DE3019095A1

DE3019095A1 - Auswechselbarer einsatz fuer einen gaserzeuger

Info

Publication number: DE3019095A1
Application number: DE19803019095
Authority: DE
Inventors: Otto J Adlhart
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1980-12-18
Also published as: FR2458312A1; JPS5914252B2; CA1116855A; GB2055089A; SE8004393L; AU5926480A; JPS562840A; IT8048945A0; IT1129006B; US4261956A; FR2458312B1; GB2055089B

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Gaserzeuger und insbesondere solche Gaserzeuger/ bei denen ein feststoffÖrmiger Brennstoff in Berührung mit einer Flüssigkeit gebracht, wird, mit der der Brennstoff chemisch reagiert und das gewünschte Gas erzeugt. Derartige Gaserzeuger finden auf den verschiedensten Gebieten Anwendung, wenn es gewünscht wird/ eine relativ gewichtsmäßig leichte/ leicht transportierbare und austauschbare Anordnung in Form von auswechselbaren Einsätzen zu haben/ die als eine Quelle für ein Gas dienen soll, um die bekannten Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Lagerung und dem Gebrauch von einem komprimierten Gas in einem unter Druck stehenden Behälter zu vermeiden.

Eine übliche Bauart eines solchen Gaserzeugers ist derart beschaffen, daß die feststofförmige Brennstoffbeschickung ein Metallhydrid/ wie zum Beispiel ein Grundmetallhydrid/ ist/ das heftig mit Wasser reagiert, um Wasserstoffgas zu erzeugen und einen festst©.fförmigen Rest eines Grundmetallhydroxids zurückzulassen.

Im Zusammenhang mit solchen Einrichtungen treten zahlreiche Schwierigkeiten auf. Eine der Schwierigkeiten ist darin zu sehen, daß solche Brennstoffe bei der Reaktion mit der Flüssigkeit, üblicherweise mit Wasser, dazu neigen, daß ihr Volumen größer wird. Da die Brennstoffe üblicherweise in einem geschlossenen Behälter untergebracht sind, führt die Expansion des reagierten Brennstoffs zu einer Verdichtung des Materials mit der Folge, daß es für die Reaktionsflüssigkeit immer schwieriger wird, in die Brennstoffbeschickung einzudringen. Als Folge ergibt sich hieraus, daß sich die Reaktion

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häufig verlangsamt, ja sogar zum Stillstand kommt, währenddem alsnoch eine beträchtliche Menge als bisher nicht reagiertem feststofförmigem Brennstoff zurückbleibt. Eine weitere Schwierigkeit bei diesen üblichen Gaserzeugern ist darin zu sehen, daß die Handhabung und die Lagerung der Brennstoffe schwierig ist, da sie feuchtigkeitsempfindlich'sind. Eine weitere Schwierigkeit stellt die Entfernung des reagierten oder verbrauchten Brennstoffs nach dem Verbrauch der Beschikkung des auswechselbaren Einsatzes dar.

Auswechselbare Einsätze zur Gaserzeugung von einer solchen Bauart verwenden nahezu immer Wasser als ein Reaktionsmittel und daher wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf Wasser als Reaktionsflüssigkeit näher erläutert, obgleich auch andere Flüssigkeiten verwendbar sind, die auch vom Schutzumfang erfaßt werden.

Gaserzeuger mit auswechselbaren Einsätzen/ mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, verwenden normalerweise einen Wasservorrat oder haben eine Kammer, in die Wasser eingespeist wird, das dann in Berührung mit dem feststofförmigen Brennstoff gebracht wird.

Es sind viele verschiedene Bauarten von Gaserzeugern mit auswechselbaren Einsätzen bekannt. Beispielsweise ist in der US-PS 2 463 863 ein Behälter beschrieben, der in einem äußeren Gehäuse untergebracht ist. Der Behälter hat eine Reihe von relativ großen öffnungen darin, die zulassen, daß Wasser in Berührung mit dem feststofförmigen Brennstoff kommt, das in dem Behälter enthalten ist und die gestatten, daß das als Erzeugnis anfallende Calciumhydroxid aus den öffnungen zum Boden des Behälters gespült, wird, während der Wasserstoff

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nach oben geht. Der Behälter ist ein starres Bauteil, das an beiden gegenüberliegenden Enden verschlossen ist und öffnungen in seinem unteren Abschnitt hat. In der US-PS 2 463 862 ist eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der der Boden des Behälters mit einem ausgenommenen Abschnitt versehen ist, der perforiert ist. Bei beiden Patentschriften werden Schwierigkeiten festgestellt, wenn man als Brennstoff beispielsweise Calciumhydrid (was von den Anmeldern bevorzugt wird) verwendet, da "das bei der Reaktion gebildete Calciumhydroxid zur Flockenbildung neigt.und sich in dem Behälter sammelt, so daß das bisher an der Reaktion noch nicht beteiligte Calciumhydrid bedeckt wird und die Erzeugung von weiterem Wasserstoffgas verzögert wird". (Siehe Spalte 2, Zeilen 5-9 der US-PS 2 463 863).

In der US-PS 2 334 211 ist ein Gaserzeuger beschrieben, bei dem ein auswechselbarer Einsatz vorgesehen ist, der teleskopartig in einem äußeren Behälter untergebracht ist und der zur bestimmungsgemäßen Verwendung aus diesem herausbewegbar ist, indem man die gesamte Einrichtung in Meerwasser taucht.

In der US-PS 3 174 833 ist ein Behälter zur Wasserstoff erzeugung beschrieben, der bei der bestimmungsgemäßen Verwendung einer Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführt.

In der US-PS 3 820 956 ist ein Gaserzeuger beschrieben, der einen feststofförmigen Brennstoff enthält, der reagiert, indem er in Berührung mit einem flüssigen Reaktionsmittel gebracht wird. Um das flüssige Reaktionsmittel in Berührung mit dem bisher noch nicht an der Reaktion beteiligten Teil des feststofförmigen Brennstoffs zu halten, ist eine federbelastete Druck-

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platte vorgesehen, die eine der Platte zugeordnete öffnungsschneide hat, die dazu verwendet wird, die Druckplatte niederzudrücken und die Schneide in eine •Richtung längs der Flüssigkeitsausgabeleitung zu drücken, so daß die Schneide die Leitung aufschlitzt, um zu erreichen, daß das flüssige Reaktionsmittel längs der Brennstoffbeschickung in axialer Richtung wirksam austritt.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen auswechselbaren Einsatz für einen Gaserzeuger zu schaffen, bei dem ein flüssiges Reaktionsmittel mit einem feststofförmigen Brennstoff reagiert, der in dem auswechselbaren Einsatz untergebracht ist, um ein Gas zu erzeugen, wobei eine relativ einfache Auslegung unter gleichzeitiger Überwindung einiger Schwierigkelten im Zusammenhang mit üblichen auswechselbaren Einsätzen für einen Gaserzeuger getroffen werden soll. Vorzugsweise soll ein auswechselbarer Einsatz für einen Gaserzeuger der zuvor angegebenen Art derart ausgelegt werden, daß der auswechselbare Einsatz eine expandierbare Brennstoffbeschickungskammer für einen feststofförmigen Brennstoff hat, um die Expansion des reagierten Brennstoffs aufzunehmen, und der Einrichtungen hat, die eine gleichmäßigere Verteilung des flüssigen Reaktionsmittels längs der feststoffförmigen Brennstoffbeschickung gestatten.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.

Nach der Erfindung weist ein auswechselbarer Einsatz für einen Gaserzeuger einen Behälter auf, der einen Innenraum hat, der einen geschlossenen Raum begrenzt.

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'Zusammendrückbare Fülleinrichtungen sind in dem geschlossenen Raum angeordnet und arbeiten mit dem Innenraum des Behälters unter Bildung einer Brennstoffbeschickungskammer zusammen/ die dazu bestimmt ist, einen feststofförmigen Brennstoff aufzunehmen. Der Behälter hat darin ausgebildete Fluiddurchgänge, die dazu dienen, die Brennstoffbeschickungskammer unter Bildung einer Fluidverbindüng mit der Außenseite des Behälters zu verbinden. Der für den Behälter bestimmte Brennstoff ist ein solcher, der bei der Berührung mit einer geeigneten Flüssigkeit, die über die Fluiddurchgänge eingeleitet wird, mit der Flüssigkeit reagiert, um ein Gas freizusetzen, wobei das Volumen größer wird. Die Fülleinrichtungen werden bei einer solchen Expansion derart¹ zusammengedrückt, daß die Brennstoffbeschickungskammer größer wird, um die Expansion der Brennstoffbeschickung so ausreichend aufzunehmen, daß eine vorbestimmte Eindringgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die Brennstoffbeschickung aufrechterhalten wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist als Ausfütterung an wenigstens einem Abschnitt der Brennstoffbeschickungskammer eine fluiddurchlässige Auskleidung vorgesehen, die über den Fluiddurchgängen liegt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Auskleidung ein wasser- und gasdurchlässiges Fasermaterial und die Fülleinrichtungen bestehen aus einem synthetischen, polymeren, geschäumten Material.

Ferner enthält erfindungsgemäß der auswechselbare Einsatz zwei im Abstand angeordnete zusammendrückbare Fülleinrichtungen und die Brennstoffbeschickungskammer wird zwischen den im Abstand angeordneten züsammendrückbaren Fülleinrichtungen gebildet.

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Vorzügsweise enthält der auswechselbare Einsatz eine feststofförmige Brennstoffbeschickung/ die in der Brennstoffbeschicküngskammer untergebracht ist. Der feststofförmige Brennstoff wird vorzugsweise von einem teilchenförmigen Material.gebildet und kann aus der Gruppe gewählt sein, die Borhydride und Hydride und gemischte Hydride der Elemente der Gruppen I bis III des Periodensystems der Elemente und Gemische derselben umfaßt. ■ .

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einem auswechselbaren Einsatz für einen Gaserzeuger, bei dem eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, mit einem feststofförmigen Brennstoff, wie zum Beispiel einem Grundmetallhydrid, reagiert, wobei der auswechselbare Einsatz einen Behälter aufweist, der wenigstens eine zusammendrückbare Fülleinrichtung enthält, die mit der Innenfläche des Behälters derart zusammenarbeitet, daß eine Brennstoffbeschickungskammer gebildet wird. Der Behälter hat eine Vielzahl von darin ausgebildeten Fluiddurchgängen, um zu erreichen, daß die Brennstoffbeschickungskammer in Fluidverbindung mit dem Äußeren des Behälters gebracht wird. Vorzugsweise sind zwei zusammendrückbare Fülleinrichtungen, wie zum Beispiel Blöcke aus einem synthetischen, polymeren, geschäumten Material in den Behälter gelegt, zwischen denen die Brennstoffbeschickungskammer gebildet wird. Die Fluiddurchgänge stellen eine Verbindung mit der Brennstoffbeschickungskammer her,-so daß beim Eintauchen des auswechselbaren Einsatzes in eine Flüssigkeit die Flüssigkeit durch die Durchgänge fließt, um in Berührung mit dem. Brennstoff·zu kommen und mitdemselben unter Bildung eines Gases zu reagieren. Brennstoffe dieser Art expandieren bei einer solchen Reaktion und die

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zusammendrückbaren Fülleinrichtungen werden durch den expandierenden Brennstoff zusammengedrückt, damit das größer gewordene Volumen in einer solchen Form aufgenommen werden kann, daß eine übermäßige Komprimierung des Brennstoffs in einem solchen Ausmaß vermieden wird, bei dem das Eindringen der Flüssigkeit in die feststofförmige Brennstoffbeschickung übermäßig verzögert wird. Der Behälter ist vorzugsweise mit- einem fluiddurchlässigen Material, wie zum Beispiel einem fasrigen Papier, ausgekleidet, um eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit um die Brennstoffbeschickung zu unterstützen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Gaserzeugers, derKipp-Bauart, bei dem zwei auswechselbare Einsätze für Brennstoff (die nach der Erfindung ausgelegt sind) in einem Behälter enthalten sind, der Wasser aufnehmen kann, das von einem Wasservorrat zugeführt wird,

Figur 2 eine Seitenansicht einer Ausfuhrungsform eines auswechselbaren Einsatzes nach der Erfindung in Teilschnittdarstellung, wobei der auswechselbare Einsatz in der Form dargestellt ist, die er vor der Reaktion der Brennstoffbeschickung hat.

Figur 2A eine Endansicht des auswechselbaren Einsatzes von Figur 2 in Teilschnittdarstellung und

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Figur 3 eine Figur 2 ähnliche Ansicht, die den auswechselbaren Einsatz nach der Reaktion der darin enthaltenen Brennstoffbeschickung zeigt.

In Figur 1 ist schematisch in einem Aufriß ein Kipp-Gaserzeuger gezeigt/ def insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Der Gaserzeuger 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen Wasservorratsraum 14 hat,'der am oberen Abschnitt des Gehäuses im Innenraum desselben angeordnet ist. Der Wasservorratsraum 14 hat zum Einfüllen einen Wassereinlaß 16, der mit einer geeigneten Kappe versehen ist, um den Wasservorratsraum 14 erforderlichenfalls einfach mit Wasser füllen zu können. Im unteren Abschnitt unterhalb des Wasservorratsraumes 14 ist in dem Gehäuse 12 ein Wasserstofferzeuger 18 abgestützt, der einen Wasserstoffreaktionsbehälter 20 aufweist, in dem übereinanderliegend ein Paar von auswechselbaren Einsätzen 22, 22' angeordnet sind, die nach der Erfindung ausgelegt sind. Jeder auswechselbare Einsatz ist horizontal angeordnet und die jeweiligen gegenüberliegenden Enden sind in Halteaussparungen 24a, 24b und 24a', 24b¹ jeweils aufgenommen, die in einem Paar von endseitigen Halteeinsätzen 26a, 26b ausgebildet sind, die jeweils in den gegenüberliegenden Enden des Reaktionsbehälters 20 festgelegt sind. Die auswechselbaren Einsätze 22, 22' haben zueinander einen geringfügigen Abstand, so daß die Außenumfangsfläche jedes auswechselbaren Einsatzes 22, 22' innerhalb des Reaktionsbehälters 20 freiliegt.. Eine Wassereinlaßleitung 28 verbindet das untere Teil des Wasservorratsraumes 14 mit dem unteren Teil des Reaktionsbehälters 20 und sie dient zur Einleitung von Wasser aus dem Vorratsraum.14 in den Reaktionsbehälter 20, wenn dies erforderlich ist. Eine Wasserstoffgasauslaß-

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leitung 30 führt von dem oberen Teil des Reaktionsbehälters 20 weg, um in dem Reaktionsbehälter 20 gebildetes Wasserstoff gas abzuleiten. Der Wasserstoffgasauslaß 30 kann zu einem geeigneten Auffangbehälter führen, der das erzeugte Wasserstoffgas aufnimmt oder verwertet. Beispielsweise kann die Wasserstoffgagauslaßleitung 30 zu einer Wasserstoffeinlaßhauptleitung einer Brennstoffzelle führen, die zweckmäßigerweise ebenfalls in dem Gehäuse 12 untergebracht ist, um einen einheitlichen Aufbau für die Brennstoffzelle und für die Konstruktion der Brennstoffquelle zu schaffen. Bei einer solchen Verwendung können ein entsprechender Trockner und ein Ammoniakfilter und/oder andere Vorbehandlungseinrichtungen in der Leitung 30 zwischen dem Reaktionsbehälter 20 und der Wasserstoffhaupteinlaßleitung der Brennstoffzelle vorgesehen sein.

In Figur 2 ist in einer Seitenansicht in Teilschnittdarstellung der auswechselbare Einsatz 22 gezeigt, der wie dargestellt einen im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Umfangswandabschnitt 32 hat, und der an seinen gegenüberliegenden Enden durch Stirnwände 34, 34' geschlossen ist, von denen eine in der Teilschnittansicht in Figur 2A gezeigt ist. Der ümfangswandabschnitt 32 und die Stirnwände 34, 34' arbeiten nach der Zeichnung so zusammen, daß sie einen Innenraum des auswechselbaren Einsatzes 22 begrenzen, der im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Wenigstens der Mittelabschnitt des Umfangswandabschnittes 32 enthält eine Anzahl von Fluiddurchlässen 46, die diesen Abschnitt radial mit dem Ziel durchziehen, die Brennstoffbeschikkungskammer 40 in Fluidverbindung mit der Außenseite des auswechselbaren Einsatzes 22 zu bringen. Die Perforierungen, die die Fluiddurchgänge 46 bilden, sind wie darge-

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stellt in Umfangsrichtung tun den auswechselbaren Einsatz 22 und in Längsrichtung längs dem Mittelabschnitt des auswechselbaren Einsatzes 22 in Abständen verteilt, der wie nachstehend beschrieben werden wird, die Brennstoff kammer 40 bildet= ■

Die gegenüberliegenden Endabschnitte des Innenraums des auswechselbaren Einsatzes 22 sind mit einem Paar von in einem Abstand angeordneten zylindrisch ausgebildeten, kompressiblen Füllelementen 36, 38 ausgefüllt. Die kompressiblen Fülielemente 36, 38 können aus irgendeinem geeigneten kompressiblen Material hergestellt sein» Vorzugsweise sind die Elemente 36 und 38 in Form von zylindrischen Stopfen aus einem kompressiblen, · synthetischen polymeren, geschäumten Material _t wie zum Beispiel aus einem Polyurethan oder einem Polystyrolschaumstoff hergestellt» Die im Abstand angeordneten, kompressiblen Füllelemente 36, 38 bilden bei der dargestellten Äusführungsform in Verbindung mit dem Innenraum des auswechselbaren Einsatzes 22 eine im allgemeinen zylindrisch ausgebildete Brennstoffbeschickungskammer 40, die zwischen den Elementen 36 und 38 liegt und die mit Teilchen aus einem geeigneten feststofförmigen Brennstoffe wie zum Beispiel Teilchen 42 aus Calciumhydrid, gefüllt ist« Die Brennstoffbeschickungskammer 40 ist mit einer fluiddurchlässigen Auskleidung 44 ausgerüstet, die aus irgendeinem geeigneten Material bestehen kann, das sowohl für eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser als auch für ein Gas, wie zum Beispiel Wasserstoffgas durchlässig ist. Vorzugsweise weist die Auskleidung 44 ein fasriges Papiermaterial auf, das Wasser aufsaugt und durchläßt und das Wasserstoffgas durchläßt. Die Auskleidung 44 ist an der Innenseite wenigstens von dem Abschnitt der ümfangswand 32 vorge-

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sehen, die mit den Füllelementen 36, 38 zusammenarbeiten, um die Brennstoffbeschickungskammer 40 zu bilden.

Bei einer bevorzugten und in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind zwei im wesentlichen identische auswechselbare Einsätze 22, 22' in dem Reaktionsbehälter 20 angebracht. Die auswechselbaren Einsätze enthalten eine Menge an feststofförmigem Brennstoff, wie zum Beispiel Calciumhydrid. Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Bezeichnung "feststoffförmig" umfaßt einen monolithischen oder teilchenförmigen Feststoff. Im allgemeinen werden teilchenförmige Feststoffe bevorzugt, da sie eine größere Oberfläche als Kontaktfläche mit dem Brennstoff bilden. Derartige "feststofförmige" Materialien umfassen Pulver oder teilchenförmiges Gut und wird im Sinne einer Unterscheidung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen verwendet. Selbstverständlich kann irgendein geeigneter Brennstoff oder ein Brennstoffgemisch verwendet werden, der oder das mit einer Flüssigkeit zur Bildung des gewünschten Gases reagiert. Beispielsweise reagieren Grundmetallhydride, wie Alkalimetall oder Erdalkalimetallhydride sowie Alkali-Aluminiumhydride' (Alanate) alle mit Wasser und erzeugen Wasserstoffgas. Alkalimetallborhydride (Boronate) sind geringfügig weniger reaktionsfreudig. Sie können aber dazu verwendet werden, Wasserstoffgas unter Verwendung einer gesäuerten wässrigen Flüssigkeit oder mit Zusätzen von katalytisch aktiven Schwermetallsalzen zu erzeugen. Andererseits sind einige von den zuvorstehend genannten Brennstoffen zu sehr reaktionsfreudig, wie zum Beispiel Lithiumalanat (LiAlH₄), das bereits in Luft durch die Berührung mit Feuchtigkeit zündet. Wenn es erwünscht, ist, die Notwendigkeit der Verwendung eines Katalysators oder einer angesäuerten Flüssigkeit zu vermeiden, werden Borhydride, wie zum Beispiel Natrium- oder

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Kaliumborhydrid, nicht alleine verwendet. Im allgemeinen werden Alkali- oder Erdalkalimetallhydride zur Erzeugung von Wasserstoff durch Reaktion mit Wasser bevorzugt. Andere Brennstoffe können auf an sich bekannte Art und Weise verwendet werden, um andere Gase, wie Sauerstoff, Acetylen, Kohlendioxid oder Chlorgas zu erzeugen. Im allgemeinen können zur Wasserstofferzeugung verwendbare Kraftstoffe aus der Gruppe ausgewählt werden, die Hydride von Elementen der Gruppen I bis III des Periodensystems der Elemente und Gemische davon umfaßt. Erdalkali- oder Alkalimetallhydride oder Gemische ' davon werden bevorzugt verwendet. Andere Verbindungen, wie zum Beispiel Alkalimetall-Aluminiumhydride (Alanate) und Alkalimetall-Borhydride können auch verwendet werden. Beispielsweise ist Calciumhydrid ein bevorzugter feststoff örmiger Brennstoff für das nach "der Erfindung vorgesehene Anwendungsgebiet.

Bei der Anwendung wird dem Wasservorratsraum 14 Wasser über den zum Füllen bestimmten Wassereinlaß 16 zugeführt. Die Wasserstoffauslaßleitung 30 ist über nicht dargestellte geeignete Einrichtungen mit einer geeigneten Verbraucherquelle für den Wasserstoff, wie zum Beispiel mit einem Ammoniakfilter und einem Trockner und dann mit der Wasserstoffeinlaßsammelleitung einer Brennstoffzelle verbunden. Wenn der Wasserstoff zu einem Auffangbehälter oder einer Einrichtung erforderlichenfalls gebracht werden soll, öffnet sich ein Ventil oder eine andere geeignete regelbare Einrichtung (nicht dargestellt) in der Leitung .28, um dem Reaktionsbehälter Wasser zuzuführen. Wenn der Wasserspiegel in dem Reaktionsbehälter 20 ansteigt, erreicht der Wasserspiegel die Höhe der Fluiddurchgänge 46. Wasser geht durch die

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Fluiddurchgärge 46 durch und. kommt in Berührung mit der fluiddurchlässigen Auskleidung 44. Zur gleichmäßigen Benetzung der Brennstoffbeschickung steigt der Wasserspiegel zweckmäßigerweise so ausreichend an, daß die auswechselbaren Einsätze 22, 22' vollständig eingetaucht sind. Wenn die Auskleidung 44 mit Wasser gesättigt ist, geht das Wasser durch und berührt mehr oder weniger gleichmäßig die Außenfläche der aus Calciumhydridteilchen 42 bestehenden Masse, was teilweise auf die Absorptionsfähigkeit und teilweise auf die Vertei-. lungswirkung der fluiddurchlässigen Auskleidung. 44 zurückzuführen ist. Das Wasser reagiert exotherm mit den Calciumhydridteilchen und es bildet sich Calciumhydroxid und Wasserstoffgas. Das Wasserstoffgas entweicht über die Fluiddurchgänge 46. Die Reaktion des Wassers mit Calciumhydrid als Brennstoff erzeugt eine beträchtliche Wärmemenge, wodurch die Temperatur.ansteigt. Diese Wärme wird von dem Wasser in dem Reaktionsbehälter 20 aufgenommen. Demzufolge wird sich eine gewisse Feuchtigkeit mit dem erzeugten Wasserstoffgas vermischen. Wenn es beim Anwendungsfall erforderlich ist, können übliche Einrichtungen und Verfahrensweisen verwendet werden, um den erzeugten Wasserstoffgasstrom von der Feuchtigkeit zu befreien.

Bei fortschreitender Reaktion expandiert die Brennstoffbeschickung im Volumen, da das Calciumhydroxid ein größeres Volumen als das entsprechende Calciumhydrid hat, aus dem das Calciumhydroxid.gebildet worden ist. Demzufolge expandiert die feststofförmige Masse, die nunmehr ein Gemisch von nicht reagiertem Calciumhydrid und reagiertem Calciumhydroxid aufweist, beträchtlich. Da der feststofförmige Brennstoff an seiner Oberfläche mit Wasser reagiert, bildet das Calciumhydroxid eine Oberflächenschicht mit größer werdender Schichtstärke

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um den verbleibenden Innenraum oder die Kernmasse des CaIciumhydrids. Da das Hydrid mit dem Hydroxid reagiert, wird das Volumen beträchtlich größer. Aufgrund dieser Expansion besteht die Neigung, daß das Hydroxid in dem Zylinder des den Brennstoff enthaltenden Behälters zusammengedrückt wird. Hierdurch wird die Bildung einer dichten, nicht durchlässigen Hydroxidschicht bewirkt, die versucht, das Eindringen von zusätzlichem Wasser als Reaktionsmittel in das Innere der Brennstoffmasse zu blockieren oder zu verzögern, wodurch die Reaktion verzögert wird oder sogar zum Stillstand kommt. Die Auslegung nach der Erfindung überwindet diese Schwierigkeit, was nachstehend näher beschrieben wird. Kompressible Füllelemente 36 und 38 werden durch die expandierende Masse aus feststofförmigen Teilchen gegen die Stirnwände 34, 34' und die Endabschnitte der Umfangswand 32 gedrückt. Als Folge kann hiervon das Volumen des Raumes 40 wirksam vergrößert werden, so daß die Dichte des gebildeten Calciumhydroxids nicht in einem solchen Maße größer wird, daß der. Durchgang von Wasser als Reaktionsmittel durch die Fluiddurchgänge 46 und durch den Oberflächenabschnitt des Calciumhydroxids in den verbleibenden und nicht an der Reaktion beteiligten Calciumhydridkern behindert wird. Bei fortschreitender Reaktion expandiert die Materialmasse in der Kammer 40 weiter und die kompressiblen Füllelemente 36, 38 werden gegen die Stirnwände 34, 34' der auswechselbaren Einsätze 22, 22' gedrückt (oder gegen die Halteeinsätze 26a, 26b bei einer Ausführungsform, bei der die Stirnwände 34, 34' weggelassen sind). In Figur 3 ist der Zustand des auswechselbaren Einsatzes gezeigt, der er einnimmt, nachdem im wesentlichen das ganze Calciumhydrid mit Wasser reagiert hat. Der sich ergebende .Hydroxidkuchen 42' hat sich so expandiert, daß die kompressiblen Füllelemente

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36, 38 auf einen sehr kleinen Bruchteil ihres ursprünglichen Volumens komprimiert sind. Auf diese Weise wird die Dichte des Hydroxidkuchens» der sich auf der Außenfläche der Brennstoffmasse· bildet/ so ausreichend klein gehalten/ daß der Eintritt und das Eindringen von Wasser durch den Hydroxidkuchen leicht möglich ist und das Wasser in Berührung mit dem verbleibenden Brennstoff bei der Reaktion kommen kann.

Obgleich ein synthetisches, polymeres, geschäumtes Material, wie zum Beispiel Polystyrol.- oder Polyurethan-Schaumstoff aufgrund des geringen Gewichts, der Billigheit und der Verwendungsfähigkeit für den dargestellten Zweck bevorzugt wird, können selbstverständlich irgendwelche Mittel verwendet werden, die die erforderliche Kompressibilität zulassen, damit der sich ausdehnende aufzunehmende Brennstoff die nach der Erfindung zu erreichenden Ziele gewährleisten kann. Anstelle eines polymeren, synthetischen, geschäumten Materials kann irgendein anderes kompressibles Material beispielsweise oder eine mechanische Einrichtung, wie zum Beispiel eine Platte verwendet werden, ,die in dem auswechselbaren Einsatz 22 ähnlich eines Kolbens in einem Zylinder gleitend beweglich und über zusammendrückbare Einrichtungen, wie zum Beispiel eine Feder oder eine Balganordnung abgestützt ist. Erforderlich ist eine zusammendrückbare Einrichtung, die mit dem Innenraum des Behälters mit dem auswechselbaren' Einsatz zusammenarbeitet, um eine Brennstoffkammer mit einem Ausgangsvolumen zu bilden, das bei der Expansion der Brennstoffbeschickung expandierbar ist, wenn diese mit dem Wasser reagiert, so daß das größer gewordene Volumen des sich ergebenden Materials aufgenommen wird, damit das sich ergebende Material nicht

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in einem solchen Maße verdichtet wird, daß das Einströmen in oder das Durchströmen so ausreichend aufrechterhalten wird, daß die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit unbehindert beibehalten werden kann.

Eine beispielhafte Ausfuhrungsform eines Wasserstofferzeugers mit einem auswechselbaren Einsatz nach der Erfindung ist gemäß nachstehenden Einzelheiten ausgelegt. Der Wasservorratsraum 14 wird von einem Aluminiumbehälter gebildet, der Abmessungen von 12,5 χ 28 χ 3,9 cm (Innenabmessungen) und ein Fassungsvermögen von 1,33 hat. Der Wasserstofferzeuger 18 hat die gleiche Auslegungsform und dieselben Abmessungen wie der Wasservorratsraum 14. Er ist aber mit einem Paar von gegenüberliegend angeordneten endseitigen Einsätzen versehen, die darin ausgebildete Halteaussparungen für den auswechselbaren Einsatz haben. Jeder auswechselbare Einsatz ist zylindrisch ausgelegt und besteht aus einem relativ dünnwandigen Aluminiumrohr, das 25,5 cm lang ist und einen Durchmesser (Außenabmessungen) von 3,8 cm hat. Der Mittelabschnitt des Rohres ist mit 140 g Calciumhydrid in Form eines teilchenförmigen Gutes mit einer Teilchengröße von 4760μΐη (4 mesh) gefüllt. Das Calciumhydrid als Brennstoff hat vorzugsweise einen Reinheitsgrad von wenigstens 93 % und enthält nicht mehr als 1 % Stickstoff als Verunreinigung.

Die zusammendrückbaren Füllelemente werden von zylindrischen Segmenten aus Polyurethan-Schaumstoff gebildet, die an gegenüberliegenden Enden von jeder der beiden auswechselbaren Einsätze angeordnet sind. Die zusammendrückbaren Füllelemente 36, 38 haben einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des. auswechsel-

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baren Einsatzes 22 ist und jedes Element ist etwa 4 cm lang, so daß die Länge der zwischen den Elementen gebildeten Brennstoff kammer etwa 11 cm vor der Zusammen-drückung der Füllelemente 36, 38 infolge des sich expandierenden Brennstoffrestes ist. Die Brennstoffkammer ist mit einem Faserpapier 44 ausgekleidet, das für Wasserstoff gas und Wasser durchlässig ist. Das Papier 44 unterstützt auch eine gleichmäßige Verteilung des Wassers auf die■:Umfangsfläche der Brennstoffbeschickung.

Eine Reihe von vierundzwanzig öffnungen 46 ist in der Aluminiumwand des auswechselbaren Einsatzes 20 angeordnet· Die öffnungen werden jeweils von radial verlaufenden öffnungen gebildet, die die Aluminiumwand durchsetzen und einen Durchmesser von etwa 0,1 cm haben. Die Öffnungen sind um den auswechselbaren Einsatz in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen angeordnet. Jede öffnung hat zu der nächsten benachbarten öffnung in Umfangsrichtung etwa einen Abstand von 2 cm und der Abstand längs dem Mittelabschnitt der Länge des auswechselbaren Einsatzes beträgt ebenfalls etwa 2 cm. Der mit öffnungen versehene Mitte!abschnitt des auswechselbaren Einsatzes erstreckt sich über etwa 10 cm.

Beim Betreiben wird Wasser dem Reaktionsbehälter 20 zugemessen und kommt in Berührung mit dem Metallhydrid als Brennstoffbeschickung, d.h. mit Calciumhydrid, wobei sich Wasserstoffgas bildet und ein sich expandierender Rest von Calciumhydroxid zurückbleibt. Das Wasserstoffgas geht von den auswechselbaren Einsätzen in den Reaktionsbehälter 20 und dann durch die Auslaßleitung 30. Beim Fortschreiten der Reaktion wird der Brennstoffrückstand größer und die zusammendrückbaren Füllelemente 36, 38 werden jeweils gegen die zugeordneten Enden der aus-

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- OA -

wechselbaren Einsätze 22 zusammengedrückt.

Obgleich es beispielsweise hinsichtlich des Transports und der Handhabung zweckmäßig ist, die auswechselbaren Einsätze mit Stirnwänden, wie zuvor beschrieben, zu versehen, können die auswechselbaren Einsätze auch Segmente eines Aluminiumrohrmaterials (oder anderer geeigneter Materialien) aufweisen, die an jedem Ende offen sind, da die Enden der endseitig angeordneten Halteeinsätze dazu dienen, können, die endseitig angeordneten zusammendrückbaren Einrichtungen in dem Ende der Rohrmaterialien zu halten. Bei einer solchen Ausfuhrungsform begrenzt der Raum in dem Rohrmaterial mit offenem Ende der eingeschlossenen Raum, in dem die zusammendrückbaren Füllelemente bzw. die zusammendrückbare Fülleinrichtung angeordnet sind. Zum Transport und zur Handhabung können die Enden der Rohrsegmente mit provisorischen Verschlußkappen, wie zum Beispiel eine Kunststoffkappe mit einer Schnappverbindung, versehen sein. Im allgemeinen ist eine relativ dünnwandige Auslegung im Vergleich zu dem Volumen des auswechselbaren Einsatzes zweckmäßig und aus wirtschaftlichen Gründen wird als Konstruktionsmaterial ein Aluminium-Rohrmaterial bevorzugt. Selbstverständlich ist jedoch irgendein anderes geeignetes Material verwendbar.

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Claims

NTÄN-VWÄLTK - A. GRÜNECKER »■".„." *..""....* oiPL-iua H. KINKELDEY W. STOCKMAIR ^ ΓΙ 1 QHQR DR-INa /UE(CAOKH (JU IvVflJ K. SCHUMANN DR PER MOT. ■ DIPL-PHYS P. H. JAKOB DlPL-INa G. BEZOLD DR BSI NAT.· OtPL-CHEM. 8 MÜNCHEN MAXIM1LIANSTRASSK «3 P 15 19. Mai 1980 ENGEIHAED MINERALS & CHEMICALS CORPORATION Wood Avenue South, Iselin, New Jersey 08830 USA ■■■.'·■ Auswechselbarer Einsatz für einen Gaserzeuger Patentansprüche .

1. Auswechselbarer Einsatz für. einen Gaserzeuger, g e k e η η ζ e ic h η e t durch:

einen Behälter (22, 22') mit einem Innenraum, der einen geschlossenen Raum begrenzt, und

eine, zusammendrückbare Fülleinrichtung (36, 38), die in dem geschlossenen Raum angeordnet ist und mit dem Innenraum des Behälters (22, 22') derart zusammenarbeitet, daß eine Brennstoffbeschickungskammer (40) gebildet wird, die zur Aufnahme eines

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telefon (oeo) aaseea .telex ob-sos8o Telegramme monapat telekopicmr

feststofförmigen Brennstoffs (42) bestimmt ist, der bei einem Kontakt mit einer geeigneten Flüssigkeit ein Gas freisetzt und dessen Volumen expandiert, um die Fülleinrichtungen (36> 38) zusammenzudrücken und hierdurch die Brennstoffbeschickungskammer (40) zu vergrößern, wobei der Behälter (22, 22') darin ausgebildete Fluiddurchlässe (46) hat, die die Brennstoffbeschickungskammer (40) in Fluldverbindung mit dem Äußeren des Behälters (22, 22') bringen.

,»

2. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß ferner eine ^ durchlässige Auskleidung (44) vorgesehen ist, die

■w - - -

eine Ausfütterung für die Brennstoffbeschickungskammer (40) bildet und die Fluiddurchgänge (46) überlagert.

3. Auswechselbarer.Einsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (44) ein für Wasser und Gas durchlässiges Fasermaterial und die Fülleinrichtung <36/ 38) ein synthetisches, .polymeres geschäumtes Material ist.

4. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kenn ζ ei chne t, daß. in der Brennstoffbeschickungskammer (40) eine feststofförmige Brennstoffbeschickung (42) angeordnet ist, wobei der Brennstoff derart gewählt ist, daß er bei Berührung mit einer geeigneten Flüssigkeit mit dieser reagiert, um ein Gas freizusetzen und sich zu expandieren.

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5. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus einer Gruppe gewählt ist/ die Hydride und Borhydride von Alkalimetallen, von Erdalkalimetallen und von Alkalimetallaluminiumverbindungen und Gemischen davon umfaßt.

6. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feststoffförmige Brennstoff aus der Gruppe gewählt ist, die Borhydride und Hydride von Elementen der Gruppen I bis III des Periodensystems der Elemente und Gemische derselben umfaßt.

7. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Behälters (22, 22') von einem länglichen dazwischenliegenden Abschnitt

(32) begrenzt wird, der an seinen gegenüberliegenden Enden geschlossen ist, wobei sich der geschlossene Raum in Längsrichtung erstreckt und die zusammendrückbare Fülleinrichtung (36, 38) derart angeordnet ist, daß sie wenigstens ein in Längsrichtung verlaufendes Segment des geschlossenen Raumes einnimmt, und wobei der geschlossene und von der Fülleinrichtung (36, 38) eingenommene Raum die Brennstoffbeschickungskammer (40) bildet.

8. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine fluiddurch- - lässige-"Auskleidung (44) als Ausfütterung für die Brennstoffbeschickungskammer (40) vorgesehen ist.

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9. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 8/ dadurch gekennzeichnet, daß zwei zusammendrückbare Fülleinrichtungen (36, 38) in einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, daß dazwischen die Brennstoffbeschickungskammer (40) begrenzt wird.

10. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddurchgänge (46) von einer Vielzahl von Öffnungen in dem Teil des dazwischenliegenden Abschnitts (32) gebildet werden, der mit den Füll-: einrichtungen (36, 38) unter Bildung der Brennstoffbeschickungskammer (40) zusammenarbeitet.

11. Auswechselbarer Einsatz für einen Gaserzeuger, gekennzeichnet durch:

einen Behälter (22, 22')/ der einen Innenraum hat, der einen geschlossenen Raum begrenzt, und eine Vielzahl von Fluiddurchgängen (46) in dem Behälter (22, 22') hat, der auf die nachstehend beschriebene Art und Weise ausgelegt ist:

eine zusammendrückbare Fülleinrichtung (36, 38) ist in dem geschlossenen Raum angeordnet und arbeitet mit dem Innenraum des Behälters (22, 22V) unter Bildung einer Brennstoffbeschickungskammer (40) zusammen, die dazu bestimmt ist, daß sie einen feststofförmigen Brennstoff aufnimmt, der bei einer Berührung mit einer geeigneten Flüssigkeit ein Gas freisetzt und sich expandiert, um die Fülleinrichtung in dem Behälter (22, 22') zusammenzudrücken und hierdurch die Brennstoffbeschickungskammer (40) zu vergrößern, und eine fluiddurchlässige Äusklei-

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düng (44) dient als Ausfütterung der Brennstoffbeschickungskammer (40) und überdeckt die inneren Enden der Fluiddurchgänge (46), wobei die inneren Enden der Fluiddurchgänge (46) innerhalb der Brennstoffbeschickungskammer (40) angeordnet sind und die Brennstoffbeschickungskammer (40) über die Auskleidung (44) mit der Außenseite des Behälters (22, 22') unter Bildung einer Fluidströmungsverbindung verbindet.

12. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zusammendrückbare Fülleinrichtungen (36, 38) in einem Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß zwischen denselben die Brennstoffbeschickungskammer (40) gebildet wird.

13. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 12, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t, daß die zusammendrückbaren Fülleinrichtungen (36, 38) aus einem synthetischen, polymeren, geschäumten Material bestehen.

14. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 11 bis13, dadurch gekennzeichnet, daß der'Behälter (22, 22') im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist.

15. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 13 oder 14, dadurch g e k e η η ζe i c h η e t, daß eine feststofförmige Brennstoffbeschickung in der Brennstoffbeschickungskammer (40) angeordnet ist, und daß der Brennstoff aus der Gruppe gewählt ist, die Hyride und Borhydride eines oder mehrerer Alkali-

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metalle, eines oder mehrerer Erdalkalimetalle und einer oder mehrerer Alkalimetallalminiumverbindungen und Gemische davon umfaßt.

16. Auswechselbarer Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff ein Erdalkalimetallhydrid'ist.

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