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Technisches Gebiet
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen thermischen Siphonreaktor mit
Möglichkeit
zur Vollautomatisierung und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst,
bereit.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor
mit geringen Betriebskosten und einen Wasserstoffgenerator, der
diesen umfasst, bereit.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor,
der wenig Platz für
die Anlage benötigt,
und einen Wasserstoffgenerator, der diesen umfasst, bereit.
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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.
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Die
Reaktionsquelle kann eine Natriumborhydridlösung sein.
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Das
in dem Reaktionsrohr erzeugte Gas kann Wasserstoff sein.
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Die
Reaktion, die in dem Reaktionsrohr stattfindet, kann eine exotherme
Reaktion sein.
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Das
Reaktionsrohr kann die Form eines Zylinders mit einem Loch haben.
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Die
Katalysatorschicht kann die Form einer porösen Matrix haben.
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Die
Katalysatorschicht kann mindestens ein Loch, das einen Konvektionskanal
bildet, aufweisen.
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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.
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Der
thermische Siphonreaktor umfasst ferner einen eine Isolationsschicht,
die eine äußere Oberfläche des
Reaktionsrohrs bedeckt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Behälter
für die
Reaktionsquelle kann ein Innenraum des Gehäuses sein.
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Der
Behälter
für die
Reaktionsquelle kann aus einem elastischen Film gebildet sein und
separat in das Gehäuse
eingebaut sein.
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Der
Behälter
für das
Produkt kann aus einem elastischen Film gebildet sein und separat
in dem Gehäuse
eingebaut sein.
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Beschreibung der Zeichnungen
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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:
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1A bis 1C Schnittzeichnungen
eines thermischen Siphonreaktors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind;
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2 eine
Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, umfassend einen thermischen
Siphonreaktor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3A und 3B Aufsichten
sind, die die Struktur und Arbeitsweise einer Kontrolleinheit von 2 veranschaulichen;
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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
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5 eine
Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, der einen thermischen Siphonreaktor
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst, ist.
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Beste Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen,
in denen beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind, näher
beschrieben.
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1A bis 1C sind
Schnittzeichnungen von thermischen Siphonreaktoren gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Insbesondere sind die jeweiligen Zeichnungen
Querschnitt- und
Längsschnittzeichnungen
eines thermischen Siphonreaktors
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Arbeitsprinzip des thermischen Siphonreaktors 6 wird im
Folgenden näher
beschrieben.
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Zunächst wird
eine Reaktionsquelle in den Belag für die Absorption von Flüssigkeit 5 gegeben.
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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.
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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.
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Während der
katalytischen Reaktion in dem Reaktionsrohr 1 wird eine
große
Menge der Reaktionsquelle in Gas und Nebenprodukt umgesetzt.
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Anschließend wird
das erzeugte Gas, Nebenprodukt und die nicht reagierte Reaktionsquelle durch
den Konvektionskanal 4 aus dem thermischen Siphonreaktor 6 ausgetragen.
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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.
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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.
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Das
Gehäuse 7 beinhaltet
eine Reaktionsquelle und ein Reaktionsprodukt und kann aus Metall oder
Nichtmetall sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Arbeitsprinzip des Wasserstoffgenerators wird im folgenden näher beschrieben.
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Zunächst wird
die Reaktionsquelle aus dem Behälter
für die
Reaktionsquelle 16 der Kontrolleinheit 11 durch
die Leitung für
die Reaktionsquelle bereitgestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Experimentelle Beispiele
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(Herstellung des thermischen Siphonreaktors)
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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.
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(Wasserstofferzeugungsexperimente)
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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.
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5 zeigt
eine Aufsicht eines Wasserstoffgenerators, der einen thermischen
Siphonreaktor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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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.
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Eine
Leitung für
die Reaktionsquelle 110 ist mit einer Seite des Gehäuses 107 verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Arbeitsprinzip des Wasserstoffgenerators wird im Folgenden näher beschrieben.
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Zunächst fließt von dem
Behälter
für die
Reaktionsquelle 116 eine Reaktionsquelle in die Leitung für die Reaktionsquelle 113.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen thermischen Siphonreaktor mit
Möglichkeit
zur Vollautomatisierung bereit und einen Wasserstoffgenerator, der diesen
umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor
mit geringen Betriebskosten bereit und einen Wasserstoffgenerator,
der diesen umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch einen thermischen Siphonreaktor
bereit, der wenig Anlagenraum benötigt, und einen Wasserstoffgenerator, der
diesen umfasst.
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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.
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Zusammenfassung
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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.