasgemisch die Austauschfläche der Eisenmembran um das 100 bis 1000-fache größer als die einer Palladiummembran sein. Das macht bekannte Vorrichtungen mit rohrförmigen Eisenmembranen sehr groß.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, womit eine sehr große Austauschfläche der eingesetzten Membran auf kleinem Bauraum realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Membran im Wesentlichen falten-, spiral- oder wendelförmig mit einer Mehrzahl von in einem Abstand angeordneten Membrangängen so angeordnet ist, dass in dem Abstand zwischen einander benachbarten Membrangängen abwechselnd Bereiche des Zulauf-Sammelraums und des Abzugssammelraums ausgebildet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt zur Lösung der Aufgabe vor, dass die Membran um den Gasgemisch-Zulauf und/oder den Wasserstoff-Abzug und/oder den Restgas-Auslass so spiralförmig aufgewickelt wird, dass einander benachbarte Membrangänge in einem Abstand voneinander angeordnet werden und zwischen einander benachbarten Membrangängen abwechselnd Bereiche eines mit dem Gasgemisch-Zulauf kommunizierenden Zulauf-Sammelraums und eines mit dem Wasserstoff-Abzug kommunizierenden Abzugssammelraums ausgebildet werden.
  • Die besondere, falten-, spiral- oder wendelförmige Anordnung der Membran mit mehreren Membrangängen und jeweils dazwischen ausgebildeten, abwechselnden Bereichen des Zulauf-Sammelraums und des Abzugssammelraums ermöglicht es, eine sehr große Membran-Austauschfläche auf kleinem Raum unterzubringen und somit bei relativ geringer Baugröße des Separators eine hohe Abscheiderate zu erreichen. Aufgrund der sehr kompakten Bauweise ist eine effektive Wärmedämmung der Vorrichtung mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich, so dass ein Betrieb des Separators bei erhöhten Temperaturen, die bei Einsatz von Eisenwerkstoff als Membranmaterial die Diffusion von Wasserstoff durch die Membran begünstigen, mit nur geringem Wärmeverlust möglich ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung lässt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und kostengünstig herstellen.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Membran zwei einander in ihrer falten-, spiral- oder wendelförmigen Anordnung abwechselnde Membranlagen aufweist. Der Abzugs-Sammelraum für den Wasserstoff wird dabei beidseitig von den zwei Membranlagen begrenzt und die Membranfläche, durch die der Wasserstoff aus den Bereichen des Gasgemisch-Zulaufs in die benachbarten Bereiche für den Wasserstoff-Abzug hindurchdiffundieren kann, ist bei dieser Ausgestaltung besonders groß.
  • Die Membran ist vorzugsweise zumindest in Teilbereichen mit Abstandhaltemitteln versehen, so dass die einzelnen Membranlagen jedenfalls dort, wo solche Abstandhaltemittel vorgesehen sind, einander nicht berühren können, sondern zwischen sich ein ausreichend großes Volumen für den Durchlass des Gasgemisches bzw. des Wasserstoffes bilden.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Abstandhaltemittel von über die Fläche der Membran verteilt angeordneten Prägungen gebildet, wobei bei der bevorzugten Ausführungsform mit zwei Membranlagen die Abstandhaltemittel vorzugsweise nur an einer der beiden Membranlagen vorgesehen sind. Es ist aber auch möglich, wenn das Abstandhaltemittel als ein zumindest in Teilbereichen zwischen den Membrangängen angeordneter Einleger ausgebildet ist.
  • Die Membran besteht vorzugsweise aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus einer Reineisenfolie oder einer Folie aus ferritischem Eisen bzw. niedrig legiertem Stahl mit geeigneter, möglichst geringer Folienstärke, die bevorzugt kleiner als 0,5 mm ist. Angestrebt wird insbesondere eine Folienstärke von weniger als 0,2 mm und ganz besonders weniger als 0,1 mm.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Membran als zweilagige Spiralwicklung um mindestens einen Gasgemisch-Zulauf, mindestens einen Restgas-Auslass und/oder mindestens einen Wasserstoff-Abzug angeordnet ist. Verfahrensgemäß wird also bevorzugt die Membran um den Gasgemisch-Zulauf und/oder den Wasserstoff-Abzug und/oder des Restgas-Auslass nach Art einer doppellagigen Spirale gewickelt. Die Anordnung kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung so getroffen sein, dass der Gasgemisch-Zulauf und/oder der Wasserstoff-Abzug und/oder der Restgas-Auslass als zentral in der Spiralwicklung angeordnete(r) Rohrstutzen ausgebildet ist/sind. Vorzugsweise ist die Membran zwischen dem Gasgemisch-Zulauf und dem Wasserstoff-Abzug hindurchgeführt und doppellagig um den Zulauf und den Abzug herum unter Ausbildung eines Abstandes zwischen benachbarten Lagen aufgewickelt.
  • Die Membrangänge können an ihren stirnseitigen Rändern mit mindestens einem Stirndeckel oder einer umfangsseitig geschlossenen Hüllschicht oder einem die Membranlagen gegeneinander abdichtenden Dicht- oder Klebstoff gasdicht gegeneinander abgeschlossen sein, so dass in jedem Falle sichergestellt ist, dass ein Gasaustausch zwischen benachbarten Bereichen des Gasgemisch-Zulaufs und des Wasserstoff-Abzugs nur durch die dazwischen liegenden Membranlagen erfolgt. Die umfangsseitig geschlossene Hüllschicht kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass zwischen den einzelnen Lagen der Membran an deren umfangsseitigen Rändern ein Draht oder ein schmaler Blechstreifen mit einem Durchmesser bzw. einer Dicke angeordnet ist, der/die dem Abstand entspricht, den die Membranlagen voneinander einhalten (sollen). Der Durchmesser des Drahts bzw. die Dicke des Blechstreifens entspricht also bevorzugt der entsprechenden Abmessung der Abstandhaltemittel. Dieser Draht bzw. Blechstreifen ist dann mit den Membranlagen an deren Rand gasdicht verlötet, verklebt oder auf andere, geeignete Weise verbunden.
  • Der Zulauf-Sammelraum weist zweckmäßig einen Restgas-Auslass auf, der bevorzugt in einem größtmöglichen Abstand vom Gasgemisch-Zulauf des Zulauf-Sammelraums angeordnet ist, so dass das Gasgemisch, aus dem der Wasserstoff abgeschieden wird, bis zu seinem Abzug über den Restgas-Auslass über die gesamte wirksame Länge der Membran an dieser vorbeiströmt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird die Membran der Vorrichtung von zwei Vorratshaspeln als zwei separate, in ihrer Anordnung in der Spirale einander abwechselnde Membranlagen zugeführt, die dann die doppellagige Anordnung der Membran in der Vorrichtung bilden. Die Membran oder mindestens eine ihrer Membranlagen wird vorzugsweise vor dem Aufwickelvorgang an ihrer Ober- und/oder ihrer Unterseite mit einer Abstandhalter bildenden Prägung versehen, die sicherstellt, dass beim Aufwickeln der Membran die dabei entstehenden Membrangänge im Abstand voneinander gehalten werden, durch den hindurch das Gas strömen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Prägung mittels einer zwischen einer Vorratshaspel und einer Wickelstation zur Aufwicklung der Membran angeordneten Prägestation erfolgt, die Prägung also (erst) unmittelbar vor dem Aufwickeln der Membran in derselben erzeugt wird.
  • Die beiden Membranlagen werden vorzugsweise von einem einteiligen Membranmaterialstreifen gebildet werden, der im Zentrum der doppellagigen Spirale der Vorrichtung zwischen dem Gasgemisch-Zulauf und dem Wasserstoff-Abzug hindurch geführt ist/wird, um die damit kommunizierenden Sammelräume voreinander abzugrenzen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, worin bevorzugten Ausführungsformen anhand von Beispielen dargestellt und weiter erläutert sind. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Separieren von Wasserstoff aus einem Mischgas im Querschnitt;
    • 2 den Gegenstand der 1 im Längsschnitt längs der Linie II-II;
    • 3 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung;
    • 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt.
  • Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsformen einer in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichneten Vorrichtung, die dazu dient, Wasserstoff aus einem Gasgemisch im Membran-Abscheideverfahren wieder zu trennen, nachdem es zuvor, beispielsweise an einem anderem Ort, zur Speicherung und/oder zum Transport in ein bestehendes Erdgasnetz eingeschleust wurde, von dem in der Zeichnung ein Mischgasanschluss mit 11 bezeichnet ist. Durch das Einspeisen von Wasserstoff in ein Erdgasnetz ist es möglich, Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse mittels Strom aus bevorzugt regenerativen Energiequellen (Wind, Solar) gewonnen wurde, ohne aufwendige Tanktechnik im Erdgasnetz bis zum Verbrauch zwischenzuspeichern und zusammen mit dem Erdgas auch zu einer entfernt gelegenen Verbrauchsstelle zu transportieren. Bei einer solchen Verbrauchsstelle kann es sich beispielsweise um eine Wasserstoff-Tankstelle handeln, an der Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik ihren Bedarf an Wasserstoff decken können.
  • Um den Wasserstoff H2 aus dem aus Erdgas und Wasserstoff bestehenden Mischgas MG an der jeweiligen Verbrauchsstelle besonders effizient abzutrennen, weist die Vorrichtung 10 nach der Erfindung bei der ersten Ausführungsform einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 12 auf, der an seinen beiden Stirnseiten mit Stirndeckeln 13 (2) abgeschlossen ist. Der Behälter definiert in seinem Inneren einerseits einen Zulauf-Sammelraum 14 für das Gasgemisch MG und andererseits einen Abzug-Sammelraum 15 für aus dem Gasgemisch abgeschiedenen Wasserstoff H2. Dabei ist der Zulauf-Sammelraum 14 von dem Abzugs-Sammelraum 15 mittels einer für Wasserstoff durchlässigen Membran 16 abgetrennt. Diese besteht bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen aus einer dünnen Folie aus einem Eisenmaterial, bevorzugt aus Reineisen bzw. ferritischem Eisen.
  • Die Membran 16 ist bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel zweilagig und im Wesentlichen spiralförmig in dem Behälter 12 mit einer Mehrzahl von in einem Abstand angeordneten Membrangängen 17 so angeordnet ist, dass in dem Abstand zwischen einander benachbarten Membrangängen 17 abwechselnd Bereiche 14', 14'', 14''' usw. des Zulauf-Sammelraums 14 und Bereiche 15', 15'', 15''' usw. des Abzugssammelraums 15 ausgebildet sind. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass die beiden Membranlagen 16a, 16b der Membran 16 einander in ihrer spiralförmigen Anordnung von innen nach außen immer abwechseln und dementsprechend auch die beiden Sammelräume 14 und 15 spiralförmig umeinander angeordnet sind.
  • Damit die einzelnen Lagen der Membran 16 einander nicht vollflächig direkt berühren, sind zwischen den Membranlagen 16a, b Abstandhaltemittel 18 vorgesehen. Diese sind bei Anwendung des in 3 dargestellten, bevorzugten Herstellungsverfahrens für die Vorrichtung als Prägungen 19 (beispielsweise in Form von Kugelkalotten) in der einen Membranlage 16a vorgesehen, die beim Aufwickeln der Membran 16 zur Schaffung von deren spiralförmigen Aufbau die jeweils benachbarte, ungeprägte Membranlage 16b in einem definierten, der Höhe der Prägungen entsprechenden Abstand halten, so dass überall sichergestellt ist, dass zwischen den Membrangängen ein ausreichend großer Raum für den Durchfluss von Gas vorhanden ist. Anstelle von Prägungen kann als Abstandhaltemittel auch ein Einleger zumindest in Teilbereichen zwischen den Membrangängen angeordnet sein, zum Beispiel eine Vielzahl von zwischen den Membrangängen 17 mit eingewickelten Drähten oder ein Drahtgewirk oder -geflecht, das die jeweils benachbarten Membranlagen 16,a,b auf Abstand voneinander hält.
  • Die bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 als zweilagige Spiralwicklung angeordnete Membran 16 umschließt einen in ihrem Zentrum einmündenden Gasgemisch-Zulauf 20 für das Mischgas MG und einen benachbart zu diesem liegenden, durch einen zentralen Abschnitt 16z der Membran abgetrennten Wasserstoff-Abzug 21. Sowohl der Mischgas-Zulauf 20 als auch der Wasserstoff-Abzug 21 werden dabei von jeweils zwei Rohrstutzen 20a, b bzw. 21a, b gebildet, die an ihrem Umfang mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 22 versehen sind, durch die hindurch das Mischgas ungehindert in den Zulauf-Sammelraum 14 einströmen und der abgeschiedene Wasserstoff aus dem Abzugs-Sammelraum 15 abgezogen werden kann. Die Membran ist dabei, wie bereits angesprochen, zwischen dem Gasgemisch-Zulauf 20 und dem Wasserstoff-Abzug 21 durchgeführt und doppellagig um den Zulauf 20 und den Abzug 21 herum unter Ausbildung des von dem Abstandhaltemittel sichergestellten Abstandes a zwischen benachbarten Lagen bzw. Membrangängen aufgewickelt.
  • Nach dem Abtrennen des Wasserstoffs H2 verbleibt im Zulauf-Sammelraum noch ein Restgas RG, das im Wesentlichen aus Erdgas sowie einer Restmenge Wasserstoff besteht, der in der Vorrichtung nicht durch die Membran diffundiert ist und damit aus dem Mischgas abgetrennt wurde. Um dieses Restgas RG abzuführen, ist am radial äußeren Ende der Spirale, und damit an einer Stelle des Zulauf-Sammelraums 14, die vom Gasgemisch-Zulauf 20 im Zentrum der Vorrichtung am weitesten entfernt ist, zwischen der den Zulauf-Sammelraum außen begrenzenden, zylindrischen äußeren Wand des Behälters 12 und der dort endenden, äußersten Membranlage ein Restgassammelrohr 23 vorgesehen. Das RestgasSammelrohr 23 weist in dem Bereich seiner Umfangswand, die zum Sammelraum 14 hin weist, ähnliche Durchbrüche (nicht dargestellt) wie die beiden Rohrstutzen 20, 21 auf, so dass das Restgas RG hierdurch in das Sammelrohr 23 einströmen und abgeführt werden kann.
  • Die einzelnen Membrangänge 17 sind an ihren stirnseitigen Rändern 24 gasdicht mit den beiden Stirndeckeln 13 des Behälters 12 verbunden, so dass die unterschiedlichen Bereiche des Zulauf-Sammelraums 14 und des Abzugs-Sammelraums 15 auch hier nicht miteinander kommunizieren. Der gasdichte Anschluss kann zum Beispiel dadurch zuverlässig sichergestellt werden, dass die Stirndeckel 13 aus einer aushärtenden, zunächst flüssigen Dicht- oder Vergussmasse bestehen oder mit einer solchen innenseitig beschichtet werden, in welche Vergussmasse die gewickelte Konstruktion aus den Membranlagen und der äußeren Behälterwandung wenigstens ein Stück weit eingetaucht wird, bis die Vergussmasse ausgehärtet ist und dabei die stirnseitigen Ränder der Membrangänge dicht in sich einschließt.
  • 3 illustriert schematisch die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen, besonders vorteilhaften Herstellungsverfahrens für die in den 2 und 3 gezeigte Ausführungsform der Separatorvorrichtung. Wie man sieht, wird die Membran 16 von zwei Vorratshaspeln 25 a, b zugeführt, wobei das von der ersten Haspel 25a zugeführte Teilstück die erste Membranlage 16a und das von der zweiten Haspel 25 b zugeführte Teilstück der Membran 16 in der aufgewickelten Anordnung in der Vorrichtung 10 die zweite Membranlage 16 b bildet. Dabei wird die Membran 16 im Zentrum der doppellagigen Spirale der Vorrichtung 10 zwischen dem Gasgemisch-Zulauf 20 und dem Wasserstoff-Abzug 21 hindurch geführt, d.h. dort gehen die beiden Membranlagen 16 a,b einstückig ineinander über. Die beiden Membranlagen werden also von einem einteiligen Membranmaterialstreifen gebildet, der zwischen Gasgemisch-Zulauf 20 und Wasserstoff-Abzug 21 durchgeführt ist, um die damit kommunizierenden Sammelräume 14 bzw. 15 voreinander abzugrenzen.
  • Unmittelbar vor dem Aufwickeln der Membran durch Drehen der den Zulauf und den Abzug bildenden Rohrstutzen 20 a,b und 21 a,b umeinander wird die erste der beiden Membranlagen 16a an ihrer Ober- 26 und ihrer Unterseite 27 mit den die Abstandhalter 18 bildenden Prägungen 19 versehen. Zu diesem Zweck ist zwischen der Vorratshaspel 25a und einer nur durch den Drehrichtungspfeil 28 angedeuteten Wickelstation zur Aufwicklung der Membran 16 eine Prägestation 29 angeordnet. Die Prägestation weist zwei drehbar angeordnete Prägewalzen 30 auf, die auf ihrer Umfangsfläche eine Vielzahl verteilt angeordneter Prägenocken 31 tragen, die die Prägungen 19 in der Membranlage 16a erzeugen, während diese zwischen den beiden Prägenwalzen hindurchläuft. Wie man in der Zeichnung gut erkennen kann, sorgen die in gleichmäßiger Höhe von der Unterseite 27 und der Oberseite 26 der Membranlage 16 vorkragenden Prägungen 19 im gewickelten Zustand in der Vorrichtung dafür, dass die jeweils dazwischen liegenden Teile der zweiten Membranlage 16b die erste Membranlage nur an den vorspringenden Bereichen der Prägungen berührt und im Übrigen einen Abstand a von der ersten Membranlage einhält, der der Höhe der Prägungen entspricht.
  • 4 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, bei der die Membran 16 nicht gewickelt, sondern faltenförmig angeordnet ist. Die einander benachbarten, bei der faltenartigen Anordnung in der Zeichnung jeweils von rechts nach links bzw. in Gegenrichtung sich erstreckenden Membrangänge 17 sind in einem Behälter 12 aufgenommen, der in seinem Inneren mit einer Mehrzahl von Trennwänden 32 versehen ist, die sich abwechselnd von links und rechts parallel zwischen benachbarten Membrangängen 17 bis kurz vor einen Umkehrpunkt derselben erstrecken, so dass sich im Schnitt eine Anordnung vergleichbar einer dicht an dicht gelegten Rohrschlange ergibt, die in ihrem Inneren von der Membran in die beiden Sammelräume 14 und 15 unterteilt wird. Genau wie bei der ersten Ausführungsform kann man auch bei dieser Anordnung eine sehr große Membranfläche auf kleinem Bauraum unterbringen und somit hohe Abscheideraten bei kompakter Anordnung der Vorrichtung realisieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102010049792 B4 [0005]

Claims (18)

  1. Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, mit einem Behälter (12), der einen Zulauf-Sammelraum (14) für das Gasgemisch (MG) und einen Abzug-Sammelraum (15) für Wasserstoff (H2) definiert, wobei der Zulauf-Sammelraum (14) von dem Abzugs-Sammelraum (15) mittels einer für Wasserstoff durchlässigen Membran (16) abgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) im Wesentlichen falten-, spiral- oder wendelförmig mit einer Mehrzahl von in einem Abstand angeordneten Membrangängen (17) so angeordnet ist, dass in dem Abstand (a)zwischen einander benachbarten Membrangängen (17) abwechselnd Bereiche (14', 14'', 14'''; 15', 15'') des Zulauf-Sammelraums (14) und des Abzugssammelraums (15) ausgebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) zwei einander in ihrer spiral- oder wendelförmigen Anordnung abwechselnde Membranlagen (16a, 16b) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) zumindest in Teilbereichen mit Abstandhaltemitteln (18) versehen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhaltemittel (18) von über die Fläche der Membran (16) verteilt angeordneten Prägungen (19) gebildet werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhaltemittel (18) nur an einer der beiden Membranlagen (16a) vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhaltemittel (18) als wenigstens ein zumindest in Teilbereichen zwischen den Membrangängen (17) angeordneter Einleger ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) aus einem Eisenwerkstoff besteht.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) als zweilagige Spiralwicklung um mindestens einen Gasgemisch-Zulauf (20), mindestens einen Restgas-Auslass und/oder mindestens einen Wasserstoff-Abzug (21) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgemisch-Zulauf (20) und/oder der Wasserstoff-Abzug (21) und/oder der Restgas Auslass als zentral in der Spiralwicklung angeordnete(r) Rohrstutzen (20a,b; 21a,b) ausgebildet ist/sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) zwischen dem Gasgemisch-Zulauf (20) und dem Wasserstoff-Abzug (21) durchgeführt und doppellagig um den Zulauf (20) und den Abzug (21) herum unter Ausbildung eines Abstandes (a) zwischen benachbarten Lagen (16a, 16b) aufgewickelt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrangänge (17) an ihren stirnseitigen Rändern (24) mit mindestens einem Stirndeckel (13) oder einer umfangsseitig geschlossenen Hüllschicht und/oder einem die Membranlagen gegeneinander abdichtenden Dicht- oder Klebstoff gasdicht gegeneinander abgeschlossen sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf-Sammelraum (14) einen Restgas-Auslass (23) aufweist, der bevorzugt in einem größtmöglichen Abstand vom Gasgemisch-Zulauf (20) des Zulauf-Sammelraums (14) angeordnet ist.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, die eine für Wasserstoff durchlässige Membran, einen Gasgemisch-Zulauf, einen Wasserstoff-Abzug sowie einen Restgas-Abzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) um den Gasgemisch-Zulauf (20) und/oder den Wasserstoff-Abzug (21) und/oder den Restgas-Auslass so spiralförmig aufgewickelt wird, dass einander benachbarte Membrangänge (17) in einem Abstand (a) voneinander angeordnet werden und zwischen einander benachbarten Membrangängen (17) abwechselnd Bereiche (14', 15', 14'', 15'', 14''') eines mit dem Gasgemisch-Zulauf (20) kommunizierenden Zulauf-Sammelraums (14) und eines mit dem Wasserstoff-Abzug (21) kommunizierenden Abzugssammelraums (15) ausgebildet werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) um den Gasgemisch-Zulauf (20) und/oder den Wasserstoff-Abzug (21) und/oder des Restgas-Auslass nach Art einer doppellagigen Spirale gewickelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) der Vorrichtung von zwei Vorratshaspeln (25a, b) als zwei separate, in ihrer Anordnung in der Spirale einander abwechselnde Membranlagen (16a, b) zugeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16) oder mindestens eine ihrer Membranlagen (16a) vor dem Aufwickelvorgang an ihrer Ober- (26) und/oder ihrer Unterseite (27) mit einer Abstandhalter (18) bildenden Prägung (19) versehen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung (19) mittels einer zwischen einer Vorratshaspel (25a) und einer Wickelstation (28) zur Aufwicklung der Membran (16) angeordneten Prägestation (29) erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Membranlagen (16a, b) von einem einteiligen Membranmaterialstreifen gebildet werden, der im Zentrum der doppellagigen Spirale der Vorrichtung (10) zwischen dem Gasgemisch-Zulauf (20) und dem Wasserstoff-Abzug (21) hindurch geführt ist, um die damit kommunizierenden Sammelräume (14, 15) voreinander abzugrenzen.
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