DE3536072A1 - Thermochemischer wasserstoffgenerator geringen gewichtes - Google Patents

Thermochemischer wasserstoffgenerator geringen gewichtes

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DE3536072A1
DE3536072A1 DE19853536072 DE3536072A DE3536072A1 DE 3536072 A1 DE3536072 A1 DE 3536072A1 DE 19853536072 DE19853536072 DE 19853536072 DE 3536072 A DE3536072 A DE 3536072A DE 3536072 A1 DE3536072 A1 DE 3536072A1
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Marvin Jack West Chester Pa. Engel
Joseph Anthony Pennsburg Pa. Golden
Peter Demetrios Noristown Pa. Zavitsanos
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    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/065—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents from a hydride
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff und mehr im besonderen die Wasserstofferzeugung aus der kombinierten Zersetzung endotherm und exotherm zersetzbarer Hydride.
Die thermische Erzeugung von Wasserstoff aus Metallhydriden oder aus Reaktionen zwischen Metallen oder Metallhydriden und Wasser ist bekannt. Solche Systeme zur Wasserstofferzeugung haben bekannte Vorteile - in erster Linie hinsichtlich der Sicherheit gegenueber Systemen, bei denen Wasserstoff gasfoermig oder fluessig gelagert wird. Die meisten Metallhydride koennen jedoch nur einen relativ geringen Prozentsatz an Wasserstoff pro Gewichtseinheit des Hydrids lagern, was zu einem unannehmbaren Gewicht und - in einigen Faellen zu einem unannehmbaren Volumen bei dem Hydridsystem fuehren kann. Doppelmetallhydride zum Beispiel, wie von Titan und Eisen, sind zur kommerziellen Lagerung von Wasserstoff benutzt worden. Es sind jedoch 60 kg Hydrid (TiFeH) fuer jedes Kilo freigesetzten Wasserstoffs erforderlich. Um daher 10 kg Wasserstoff zu erzeugen, wuerde das Gewicht des Hydrids allein 600 kg betragen, und weiteres Gewicht waere erforderlich fuer den Initiator der Hydridreaktion. Puer Anwendungen, die eine Wasserstofferzeugung bei geringem Gewicht erfordern, wie zum Fuellen von Ballons, die von Raketen in grosser Hoehe abgeschossen werden, ist ein derart hohes Gewicht unannehmbar.
Andere leichtere Metallhydride koennen das Gewicht des Hydridsystems vermindern. So kann zum Beispiel Magnesiumhydrid etwa 1 kg Wasserstoff fuer jeweils 14 kg des Hydrids erzeugen, so dass das gesamte Hydridgewicht des Systems zum Erzeugen von 10 kg Was-
serstoff auf 140 kg vermindert wird. Eine weitere Komplikation ergibt sich jedoch daraus, dass es erforderlich ist, dem Magnesiumhydrid zur zersetzung eine merkliche Waermemenge zuzufuehren. So muessen etwa 3900 kcal/454 g oder 17,8 kcal/mol erzeugten Wasserstoffs bei der Betriebstemperatur in der Naehe von 300 0C dem Magnesiumhydrid zur Zersetzung zugefuehrt werden. Dies erfordert eine Waermequelle, die zusaetzliches Gewicht zu dem System hinzufuegt. Wird eine chemische Waermequelle benutzt, dann nimmt man an, dass etwa 1 g/kcal oder 8,6 g/g erzeugten Wasserstoffes gemaess der folgenden chemischen Gleichung hinzugefuegt werden wuerden:
(1) MgH2 + Δ Η -^Mg + H2
worin Λ H = 17,9 kcal.
Um daher mit einem mit Magnesiumhydrid und einer chemischen Heizeinrichtung arbeitenden System 10 kg Wasserstoff zu erzeugen, wuerde man allein 226 kg an Chemikalien benoetigen, und das geschaetzte Volumen des Systems wuerde etwa 90 - 100 Liter umfassen.
Andere Wasserstoffquellen schliessen die ionischen Hydride von Kalzium und Lithium ein sowie Doppelhydride, wie LiAlH4, die mit Wasser unter Erzeugung von Waerme und Wasserstoff reagieren. Wasserstoffgeneratoren, die Kalziumhydrid benutzen, beruhen auf der folgenden Umsetzung:
(2) CaH2 + 2H2O -^Ca(OH)2 + 2H2
Die exotherme Waerme der Umsetzung (2) bei 25 C betraegt 0,7 kcal/g der Reaktanten und die Wasserstoff-
ausbeute betraegt 5,17 kg/100 kg der Reaktanten. Um daher 10 kg Wasserstoff zu erzeugen, sind etwa 104,4 kg Kalziumhydrid und 89,4 kg Wasser, d.h. 200 kg Gesamtgewicht erforderlich. Kalziumhydrid hat eine Dichte von 1,9 g/cm , einen Schmelzpunkt von mehr als 1000 C und eine. Waermebildung von -45 kcal/Mol.
Die umsetzung von Lithiumhydrid mit Wasser ergibt mehr Wasserstoff und mehr Waerme als die von Kalziumhydrid gemaess der folgenden Gleichung:
(3) LiH + H2O -^LiOH + R3 + ZiH
worin /\ü = 26 kcal.
Die exotherme Umsetzung (3) bei 25 0C ergibt 1 kcal/g der Reaktanten, und die Wasserstoffausbeute ist 7,75 kg/100 kg der Reaktanten. Es sind daher 40 kg Lithiumhydrid und 90 kg Wasser, d.h. ein Gesamtchemikaliengewicht von 130 kg erforderlich, um 10 kg Wasserstoff freizusetzen. Lithiumhydrid hat eine Dichte von 0,78 g/cm , einen Schmelzpunkt von 686 °C und eine Bildungswaerme von -21,7 kcal/g-Mol. Lithiumhydroxid schmilzt ohne Zersetzung bei 471 0C.
Die durch die exotherme Umsetzung (3) erzeugte Waerme erhoeht die Temperatur der Produkte auf etwa 900 0C, d.h. weit ueber den Schmelzpunkt von Lithiumhydroxid.
Da es sowohl die Kalziumhydridais auch die Lithiumhydrid-Umsetzung exotherm verlaufen, ist es erforderlich, Vorkehrungen zu schaffen, um die erzeugte Waerme zu verwerten, was zum Gewicht und zur Komplexizitaet des Systems deutlich beitragen kann.
Es ist daher erwuenscht, Systeme und Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff auf Hydridbasis zu schaffen, die den Vorteil der groesseren Sicherheit und der ziemlich langen Lagerzeit der Hydride nutzen, waehrend gleichzeitig die vorgenannten Nachteile der bekannten Systeme und Verfahren zur Wasserstofferzeugung auf Hydridbasis vermieden werden. Hierauf ist die vorliegende Erfindung gerichtet.
Die Erfindung schafft sehr vorteilhafte Systeme und Verfahren zur Wasserstofferzeugung, die erwaehnenswert sind hinsichtlich ihrer hohen Volumenkapazitaet, ihres geringen Gewichtes, ihrer kleinen aeusseren Abmessungen und ihrer relativen Einfachheit. Die erfindungsgemaessen Systeme und Verfahren sind gut geeignet fuer solche Anwendungen wie das Puellen von Ballonen in grosser Hoehe, fuer das Erzeugen von Brennstoff fuer Verbrennungsmaschinen und fuer sichere, kompakte und ein geringes Gewicht aufweisende Systeme zum Wasserstofftransport. Die Erfindung beruht auf der Wasserstoff erzeugung durch kombinierte Aktion eines endotherm zersetzbaren Metallhydrids und eines exotherm zersetzbaren Hydrids, die beide Wasserstoff freisetzen, wobei die durch das exotherm zersetzbare Hydrid freigesetzte Waerme dazu benutzt wird, das endotherm zersetzbare Hydrid zu zersetzen. Die relativen Anteile der Hydride sind so eingestellt, dass die Reaktionstemperatur gesteuert, die Wasserstofferzeugung und die Waermeabgabe optimiert und Gewicht und Volumen minimalisiert werden.
Kurz gesagt umfasst ein Wasserstoffgenerator gemaess der vorliegenden Erfindung einen Behaelter, der eine erste Matrix aus einem Metallhydrid einschliesst, das sich endotherm unter Wasserstoff-Freisetzung zersetzt, und der eine zweite Matrix aus einem ionischen
Hydrid einschliesst, das sich mit Wasser unter exothermer Zersetzung und Wasserstoffabgabe umsetzt, wobei die erste und die zweite Matrix benachbart zueinander angeordnet sind, so dass die durch die zersetzung des ionisehen Hydrids erzeugte Waerme zum Metallhydrid uebertragen wird. Die Anteile an Metallhydrid und ionischem Hydrid sind so eingestellt, dass die zersetzung des Metallhydrides sichergestellt ist und die Temperatur innerhalb des Behaelters gesteuert wird. Eine Quelle von unter Druck stehendem Wasser wird mittels einer Ventileinrichtung mit einer Wasserverteilungseinrichtung verbunden, um das Wasser gleichmaessig an die Matrix aus ionischem Hydrid zu verteilen. Es sind auch Ventilbetaetigungsmittel vorhanden, um die Ventileinrichtung zur Einleitung der Umsetzung zu oeffnen. Weiter ist eine Einrichtung eingeschlossen, um den von den Hydriden freigesetzten Wasserstoff zu sammeln und diesen einem Auslass des Behaelters zuzufuehren.
Vorzugsweise ist das Metallhydrid Magnesiumhydrid, das ionische Hydrid ist Lithiumhydrid. Die erste und die zweite Matrix koennen so gebildet sein, dass sie jeweils eine ringfoermige zylindrische Gestalt haben, wobei die erste Matrix koaxial um die zweite Matrix herum innerhalb eines ersten Abteiles des Behaelters angeordnet ist, wobei ein Durchgang zwischen den Matrizes fuer den freigesetzten Wasserstoff verbleibt und die zweite Matrix koaxial um die Wasserverteilungseinrichtung herum angeordnet ist. Die Wasserverteilungseinrichtung kann ein Verteilerrohr mit einer Vielzahl von Oeffnungen umfassen, um das Wasser gleichmaessig an die Matrix aus dem ionischen Hydrid zu verteilen. Das Wasser kann innerhalb eines anderen Abteils des Behaelters angeordnet und durch ein Inertgas unter Druck gesetzt sein.
Die Erfindung ist besonders gut geeignet zur Schaffung von sicheren, ein geringes Gewicht und eine hohe Volumenkapazitaet aufweisenden Systemen zur Wasserstoff erzeugung, um in grosser Hoehe Ballons zu fuellen, die von Raketen abgeschossen werden, und fuer aehnliche Anwendungen, und die Erfindung wird in diesem Zusammenhang beschrieben. Diese Anwendungsart ist jedoch nur beispielhaft.
Die Erfindung schafft einen Wasserstoffgenerator geringen Gewichtes und hoher Volumenkapazitaet, der auf der Thermochemie beruht und ein System aus Metallhydrid/ionischem Hydrid und Wasser optimalisiert, indem man die Vorteile der Umsetzung von ionischem Hydrid und Wasser, die wirksam Wasserstoff und Waerme erzeugt, mit der Zersetzung des Metallhydrids zur Erzeugung weiteren Wasserstoffs bei einer tieferen Temperatur kombiniert, indem die erzeugte Waerme hierfuer eingesetzt und nicht an die Umgebung abgegeben wird. Durch Verwenden der durch die exotherme Umsetzung von ionischem Hydrid und Wasser erzeugten Waerme zur Zersetzung des Metallhydrids wird die Notwendigkeit eines Waermeabgabemechanismus fuer diese Waerme vermieden und das Gewicht (und Volumen) des Systems vermindert. Die Anteile der 3 chemischen Verbindungen (ionisches Hydrid, Wasser und Metallhydrid) kontrollieren die Endtemperatur, da die Zersetzung des Metallhydrids als Moderator wirkt.
Ein bevorzugtes endotherm zersetzbares Metallhydrid ist Magnesiumhydrid, da es unter den Metallhydriden eine ziemlich hohe Wasserstoff-Speicherkapazitaet pro Gewichtseinheit hat und etwa 1 kg Wasserstoff auf 14 kg des Hydrids erzeugen kann. Es kann in der vorliegenden Erfindung jedoch auch jedes andere endotherm zersetzbare Metallhydrid benutzt werden.
Ein bevorzugtes ionisches Hydrid ist Lithiumhydrid, das etwa 7,75 kg Wasserstoff auf 100 kg Reaktanten ergibt und eine exotherme Waermemenge von 1 kcal/g der Reaktanten bei 25 C freisetzt. In der vorliegenden Erfindung kann jedes ionische Hydrid benutzt werden, das unter Freisetzung von Wasserstoff exotherm mit Wasser reagiert.
Das Gewicht der Chemikalien des Lithiumhydrid/ Wasser-Systems wird so ausgewaehlt mit Bezug auf das Gewicht des Magnesiumhydrids, dass die erzeugte Waerme das Magnesiumhydrid zersetzt und eine Betriebstemperatur in der Groessenordnung von 300 °C ergibt. Durch Kombinieren eines Lithiumhydrid/Wasser-Systems mit einem Magnesiumhydrid-System in dieser Weise wird die pro Gewichtseinheit der Chemikalien erzeugte Wasserstoffmenge nicht vermindert, und es ist nicht erforderlich, ueberschuessige Waerme abzuleiten, so dass das Gewicht des Gesamtsystems vermindert wird.
Die folgende Tabelle I fuehrt die thermochemischen Eigenschaften des Lithiumhydrid/Wasserund des Magnesiumhydrid-Systems sowie die Berechnungen auf, die zu der folgenden Gesamtgleichung fuer eine Umsetzung bei 300 °C fuehren:
ILiH + IH2O + 0,8MgH2 -»ILiOH + 0,8Mg + 1,8H2 (4)
/^ 300°C LiH + H„0—>LiOH + H^ BERECHNUNGEN (angenommen)
TABELLE I / CpdT
THERMODYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN UND —'RT 26 kcal/mol - exotherm MgH.,-? Mg + H0
Nettowaerme, die
Reaktionswaerme fuer die MgH.,- LiOH MgH2 19,8 kcal/mol -
2
Zersetzung bei		 10 11,6 endotherm
(ΔΗ) 300 °c verfuegbar H2
ist MgH2 7 -
Cp MoI-Verhaeltnis 1,8
(cal/mol Grad) MgH^(zersetzt) LiH
bei 600°K LiH (umgesetzt) 0,78
O g/cm
LiOH MgH „
Waerme zum Er 3 kcal/mol 3,48
reichen von H
300 °C a) Theoretisch 2,1
17,42 kcal/mol (LiH + H0)
b) 12 % Verlust
15,3 kcal/mol
0,8
Die folgende Tabelle Il zeigt das errechnete Gesamtgewicht und -volumen eines Systems zum Erzeugen von 4,53 kg Wasserstoff. Wie angegeben, betragen das Gesamtgewicht und -volumen der Chemikalien 59,32 kg und 50,51 Liter.
TABELLE II
Gewicht und Volumen der Chemikalien
Verbindung Gewicht Volumen
erzeugter Wasser 4,53 kg Ballon
stoff (variabel)
LiH 10,17 kg 13,04 Liter
H2O 22,88 kg 22,88 Liter
MgH2 26,27 kg 14,59 Liter
Insgesamt erfor
derlich 59,32 kg 50,51 Liter
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung naeher erlaeutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 einen Laengsschnitt durch einen erfindungsgemaessen Wasserstoffgenerator und
Figur 2 einen Querschnitt laengs der Linie 2-2 in Figur 1.
Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen eine bevorzugte Ausfuehrungsform eines Wasserstoffgenerators 10 fuer Metallhydrid und ionisches Hydrid und Wasser gemaess der vorliegenden Erfindung fuer das Fuellen eines Ballons in grosser Hoehe, der von einer Rakete abgeschossen wird. Wie dargestellt, umfasst der Generator einen Behaelter 12, der zylindrisch ausgebildet sein
kann und aus korrosionsbestaendigem Stahl besteht, da die genannte Konfiguration leicht an einen begrenzten Raum angepasst werden kann. Der Behaelter ist in mehrere Abteile 14, 16, 18 und 20 unterteilt, und er weist einen Auslass 22 auf, der mit einem Fuellrohr (nicht dargestellt) fuer einen Ballon verbunden werden kann. Das obere Abteil 14 des Behaelters dient als Raum zum Sammeln des durch die Hydrid-Umsetzungen freigesetzten Viasserstoffs (wie durch die Pfeile in der Figur 1 dargestellt), wobei diese Umsetzungen im Abteil 16 stattfinden, wie im folgenden noch naeher erlaeutert wird. Der obere Gasraum kann mit dem Auslass 22 durch ein druckbetaetigtes normalerweise geschlossenes Ventil 24 verbunden sein, wobei das Ventil so ausgebildet ist, dass es sich bei einem vorbestimmten Druck oeffnet.
Der Generator ist vorzugsweise ein System mit Magnesiumhydrid/Lithiumhydrid und Wasser, wofuer die Gruende oben angegeben sind. Lithiumhydrid und Magnesiumhydrid sind als jeweilige Hydridmatrizes 26 und 28 im Abteil 16 angeordnet. Jede Matrix hat vorzugsweise eine ringfoermige zylindrische Gestalt, und die zylindrischen Matrizes haben vorzugsweise eine solche Groesse, dass die Magnesiumhydrid-Matrix 28 koaxial um die Lithiumhydrid-Matrix 26 herum angeordnet werden kann, wobei ein ringfoermiger Durchgang 30 zwischen den beiden Matrices gebildet wird. Die Lithiumhydrid-Matrix 26 ist vorzugsweise perforiert oder poroes, so dass sie ein vorbestimmtes Hohlraumvolumen enthaelt, um die Gasabgabe zu gestatten, ohne dass ein zu grosser lokaler Druck erzeugt wird. Die Matrix 26 kann mit einer Vielzahl sich radial erstreckender Durchgaenge 34 ausgebildet sein, die in Verbindung stehen mit dem ringfoermigen Durchgang 30 und mit einer sich laengs koaxial erstreckenden zylindrischen Oeffnung 36 innerhalb der Li-
thiumhydrid-Matrix. Das Magnesiumhydrid kann entweder fest oder koernig sein. Wenn es koernig ist, dann kann es auch einen Binder einschliessen, um die Koerner miteinander zu verbinden und die Umsetzung zu verlangsamen. Das Magnesiumhydrid kann innerhalb eines nicht dargestellten ringfoermigen Haltenetzes angeordnet sein. Die relativen Groessen der Hydridmatrizes sind durch die Gleichung (4) bestimmt.
Innerhalb der koaxialen Oeffnung 36 befindet sich ein Wasserverteilungssystem, das ein langgestrecktes Verteilerrohr 40 mit einer Vielzahl von Oeffnungen 42 umfassen kann, die gleichmaessig ueber die Laenge und den umfang des Verteilerrohres verteilt sind. Das untere Ende (in Figur 1) des Verteilerrohres kann mit einer Quelle von unter Druck stehendem Wasser im Abteil 20 durch ein Abschaltventil 44 verbunden sein. Das Ventil 44, das normalerweise geschlossen ist, kann durch einen Betaetigungsmechanismus 46 betaetigt werden, der einen Druckschalter umfasst, der durch eine elektrisch gezuendete Zuendladung bekannter Konstruktion betaetigt wird. Die elektrische Leistung fuer den Betaetigungs- ■ mechanismus kann von einer Batterie 48 geliefert werden, und der atmosphaerische Druck kann ueber die Drucksensoroeffnung 50 in der Seitenwand des Behaelters 12 dem Druckschalter zugefuehrt werden. Eine Wasserfuelioeffnung zu 52, die in Verbindung steht mit dem Abteil 20, kann benachbart der Drucksensoroeffnung ebenfalls in der Seitenwand angeordnet werden.
Das Abteil 20 kann durch einen bewegbaren Kolben 54 in zwei Teile unterteilt werden. Wasser wird dem oberen Teil durch die Wasserfuelloeffnung zugefuehrt, und unter Druck stehendes Inert-Gas kann durch ein Gasfuellventil 56 der Unterseite des Kolbens 54 zugefuehrt werden.
Damit der Generator 10 sicher gelagert werden kann, ist es erwuenscht, dass die Wasser- und Inertgas-Teile des Abteils 20 ungefuellt bleiben und dass der durch eine Explosivladung betaetigte Mechanismus fuer das Ventil 44 nicht eingefuehrt wird. Vor der Benutzung kann der obere Teil des Abteils 20 mit Wasser gefuellt werden, und zwar ueber die Wasserfuelloeffnung 52, und durch das Gasfuellventil 56 kann man inertes Druckgas dem unteren Teil des Abteils 20 zufuehren. Als letztes kann der mit Zuendladung arbeitende Betaetigungsmechanismus eingefuehrt werden. Nach dem Abschiessen der Rakete zeigt der Drucksensor des Betaetigungsmechanismus 46 ueber die Drucksensoroeffnung 50 den atmosphaerischen Druck an, und nachdem eine vorbestimmte Hoehe erreicht ist, betaetigt der Drucksensor die elektrisch gezuendete Zuendladung zum Oeffnen des Ventils 44. Wasser wird von dem unter Druck stehenden inertgas hinter dem Kolben in das Verteilerrohr 40 gedrueckt, da sich der Kolben (in Figur 1) nach oben bewegt, um das Wasser aus dem Abteil 20 herauszudruecken. Die Geschwindigkeit des Kolbens wird durch die Geschwindigkeit der Hydridreaktion im Abteil 16 reguliert. Kommt das Wasser mit der inneren Lithiumhydrid-Matrix in Kontakt, dann wandelt es Lithiumhydrid in Lithiumhydroxid um und erzeugt Waerme und Wasserstoffgas, das anfaenglich etwas Dampf enthalten kann. Die erhitzten Gase passieren die perforierte Lithiumhydrid-Matrix und gelangen in den Durchgang 30, wo sie den Dampf und etwas ihrer thermischen Energie abgeben. Der groesste Teil der thermischen Energie stroemt jedoch zur aeusseren Magnesiumhydrid-Matrix. Das Magnesiumhydrid absorbiert die Waerme und vermindert dadurch die Temperatur im Abteil und zersetzt sich thermisch unter Bildung weiteren Wasserstoffes. Der Wasserstoff stroemt in den Gasraum (Abteil 14) oberhalb des Hydridabteils 16, und es baut
sich ein Druck auf. Nachdem der Druck im Gasraum einen vorbestimmten Wert erreicht hat, oeffnet sich das Ventil 24 und laesst den Wasserstoff in das Ballon-Fuellrohr stroemen, bis der Prozess aufhoert oder beendet ist. Durch Auswahl der Mengen der Hydride und des Wassers gemaess Gleichung (4) kann die durch die LiH/H?O-Umsetzung erzeugte Waerme im wesentlichen vollstaendig im MgHp absorbiert werden und dessen erforderliche Temperatur von 301
Stoffabgabe aufrechterhalten.
forderliche Temperatur von 300 0C fuer die Wasser-
Dj.e folgende Tabelle III gibt representative Abmessungen, Volumina und Gewichte fuer die chemischen Bestandteile eines Generators der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Art, der eine Volumenkapazitaet aufweist, die das Doppelte dessen betraegt, das erforderlich ist, um 4,53 kg Wasserstoff zu erzeugen. Der Generator der Tabelle III hat somit einen Sicherheitsfaktor von 2. Nimmt man an, dass sich alle Materialien vollstaendig umsetzen, dann waeren die minimalen Generatorparameter fuer die Erzeugung von 4,53 kg Wasserstoff die Haelfte der in der folgenden Tabelle angegebenen Parameter.
TABELLE III GENERATORABMESSUNGEN
Aussendurch- Innendurch- LG in Volumen Gewicht messer/ cm messer /cm cm in Lit. in kg
MgH2 43 ,2 33 6 48 ,3 29, 33 52, 66
LiH 30 ,5 7, 48 ,3 32, 94* 19, 52
H2O 43 ,2 ——— 31 ,8 46, 55 46, 76
* 25% Poren
-20-
Nimmt man ein maximal zulaessiges Nutzgewicht des Ballons von etwa 136 kg an, dann wuerde ein Generator mit den in der Tabelle III angegebenen Parametern noch 17,25 kg fuer die Struktur, die Mechanismen und die damit zusammenhaengenden Gegenstaende uebriglassen.
Aufgrund der vorstehenden Ausfuehrungen ist klar, dass die Erfindung einen kompakten, leichten, hochwirksamen thermochemischen Wasserstoffgenerator schafft, der fuer eine Anzahl unterschiedlicher Anwendungen brauchbar ist. Zusaetzlich zu seinem Einsatz als System zum Fuellen von Ballons kann ein Wasserstoffgenerator nach der vorliegenden Erfindung auch als Brennstoffquelle fuer Verbrennungsmaschinen und als sicheres, kompaktes, leichtes Wasserstoff-Transportsystem benutzt werden.

Claims (20)

Thermochemischer Wasserstoffgenerator geringen Gewichtes Patentansprueche
1. System zum Erzeugen von Wasserstoff mit einem Behaelter, der eine erste Matrix aus einem Metallhydrid einschliesst, das sich unter Freisetzung von Wasserstoff endotherm zersetzt, wobei der Behaelter noch eine zweite Matrix aus einem ionischen Hydrid enthaelt, das mit Wasser unter Zersetzung und Freisetzung von Wasserstoff exotherm reagiert, wobei die erste und die zweite Matrix in dem Behaelter derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass die durch die Zersetzung des ionischen Hydrids erzeugte Waerme zu dem Metallhydrid uebertragen wird und die Anteile des Metallhydrids und
des ionischen Hydrids so eingestellt sind, dass die Zersetzung des Metallhydrids und die Kontrolle der Temperatur innerhalb des Behaelters sichergestellt sind und das System weiter eine Quelle fuer unter Druck stehendes Wasser, eine Einrichtung zum gleichmaessigen Verteilen des Wassers zu der Matrix aus ionischem Hydrid, eine Ventileinrichtung, die zwischen der Wasserverteilungseinrichtung und der Quelle unter Druck stehenden Wassers angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Betaetigen der Ventileinrichtung einschliesst, um das unter Druck stehende Wasser zu der Wasserverteilungseinrichtung gelangen zu lassen.
2. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydrid Magnesiumhydrid umfasst.
3. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Hydrid ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid und Kalziumhydrid.
4. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Hydrid Lithiumhydrid umfasst.
5. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Matrix je eine ringfoermige zylindrische Gestalt haben, wobei die erste Matrix koaxial um die zweite Matrix herum innerhalb eines ersten Abteils des Behaelters angeordnet ist, wobei ein Durchgang fuer den freigesetzten Wasserstoff zwischen den Matrizes gebildet ist, und die zweite Matrix koaxial um die Wasserverteilungseinrichtung herum angeordnet ist.
6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Matrix eine Vielzahl sich radial erstreckender Durchgaenge aufweist, die mit dem genannten Durchgang zwischen den Matrizes sowie mit dem
Inneren der zweiten Matrix in Verbindung stehen.
7. Generator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserverteilungseinrichtung ein Verteilerrohr umfasst, das koaxial innerhalb der zweiten Matrix angeordnet ist, wobei das Verteilerrohr eine Vielzahl von Oeffnungen aufweist, die laengs des Rohres und um den Umfang herum verteilt sind, und dass die Quelle unter Druck stehenden Wassers ein anderes Abteil des Behaelters umfasst, das durch einen bewegbaren Kolben in einen ersten und in einen zweiten Teil getrennt ist, wobei der erste Teil Wasser und der zweite Teil unter Druck stehendes Gas enthaelt.
8. Generator nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung ein normalerweise geschlossenes Ventil umfasst, das zwischen dem Verteilerrohr und dem ersten Teil des genannten anderen Abteiles angeordnet ist, und dass die Betaetigungseinrichtung ein elektrisches Betaetigungsglied zum Oeffnen des Ventils umfasst und eine Einrichtung vorhanden ist, die auf einen vorbestimmten Zustand anspricht, um das elektrische Betaetigungsglied zu betaetigen.
9. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Bedingung Atmosphaerendruck umfasst, die Betaetigungseinrichtung eine Stromquelle und einen druckempfindlichen Schalter zum Verbinden der Stromquelle mit dem elektrischen Betaetigungsglied umfasst.
10. Generator nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Behaelter eine Wasserfuelleinrichtung sowie eine Gasfuelleinrichtung einschliesst, die mit dem genannten ersten und dem genannten zweiten Teil des anderes Abteiles in Verbindung stehen, damit das erste und das zweite Teil mit Wasser bzw. Gas gefuellt werden koennen, wobei der Behaelter weiter so ausgebildet ist, dass er das Einfuehren der Betaetigungseinrichtung vor dem Gebrauch gestattet.
-
11. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Behaelter mit einem Gasraum versehen ist, der in Verbindung steht mit dem Durchgang zwischen den Matrizes, sowie mit einer Auslassoeffnung des Behaelters, wobei ein normalerweise geschlossenes druckbetaetigtes Ventil zwischen dem genannten Gasraum und der Auslassoeffnung angeordnet ist.
12. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator so ausgebildet ist, dass er in einer Rakete fuer das Fuellen eines Ballons in grosser Hoehe angeordnet werden kann, wobei der Ballon von der Rakete abgeschossen wird.
13. Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff durch Anordnen einer ersten Matrix aus Magnesiumhydrid und einer zweiten Matrix aus einem ionischen Hydrid, das mit Wasser exotherm unter Zersetzung reagiert, in einem ersten Abteil eines Behaelters,
Anordnen von unter Druck stehendem Wasser in einem zweiten Abteil des Behaelters,
gleichmaessiges Zufuehren des unter Druck stehenden Wassers zu der zweiten Matrix aus ionischem Hydrid, um die Umsetzung zwischen dem ionischen Hydrid und dem Wasser zu verursachen,
Ueberfcragen der bei dieser Umsetzung gebildeten Waerme zum Magnesiumhydrid, um dieses endotherm zu zersetzen, wobei die Anteile des Magnesiumhydrids, des ionischen Hydrids und des Wassers, die in dem Behaelter angeordnet sind, so ausgewaehlt sind, dass die Temperaturkontrolle innerhalb des Behaelters und die Zersetzung des Magnesiumhydrids sichergestellt sind, Sammeln des bei der umsetzung des ionischen Hydrids mit dem Wasser und des bei der Zersetzung des Magnesiumhydrids gebildeten Wasserstoffs und Leiten dieses Wasserstoffes zu einem Auslass des Behaelters .
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Hydrid ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid und Kalziumhydrid.
15. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Hydrid Lithiumhydrid umfasst.
16. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Matrix als ringfoermige Zylinder aus Magnesiumhydrid bzw. ionischem Hydrid ausgebildet werden, wobei die Stufe des Anordnens des Hydrids das Anordnen der ersten Matrix koaxial um die zweite Matrix herum umfasst, wobei ein Durchgang zwischen beiden Matrizes gebildet wird und die zweite Matrix mit einer Vielzahl sich radial erstreckender Durchgaenge ausgebildet wird, die mit dem Durchgang zwischen den Matrizes und einer inneren Oeffnung der zweiten Matrix in Verbindung stehen.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Matrix aus ionischem Hydrid so gebildet ist, dass sie einen vorbestimmten Volumenprozentanteil an Poren enthaelt, um die Freisetzung von Wasserstoff ohne Erzeugung eines zu grossen lokalen Druckes zu gestatten.
18. Verfaahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Magnesiumhydrid koernig ausgebildet ist, die genannte erste Matrix einen Binder enthaelt, um die Koerner aus Magnesiumhydrid miteinander zu verbinden, um so die Zersetzungsgeschwindigkeit des Magnesiumhydrids zu steuern.
19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte atmosphaerische Bedingung festgestellt wird und dass die Zufuhr von Wasser in Abhaengigkeit von dieser vorbestimmten atmosphaerischen Bedingung erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wasserstoff dazu benutzt wird, einen Ballon zu fuellen, der in einer grossen Hoehe von einer Rakete abgeschossen wird.
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