DE3533477A1 - Speicherung von metallhydrid-wasserstoff fuer die ballonfuellung - Google Patents

Speicherung von metallhydrid-wasserstoff fuer die ballonfuellung

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DE3533477A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren und Systeme zur Erzeugung von Wasserstoff, und besonders auf Verfahren und Systeme, die bei der in grosser Hoehe stattfindenen Fuellung von Duennfilmballonen, die von Raketen gestartet werden, anwendbar sind.
Systeme zur Fuellung von Duennfilmballonen, die von Raketen in grossen Hoehen in der Groessenordnung von etwa 20.000 bis etwa 33.000 m gestartet werden, muessen eine ganze Reihe von ziemlich strengen Anforderungen erfuellen. Bedingt durch die Raum- und Gewichtsbeschraenkungen in der Rakete ist es wuenschenswert, dass die Fuellsysteme ein grosses Passungsvermoegen bei kleinem Gesamtvolumen haben und dass deren Gewicht gering ist. Sie muessen waehrend langer Zeitraeume sicher gelagert werden koennen und das Fuellgas muss so schnell freige- setzt werden, dass der Ballon in nur wenigen Minuten ge- fuellt werden kann. Bedingt durch die grosse Hoehe, in der die Fuellung durchgefuehrt wird und die zerbrech- liehe Natur des duennen Films, aus dem die Ballone her- gestellt sind, muss sichergestellt sein, dass das System keinen Wasserdampf, der ein den Film zerschneidendes Eis bei Temperaturen in grosser Hoehe bilden koennte, oder Chemikalien entwickelt, die den duennen Film angreifen oder unerwuenschte thermische Schichten bilden wuerden.
Anstelle von Helium wird Wasserstoff als Fuellgas fuer derartige Anwendungen bevorzugt, da es den groessten spezifischen Auftrieb von allen anderen moeglichen Gasen ergibt, die zur Fuellung verwendet werden koennen (z.B. 7 % besser als Helium). Ein Pfund Wasserstoff verdraengt etwa 13 Pund Luft, waehrend ein Pfund Helium nur
Pfund Luft verdraengt. Es bestehen jedoch Schwierigkeiten, hauptsaechlich in Bezug auf die Sicherheit, die mit mit Wasserstoffgas arbeitenden Fuellsystemen verbunden sind. Wasserstoff kann entweder in fluessiger Form oder als Gas gelagert oder in einem chemischen System erzeugt werden. Ein sehr grosser Nachteil des Gaslagerungssystems ist der Bedarf an sehr hohen Drucken und sehr stabilen Behaeltern, die diesen Drucken standhal- ten. Es bestehen offensichtliche Sicherheitsprobleme in Bezug auf die Verwendung von Hochdruckbehaeltern. Durch Tieftemperatur-Fluessigkeits-Lagerungssysteme eruebrigt sich der Bedarf an Hochdrucklagerung, aufgrund von Waermeverlust haben sie jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer. Ausserdem bestehen bei Tieftemperatursystemen Sicherheitsprobleme in Bezug auf den Kontakt mit supergekuehlten Materialien und der Moeglichkeit des Wasserstoffdurchlasses aufgrund von Beschaedigungen oder Defekten waehrend der Installation des Systems.
Es gibt chemische Systeme zur Wasserstofferzeu- gung, bei denen Verbindungen verwendet werden, wie beispielsweise Hydride, die Wasserstoff durch chemische Reaktion oder thermische Zersetzung freisetzen. Durch diese Systeme werden viele der mit Druckgas und Tieftemperatur-Lagerungssystemen verbundenen Sicherheitsprobleme vermieden, und sie wurden sogar fuer gasgefuellte Ballonsysteme u.ae., die als Sichtzeichen verwendet werden, vorgeschlagen. Bekannte Systeme dieser Art erfuellen allerdings nicht die Anforderungen in punkto kleinem Gesamtvolumen, geringem Gewicht und schneller Gaserzeugung, die an Fuellsysteme zur Fuellung von grosse Nutzlast tragenden Ballonen in grosser Hoehe, die von Raketen gestartet werden, gestellt werden. Es ist wuenschenswert, Systeme zur Erzeugung von Wasserstoff auf Hydridbasis und Verfahren zu deren Anwendung als Fuellsysteme fuer solche Zwecke zu schaffen, und auf diese Aufgabe ist die vorliegende Erfindung gerichtet.
Die Erfindung liefert ein System zur Wasserstofferzeugung und ein Verfahren, die beide besonders gut fuer die Fuellung von Ballonen und aehnlichem in grosser Hoehe geeignet sind. Die Erfindung beruht auf der Ver- Wendung thermisch zersetzbarer Metallhydride als Medium zur sicheren Lagerung von Wasserstoffgas und der Verwen- dung chemischer Reaktanten, die inert und sicher sind und ueber eine lange Lebensdauer als Quelle schnell freigesetzter Waerme verfuegen, zur Zersetzung des Me- tallhydrids und Abtrennung des Wasserstoffes.
Kurz gesagt umfasst ein System zur Wasserstofferzeugung gemaess der vorliegenden Erfindung eine Behaelterhuelle mit einer darin angeordneten festen, einheitlichen, thermisch zersetzbaren Metallhydridmatrix, die einen vorbestimmten Prozentsatz von Hohlraeumen hat, um eine gesteuerte Freisetzung des Wasserstoffgases waehrend der Zersetzung zu gewaehrleisten. Die Hydridmatrix ist entsprechend der inneren Form der Behaelterhuelle geformt, so dass sie deren Innenvolumen im wesentlichen ausfuellt. Ferner hat die Hydridmatrix eine Mehrzahl von gleichfoermig verteilten Loechern, von denen jedes eine chemische Waermequelle zur Bereitstellung exotherm Energie aufnimmt, die zur Dissoziation des Wasserstoffs in der Hydridmatrix benoetigt wird, und Mittel zur Einlei- tung der Reaktion fuer die Waermequelle. Ein Mittel zum Aktivieren der die Reaktion einleitenden Mittel ist in der Aussenflaeche der Behaelterhuelle angeordnet, und die Huelle ist mit einem Auslass fuer freigesetztes Wasserstoff gas versehen.
Die Behaelterhuelle hat bevorzugt eine Kugelform, da diese Form das groesste Lagervolumen bei kleinstem Raum aufweist, wobei gleichzeitig das fuer das System benoetigte Gesamtvolumen auf ein Minimum reduziert wird,
und die beste Form in Bezug auf die Festigkeit fuer einen Druckbehaelter, bei gleichzeitiger Reduzierung der Wandstaerke und des Gewichts der Behaelterhuelle auf ein Minimum ist. Die Metallhydridmatrix ist bevorzugt ein Magnesiumhydrid, das durch die Zugabe von 5 bis 10 Gew.-% Nickel katalysiert werden kann. Die chemische Waermequelle umfasst bevorzugt intermetallische Verbin- düngen oder andere exotherme chemische Reaktanten, da diese die groesste Waerme bei einem Minimum an Gewicht und Volumen erzeugen und zuverlaessig in Gang gesetzt werden koennen. Die Waermequelle kann beispielsweise mit Keramik plattiert sein, z.B. durch Einschluss in Rohre, die in die Loecher der Hydridmatrix eingefuegt sind, um eine Reaktion zwischen dem freigesetzten Wasserstoff und den Metallen der Waermequelle zu verhindern. Bevorzugte Waermequellen umfassen Titandiborid und Mischungen aus Beryllium und Mg(C104)2.
Die einzige Zeichnung zeigt eine Querschnittsansieht eines Wasserstoffgas-Generators gemaess der Erfindung.
Die Erfindung ist besonders gut geeignet fuer ein Wasserstoffgas-Erzeugungssystem zur Fuellung von Ballonen, die in grosser Hoehe von Raketen gestartet werden, und sie wird nachfolgend in diesem Zusammenhang beschrieben. Anerkanntermassen hat die Erfindung jedoch einen groesseren Nutzen, wobei dies schon durch eine einzige Anwendung der Erfindung gezeigt wird.
Wie bereits genannt, umfassen die hauptsaechlichen Anforderungen, die an ein System zum Fuellen eines Ballons mit Wasserstoff, der in grosser Hoehe von einer Rakete gestartet wird, gestellt werden, ein grosses Fassungsvermoegen bei kleinem Gesamtvolumen, geringes Gewicht, Sicherheit, lange Lebensdauer und eine schnelle
Freisetzung des Gases, um beispielsweise eine Ballonfuellzeit von zwei oder drei Minuten zu gewaehrleisten. Was Volumen und Gewicht anbelangt, ist das Volumen im allgemeinen die zwingendere Anforderung, obwohl beides, Volumen und Gewicht, sehr wichtig sind. Zusaetzlich ist es von Wichtigkeit, dass das erzeugte Wasserstoffgas we- der Wasserdampf noch Verunreinigungen enthaelt, die den Ballon beschaedigen koennen. Durch den erfindungsge- maessen Wasserstoffgas-Generator, der ein thermisch zer- setzbares Metallhydrid-Lagerungsmedium und eine chemi- sehe Quelle hoher spezifischer thermischer Energie zur Erzeugung der fuer die Wasserstoffabtrennung benoetigten Waerme umfasst, werden diese Anforderungen in bewun- dernswerter Weise erfuellt, und er verfuegt ausserdem ueber andere wichtige Eigenschaften und Vorteile, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen.
Wie in der Zeichnung gezeigt, kann der erfindungsgemaesse Wasserstoff-Generator 10 einen duennwandigen Behaelter oder eine solche Huelle 12 umfassen, bevorzugt in Kugelform und beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehend. Die Kugelform wird bevorzugt, da sie ueber das groesste Lagervermoegen auf kleinstem Raum verfuegt und die beste Form fuer den Gebrauch als Druckgefaess darstellt. Ein beispielsweise rohrfoermiger Gasauslass 14 ist in der Wand des Behaelters 12 vorgesehen und so ge- formt, dass er an ein Ballonfuellrohr (nicht gezeigt) angeschlossen werden kann. Innerhalb des Behaelters 12 ist eine feste einheitliche Metallhydridmatrix 16 ange- ordnet (die spaeter eingehender beschrieben wird), die eine feste Kugel aus Metallhydrid umfasst, die den ge- samten Innenraum des Behaelters ausfuellt. Um die Hy- dridmatrix innerhalb des Behaelters anordnen zu koennen, kann der Behaelter in einer bekannten Art aus zwei halbkugelfoermigen Teilen gebildet werden, die um die Matrix herum zusammengesetzt sind. Ferner kann die Hydridmatrix
-ίθ-
eine Mehrzahl von Loechern 20 enthalten, die sich durch die gesamte Matrix erstrecken koennen. In jedem Loch ist eine elektrisch angetriebene Waermequelle 24 hoher spezifischer thermischer Energie (die ebenfalls spaeter genauer beschrieben wird) angeordnet. Die Waermequellen 24 koennen mit einem Material plattiert sein, das gegenueber Wasserstoff inert ist, wie beispielsweise ein keramisches oder anderes geeignetes Material, um eine Reaktion zwischen dem aus der Hydridmatrix freigesetzten Wasserstoffgas und dem Material der Waermequelle zu verhindern, z.B. durch Einschliessen der Waermequellen in zylindrischen Keramikrohren 26, die in den Loechern 20 angeordnet sind. Ein elektrischer Zuender 28, der beispielsweise einen konventionellen elektrischen Initialzuender enthaelt, kann fuer jede Waermequelle vorgesehen sein und durch eine elektrische Zuleitung 30 an eine elektrischen Betaetigungseinrichtung 32 angeschlossen sein, der beispielsweise eine Batterie und einen Schalter (nicht gezeigt) umfasst. Wenn gewuenscht, kann eine Waermeisolationsschicht 34 um die Aussenflaeche des Behaelters 12 angeordnet sein, obwohl dies nicht notwendig ist, da der Waermeverlust waehrend der Wasserstoff-Abtrennung weniger als etwa 1% der durch die Waermequelle erzeugten Waerme betraegt.
Im allgemeinen sind metallische Hydridlagerungsmedien, im Vergleich zur Lagerung von fluessigem oder gasfoermigem Wasserstoff durch grosse Fassungsvermoegen gekennzeichnet. Die meisten Metallhydride halten jedoch einen relativ geringen Prozentsatz an Wasserstoff pro Gewichtseinheit Hydrid. Deshalb sollte die Wahl des bestimmten Hydrids fuer die Matrix 16 wohlueberlegt getroffen werden, um Nachteile bezueglich des Gewichtes zu vermeiden, die sonst auftreten koennten. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Wasserstoff-Gewichtsprozentsaetze und das volumetrische Fassungsvermoegen einiger
verschiedener Metallhydride im Vergleich zu komprimierter Wasserstoffgas-Lagerung angegeben; fuer die Feststellung wurde ein mit Verbundfasern gewickeltes Druckgefaess (z.B. Kevlar Fasern) mit Aluminiumaüskleidung verwendet, in welchem Wasserstoff bis zu einem Druck von 500 bar gelagert werden kann.
Tabelle Vergleich der Wasserstoff-Speichermedien
Medium .9 1 H2 Wasserstoff ++ Fassungsvermoegen
298°K Gew.-% an H2 q/ml
MgH2 °K 7,6 0,132
TiH2 4,0 0,187
VH2 3,8 0,234
FeTiH2 1,9 0,123
TiFe.7Mn.2Hl 1,72 0,09
LaNi5H6.7 ,5 0,126
LaH2 100 0,07
gasfoermiges
bei 500 bar, 100 0,04
100 bar, 298 100 0,008
ohne Gewicht des Behaelters oder der Waermequelle
unter Beruecksichtigung des Gewichtes und des Fassungsvermoegens sind von den angegebenen Metallhydriden Magnesiumhydrid (MgH2) und Vanadiumhydrid (VH2) gut geeignet. Die Wahl eines bestimmten, optimalen Hydrids
haengt jedoch nicht nur vom Gewicht und den Volumeneigenschaften ab, sondern auch vom Verhaeltnis seiner physikalischen Parameter und seiner thermischen Anforderungen. Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften eines Metallhydrids als ein leichtgewichtiges Lagerungssystem mit kleinem Aussenvolumen und hohem Fassungsvermoegen sind sein Dissoziationsdruck als eine Funktion der Tem- peratur und sein Druck gegenueber der Zusammensetzungs- Isotherme. Die letztere Eigenschaft bestimmt die Wasserstoff-Abtrennungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Temperatur.
Der erwuenschte Druck gegenueber den Temperatureigenschaften des Hydrids sollte sehr niedrig bei der Lagerungstemperatur sein und nur gemaessigt bei der Temperatur der Wasserstoff-Abtrennung. Da bei der Ballonfuellung nur eine einzige Dissoziationsreaktion stattfindet, anstatt eines cyclischen Ablaufs, wie das bei anderen bekannten Verwendungen von Hydriden charakteristisch ist, ist es in Bezug auf die Sicherheit wuenschenswert, ein Hydrid mit einer relativ hohen Dissoziationstempera- tür zu verwenden.
Magnsiumhydrid wird bevorzugt, da es den Vorteil eines minimalen Gewichtes, sehr niedrigen Druckes bei Lagerungstemperatur und nur gemaessigten Druckes (z.B. in der Groessenordnung von 2 bar) bei Temperaturen der Groessenordnung von etwa 350 0C hat, wobei die Zersetzung sehr schnell vonstatten geht. Bei Hoehen von etwa 20 000 m genuegt ein Druck von 2 bar, um eine ausreichende Geschwindigkeit der Gasstroemung in den Ballon zu gewaehrleisten. Magnesiumhydrid wird auch gegenueber Vanadiumhydrid bevorzugt, da Vanadiumhydrid sich bei einer ziemlich niedrigen Temperatur schnell zersetzt, was zu Problemen in Bezug auf die Sicherheit fuehren koennte.
/73
Die Verwendung von Magnesiumhydrid fuer die Metallhydridmatrix 16 des Wasserstoff-Generators 10 ermoeglicht ein Wasserstoff-Lagerungssystem, das ein Volumen von nur etwa 40% gegenueber dem von komprimiertem Gas hat, das bei 500 bar gelagert wird, und nur etwa 70% des Volumens eines Lagerungssystems fuer fluessigen Wasserstoff. Bei normalen ümgebungslagerungstemperaturen setzt Magnesiumhydrid keinen Wasserstoff frei. Sogar bei wesentlich hoeheren Temperaturen, wie beispielsweise in einem Feuer, ist der Druck seiner Wasserstofferzeugung ziemlich gering (etwa 2 bar bei etwa 35o C). Demgemaess werden die damit verbundenen Sicherheitsprobleme in bezug auf die Lagerung von komprimiertem Gas vermie- den, und es kann ein ziemlich leichtgewichtiger Behael- ter verwendet werden, wie beispielsweise ein Behaelter aus rostfreiem Stahl mit einer Wandstaerke von etwa 0,8 mm. Zusaetzlich dazu kann Magnesiumhydrid relativ lange, d.h. mehrere Jahre, gelagert werden. Wie bereits frueher erwaehnt, ist die Hydridmatrix 16 bevorzugt ein fester einheitlicher Koerper mit einem vorbestimmten Prozentsatz von Hohlraeumen und Durchlaessen, die die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der der dissoziierte Wasserstoff abgegeben wird, ermoeglichen. Die Matrix kann geformt werden, indem eine feste Magnesiumkugel wiederholt Waerme und Wasserstoffgas ausgesetzt wird, bis sich das Magnesium in Magnesiumhydrid umgewandelt hat und ein erwuenschtes Hohlraumvolumen erhalten ist. Das Hohlraumvolumen betraegt bevorzugt 20 bis 25%. Dieser Aufbau ermoeglicht eine bessere Ueberwachung der Wasserstoff freisetzenden Eigenschaften der Hydridmatrix, als es beispielsweise bei granulärem Aufbau der Matrix moeglich waere.
Das Magnesiumhydrid wird bevorzugt durch die Zu- gäbe von ungefaehr 5 bis 10 Gew.-% Nickel katalysiert.
AU,
Zur raschen Abtrennung des gelagerten Wasserstoffs der Magnesiumhydridmatrix muss externe Waerme angewendet werden, um die Temperatur des Hydrids auf seine Zersetzungstemperatur von etwa 343 0C zu bringen. Fuer jeweils 454 g aus der Matrix freigesetzten Wasserstoffs muss eine externe Waerme von 16 880 kJ/454 g Wasserstoff (ungefaehr 1160 kJ/454 g MgH2) in die Matrix geleitet werden. Die Waermequelle zur Erzeugung dieser Waerme hat bevorzugt ein minimales Gewicht und Volumen und kann zuverlaessig in Gang gesetzt werden, was eine Quelle hoher spezifischer thermischer Energie notwendig macht. Eine elektrisch betaetigte chemische Waermequelle, die intermetallische Verbindungen oder andere thermitartige chemische Reaktanten umfasst, koennen fuer diesen Zweck verwendet werden. Die Reaktion von Beryllium und Mg(C104)2 beispielsweise setzt 7600 kJ/454 g frei und mehr als 1 066 060 kJ/28,3 1. Der Volumenprozentsatz dieser Reaktanten betraegt nur 13% im Vergleich zum Gesamtvolumen des Behaelters. Ein anderer Vorteil bei der Verwendung von intermetallischen Verbindungen als Waermequelle besteht darin, dass waehrend ihrer Reaktion keine Gase erzeugt werden, die ventiliert werden muess- ten und unerwuenschte Verunreinigungen produzieren koennten. Wie bereits frueher erwaehnt, kann es je nach den verwendeten Reaktanten notwendig sein, die Reaktan- ten der Waermequelle zu plattieren, indem sie beispiels- weise in einem Keramikrohr angeordnet werden, um sie vom von der Matrix freigesetzten Wasserstoff zu isolieren. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Eigenschaften einiger anderer intermetallischer Reaktanten angegeben, die als Waermequelle verwendet werden koennen.
Tabelle 2
Eigenschaften der reagierenden intermetallischen Verbin Versuchswaerme* der Molare spezifische
düngen Reaktion kJ/454 g Waerme der Reaktion
Reaktanten kJ/28,3 1
2.175 166,870
2325 355,575
Li, B 1565 240,810
Ti, B2 3325 440,695
Ti, C
Be, C2**
Zuendungstemperatur in Luft 0C (0F)
200 (392)
550 (1022)
600 (1112)
1200 (2192)
durchschnittliche Reaktionstemperatur °C (0F)-
2500 (4532)
3000 (5432)
2050 (3722)
2770 (5018)
* Inertgas ** theoretisch
Titandiborid eignet sich z.B. gut als Waerme- quelle. Es hat eine relativ hohe Reaktionswaerme und ei- ne relativ hohe Zuendungstemperatur von mehr als 538 0C in Luft, was zur Verhinderung einer fruehzeitigen Zuendung in einer heissen Umgebung wie beispielsweise Feuer, wuenschenswert ist, kann aber durch die Verwen- dung eines elektrisch erwaermten Gluehfadens die Zuen- dung im Bruchteil einer Sekunde einleiten. Gewicht und Volumen einer Titandiborid-Waermequelle betragen etwa 36 bzw. 28 % des Gewichtes und Volumens der Magnesiumhy- dridmatrix.
In der nachfolgenden Tabelle 3 sind Groesse und Gewicht eines Magnesiumhydrid/Titandiborid-Generators mit einer Produktionsleistung von 4,540 kg Wasserstoff angegeben.
5
Tabelle 3
Gewicht und Groesse eines Generators mit einer Leistung von 5,540 kg Wasserstoff
Gewichte
MgH0 60 kg
Titandiborid und Plattierung 34 kg
Sicherheitshuelle 4,54 kg
Zuenderbatterie und verschiedene
Teile 3,62 kg
Gesamtgewicht 102,16 kg
Groesse
Kugel etwa 46 cm Aussendurchmesser
Der in der Magnesxumhydridmatrix gelagerte Wasserstoff kann in der gewuenschten Zeit von ungefaehr 2 bis 3 Minuten rasch freigesetzt werden, vorausgesetzt die Matrixtemperatur kann bei etwa 350 0C gehalten werden.
Fuer den in Tabelle 3 genannten Generator sind die Waerme, die in die Matrix geleitet werden muss und die dafuer benoetigte Zeit in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Zum Erzeugen von 4,54 kg Wasserstoff benoetigte Waerme
Bei Erhoehen der Wasserstoff-Generatortemperatur von 16 auf 350 °C (geschaetzte Waermekapazitaet = 1,047 Kj/kg/°C) 35 600 kj
Endothermische Energie fuer die Dissoziation 168 760 kJ Gesamtenergie 204 370 kj
Waermeuebertragungsgeschwindigkeit (2 Minuten-Takt) 6,12xl06kJU/h
Wie in Tabelle 4 angegeben, muss die Waermequelle zur Herstellung von 4,54 kg Wasserstoff eine Nettoenergie von 204,370 kJ erzeugen und diese Energie mit einer Geschwindigkeit von 5,12x10 kJ/h abgeben. Um diese Waermezufuhr erfuellen zu koennen, ist eine gleichmaessige Verteilung der Waermequellenrohre 24 in der ganzen Matrix wuenschenswert. Anzahl der Rohre, Rohrdurchmesser und Rohrgroesse koennen leicht bestimmt werden, um eine genuegend grosse Flaeche fuer die Waermeuebertragung sicherzustellen und die benoetigte Zufuhrgeschwindigkeit der Energie zu erhalten.
Zusaetzlich wird eine genuegend grosse Durchflussflaeche benoetigt, so dass der erzeugte Wasserstoff aus dem Generator freigesetzt werden kann. Aufgrund der logarithmischen Abhaengigkeit des Gasdruckes von der Temperatur ist die Temperaturzunahme in der Matrix klein, waehrend die Zunahme des Gasdruckes sehr gross ist, und die Wirkung des von der Waermeuebertragung erzeugten Druckes ist minimal. Um beispielsweise den maximalen
Wasserstoffdruck bei etwa 3000 Pa oder weniger zu halten, kann die Geschwindigkeit, mit der Wasserstoffgas von der Matrix abgetrennt wird, durch Steuerung des Matrixhohlvolumens in Bezug zu den Abmessungen der Auslassoeffnung 14 des Behaelters gesteuert werden. Das Matrixhohlvolumen sollte wuenschenswerterweise bei etwa 20 bis 25% liegen, da bei zunehmendem Hohlvolumen das Volumen des zur Erzeugung des verlangten Gasvolumens benoetigten Generators zunimmt, und die thermische Leitfaehigkeit der metallischen Matrix abnimmt. Bei einem Hohlvolumen von etwa 20 bis 25% wird die thermische Leitfaehigkeit der Matrix nicht nennenswert beeintraechtigt bei der Dissoziationstemperatur von Magnesiumhydrid.
Die Verwendung einer intermetallischen Waerme- quelle fuer die Hydridmatrix ist ein besonders signifi- kanter und vorteilhafter Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Intermetallische Verbindungen sind inert, si- eher und haben eine verhaeltnismaessig lange Lebens- dauer. Durch die Anordnung der intermetallischen Verbin- düngen in Keramikrohren werden die Reaktionsprodukte isoliert und es wird sichergestellt, dass der aus der Hydridmatrix freigesetzte Wasserstoff rein und frei von Verunreinigungen ist, die den duennen Film, aus dem der Ballon hergestellt ist, beschaedigen koennten. Vom Standpunkt der Sicherheit aus gesehen ist es nur notwendig, eine vorzeitige Zuendung der Waermequelle zu verhindern. Demgemaess sollte die elektrische Betaetigungseinrichtung 32 eine moeglichst geringe Anfaelligkeit fuer Fehlzuendungen haben, was durch einfache konventio- nelle Techniken leicht erreicht werden kann.
Wie die vorhergehende Beschreibung zeigt, wird durch die vorliegende Erfindung ein besonders einfacher und ausserordentlich vorteilhafter Wasserstoffgenerator geschaffen, der als Wasserstoffquelle zur Fuellung von
Ballonen verwendet werden kann, die in grosser Hoehe von Raketen gestartet werden. Durch Wasserstoffgeneratoren gemaess der Erfindung werden die mit komprimiertem Gas oder fluessigem gelagertem Wasserstoff verbundenen Schwierigkeiten vermieden, sie haben ein geringes Gewicht und ein hohes Passungsvermoegen und koennen zur schnellen Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden. Wasserstofffgeneratoren gemaess der Erfindung koennen beispielsweise in Stromquellen verwendet werden, die waehrend Spitzenzeiten kurze Zeit Strom liefern und sie koennen in Verbindung mit Leistungsumformern, wie beispielsweise MHD-Generatoren mit offenem Zyklus, Brennstoffzellen und dynamischen Leistungsumformern, die beispielsweise mit einem Brayton-Zyklus oder Stirling-Zyklus arbeiten, verwendet werden.
Obwohl eine bevorzugte Ausfuehrungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, sind Aenderungen dieser Ausfuehrungsform selbstverstaendlich moeglieh, ohne den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Umfang in den nachfolgenden Anspruechen definiert ist.
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Claims (22)

Unser Zeichen: 9666.8 Datum: 19. Sept. 1985 General Electric Company 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Speicherung von Metallhydrid-Wasserstoff fuer die BaI-lonfuellung Patentansprueche 25
1. Wasserstoff erzeugendes System, das einen Behaelter umfasst, mit einem Auslass und einer in der Huelle angeordneten festen, einheitlichen Matrix eines endothermisch zersetzbaren Metallhydrids, die einen vorbestimmten Prozentsatz von Hohlraeumen hat, um eine gesteuerte Freigabe des Wasserstoffs bei Zersetzung zu ermoeglichen, wobei die Hydridmatrix eine der inneren Konfiguration der Behaelterhuelle angepasste Form hat und so dimensioniert ist, dass sie im wesentlichen das in- nere Volumen der Behaelterhuelle ausfuellt, wobei die Matrix
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eine Mehrzahl von gleichmaessig verteilten Loe- ehern aufweist, eine in jedem Loch angeordnete chemische Waermequelle zur Bereitstellung exothermer Energie zur Zersetzung des Hydrids, Mittel zum Einleiten der Reaktion fuer jede chemische Waermequelle und auf der Aussenflaeche der Behaelterhuelle angebrachte Mittel zum Betaetigen der die Reaktion einleitenden Mittel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Metallhydrid Magnesiumhydrid umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem das Magnesiumhydrid durch die Zugabe von 5 bis 10 Gew.-% Nickel katalysiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die vorbestimmte Anzahl von Hohlraeumen 20 bnis 25% des Matrixvolumens betraegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die chemische Waermequelle ein oder mehrere intermetallische Verbindungen umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, in dem die chemische Waermequelle mit einem Stoff plattiert ist, der gegenueber Wasserstoff inert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem die chemi- sehen Waermequellen innerhalb von in den Loechern ent- haltenen keramischen Rohren angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die chemi- sehen Waermequellen Titandiborid umfassen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die chemische Waermequelle Beryllium und Mg(ClO4)- umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Sicherheitshuelle kugelfoermig ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das die Reaktion einleitende Mittel und das die Reaktion betaetigende Mittel elektrisch betaetigt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das System so dimensioniert ist, dass es innerhalb einer Rakete angeordnet werden kann, und zur Fuellung eines von der Rakete gestarteten Ballons in grosser Hoehe geeignet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Behaelterhuelle an ihrer Aussenflaeche waermeisoliert ist.
14. Verfahren zur Wasserstofferzeugung, das innerhalb einer mit einem Auslass versehenen Behaelterhuelle das Anordnen einer festen einheitlichen Matrix eines endotherm zersetzbaren Metallhydrids umfasst, die einen vorbestimmten Prozentsatz von Hohlraeumen aufweist, die eine gesteuerte Freisetzung des Wasserstoffs nach der Zersetzung ermoeglichen, wobei die Matrix eine Mehrzahl von gleichmaessig verteilten Loechern aufweist und entsprechend der inneren Konfiguration der Behaelterhuelle geformt und so dimensioniert ist, dass sie die Behaelterhuelle im wesentlichen ausfuellt, Anordnen einer chemischen Waermequelle hoher spezifischer Energie in jedem Loch, Einleiten der Reaktion der chemischen Waermequelle zum Erzeugen von Waerme fuer die thermische Zersetzung des Hydrids zur Freisetzung des Waserstoffs und Sammeln des freigesetzten Wasserstoffs am Auslass.
15. Verfahren nach Anspruch 14, in dem das Hydrid Magnesiumhydrid umfasst.
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16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner die Katalysierung des Magnesiums durch Zugabe von 5 bis Gew.-% Nickel umfasst.
· 17. Verfahren nach Anspruch 14, in dem die Hohlraeume 20 bis 25 % des Hydridmatrixvolumens umfassen.
18. Verfahren nach Anspruch 14, in dem die chemische Waermequelle eine oder mehrere intermetallische Verbindungen umfasst.
19. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner die Plattierung der intermetallischen Verbindungen mit einem Material umfasst, das gegenueber Wasserstoff inert ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, in dem das Mate- rial Keramik umfasst.
21. Verfahren nach Anspruch 14, in dem die chemisehe Waermequelle Titandiborid umfasst.
22. Verfahren nach Anspruch 14, in dem die chemische Waermequelle Beryllium und Mg(ClO4J2 umfasst.
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