DE1667277A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von gasfoermigen Reaktanten,insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff fuer Brennstoffelemente - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von gasfoermigen Reaktanten,insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff fuer Brennstoffelemente

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur-E/rgeugung von gasförmigen Reaktanten, insbesondere von Wasserstof-ft, und Sauerstoff für Brennstoffelemente
DLe neuto am weitesten entwickelten Brennstoffelemente arbeiten γι ι', Wasserstoff und. Sauerstoff. Diese Gase werden meistens in Druckflascher: rospeichurt. Dabei müssen eine Anzahl von Nachteilen, wie y,.B." hohf.s Gewicht der Druckbehälter und schwierige Transport der kornpr iniur',en Gase, in Kauf renommen werden.
Es wurde deshalb auch bereits vorgescnlagen, die gasförmigen Reak-
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tanten aus flüssigen oder festen Substanzen am Einsatzort selbst zu erzeugen. So kann gemäß W. Vielstich "Brennstoffelemente" Verlag Chemie GmbH Weinheim/Bergstr., 1965, Seite 172,der in tragbaren H^/Oo-Batterien benötigte Wasserstoff in einem angeschlossenen Generator durch Zersetzung von Natriumboranat mit 35-#iger Schwefelsäure entwickelt werden.
Apparaturen zur Entwicklung von Gasen aus flüssigen und festen ^ Reaktanten sind schon seit langem bekannt. So wird z.B. Wasserstoff im Laboratorium häufig durch Umsetzung von Zink mit Salzsäure im
Kippschen Apparat gewonnen.
Allen derartigen Apparaturen ist jedoch zu eigen, daß .zur Erzeugung eines Gasüberdruckes eine Flüssigkeitssäule erforderüch ist? deren hydrostatischer Druck mit dem gewünschten Gasdruck im Gleichgewicht steht.
Weiterhin ist bekannt, daß Brennstoff-Batterien im allgemeinen keinen W gleichmäßigen Gasverbrauch haben, sondern wegen der unterschiedlich geforderten Leistung auch einen unterschiedlichen "Gasverbrauch aufweisen, was eine Steuerung des Gasentwicklungsprozesses notwendig macht.
Die Steuerung int üblicherweise mit Energieaufwand verbunden. Bei Batterien mit kleinernen Leistung wird dadurch der Wirkungsgrad stark herabgesetzt. Das macht sich·aln einschneidender Nachteil ins-
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besondere "bei solchen Batterien bemerkbar, die sehr lang wartungsfrei arbeiten müssen. Bei langen Einsatzzeiten ist nämlich gerade die Menge der zu transportierenden Reaktanten kritisch und wird durch den Abfall des Wirkungsgrades unzulässig erhöht.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigen Reaktanten, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff für Brennstoffelemente, durch Umsetzung bzw. katalytische Zersetzung von flüssigen oder in Flüssigkeit gelösten Stoffen mit festen Stoffen bzw. an festen Katalysatoren zu finden, bei welchem die Gasentwicklung der Gasaufnahme des Verbrauchers selbsttätig angepaßt wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabp besteht darin, daß der flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste Stoff in einen Vorratsbehälter eingebracht wird, der mit einem abgeschlossenen Gasraum in Verbindung steht und über mindestens eine Leitung an ein den festen Stoff oder festen Katalysator enthaltenden Reaktionsrohr angeschlossen ist, so daß bei Druckerniedrigung im Reaktionsrohr die im Vorratsbehälter befindliche Flüssigkeit weiter in das Reaktionsrohr gedrückt und bei Druckerhöhung im Reaktionsrohr aus diesem ganz oder teilweise in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird.
Eine reei f~nete Ausführunfrsf orm des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt. In dem unteren Teil des Vorratsbehälters 1 befindet sich die für die Umsetzung oder katalytische Zersetzung vorgesehene Flüssigkeit 2, beispielsweise Kalilauge, und im oberen
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Teil 3 des Vorratsgefäßes das zur selbsttätigen Regelung der Gaserzeugung dienende Druckgas (z.B. Stickstoff). Bei geöffneten Ventil 4 im Gasableitungsrohr 5 gelangt die Flüssigkeit 2 infolge des eintretenden Druckabfalles im Reaktionsrohr und der damit verbundenen Druckdifferenz über das Verbindungsrohr 7 in das Reaktionsgefäß 8, in welchem sich die als Katalysator oder Reaktionskomponente eingesetzte feste Substanz 9 befindet. Die feste Substanz kann z.B. aus Aluminiumstäben bestehen, die zweckmäßigerweise in eine geeignete Haltevorrichtung gebracht werden, etwa ein mit einem Siebboden versehenes Edelstahlrohr. Bei Berührung der flüssigkeit mit der festen Substanz tritt Gasentwicklung ein und der entstandene Druckabfall wird dadurch ausgeglichen. Steigt der Gasverbrauch an, so bildet sich erneut*eine Druckdifferenz aus und das Plussigkeitsniveau steigt im Reaktionsgefäß 8 an. Dadurch vergrößert sich die Berührungsfläche der festen Substanz mit der Flüssigkeit und gleichzeitig die pro Zeiteinheit entwickelte Gasmenge. Wird dagegen die Gasentnahme gedrosselt, so erhöht sich der Druck im Reaktionsrohr und die Flüssigkeit strömt solange aus dem Reaktionsrohr in den Vorratsbehälter zu- W rück bis Druckausgleich erfolgt ist. Die Berührungsfläche des festen Stoffes mit der Flüssigkeit wird dadurch verkleinert und paßt sich so selbsttätig der gedrosselten Gasentnahme an.
In analoger Weise werden bei dem neuen Verfahren durch Temperaturänderungen ausgelöste Änderungen der Reaktionsgeschwindigkeit ausge-· glichen. So tritt bei Temperaturerhöhung eine verstärkte Gasentwicklung und dami4. die Ausbildung eines erhol.ten Druckes im Reaktionsrohr nnv.'io ein Absinken der Piüysirkoit im Reaktionsrohr ein. Bei Tempreraturerniedrigunr u'ei,'! Minderen die P] üxi-A .-kei t im Reakt i onnrohr.
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Das Volumenverhältnis von Reaktionsrohr zum Druckgasraum wird durch die Druckdifferenz zwischen minimalem und maximalem Betriebsdruck bestimmt.
Bezeichnet man mit
P-D den minimalen Betriebsdruck, mit Pg den maximalen Betriebsdruck (Sicherheitadruck), mit V_ das Volumen des Reaktionsrohres, mit
das Volumen des Gasdruckraumes bei min. Betriebsdruck und mit
Vwcs das Volumen des Gasdruckraumes bei max. -Betriebsdruck
WO ,,
so gelten folgende Bezeichnungen:
V P=VP
7WB ' rB WS * rS
VWB
VWB "' VWB ' -J^- = VD
Ps R
VWB *
Der hydrostatische Druckunterschied, der durch das Steigen oder Sinken den Flüssigkeitaniveaus im Reaktionsrohr hervorgerufen wird, muß nur bei 3ehr niedrigen Gasdrücken al3 Korrektur angebracht werden.
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Beträgt demnach der min. Betriebsdruck Pg 0,5 atü und der eingeplante Sicherheitsdruck P„ 0,6 atü, so muß bei einem Reaktionsraum von 5 1 das Volumen des Druckgasraumes etwa 30 1 betragen.
Um den bei der Umsetzung im Reaktionsgefäß zwischen der Flüssigkeit im Reaktionsgefäß und der Flüssigkeit im Vorratsbehälter sich ausbildenden Konzentrationsunterschied auszugleichen ist es vorteilhaft, das Reaktionsrohr mit dem Vorratsbehälter über ein zusätzliches Rohr, das in Fig. 1 mit 10 bezeichnet ist, so zu verbinden, daß ljei erhöhtem Gasverbrauch und Anstieg des Flüssigkeitsspiegels bia zur Einmündung des Rohres 10 in das Reaktionsgefäß jeweils eine Zirkulation der Flüssigkeit in Gang gesetzt wird.
Die besonders bei erhöhtem Gasverbrauch dauernd oder periodisch eintretende Flüssigkeitszirkulation kommt dadurch zustande, daß sich im Reaktionsrohr eine Gas/Flüssigkeitssuspension ausbildet, die ein geringeres mittleres spezifisches Gewicht aufweist als die Flüssigkeit im übrigen System. Dabei wird frische Flüssigkeit über das . Rohr 7 aus dem Vorratsbehälter in das Reaktionsgefäß eingeführt, was eine gesteigerte Gasentwicklung zur Folge hat.
Gemäi3 einer verbesserten Ausführungsform der Erfindung kann der zur Regelung der Gasentwicklung vorgesehene Gasraum auch getrennt vom Vorrats^efäß in Form eines Windkessels ausgeführt werden. Der in FU1;. 2 wiedergesehene Windkessel 11 steht über die mit einem ■ Sicherheitsventil 12 versehene Leitung 13 mit dem Gasraum des Vorrat age falte 14 in Vorbindung. Mit dienern Vorratagefäß ist, der"
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Reaktionsraum 15, in welchem sich die feste Substanz 16 befindet über die Leitungen 17 und 18 verbunden, wobei in die Leitung 17 zweckmäßigerweise ein Schlammabscheider 19 zur Aufnahme von nicht gelösten Reaktionsendprodukten eingebaut ist. Die Gasentnahme erfolgt über das Ableitungsrohr 20, vor das das Ventil 21 sowie die Gasreinigungspatrone 22 geschaltet sind. Aus Sicherheitsgründen wird man zwischen Reaktionsrohr 15 -und Ventil 21 ein Sicherheitsventil einbauen.
Anhand der nachstehenden Beispiele wird nun das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert.*
Beispiel 1
Eine 1W Hp/Op-Batterie, die 12 Monate wartungsfrei arbeiten soll und mit, Wasserstoff aus Aluminium und Kalilauge betrieben wird, benötigt bei 25 °0 und einen Wirkungsgrad von 78 $> 0,46 1 Wasserstoff in der Stunde. Demnach werden in einem Zeitraum von 12 Monaten '')2\ f- Hp benötigt. In einer Anordnung gemäß Fig. 2 werden demnach im Reaktionsrohr mindestens 2,H kg Aluminium und im Vorratsgefäß mindestens 18 1 6m KOH benötigt, wenn die Auflösung bis zum Alum;nat erfolgen soll. Sieht man dagegen eine Ausfällung von schlammförini.'em Al(OH),, so kann mit sehr verdünnter Kalilauge gearbeitet werden.
Boispiel 2
In einer Batterie nach Beispiel 1 wurde der Wasserstoff durch katnlyl i ijche Zeroetsunf: von Hydrazin gewonnen. Für einen 12 monatigen
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Betrieb der Batterie wurden 4,1 kg Hydrazinhydrat benötigt. Im Reaktionsrohr diente ein platiniertes Nickelnetz als Zersetzungskatalysator.
Beispiel 3 . *
In einer 2OW Ho/O^-Batterie wurde der Sauerstoff durch katalytische Zersetzung von H2Op an einem versilberten Nickelnetz gewonnen. Der Wirkungsgrad der Batterie betrug 72 % und der Sauerstoffverbrauch bei 25 0C 5,5 l/h. Um diese Batterie 3 Monate wartungsfrei in Betrieb zu halten, wurden 14-,5 kg Oo benötigt. Dazu sind im Vorratsgefäß 100 kg 30 #-ige HgOg-Iöeung erforderlich.
Das neue Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt und kann auch bei anderen Wasserstoff öder Sauerstoff liefernden Umsetzungen mit Erfolg eingesetzt werden. So kann beispielsweise Wasserstoff mit Hilfe von Alkalimetallen aus Wasser gewonnen werden. Auch können Metalle wie Zink u.a. in Säuren aufgelöst werden oder Hydride, beispielsweise Lithiumhydrid und Natriumboranat, mittels Wasser oder Säuren zersetzt werden.
r; Patentansprüche
2 Firuren
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Claims (1)

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    Patentansprüche
    1. Verfahren zur Erzeugung von gasförmigen Reaktanten, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff für Brennstoffelemente,
    durch Umsetzung bzw. katalytische Zersetzung von flüssigen oder in Flüssigkeit gelösten Stoffen mit festen Stoffen bzw. an festen Katalysatoren,-bei welchem die Gasentwicklung der Gasaufnähme des Verbrauchers selbsttätig angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste Stoff .in einem Vorratsbehälter eingebracht wird, der mit einem abgeschlossenen Gasraum in Verbindung steht und über mindestens eine Leitung an ein den festen Stoff oder festen Katalysator enthaltenden Reaktions rohr angeschlossen ist, so daß bei Druckerniedrigung* im Reaktionsrohr die im Vorratsbehälter befindliche Flüssigkeit weiter in: das Reaktionsrohr gedrückt und bei Druckerhöhung im, Reaktionsrohr aus diesem ganz oder teilweise in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,sdaß die zur Umsetzung bzw. katalytiachen Zersetzung eingesetzte Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird.
    '5, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .sie aus einem Vorratsbehälter (1,14) besteht, der über eine; Leitung (7,17) an ein Reaktionsrohr {8,1b) angeschlossen ist und mit einem zur selbsttätigen Anpassung
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    der Gasentwicklung an die Gasaufnahme des Verbraucher.^ vorgesehenen abgeschlossenen Gasraum (3,11) in Verbindung stent:.
    4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens riacn Anspruch V, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehäl f.er (1,11-) über ein zweites Rohr (10,18) mit dem Reaktionsgefäß ( ',1^) verbunden ist.
    Ί. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 4, dadurch gekennzeichne ι, . daß zwischen dem Gasraum (11) und dem -Vorratsbehälter (14) ein Sicherheitsventil "(12) angebracht ist«
    6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbindungarohr (7„17) ein Schlammabscheider (19)_
    eingebaut ist.
    7. Vorrichtung" nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasableitungsrohr (20) zwischen dem Reaktionsrohr (1 rO und dem Ventj. L 21 ein Sicherheitsventil (22^ eingebaut ist.
    0 - B1V/Or
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