DE3831303A1

DE3831303A1 - Reaktor zur wasserstoffadsorption bei einer legierung

Info

Publication number: DE3831303A1
Application number: DE3831303A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Suzuki; Hiroshi Ishikawa; Keisuke Oguro; Akihiko Kato; Teruya Okada; Shizuo Sakamoto; Hiroyuki Kawashima; Keizo Sakaguchi
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1989-10-19
Also published as: JPH01252501A; US5019358A; JPH0527563B2

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 MmNi_4.5 Mn_0.5 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 LaN_4.7 Al_0.3, 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

D abgestufter Bereich

Claims

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.

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.