DE3831303A1 - Reaktor zur wasserstoffadsorption bei einer legierung - Google Patents
Reaktor zur wasserstoffadsorption bei einer legierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Wasserstoffadsorption
bei einer Legierung. Die Legierung besteht dabei hauptsächlich
aus einem Metallhydrid.
Es sind verschiedene Ausführungsformen von Reaktoren bekannt,
in denen Wasserstoff in einem bestimmten Metall oder in einer
Legierung adsorbiert wird, um den Wasserstoff darin zu spei
chern und ihn in die Form eines Metallhydrids überzuführen.
Derartige Reaktoren werden im praktischen Betrieb für die Rei
nigung von Wasserstoff, für Druckerhöhungspumpen, Wärmepumpen,
Klimaanlagen etc. eingesetzt. Weil zwangsläufig eine exotherme
oder endotherme Reaktion stattfindet, wenn das Metallhydrid
Wasserstoff adsorbiert oder abgibt, ist es möglich, diese Ei
genschaft vorteilhafterweise für den Betrieb eines Wärmetau
schers, einer Wärmepumpe etc. auszunützen. Wenn eine grund
sätzliche Zielsetzung darin besteht, Wasserstoff zu speichern
und abzugeben, wird die Abgabe von Wasserstoff nur dann effek
tiv möglich, wenn eine schnelle Wärmeübertragung zwischen dem
Metallhydrid und der Umgebung im Hinblick auf einen hohen
thermischen Wirkungsgrad des Wärmeaustausches und damit im
Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad beim Speichern und Ab
geben des Wasserstoffes stattfindet. Allerdings ist die Wärme
leitfähigkeit einer Wasserstoff adsorbierenden Legierung in
Form von Teilchen nicht groß. Aus diesem Grunde sind verschie
dene Möglichkeiten mit dem Ziel vorgeschlagen worden, die Wär
meabgabe zu verbessern.
So wurde beispielsweise, um die Wasserstoff adsorbierende Le
gierung selbst zu verbessern, die Oberfläche der Teilchen mit
einem Überzug aus einem andersartigen Metall mit einer hohen
Wärmeleitfähigkeit überzogen (JP-PS 59-46 161). Auch ist vorge
schlagen worden, das Problem durch die Art der Konstruktion
des Wärmeaustauschreaktors zu lösen (JP-GM 61-1 93 300; siehe
Fig. 3). So ist bei diesem bekannten Reaktor ein Tank vorge
sehen, in dem mehrere koaxiale Rohre angeordnet sind, wobei
Durchlässe für ein Wärme- oder Kühlmittel sowie Aufnahmeberei
che für die Wasserstoff adsorbierende Legierung abwechselnd
angeordnet sind und die Legierungsschicht dabei eine ganz be
stimmte Dicke aufweist.
Ein weiterer Vorschlag sieht vor, eine Wasserstoff adsorbie
rende Legierung nicht in Form von Teilchen zu verwenden, son
dern die Legierung in einem Tank in Form eines komprimierten,
kompakten Körpers anzuordnen (US-PS 47 17 629 (siehe Fig. 4),
JP-OS 62-1 96 500).
Mit den bekannten Vorschlägen können zwar derartige Nachteile
beseitigt werden wie geringe Wärmeleitfähigkeit der aus Legie
rungsteilchen bestehenden Schicht, wie Verminderung der Wär
meleitfähigkeit durch Zerfall und Mikronisierung der Legierung
aufgrund der wiederholten Reaktion mit dem Wasserstoffgas,
dennoch besitzen die bekannten Vorschläge immer noch Nachteile
oder werfen andere Probleme auf, die gelöst werden müssen.
Wenn Wasserstoffgas durch eine Schicht einer Wasserstoff ad
sorbierenden Legierung strömt, wobei die Legierung aus Teil
chen besteht, an denen die Reaktion stattfindet, so tritt hier
das Problem der Mikronisation und Dispersion der Teilchen auf,
was den Wirkungsgrad der Reaktion vermindert. Dieses Problem
kann nicht durch eine einfache Abänderung der Konstruktion des
Wärmeaustauschtanks alleine beseitigt werden. So tritt bei dem
bekannten Reaktor aus dem JP-GM 61-1 93 300 (siehe Fig. 3) das
Problem auf, daß aufgrund der gesteigerten Ausdehnung und/oder
Mikronisation der Legierung sich der Bodenbereich der Legie
rung verdichtet und verfestigt, was zur übermäßigen Deforma
tion des Tanks und damit zu einem Versagen des Reaktors führen
kann.
Bei den Reaktoren, bei denen kompakte Legierungskörper in
einem Wärmetauschertank verwendet werden, ist der Transport
des Wärme- oder Kühlmittels derart langsam, daß eine zufrie
denstellende Verbesserung des Wirkungsgrads des Wärmeaustau
sches nicht erzielt werden kann, weil der an die Legierungs
körper angepaßte Wärmetauscher nach wie vor einen Aufbau hat,
wie er herkömmlichen Wärmetauschern entspricht, die nicht für
Wasserstoff adsorbierende Legierungen eingesetzt werden. Wegen
der großen Stauungen innerhalb des Tanks wird darüber hinaus
sehr viel Zeit beim Betrieb bei der Adsorption (Kühlung) und
Abgabe (Erwärmung) des Wasserstoffgases und während der Um
schaltoperation dazwischen benötigt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, einen Reaktor zur Wasserstoffadsorption bei einer Le
gierung mit einem verbesserten Wärmeaustausch zu schaffen.
Die technische Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet
durch einen hohlzylindrischen, Wasserstoff adsorbierenden Le
gierungskörper, ein die Außenmantelfläche des Legierungskör
pers fest umgebendes Wärmeübertragungsrohr, parallel zueinan
der ausgerichtete Wärmereaktionselemente, die jeweils ein Wär
meübertragungsrohr sowie ein Mantelrohr aufweisen, wobei das
Mantelrohr jeweils das Wärmeübertragungsrohr parallel umgibt
und dazwischen einen Zwischenraum zur Bildung eines Durch
lasses definiert, Einrichtungen zum Zuführen und Abführen des
Wasserstoffgases zum hohlen Innern des Legierungskörpers und
aus diesem heraus, eine Einrichtung zum Zuführen und Abführen
eines Wärme- oder Kühlmittels zum Durchlaß zwischen dem Wärme
übertragungsrohr und dem Mantelrohr und aus diesem heraus so
wie durch einen Tank, in dem die Reaktorteile hermetisch un
tergebracht sind.
Vorzugsweise ist der Zwischenraum zwischen den Wärmereaktions
elementen mit einem Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt.
In einer weiteren Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß im
Tank eine vertikale Platte angeordnet ist, die die Wärmereak
tionselemente abstützt und hält und die das Wärme- oder Kühl
mittel vom Wasserstoffgas trennt und einen abgestuften Bereich
bildet.
Ein nach dieser technischen Lehre ausgebildeter Reaktor zur
Wasserstoffadsorption bei einer Legierung hat den Vorteil, daß
ein derartig schneller Wärmeaustausch zwischen dem Wärme- oder
Kühlmittel und der Legierung stattfindet, daß eine beträcht
liche Verbesserung in der Reaktionsgeschwindigkeit erzielt
wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Aufenthalt des
Wärme- oder Kühlmittels innerhalb des Reaktors derart kurz
ist, daß die notwendige Zeit für die Adsorption und Abgabe des
Wasserstoffgases und die Zeit für die Umschaltungen dazwischen
beträchtlich verkürzt sind.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktors zur
Wasserstoffadsorption bei einer Legierung wird nachfolgend an
hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Reaktor;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Reaktor;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Reaktor nach dem
Stand der Technik;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Reaktor nach einem
weiteren Stand der Technik.
Ein Wasserstoff adsorbierender Legierungskörper 1 ist als Zy
linder mit einem hohlen Inneren 2 geformt. Zur Bildung des Zy
linders kann es schwierig sein, die gesamte Länge in einem
Schritt zu gießen. Aus diesem Grunde ist es auch möglich, zu
nächst mehrere hohlzylindrische Legierungskörper einer ganz
bestimmten Länge herzustellen und diese dann zur Bildung der
vollständigen Länge entsprechend miteinander zu verbinden. Ein
Wärmeübertragungsrohr 3 umgibt fest die Außenmantelfläche des
Legierungskörpers 1, wobei dieses Wärmeübertragungsrohr 3 vor
zugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit be
steht, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Das Wärme
übertragungsrohr 3 ist von einem koaxialen Mantelrohr 5 umge
ben, wobei der konstante Zwischenabstand zwischen der Außen
wand des Wärmeübertragungsrohrs 3 und der Innenwand des Man
telrohrs 5 einen Durchlaß 4 definiert. Das Wärmeübertragungs
rohr 3 und das Mantelrohr 5 bilden zusammen ein Wärme
reaktionselement 6.
Das Wärmereaktionselement 6 ist in einem abgedichteten Tank 7
angeordnet. Wenn eine Mehrzahl von derartigen Wärmereaktions
elementen 6 im Tank 7 angeordnet sind, wie dies bei dem vor
liegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, sind diese pa
rallel zueinander ausgerichtet. Der Tank 7 ist mit einem Ein
laß 8 und einem Auslaß 9 zum Zuführen und Abführen eines Wär
me- (oder Kühl-)mittels ausgestattet. Das Wärme- (oder
Kühl-)mittel strömt schnell durch den Durchlaß 4, wie dies
durch die durchgehenden Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Der
Tank 7 ist weiterhin mit einem Durchlaß 10 für das Wasser
stoffgas ausgestattet, durch den hindurch das Wasserstoffgas
eingelassen und wieder herausgelassen wird und dabei durch das
Innere 2 des Legierungskörpers 1 strömt, wie dies durch die
gestrichelten Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Auf diese Weise
wird eine sehr hohe Fließgeschwindigkeit des Wärme- (oder
Kühl-)mittels erzielt. Zusätzlich kann der Durchlaß 4 eng aus
gebildet werden, wobei die Gesamtmenge des im Reaktor verblei
benden Wärme- (oder Kühl-)mittels minimalisiert ist.
Der Reaktor ist gekennzeichnet durch ein Doppelrohr mit einem
so eng wie möglichen Durchlaß 4, so daß sowohl die Wärmeüber
tragung zwischen dem Wärme- (oder Kühl-)mittel und dem Legie
rungskörper 1 als auch die Reaktion zwischen dem Legierungs
körper 1 und dem Wasserstoffgas so schnell wie möglich er
folgt.
In einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Wasserstoff
adsorbierenden Legierung wird ein Pulver aus MmNi4.5 Mn0.5
mittels eines nassen, nicht elektrischen Überzugverfahrens auf
autokatalytischer Basis unter Zuhilfenahme eines Reduziermit
tels mit Kupfer beschichtet. Das so behandelte Pulver wird
dann durch gleichmäßiges Kaltpressen oder durch hydraulisches
Pressen zusammengepreßt und in eine Zylinderform übergeführt.
Mehrere dieser Formen werden in das Wärmeübertragungsrohr 3
eingeführt, welches anschließend selbst in das Mantelrohr 5
eingeführt wird, so daß auf diese Weise das Wärmereaktionsele
ment 6 geschaffen ist. Das behandelte Pulver kann auch preßge
formt und dabei einstückig mit dem Wärmeübertragungsrohr 3 ge
formt werden (JP-OS 62-1 96 500).
Die zurückbleibende Menge an Wärme- (oder Kühl-)mittel wird
auf effektive Weise dadurch reduziert, daß an einer Platte 13
ein abgestufter Bereich D ausgebildet ist. Diese Platte 13
hält das Mantelrohr 5 in einer derartigen Position, daß ein
Flansch 12 stirnseitig am Tank 7 dichtend zwischen dem Auslaß
9 und dem Durchlaß 10 angeordnet werden kann, wie dies in Fig.
1 zu erkennen ist.
Ein wichtiger Faktor ist die Wärmeisolierung, welche auf den
Wirkungsgrad des Reaktors Einfluß hat. Aus diesem Grunde ist
bei herkömmlichen Reaktoren die äußere Mantelfläche des Dich
tungstanks beschichtet. Beim erfindungsgemäßen Reaktor hinge
gen ist der Zwischenraum zwischen den Wärmereaktionselementen
6, d.h. der Zwischenraum zwischen den Außenmantelflächen der
Mantelrohre 5 mit einem Wärmeisolationsmaterial 11 ausgefüllt,
so daß die Wärmeverluste minimal sind.
Nachfolgend wird eine spezielle Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Reaktors beschrieben.
Ein korrosionsbeständiger Reaktor dient der Wasserstoffadsorp
tion bei einer Legierung. Der Reaktor besitzt einen Durchmes
ser von 300 mm sowie eine Länge von 1600 mm. Er ist mit einem
Durchlaß 10 zum Zuführen und Abführen von Wasserstoffgas ver
sehen, außerdem mit einem Einlaß 8 und einem Auslaß 9 für das
Wärme- oder Kühlmittel. Weiterhin weist der Reaktor mehrere
Wärmeübertragungsrohre 3 auf, die jeweils einstückig mit der
Wasserstoff adsorbierenden Legierung ausgebildet sind, wobei
die Teilchenoberflächen der Legierung mittels eines nassen,
nicht elektrischen Beschichtungsverfahrens auf autokatalyti
scher Basis unter Zuhilfenahme eines Reduziermittels mit Kup
fer beschichtet worden sind. Die Wärmeübertragungsrohre 3 sind
in einem Tank 7 angeordnet und bilden dabei ein im Querschnitt
gleichseitiges Dreieck. Mantelrohre 5 aus Stahl werden an
schließend auf die Wärmeübertragungsrohre 3 aufgeschoben, so
daß jeweils ein Doppelrohr gebildet ist. Anschließend wird je
des Doppelrohr im Tank 7 angeordnet, indem es jeweils durch
die Platte 13 gehalten ist. Das Gesamtgewicht der Wasserstoff
adsorbierenden Legierung aus LaN4.7 Al0.3, die mit Kupfer be
schichtet und mit den Wärmeübertragungsrohren 3 einstückig
ausgebildet ist, beträgt etwa 85 kp. Die Zwischenräume zwi
schen den Außenmantelflächen der Mantelrohre 5 und der In
nenwand des Tanks 7 sowie die anderen Zwischenräume werden
dann mit einem Urethanschaum ausgefüllt, der als Wärmeiso
lationsmaterial 11 dient.
Durch den so ausgebildeten Reaktor wird nicht nur die Qualität
des Legierungspulvers selbst sowie die Wärmeleitfähigkeit
durch Ausbildung der Legierung als Körper etc. verbessert,
sondern als zusätzlicher Vorteil wird der Wärmeverlust auf ein
Minimum beschränkt und es wird der Wirkungsgrad der Reaktion
durch das zuvor beschriebene besondere Verfahren hinsichtlich
der Anbringung des Wärmeisolationsmaterials 11 verbessert.
Schließlich wird durch die Zwischenanordnung eines Flansches
12 und die Ausbildung eines abgestuften Bereiches D an der
Platte 13 ein Stau des Wärme- (oder Kühl-)mittels innerhalb
des Tanks 7 sowie eine Abnahme des Wirkungsgrades der Reaktion
verhindert.
Selbstverständlich ist der Erfindungsgedanke nicht auf das
spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt, wie es anhand der
Zeichnung beschrieben ist, sondern es sind im Rahmen des Er
findungsgedankens die verschiedensten Ausführungsformen denk
bar.
Bezugszeichenliste:
1 Legierungskörper
2 Innere
3 Wärmeübertragungsrohr
4 Durchlaß
5 Mantelrohr
6 Wärmereaktionselement
7 Tank
8 Einlaß
9 Auslaß
10 Durchlaß
11 Wärmeisolationsmaterial
12 Flansch
13 Platte
2 Innere
3 Wärmeübertragungsrohr
4 Durchlaß
5 Mantelrohr
6 Wärmereaktionselement
7 Tank
8 Einlaß
9 Auslaß
10 Durchlaß
11 Wärmeisolationsmaterial
12 Flansch
13 Platte
D abgestufter Bereich
Claims (3)
1. Reaktor zur Wasserstoffadsorption bei einer Legierung,
gekennzeichnet durch
einen hohlzylindrischen, Wasserstoff adsorbierenden Le
gierungskörper (1),
ein die Außenmantelfläche des Legierungskörpers (1) fest umgebendes Wärmeübertragungsrohr (3),
parallel zueinander ausgerichtete Wärmereaktionselemente (6), die jeweils ein Wärmeübertragungsrohr (3) sowie ein Mantelrohr (5) aufweisen, wobei das Mantelrohr (5) jeweils das Wärmeübertragungsrohr (3) parallel umgibt und dazwi schen einen Zwischenraum zur Bildung eines Durchlasses (4) definiert,
Einrichtungen (Einlaß 8, Auslaß 9) zum Zuführen und Abfüh ren des Wasserstoffgases zum hohlen Innern (2) des Legie rungskörpers (1) und aus diesem heraus,
eine Einrichtung (Durchlaß 10) zum Zuführen und Abführen eines Wärme- oder Kühlmittels zum Durchlaß (4) zwischen dem Wärmeübertragungsrohr (3) und dem Mantelrohr (5) und aus diesem heraus
sowie durch einen Tank (7), in dem die Reaktorteile herme tisch untergebracht sind.
ein die Außenmantelfläche des Legierungskörpers (1) fest umgebendes Wärmeübertragungsrohr (3),
parallel zueinander ausgerichtete Wärmereaktionselemente (6), die jeweils ein Wärmeübertragungsrohr (3) sowie ein Mantelrohr (5) aufweisen, wobei das Mantelrohr (5) jeweils das Wärmeübertragungsrohr (3) parallel umgibt und dazwi schen einen Zwischenraum zur Bildung eines Durchlasses (4) definiert,
Einrichtungen (Einlaß 8, Auslaß 9) zum Zuführen und Abfüh ren des Wasserstoffgases zum hohlen Innern (2) des Legie rungskörpers (1) und aus diesem heraus,
eine Einrichtung (Durchlaß 10) zum Zuführen und Abführen eines Wärme- oder Kühlmittels zum Durchlaß (4) zwischen dem Wärmeübertragungsrohr (3) und dem Mantelrohr (5) und aus diesem heraus
sowie durch einen Tank (7), in dem die Reaktorteile herme tisch untergebracht sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zwischenraum zwischen den Wärmereaktionselementen (6) mit
einem Wärmeisolationsmaterial (11) ausgefüllt ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
im Tank (7) eine vertikale Platte (13) angeordnet ist, die
die Wärmereaktionselemente (6) abstützt und hält und die
das Wärme- oder Kühlmittel vom Wasserstoffgas trennt und
einen abgestuften Bereich (D) bildet.
Applications Claiming Priority (1)
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JPH0527563B2 (de) | 1993-04-21 |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |