DE2744103A1 - Vorrichtung zum erzeugen von wasserstoff aus wasser - Google Patents
Vorrichtung zum erzeugen von wasserstoff aus wasserInfo
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Description
VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN VON WASSERSTOFF AUS WASSER
Zusatz zu Patent 26 38 275
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser mit einer Leitung, deren Wandung
mindestens teilweise aus einer aus einem Metalloxyd bestehenden selektiven Membran gebildet wird, mit Mitteln, mit denen
Wasserdampf durch diese Leitung in Strömung versetzt wird, mit Heizmitteln, mit denen der in der Leitung vorhandene Wasserdampf
auf eine hohe Temperatur gebracht wird, damit er mindestens teilweise in Viasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, mit
Mitteln, mit denen der Durchgang des Sauerstoffs durch die Membran beschleunigt wird, sowie mit Mitteln, mit denen der
Wasserstoff am Ausgang der Leitung aufgefangen wird, wobei das Metalloxyd der Membran dotiert ist, um eine Sauerstoffionenleitung
und eine Elektronenleitung zu erreichen, und die Mittel zur Beschleunigung des Durchgangs des Sauerstoffs durch die
Membran auf der selektiven Membran außerhalb der Leitung einen Sauerstoffunterdruck hervorrufen, gemäß Hauptpatent 26 38 27
Untersuchungen an dieser Wasserstoff-Erzeugungsvorrichtung
haben gezeigt, daß lediglich ein Teil des in die Leitung geblasenen Wasserdampfs zersetzt wird. Unter den im Hauptpatent
beschriebenen bevorzugten Bedingungen werden im Durchschnitt nur 40% der eingeführten Wasserdampfmenge zersetzt. Es ist daher
notwendig, eine Rückführung für das nicht zersetzte Wasser vor-
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zusehen, wodurch der Aufbau der Vorrichtung verkompliziert wird und sein Energiewirkungsgrad abnimmt.
Die Erfindung gemäß Hauptanspruch zielt darauf hin, dia Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent derart zu verbessern,
daß eine praktisch vollständige Zersetzung des in die Leitung eingeblasenen Wasserdampfs erreicht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende einzige Figur
näher erläutert. Die Figur zeigt im Teilschnitt eine Ausfüh— rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Ofen mit einer senkrechten isolierten Umhüllung 41, deren Wandungen
aus Zjirkonoxyd- oder Aluminiumoxydwolle bestehen. Die
Umhüllung 41 weist eine obere Öffnung 42 auf, durch die Wärmeenergie
ins Innere des Ofens eingeführt wird. Im hier beschriebenen Beispiel handelt es sich bei der Wärmeenergie um einen
Sonnenlichtstrahl 43, dessen Ursprung ein Konzentrationspunkt
oine3 hier nicht dargestellten Spiegelsystems ist. Der Lichtstrahl
41 gelangt in den Innenraum eines senkrecht stehenden
zylindrischen VJärmeschilds 45, das in der Umhüllung 41 konzentrisch
untergebracht ist und mit einem seiner Enden auf dem Boden 46 dieser Umhüllung ruht. Die Energie des Lichtstrahls
reicht dazu aus, den Innenraum des Wärmeschilds 45 auf eine Temperatur von etwa 22OO C aufzuheizen. Unter Berücksichtigung
der Wärmeverluste des Wärmeschilds 45 erreicht der zwischen der Außenwandung des Wärmeschilds 45 und der Innenwandung der Umhüllung
41 enthaltene Raum dann eine Temperatur von etwa 1500 C.
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Im zylindrischen Innenraum des Hitzeschildes 45 ist eine Leitung 47 angeordnet, die außen durch ein senkrecht
stehendes sauerstoffdichtes Rohr 48 begrenzt wird, das aus stabilisiertem Zirkonoxyd hergestellt werden kann. Die Leitung
47 wird innen durch ein auf die Achse des Rohrs 48 zentriertes Rohr 49 begrenzt. Die Rohre 48 und 49 sind an ihrem
oberen Ende verschlossen. Im Innern der Leitung 47 mündet.ein einen kleinen Durchmesser aufweisendes Rohr 52. Die Wandung des
Rohrs 49 bildet eine sauerstoffselektive Membran aus einem Metalloxyd, das so dotiert ist, daß eine Sauerstoffionenleitfähigkeit
sowie eine Elektronenleitfähigkeit erzielt wird. Bei dem Metalloxyd handelt es sich vorzugsweise um Zirkonoxyd
ZrO„. Die Dotierung, mit der die Ionenleitfähigkeit erreicht
wird, ist ein Zusatz einer Spur von Yttriumoxyd Y2O? °der
Kalziumoxyd CaO. Die die Elektronenleitfähigkeit hervorrufende Dotierung ist ein Zusatz von Ei3enoxyd Fe-O. oder Uranoxyd
UO _ oder "eroxyd CeO., oder einer Mischung dieser Oxyde.
Zwischen der Außenwandung des Hitzeschilds 45 und der Innenwandung der Umhüllung 41 sind senkrechte Rohre angeordnet,
die an ihrem oberen Ende verschlossen sind, wie beispielsweise das Rohr 50, dessen Wandung gegenüber Wasserstoff
und Sauerstoff bei 15OO C dicht ist. Innerhalb des Rohrs 5O ist koaxial ein weiteres Rohr 51 angeordnet, das ebenfalls an
seinem oberen Ende verschlossen ist.
Die Wandung des Rohrs 51 besteht aus einer wasserstoffselektiven Membran. Diese Membran kann vollständig aus Keramik
wie beispielsweise Aluminiumoxyd gefertigt sein, wird jedoch
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vorzugsweise unter Verwendung von Metall hergestellt, indem beispielsweise ein Substrat aus poröser Keramik (Aluminium—
oxyd oder Zirkonoxyd) mit Metall beschichtet wird. Hierzu kommen Tantal, Wolfram, Moybdän, Palladium oder Nickel oder
Legierungen von Nickel oder Palladium wie beispielsweise Nickel-Eisen, Palladium-Silber und Palladium-Kupfer in Frage.
Mit Palladium und seinen Legierungen können im allgemeinen höhere Wasserstoff-Diffusionsgeschwindigkeiten erzielt werden.
Die Stärke der Metallschicht kann zwischen"2O und 2OO Mikron betragen. Diese Schicht kann beispielsweise mit Hilfe des
Schoopschen Metallspritzverfahrens, durch Aufbringen einer Metallfarbschicht mit nachfolgendem Wärmesintern, durch Verdampfen
unter Vakuum, durch Kathodenzerstäubung unter Vakuum oder chemisches Bedampfen aufgebracht werden. Im Falle einer
rohrförmigen, aus einem Keramiksubstrat mit Metallbeschichtung gebildeten rohrförmigen Membran kann die Beschichtung auf der
~.ußen- oder Innenseite der Rohrwandung vorgesehen werden. Das
die wasserstoffselektive Membran bildende Metall bestimmt die Temperatur, die zwischen Hitzeschild und Innenwandung der Umhüllung
aufrechterhalten werden muß. Bei Palladium beispielsweise kann, wie weiter oben angegeben, diese Temperatur etwa
15OO°C sein.
Der untere Teil der Rohre 48, 49, 50 und 51 ist an einen beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten Metallsockel
53 angeschlossen, und zwar so, daß der Innenraum der Leitung 47 mit dem zwischen den Rohren 50 und 51 vorhandenen
Raum in Verbindung steht. Der Innenraum des Rohrs 49 steht
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über eine Kanalisierung 54 durch die Wandung der Umhüllung 41
mit dem Eingang einer primären Vakuumpumpe 55 in Verbindung, deren Ausgang über ein Ventil 60 zu einem Behälter 61 führt.
Schließlich verlängert sich das Rohr 52 mit seinem unteren Teil über eine durch die Wandung des Sockels 53 hindurchgeführte
Kanalisierung. Diese Kanalisierung verläuft an der Sockelsohle in einer schraubenlinienfönnigen Wicklung 62 unter Kontakt mit
dem Boden des Sockels 53 und bildet auch eine Wicklung 63 um die Kanalisierungen 54 und 58, bevor sie außerhalb der Umhüllung
41 über ein Ventil 64 an einen Anschluß 65 einer hier nicht dargestellten Wasserzuführungsvorrichtung angeschlossen
wird.
Die Wicklungen 62 und 63 können innerhalb der wärmeisolierenden Wandung der Umhüllung 41 untergebracht sein,
ebenso wie der Sockel 53 und der untere Teil der Rohre 48, 49, 50 und 51.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung arbeitet folgendermaßen t
Der Innenraum des Hitzeschlids 45 wird unter der Wir
kung des Lichtstrahls 43 auf eine Temperatur von 2200 C gebracht, woraufhin sich der außerhalb dieses Hitzeschilds liegende Raum
der Umhüllung auf eine Temperatur von 1500°C erhitzt. Bei geöffneten Ventilen 56, 60 und 64 werden die Pumpen 55 und 59 in
Gang gesetzt, und man läßt über den Eingang 65 destilliertes Wasser eindringen. Dieses Wasser wird allmählich erhitzt und
beim Durchgang durch die Wicklungen 63 und 62 in Dampf überführt, der eine Temperatur von nahe 220O0C erreicht hat, wenn er in die
Leitung 47 am oberen Ausgang des Rohrs 52 mündet. Dieser Dampf zersetzt sich dann teilweise in Wasserstoff und Sauerstoff; wie im Hauptpatent bereite beschrieben durchquert der Sauerstoff
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die Membran des Rohrs 49 und wird dann im Behälter 57 gespeichert.
Die aus der Leitung 47 austretende Gasmischung wird den wasserstoffselektiven Membranen beispielsweise in dem
zwischen den Rohren 50 und 51 vorhandenen Raum 66 zugeführt. Die wasserstoffselektiven Membranen 51 sind ausreichend heiß, um für Wasserstoff durchlässig zu sein. Der sich im Raum befindende Wasserstoff diffundiert daher durch die Wandung des Rohrs 51 und diese Diffusion wird durch den auf der dem Raum gegenüberliegenden Membranseite durch die Vakuumpumpe 59 geschaffenen Unterdruck beschleunigt. Schließlich wird der Wasserstoff im Behälter 61 gespeichert.
zwischen den Rohren 50 und 51 vorhandenen Raum 66 zugeführt. Die wasserstoffselektiven Membranen 51 sind ausreichend heiß, um für Wasserstoff durchlässig zu sein. Der sich im Raum befindende Wasserstoff diffundiert daher durch die Wandung des Rohrs 51 und diese Diffusion wird durch den auf der dem Raum gegenüberliegenden Membranseite durch die Vakuumpumpe 59 geschaffenen Unterdruck beschleunigt. Schließlich wird der Wasserstoff im Behälter 61 gespeichert.
Wie hier festzustellen ist, ist die Gleichgewichtsverschiebung der Zersetzungsreaktion des Wassers stark durch
das Vorhandensein der wasserstoffselektiven Membranen begünstigt. Daraus ergibt sich eine vollständige Zersetzung des zugeführten
Wasserdampfes.
Die erfinduhgsgemäße Vorrichtung kann zur Erzeugung
von Wasserstoff unter Druck oder in flüssiger Form eingesetzt werden, um beispielsweise ein Gasturbinenkraftwerk oder Wasserstoffmotoren
zu speisen oder ganz allgemein eine Verbrennung zu unterhalten.
χ χ
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e e r s e i t e
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus VJasser mit einer Leitung, deren Wandung mindestens teilweise aus einer aus einem Metalloxyd bestehenden selektiven Membran gebildet wird, mit Mitteln, mit denen Wasserdampf durch diese Leitung in Strömung versetzt wird, mit Heizmitteln, mit denen der in der Leitung vorhandene Wasserdampf auf eine hohe Temperatur gebracht wird, damit er mindestens teilweise in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, mit Mitteln, mit denen der Durchgang des Sauerstoffs durch die Membran beschleunigt wird, sowie mit Mitteln, mit denen der Wasserstoff am Ausgang der Leitung aufgefangen wird, wobei das Metalloxyd der Membran dotiert ist, um eine Sauerstoffionenleitung und eine Elektronenleitung zu erreichen, und die Mittel zur Beschleunigung des Durchgangs des Sauerstoffs durch die Membran auf der selektiven Membran außerhalb der Leitung einen Sauerstoffunterdruck hervorrufen, gemäß Hauptpatent No 26 38 275, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auffangen des Wasserstoffs am Ausgang der Leitung (47) eine wasserstoffselektive Membran (51) aufweisen, wobei diese Membran so angeordnet ist, daß sie auf einer Seite die aus der Leitung austretenden Gase empfängt, ferner8098U/0816ORIGINAL INSPECTED27U103Mittel (43, 45), mit denen diese wasserstoffselektive Membran (51) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie für Wasserstoff durchlässig wird, sov/ie Mibtel (5, 9) vorgesehen sind, mit denen auf der anderen Seite der wasserstoffselektiven Membran ein v/asserstoffunterdruck erzeugt wird, damit der Durchgang
des VZasserstoffs durch diese Membran (51) beschleunigt wird.2 - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichne t, daß die wasserstoffselektive
Membran (51) metallisch ist.3 - Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d ur a h
gekonnzeichnet, daß die wasserstoffselektive
Membran au3 einem porösen Keramiksubstrat mit Metallbeschichtung besteht.4 - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die wasserstoffaelektive
Membran ein erstes Rohr (51) ist, das an einem seiner Enden
verschlossen ist und von einem zweiten Rohr umgeben wird, das wasserstoffdicht ist, wobei diese beiden Rohre koaxial zueinander angeordnet sind und wobei das zweite Rohr (50) an einem seiner Enden an derselben Seite wie das erste Rohr verschlossen ist, wobei die die Leitung (47) verlassenden Gase in den zwischen diesem ersten und zweiten Rohr vorhandenen Raum (66) geleitat werden.5 - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel, mit denen diese wasserstoffselektive Membran (51) auf eine Temperatur arhitzt8098U/0816wird, bei der sie für Wasserstoff durchlässig ist, dieselben Mittal (43) sind, die die Erhitzung des in der Leitung (47) vorhandenen Wasserdampfs auf eine zu seiner Zersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff ausreichend hohe Temperatur bewirken.6 - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (43) , mit denen der in der Leitung (47) enthaltene Wasserdampf zu seiner Zersetzung in Viasserstoff und Sauerstoff auf eine hohe Temperatur gebracht wird, eine wärmeisolierte Umhüllung (41) umfassen, die die Leitung (47) und die wasserstoffselektive Membran (51) umgibt sowie eine Öffnung (42) aufweist, ferner einen Hitzeschild (45),.(41)
der innerhalb der Umhüllung/angeordnet ist und die Leitung (47) umgibt, wobei die wasserstoffselektive Membran (51) zwischen der Außenwandung dieses Wärmeschilds (45) und der Innenwandung der Umhüllung (41) untergebracht ist, sowie Mittel (43) zur Erhitzung des Innenraums des Wärmeschilds durch die Öffnung (42) der wärmeisolierten umhüllung (41) hindurch umfassen.7 - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks auf der anderen Seite der wasserstoffselektiven Membran eine Pumpe (59) umfassen, deren Ansaugeingang mit dem zwischen dem ersten und zweiten Rohr (51, 50) vorhandenen Raum (66) verbunden ist.8098U/0816
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