DE112011105521T5 - Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff und Verfahren zum Verwenden derselben - Google Patents

Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff und Verfahren zum Verwenden derselben Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff bereit, die Wasserstoff aus einem Fluidgemisch aufbereitet, welches gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, sowie ein Verfahren zur Verwendung derselben. Die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung hat einen Fluidgemischkanal, durch den ein Fluidgemisch hindurchströmt, welches gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält; einen ersten Gaskanal, der an dem Fluidgemischkanal angrenzt und durch den ein Gasgemisch hindurchströmt, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält; einen zweiten Gaskanal, der an dem ersten Gaskanal angrenzt und durch den gasförmiger Wasserstoff oder Sauerstoff strömt; eine Gas-Flüssigkeittrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, das Gasgemisch von dem Fluidgemisch des Fluidgemischkanals trennt und das abgetrennte Gasgemisch zu dem ersten Gaskanal liefert; und eine Wasserstoff- oder Sauerstofftrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff von dem Gasgemisch des ersten Gaskanals trennt und den getrennten gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff zu dem zweiten Gaskanal liefert.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff, die Wasserstoff aus einem Fluidgemisch aufbereitet, welches gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff, die Wasserstoff aus einem Fluidgemisch von flüssigem Wasser, das gasförmige Wasserstoff- und gasförmige Sauerstoffblasen enthält, aufbereitet. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren zum Verwenden dieser Vorrichtung, um Wasserstoff aufzubereiten und herzustellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In den letzten Jahren wurden zahlreiche Vorschläge zur Verwendung sauberer Energie aus Wasserstoff als eine Energiequelle unterbreitet.
  • Um Wasserstoff herzustellen, war die Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs die gängige Praxis. In den letzten Jahren wurde in Betracht gezogen, Wasserstoff aus Wasser durch Spalten des Wassers zu erhalten, insbesondere durch Spalten von Wasser unter Verwendung solarer Energie. Beim Spalten von Wasser zum Erhalten von Wasserstoff wird das erhaltene Erzeugnis manchmal zu einem Gemisch aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Um in diesem Fall Wasserstoff zu erhalten, ist es erforderlich, lediglich den Wasserstoff von diesem Gemisch zu trennen und zu entfernen.
  • Hinsichtlich des Trennens von Wasserstoff von einem solchen Gemisch aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser schlagen die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2004-35356 und die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2004-292284 die Verwendung einer wasserstofftrennenden Membran vor, die das Durchlassen lediglich von Wasserstoff selektiv zulässt. Es ist anzumerken, dass die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2008-207969 die Verwendung einer wasserstofftrennenden Membran zum Trennen von Wasserstoff aus einem Gasgemisch verwendet, das durch Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs erhalten wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff vor, die Wasserstoff aus einem Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, effizient aufbereitet. Ferner schlägt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung zum Aufbereiten und Herstellen von Wasserstoff vor.
  • Die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Fluidgemischkanal, durch den ein Fluidgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält; einen ersten Gaskanal, der an den Fluidgemischkanal angrenzt und durch den ein Gasgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält; einen zweiten Gaskanal, der an den ersten Gaskanal angrenzt und durch den gasförmiger Wasserstoff oder Sauerstoff strömt; eine Gas-Flüssigkeittrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, das Gasgemisch von dem Fluidgemisch des Fluidgemischkanals trennt und das abgetrennte Gasgemisch zu dem ersten Gaskanal liefert; und eine Wasserstoff- oder Sauerstofftrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff von dem Gasgemisch des ersten Gaskanals abtrennt, und den abgetrennten, gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff zu dem zweiten Gaskanal liefert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Ansicht, die einen ersten Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 2 ist eine Ansicht, die einen zweiten Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Fluidgemischkanals der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist ein eine Ansicht, die ein anderes Beispiel eines Fluidgemischkanals der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung wird zum Aufbereiten von Wasserstoff aus einem Fluidgemisch verwendet, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält. Genauer gesagt trennt die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung ein Gasgemisch, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält, von einem Fluidgemisch ab, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, und zwar unter Verwendung einer Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran; und trennt Wasserstoff oder Sauerstoff von diesem Gasgemisch unter Verwendung einer Wasserstoff- oder Sauerstofftrennenden Membran ab, um den Wasserstoff zu erhalten. Das Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, kann durch Aufspalten von Wasser, insbesondere durch Elektrolyse von Wasser erhalten werden. Außerdem ist dieses Fluidgemisch beispielsweise ein flüssiges Wasser, das gasförmige Wasserstoff- und gasförmige Sauerstoffblasen enthält.
  • Gemäß der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung wird vor der Verwendung einer wasserstoff- oder sauerstofftrennenden Membran zum Abtrennen von Wasserstoff oder Sauerstoff von dem Gasgemisch, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält, eine Gas-Flüssigkeit-trennende Membran dazu verwendet, flüssiges Wasser von dem Fluidgemisch abzutrennen, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält. Demgemäß kann das Ausbilden eines Wasserfilms an der Wasserstoff- oder Sauerstofftrennenden Membran unterdrückt werden und dadurch kann ein Absenken der Wasserstoff- oder Sauerstoffabtrenneffizienz infolge des Wasserfilms an der Wasserstoff- oder Sauerstofftrennenden Membran unterdrückt werden.
  • In einem Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, sind infolge des Unterschieds in der spezifischen Dichte der gasförmige Wasserstoff und der gasförmige Sauerstoff in relativ größeren Mengen an der vertikal oberen Seite vorhanden. Daher ist es vorzuziehen, dass zumindest ein Teil der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran zumindest einen Teil der vertikal oberen Wand des Fluidgemischkanals bildet, um das Abtrennen des Gasgemischs durch die Gas-Flüssigkeittrennende Membran zu fördern.
  • Damit die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung das Abtrennen von Wasserstoff schafft, ist es möglich, den Druck des Fluidgemischkanals höher als den Druck des ersten Gaskanals zu machen und den Druck des ersten Gaskanals höher als den Druck des zweiten Gaskanals zu machen. Der spezifische Druck hängt von der Betriebstemperatur der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung, der Abtrennleistung und der Festigkeit der verwendeten Membran ab. Beispielsweise ist es besonders vorzuziehen, den Druck des Fluidgemischkanals 1 atm oder höher zu machen, den Druck des ersten Gaskanals kleiner als 1 atm bis 0,01 atm zu machen und den Partialdruck des Wasserstoffs oder des Sauerstoffs, der durch die wasserstoff- oder sauerstofftrennende Membran in dem zweiten Gaskanal abzutrennen ist, zu einem Druck zu machen, der kleiner als der Partialdruck des Wasserstoffs oder des Sauerstoffs in dem ersten Gaskanal ist.
  • Ferner kann vor dem Aufbereiten des Wasserstoffs durch die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung eine andere Vorrichtung verwendet werden, um Sauerstoffs im Vorfeld einen Teil des Wasserstoffs und/oder des von dem Fluidgemisch zu extrahieren. Außerdem kann nach dem Aufbereiten des Wasserstoffs durch die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung eine andere Vorrichtung verwendet werden, um einen Teil des verbleibenden Wasserstoffs und/oder Sauerstoffs von dem Fluidgemisch zu extrahieren. In diesem Fall kann als die andere Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff ein Gas-Flüssigkeit-Abtrennsystem der Behälterbauart unter Verwendung der Schwerkraft, Zentrifugalkraft usw. verwendet werden.
  • Es ist anzumerken, dass das Fluidgemisch nach der Aufbereitung durch die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung und jede andere Vorrichtung im Wesentlichen aus Wasser besteht und daher ausgeschieden werden kann und/oder nochmals aufgespaltet werden kann, um ein Fluidgemisch zu erhalten, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält.
  • Als die „Gas-Flüssigkeittrennende Membran”, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist es möglich, jede Membran zu verwenden, die in der Lage ist, das Durchlassen der Gaskomponenten des gasförmigen Wasserstoffs und des gasförmigen Sauerstoffs von einem Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, selektiv zu ermöglichen. Das Molverhältnis {(H2 + O2)/H2O} der Durchlassmenge von gasförmigem Wasserstoff und gasförmigem Sauerstoff und der Durchlassmenge von flüssigem Wasser kann bei der Betriebstemperatur beispielsweise 2 oder größer, 10 oder größer, 50 oder größer, 100 oder größer oder 1.000 oder größer sein.
  • Als eine solche Gas-Flüssigkeittrennende Membran sind viele Membranen bekannt. Beispielsweise kann ein poröser Keramikkörper verwendet werden, der eine wasserabweisende Beschichtung auf sich hat. Ferner ist es hinsichtlich der Festigkeit manchmal vorzuziehen, einen porösen Keramikkörper, ein Metallnetz oder eine andere permeable Abstützung zu verwenden, die auf die Gas-Flüssigkeit-trennende Membran laminiert ist.
  • Als die „wasserstofftrennende Membran”, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist es möglich, jede Membran zu verwenden, die verglichen zu Sauerstoff das selektive Durchlassen von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält, ermöglicht. Das Molverhältnis (H2/O2) der Durchlassmenge von Wasserstoff und der Durchlassmenge von Sauerstoff kann bei der Betriebstemperatur beispielsweise 2 oder größer, 10 oder größer, 50 oder größer, 100 oder größer oder 1.000 oder größer sein.
  • Als eine solche wasserstofftrennende Membran sind viele Membranen bekannt. Beispielsweise kann auf die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2008-055295 , die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2002-128512 , die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2004-008971 , die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2005-319383 , die japanische, ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2006-290686 usw. Bezug genommen werden. Ferner ist es hinsichtlich der Festigkeit manchmal vorzuziehen, einen porösen Keramikkörper, ein Metallnetz oder eine andere permeable Abstützung zu verwenden, die auf die wasserstofftrennende Membran laminiert ist.
  • Es ist möglich, als die „sauerstofftrennende Membran”, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, jede Membran zu verwenden, die verglichen mit Wasserstoff das selektive Durchlassen von Sauerstoff von einem Gasgemisch, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält, ermöglicht. Das Molverhältnis (O2/H2) der Durchlassmenge von Sauerstoff und der Durchlassmenge von Wasserstoff kann bei der Betriebstemperatur beispielsweise 2 oder größer, 10 oder größer, 50 oder größer, 100 oder größer oder 1.000 oder größer sein.
  • Als eine sauerstofftrennende Membran sind viele Membranen bekannt. Es kann beispielsweise auf die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2008-062118 usw. Bezug genommen werden. Als die spezifische wasserstofftrennende Membran, kann eine wasserstofftrennende Membran verwendet werden, die aus einem komplexen Oxid, etwa CaTiO3 besteht, das eine gemischte Leitfähigkeit für Sauerstoffionen und Elektronen aufweist. Ferner kann es hinsichtlich der Festigkeit manchmal vorzuziehen sein, einen porösen Keramikkörper, ein Metallnetz oder eine andere permeable Abstützung zu verwenden, die auf die sauerstofftrennende Membran laminiert ist.
  • <Erster Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff>
  • Die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung gemäß einem ersten Gesichtspunkt hat einen Fluidgemischkanal, durch den ein Fluidgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält; einen ersten Gaskanal, der an den Fluidgemischkanal angrenzt und durch den ein Gasgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält; einen zweiten Gaskanal, der an den ersten Gaskanal angrenzt, und durch den gasförmiger Wasserstoff strömt; eine Gas-Flüssigkeittrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, das Gasgemisch von dem Fluidgemisch des Fluidgemischkanals abtrennt und das abgetrennte Gasgemisch zu dem ersten Gaskanal liefert; und eine wasserstofftrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, gasförmigen Wasserstoff von dem Gasgemisch des ersten Gaskanals abtrennt und den abgetrennten, gasförmigen Wasserstoff zu dem zweiten Gaskanal liefert.
  • Wenn die Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Wasserstoff von einem Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, verwendet wird, wie in 1 gezeigt ist, wird dieses Fluidgemisch (H2 + O2 + H2O) zu dem Fluidgemischkanal (12) zugeführt, die Gaskomponente (H2 + O2) dieses Fluidgemischs wird durch die Gas-Flüssigkeittrennende Membran (13), die zumindest einen Teil der Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, abgetrennt, die abgetrennte Gaskomponente (H2 + O2) wird zu dem ersten Gaskanal (14) geliefert, sodass sie ein Gasgemisch ist, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff (H2 + O2) enthält, und der Wasserstoff in diesem Gasgemisch (H2 + O2) wird durch die wasserstofftrennende Membran (15) abgetrennt, die zumindest einen Teil der Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, sodass er zu dem zweiten Gaskanal (16) geliefert wird.
  • Bei diesem Gesichtspunkt kann Wasserstoff von dem zweiten Gaskanal (16) erhalten werden. Es ist anzumerken, dass der von dem ersten Gaskanal (14) erhaltene Teil als ein eine relativ große Sauerstoffmenge enthaltender Teil ausgeschieden und für weiteres Extrahieren von Wasserstoff, zur Verwendung anderer Anwendungen usw. ausgeschieden werden kann.
  • Dieser erster Gesichtspunkt ist in dem Punkt vorzuziehen, dass er als Wasserstoff die Gaskomponente wiedergewinnt, die die wasserstofftrennende Membran passiert hat, welche Wasserstoff und Sauerstoff trennt, und dadurch einfach die Menge des in den erhaltenen Wasserstoff eingemischten Sauerstoffs verringert werden kann.
  • <Zweiter Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff>
  • Bei dem zweiten Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung wird anstelle der wasserstofftrennenden Membran des ersten Gesichtspunkts eine sauerstofftrennende Membran verwendet. Diese sauerstofftrennende Membran bildet zumindest einen Teil der Wand des ersten Gaskanals, trennt gasförmigen Sauerstoff von dem Gasgemisch des ersten Gaskanals und liefert den abgetrennten, gasförmigen Sauerstoff zu dem zweiten Gaskanal.
  • Wenn dieser zweite Gesichtspunkt der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung dazu verwendet wird, Wasserstoff von einem Fluidgemisch aufzubereiten, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, wie in 2 gezeigt ist, wird dieses Fluidgemisch (H2 + O2 + H2O) zu dem Fluidgemischkanal (22) zugeführt, die Gaskomponente (H2 + O2) dieses Fluidgemischs wird durch eine Gas-Flüssigkeittrennende Membran (23), die zumindest einen Teil der Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, abgetrennt, die abgetrennte Gaskomponente (H2 + O2) wird zu dem ersten Gaskanal (24) geliefert, sodass sie ein Gasgemisch ist, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff (H2 + O2) enthält, und Sauerstoff in diesem Gasgemisch (H2 + O2) wird durch eine sauerstofftrennende Membran (25), die zumindest einen Teil der Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, getrennt, sodass sie zu dem zweiten Gaskanal (26) geliefert wird.
  • In diesem Gesichtspunkt kann Wasserstoff von dem ersten Gaskanal (24) erhalten werden. Es ist anzumerken, dass der von dem zweiten Gaskanal (26) erhaltene Teil als ein eine relativ große Sauerstoffmenge enthaltender Teil abgeschieden, zum weiteren Extrahieren von Wasserstoff wiederverwertet oder für andere Anwendungen usw. verwendet werden kann.
  • Wenn ein Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, durch Spalten von Wasser erhalten wird, wird das theoretische Molverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff zu 2:1. Daher ist dieser zweite Gesichtspunkt in dem Punkt vorzuziehen, dass die Menge des Gases, das die gastrennende Membran, die Sauerstoff und Wasserstoff trennt, zu passieren hat, relativ verringert ist.
  • <Abtrennfördermechanismus>
  • Der Fluidgemischkanal der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung hat eine Abtrennfördervorrichtung zum Fördern des Abtrennens des gasförmigen Wasserstoffs und des gasförmigen Sauerstoffs von dem flüssigen Wasser. Als eine Abtrennfördervorrichtung kann beispielsweise die in 3 gezeigte und die in 4 gezeigte Vorrichtung verwendet werden.
  • Bei dem in 3 gezeigten Gerät zum Aufbereiten von Wasserstoff bildet zumindest ein Teil der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran (13) zumindest einen Teil der vertikal oberen Wand in dem Fluidgemischkanal (12). Der Fluidgemischkanal (12) hat Gasgemischfangelemente (51), die sich von der vertikal oberen Wand des Fluidgemischkanals nach unten erstrecken. Infolgedessen fangen die Gasgemischfangelemente (51) das Gasgemisch, das Wasserstoff und Sauerstoff enthält, insbesondere die Blasen (42) dieses Gasgemischs, aus dem durch den Fluidgemischkanal hindurchströmenden Fluidgemisch und bringen selbige mit der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran (13) in Kontakt.
  • Gemäß dieser Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff, wie sie in dieser 3 gezeigt ist, ist es möglich, das Gasgemisch, das in dem durch den Fluidgemischkanal hindurchströmenden Fluidgemisch enthalten ist, insbesondere die Blasen des Gasgemischs durch die Gasfangelemente zu halten und die Gas-Flüssigkeittrennende Membran zuverlässig mit dem gasförmigen Wasserstoff und dem gasförmigen Sauerstoff in Kontakt zu bringen und dadurch das Abtrennen des gasförmigen Wasserstoffs und des gasförmigen Sauerstoffs von dem Fluidgemisch durch die Gas-Flüssigkeit-trennende Membran zu fördern.
  • Diese Gasgemischfangelemente können sich insbesondere, wie in 3 gezeigt ist, mit einer Neigung gegen die Strömungsrichtung des Fluidgemischs in dem Fluidgemischkanal nach unten erstrecken, um das Fangen des in dem Fluidgemisch enthaltenen Gasgemischs zu fördern. Dadurch können sich die Gasgemischfangelemente insbesondere im Wesentlichen vertikal zu der Strömungsrichtung des Fluidgemischs in dem Fluidgemischkanal oder mit einer Neigung in der Strömungsrichtung nach unten erstrecken.
  • Bei der in 4 gezeigten Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff hat der Fluidgemischkanal eine Rührvorrichtung (61), die das Fluidgemisch rührt.
  • Gemäß der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff, die die Rührvorrichtung zum Rühren des Fluidgemischs aufweist, wie in 4 gezeigt ist, ist es möglich, den Kontakt der Blasen (42) des Gasgemischs, das in dem durch den Fluidgemischkanal (12) und der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran (13) strömenden Fluidgemisch enthalten ist, zu fördern, und dadurch das Abtrennen des Gasgemischs von dem Fluidgemisch durch die Gas-Flüssigkeittrennende Membran zu fördern. Außerdem ist es gemäß der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff, wie in 4 gezeigt ist, möglich, in dem Fluidgemisch enthaltene Blasen sich vereinen zu lassen, sodass sie relativ große Blasen bilden.
  • Diese Rührvorrichtung kann insbesondere, wie durch den Fall (62) in 4 gezeigt ist, das Fluidgemisch in dem Fluidgemischkanal dazu bringen, in Richtung der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran (13) zu strömen, um den Kontakt der Blasen (42) des in dem Fluidgemisch enthaltenen Gasgemischs mit der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran (13) zu fördern.
  • <Fluidgemisch>
  • Das der Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung zugeführte Fluidgemisch, d. h., das Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, kann ein durch jedes Verfahren erhaltenes Fluidgemischs sein. Daher kann dieses Fluidgemisch beispielsweise ein Fluidgemisch sein, das durch Spalten von Wasser, insbesondere durch direkte thermische Zersetzung, thermochemische Zersetzung oder fotokatalytische Zersetzung von Wasser erhalten wird. Diese Wasserzersetzungsverfahren werden nachstehend erläutert.
  • Die direkte thermische Zersetzung von Wasser ist das grundlegendste Verfahren zum Spalten von Wasser, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Es ist ein Verfahren zum direkten Spalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bei einer hohen Temperatur von mehreren tausend Grad Celsius. Diese Reaktion erfordert inhärent eine Temperatur von mehreren tausend Grad Celsius, kann jedoch unter Verwendung eines Katalysators bei einer Temperatur von etwa 2000°C erreicht werden.
  • Die thermochemische Zersetzung von Wasser ist ein Verfahren, die chemische Reaktionen kombiniert, um Wasser bei einer Temperatur aufzuspalten, die niedriger als in dem Fall der direkten thermischen Zersetzung ist. Das thermochemische Zersetzungsverfahren, insbesondere das thermochemische Zersetzungsverfahren unter Verwendung der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen einem Metall und einem Metalloxid oder das thermochemische Zersetzungsverfahren unter Verwendung einer Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Metalloxiden verschiedener Oxidationszustände können aufsteigend sein. Die Chancen für ihre tatsächliche Anwendung werden gut.
  • Als ein thermochemisches Zersetzungsverfahren unter Verwendung der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen einem Metall und einem Metalloxid ist das Verfahren bekannt, das die Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Eisen (Fe) oder einem anderen Metall und deren Metalloxiden verwendet. Ferner ist als ein thermochemisches Zersetzungsverfahren, das eine Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Metalloxiden verschiedener Oxidationszuständen verwendet, das Verfahren bekannt, das die Oxidations-Reduktions-Reaktion von Eisenoxiden in verschiedenen Oxidationszuständen verwendet. Ferner ist als ein anderes thermochemisches Zersetzungsverfahren das Verfahren bekannt, das als das I-S(Jod-Schwefel)-Zyklusverfahren bekannt ist.
  • Das Verfahren der fotokatalytischen Zersetzung von Wasser ist ein Verfahren, bei dem Titanoxid oder ein anderer Fotokatalysator in Kontakt mit Wasser mit Licht bestrahlt wird, um das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff aus einem Fluidgemisch, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, mit: einem Fluidgemischkanal, durch den ein Fluidgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält; einem ersten Gaskanal, der an den Fluidgemischkanal angrenzt und durch den ein Gasgemisch strömt, das gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Sauerstoff enthält; einem zweiten Gaskanal, der an den ersten Gaskanal angrenzt und durch den gasförmiger Wasserstoff oder Sauerstoff strömt; einer Gas-Flüssigkeittrennende Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Fluidgemischkanal und dem ersten Gaskanal bildet, das Gasgemisch von dem Fluidgemisch des Fluidgemischkanals abtrennt und das abgetrennte Gasgemisch zu dem ersten Gaskanal liefert; und einer wasserstoff- oder sauerstofftrennenden Membran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem ersten Gaskanal und dem zweiten Gaskanal bildet, gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff von dem Gasgemisch des ersten Gaskanals abtrennt und den abgetrennten, gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff zu dem zweiten Gaskanal liefert.
  2. Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Gas-Flüssigkeit-trennenden Membran zumindest einen Teil einer vertikal oberen Wand in dem Fluidgemischkanal bildet; und wobei der Fluidgemischkanal Gasgemischfangelemente hat, die sich von der vertikal oberen Wand in dem Fluidgemischkanal nach unten erstrecken und dadurch die Gasgemischfangelemente das Gasgemisch von dem durch den Fluidgemischkanal hindurchströmenden Fluidgemisch fangen und das gefangene Fluidgemisch mit der Gas-Flüssigkeittrennenden Membran in Kontakt bringen.
  3. Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Fluidgemischkanal eine Rührvorrichtung aufweist, die das Fluidgemisch rührt.
  4. Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fluidgemischkanal einen Druck hat, der höher als ein Druck des ersten Gaskanals ist, und der erste Gaskanal einen Druck hat, der höher als ein Druck des zweiten Gaskanals ist.
  5. Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest ein Teil der Gas-Flüssigkeittrennenden Membran zumindest einen Teil der vertikal oberen Wand in dem Fluidgemischkanal bildet.
  6. Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zum Aufbereiten von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, um Wasserstoff von einem Fluidgemisch aufzubereiten, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält, mit: Zuführen des Fluidgemischs zu dem Fluidgemischkanal; Trennen des gasförmigen Wasserstoffs und des gasförmigen Sauerstoffs in dem Fluidgemisch des Fluidgemischkanals durch die Gas-Flüssigkeittrennende Membran und Liefern des abgetrennten gasförmigen Wasserstoffs und gasförmigen Sauerstoffs zu dem ersten Gaskanal, um das Gasgemisch zu erhalten; und Trennen des Wasserstoffs in dem Gasgemisch des ersten Gaskanals durch die wasserstofftrennende Membran und Liefern des abgetrennten Wasserstoffs zu dem zweiten Gaskanal und Erhalten von aufbereitetem Wasserstoff von dem zweiten Gaskanal; oder Trennen des Sauerstoffs in dem Gasgemisch des ersten Gaskanals durch die sauerstofftrennende Membran, Liefern des abgetrennten Sauerstoffs zu dem zweiten Gaskanal und Erhalten des aufbereiteten Wasserstoffs von dem ersten Gaskanal.
  7. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus Wasser, mit: Aufspalten von Wasser, um ein Fluidgemisch zu erhalten, das gasförmigen Wasserstoff, gasförmigen Sauerstoff und flüssiges Wasser enthält; und Verwenden des Verfahrens gemäß Anspruch 6 zum Aufbereiten von Wasserstoff aus dem Fluidgemisch.
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