DE112007000243T5 - Wasserstoffgenerator mit thermischem Siphonreaktor und thermischer Siphonreaktor - Google Patents

Wasserstoffgenerator mit thermischem Siphonreaktor und thermischer Siphonreaktor Download PDF

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Tae-Hee Park
Jae-Hoi Seongnam Gu
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Abstract

Thermischer Siphonreaktor, umfassend:
ein Reaktionsrohr, in dem eine katalytische Reaktion einer Reaktionsquelle stattfindet; und eine Katalysatorschicht, die porös ist, und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle in Kontakt steht und in dem Reaktionsrohr platziert ist, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal, durch den ein Reaktionsprodukt ausgetragen wird, durch das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs durchläuft.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Siphonreaktor und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, und insbesondere auf einen thermischen Siphonreaktor mit Möglichkeit zur Vollautomatisierung und auf einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst.
  • Stand der Technik
  • Technologisch wichtige Gase, wie z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, finden große Beachtung aufgrund der großen Anwendungsgebiete im Bereich der Energie, Chemie und Biotechnologie. Obwohl die konventionellen Verfahren zu deren Herstellung und Abtrennungen im großen Maßstab gut eingeführt sind, bleiben die Verfahren im kleinen Maßstab hinsichtlich Kosteneffektivität und hoher Effizienz immer noch ein herausforderndes Thema.
  • Im Allgemeinen kann Wasserstoff einer Brennstoffzelle oder einer Vorrichtung, die Wasserstoff verwendet, in verschiedenen Weisen bereitgestellt werden. Wasserstoff kann beispielsweise in Gasform unter hohem Druck für den Gebrauch gelagert werden, Wasserstoff kann in flüssiger Form gelagert werden und anschließend für den Gebrauch verdampft werden, Kohlenwasserstoffe können zu Wasserstoff umgesetzt werden und der Wasserstoff wird bereitgestellt oder Wasserstoff kann in einer Legierung zur Lagerung von Wasserstoff adsorbiert werden und anschließend für den Gebrauch desorbiert werden.
  • Verfahren zur direkten Lagerung von Wasserstoff werden allgemein verwendet, um reinen Wasserstoff in Gasform oder in flüssiger Form zu lagern. Diese Verfahren benötigen spezifische und haltbare Behälter, die geeignet sind, unter sehr hohen Drücken und/oder extrem tiefen Temperaturen zu stehen.
  • Ein anderes übliches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Verwendung eines katalytischen Dampfreformers, der Kohlenwasserstoff zu Wasserstoff und Kohlendioxid umsetzt. Die wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens sind Zeitverzögerung aufgrund des Umwandlungsverfahrens, bis begonnen werden kann und unerwünschte Nebenprodukte, wie z. B. Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die Adsorptionsverfahren zur H2-Lagerung ziehen auch zahlreiche Probleme mit sich, umfassend eine geringe Wasserstoffdichte pro Volumeneinheit, Verschlechterung der Wasserstoffadsorptionsmaterialien und Zeitverzögerung aufgrund der langsamen Desorption-Kinetik für die H2-Erzeugung, bis begonnen werden kann usw. Derzeit erweckte die Wasserstofferzeugung aus wässriger Natriumborhydridlösung mittels eines Katalysators die Interessen in den wissenschaftlichen Kreisen, da es nicht nur unter normalen Arbeitsbedingungen stabil ist, sondern auch Wasserstoffgas auf sichere und kontrollierbare Weise freisetzt. Trotz mehrerer Vorteile bei der Verwendung von Natriumborhydrid zur Wasserstofferzeugung sind weitere Entwicklungen von Wasserstofferzeugungssystemen, die diese Technologie nutzen, vonnöten hinsichtlich einer hohen Effizienz, verringertem Anlagenraum und Einfachheit.
  • Konventionelle Gaserzeugungsapparate besitzen meist Hilfsausrüstungen, wie z. B. eine Pumpe und eine Heizung, die für die Freisetzung der Reaktanden verwendet wird, bzw. eine Hitzequelle. Diese Hilfsausrüstungen erniedrigen die Energiegesamtausnutzung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen thermischen Siphonreaktor mit Möglichkeit zur Vollautomatisierung und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, bereit.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor mit geringen Betriebskosten und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, bereit.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor, der wenig Platz für die Anlage benötigt, und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, bereit.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermischer Siphonreaktor bereitgestellt, der ein Reaktionsrohr, in dem eine katalytische Reaktion einer Reaktionsquelle auftritt; und eine Katalysatorschicht, die porös ist, und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle in Kontakt steht, und in dem Reaktionsrohr platziert ist, umfasst, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal, der das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs durchdringt, gebildet wird, und wobei Reaktionsprodukte durch den Konvektionskanal ausgetragen werden.
  • Die Reaktionsquelle kann eine Natriumborhydridlösung sein.
  • Das in dem Reaktionsrohr erzeugte Gas kann Wasserstoff sein.
  • Die Reaktion, die in dem Reaktionsrohr stattfindet, kann eine exotherme Reaktion sein.
  • Das Reaktionsrohr kann die Form eines Zylinders mit einem Loch haben.
  • Die Katalysatorschicht kann die Form einer porösen Matrix haben.
  • Die Katalysatorschicht kann mindestens ein Loch, das einen Konvektionskanal bildet, aufweisen.
  • Die Katalysatorschicht kann zylindrisch oder kubisch prismatisch sein und eine kleinere Breite als das Reaktionsrohr haben, wobei ein Raum zwischen dem Reaktionsrohr und der Katalysatorschicht den Konvektionskanal bildet.
  • Der thermische Siphonreaktor umfasst ferner einen eine Isolationsschicht, die eine äußere Oberfläche des Reaktionsrohrs bedeckt.
  • Der thermische Siphonreaktor umfasst ferner einen Belag für die Absorption von Flüssigkeit, der separat an einem unteren Ende des Reaktionsrohrs angelagert ist und eine flüssige Reaktionsquelle absorbiert, und die flüssige Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht transferiert.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wasserstoffgenerator bereitgestellt, der ein Gehäuse; einen Behälter für die Reaktionsquelle, der in dem Gehäuse platziert ist;
    ein Reaktionsrohr, das mit dem Behälter für die Reaktionsquelle verbunden ist, in dem eine katalytische Reaktion einer Reaktionsquelle, die durch den Behälter für die Reaktionsquelle bereitgestellt wird, stattfindet;
    eine Katalysatorschicht, die porös ist und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle Inkontakt gebracht wird und in dem Reaktionsrohr platziert ist, und
    einen Behälter für das Produkt, der mit dem Reaktionsrohr verbunden ist und ein Reaktionsprodukt, das in dem Reaktionsrohr erzeugt wird, aufnimmt, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal gebildet ist, der das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs durchdringt, und wobei die Reaktionsprodukte durch den Konvektionskanal ausgetragen werden, umfasst.
  • Der Wasserstoffgenerator umfasst ferner eine Kontrolleinheit, die eine Reaktionsquelle, bereitgestellt von dem Behälter für die Reaktionsquelle, dem Reaktionsrohr erneut bereitstellt und separat an ein unteres Ende des Reaktionsrohres zwischen dem Behälter für die Reaktionsquelle und dem Reaktionsrohr angelagert ist.
  • Die Kontrolleinheit umfasst einen Balg, der die Reaktionsquelle, die aus dem Gefäß für die Reaktionsquelle bereitgestellt wird, zu dem Reaktionsrohr transferiert und einen Belag, der Flüssigkeit absorbiert, der separat an einem unteren Ende des Reaktionsrohrs angelagert ist, und eine flüssige Reaktionsquelle absorbiert und die absorbierte flüssige Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht transferiert, wobei der Balg expandiert oder sich zusammenzieht, je nach Druck des Reaktionsrohres, sodass der Belag für die Absorption der Flüssigkeit an dem unteren Ende des Reaktionsrohrs angelagert ist oder von dem unteren Ende des Reaktionsrohrs getrennt ist.
  • Der Wasserstoffgenerator umfasst ferner eine Leitung für die Reaktionsquelle, die zwischen dem Behälter für die Reaktionsquelle und dem Reaktionsrohr platziert ist, und umfasst ein Auf/Zu-Ventil und ein Rückfluss verhinderndes Ventil, wobei das Auf/Zu-Ventil näher an dem Behälter für die Reaktionsquelle platziert ist als das Rückfluss verhindernde Ventil.
  • Der Wasserstoffgenerator umfasst ferner eine Gasentlüftungsleitung, die mit dem Behälter für das Produkt verbunden ist, sodass das Gas in den Behälter für das Produkt entladen wird, und eine Membran zur Abtrennung von Gas und Flüssigkeit, die zwischen dem Behälter für das Produkt und der Leitung für die Gasentllüftung platziert ist.
  • Der Behälter für die Reaktionsquelle kann ein Innenraum des Gehäuses sein.
  • Der Behälter für die Reaktionsquelle kann aus einem elastischen Film gebildet sein und separat in das Gehäuse eingebaut sein.
  • Der Behälter für das Produkt kann aus einem elastischen Film gebildet sein und separat in dem Gehäuse eingebaut sein.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Obige und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindungen werden deutlicher, indem beispielhafte Ausführungsformen davon mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben werden, wobei:
  • 1A bis 1C Schnittzeichnungen eines thermischen Siphonreaktors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind;
  • 2 eine Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, umfassend einen thermischen Siphonreaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3A und 3B Aufsichten sind, die die Struktur und Arbeitsweise einer Kontrolleinheit von 2 veranschaulichen;
  • 4 ein Diagramm der Wasserstofferzeugungsrate bezogen auf die gemessene Zeit ist, bei dem ein thermischer Siphonreaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
  • 5 eine Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, der einen thermischen Siphonreaktor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, ist.
  • Beste Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, näher beschrieben.
  • 1A bis 1C sind Schnittzeichnungen von thermischen Siphonreaktoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Insbesondere sind die jeweiligen Zeichnungen Querschnitt- und Längsschnittzeichnungen eines thermischen Siphonreaktors
  • Mit Bezug auf 1 umfasst ein thermischer Siphonreaktor 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Reaktionsrohr 1, eine Katalysatorschicht 3, einen Konvektionskanal 4, einen Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 und eine Isolationsschicht 2.
  • Der thermische Siphonreaktor 6 ist ein Reaktor, der sich einen thermischen Siphoneffekt zu Nutze macht. Der thermische Siphoneffekt ist bekannt als ein Phänomen, das einen Flüssigkeitsstrom aufgrund eines natürlichen Konvektionsprozesses, der von einem Wärmetransfer herrührt, induziert. Die meisten Anwendungen eines thermischen Siphoneffekts wurden auf dem Gebiet der Solarzellen und bei Wasserkreislaufvorrichtungen gefunden. Die Kombination dieses thermischen Siphoneffekts und eines katalytischen Reaktionsverfahrens macht es möglich, einen pumpenlosen katalytischen Reaktor zu entwerfen. Nach unserem besten Gewissen wurden dessen direkte Verwendung als ein chemischer Reaktor in keinen Artikeln oder in keinen Literaturstellen berichtet oder gefunden. Diesbezüglich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen thermischen Siphonreaktor mit hoher Umsetzungsrate ohne eine externe Energiequelle und auf einen Wasserstoffgenerator, der den thermischen Siphonreaktor umfasst.
  • Eine Reaktionsquelle wird in dem Reaktionsrohr 1 bereitgestellt und eine Katalysatorreaktion findet darin statt. Das Reaktionsrohr 1 kann aus einem im Gebiet bekannten Material gebildet sein, wie z. B. Edelstahl. In der aktuellen Ausführungsform ist das Reaktionsrohr 1 zylindrisch und hat ein Loch. Die Form des Reaktionsrohrs 1 ist allerdings nicht darauf beschränkt. Das Reaktionsrohr 1 kann z. B. eine reckteckige oder pentagonale Form aufweisen. In der aktuellen Ausführungsform ist die Reaktionsquelle eine Natriumborhydridlösung, die verwendet wird, um gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen. Die Reaktionsquelle kann allerdings ein beliebiges Material sein, das gasförmigen Wasserstoff erzeugt. Die Katalysatorreaktion bezieht sich auf eine Reaktion, die durch Verwendung eines Katalysators stattfindet. Der Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion schneller oder langsamer macht, dabei allerdings nicht selbst daran teilnimmt.
  • Die Katalysatorschicht 3, die die Reaktionsquelle kontaktiert, um Gas zu erzeugen, ist in dem Reaktionsrohr 1 platziert. Die Katalysatorschicht 3 kann die Form einer porösen Matrix aufweisen, ist allerdings nicht darauf beschränkt. Das heißt, die Katalysatorschicht 3 kann aus porösem Metall, porösen Metalloxiden, porösen Metallboriden, imprägniertem homogenen Katalysator in porösen Medien, keramischen Materialien, anorganischer Säure, organischer Säure, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zeolit, Gläsern, gewebten Geweben, Vliesen, Zementen und Mischungen davon gebildet werden.
  • Wie in den 1A und 1B dargestellt, kann die Katalysatorschicht 3 mindestens ein Loch aufweisen, das einen Konvektionskanal 4 bildet, durch den ein Reaktionsprodukt ausgetragen wird. In 1A hat die Katalysatorschicht 3 ein Loch und somit einen Konvektionskanal 4. In 1B hat die Katalysatorschicht 3 drei Löcher und somit drei Konvektionskanäle 4. Das heißt, in 1A und 1B ist der Konvektionskanal 4 innerhalb der Katalysatorschicht 3 platziert. Bezug nehmend auf 1C ist eine Katalysatorschicht 3 zylindrisch und hat einen kleineren Durchmesser als ein Reaktionsrohr 1 und ein Konvektionskanal 4 ist ein Raum zwischen dem Reaktionsrohr 1 und der Katalysatorschicht 3. Das heißt die Katalysatorschicht 3 mit einer kleineren Breite, d. h. einem kleineren Durchmesser als das Reaktionsrohr 1, ist innerhalb des Reaktionsrohrs 1 platziert, so dass die Katalysatorschicht 3 und das Reaktionsrohr 1 konzentrische Kreise bilden. Daher besteht ein Raum zwischen der Katalysatorschicht 3 und dem Reaktionsrohr 1 und der Raum ist ein Konvektionskanal 4. Die Anzahl und Größe des Konvektionskanals 4 kann variiert werden abhängig von der Gasflussrate, den Gastypen und den Nebenprodukten. Wie in 1A bis 1C gezeigt, wird der Konvektionskanal 4 so gebildet, dass er durch das Reaktionsrohr 1 in einer Längsrichtung des Reaktionsrohrs 1 läuft.
  • Ein Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 ist separat an einem unteren Ende 1a des Reaktionsrohrs 1 angelagert. Das heißt, wenn ein Druck innerhalb des Reaktionsrohrs 1 auf einem niedrigeren Niveau ist als auf einem vorher bestimmten Niveau, ist der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 an dem Reaktionsrohr 1 angelagert, andererseits, wenn ein Druck innerhalb des Reaktionsrohrs 1 auf einem höheren Niveau ist als auf einem vorher bestimmten Niveau, ist der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 von dem Reaktionsrohr 1 getrennt. Die Anlagerung des Belags zur Absorption von Flüssigkeit 5 an das Reaktionsrohr 1 oder die Trennung des Belags zur Absorption von Flüssigkeit 5 von dem Reaktionsrohr 1 wird weiter unten näher beschrieben. Der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 absorbiert die Reaktionsquelle in einer flüssigen Phase und transferiert die absorbierte flüssige Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht 3. Daneben verhindert der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 die Rück-Freisetzung von Gas und Nebenprodukt aus dem Reaktionsrohr 1. Der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 kann aus beliebigen synthetischen oder nicht synthetischen Fasern oder Geweben, Schwämmen, poröser Keramik, porösen Metallen, porösen Polymeren oder Mischungen davon gebildet werden.
  • Die Isolationsschicht 2 umgibt eine äußere Oberfläche des Reaktionsrohrs 1. Die Isolationsschicht 2 verhindert den Wärmetransfer von dem Reaktionsrohr 1 zu einem externen Gas und somit geht keine Wärme innerhalb des Reaktionsrohrs 1 verloren. Die Isolationsschicht 2 kann aus einem beliebigen Material, das ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften aufweist und im Fachgebiet bekannt ist, gebildet werden.
  • Ein Arbeitsprinzip des thermischen Siphonreaktors 6 wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Zunächst wird eine Reaktionsquelle in den Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 gegeben.
  • Anschließend wird die Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht 3 transferiert, die mit dem Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 über Kapillar- und Benetzungskraft in Kontakt steht.
  • Die Reaktionsquelle wird umgesetzt, indem sie mit der Katalysatorschicht 3 in Kontakt gebracht wird, was zur Erhöhung der Temperatur des Reaktionsrohrs 1 aufgrund einer exothermen Reaktion führt. Die Wärme, die in dem Reaktionsrohr 1 erzeugt wird, verursacht einen Temperaturgradienten zwischen dem Reaktionsrohr 1 und dem Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 und somit wird der Transfer der Reaktionsquelle in das Reaktionsrohr 1 ermöglicht. Für den Fall, dass die Wärme aus der katalytischen Reaktion nicht ausreicht für ein vollautomatisches Betreiben des thermischen Siphonreaktors 6, kann der thermische Siphonreaktor 6 durch eine externe Wärmequelle (nicht gezeigt) erwärmt werden. In der aktuellen Beschreibung bezieht sich das vollautomatische Betreiben auf einen automatischen Transfer der Reaktionsquelle in das Reaktionsrohr 1 ohne Pumpen durch thermischen Siphoneffekt. Die Temperatur innerhalb des Reaktionsrohrs 1 kann konstant gehalten werden durch die Isolationsschicht 2, die das Äußere des Reaktionsrohrs 1 bedeckt.
  • Während der katalytischen Reaktion in dem Reaktionsrohr 1 wird eine große Menge der Reaktionsquelle in Gas und Nebenprodukt umgesetzt.
  • Anschließend wird das erzeugte Gas, Nebenprodukt und die nicht reagierte Reaktionsquelle durch den Konvektionskanal 4 aus dem thermischen Siphonreaktor 6 ausgetragen.
  • 2 ist eine Aufsicht auf einen Wasserstoffgenerator, der einen thermischen Siphonreaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, und 3A und 3B sind Aufsichten, die die Struktur und den Betrieb einer Kontrolleinheit der 2 zeigt. In 1A bis 1C, 2 und 3A und 3B bezeichnen die gleichen Ziffern die gleichen Teile.
  • Im Hinblick auf 2, 3A und 3B umfasst ein Wasserstoffgenerator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 7, einen Behälter für die Reaktionsquelle 16, eine Kontrolleinheit 11, einen thermischen Siphonreaktor 6, einen Behälter für das Produkt 12 und eine Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 15.
  • Das Gehäuse 7 beinhaltet eine Reaktionsquelle und ein Reaktionsprodukt und kann aus Metall oder Nichtmetall sein.
  • Der Behälter für die Reaktionsquelle 16 beinhaltet die Reaktionsquelle und ist innerhalb des Gehäuses 7 angebracht. Der Behälter für die Reaktionsquelle 16 kann aus einem elastischen Film gebildet sein, sodass während des Reaktionsprozesses, bei dem das Volumen des Behälters für die Reaktionsquelle 16 kleiner wird, da die Reaktionsquelle verbraucht wird, im Gehäuse 7 mehr Raum zur Verfügung steht. Eine Leitung für die Reaktionsquelle 10 ist auf einer Seite mit dem Behälter für die Reaktionsquelle 16 verbunden und die Reaktionsquelle wird über ein Ventil 9 eingespritzt.
  • Eine Kontrolleinheit 11 ist mit dem Behälter für die Reaktionsquelle 16 über eine Leitung für die Reaktionsquelle 13 verbunden und stellt die Reaktionsquelle, die aus dem Behälter für die Reaktionsquelle 16 dem thermischen Siphonreaktor 6 bereitgestellt wird, wieder bereit. Die Kontrolleinheit 11 umfasst einen Balg 17 und einen Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5. Der Balg 17 expandiert oder kontrahiert sich, je nachdem wie der Druck innerhalb des thermischen Siphonreaktors 6 ist, sodass der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 an dem unteren Ende 6a des thermischen Siphonreaktors 6 angelagert ist oder von einem unteren Ende 6a des thermischen Siphonreaktors 6 getrennt ist. Der Balg 17 kann aus einem im Fachgebiet bekannten Material, wie z. B. Silikon oder Gummi, gebildet sein. In 3A ist die Kontrolleinheit 11, genauer der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5, an dem unteren Ende 6a des thermischen Siphonreaktors 6 angelagert, sodass die Reaktionsquelle kontinuierlich dem thermischen Siphonreaktor 6 bereitgestellt wird. In 3B liegt die Kontrolleinheit 5 getrennt von dem unteren Ende 6a des thermischen Siphonreaktors 6 vor, sodass die Versorgung mit der Reaktionsquelle unterbrochen ist. 3A zeigt einen Fall, in dem der Druck innerhalb des thermischen Siphonreaktors 6 auf einem vorher bestimmten Niveau liegt, 3B zeigt einen Fall, in dem der Druck innerhalb des thermischen Siphonreaktors 6 auf einem höheren Niveau als dem vorher bestimmten Niveau liegt.
  • Der thermische Siphonreaktor 6 besteht aus einem Reaktionsrohr, einer Katalysatorschicht und einem Konvektionskanal, wie in 1A bis 1C dargestellt. Das Reaktionsrohr, die Katalysatorschicht und der Konvektionskanal sind bereits oben beschrieben worden.
  • Der Behälter für das Produkt 12 beinhaltet ein Reaktionsprodukt, das von dem thermischen Siphonreaktor 6 hergestellt wird, und ist in dem Gehäuse 7 eingebaut. Der Behälter für das Produkt 12 ist mit dem thermischen Siphonreaktor 6 durch die Produktleitung 14, genauer, mit dem Reaktionsrohr 1 verbunden, sodass das Reaktionsprodukt, das von dem Reaktionsrohr 1 erzeugt wird, dem Behälter für das Produkt 12 bereitgestellt wird. Der Behälter für das Produkt 12 kann aus einem elastischen Film gebildet sein, sodass das Volumen des Behälters 12 während des Reaktionsprozesses, bei dem die Menge an Reaktionsprodukt zunimmt, zunimmt, ein Platz innerhalb des Gehäuses 7 allerdings abnimmt.
  • Die Membran zur Separierung von Gas und Flüssigkeit 15 ist auf einer Seite des Behälters für das Produkt 12 platziert und trennt Gas allein von dem Reaktionsprodukt. Ein Gas, wie z. B. Wasserstoff, das in dem Behälter für das Produkt 12 enthalten ist, durchläuft die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 15 und wird anschließend durch eine Gasentlüftungsleitung 8 ausgetragen.
  • Ein Arbeitsprinzip des Wasserstoffgenerators wird im folgenden näher beschrieben.
  • Zunächst wird die Reaktionsquelle aus dem Behälter für die Reaktionsquelle 16 der Kontrolleinheit 11 durch die Leitung für die Reaktionsquelle bereitgestellt.
  • Anschließend wird die Reaktionsquelle, die der Kontrolleinheit 11 bereitgestellt wird, dem thermischen Siphonreaktor 6 bereitgestellt, nachdem sie nacheinander den Balg 13 und den Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 durchlaufen hat. In der Kontrolleinheit 11 wird die Reaktionsquelle durch die katalytische Reaktion zu Gas und Nebenprodukt umgesetzt.
  • Das Reaktionsprodukt, das Gas, Nebenprodukt und nicht-reagierte Reaktionsquelle umfasst, wird aus dem thermischen Siphonreaktor 6 ausgetragen und fließt anschließend durch die Produktleitung 14 in den Behälter für das Produkt 12. Ein Rückfluss verhinderndes Ventil (nicht gezeigt) kann in die Produktleitung 14 eingebaut werden.
  • Ein Gas, wie z. B. Wasserstoff, das in dem Reaktionsprodukt in dem Behälter für das Produkt 12 enthalten ist, strömt durch die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 15 und wird anschließend durch die Gasentlüftungsleitung 8 ausgetragen. Auf der anderen Seite durchlaufen Flüssigkeit und Feststoff nicht die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 15 und bleiben in dem Behälter für das Produkt 12 zurück.
  • Während die Reaktion fortschreitet, wird die Reaktionsquelle verbraucht und somit verringert sich das Volumen des Behälters für die Reaktionsquelle 16, wobei das Volumen des Behälters für das Produkt 12 aufgrund eines Anstiegs der Menge des Reaktionsprodukts zunimmt. Das heißt, wenn das Volumen des Behälters für die Reaktionsquelle 16 abnimmt, nimmt das Volumen des Behälters für das Produkt 12 zu, sodass ein wesentlicher Abfall im Gesamtraum innerhalb des Gehäuses 7 verhindert werden kann, und somit nimmt der Wasserstoffgenerator viel weniger Raum in Anspruch.
  • Während die Menge des Reaktionsprodukts ansteigt über die Reaktionsdauer, nimmt der Druck des thermischen Siphonreaktors 6 zu. Wenn der Druck des thermischen Siphonreaktors 6 auf einem höheren Niveau als einem vorher bestimmten Niveau liegt, kontrahiert sich der Balg 17 innerhalb der Kontrolleinheit 11 und der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5, der mit dem Balg 17 verbunden ist, wird von dem thermischen Siphonreaktor 6 getrennt, sodass die Versorgung des thermischen Siphonreaktors mit der Reaktionsquelle unterbrochen wird und die Reaktion nicht stattfindet. Wenn der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 von dem thermischen Siphonreaktor 6 getrennt ist, fällt der Druck des thermischen Siphonreaktors 6 schnell auf atmosphärischen Druck ab, sodass der kontrahierte Balg 17 auf den ursprünglichen Zustand expandiert und der Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 wieder an dem thermischen Siphonreaktor 6 angelagert ist. Damit wird der thermische Siphonreaktor 6 wieder mit der Reaktionsquelle versorgt und die Reaktion findet statt.
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Beispiele näher beschrieben. Diese Beispiele sind nur für anschauliche Zwecke gedacht und sind nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
  • Experimentelle Beispiele
  • (Herstellung des thermischen Siphonreaktors)
  • Ein thermischer Siphonreaktor 6 wurde hergestellt, indem eine Metallkatalysatorschicht 3 aus Kobalt-Eisen-Mischung in das Reaktionsrohr 1 aus Edelstahl gefüllt wurde und eine thermische Oxidation der Metallkatalysatorschicht 3 durchgeführt wurde. Das Reaktionsrohr 1 hat eine Länge von 6 cm und eine Breite von 1/2 Inch. Wie in 1A gezeigt, hatte die Katalysatorschicht 3 ein Loch und war zylindrisch. Der Durchmesser des Lochs, d. h. der Durchmesser eines Konvektionskanals 4, betrug 0,5 cm. Das Reaktionsrohr 1, das mit der Katalysatorschicht 3 gefüllt war, wurde bei 600°C 2 Stunden in der Luft erwärmt. Alternativ wurde das Reaktionsrohr 1, das mit der Katalysatorschicht 3 befüllt war, durch eine Butanfackel 10 bis 20 Minuten erwärmt.
  • (Wasserstofferzeugungsexperimente)
  • Wasserstofferzeugungsexperimente wurden ausgeführt, um eine Flussrate an Wasserstoff zu messen. Zunächst wurde ein thermischer Siphonreaktor 6, umfassend eine Metallschicht 3 aus gemischtem Co/Fe-Oxid in ein Reaktionsgefäß eingebaut und anschließend wurden 50 ml Natriumborhydrid-Lösung, die 20 Gew.-% NaBH4, 5 Gew.-% NaOH und 75 Gew.-% destilliertes Wasser enthielt, in das Reaktionsgefäß gegeben. Nachdem die Reaktion begonnen hat, wurde die Natriumborhydrid-Lösung auf eine Seite des thermischen Siphonreaktors 6 automatisch ohne externes Pumpen zugegeben. Wasserstoff, Wasser und Feststoffabfall kamen an der anderen Seite des thermischen Siphonreaktors 6 heraus. Die Wasserstoffflussrate wurde mittels eines Massenflussreglers, der an einem Personal-Computer (PC) angeschlossen war, gemessen. 4 zeigt ein Schema der Wasserstofferzeugungsrate von Wasserstoff, der in dem aktuellen Experiment hergestellt wurde, in Abhängigkeit von der Zeit. Mit Bezug auf 4 steigt die Wasserstofferzeugungsrate schnell auf 1000 ml/min an, wenn die Reaktion begonnen hat, und die Wasserstofferzeugungsrate bleibt dann nach etwa 400 s konstant bei etwa 200 ml/min.
  • 5 zeigt eine Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, der einen thermischen Siphonreaktor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Der Wasserstoffgenerator umfasst ein Gehäuse 107, einen Behälter für die Reaktionsquelle 116, ein Auf/Zu-Ventil 111, ein Rückfluss verhinderndes Ventil 118, einen thermischen Siphonreaktor 106, einen Behälter für das Produkt 112 und eine Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 115.
  • Eine Leitung für die Reaktionsquelle 110 ist mit einer Seite des Gehäuses 107 verbunden.
  • Der Behälter für die Reaktionsquelle 116 ist ein innerer Raum, der von dem Gehäuse 107 umschlossen wird. Das heißt, in der aktuellen Ausführungsform ist der Behälter für die Reaktionsquelle 116 selbst ein innerer Raum des Gehäuses 107 und nicht ein Gebilde, das separat in das Gehäuse 107 eingebaut ist.
  • Das Auf/Zu-Ventil 111 und das Rückfluss verhindernde Ventil 118 sind in der Leitung für die Reaktionsquelle 113 platziert, die den Behälter für die Reaktionsquelle 116 mit dem thermischen Siphonreaktor 106 verbindet, und stellen dem thermischen Siphonreaktor 106 eine Reaktionsquelle bereit. Das Rückfluss verhindernde Ventil 118 verhindert den Rückfluss des Reaktionsprodukts, das in dem thermischen Siphonreaktor 106 erzeugt wurde, zurück in den Behälter für die Reaktionsquelle 116.
  • Der thermische Siphonreaktor 106 umfasst ein Reaktionsrohr, eine Katalysatorschicht 103 und einen Konvektionskanal, wie in 1A bis 1C dargestellt, und die Beschreibung für diese Teile ist bereits beschrieben worden.
  • Der Behälter für das Produkt 112 beinhaltet ein Reaktionsprodukt ein, das von dem thermischen Siphonreaktor 106 hergestellt wurde und ist in das Gehäuse 107 eingebaut. Der Behälter für das Produkt 112 ist mit dem thermischen Siphonreaktor 106 nacheinander durch eine Nebenproduktleitung 119 und eine Produktleitung 114 verbunden und wird mit einem Reaktionsprodukt bereitgestellt. Der Behälter für das Produkt 112 kann aus einem elastischen Film gebildet sein, sodass, wenn das Reaktionsprodukt innerhalb des Behälters für das Produkt 112 ansteigt, das Volumen des Behälters für das Produkt 112 ansteigt und ein Raum innerhalb des Gehäuses 107 abnimmt. Die Nebenproduktleitung 119 zweigt von der Produktleitung 114 ab.
  • Die Membran für die Trennung von Gas und Flüssigkeit 115 ist am hinteren Ende der Produktleitung 114, d. h. nach einem Stück Produktleitung 114 von der sich die Nebenproduktleitung 119 abzweigt, platziert, und trennt Gas allein von dem Reaktionsprodukt. Das Gas, wie z. B. Wasserstoff, das in dem Reaktionsprodukt enthalten ist, durchläuft die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 115 und wird anschließend durch eine Gasentlüftungsleitung 108 ausgetragen.
  • Ein Arbeitsprinzip des Wasserstoffgenerators wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Zunächst fließt von dem Behälter für die Reaktionsquelle 116 eine Reaktionsquelle in die Leitung für die Reaktionsquelle 113.
  • Die Reaktionsquelle, die in der Leitung für die Reaktionsquelle 113 fließt, bewegt sich zu dem thermischen Siphonreaktor 106, nachdem sie nacheinander das Auf/Zu-Ventil 111 und das Rückfluss verhindernde Ventil 118 durchlaufen hat. In dem thermischen Siphonreaktor 106 wird die Reaktionsquelle zu Gas und Nebenprodukt durch eine katalytische Reaktion umgesetzt.
  • Das Reaktionsprodukt, das Gas, Nebenprodukt und nichtreagierte Reaktionsquelle enthält, wird aus dem thermischen Siphonreaktor 106 ausgetragen und fließt in den Behälter für das Produkt 112 nach Durchlaufen der Produktleitung 114 und der Nebenproduktleitung 119.
  • Das Gas, wie z. B. Wasserstoff, das in dem Reaktionsprodukt innerhalb des Behälters für das Produkt 112 enthalten ist, durchströmt die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 115 und wird durch die Gasentlüftungsleitung 108 ausgetragen. Andererseits durchläuft die Flüssigkeit und der Feststoff nicht die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 115 und bleibt in dem Behälter für das Produkt 112 zurück.
  • Während die Reaktion fortschreitet, wird die Reaktionsquelle verbraucht und somit verringert sich das Volumen des Behälters für die Reaktionsquelle 116, wobei das Volumen des Behälters für das Produkt 112 aufgrund des Anstiegs der Menge des Reaktionsprodukts steigt. Das heißt, wenn das Volumen des Behälters für die Reaktionsquelle 116 abnimmt, steigt das Volumen des Behälters für das Produkt 112 an, sodass ein wesentlicher Abfall in dem Gesamtraum innerhalb des Gehäuses 107 verhindert werden kann und so der Wasserstoffgenerator viel weniger Raum in Anspruch nimmt.
  • Zusätzlich nimmt der Druck des thermischen Siphonreaktors 106, da die Reaktion fortschreitet, zu, wenn die Menge an Reaktionsprodukt zunimmt. Wenn der Druck des thermischen Siphonreaktors 106 auf einem höheren Niveau liegt als einem vorher bestimmten Niveau und somit eine Seite des Rückfluss verhindernden Ventils 118 beeinflusst, d. h. eine Seite des Rückfluss verhindernden Ventils 118, das dem thermischen Siphonreaktor 106 zugewandt ist, wird das Rückfluss verhindernde Ventil 118 geschlossen. In diesem Fall wird die Versorgung des thermischen Siphonreaktors 106 mit der Reaktionsquelle unterbrochen und die Reaktion wird unterbrochen. Unterdessen wird das Gas, wie z. B. Wasserstoff, das in dem Reaktionsprodukt enthalten ist, das aus dem thermischen Siphonreaktor 106 ausgetragen wird, durch die Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit 115 ausgetragen, und somit sinkt der Druck in dem thermischen Siphonreaktor 106 mit der Zeit. Entsprechend sinkt der Druck, der eine Seite des Rückfluss-verhindernden Ventils 118 beeinflusst, d. h. eine Seite des Rückfluss verhindernden Ventils 118, das dem thermischen Siphonreaktor 106 zugewandt ist, nimmt mit der Zeit ab und somit wird das Rückfluss verhindernde Ventil 118 wieder geöffnet. Im Ergebnis wird dem thermischen Siphonreaktor 106 wieder die Reaktionsquelle bereitgestellt und die Reaktion findet statt.
  • Ein thermischer Siphonreaktor mit der oben beschriebenen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Wasserstoffgenerator, der den thermischen Siphonreaktor umfasst, arbeitet vollautomatisch ohne Pumpen und reguliert automatisch die Wasserstofferzeugung. Entsprechend kann der thermische Siphonreaktor und der Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, mit geringen Kosten betrieben werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen thermischen Siphonreaktor mit Möglichkeit zur Vollautomatisierung bereit und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor mit geringen Betriebskosten bereit und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor bereit, der wenig Anlagenraum benötigt, und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst.
  • Während die vorliegende Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben worden ist mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen, ist es für den Fachmann leicht verständlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Details gemacht werden können, ohne vom Geist und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Es wird ein thermischer Siphonreaktor bereitgestellt und ein Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst. Der Wasserstoffgenerator, der den thermischen Siphonreaktor umfasst, umfasst ein Gehäuse; einen Behälter für die Reaktionsquelle, der in dem Gehäuse platziert ist; ein Reaktionsrohr, das mit dem Behälter für die Reaktionsquelle verbunden ist, in dem eine katalytische Reaktion der Reaktionsquelle, die von dem Behälter für die Reaktionsquelle bereitgestellt wird, stattfindet; eine Katalysatorschicht, die porös ist und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle in Kontakt gebracht wird und in dem Reaktionsrohr platziert ist; und einen Behälter für das Produkt, der mit dem Reaktionsrohr verbunden ist und ein Reaktionsprodukt, das in dem Reaktionsrohr erzeugt wird, aufnimmt, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal durch das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs durchläuft, durch den das Reaktionsprodukt ausgetragen wird. Der thermische Siphonreaktor und der Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, bieten die Möglichkeit vollautomatisch und bei geringen Betriebskosten betrieben zu werden und brauchen wenig Raum für die Anlage.

Claims (25)

  1. Thermischer Siphonreaktor, umfassend: ein Reaktionsrohr, in dem eine katalytische Reaktion einer Reaktionsquelle stattfindet; und eine Katalysatorschicht, die porös ist, und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle in Kontakt steht und in dem Reaktionsrohr platziert ist, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal, durch den ein Reaktionsprodukt ausgetragen wird, durch das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs durchläuft.
  2. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsquelle eine Natriumborhydrid-Lösung ist.
  3. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei das in dem Reaktionsrohr erzeugte Gas Wasserstoff ist.
  4. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei die in dem Reaktionsrohr stattfindende Reaktion eine exotherme Reaktion ist.
  5. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei das Reaktionsrohr eine zylindrische Form mit einem Loch hat.
  6. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht eine Form einer porösen Matrix aufweist.
  7. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht mindestens ein Loch aufweist, das einen Konvektionskanal bildet.
  8. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht zylindrisch oder kubisch prismatisch ist und eine kleinere Breite als das Reaktionsrohr aufweist und ein Raum zwischen dem Reaktionsrohr und der Katalysatorschicht den Konvektionskanal bildet.
  9. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Isolationsschicht, die eine äußere Oberfläche des Reaktionsrohrs bedeckt.
  10. Thermischer Siphonreaktor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Belag für die Absorption von Flüssigkeit, der separat an ein unteres Ende des Reaktionsrohrs angelagert ist und eine flüssige Reaktionsquelle absorbiert und die flüssige Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht transferiert.
  11. Wasserstoffgenerator, umfassend ein Gehäuse; einen Behälter für die Reaktionsquelle, der in dem Gehäuse platziert ist; ein Reaktionsrohr, das mit dem Behälter für die Reaktionsquelle verbunden ist, in dem eine katalytische Reaktion einer von dem Behälter für die Reaktionsquelle bereitgestellte Reaktionsquelle stattfindet; eine Katalysatorschicht, die porös ist und Gaserzeugung ermöglicht, indem sie mit der Reaktionsquelle in Kontakt gebracht wird und in dem Reaktionsrohr platziert ist; und einen Behälter für das Produkt, der mit dem Reaktionsrohr verbunden ist, und ein Reaktionsprodukt, das in dem Reaktionsrohr gebildet wird, aufnimmt, wobei in dem Reaktionsrohr ein Konvektionskanal, durch den das Reaktionsprodukt ausgetragen wird, durch das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Reaktionsrohrs läuft.
  12. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei die Reaktionsquelle eine Natriumborhydrid-Lösung ist.
  13. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei die in dem Reaktionsrohr stattfindende Reaktion eine exotherme Reaktion ist.
  14. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei das Reaktionsrohr eine Form eines Zylinders mit einem Loch aufweist.
  15. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorschicht eine Form einer porösen Matrix aufweist.
  16. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorschicht mindestens ein Loch aufweist, das einen Konvektionskanal bildet.
  17. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorschicht zylindrisch ist und eine kleinere Breite als das Reaktionsrohr aufweist und einen Raum zwischen dem Reaktionsrohr und der Katalysatorschicht den Konvektionskanal bildet.
  18. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Isolationsschicht, die eine äußere Oberfläche des Reaktionsrohrs bedeckt.
  19. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Kontrolleinheit, die erneut eine Reaktionsquelle, die dem Reaktionsrohr von dem Behälter für die Reaktionsquelle bereitgestellt wird, bereitstellt und separat an ein unteres Ende des Reaktionsrohres zwischen dem Behälter für die Reaktionsquelle und dem Reaktionsrohr angelagert ist.
  20. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 19, wobei die Kontrolleinheit umfasst: einen Balg, der die Reaktionsquelle, die dem Reaktionsrohr von dem Behälter für die Reaktionsquelle bereitgestellt wird, transferiert; und einen Belag für die Absorption von Flüssigkeit, der separat an ein unteres Ende des Reaktionsrohrs angelagert ist, und eine flüssige Reaktionsquelle absorbiert und die absorbierte flüssige Reaktionsquelle zu der Katalysatorschicht transferiert, wobei der Balg abhängig von dem Druck des Reaktionsrohrs expandiert oder kontrahiert, sodass der Belag für die Absorption der Flüssigkeit an dem unteren Ende des Reaktionsrohres angelagert ist oder von dem unteren Ende des Reaktionsrohres getrennt ist.
  21. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Leitung für die Reaktionsquelle, die zwischen dem Behälter für die Reaktionsquelle und dem Reaktionsrohr platziert ist, und ein Auf/Zu-Ventil und ein Rückfluss verhinderndes Ventil umfasst, wobei das Auf/Zu-Ventil näher an dem Behälter für die Reaktionsquelle als an dem Rückfluss verhindernden Ventil platziert ist.
  22. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Gasentlüftungsleitung, die mit dem Behälter für das Produkt verbunden ist, so dass das Gas in den Behälter für das Produkt ausgetragen wird und eine Membran zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, die zwischen dem Behälter für das Produkt und der Gasentlüftungsleitung platziert ist.
  23. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei der Behälter für die Reaktionsquelle ein innerer Raum des Gehäuses ist.
  24. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei der Behälter für die Reaktionsquelle aus einem elastischen Film gebildet ist und separat in das Gehäuse eingebaut ist.
  25. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 11, wobei der Behälter für das Produkt aus einem elastischen Film gebildet ist und separat in das Gehäuse eingebaut ist.
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