DE1667752A1 - Wasserstoff-Generator - Google Patents

Description

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Union Carbide Corpα, Patent Section, 270 Park Avenue, He« York

Wassers toff-Generator

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff durch thermisches Cräcken von Kohlenwasser« stoff·, Zahlreiche solche Vorrichtungen sind schon bekannt, Z_nB₀ nach "Chemical fingineering, May 14» 1962,-pp.» 90^92", Keine dieser Vorrichtungen ist aber so klein» kompakt und wirksam» daß sie für bewegliche₉ wasserstoffverbrauchende Vorrichtungen wie Brennstoffelemente verwendet werden können_s

Mn Ziel der Erfindung ist ein kleiner, kompakter und wirksamer Y/asserstoff-Generator, bei welchem ein einziger Kohlenwasserstoff sowohl als Ausgangsmaterial für die Gewinnung von Wasserstoff durch thermisches Cracken wie auch als Brennstoff zur Erzeugung der erforderlichen Wärme dient* Ein weiteres Ziel der Erfindung 1st ein Wasserstoff-Generator;, der nach Bedarf Wasserstoff für Brennstoffelemente erzeugt»

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff durch thermisches Cracken von KoIiI enwassers tof fen enthalt eine Quelle für den Kohlenwasserstoff, einen Brenner, eine Kammer zum Cracken im Wärmeaustausch mit dem Brenner, Leitungen »um Einführe» des Kohlenwasserstoff« in die Kammer zum Cracken und Leitungen ssum Abziehen des wasserstoffenthaltenden Endgases aus der Kammer sum decken« Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Brenner» der Wärme durch Verbrennung desselben Kohlenwasserstoffes erzeugt; sie ist ferner gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen des Kohlenwasserstoffes eu dem Brenner aus der Quelle für Kohlenwasserstoff,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält also 1* eine Quelle für den au crackenden Kohlenwasserstoff» 2» einen Brenner *ur Erzeugung

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von Wärme durch Verbrennung desselben Kohlenwasserstoffes? 3₀ eine Kammer zw& Oracken im Wärmeaustausch mit dem Brenner, 4 ο Mittel zva& Sfof-ühren des Kohlenwasserstoffes von der Quelle zum Brenner ₉ 5Ό Mittel sir.i Suf Utaen-" des Kohlenwasoerstoffe von der Quelle la. die Kbmui&t. zum Oracken und 6_t Mittel zvm Abaialien des waaserstofferüialtsaden (Jases aus der Kammer gum Gr&eken»

Die erfindiuigsgemäBe Torrichtung ist beispielsweise iia Quer~

/in

schnitt aer Fig»gegeigtο Die Vorzdehtung enthält eine wärmebe^

stUndige Umhüllung 2₉ einen Brenner 4 und eine Kammer S aum Orackea₀ Diese Elemente können auf einem geeigneten !Träger 8 Wk- angeordnet SeIn₀ 2tir Vorrichtung gehört ferner eine -nicht abgebildete Quelle für deii Kohlenwasserstoff _$ tos welcher eine Leitung 10 su' dem-Brenner und eine aweite Leitung 12 in die IC&M&er aum Oracken"führt₃

Die Kammer zum 0rack-3& enthält einen Bjrliiiäi'ischen äußex-en' Mäntel. 14 und eine zylindrisch© Prellplatte 16 mit einem ringförmigen Zvjisclienjjaum ί8."zwischen ihnen* Sie ajlindrisehe ICaiamer zxm Cracken ist innerhalb der Umhüllung 2 aageordne-*s-_e. Darch den Zwisohenrauia zwischen ihr und der inneren Wandimg 20 der Umhüllung 2 .strömen die Verbrennungsgaae von dem Brenner durch, die ringförmige Kamnier und heiaen den äußex*en Mantel 14 der Kaiamer zum Orackenr. Durch die Leitungen 24- werden die heißen Verbresmungegase abgeführt_o

Der als Rohstoff dienende Eohlenv/aBserstoff tritt durch das Mundstück 26 in die Kammer zum Gracken ein_? wo er thenaisch zu Wasserstoff j, kohlenstoff und anderen Köhlenwassex^jstofie£i τοη niedareiu Molekulargewicht ssersetat w:ird_Q

Da?beim öracken ssitstehentle'Kohlenstoff--sansmel-t-sich, in dem Raum 27 innerhalb des Srellblechea 16 und ±n ä&w. ringSrmigen 2wieetien^> raum 18 an_a Br wird in der Karamel? auBi Öraoken durch das Filter "28 zurückgehalteno Wasserstoff und andere gasförmige &idprodulrfce■-vöjv» lassen die Kaöimer aum Gracken durch die -L'@:Vtüng-30»

Die Wanduögen der Umhüllung· 2 und der innei en feilen 16 und 14

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BAD

der Kammer zum Cracken können aus üblichem„ bei hohen Tempera« türen und in korrodierenden Atmosphären beständigem Material bestehen,- Solche Stoffe sind beispielsweise rostsieherer Stahl, metallische;? Hiokel und Fiekel*Legierungen* Eine besonders geeignete Konstruktion für¹ die ITirhtil.luiig ist in der Abbildung gezeigte Sie besteht rxif? e'iiier metallischen Schicht 20, die einen gegen Wärme Isolierer.len Füllstoff 32 3-B« aus Asbest oder keramischen Fasern u

der verhältnismäßig hohen Temperaturen können übliehe KrensKr verwemiat werden, Z₀B₁, öebläsebrennerc Für kompakte Einheiten sind solche Brenner vorzuziehen, die ihre Verbrennunge-=. 1 uft

Der !filter 28 kann aus bekannten hoch temperaturbeständigen Stoffen bestehen? s₍B? aus keramischen Fasern, aus üfickelwolle oder aus Stahlwolle« Stahlwolle ist besonders dort geeignet, wo Schwefel aus den Abgasen entfernt werden muß«

Gewünschtenfalls kann ein Thermoelement 34- innerhalb der Kamner zum Cracken angeordnet sein, um die Temperatur zu überwachen· Der Brennstoff und der Rohstoff können aus der Quelle für den Kohlenwasserstoff mittels Druck zugeführt werden, oder mittels anderer Mittel wie kleinen Pumpen,

In einem Generator gemäß der Erfindung können beliebige gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe verwendet werden, die bei der thermischen Zersetzung Vfasseratoff liefern* Hiersu gehören bei« spielsweise Propan, Butan, Erdgas, Benzol, Cyclohexan, Kerosin, Düsentreibstoffe, Gasolin, Dieseltreibstoffe und dgl.

In erfindungsgemäßen Vorrichtungen können Kohlenwasserstoffe unter Gewinnung von Wasserstoff schon bei Temperaturen von etwa 500⁰C gecrackt werden. Die Vorrichtung arbeitet aber am wirksamsten, wenn in der Kammer zum Cracken eine Temperatur von mindestens etwa 1100 C herrscht ο Bei 1100⁰C und darüber besteht das Endprodukt zu lalndeetexB

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85 $ aus Wasserstoffα Ale hauptsächliches gasförmiges Nebenprodukt entsteht Methan» Bei einer Temperatur von 1200⁰C enthält das Endgas 92-95 f° Wasserstoff und nur 5 bis 8 i» Methan.

Da schon bei Temperaturen von 50O⁰C ein bemerkbares Cracken stattfindet_f ao sollte das Mundstück 26 unterhalb dieser Temperatur gehalten werden, wenn die Vorrichtung im Betriebe ist ο Anderenfalls kann das Mundstück 26 schnell durch kohlen*= stoffhaltige feste Stoffe verstopft werden» Bine Regelung der Temperatur im Mundstück 26 kann leicht erreicht werden durch eine richtige Lage des Mundstücks gegenüber der oberen Kante 40 der Umhüllung 2, Die optimale Stellung für das Mundstück 26 hängt natürlich auch von dem Unfenge und von anderen Eigenschaften der jeweils verwendeten Vorrichtung: eb_e

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kenn der der Kammer Cra.cken zugeführte Rohstoff oder der des Brenner zugeführte Kohlenwasserstoff oder beide durch Berührung mit den gasförmigen heißen Endprodukten vom Brenner vorerhitzt werden,_%£jLne solche Vorrichtung ist in dsr Zeichnung «abgestellt» Die Leitung 10 von . der Quelle für den Kohlenwasserstoff "sot dem Brenner enthält einen gewundenen feil 56 in direktes Wärmeaustausch alt dsr Brennerflamme 58ο In ähnlicher Weise kann auch die Leitung 12 für den Kohlenwasser" stoff zu der Kammer sum Cracken in Wärmeaustausch alt der Brenner-' flamme gebracht werden! man kann diese Leitung aber auch in Berührung bringen mit dsn heißen Abgasen, die durch die Leitung 24 ströaen.

Bei einer anderen Ausfttbrungsfora die besonders für die Bedienung von Brenxistoffsleitentengeeignet i»t_f kann der Behalter für den Kohlenwasserstoff unter Druck stellen· Di· Leitung 12 von der Quelle für den Kohlenwasserstoff zu der Kammer sun Cracken enthält sin übliches Rückschlagventil. Sin Druckregler 1st in dsr Leitung 50 ewiscfaen der Kammer sum'Cracken und dem Brennstoff eleaent angeordnet. Wenn also dsr Gasdruck in der Kammer eum Cracken den Druck in der Quelle für dsn Kohlenwasserstoff übersteigt, so schllett sich das Rückschlagventil und kein Kohlenwasserstoff tritt in die Kaamsr

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zum Craeken ein» Wenn Wasserstoff verbraucht wird und der Druck in der Kammer zum Cracken unter den Druck in der Quelle für den Kohlenwasserstoff absinkt, so öffnet sich das Rückschlagventil und frischer Kohlenwasserstoff tritt in die Kammer zum Cracken ein und erzeugt neuen Wasserstoff für das Brennstoffelement* Bei der üblichen Verbindung ssit Brennstoffelementen dient der Druckregler zum Herabsetzen des Druckes zwischen, der Kammer zum Craekeu und öer Elektrode». Dar Behälter zur Aufnahme dee Kohlenwasserstoffes kann in üblicher Weise unter Druck gesetzt werden durch den Dampf einer geeigneten flüchtigen Flüssigkeit aus einer beweglichen Patrone, oder durch Erhitzen des Behälters auf geeignete Temperaturen unter Verwendung eines warnen Gasstromes, ZuBo des Gasstromes der aus der Leitung 24 austrittο

/der Bei erfindungagemäSen Vorrichtung kann die Kammer 6 zum Cracken entfernbar angeordnet sein, d.h. man kann sie von dar umhüllung abnehmen Nach einer bestimmten Arbeite seit sammeis* sich im Zwischenraum 27 zwischen dem Prellblech 16 .und in dem Zwischen» raum 16 kohlenstoffhaltige feste Stoffe an, die den WLuQ des Kohlenwasserstoffs oder der JBndgase hindern» Bann entfernt man die Einheit 6 und ersetzt sie durch eine neue gereinigte Einheit_o Bine solche abnehmbare Vorrichtung 6 ist besonders «»eignet zur Verwendung mit kompakten und beweglichen Waeaeretoff-Generatoren.

Man kann die kohlenstoffhaltigen Feststoffe auch auf ander* Art entfernenο Hierzu unterbricht man die Leitung 12 und ale Leitung 30 und führt Sauerstoff oder Luft in die Kammer zum Cracken mittels der Leitung 12 ein. Dadurch werden die kohlenstoffhaltigen lieas*- achläge au Kohlenmonoxid oder Kohlendioxyd verbrannt. Die Zufuhr von Sauerstoff oder Luft zu dem Brenner, wenn eine solche vorgesehen ist.« kann auch als Oxydationsmittel zum Verbrennen des Kohl·»· stoffes dienen« Diese Art der Entfernung des Kohlenstoffes 1st besonders geeignet bei gröBereu erfindtingsgemäBen Wasserstoff-Generatoren» .

Bei einer anderen Ausführungaform der Erfindung können der nicht verbrauchte Wasserstoff und das nicht verbrachte Methan wiederge»

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wonnen und im Kreislauf dem Brenner zugeführt werden, wodurch sie ein Teil des Brennstoffes bilden_c

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungcgemäflen Vorrichtung besteht da-ein, daß der Filter 28 das einzige Mittel aur Reinigung des Gase8 nach dem Cr&oken ist· Bas gasförmige Endprodukt besteht praktisch ausschließlich aus Wasserstoff und Methan und enthält nur Spuren anderer gasförmiger Produkte. Das entstehende feste Material, im wesentlichen Kohlenstoff, verbleibt in der Kammer zum Gracken und in Filter, wobei Schwefel oder schwefelenthaltende Verbindungen durdiVerwendung von Stahlwolle ale Piltermaterial wirksam entfernt werden»

Die nachstehenden Beispiele erläutern einige Ausführungeformen

der Erfindungο .

Beispiel 1

Es wurde eine Vorrichtung nach der Zeichnung verwendet* Sie Kammer zum Gracken hatte einen Durchmesser von etwa 2,5 cm und eine Länge von etwa 12,5 cm und bestand aus roeteicherem Stahl, Der Brenner war ein üblicher Gebläsebrenner. Zum Cracken und als Bfennetoff wurde ein Düsenbrennstoff der ungefähren Zusammensetzung Gq.^^ie verwendet, der einen Schwefelgehalt von weniger ale 50ppm hatte, Kachdem innerhalb der Kammer zum Cracken eine Temperatur Ton etwa 1000⁰C erreicht war, wurde flüssiger Kohlenwasserstoff Bugeführt. Nach der Herstellung von etwa 16,5 bis 17 Liter Gas wurde das Gas gesammelt und chromatografisoh analysiert· Bs !enthielt 67,1 % '-■ Wasserstoff, 31,1 # Methan, 1,8 % Luft und Spuren^ von Kohlenmonoxyd.

Bei einem «weiten Versuch wurde die Leitung toil der Kohlenwasserstoff quelle zu der Kammer sum Cracken durch die.3rennerflamae bin» durchgeführt; der Kohlenwasserstoff wurde also In Gasform singe« führt * Die Zusammensetzung des erhaltenen Oases war praktisch dieselbe.

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Beispiel 2

Ähnliche Versuche wurden unter gleichen Umständen erhalten bei der Verwendung eines Gasolins der Zusammensetzung C„ «eH-jg g-r«

Dieses Beispiel zeigt die Wirkung der Temperatur auf den Gehalt des Endgases an Wasserstoffο Verwendet wurde ein Düsentreibstoffο 3)ie Arbeitsteiaperaiur wurde stufenweise herabgesetzt, wobei das jeweils gebildete 3as" untersucht wurde,, 5)ie Ergebnisse sind in der nachstehenden -Tabelle enthalten.«, '

Gesamtarbeitsseit	Temperatur °G	1	1097	H2, S
in Minuten	1033
115	985	91,6
255	94Ö . ^	82,4
315	900 :&-	72,8
395,	63,7
455	55,0

Die Tabelle 2eigt_¥ daß die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Temperatur in der Kammer zum Cracken wenigstens etwa 110O⁰C beträgt_o

Beispiel 4 ■ ■ ^Λ ·

Eine erfindungsgem&ße Vorrichtung wurde kontinuierlich 10,55 Stdo lang betriebene Während dieser Zeit konnte der gesamte Wasserstoff erzeugt werden, der zum Betriebe eines Brennstoffelementes Bit einer .Leistung von mehr als 100 Watt erforderlich war_o

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Vorrichtung zur Erzeugung iron Wasserstoff durch thermisches Cracken durch Kohlenwasserstoffen, mit einer Quelle für den Kohlenwasserstoffι einem Brenner, einer im Wärmeaustausch ait dem Brenner stehenden Kammer sum Crackern, Mitteln zum Einführen des Kohlenwasserstoffs in die Kammer ssum Craekeß «ad Mittel au» Abziehen des wasserstoff enthalt enden Gases aus der Kammer sum Cracken» gekennzeichnet durch einen Brenner, weleaer durch Ter<brennung desselben Kohlenwasserstoffs Wärme «rsseugt, und durch Mittel zum Zuführen des Kohlenwasserstoffes aus £er Quelle für Kohlenwasserstoff zum Brenner ο -.

   Vorrichtung nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet» daß die leitungen zur Zuführung des Kohlenwasserstoffs zum Brenner und/oder zur Kammer gum Oracken im Wärmeaustausch mit den im Brenner entstehenden heißen Abgasen stehen»

   Vorrichtung nach Anspruch V, dadurch gekennzeichnet _s dafr die Kammer zum Cracken abnehmbar angeordnet ist«

   Vorrichtung nach Anspruch1, gekennzeichnet durch Mittel zum Hindurehleiten iron öaue^stoffenthÄltenden Gasen durch die Kammer gum Cracken, im kohlenstoffhaltige Niederschläge zu verbrennen

   Vorrichtung nach Anspruch 1, aur Vea?wönÄtüi|; mit eines waseerstoffverbrauchenden Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer zum Cracken mit der Elektrode dee Brennstoffelements durch einen Druckregler verbunden iet> ferner gekennzeichnet duroh Mittel zum Hegeln dee Zuflusses dee lohlenwaeeer= stoffes in die Kammer zum Oracken in einer Menge» die den verbrauchten Wasθerstoff in dem Brennstoffelement entspricht«

   s*ch Anspruch 1, dadurch gekennaselehnet, daß ein Filter aus Stahlwolle zwischen dar Kammer zum Craoken und der Ableitung für die wasserstoff enthalt enden Oa β e angeordnet lat

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