WO2011050789A2 - Small power plant and method and device for obtaining high purity hydrogen - Google Patents

Small power plant and method and device for obtaining high purity hydrogen Download PDF

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Hinrich Lorenzen
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Definitions

  • the invention relates to a small power plant according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for obtaining high purity hydrogen from a pyrolysis gas according to the preamble of claim 4. Furthermore, the invention relates to an apparatus and a method for the separation of hydrogen according to the preamble of claim 6 or 9.
  • Known small power plants of the type mentioned have a reactor for the production of pyrolysis gas from e.g. renewable raw materials.
  • the pyrolysis gas produced therein which is a gas mixture of, inter alia, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane, is cooled and washed, and its carbon dioxide content is reduced.
  • the obtained fuel gas is then supplied to an internal combustion engine for combustion, whereby e.g. electrical energy and heat of combustion can be harnessed. It is also known to deposit the hydrogen contained in the pyrolysis gas in order to make it usable for other uses.
  • the known small power plants have the disadvantage that the degree of separation and the mass flow rate of hydrogen are low. Thus, only a small part of the hydrogen is used for further processes. Likewise, known processes have the disadvantage that only a small part of the hydrogen can be utilized. Known devices and methods for recovering hydrogen have the disadvantage that they can only be operated with high energy input and no pure or highly pure hydrogen can be generated with it.
  • the object of the invention to provide a small power plant, which makes the hydrogen contained in the pyrolysis gas easily and in large quantities usable. Furthermore, the object of the invention to provide a method which allows the simple separation of high purity hydrogen from pyrolysis gas. In addition, the object of the invention is to provide a device that can easily separate hydrogen from various gas mixtures and without high energy consumption.
  • a small power plant to solve the above problem has the features of claim 1. Accordingly, a device for separating highly pure hydrogen is arranged in the gas flow between the reactor and the internal combustion engine, wherein the device for separating high-purity hydrogen from the pyrolysis gas enclosing an interior housing with at least one, arranged in the housing, an at least partially filled with pyrolysis gas-separating region having semipermeable partition.
  • a device for separating highly pure hydrogen from the pyrolysis gas enclosing an interior housing with at least one, arranged in the housing, an at least partially filled with pyrolysis gas-separating region having semipermeable partition.
  • Such a device separates the hydrogen from the rest of the pyrolysis gas.
  • the hydrogen is separated from the rest of the pyrolysis gas, which is used as fuel gas, e.g. the internal combustion engine is fed, for generating electrical energy, e.g. in a fuel cell, usable.
  • the region filled at least partially with pyrolysis gas preferably has at least one inflow and one outflow and the region, which is usually filled with hydrogen, at least one outflow. This ensures that the pyrolysis gas passed from the reactor into the device can be introduced through the inflow into the region which is at least partially filled with pyrolysis gas. Then, the hydrogen can be deposited by means of the semipermeable partition preferably for the most part from the pyrolysis gas and the preferably largely freed from hydrogen pyrolysis gas are fed as fuel gas from the outflow of the internal combustion engine. The hydrogen can be removed by the outflow of the mostly filled with hydrogen area and used elsewhere.
  • the housing has at least one outer wall of a stainless steel.
  • Stainless steel is not permeable to hydrogen.
  • the outer wall of the housing can thus serve as a collecting container for the separated hydrogen.
  • the hydrogen emerging from the partitions can be collected within the housing and can be conveyed by means of a connected discharge pipe into a storage container.
  • the housing has a coating of enamel on an inner side facing the region, which is usually filled with hydrogen. This coating is particularly impermeable to the hydrogen, so that it is collected even more reliable and can not escape.
  • the device for the separation of high-purity hydrogen a semipermeable partition of ferritic iron or pig iron for the deposition of hydrogen.
  • Pure iron can be used with particular preference, this having an iron content of preferably more than 99.8%.
  • Decisive for the passage of hydrogen through this semipermeable partition is their high iron content and a low content of foreign substances.
  • a partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them.
  • Other components of the pyrolysis gas, such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide are retained by the partition made of ferritic iron or pig iron and even favor the passage of hydrogen. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs.
  • the hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron.
  • the resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body.
  • the driving force is the concentration gradient of hydrogen.
  • the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom.
  • the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms. This effect is particularly pronounced for a semipermeable partition made of pure iron, so that larger amounts of hydrogen can be deposited with such a partition wall.
  • the at least one semipermeable partition wall is a tube made of ferritic iron or pig iron or pure iron, through which the pyrolysis gas can be passed.
  • the tubular design of the semipermeable partition allows a simple construction of the device. Furthermore, so that a large surface of the semipermeable partition without high design effort to achieve.
  • a tubular semipermeable partition is best possible pressure stable against the possibly introduced under pressure pyrolysis gas.
  • the device According to a preferred development of the device, several, preferably identical, tubes made of ferritic iron or pig iron or pure iron are arranged within the housing of the device.
  • the tubes are used to pass the hydrogen-rich pyrolysis gas, whereas the space outside the tubes, but within the housing, serves for receiving and discharging the high-purity hydrogen.
  • the tubes are arranged within the housing at an equal distance from each other and formed largely the same.
  • a chamber is preferably arranged within the housing for dividing the gas flow into the tubes and for bringing together the gas flow from the tubes.
  • These chambers allow the connection of the device by a respective tube, which opens into the respective chamber and leads out of the respective chamber.
  • the connection of the device according to the invention is designed particularly simple.
  • means are arranged in front of and / or within the at least one tube for forming the semipermeable partition wall for keeping the flow within the tube turbulent.
  • These means are, for example, from the wall of the tube projecting baffles or the like.
  • the turbulent attitude of the flow causes an increase in the degree of diffusion of hydrogen through the semipermeable partition wall, since the impact probability of the hydrogen molecules is increased at the semipermeable partition by a turbulent flow.
  • the device supplied pyrolysis gas can be supplied hot, in particular heatable. It has been found that the amount of hydrogen passing through the semipermeable partition from the pyrolysis gas is high Temperature is increased under certain conditions. Preferably, this temperature is in the range of 400 ° C.
  • the pyrolysis gas exiting hot from the reactor for producing pyrolysis gas may be supplied to the apparatus such that its temperature is in the region of 400 ° C. Then no additional heating is necessary. However, it is also conceivable to supply the pyrolysis gas to a temperature close to room temperature.
  • the housing and / or the interior of the housing of the device can be cooled. Cooler temperatures at the side of the semipermeable partition wall facing the inner wall of the housing and thus the region of the housing which is mostly filled with hydrogen favors the recombination of the hydrogen and thus increases the diffusion gradient on the partition wall from the side which is at least partially surrounded by pyrolysis gas to that which is usually surrounded by hydrogen Side of the semipermeable partition.
  • the tube preferably all tubes, to form the semipermeable partition wall areas of low wall thickness and areas of high wall thickness.
  • This embodiment of the invention makes it possible in the region of low wall thicknesses to increase the diffusion of the hydrogen through the semipermeable partition wall.
  • the areas of greater wall thickness serve to stabilize the pipe wall against the possibly high internal pressure of the pyrolysis gas.
  • the regions of large wall thickness are formed like a net.
  • a net-like support structure makes a tubular semipermeable partition particularly stable.
  • the areas of low wall thickness are at least approximately in the form of rectangles.
  • all areas of low wall thickness are the same shape. This, uniform formation of the areas of low wall thickness can be produced by simple means.
  • the arrangement of the rectangular or at least approximately rectangular regions of small wall thickness in the direction of the longitudinal extension of the respective tube allows for a particularly stable reticulated support structure through the regions of greater wall thickness.
  • the semipermeable partition is magnetically excited, preferably by a magnetic alternating field.
  • a magnetic field preferably an alternating magnetic field favors the diffusion of hydrogen fumes through the semipermeable partition such that the Hydrogen conversion is significantly increased. This is due to the fact that the hydrogen fumes, as charged particles, experience a force perpendicular to the surface of the semipermeable partition wall due to the magnetic field. Accordingly, the amount of hydrogen deposited is increased by the magnetic excitation.
  • the electrical conductor is arranged in the form of a coil around the tubular semipermeable partition wall.
  • Such an arrangement provides an alternating magnetic field which extends substantially in the direction of the longitudinal extent of the tubular semipermeable partition wall.
  • each coil-shaped electrical conductor is designed as a tube, which is preferably flowed through by a fluid which can be used to cool the conductor.
  • a fluid which can be used to cool the conductor.
  • This arrangement has the advantage that the conductor is cooled and therefore its electrical conductivity is increased. This strengthens the magnetic field.
  • the conductor disposed around the tubular semipermeable partition due to its arrangement in a region of high hydrogen combination, namely on the side of the partition in the direction of which the hydrogen is deposited, the area in question is cooled. This promotes the recombination of hydrogen and increases the hydrogen throughput.
  • the fluid for cooling is electrically non-conductive.
  • desalted or distilled water can be used as a fluid.
  • a cooler in particular a cooler and a gas scrubber arranged downstream of the cooler, is preferably arranged.
  • the pyrolysis gas leaves the reactor at a temperature of about 800 ° C to 1200 ° C.
  • a cooler brings the pyrolysis gas to a lower temperature level, for example to a temperature of 400 ° C.
  • the cooled to this temperature pyrolysis gas is then fed to the device for the separation of hydrogen. Due to the formation of the semipermeable partition of ferritic iron or pig iron or pure iron, the same is not so temperature resistant that the pyrolysis gas with 1200 ° C would be supplied. Accordingly, it is necessary for the device, the pyrolysis gas with a lower To provide temperature.
  • the pyrolysis gas can be brought to the desired temperature. If necessary, this temperature can also be in the range of room temperature. Furthermore, by means of a gas scrubber, the flue gas portion of the pyrolysis gas can be reduced to such an extent that the device for separating the hydrogen is not polluted. This significantly reduces the cleaning effort for a small power plant according to the invention.
  • the heat dissipated by the radiator can be fed back to the process at another location, eg for pre-drying the fuel for the pyrolysis reactor. This improves the energy balance of the small power plant according to the invention.
  • the separated high-purity hydrogen can be stored by means of a compressor in a hydrogen pressure accumulator.
  • a hydrogen pressure accumulator allows the storage of large quantities of hydrogen for later use.
  • a method for achieving the object mentioned has the measures of claim 4. Accordingly, highly pure hydrogen is separated from the pyrolysis gas, preferably before it is fed to an internal combustion engine, by means of a hydrogen separator with a semipermeable partition wall.
  • the hydrogen which is deposited as a high-grade portion of the pyrolysis gas, can be used as high-purity gas for other uses and e.g. not supplied with the remaining pyrolysis gas as the fuel gas of the internal combustion engine.
  • a semipermeable partition which is preferably permeable only to hydrogen, ensures that only the hydrogen is separated. In this way, it is possible to deposit particularly pure, in particular highly pure, hydrogen.
  • the pyrolysis gas By supplying the pyrolysis gas largely freed from the hydrogen as the fuel gas to the internal combustion engine, it can be burned therein and burned by means of e.g. a further connected generator electrical energy can be generated.
  • the gases present in addition to the hydrogen in the pyrolysis gas e.g. Methane and carbon monoxide can be burned in the internal combustion engine with much higher efficiency than the hydrogen.
  • the respective gases for generating energy can be fed to a process with the optimum efficiency.
  • the hydrogen is separated from the pyrolysis gas by means of a semipermeable partition of ferritic iron or of pig iron or pure iron.
  • a semipermeable partition of ferritic iron or of pig iron or pure iron is particularly inexpensive to produce and makes the process economical.
  • a partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them, as described above.
  • Other components of the pyrolysis gas, such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide are retained by the semipermeable partition of ferritic iron or pig iron or pure iron. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs.
  • the hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron.
  • the resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body.
  • the driving force is the concentration gradient of hydrogen.
  • the hydrogen On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom.
  • the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms.
  • the pyrolysis gas is excited by means of radiation, preferably light in a frequency of the natural resonances of the hydrogen. This excitation promotes the dissociation of hydrogen at the semipermeable partition so that a particularly high hydrogen mass flow rate is achieved.
  • the process is preferably carried out under elevated pressure and / or under elevated temperature.
  • the pressure is preferably 10 bar, the temperature can be up to 400 ° C, but also in the range of room temperature.
  • the semipermeable partition is acted upon to increase the hydrogen passage with an electrical voltage.
  • This electrical voltage is preferably applied as an AC voltage or as a pulsating DC voltage to the semipermeable partition. This procedure significantly increases the hydrogen throughput.
  • the semipermeable partition can be acted upon by a magnetic field, preferably an alternating magnetic field. This also increases the hydrogen throughput and can also be carried out in combination with the measures mentioned above or below.
  • steam is added to the reactor to increase the hydrogen content in the pyrolysis gas.
  • This measure increases the hydrogen output in the pyrolysis reactor while reducing the carbon monoxide yield.
  • the water changes the chemical balance in the reactor. This generates more hydrogen that can be separated.
  • the carbon dioxide content of the largely freed from the hydrogen gas is reduced by means of a gas separator.
  • the pyrolysis gas is best conditioned as fuel gas for the internal combustion engine, so that it is operated economically.
  • the carbon dioxide recovered from the process can be recycled.
  • the cooled and washed pyrolysis gas is fed to the hydrogen separator by means of a compressor with overpressure. Due to the overpressure of the pyrolysis gas, the concentration of the gases contained therein is significantly increased in relation to the hydrogen-side environment within the hydrogen separator. A larger concentration gradient achieved thereby increases the tendency of the hydrogen to pass through the partition wall. This considerably increases the mass throughput and the economic efficiency of the process.
  • the high-purity hydrogen is conveyed by means of a compressor into a hydrogen pressure accumulator.
  • the stored hydrogen can then be stored for a long time or fed to another use.
  • the pyrolysis gas is cooled down by means of a cooler and / or scrubber prior to reaching the hydrogen separator and / or cleaned or washed.
  • the cooling of the pyrolysis gas is preferably carried out at a temperature which is particularly favorable for the operation of the hydrogen separator. This may be, for example, 400 ° C, but under certain conditions, but also much less, namely a temperature near room temperature.
  • a temperature which is particularly favorable for the operation of the hydrogen separator This may be, for example, 400 ° C, but under certain conditions, but also much less, namely a temperature near room temperature.
  • the fact that the pyrolysis gas is cleaned or washed, the flue gas fractions and soot and other harmful particular solid ingredients of the pyrolysis gas removed from this.
  • the pyrolysis gas for subsequent processes, especially for the hydrogen, well usable and does not pollute this example.
  • the device has a semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron.
  • a partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them.
  • a high iron content of preferably more than 99.8% is crucial, together with a small proportion of foreign substances.
  • Other constituents of the gas mixture which may consist of various gases, are retained by such a semi-permeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron and even favor the passage of the hydrogen. It has been found that the separation of hydrogen from any gas mixture containing hydrogen is possible by means of this device. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs.
  • the hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron.
  • the resulting hydrogen fumes can, due to the lattice structure of the ferritic iron or of the pig iron, migrate through the wall body.
  • the driving force is the concentration gradient of hydrogen.
  • the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom.
  • the hydrogen is passed through the wall body, other gases of the gas mixture are retained due to their much larger atoms.
  • the device for separating hydrogen has a housing surrounding an interior space with at least one semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron, which is arranged in the housing and separates a region which is at least partially filled with a part of the gas mixture.
  • a semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron, which is arranged in the housing and separates a region which is at least partially filled with a part of the gas mixture.
  • a device separates the hydrogen from the rest of the gas mixture.
  • the hydrogen is separated from the rest of the gas mixture, which
  • a fuel gas for example, an internal combustion engine or other use can be fed, for the production of electrical energy, for example in a fuel cell, usable.
  • the region filled at least partially with a part of the gas mixture preferably has at least one inflow and outflow and the region, which is usually filled with hydrogen, at least one outflow. This ensures that the gas mixture conducted into the device can be introduced through the inflow into the region filled with at least part of the gas mixture.
  • the hydrogen can then be largely separated from the gas stream by means of the semi-permeable partition wall, and the gas mixture, which is preferably freed from the hydrogen for the most part, can be discharged from the outflow as fuel gas or for another use.
  • the hydrogen can be removed by the outflow of the mostly hydrogen-filled region and used elsewhere, e.g. as fuel for a fuel cell.
  • the housing has at least one outer wall of a stainless steel.
  • Stainless steel is not permeable to hydrogen.
  • the outer wall of the housing can thus serve as a collecting container for the separated hydrogen.
  • the hydrogen emerging from the partitions can be collected within the housing and can be conveyed into a storage container by means of a connected discharge pipe.
  • the housing has a coating of enamel on an inner side facing the region, which is usually filled with hydrogen. This coating is particularly impermeable to the hydrogen, so that it is collected even more reliable and lossless.
  • each area adjacent to the device and thus at least partially filled with high-purity hydrogen is designed in such a way.
  • the at least one semipermeable partition is a tube of ferritic iron or pig iron or pure iron, through which the gas mixture can be passed.
  • the tubular design of the semipermeable partition allows a simple construction of the device. Furthermore, so that a large surface of the semipermeable partition without high design effort to achieve.
  • a tubular semipermeable partition wall is best possible pressure-stable with respect to a possibly introduced under pressure gas mixture.
  • several, preferably identical tubes are arranged within the housing of the device. This arrangement makes the device according to the invention particularly compact. The tubes are used to pass the hydrogen-rich gas mixture, whereas the space outside the tubes, but within the housing, serves to absorb and dissipate the hydrogen.
  • tubes By forming tubes as the surface of the semipermeable partition against the size of the entire device is particularly large.
  • the tubes are arranged within the housing at an equal distance from each other or formed largely the same.
  • a chamber is preferably arranged within the housing for dividing the gas flow into the tubes and for bringing together the gas flow from the tubes.
  • These chambers allow the connection of the device by a respective tube, which opens into the respective chamber and leads out of the respective chamber.
  • the connection of the device according to the invention is designed particularly simple.
  • means are arranged in front of and / or within the at least one tube for forming the semipermeable partition wall for keeping the flow within the tube turbulent.
  • These means are, for example, from the wall of the tube projecting baffles or the like.
  • the turbulent attitude of the flow causes an increase in the degree of diffusion of hydrogen through the semipermeable partition wall, since the impact probability of the hydrogen molecules is increased at the semipermeable partition by a turbulent flow.
  • the gas mixture supplied to the device is hot or heated fed, in particular heatable. It has been found that the amount of hydrogen passing through the semipermeable partition from the gas mixture is increased by a high temperature, depending on which constituents the gas mixture contains. Preferably, this temperature is in the range of 400 ° C.
  • a gas stream which exits hot from a preceding process step can be supplied to the device such that its temperature is in the region of 400 ° C. Then no additional heating is necessary.
  • the housing and / or the interior of the housing of the device can be cooled. Cooler temperatures at the Inner wall of the housing and thus the usually filled with hydrogen region of the housing side facing the semipermeable partition favors the recombination of hydrogen and thus increases the diffusion gradient at the partition of the at least partially surrounded by a part of the gas stream side to the mostly surrounded with hydrogen side of the semipermeable partition.
  • a compressor or a pump is provided, by means of which or the gas mixture of the device can be supplied under elevated pressure.
  • a pump in particular a vacuum pump, can be provided for the at least largely hydrogen-filled region by means of which the pressure in this region is reduced. This also increases the concentration gradient at the semipermeable partition wall and thus increases the hydrogen throughput.
  • This pump or vacuum pump can also be used to promote the separated hydrogen in pressure tanks. Then only one pump is necessary.
  • the tube preferably all tubes, to form the semipermeable partition wall areas of low wall thickness and areas of high wall thickness.
  • This embodiment of the invention makes it possible in the region of low wall thicknesses to increase the diffusion of the hydrogen through the semipermeable partition wall.
  • the areas of greater wall thickness serve to stabilize the pipe wall against the possibly high pressure of the gas mixture.
  • the regions of large wall thickness are formed like a net.
  • a net-like support structure makes a tubular semipermeable partition particularly stable.
  • the areas of low wall thickness are at least approximately in the form of rectangles.
  • all areas of low wall thickness are the same shape. This, uniform formation of the areas of low wall thickness can be produced by simple means.
  • the arrangement of the rectangular or at least approximately rectangular regions of small wall thickness in the direction of the longitudinal extension of the respective tube allows for a particularly stable reticulated support structure through the regions of greater wall thickness.
  • the semipermeable partition is magnetically excited, preferably by a magnetic alternating field.
  • a magnetic field preferably an alternating magnetic field, promotes the diffusion of hydrogen fumes through the semipermeable partition such that hydrogen uptake is significantly increased. Accordingly, the amount of hydrogen deposited is increased by the magnetic excitation.
  • the electrical conductor is arranged in the form of a coil around the tubular semipermeable partition wall.
  • Such an arrangement provides an alternating magnetic field which extends substantially in the direction of the longitudinal extent of the tubular semipermeable partition wall.
  • the semipermeable partition itself can also be subjected to a voltage, in particular an alternating voltage or a pulsating direct voltage, in order to additionally increase the hydrogen throughput.
  • a voltage in particular an alternating voltage or a pulsating direct voltage
  • each coil-shaped electrical conductor is designed as a tube, which is preferably flowed through by a fluid which can be used to cool the conductor.
  • a fluid which can be used to cool the conductor.
  • This arrangement has the advantage that the conductor is cooled and therefore its electrical conductivity is increased. This strengthens the magnetic field.
  • the cooled conductor disposed by its arrangement around the tubular semipermeable partition in a region of high hydrogen concentration, namely on the side of the semipermeable partition in the direction of which the hydrogen is deposited, the area in question is cooled. This promotes the recombination of hydrogen and increases the hydrogen throughput.
  • the cooling fluid is electrically non-conductive, e.g. distilled water.
  • the separated high-purity hydrogen can be stored by means of a compressor in a hydrogen pressure accumulator.
  • a hydrogen pressure accumulator allows the storage of large quantities of hydrogen for later use.
  • a method for solving the above-mentioned problem comprises the measures of claim 9. Accordingly, hydrogen is separated from a gas mixture by means of a semipermeable partition, which consists at least largely of ferritic iron or pig iron or pure iron.
  • a semipermeable partition which consists at least largely of ferritic iron or pig iron or pure iron.
  • the proportion of iron within the semipermeable partition is crucial, this is in particular more than 99.8%.
  • a small amount of impurities in the material of the semipermeable partition is necessary.
  • only pure hydrogen can penetrate this partition.
  • the hydrogen which is deposited as a high-quality fraction of the gas mixture, can be used as a high-purity gas for other uses.
  • a partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized in that only hydrogen can penetrate them, as described above.
  • Other constituents of the gas mixture such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide, but also other gases, are retained by the semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron.
  • the hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron.
  • the resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body.
  • the driving force is the concentration gradient of hydrogen.
  • the hydrogen On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom. Thus, only the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms.
  • the process is preferably carried out under elevated pressure and / or under elevated temperature.
  • the pressure is preferably up to 10 bar, the temperature can be up to 400 ° C, but also in the range of room temperature.
  • the semipermeable partition is acted upon to increase the hydrogen passage with an electrical voltage.
  • This electrical voltage is preferably applied as an AC voltage or as a pulsating DC voltage to the semipermeable partition. This procedure significantly increases the hydrogen throughput.
  • the semipermeable partition can be acted upon by a magnetic field, preferably an alternating magnetic field. This also increases the hydrogen throughput and can also be carried out in combination with the measures mentioned above or below.
  • the gas mixture is preferably fed to the hydrogen separator by means of a compressor with overpressure. Due to the overpressure of the gas mixture, the concentration of the gases contained therein is significantly increased in relation to the hydrogen-side environment within the hydrogen separator. A larger concentration gradient achieved thereby increases the tendency of the hydrogen to pass through the partition wall. This considerably increases the mass throughput and the economic efficiency of the process. Furthermore, the separated hydrogen for this purpose is preferably sucked with a negative pressure.
  • the high-purity hydrogen is conveyed by means of a compressor into a hydrogen pressure accumulator.
  • the so stored hydrogen can then be stored for a long time or supplied for further use.
  • the gas mixture is heated prior to its supply to the semipermeable partition. This additionally promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition.
  • FIG. 1 shows a small power plant according to the invention with a device for the separation of high-purity hydrogen in a schematic representation
  • FIG. 2 shows the apparatus for the separation of high purity hydrogen of FIG. 1 in a sectional side view
  • FIG. 3 shows the section A-A of the device of Fig. 2,
  • FIG. 4 shows the detail II of FIG. 2, namely a pipe-shaped semipermeable partition wall of the apparatus of FIGS. 2 and 3 with a tubular conductor surrounding it, FIG.
  • FIG. 5 shows an exemplary arrangement with a device according to the invention for the separation of hydrogen
  • FIG. 6 shows the device for separating hydrogen from FIG. 5 in a sectional side view
  • Fig. 7 is the section B-B of Fig. 6, as well
  • Fig. 8 shows the detail VI of Figure 6, namely a tube formed as a semipermeable partition wall of the device of Figs. 6 and 7 with a surrounding tubular conductor.
  • Fig. 1 shows a small power plant 10 in a schematic representation.
  • pipelines and the flowing through these pipes streams are only schematically, so with an arrow shown.
  • Reference numerals attached to a license mutatis mutandis designate the flow of material conducted within the respective pipeline as well as the pipeline itself, which is useful for the sake of clarity.
  • a small power station according to the invention is described as well as the method according to the invention and also the device according to the invention, which is arranged by way of example within the small power station.
  • the device according to the invention can also be used, in particular, within other arrangements or alone for the separation or extraction of hydrogen from gas mixtures other than pyrolysis gas, as shown in FIGS. 6 to 8.
  • the small power plant 10 has a reactor 11, which is a pyrolysis reactor and in which solid fuel 47 can be introduced through a feed hopper 12.
  • the solid fuel which preferably consists of biologically produced or renewable raw materials, is converted within the reactor 10 by means of a pyrolysis process.
  • the pyrolysis gas which can be generated within the reactor 11 consists inter alia of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane and small amounts of other gases.
  • the reactor has a reactor housing 13 into which the introduced into the hopper 12 fuel is introduced.
  • the reactor 11 has an ash box 14, in which the ash 55 resulting from the pyrolysis process is collected and disposed of separately.
  • the fuel 47 is gasified with completion or metered addition of air or oxygen contained in the air.
  • the resulting pyrolysis gas can be fed via a pipe 15 to a gas cooler 16.
  • This gas cooler 16 cools the pyrolysis gas, which is conducted at up to 1200 ° C from the reactor 11, to a temperature of preferably about 400 ° C.
  • a pipe 17 is arranged, through which the cooled pyrolysis gas can be fed to a gas scrubber 18.
  • the scrubber frees the pyrolysis gas at least as much as possible from solid components and flue gas, such as e.g. Ash and dust and wash it with it.
  • the pyrolysis gas conditioned in this way is referred to below as raw gas.
  • the raw gas can be fed by means of a compressor 20 via a pipe 23 to a device for separating hydrogen, referred to hereafter as a hydrogen switch 22.
  • a hydrogen switch 22 a device for separating hydrogen
  • the raw gas can be at least largely freed from hydrogen and can be supplied as fuel gas via a pipe 25 to a gas separator 24.
  • the gas separator 24 separates the carbon dioxide contained in the fuel gas at least mostly from fuel gas. The carbon dioxide can then be supplied via a pipe 43 for other use.
  • the separated within the hydrogen gate 22 from the raw gas 56 hydrogen can be supplied by means of another compressor 57 a hydrogen pressure tank 58 and stored in this under high pressure.
  • an internal combustion engine in the example shown an internal combustion engine 26 can be fed.
  • a generator 27 Connected to the internal combustion engine 26 is a generator 27, which can convert the power generated by the internal combustion engine 26 by the combustion of the fuel gas and output via a shaft 28 to the generator 27 into electrical energy ,
  • the excess heat in the internal combustion engine 26 can be supplied to a pre-dryer 46.
  • This pre-dryer 46 serves to reduce the water content of the fuel 47 fed to the reactor 11 via the feed hopper 12.
  • the internal combustion engine 26 has an exhaust gas heat exchanger 48.
  • this exhaust gas heat exchanger By means of this exhaust gas heat exchanger, the heat contained in the exhaust gas 49 of the internal combustion engine 26 can also be supplied to the pre-drier 46. The energy emitted by the combustion engine 26 in the form of heat and not used to generate electrical energy is thus at best completely recycled into the process.
  • the small power station 10 has an exhaust gas condenser 50, by means of which the exhaust gas 49 can be freed of residual moisture.
  • the then dry exhaust gas 51 can then be released into the environment.
  • the water 52 flowing out of the exhaust gas condenser 50 can be supplied to a steam generator 53, as a result of which it can be fed to the reactor 11 as water vapor 54.
  • This supply of water vapor 54 in the reactor makes the hydrogen content contained in the pyrolysis 15 controllable within certain limits.
  • a larger amount of supplied water vapor 54 increases the hydrogen content in the pyrolysis gas 15, a smaller amount of supplied water vapor 54 causes the hydrogen content in the pyrolysis gas 15 to decrease.
  • the hydrogen diverter 22 is suitable for separating hydrogen from the pyrolysis gas and is explained by way of example in this function. Furthermore, the hydrogen diverter 22 but also for the deposition of hydrogen from any conceivable gas mixture containing hydrogen, can be used.
  • the hydrogen diverter 22 has an at least approximately cylindrical housing 30 of preferably stainless steel. However, any other material with little or no hydrogen permeability is also usable. Furthermore, any other shape for the housing is conceivable.
  • the housing 30 surrounds an interior 31 of the hydrogen diverter 22, which is delimited by an inner side of the housing 30.
  • the inside of the housing 30 has a coating of enamel, not shown. This coating has a particularly low permeability to hydrogen and makes the housing 30 so hydrogen-penetrable.
  • partition walls 33 and 39 are arranged, which divide the housing 30 into three chambers. Two of the chambers are arranged at one end of the cylindrical housing 30 and about the same size. These are a separation chamber 34 and a collection chamber 35. A chamber, namely a hydrogen chamber 42 between the partitions 33 and 39, is substantially larger than the two remaining chambers and occupies a major portion of the interior of the housing 30.
  • tubes 32 are arranged parallel to the longitudinal extent of the hydrogen diverter 22.
  • the tubes 32 have a same, round cross-section.
  • the tubes 32 are formed of ferritic iron, pig iron or pure iron with an iron content of more than 99.8% and have a wall thickness of preferably less than 0.5 mm. In particular, their wall thickness is only 0.2 mm.
  • the tubes connect through openings 38 in the partitions 33 and 39, the separation chamber 34 and the collection chamber 35 with each other.
  • the tubes 32 are arranged within the housing 30 in a uniform pattern and in particular run parallel to each other.
  • the tubes 32 are largely equidistant from one another, so that the space within the housing is best filled with tubes 32.
  • the tubes 32 separate as a semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron, the separation chamber 34 of the hydrogen chamber 42, ie A region filled at least for the most part with pyrolysis gas or another gas mixture, of an area filled at least for the most part with hydrogen 56.
  • the raw gas flowing in via the conduit 23 through a feed 36 or any other gas mixture is divided into the tubes 32.
  • the entire wall surface of all tubes 32 is available for the deposition of hydrogen.
  • the hydrogen is adsorbed by the respective semipermeable partition formed as a tube 32 and exits the semipermeable partition on the side of the hydrogen chamber 42. Consequently, only pure, in particular highly pure hydrogen 56 is present within the hydrogen chamber 42 after the deposition process, which can be supplied to the hydrogen pressure accumulator 58 via a hydrogen discharge 40 and the pipeline 56 by means of the compressor 57. If the hydrogen switch 22 is used within another arrangement, the hydrogen can be withdrawn from the hydrogen removal 40 for further use.
  • the at least largely freed of hydrogen raw gas is passed through an outlet 37 into the pipe 25 and can be supplied to the further process.
  • the hydrogen diverter 22 is used for the separation of hydrogen from another gas mixture, it can either be reused from the discharge 37, largely freed from hydrogen part of the gas mixture or disposed of as waste, if only the hydrogen is to be used.
  • the interior of the hydrogen switch 22, in particular the separation chamber 34 or the supply 36 are designed to be heated.
  • the introduced into the hydrogen gate raw gas or other gas mixture can be brought to a particularly favorable for the deposition of hydrogen temperature. This is especially at about 400 ° C, but may also be depending on the gas mixture in the range of room temperature of about 20 ° C.
  • the hydrogen chamber 42 is coolable.
  • the hydrogen 56 passing through the semi-permeable partitions, namely the tubes 32 can be cooled, thereby increasing the diffusion gradient for the hydrogen 56 flowing through the tubes 32.
  • an electrical Voltage to be applied can be connected to the respective pipe 32 formed as a semipermeable partition an electrical Voltage to be applied.
  • This electrical voltage is preferably an AC voltage, in particular a pulsating DC voltage.
  • the electrical current caused by the electrical voltage promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition, respectively through the walls of the tubes 32.
  • the insulation preferably takes place by means of seals arranged between the tubes 32 and the partitions 33 and 39, which have insulating properties. The seals are electrically insulated and gas-tight, especially at high temperatures formed.
  • the tubes 32 have net-like regions 59 and fields 60 surrounded by the net-like regions 59.
  • the tubes 23 have a greater wall thickness than in the fields 60.
  • each tube 32 is stabilized by greater wall thickness in the regions 59, in particular against the internal pressure of the pyrolysis gas.
  • the small wall thickness of the tubes 32 within the fields 60 increases the hydrogen flow rate. As a result, the tubes 32 are stable and yet permeable to a large amount of hydrogen.
  • the tubes 32 preferably all the tubes 32, are surrounded by spirally arranged conductors 61.
  • the conductors 61 are themselves also tubular and are preferably made of copper or another conductive metal.
  • the conductors 61 are electrically isolated from all other components of the hydrogen pair 22. This is done by gas-tight, in particular high-temperature gas-tight seals, which are not shown. Thus, the conductors 61 can be led out of the housing 30 of the hydrogen diverter 22 without causing the hydrogen diverter 22 to leak.
  • the conductors 61 are arranged so as to surround the tubes 32 in the form of a coil.
  • the tubular and spiral conductors 61 are electrically contacted and are traversed by an electric current They generate by an approximately congruent arrangement of the coil axis to the central axis of the respective tube 32, a magnetic field which extends at least approximately parallel to the central axis of the respective tube 32.
  • the respective tubular conductor is flowed through by a cooling fluid.
  • the conductor 61 but also the hydrogen chamber 42 is cooled.
  • This cooling favors the Recombination of the hydrogen atoms in the hydrogen chamber 42 and thus the hydrogen flow rate of the hydrogen diverter 22.
  • the electrical conductivity of the respective conductor 61 and thus the strength of the magnetic field is increased.
  • the hydrogen flow rate of the hydrogen gate 22 is further enhanced.
  • the cooling fluid which flows through the respective conductor 61 is preferably electrically non-conductive.
  • nitrogen or another gas can be used.
  • Water is also conceivable as a cooling fluid, in particular distilled water.
  • FIG. 5 shows an arrangement with a device according to the invention for the separation of hydrogen, by means of which the method according to the invention is also explained.
  • the arrangement is shown schematically.
  • the device according to the invention within the arrangement is referred to below as the hydrogen switch 62.
  • a gas source 63 contains a gas mixture which also contains hydrogen.
  • the gas mixture is fed by means of a pipe 64 to a pump, namely a compressor 65 and compressed in this compressor 65.
  • the thus compressed gas mixture from the gas source 63 can then be supplied by means of a further conduit 66 of the hydrogen diverter 62.
  • the gas source 63 is only an example of a supply of a gas mixture which also contains hydrogen. It can e.g. Process gases are cleaned with the hydrogen diverter 62 and their hydrogen content can be utilized. Furthermore, it is conceivable to pass polluted hydrogen through the hydrogen diverter 62 and thus to produce high-purity hydrogen. Each gas mixture may be introduced from the gas source 63 into the hydrogen switch 62.
  • FIGS. 6 and 7 show the hydrogen divider 62 in a sectional side view and in a sectional front view, respectively.
  • the hydrogen diverter 62 is designed to separate hydrogen from the gas mixture.
  • the hydrogen diverter 62 can separate hydrogen from any gas mixture which contains hydrogen, namely pure hydrogen.
  • the hydrogen diverter 62 has an at least approximately cylindrical housing 67 of preferably stainless steel. However, any other material with little or no hydrogen permeability is also usable.
  • the housing 67 surrounds an interior 69 of the hydrogen diverter 62, which is bounded by an inner side of the housing 667.
  • the inside 68 of the housing 62 has an enamel coating, not shown. This coating has a particularly low permeability to hydrogen and makes the housing 67 thus not permeable to hydrogen.
  • partition walls 70 and 71 are further arranged, which divide the housing 67 into three chambers. Two of the chambers are arranged at one end of the cylindrical housing 67 and about the same size. These are a separation chamber 72 and a collection chamber 73. A chamber, namely a hydrogen chamber 74 between the partitions 70 and 71, is substantially larger than the two remaining chambers and occupies most of the interior 69 of the housing 67.
  • pipes 75 are arranged parallel to the longitudinal extension of the hydrogen diverter 62.
  • the tubes 75 have a same, round cross-section.
  • the tubes 75 are formed of ferritic iron or pig iron and have a wall thickness of preferably less than 0.5 mm. In particular, their wall thickness is only 0.2 mm.
  • the tubes 75 connect through breakthroughs 76 in the partitions 70 and 71, the separation chamber 72 and the collection chamber 73 with each other, in particular gas-tight relative to the hydrogen chamber 74th
  • the tubes 75 are disposed within the housing 67 in a uniform pattern and in particular parallel to each other.
  • the tubes 75 are at least approximately equidistant from each other, so that the space within the housing 67 is best filled with tubes 75.
  • the tubes 75 separate as a semipermeable partition of ferritic iron or pig iron, the separation chamber 72 and the collection chamber 73 of the hydrogen chamber 74, so at least for the most part filled with the gas mixture from a region at least largely filled with hydrogen area.
  • the separation chamber 72 of the hydrogen diverter 62 Within the separation chamber 72 of the hydrogen diverter 62, the gas mixture flowing in via the conduit 66 through a feed 77 is divided into the tubes 75.
  • the entire wall surface of all tubes 75 is available for the deposition of hydrogen.
  • the hydrogen is adsorbed by the respective semipermeable partition formed as a tube 75 and exits the semipermeable partition on the hydrogen chamber 74 side. Consequently, only pure, in particular highly pure hydrogen is present within the hydrogen chamber 74 after the deposition process, which can be supplied to a hydrogen pressure accumulator 81 via a hydrogen discharge 78 and a pipe 79 by means of a further pump, namely a compressor 80 via a pipe 82.
  • the hydrogen from the hydrogen discharge 78 is used directly for further use, for example, is supplied directly to a fuel cell.
  • the compressor 65 may additionally be used to bring the gas mixture to a higher pressure level.
  • the increased pressure in the at least largely filled with the gas mixture chambers, namely the separation chamber 72, the tubes 72 and the collection chamber 73 increases the concentration gradient of the hydrogen from at least largely filled with the gas mixture side of the semipermeable partition to at least largely filled with hydrogen side That is, the hydrogen chamber 74, and thus increases the hydrogen passage and thus the amount of hydrogen separated.
  • the at least largely freed of hydrogen gas mixture is passed through a discharge 83 into a pipe 84.
  • the pipe 84 is controllably closed by a valve unit 85, so that the hydrogen gas for the most part freed gas mixture or gas can not flow unhindered through a pipe 86.
  • the internal pressure within the gas mixture leading chambers, namely the separation chamber 72, the tubes 75 and the collection chamber 73, by means of the valve unit 85 can be adjusted.
  • the concentration of hydrogen in the gas mixture or the concentration gradient at the semipermeable partition can thus be positively influenced for the function of the device.
  • valve unit serves to direct a part of the already partially hydrogen-free gas mixture via a return line 91 to a valve 92.
  • valve 92 By means of the valve 92, a portion of the gas mixture recirculated in this way can be returned to the compressor 65 via a pipe 94 in a feed 93.
  • part of the gas mixture is multiple and controls the hydrogen switch 62 fed. This considerably increases the yield of hydrogen deposition, since the concentration in the region filled at least largely with the gas mixture, namely the separation chamber 72, the tubes 75 and the collection chamber 73, can be kept constant or at least approximately constant.
  • the concentration gradient is also positively influenced on the semipermeable partition wall, namely as a concentration gradient of at least largely filled with the gas mixture area for at least for the most part filled with hydrogen area increased.
  • the gas mixture largely freed from hydrogen can be led out of the piping 84 or 86 and either reused or disposed of as waste or possibly even released into the environment, if only the hydrogen should be used or the rest of the gas mixture is environmentally friendly.
  • the interior of the hydrogen diverter 62 in particular the separation chamber 72 and / or the supply 77, are designed to be heatable and / or coolable, although this is not shown in the figures.
  • the introduced into the hydrogen diverter 62 gas mixture can be brought to a particularly favorable for the deposition of hydrogen temperature. This is in particular at about 400 ° C, but may also be in the range of room temperature of about 20 ° C depending on the gas mixture.
  • the hydrogen chamber 74 is coolable.
  • the hydrogen passing through the semipermeable partitions, namely the tubes 75 can be cooled, thereby increasing the diffusion gradient for hydrogen flowing through the tubes 75. This also enhances the passage of hydrogen through the semipermeable partition formed as tube 75.
  • an electrical voltage can be applied to the respective tube 75 formed as a semipermeable partition wall along the respective tube 75.
  • This electrical voltage is preferably an AC voltage, in particular a pulsating DC voltage.
  • the tubes 75 from the remaining hydrogen switch 62, in particular of the partitions 70 and 71 to electrically isolate.
  • the electrical current caused by the electrical voltage promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition wall or through the walls of the tubes 75.
  • the insulation preferably takes place by means of seals arranged between the tubes 75 and the partition walls 70 and 71, which have insulating properties.
  • the seals are electrically insulating and gas-tight, especially gas-tight at high temperatures, formed.
  • the tubes 75 have net-like regions 88 and fields 89 surrounded by the net-like regions 88. In the net-like regions 88, the tubes 75 have a greater wall thickness than in the fields 89.
  • each tube 75 is stabilized by greater wall thickness in the regions 88, in particular against the internal pressure of the gas mixture, which of the hydrogen diverter 62 by means of the compressor 65 is supplied.
  • the small wall thickness of the tubes 75 within the fields 89 increases the hydrogen flow rate. As a result, the tubes 75 are simultaneously stable and yet permeable to a large amount of hydrogen.
  • the tubes 75 are surrounded by helically arranged electrical conductors 90.
  • the conductors 90 are themselves also tubular and are preferably made of copper or another electrically conductive metal.
  • the conductors 90 are electrically isolated from all other components of the hydrogen switch 62. This is done by gas density, in particular high-temperature gas-tight seals, which are not shown. Thus, the conductors 90 can be led out of the housing 67 of the hydrogen diverter 62 without causing the hydrogen diverter 62 to leak for the gas mixture.
  • the conductors 90 are arranged so as to surround the tubes 75 in the form of a coil.
  • the tubular and spiral conductors 90 are electrically contacted and are traversed by an electric current. They generate by an approximately congruent arrangement of the coil axis to the central axis of the respective tube 75, a magnetic field which extends at least approximately parallel to the central axis of the respective tube 75.
  • the respective tubular conductor 90 is flowed through by a cooling fluid.
  • the conductor 90 but also the hydrogen chamber 74 is cooled.
  • This cooling promotes the recombination of the hydrogen atoms in the hydrogen chamber 74 and thus the hydrogen flow rate of the hydrogen switch 62.
  • the electrical conductivity of the respective conductor 90 and thus the strength of the force acting on the respective tube 75 and thus on the semipermeable partition magnetic field is increased.
  • the hydrogen flow rate of the hydrogen switch 62 is further enhanced.
  • the cooling fluid which flows through the respective conductor 90 is preferably electrically non-conductive.
  • nitrogen or another gas can be used.
  • desalinated water is conceivable as a cooling fluid, but especially distilled water.

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Abstract

Known small power plants have a reactor for producing pyrolysis gas from, for example, renewable raw materials. The pyrolysis gas produced therein is cooled and scrubbed and the carbon dioxide content thereof is reduced. The obtained combustion gas is then fed to an internal combustion engine for combustion, whereby, for example, electrical energy and combustion heat are made usable. Separating the hydrogen contained in the pyrolysis gas in order to make the hydrogen usable for other uses is also known. Said known small power plants have the disadvantage that the degree of separation and the hydrogen throughput are low. Thus, only a small part of the hydrogen is made usable for further processes. The invention relates to a small power plant (10), wherein a device for separating highly pure hydrogen (22) from the pyrolysis gas has a housing that encloses an interior and has at least one semipermeable partition that is arranged in the housing and separates an area at least partially filled with pyrolysis gas. Thus, high purity hydrogen can be easily separated from the pyrolysis gas. The invention further relates to a method for separating highly pure hydrogen, wherein highly pure hydrogen is separated by means of a semipermeable partition, and to a device and method for separating hydrogen from gas mixtures.

Description

Kleinkraftwerk sowie Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff  Small power plant and method and apparatus for obtaining high purity hydrogen
Beschreibung: Description:
Die Erfindung betrifft ein Kleinkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren Betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff aus einem Pyrolysegas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 bzw. 9. The invention relates to a small power plant according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for obtaining high purity hydrogen from a pyrolysis gas according to the preamble of claim 4. Furthermore, the invention relates to an apparatus and a method for the separation of hydrogen according to the preamble of claim 6 or 9.
Bekannte Kleinkraftwerke der eingangs genannten Art weisen einen Reaktor zur Erzeugung von Pyrolysegas aus z.B. nachwachsenden Rohstoffen auf. Das darin erzeugte Pyrolysegas, welches ein Gasgemisch aus unter anderem Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan ist, wird gekühlt und gewaschen und sein Kohlendioxid-Gehalt reduziert. Das erhaltene Brenngas wird dann einer Verbrennungskraftmaschine zur Verbrennung zugeführt, wodurch z.B. elektrische Energie und Verbrennungswärme nutzbar gemacht werden. Es ist weiterhin bekannt, den im Pyrolysegas enthaltenen Wasserstoff abzuscheiden, um ihn für andere Verwendungen nutzbar zu machen. Known small power plants of the type mentioned have a reactor for the production of pyrolysis gas from e.g. renewable raw materials. The pyrolysis gas produced therein, which is a gas mixture of, inter alia, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane, is cooled and washed, and its carbon dioxide content is reduced. The obtained fuel gas is then supplied to an internal combustion engine for combustion, whereby e.g. electrical energy and heat of combustion can be harnessed. It is also known to deposit the hydrogen contained in the pyrolysis gas in order to make it usable for other uses.
Zur Gewinnung von reinem oder zumindest größtenteils reinem Wasserstoff sind Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt, bei denen der Wasserstoff mittels großem Druck und sehr niedriger Temperatur aus anderen Gasen bzw. Gasgemischen durch Verflüssigung abgetrennt werden kann. Dies ist extrem energieaufwendig und damit teuer. Außerdem kann mit diesen Vorrichtungen bzw. Verfahren kein hochreiner Wasserstoff erzeugt werden, da auch andere Gase bzw. Fremdstoffe in der dann flüssigen Wasserstoffphase verbleiben. Der erzeugte bzw. abgetrennte Wasserstoff ist damit immer zumindest leicht verunreinigt bzw. zumindest nicht hochrein. To obtain pure or at least mostly pure hydrogen devices or methods are known in which the hydrogen can be separated by means of high pressure and very low temperature from other gases or gas mixtures by liquefaction. This is extremely energy consuming and therefore expensive. In addition, with these devices or methods no high purity hydrogen can be generated because Other gases or foreign substances remain in the then liquid hydrogen phase. The generated or separated hydrogen is thus always at least slightly contaminated or at least not highly pure.
Die bekannten Kleinkraftwerke weisen den Nachteil auf, dass der Abscheidungsgrad sowie der Mengendurchsatz an Wasserstoff gering sind. Damit wird nur ein geringer Teil des Wasserstoffs für weitere Prozesse nutzbar gemacht. Ebenso weisen bekannte Verfahren den Nachteil auf, dass nur ein geringer Teil des Wasserstoffs nutzbar gemacht werden kann. Bekannte Vorrichtungen und Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff weisen den Nachteil auf, dass diese nur mit hohem Energieeinsatz betrieben werden können und kein reiner bzw. hochreiner Wasserstoff damit erzeugt werden kann. The known small power plants have the disadvantage that the degree of separation and the mass flow rate of hydrogen are low. Thus, only a small part of the hydrogen is used for further processes. Likewise, known processes have the disadvantage that only a small part of the hydrogen can be utilized. Known devices and methods for recovering hydrogen have the disadvantage that they can only be operated with high energy input and no pure or highly pure hydrogen can be generated with it.
Davon ausgehend ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kleinkraftwerk zu schaffen, welches den im Pyrolysegas enthaltenen Wasserstoff einfach und in großen Mengen nutzbar macht. Des Weiteren ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, welches die einfache Abscheidung von hochreinem Wasserstoff aus Pyrolysegas ermöglicht. Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die Wasserstoff auf einfache Weise und ohne hohen Energieaufwand aus verschiedenen Gasgemischen abscheiden kann. On this basis, the object of the invention to provide a small power plant, which makes the hydrogen contained in the pyrolysis gas easily and in large quantities usable. Furthermore, the object of the invention to provide a method which allows the simple separation of high purity hydrogen from pyrolysis gas. In addition, the object of the invention is to provide a device that can easily separate hydrogen from various gas mixtures and without high energy consumption.
Ein Kleinkraftwerk zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Demnach ist im Gasstrom zwischen dem Reaktor und der Verbrennungskraftmaschine eine Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs angeordnet, wobei die Vorrichtung zur Abscheidung von hochreinem Wasserstoff aus dem Pyrolysegas ein einen Innenraum umgebendes Gehäuse mit zumindest einer, im Gehäuse angeordneten, einen mit Pyrolysegas zumindest teilweise gefüllten Bereich abtrennenden semipermeable Trennwand aufweist. Eine solche Vorrichtung trennt den Wasserstoff vom übrigen Pyrolysegas. Damit ist der Wasserstoff getrennt vom übrigen Pyrolysegas, welches als Brenngas z.B. der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, zur Erzeugung von elektrischer Energie, z.B. in einer Brennstoffzelle, verwendbar. A small power plant to solve the above problem has the features of claim 1. Accordingly, a device for separating highly pure hydrogen is arranged in the gas flow between the reactor and the internal combustion engine, wherein the device for separating high-purity hydrogen from the pyrolysis gas enclosing an interior housing with at least one, arranged in the housing, an at least partially filled with pyrolysis gas-separating region having semipermeable partition. Such a device separates the hydrogen from the rest of the pyrolysis gas. Thus, the hydrogen is separated from the rest of the pyrolysis gas, which is used as fuel gas, e.g. the internal combustion engine is fed, for generating electrical energy, e.g. in a fuel cell, usable.
Bevorzugt weist der zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllte Bereich zumindest einen Zufluss und einen Abfluss und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss auf. Damit wird erreicht, dass das vom Reaktor in die Vorrichtung geleitetes Pyrolysegas durch den Zufluss in den zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllten Bereich eingeleitet werden kann. Sodann kann der Wasserstoff mittels der semipermeablen Trennwand vorzugsweise größtenteils aus dem Pyrolysegas abgeschieden werden und das vom Wasserstoff vorzugsweise größtenteils befreite Pyrolysegas als Brenngas vom Abfluss der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet werden. Der Wasserstoff kann durch den Abfluss des zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereiches abgeführt und anderweitig verwendet werden. The region filled at least partially with pyrolysis gas preferably has at least one inflow and one outflow and the region, which is usually filled with hydrogen, at least one outflow. This ensures that the pyrolysis gas passed from the reactor into the device can be introduced through the inflow into the region which is at least partially filled with pyrolysis gas. Then, the hydrogen can be deposited by means of the semipermeable partition preferably for the most part from the pyrolysis gas and the preferably largely freed from hydrogen pyrolysis gas are fed as fuel gas from the outflow of the internal combustion engine. The hydrogen can be removed by the outflow of the mostly filled with hydrogen area and used elsewhere.
Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest eine Außenwand aus einem Edelstahl auf. Edelstahl ist für Wasserstoff nicht permeabel. Die Außenwand des Gehäuses kann damit als Sammelbehälter für den abgeschiedenen Wasserstoff dienen. Der aus den Trennwänden austretende Wasserstoff kann innerhalb des Gehäuses aufgefangen werden und kann mittels eines angeschlossenen Ableitungsrohres in einen Speicherbehälter gefördert werden. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse auf einer dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich zugewandten Innenseite eine Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung ist besonders undurchlässig für den Wasserstoff, so dass dieser noch zuverlässiger gesammelt wird und nicht entweichen kann. Preferably, the housing has at least one outer wall of a stainless steel. Stainless steel is not permeable to hydrogen. The outer wall of the housing can thus serve as a collecting container for the separated hydrogen. The hydrogen emerging from the partitions can be collected within the housing and can be conveyed by means of a connected discharge pipe into a storage container. Particularly preferably, the housing has a coating of enamel on an inner side facing the region, which is usually filled with hydrogen. This coating is particularly impermeable to the hydrogen, so that it is collected even more reliable and can not escape.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. aus Roheisen zur Abscheidung des Wasserstoffs auf. Besonders bevorzugt kann Reineisen Verwendung finden, wobei dies einen Eisenanteil von vorzugsweise mehr als 99,8% hat. Entscheidend für den Wasserstoffdurchtritt durch diese semipermeable Trennwand ist deren hoher Eisengehalt und ein niedriger Gehalt an Fremdstoffen. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann. Übrige Bestandteile des Pyrolysegases, wie z.B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid werden von der Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen zurückgehalten und begünstigen sogar den Durchtritt des Wasserstoffs. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei einer semipermeablen Trennwand aus Reineisen, so dass größere Mengen Wasserstoff mit einer solchen Trennwand abgeschieden werden können. Bevorzugt ist die zumindest eine semipermeable Trennwand ein Rohr aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, durch das das Pyrolysegas hindurchführbar ist. Die rohrförmige Ausbildung der semipermeablen Trennwand ermöglicht einen einfachen Aufbau der Vorrichtung. Weiterhin ist damit eine große Oberfläche der semipermeablen Trennwand ohne hohen konstruktiven Aufwand zu erreichen. Zudem ist eine rohrförmige semipermeable Trennwand bestmöglich druckstabil gegenüber dem eventuell unter Überdruck eingeführten Pyrolysegas. Preferably, the device for the separation of high-purity hydrogen, a semipermeable partition of ferritic iron or pig iron for the deposition of hydrogen. Pure iron can be used with particular preference, this having an iron content of preferably more than 99.8%. Decisive for the passage of hydrogen through this semipermeable partition is their high iron content and a low content of foreign substances. A partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them. Other components of the pyrolysis gas, such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide are retained by the partition made of ferritic iron or pig iron and even favor the passage of hydrogen. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs. The hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron. The resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body. Here, the driving force is the concentration gradient of hydrogen. On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom. Thus, only the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms. This effect is particularly pronounced for a semipermeable partition made of pure iron, so that larger amounts of hydrogen can be deposited with such a partition wall. Preferably, the at least one semipermeable partition wall is a tube made of ferritic iron or pig iron or pure iron, through which the pyrolysis gas can be passed. The tubular design of the semipermeable partition allows a simple construction of the device. Furthermore, so that a large surface of the semipermeable partition without high design effort to achieve. In addition, a tubular semipermeable partition is best possible pressure stable against the possibly introduced under pressure pyrolysis gas.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung mehrere, vorzugsweise gleiche Rohre aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen angeordnet. Diese Anordnung macht die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt. Die Rohre dienen zur Durchleitung des Wasserstoffreichen Pyrolysegases, wogegen der Raum außerhalb der Rohre, jedoch innerhalb des Gehäuses, zur Aufnahme und Ableitung des hochreinen Wasserstoffs dient. Durch die Ausbildung als Rohre ist die Oberfläche der semipermeablen Trennwand gegenüber der Größe der gesamten Vorrichtung besonders groß. Vorzugsweise sind die Rohre innerhalb des Gehäuses in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet und weitestgehend gleich ausgebildet. According to a preferred development of the device, several, preferably identical, tubes made of ferritic iron or pig iron or pure iron are arranged within the housing of the device. This arrangement makes the device according to the invention particularly compact. The tubes are used to pass the hydrogen-rich pyrolysis gas, whereas the space outside the tubes, but within the housing, serves for receiving and discharging the high-purity hydrogen. By forming tubes as the surface of the semipermeable partition against the size of the entire device is particularly large. Preferably, the tubes are arranged within the housing at an equal distance from each other and formed largely the same.
Bevorzugt ist innerhalb des Gehäuses je eine Kammer angeordnet zur Aufteilung des Gasflusses in die Rohre und zur Zusammenführung des Gasflusses aus den Rohren. Diese Kammern ermöglichen den Anschluss der Vorrichtung durch je ein Rohr, welches in die jeweilige Kammer mündet bzw. aus der jeweiligen Kammer herausführt. Damit wird der Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders einfach gestaltet. A chamber is preferably arranged within the housing for dividing the gas flow into the tubes and for bringing together the gas flow from the tubes. These chambers allow the connection of the device by a respective tube, which opens into the respective chamber and leads out of the respective chamber. Thus, the connection of the device according to the invention is designed particularly simple.
Besonders bevorzugt sind vor und/oder innerhalb des mindestens einen Rohres zur Bildung der semipermeablen Trennwand Mittel angeordnet zur Turbulenthaltung der Strömung innerhalb des Rohres. Diese Mittel sind beispielsweise aus der Wandung des Rohres hervorstehende Leitbleche oder dergleichen. Die Turbulenthaltung der Strömung bewirkt eine Erhöhung des Diffusionsgrades des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand, da die Auftreffwahrscheinlichkeit der Wasserstoffmolekühle an der semipermeablen Trennwand durch eine turbulente Strömung erhöht wird. Particularly preferably, means are arranged in front of and / or within the at least one tube for forming the semipermeable partition wall for keeping the flow within the tube turbulent. These means are, for example, from the wall of the tube projecting baffles or the like. The turbulent attitude of the flow causes an increase in the degree of diffusion of hydrogen through the semipermeable partition wall, since the impact probability of the hydrogen molecules is increased at the semipermeable partition by a turbulent flow.
Vorzugsweise ist das der Vorrichtung zugeführte Pyrolysegas heiß zuführbar, insbesondere Heizbar. Es hat sich herausgestellt, dass die Menge des durch die semipermeable Trennwand hindurchtretenden Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas durch eine hohe Temperatur unter bestimmten Vorraussetzungen vergrößert wird. Bevorzugt liegt diese Temperatur im Bereich von 400°C. Insbesondere kann das aus dem Reaktor zur Erzeugung von Pyrolysegas heiß austretende Pyrolysegas der Vorrichtung so zugeführt werden, dass seine Temperatur im Bereich von 400°C liegt. Dann ist keine zusätzliche Heizung notwendig. Es ist jedoch auch denkbar, das Pyrolysegas auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur zuzuführen. Preferably, the device supplied pyrolysis gas can be supplied hot, in particular heatable. It has been found that the amount of hydrogen passing through the semipermeable partition from the pyrolysis gas is high Temperature is increased under certain conditions. Preferably, this temperature is in the range of 400 ° C. In particular, the pyrolysis gas exiting hot from the reactor for producing pyrolysis gas may be supplied to the apparatus such that its temperature is in the region of 400 ° C. Then no additional heating is necessary. However, it is also conceivable to supply the pyrolysis gas to a temperature close to room temperature.
Weiterhin hat es sich als besonders Vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gehäuse und/oder der Innenraum des Gehäuses der Vorrichtung kühlbar ist. Kühlere Temperaturen an der der Innenwand des Gehäuses und damit dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich des Gehäuses zugewandten Seite der semipermeablen Trennwand begünstigt die Rekombination des Wasserstoffs und steigert somit das Diffusionsgefälle an der Trennwand von der zumindest teilweise mit Pyrolysegas umgebenen Seite zu der zumeist mit Wasserstoff umgebenen Seite der semipermeablen Trennwand. Furthermore, it has been found to be particularly advantageous if the housing and / or the interior of the housing of the device can be cooled. Cooler temperatures at the side of the semipermeable partition wall facing the inner wall of the housing and thus the region of the housing which is mostly filled with hydrogen favors the recombination of the hydrogen and thus increases the diffusion gradient on the partition wall from the side which is at least partially surrounded by pyrolysis gas to that which is usually surrounded by hydrogen Side of the semipermeable partition.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Rohr, vorzugsweise alle Rohre, zur Bildung der semipermeablen Trennwand Bereiche geringer Wandstärke und Bereiche hoher Wandstärke auf. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht im Bereich geringer Wandstärken eine Steigerung der Diffusion des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand. Die Bereiche größerer Wandstärke dienen zur Stabilisierung der Rohrwandung gegen den eventuell hohen Innendruck des Pyrolysegases. According to a preferred embodiment of the invention, the tube, preferably all tubes, to form the semipermeable partition wall areas of low wall thickness and areas of high wall thickness. This embodiment of the invention makes it possible in the region of low wall thicknesses to increase the diffusion of the hydrogen through the semipermeable partition wall. The areas of greater wall thickness serve to stabilize the pipe wall against the possibly high internal pressure of the pyrolysis gas.
Vorzugsweise sind die Bereiche großer Wandstärke netzartig ausgebildet. Eine solche netzartige Stützstruktur macht eine rohrförmig ausgebildete semipermeable Trennwand besonders stabil. Weiterhin ist es vorteilhaft, die netzartige Stützstruktur gleichmäßig bzw. annähernd gleichmäßig auszubilden. Es ist zudem denkbar, die Bereiche geringer Wandstärke zumindest annähernd in Form von Rechtecken auszubilden. Vorzugsweise sind dabei alle Bereiche geringer Wandstärke gleich geformt. Diese, gleichmäßige Ausbildung der Bereiche geringer Wandstärke sind mit einfachen Mitteln herstellbar. Die Annordnung der rechteckigen oder zumindest annähernd rechteckigen Bereiche geringer Wandstärke in Richtung der Längserstreckung des jeweiligen Rohres lässt eine besonders stabile netzartige Stützstruktur durch die Bereiche größerer Wandstärke zu. Preferably, the regions of large wall thickness are formed like a net. Such a net-like support structure makes a tubular semipermeable partition particularly stable. Furthermore, it is advantageous to form the net-like support structure uniformly or approximately uniformly. It is also conceivable to form the areas of low wall thickness at least approximately in the form of rectangles. Preferably, all areas of low wall thickness are the same shape. This, uniform formation of the areas of low wall thickness can be produced by simple means. The arrangement of the rectangular or at least approximately rectangular regions of small wall thickness in the direction of the longitudinal extension of the respective tube allows for a particularly stable reticulated support structure through the regions of greater wall thickness.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die semipermeable Trennwand magnetisch anregbar, vorzugsweise durch ein magnetisches Wechselfeld. Ein Magnetfeld, vorzugsweise ein magnetisches Wechselfeld begünstigt die Diffusion von Wasserstoffrümpfen durch die semipermeable Trennwand derart, dass der Wasserstoffdruchsatz signifikant erhöht wird. Dies liegt darin begründet, dass die Wasserstoffrümpfe als geladene Teilchen durch das Magnetfeld eine Kraft senkrecht zur Oberfläche der semipermeablen Trennwand erfahren. Demnach wird durch die magnetische Anregung die Menge des abgeschiedenen Wasserstoffs erhöht. According to a preferred embodiment of the invention, the semipermeable partition is magnetically excited, preferably by a magnetic alternating field. A magnetic field, preferably an alternating magnetic field favors the diffusion of hydrogen fumes through the semipermeable partition such that the Hydrogen conversion is significantly increased. This is due to the fact that the hydrogen fumes, as charged particles, experience a force perpendicular to the surface of the semipermeable partition wall due to the magnetic field. Accordingly, the amount of hydrogen deposited is increased by the magnetic excitation.
Besonders bevorzugt ist eine, vorzugsweise jede, als Rohr, also rohrförmig, ausgebildete semipermeable Trennwand umgeben von einem elektrischen Leiter, der mit einem elektrischen Strom, vorzugsweise einem elektrischen Wechselstrom, beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter spulenförmig um die rohrförmige semipermeable Trennwand angeordnet. Eine derartige Anordnung liefert ein magnetisches Wechselfeld, welches im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung der rohrförmigen semipermeablen Trennwand verläuft. Damit werden die Wasserstoffrümpfe senkrecht dazu, nämlich radial zur Längsachse der rohrförmigen semipermeablen Trennwand, zur Diffusion durch die semipermeable Trennwand angeregt. Damit wird die Wasserstoffabscheidung zusätzlich erhöht. Particularly preferred is a, preferably each, as a tube, so tubular, formed semipermeable partition surrounded by an electrical conductor, which is acted upon by an electric current, preferably an alternating electrical current. Particularly preferably, the electrical conductor is arranged in the form of a coil around the tubular semipermeable partition wall. Such an arrangement provides an alternating magnetic field which extends substantially in the direction of the longitudinal extent of the tubular semipermeable partition wall. Thus, the hydrogen fumes are excited perpendicular to it, namely radially to the longitudinal axis of the tubular semipermeable partition, for diffusion through the semipermeable partition. This additionally increases the hydrogen separation.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist jeder spulenförmige elektrische Leiter als Rohr ausgebildet, das vorzugsweise von einem Fluid, das zur Kühlung des Leiters nutzbar ist, durchflössen wird. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass der Leiter gekühlt wird und demnach seine elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Dadurch wird das magnetische Feld verstärkt. Weiterhin wird durch den Leiter, der aufgrund seiner Anordnung um die rohrförmige semipermeable Trennwand herum in einem Bereich hoher Wasserstoffkombination, nämlich auf der Seite der Trennwand, in deren Richtung der Wasserstoff abgeschieden wird, angeordnet ist, der betreffende Bereich gekühlt. Dadurch wird die Rekombination von Wasserstoff begünstigt und der Wasserstoffdurchsatz erhöht. Vorzugsweise ist das Fluid zur Kühlung elektrisch nicht leitend. Hierzu kann beispielsweise entsalztes bzw. destilliertes Wasser als Fluid verwendet werden. According to a development of the invention, each coil-shaped electrical conductor is designed as a tube, which is preferably flowed through by a fluid which can be used to cool the conductor. This arrangement has the advantage that the conductor is cooled and therefore its electrical conductivity is increased. This strengthens the magnetic field. Further, by the conductor disposed around the tubular semipermeable partition due to its arrangement in a region of high hydrogen combination, namely on the side of the partition in the direction of which the hydrogen is deposited, the area in question is cooled. This promotes the recombination of hydrogen and increases the hydrogen throughput. Preferably, the fluid for cooling is electrically non-conductive. For this example, desalted or distilled water can be used as a fluid.
Bevorzugt ist zwischen dem Reaktor und der Verbrennungskraftmaschine ein Kühler, insbesondere ein Kühler und ein dem Kühler nachgeordneter Gaswäscher angeordnet. Üblicherweise verlässt das Pyrolysegas den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 800°C bis 1200°C. Ein Kühler bringt das Pyrolysegas auf ein niedrigeres Temperaturniveau, beispielsweise auf eine Temperatur von 400°C. Das auf diese Temperatur abgekühlte Pyrolysegas ist dann der Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff zuführbar. Aufgrund der Ausbildung der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen ist dieselbe nicht so temperaturfest, dass das Pyrolysegas mit 1200°C zuführbar wäre. Demnach ist es notwendig, für die Vorrichtung das Pyrolysegas mit einer niedrigeren Temperatur bereitzustellen. Mittels des Kühlers kann das Pyrolysegas auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Bedarfsweise kann diese Temperatur auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Des Weiteren kann mittels eine Gaswäschers der Rauchgasanteil des Pyrolysegases soweit reduziert werden, dass die Vorrichtung zur Abscheidung des Wasserstoffs nicht verschmutzt. Dies reduziert den Reinigungsaufwand für ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk deutlich. Die vom Kühler abgeführte Wärme kann dem Prozess an anderer Stelle, z.B. zum Vortrocknen des Brenngutes für den Pyrolysereaktor, wieder zugeführt werden. Dies verbessert die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Kleinkraftwerks. Between the reactor and the internal combustion engine, a cooler, in particular a cooler and a gas scrubber arranged downstream of the cooler, is preferably arranged. Typically, the pyrolysis gas leaves the reactor at a temperature of about 800 ° C to 1200 ° C. A cooler brings the pyrolysis gas to a lower temperature level, for example to a temperature of 400 ° C. The cooled to this temperature pyrolysis gas is then fed to the device for the separation of hydrogen. Due to the formation of the semipermeable partition of ferritic iron or pig iron or pure iron, the same is not so temperature resistant that the pyrolysis gas with 1200 ° C would be supplied. Accordingly, it is necessary for the device, the pyrolysis gas with a lower To provide temperature. By means of the cooler, the pyrolysis gas can be brought to the desired temperature. If necessary, this temperature can also be in the range of room temperature. Furthermore, by means of a gas scrubber, the flue gas portion of the pyrolysis gas can be reduced to such an extent that the device for separating the hydrogen is not polluted. This significantly reduces the cleaning effort for a small power plant according to the invention. The heat dissipated by the radiator can be fed back to the process at another location, eg for pre-drying the fuel for the pyrolysis reactor. This improves the energy balance of the small power plant according to the invention.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der abgeschiedene hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einem Wasserstoff-Druckspeicher speicherbar. Ein solcher Wasserstoff-Druckspeicher ermöglicht die Lagerung großer Mengen Wasserstoffs zur späteren Verwendung. According to a preferred embodiment of the invention, the separated high-purity hydrogen can be stored by means of a compressor in a hydrogen pressure accumulator. Such a hydrogen pressure accumulator allows the storage of large quantities of hydrogen for later use.
Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 4 auf. Demnach wird aus dem Pyrolysegas, bevorzugt vor der Zuführung desselben zu einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Wasserstoffabscheiders mit einer semipermeablen Trennwand hochreiner Wasserstoff abgeschieden. Dadurch wird der Wasserstoff, welcher als hochwertiger Anteil des Pyrolysegases abgeschieden wird, als hochreines Gas für andere Verwendungen nutzbar und z.B. nicht mit dem übrigen Pyrolysegas als Brenngas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Eine semipermeable Trennwand, welche bevorzugt nur für Wasserstoff permeabel ist, stellt sicher, dass nur der Wasserstoff abgeschieden wird. Damit kann besonders reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff abgeschieden werden. Dadurch, dass das vom Wasserstoff größtenteils befreite Pyrolysegas als Brenngas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, kann dasselbe in diesem verbrannt werden und mittels z.B. eines weiterhin angeschlossenen Generators elektrische Energie erzeugt werden. Die neben dem Wasserstoff im Pyrolysegas enthaltenen Gase, wie z.B. Methan und Kohlenmonoxid können mit wesentlich höherem Wirkungsgrad in der Verbrennungskraftmaschine verbrannt werden, als der Wasserstoff. Damit können die jeweiligen Gase zur Erzeugung von Energie einem Prozess mit dem jeweils optimalen Wirkungsgrad zugeführt werden. A method for achieving the object mentioned has the measures of claim 4. Accordingly, highly pure hydrogen is separated from the pyrolysis gas, preferably before it is fed to an internal combustion engine, by means of a hydrogen separator with a semipermeable partition wall. Thereby, the hydrogen, which is deposited as a high-grade portion of the pyrolysis gas, can be used as high-purity gas for other uses and e.g. not supplied with the remaining pyrolysis gas as the fuel gas of the internal combustion engine. A semipermeable partition, which is preferably permeable only to hydrogen, ensures that only the hydrogen is separated. In this way, it is possible to deposit particularly pure, in particular highly pure, hydrogen. By supplying the pyrolysis gas largely freed from the hydrogen as the fuel gas to the internal combustion engine, it can be burned therein and burned by means of e.g. a further connected generator electrical energy can be generated. The gases present in addition to the hydrogen in the pyrolysis gas, e.g. Methane and carbon monoxide can be burned in the internal combustion engine with much higher efficiency than the hydrogen. Thus, the respective gases for generating energy can be fed to a process with the optimum efficiency.
Vorzugsweise wird der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. aus Roheisen oder Reineisen aus dem Pyrolysegas abgeschieden. Eine solche Trennwand ist besonders günstig herstellbar und macht das Verfahren wirtschaftlich. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann, wie oben beschrieben. Übrige Bestandteile des Pyrolysegases, wie z.B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid werden von der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten. Preferably, the hydrogen is separated from the pyrolysis gas by means of a semipermeable partition of ferritic iron or of pig iron or pure iron. Such a partition is particularly inexpensive to produce and makes the process economical. A partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them, as described above. Other components of the pyrolysis gas, such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide are retained by the semipermeable partition of ferritic iron or pig iron or pure iron. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs. The hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron. The resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body. Here, the driving force is the concentration gradient of hydrogen. On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom. Thus, only the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Pyrolysegas mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt. Diese Anregung unterstützt die Dissoziation des Wasserstoffs an der semipermeablen Trennwand, so dass ein besonders hoher Wasserstoff-Massendurchsatz erreicht wird. According to a preferred development of the method, the pyrolysis gas is excited by means of radiation, preferably light in a frequency of the natural resonances of the hydrogen. This excitation promotes the dissociation of hydrogen at the semipermeable partition so that a particularly high hydrogen mass flow rate is achieved.
Bevorzugt wird das Verfahren unter erhöhtem Druck und/oder unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Der Druck beträgt dabei vorzugsweise 10 bar, die Temperatur kann bis zu 400°C betragen, jedoch auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Diese Parameter begünstigen den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand, während andere Gase im Pyrolysegas weiterhin zurückgehalten werden. Insbesondere eine Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen der semipermeablen Trennwand erhöht den Wasserstoffdurchtritt erheblich. The process is preferably carried out under elevated pressure and / or under elevated temperature. The pressure is preferably 10 bar, the temperature can be up to 400 ° C, but also in the range of room temperature. These parameters promote the passage of hydrogen through the semipermeable partition, while still retaining other gases in the pyrolysis gas. In particular, a pressure difference between the two surfaces of the semipermeable partition wall increases the hydrogen passage considerably.
Besonders bevorzugt wird die semipermeable Trennwand zur Vergrößerung des Wasserstoffdurchtritts mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Diese Elektrische Spannung wird bevorzugt als Wechselspannung oder als pulsierende Gleichspannung an die semipermeable Trennwand angelegt. Dieses Vorgehen steigert den Wasserstoffdurchsatz erheblich. Particularly preferably, the semipermeable partition is acted upon to increase the hydrogen passage with an electrical voltage. This electrical voltage is preferably applied as an AC voltage or as a pulsating DC voltage to the semipermeable partition. This procedure significantly increases the hydrogen throughput.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist die semipermeable Trennwand mit einem magnetischen Feld, vorzugsweise einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar. Dies steigert den Wasserstoffdurchsatz ebenfalls und kann auch in Kombination mit den vorherig oder nachfolgend genannten Maßnahmen durchgeführt werden. According to a development of the method, the semipermeable partition can be acted upon by a magnetic field, preferably an alternating magnetic field. This also increases the hydrogen throughput and can also be carried out in combination with the measures mentioned above or below.
Vorzugsweise wird dem Reaktor zur Erhöhung des Wasserstoffanteils im Pyrolysegas Wasserdampf zugeführt. Diese Maßnahme steigert den Wasserstoffausstoß im Pyrolyse- Reaktor bei gleichzeitiger Reduzierung der Kohlenmonoxid-Ausbeute. Das Wasser verändert die chemische Balance im Reaktor. Dadurch wird mehr Wasserstoff erzeugt, der abgeschieden werden kann. Preferably, steam is added to the reactor to increase the hydrogen content in the pyrolysis gas. This measure increases the hydrogen output in the pyrolysis reactor while reducing the carbon monoxide yield. The water changes the chemical balance in the reactor. This generates more hydrogen that can be separated.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird nach der Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas, insbesondere aus dem gewaschenen Pyrolysegas, mittels eines Gasabscheiders der Kohlendioxidanteil des vom Wasserstoff größtenteils befreiten Rohgases reduziert. Damit wird das Pyrolysegas als Brenngas für die Verbrennungskraftmaschine bestmöglich konditioniert, so dass dieselbe wirtschaftlich betrieben wird. Das aus dem Prozess gewonnene Kohlendioxid kann einer anderweitigen Verwertung zugeführt werden. According to a preferred embodiment of the method, after the separation of the high-purity hydrogen from the pyrolysis gas, in particular from the washed pyrolysis gas, the carbon dioxide content of the largely freed from the hydrogen gas is reduced by means of a gas separator. Thus, the pyrolysis gas is best conditioned as fuel gas for the internal combustion engine, so that it is operated economically. The carbon dioxide recovered from the process can be recycled.
Bevorzugt wird das gekühlte und gewaschene Pyrolysegas mittels eines Kompressors mit Überdruck dem Wasserstoffabscheider zugeführt. Durch den Überdruck des Pyrolysegases wird die Konzentration der darin enthaltenen Gase im Verhältnis zur wasserstoffseitigen Umgebung innerhalb des Wasserstoffabscheiders deutlich erhöht. Ein damit erreichtes größeres Konzentrationsgefälle erhöht die Neigung des Wasserstoffs durch die Trennwand zu treten. Dies erhöht den Massendurchsatz und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich. Preferably, the cooled and washed pyrolysis gas is fed to the hydrogen separator by means of a compressor with overpressure. Due to the overpressure of the pyrolysis gas, the concentration of the gases contained therein is significantly increased in relation to the hydrogen-side environment within the hydrogen separator. A larger concentration gradient achieved thereby increases the tendency of the hydrogen to pass through the partition wall. This considerably increases the mass throughput and the economic efficiency of the process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einen Wasserstoff-Druckspeicher gefördert. Der so gespeicherte Wasserstoff kann dann über längere Zeit gespeichert oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden. According to a further preferred development of the method, the high-purity hydrogen is conveyed by means of a compressor into a hydrogen pressure accumulator. The stored hydrogen can then be stored for a long time or fed to another use.
Vorzugsweise wird das Pyrolysegas mittels eines Kühlers und/oder Gaswäschers vor erreichen des Wasserstoffabscheiders herabgekühlt und/oder gereinigt bzw. gewaschen. Die Kühlung des Pyrolysegases erfolgt dabei vorzugsweise auf eine Temperatur, welche für den Betrieb des Wasserstoffabscheiders besonders günstig ist. Dies können z.B. 400°C sein, unter bestimmten Bedingungen aber auch weit weniger, nämlich eine Temperatur nahe der Raumtemperatur. Dadurch, dass das Pyrolysegas gereinigt bzw. gewaschen wird, werden dessen Rauchgasanteile sowie Ruß und anderer schädliche insbesondere feste Bestandteile des Pyrolysegases aus diesem entfernt. Damit ist das Pyrolysegas für nachfolgende Prozesse, insbesondere für den Wasserstoffabscheider, gut verwendbar und verschmutzt diesen z.B. nicht. Preferably, the pyrolysis gas is cooled down by means of a cooler and / or scrubber prior to reaching the hydrogen separator and / or cleaned or washed. The cooling of the pyrolysis gas is preferably carried out at a temperature which is particularly favorable for the operation of the hydrogen separator. This may be, for example, 400 ° C, but under certain conditions, but also much less, namely a temperature near room temperature. The fact that the pyrolysis gas is cleaned or washed, the flue gas fractions and soot and other harmful particular solid ingredients of the pyrolysis gas removed from this. Thus, the pyrolysis gas for subsequent processes, especially for the hydrogen, well usable and does not pollute this example.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass nach der Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas, insbesondere aus dem gewaschenen und/oder gekühlten Pyrolysegas mittels eines Gasabscheiders der Kohlendioxidanteil des vom Wasserstoff größtenteils befreiten Pyrolysegases reduziert wird. Furthermore, it is advantageous that, after the separation of the high-purity hydrogen from the pyrolysis gas, in particular from the washed and / or cooled pyrolysis gas by means of a gas separator, the carbon dioxide content of the pyrolysis gas largely freed from the hydrogen is reduced.
Eine Vorrichtung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 6 auf. Demnach weist die Vorrichtung eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen auf. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann. Hierbei ist ein hoher Eisenanteil von vorzugsweise mehr als 99,8% entscheidend, zusammen mit einem geringen Anteil von Fremdstoffen. Übrige Bestandteile des Gasgemisches, welcher aus diversen Gasen bestehen kann, werden von einer solchen semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten und begünstigen sogar den Durchtritt des Wasserstoffs. Es hat sich herausgestellt, dass mittels dieser Vorrichtung die Abscheidung von Wasserstoff aus jedem Gasgemisch, das Wasserstoff enthält, möglich ist. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase des Gasgemisches werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten. An apparatus for solving the above-mentioned problem has the features of claim 6. Accordingly, the device has a semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron. A partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized by the fact that only hydrogen can penetrate them. Here, a high iron content of preferably more than 99.8% is crucial, together with a small proportion of foreign substances. Other constituents of the gas mixture, which may consist of various gases, are retained by such a semi-permeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron and even favor the passage of the hydrogen. It has been found that the separation of hydrogen from any gas mixture containing hydrogen is possible by means of this device. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs. The hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron. The resulting hydrogen fumes can, due to the lattice structure of the ferritic iron or of the pig iron, migrate through the wall body. Here, the driving force is the concentration gradient of hydrogen. On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom. Thus, only the hydrogen is passed through the wall body, other gases of the gas mixture are retained due to their much larger atoms.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff ein einen Innenraum umgebendes Gehäuse mit zumindest einer, im Gehäuse angeordneten, einen mit einem Teil des Gasgemisches zumindest teilweise gefüllten Bereich abtrennende semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen auf. Eine solche Vorrichtung trennt den Wasserstoff vom übrigen Gasgemisch. Damit ist der Wasserstoff getrennt vom übrigen Gasgemisch, welches z.B. als Brenngas z.B. einer Verbrennungskraftmaschine oder einer anderen Verwendung zuführbar ist, zur Erzeugung von elektrischer Energie, z.B. in einer Brennstoffzelle, verwendbar. Es ist auch denkbar, nur den Wasserstoff zu verwenden bzw. mittels der Vorrichtung Wasserstoffgas von Verunreinigungen durch andere Gase zu befreien und damit aufzukonzentrieren, bzw. hochrein zu machen. According to a preferred development of the invention, the device for separating hydrogen has a housing surrounding an interior space with at least one semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron, which is arranged in the housing and separates a region which is at least partially filled with a part of the gas mixture. Such a device separates the hydrogen from the rest of the gas mixture. Thus, the hydrogen is separated from the rest of the gas mixture, which For example, as a fuel gas, for example, an internal combustion engine or other use can be fed, for the production of electrical energy, for example in a fuel cell, usable. It is also conceivable to use only the hydrogen or by means of the device to liberate hydrogen gas from impurities by other gases and thus to concentrate, or to make highly pure.
Bevorzugt weist der zumindest teilweise mit einem Teil des Gasgemisches gefüllte Bereich zumindest einen Zufluss und einen Abfluss und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss auf. Damit wird erreicht, dass das in die Vorrichtung geleitete Gasgemisch durch den Zufluss in den mit zumindest einem Teil des Gasgemisches gefüllten Bereich eingeleitet werden kann. Sodann kann der Wasserstoff mittels der semipermeablen Trennwand vorzugsweise größtenteils aus dem Gasstrom abgeschieden werden und das vom Wasserstoff vorzugsweise größtenteils befreite Gasgemisch als Brenngas oder für eine andere Verwendung vom Abfluss aus abgeleitet werden. Der Wasserstoff kann durch den Abfluss des zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereiches abgeführt und anderweitig verwendet werden, z.B. als Brenn- bzw. Treibgas für eine Brennstoffzelle. The region filled at least partially with a part of the gas mixture preferably has at least one inflow and outflow and the region, which is usually filled with hydrogen, at least one outflow. This ensures that the gas mixture conducted into the device can be introduced through the inflow into the region filled with at least part of the gas mixture. The hydrogen can then be largely separated from the gas stream by means of the semi-permeable partition wall, and the gas mixture, which is preferably freed from the hydrogen for the most part, can be discharged from the outflow as fuel gas or for another use. The hydrogen can be removed by the outflow of the mostly hydrogen-filled region and used elsewhere, e.g. as fuel for a fuel cell.
Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest eine Außenwand aus einem Edelstahl auf. Edelstahl ist für Wasserstoff nicht permeabel. Die Außenwand des Gehäuses kann damit als Sammelbehälter für den abgeschiedenen Wasserstoff dienen. Der aus den Trennwänden austretende Wasserstoff kann innerhalb des Gehäuses aufgefangen werden und kann in mittels eines angeschlossenen Ableitungsrohres in einen Speicherbehälter gefördert werden. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse auf einer dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich zugewandten Innenseite eine Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung ist besonders undurchlässig für den Wasserstoff, so dass dieser noch zuverlässiger und verlustfreier gesammelt wird. Insbesondere ist jeder nach der Vorrichtung angrenzende und damit mit hochreinem Wasserstoff zumindest teilweise gefüllte Bereich derart ausgebildet. Preferably, the housing has at least one outer wall of a stainless steel. Stainless steel is not permeable to hydrogen. The outer wall of the housing can thus serve as a collecting container for the separated hydrogen. The hydrogen emerging from the partitions can be collected within the housing and can be conveyed into a storage container by means of a connected discharge pipe. Particularly preferably, the housing has a coating of enamel on an inner side facing the region, which is usually filled with hydrogen. This coating is particularly impermeable to the hydrogen, so that it is collected even more reliable and lossless. In particular, each area adjacent to the device and thus at least partially filled with high-purity hydrogen is designed in such a way.
Bevorzugt ist die zumindest eine semipermeable Trennwand ein Rohr aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, durch das das Gasgemisch hindurchführbar ist. Die rohrförmige Ausbildung der semipermeablen Trennwand ermöglicht einen einfachen Aufbau der Vorrichtung. Weiterhin ist damit eine große Oberfläche der semipermeablen Trennwand ohne hohen konstruktiven Aufwand zu erreichen. Zudem ist eine rohrförmige semipermeable Trennwand bestmöglich druckstabil gegenüber einem eventuell unter Überdruck eingeführten Gasgemisch. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung mehrere, vorzugsweise gleiche Rohre angeordnet. Diese Anordnung macht die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt. Die Rohre dienen zur Durchleitung des wasserstoffreichen Gasgemisches, wogegen der Raum außerhalb der Rohre, jedoch innerhalb des Gehäuses, zur Aufnahme und Ableitung des Wasserstoffs dient. Durch die Ausbildung als Rohre ist die Oberfläche der semipermeablen Trennwand gegenüber der Größe der gesamten Vorrichtung besonders groß. Vorzugsweise sind die Rohre innerhalb des Gehäuses in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet bzw. weitestgehend gleich ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Gasgemisch außerhalb des Rohrs bzw. der Rohre entlang zu leiten und den Wasserstoff innerhalb des Rohrs oder der Rohre abzuleiten. Preferably, the at least one semipermeable partition is a tube of ferritic iron or pig iron or pure iron, through which the gas mixture can be passed. The tubular design of the semipermeable partition allows a simple construction of the device. Furthermore, so that a large surface of the semipermeable partition without high design effort to achieve. In addition, a tubular semipermeable partition wall is best possible pressure-stable with respect to a possibly introduced under pressure gas mixture. According to a preferred development of the device, several, preferably identical tubes are arranged within the housing of the device. This arrangement makes the device according to the invention particularly compact. The tubes are used to pass the hydrogen-rich gas mixture, whereas the space outside the tubes, but within the housing, serves to absorb and dissipate the hydrogen. By forming tubes as the surface of the semipermeable partition against the size of the entire device is particularly large. Preferably, the tubes are arranged within the housing at an equal distance from each other or formed largely the same. However, it is also possible to direct the gas mixture outside the pipe or pipes and to discharge the hydrogen within the pipe or pipes.
Bevorzugt ist innerhalb des Gehäuses je eine Kammer angeordnet zur Aufteilung des Gasflusses in die Rohre und zur Zusammenführung des Gasflusses aus den Rohren. Diese Kammern ermöglichen den Anschluss der Vorrichtung durch je ein Rohr, welches in die jeweilige Kammer mündet bzw. aus der jeweiligen Kammer herausführt. Damit wird der Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders einfach gestaltet. A chamber is preferably arranged within the housing for dividing the gas flow into the tubes and for bringing together the gas flow from the tubes. These chambers allow the connection of the device by a respective tube, which opens into the respective chamber and leads out of the respective chamber. Thus, the connection of the device according to the invention is designed particularly simple.
Besonders bevorzugt sind vor und/oder innerhalb des mindestens einen Rohres zur Bildung der semipermeablen Trennwand Mittel angeordnet zur Turbulenthaltung der Strömung innerhalb des Rohres. Diese Mittel sind beispielsweise aus der Wandung des Rohres hervorstehende Leitbleche oder dergleichen. Die Turbulenthaltung der Strömung bewirkt eine Erhöhung des Diffusionsgrades des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand, da die Auftreffwahrscheinlichkeit der Wasserstoffmolekühle an der semipermeablen Trennwand durch eine turbulente Strömung erhöht wird. Particularly preferably, means are arranged in front of and / or within the at least one tube for forming the semipermeable partition wall for keeping the flow within the tube turbulent. These means are, for example, from the wall of the tube projecting baffles or the like. The turbulent attitude of the flow causes an increase in the degree of diffusion of hydrogen through the semipermeable partition wall, since the impact probability of the hydrogen molecules is increased at the semipermeable partition by a turbulent flow.
Vorzugsweise ist das der Vorrichtung zugeführte Gasgemisch heiß oder erwärmt zuführbar, insbesondere Heizbar. Es hat sich herausgestellt, dass die Menge des durch die semipermeable Trennwand hindurchtretenden Wasserstoffs aus dem Gasgemisch durch eine hohe Temperatur je nach dem, welche Bestandteile das Gasgemisch enthält, vergrößert wird. Bevorzugt liegt diese Temperatur im Bereich von 400°C. Insbesondere kann ein aus einem vorhergehenden Prozessschritt heiß austretender Gasstrom der Vorrichtung so zugeführt werden, dass seine Temperatur im Bereich von 400°C liegt. Dann ist keine zusätzliche Heizung notwendig. Es kann aber auch, je nach Bestandteilen des Gasgemisches, vorteilhaft sein, das Gasgemisch bei Raumtemperatur einzuleiten. Preferably, the gas mixture supplied to the device is hot or heated fed, in particular heatable. It has been found that the amount of hydrogen passing through the semipermeable partition from the gas mixture is increased by a high temperature, depending on which constituents the gas mixture contains. Preferably, this temperature is in the range of 400 ° C. In particular, a gas stream which exits hot from a preceding process step can be supplied to the device such that its temperature is in the region of 400 ° C. Then no additional heating is necessary. However, it may also be advantageous, depending on the constituents of the gas mixture, to introduce the gas mixture at room temperature.
Weiterhin hat es sich als besonders Vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gehäuse und/oder der Innenraum des Gehäuses der Vorrichtung kühlbar ist. Kühlere Temperaturen an der der Innenwand des Gehäuses und damit dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich des Gehäuses zugewandten Seite der semipermeablen Trennwand begünstigt die Rekombination des Wasserstoffs und steigert somit das Diffusionsgefälle an der Trennwand von der zumindest teilweise mit einem Teil des Gasstroms umgebenen Seite zu der zumeist mit Wasserstoff umgebenen Seite der semipermeablen Trennwand. Furthermore, it has been found to be particularly advantageous if the housing and / or the interior of the housing of the device can be cooled. Cooler temperatures at the Inner wall of the housing and thus the usually filled with hydrogen region of the housing side facing the semipermeable partition favors the recombination of hydrogen and thus increases the diffusion gradient at the partition of the at least partially surrounded by a part of the gas stream side to the mostly surrounded with hydrogen side of the semipermeable partition.
Besonders bevorzugt ist ein Kompressor oder eine Pumpe vorgesehen, mittels dem bzw. der das Gasgemisch der Vorrichtung unter erhöhtem Druck zuführbar ist. Damit wird die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch gegenüber der Umgebung und dem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich erhöht. Das größere Konzentrationsgefälle erhöht damit den Durchsatz an Wasserstoff. Weiterhin kann für den zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich eine Pumpe, insbesondere eine Vakuumpumpe, vorgesehen sein, mittels der der Druck in diesem Bereich verkleinert wird. Auch dies erhöht das Konzentrationsgefälle an der semipermeablen Trennwand und steigert damit den Wasserstoffdurchsatz. Diese Pumpe bzw. Vakuumpumpe kann auch dazu genutzt werden, den abgeschiedenen Wasserstoff in Drucktanks zu fördern. Dann ist nur eine Pumpe notwendig. Particularly preferably, a compressor or a pump is provided, by means of which or the gas mixture of the device can be supplied under elevated pressure. Thus, the concentration of hydrogen in the gas mixture relative to the environment and at least largely filled with hydrogen area is increased. The larger concentration gradient thus increases the throughput of hydrogen. Furthermore, a pump, in particular a vacuum pump, can be provided for the at least largely hydrogen-filled region by means of which the pressure in this region is reduced. This also increases the concentration gradient at the semipermeable partition wall and thus increases the hydrogen throughput. This pump or vacuum pump can also be used to promote the separated hydrogen in pressure tanks. Then only one pump is necessary.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Rohr, vorzugsweise alle Rohre, zur Bildung der semipermeablen Trennwand Bereiche geringer Wandstärke und Bereiche hoher Wandstärke auf. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht im Bereich geringer Wandstärken eine Steigerung der Diffusion des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand. Die Bereiche größerer Wandstärke dienen zur Stabilisierung der Rohrwandung gegen den eventuell hohen Druck des Gasgemisches. According to a preferred embodiment of the invention, the tube, preferably all tubes, to form the semipermeable partition wall areas of low wall thickness and areas of high wall thickness. This embodiment of the invention makes it possible in the region of low wall thicknesses to increase the diffusion of the hydrogen through the semipermeable partition wall. The areas of greater wall thickness serve to stabilize the pipe wall against the possibly high pressure of the gas mixture.
Vorzugsweise sind die Bereiche großer Wandstärke netzartig ausgebildet. Eine solche netzartige Stützstruktur macht eine rohrförmig ausgebildete semipermeable Trennwand besonders stabil. Weiterhin ist es vorteilhaft, die netzartige Stützstruktur gleichmäßig bzw. annähernd gleichmäßig auszubilden. Es ist zudem denkbar, die Bereiche geringer Wandstärke zumindest annähernd in Form von Rechtecken auszubilden. Vorzugsweise sind dabei alle Bereiche geringer Wandstärke gleich geformt. Diese, gleichmäßige Ausbildung der Bereiche geringer Wandstärke sind mit einfachen Mitteln herstellbar. Die Anordnung der rechteckigen oder zumindest annähernd rechteckigen Bereiche geringer Wandstärke in Richtung der Längserstreckung des jeweiligen Rohres lässt eine besonders stabile netzartige Stützstruktur durch die Bereiche größerer Wandstärke zu. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die semipermeable Trennwand magnetisch anregbar, vorzugsweise durch ein magnetisches Wechselfeld. Ein Magnetfeld, vorzugsweise ein magnetisches Wechselfeld begünstigt die Diffusion von Wasserstoffrümpfen durch die semipermeable Trennwand derart, dass der Wasserstoffdruchsatz signifikant erhöht wird. Demnach wird durch die magnetische Anregung die Menge des abgeschiedenen Wasserstoffs erhöht. Preferably, the regions of large wall thickness are formed like a net. Such a net-like support structure makes a tubular semipermeable partition particularly stable. Furthermore, it is advantageous to form the net-like support structure uniformly or approximately uniformly. It is also conceivable to form the areas of low wall thickness at least approximately in the form of rectangles. Preferably, all areas of low wall thickness are the same shape. This, uniform formation of the areas of low wall thickness can be produced by simple means. The arrangement of the rectangular or at least approximately rectangular regions of small wall thickness in the direction of the longitudinal extension of the respective tube allows for a particularly stable reticulated support structure through the regions of greater wall thickness. According to a preferred embodiment of the invention, the semipermeable partition is magnetically excited, preferably by a magnetic alternating field. A magnetic field, preferably an alternating magnetic field, promotes the diffusion of hydrogen fumes through the semipermeable partition such that hydrogen uptake is significantly increased. Accordingly, the amount of hydrogen deposited is increased by the magnetic excitation.
Besonders bevorzugt ist eine, vorzugsweise jede, als Rohr, also rohrförmig, ausgebildete semipermeable Trennwand umgeben von einem elektrischen Leiter, der mit einem elektrischen Strom, vorzugsweise einem elektrischen Wechselstrom, beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter spulenförmig um die rohrförmige semipermeable Trennwand angeordnet. Eine derartige Anordnung liefert ein magnetisches Wechselfeld, welches im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung der rohrförmigen semipermeablen Trennwand verläuft. Damit werden die Wasserstoffrümpfe senkrecht dazu, nämlich radial zur Längsachse der rohrförmigen semipermeablen Trennwand, zur Diffusion durch die semipermeable Trennwand angeregt. Damit wird die Wasserstoffabscheidung zusätzlich erhöht. Particularly preferred is a, preferably each, as a tube, so tubular, formed semipermeable partition surrounded by an electrical conductor, which is acted upon by an electric current, preferably an alternating electrical current. Particularly preferably, the electrical conductor is arranged in the form of a coil around the tubular semipermeable partition wall. Such an arrangement provides an alternating magnetic field which extends substantially in the direction of the longitudinal extent of the tubular semipermeable partition wall. Thus, the hydrogen fumes are excited perpendicular to it, namely radially to the longitudinal axis of the tubular semipermeable partition, for diffusion through the semipermeable partition. This additionally increases the hydrogen separation.
Bevorzugt kann auch die semipermeable Trennwand selbst mit einer Spannung, insbesondere mit einer Wechselspannung oder einer pulsierenden Gleichspannung beaufschlagt werden, um den Wasserstoffdurchsatz zusätzlich zu erhöhen. Preferably, the semipermeable partition itself can also be subjected to a voltage, in particular an alternating voltage or a pulsating direct voltage, in order to additionally increase the hydrogen throughput.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist jeder spulenförmige elektrische Leiter als Rohr ausgebildet, das vorzugsweise von einem Fluid, das zur Kühlung des Leiters nutzbar ist, durchflössen wird. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass der Leiter gekühlt wird und demnach seine elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Dadurch wird das magnetische Feld verstärkt. Weiterhin wird durch den gekühlten Leiter, der aufgrund seiner Anordnung um die rohrförmige semipermeable Trennwand herum in einem Bereich hoher Wasserstoffkonzentration, nämlich auf der Seite der semipermeablen Trennwand, in deren Richtung der Wasserstoff abgeschieden wird, angeordnet ist, der betreffende Bereich gekühlt. Dadurch wird die Rekombination von Wasserstoff begünstigt und der Wasserstoffdurchsatz erhöht. Vorzugsweise ist das Fluid zur Kühlung elektrisch nicht leitend, z.B. destilliertes Wasser. According to a development of the invention, each coil-shaped electrical conductor is designed as a tube, which is preferably flowed through by a fluid which can be used to cool the conductor. This arrangement has the advantage that the conductor is cooled and therefore its electrical conductivity is increased. This strengthens the magnetic field. Further, by the cooled conductor disposed by its arrangement around the tubular semipermeable partition in a region of high hydrogen concentration, namely on the side of the semipermeable partition in the direction of which the hydrogen is deposited, the area in question is cooled. This promotes the recombination of hydrogen and increases the hydrogen throughput. Preferably, the cooling fluid is electrically non-conductive, e.g. distilled water.
Weiterhin ist es denkbar die Oberfläche der semipermeablen Trennwand in der Resonanzfrequenz des Wasserstoffs zu bestrahlen, z.B. mit Licht im ultravioletten Farbbereich. Dies erhöht zusätzlich den Wasserstoffdurchtritt, da die Dissoziation desselben durch die Bestrahlung erleichtert wird. Furthermore, it is conceivable to irradiate the surface of the semipermeable partition in the resonance frequency of the hydrogen, for example with light in the ultraviolet Color range. This additionally increases the passage of hydrogen, since its dissociation is facilitated by the irradiation.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der abgeschiedene hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einem Wasserstoff-Druckspeicher speicherbar. Ein solcher Wasserstoff-Druckspeicher ermöglicht die Lagerung großer Mengen Wasserstoffs zur späteren Verwendung. According to a preferred embodiment of the invention, the separated high-purity hydrogen can be stored by means of a compressor in a hydrogen pressure accumulator. Such a hydrogen pressure accumulator allows the storage of large quantities of hydrogen for later use.
Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 9 auf. Demnach wird aus einem Gasgemisch mittels einer semipermeablen Trennwand, die zumindest größtenteils aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen besteht, Wasserstoff abgeschieden. Hierbei ist der Anteil von Eisen innerhalb der semipermeablen Trennwand entscheidend, dieser liegt insbesondere bei mehr als 99,8%. Weiterhin ist eine geringe Menge an Verunreinigungen im Werkstoff der semipermeablen Trennwand notwendig. Dann ist kann nur reiner Wasserstoff diese Trennwand durchdringen. Dadurch wird der Wasserstoff, welcher als hochwertiger Anteil des Gasgemisches abgeschieden wird, als hochreines Gas für andere Verwendungen nutzbar. Eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, welche bevorzugt nur für Wasserstoff permeabel ist, stellt sicher, dass nur der Wasserstoff abgeschieden wird. Damit kann besonders reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff abgeschieden werden. A method for solving the above-mentioned problem comprises the measures of claim 9. Accordingly, hydrogen is separated from a gas mixture by means of a semipermeable partition, which consists at least largely of ferritic iron or pig iron or pure iron. Here, the proportion of iron within the semipermeable partition is crucial, this is in particular more than 99.8%. Furthermore, a small amount of impurities in the material of the semipermeable partition is necessary. Then only pure hydrogen can penetrate this partition. As a result, the hydrogen, which is deposited as a high-quality fraction of the gas mixture, can be used as a high-purity gas for other uses. A semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron, which is preferably permeable only to hydrogen, ensures that only the hydrogen is separated. In this way, it is possible to deposit particularly pure, in particular highly pure, hydrogen.
Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann, wie oben beschrieben. Übrige Bestandteile des Gasgemisches, wie z.B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aber auch andere Gase, werden von der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Gasgemisch und/oder die semipermeable Trennwand bzw. deren Oberfläche mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt. Diese Anregung unterstützt die Dissoziation des Wasserstoffs an der semipermeablen Trennwand, so dass ein besonders hoher Wasserstoff-Massendurchsatz erreicht wird. A partition of ferritic iron or pig iron or pure iron is characterized in that only hydrogen can penetrate them, as described above. Other constituents of the gas mixture, such as methane, carbon dioxide and carbon monoxide, but also other gases, are retained by the semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron or pure iron. In this way, the deposition of hydrogen is possible with low material costs. The hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the semipermeable partition, where there is a high concentration of hydrogen, from the iron with loss of its electron. The resulting hydrogen fumes can, through the lattice structure of the ferritic iron or the pig iron or pure iron favors, migrate through the wall body. Here, the driving force is the concentration gradient of hydrogen. On the surface of the wall body, which has a low hydrogen concentration, the hydrogen recombines with an electron dissolved in the iron to form a hydrogen atom. Thus, only the hydrogen is passed through the wall body, other gases are retained due to their much larger atoms. According to a preferred embodiment of the method, the gas mixture and / or the semipermeable partition or its surface by means of radiation, preferably light in a frequency of natural resonances of hydrogen, excited. This excitation promotes the dissociation of hydrogen at the semipermeable partition so that a particularly high hydrogen mass flow rate is achieved.
Bevorzugt wird das Verfahren unter erhöhtem Druck und/oder unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Der Druck beträgt dabei vorzugsweise bis zu 10 bar, die Temperatur kann bis zu 400°C betragen, jedoch auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Diese Parameter begünstigen den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand, während andere Gase im Gasgemisch weiterhin zurückgehalten werden. Insbesondere eine Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen der semipermeablen Trennwand erhöht den Wasserstoffdurchtritt erheblich. The process is preferably carried out under elevated pressure and / or under elevated temperature. The pressure is preferably up to 10 bar, the temperature can be up to 400 ° C, but also in the range of room temperature. These parameters promote the passage of hydrogen through the semi-permeable bulkhead while still retaining other gases in the gas mixture. In particular, a pressure difference between the two surfaces of the semipermeable partition wall increases the hydrogen passage considerably.
Besonders bevorzugt wird die semipermeable Trennwand zur Vergrößerung des Wasserstoffdurchtritts mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Diese Elektrische Spannung wird bevorzugt als Wechselspannung oder als pulsierende Gleichspannung an die semipermeable Trennwand angelegt. Dieses Vorgehen steigert den Wasserstoffdurchsatz erheblich. Particularly preferably, the semipermeable partition is acted upon to increase the hydrogen passage with an electrical voltage. This electrical voltage is preferably applied as an AC voltage or as a pulsating DC voltage to the semipermeable partition. This procedure significantly increases the hydrogen throughput.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist die semipermeable Trennwand mit einem magnetischen Feld, vorzugsweise einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar. Dies steigert den Wasserstoffdurchsatz ebenfalls und kann auch in Kombination mit den vorherig oder nachfolgend genannten Maßnahmen durchgeführt werden. According to a development of the method, the semipermeable partition can be acted upon by a magnetic field, preferably an alternating magnetic field. This also increases the hydrogen throughput and can also be carried out in combination with the measures mentioned above or below.
Bevorzugt wird das Gasgemisch mittels eines Kompressors mit Überdruck dem Wasserstoffabscheider zugeführt. Durch den Überdruck des Gasgemisches wird die Konzentration der darin enthaltenen Gase im Verhältnis zur wasserstoffseitigen Umgebung innerhalb des Wasserstoffabscheiders deutlich erhöht. Ein damit erreichtes größeres Konzentrationsgefälle erhöht die Neigung des Wasserstoffs durch die Trennwand zu treten. Dies erhöht den Massendurchsatz und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich. Weiterhin ist der abgeschiedene Wasserstoff zu diesem Zweck vorzugsweise mit einem Unterdruck absaugbar. The gas mixture is preferably fed to the hydrogen separator by means of a compressor with overpressure. Due to the overpressure of the gas mixture, the concentration of the gases contained therein is significantly increased in relation to the hydrogen-side environment within the hydrogen separator. A larger concentration gradient achieved thereby increases the tendency of the hydrogen to pass through the partition wall. This considerably increases the mass throughput and the economic efficiency of the process. Furthermore, the separated hydrogen for this purpose is preferably sucked with a negative pressure.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einen Wasserstoff-Druckspeicher gefördert. Der so gespeicherte Wasserstoff kann dann über längere Zeit gespeichert oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden. According to a further preferred development of the method, the high-purity hydrogen is conveyed by means of a compressor into a hydrogen pressure accumulator. The so stored hydrogen can then be stored for a long time or supplied for further use.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Gasgemisch vor dessen Zuleitung zur semipermeablen Trennwand erhitzt wird. Dies begünstigt den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand zusätzlich. Furthermore, it is advantageous that the gas mixture is heated prior to its supply to the semipermeable partition. This additionally promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeigen: Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Fig. 1 Ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk mit einer Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs in einer schematischen Darstellung, 1 shows a small power plant according to the invention with a device for the separation of high-purity hydrogen in a schematic representation,
Fig. 2 die Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs der Fig. 1 in einer geschnittenen Seitenansicht, 2 shows the apparatus for the separation of high purity hydrogen of FIG. 1 in a sectional side view,
Fig. 3 der Schnitt A-A der Vorrichtung der Fig. 2, 3 shows the section A-A of the device of Fig. 2,
Fig. 4 die Einzelheit II der Figur 2, nämlich eine als Rohr ausgebildete semipermeable Trennwand der Vorrichtung der Fig. 2 und 3 mit einem sie umgebenden rohrartigen Leiter, FIG. 4 shows the detail II of FIG. 2, namely a pipe-shaped semipermeable partition wall of the apparatus of FIGS. 2 and 3 with a tubular conductor surrounding it, FIG.
Fig. 5 eine beispielhafte Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, 5 shows an exemplary arrangement with a device according to the invention for the separation of hydrogen,
Fig. 6 die Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff der Fig. 5 in einer geschnittenen Seitenansicht, FIG. 6 shows the device for separating hydrogen from FIG. 5 in a sectional side view, FIG.
Fig. 7 der Schnitt B-B der Fig. 6, sowie Fig. 7 is the section B-B of Fig. 6, as well
Fig. 8 die Einzelheit VI der Figur 6, nämlich eine als Rohr ausgebildete semipermeable Trennwand der Vorrichtung der Fig. 6 und 7 mit einem sie umgebenden, rohrartigen Leiter. Fig. 8 shows the detail VI of Figure 6, namely a tube formed as a semipermeable partition wall of the device of Figs. 6 and 7 with a surrounding tubular conductor.
Die Fig. 1 zeigt ein Kleinkraftwerk 10 in einer schematischen Darstellung. Insbesondere Rohrleitungen sowie die durch diese Rohrleitungen fließenden Stoffströme sind nur schematisch, also mit einem Pfeil, dargestellt. An einem F*feil befindliche Bezugsziffern bezeichnen sinngemäß den innerhalb der jeweiligen Rohrleitung geleiteten Stoffstrom ebenso wie die Rohleitung selbst, was der Übersichtlichkeit dienlich ist. Weiterhin wird anhand der Fig. 1. bis Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk ebenso beschrieben, wie das erfindungsgemäße Verfahren und auch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Beispielhaft innerhalb des Kleinkraftwerkes angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch insbesondere auch innerhalb anderer Anordnungen oder allein stehend zur Abscheidung bzw. Gewinnung von Wasserstoff aus anderen Gasgemischen als Pyrolysegas einsetzbar, wie in den Fig. 6. bis Fig. 8 dargestellt. Fig. 1 shows a small power plant 10 in a schematic representation. In particular, pipelines and the flowing through these pipes streams are only schematically, so with an arrow shown. Reference numerals attached to a license mutatis mutandis designate the flow of material conducted within the respective pipeline as well as the pipeline itself, which is useful for the sake of clarity. Furthermore, with reference to FIGS. 1 to 4, a small power station according to the invention is described as well as the method according to the invention and also the device according to the invention, which is arranged by way of example within the small power station. However, the device according to the invention can also be used, in particular, within other arrangements or alone for the separation or extraction of hydrogen from gas mixtures other than pyrolysis gas, as shown in FIGS. 6 to 8.
Das Kleinkraftwerk 10 weist einen Reaktor 11 auf, welcher ein Pyrolysereaktor ist und in welchen fester Brennstoff 47 durch einen Aufgabetrichter 12 eingebracht werden kann. Der feste Brennstoff, der vorzugsweise aus biologisch erzeugten bzw. nachwachsenden Rohstoffen besteht, wird innerhalb des Reaktors 10 mittels eines Pyrolyseverfahrens umgewandelt. Das innerhalb des Reaktors 11 erzeugbare Pyrolysegas besteht unter Anderem aus Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan und geringer Mengen anderer Gase. Der Reaktor weist einen Reaktorgehäuse 13 auf, in welches der in den Aufgabetrichter 12 eingebrachte Brennstoff eingebracht wird. Weiterhin weist der Reaktor 11 einen Aschekasten 14 auf, in welchem die aus dem Pyrolyseprozess entstehende Asche 55 gesammelt und gesondert entsorgt wird. The small power plant 10 has a reactor 11, which is a pyrolysis reactor and in which solid fuel 47 can be introduced through a feed hopper 12. The solid fuel, which preferably consists of biologically produced or renewable raw materials, is converted within the reactor 10 by means of a pyrolysis process. The pyrolysis gas which can be generated within the reactor 11 consists inter alia of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane and small amounts of other gases. The reactor has a reactor housing 13 into which the introduced into the hopper 12 fuel is introduced. Furthermore, the reactor 11 has an ash box 14, in which the ash 55 resulting from the pyrolysis process is collected and disposed of separately.
Innerhalb des Reaktors 11 wird der Brennstoff 47 unter Abschluss bzw. dosierter Zugabe von Luft bzw. in der Luft enthaltenen Sauerstoffs vergast. Das somit entstehende Pyrolysegas ist über eine Rohrleitung 15 einem Gaskühler 16 zuführbar. Dieser Gaskühler 16 kühlt das Pyrolysegas, welches mit bis zu 1200°C aus dem Reaktor 11 geführt wird, auf eine Temperatur von vorzugsweise etwa 400°C ab. Nach dem Gaskühler 16 ist eine Rohrleitung 17 angeordnet, durch welche das gekühlte Pyrolysegas einem Gaswäscher 18 zuführbar ist. Der Gaswäscher befreit das Pyrolysegas zumindest weitestgehend von festen Bestandteilen und Rauchgas, wie z.B. Asche und Staub und wäscht es damit. Das so konditionierte Pyrolysegas wird im Weiteren als Rohgas bezeichnet. Within the reactor 11, the fuel 47 is gasified with completion or metered addition of air or oxygen contained in the air. The resulting pyrolysis gas can be fed via a pipe 15 to a gas cooler 16. This gas cooler 16 cools the pyrolysis gas, which is conducted at up to 1200 ° C from the reactor 11, to a temperature of preferably about 400 ° C. After the gas cooler 16, a pipe 17 is arranged, through which the cooled pyrolysis gas can be fed to a gas scrubber 18. The scrubber frees the pyrolysis gas at least as much as possible from solid components and flue gas, such as e.g. Ash and dust and wash it with it. The pyrolysis gas conditioned in this way is referred to below as raw gas.
Durch eine an den Gaswäscher 18 angeschlossene Rohrleitung 19 ist das Rohgas mittels eines Kompressors 20 über eine Rohrleitung 23 einer Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, im Folgenden Wasserstoffweiche 22 genannt, zuführbar. Innerhalb der Wasserstoffweiche 22 kann das Rohgas vom Wasserstoff zumindest größtenteils befreit werden und ist als Brenngas über eine Rohrleitung 25 einem Gasabscheider 24 zuführbar. Der Gasabscheider 24 trennt das im Brenngas enthaltene Kohlendioxid zumindest größtenteils vom Brenngas. Das Kohlendioxid kann dann über eine Rohrleitung 43 einer anderweitigen Verwendung zugeführt werden. By means of a pipe 19 connected to the gas scrubber 18, the raw gas can be fed by means of a compressor 20 via a pipe 23 to a device for separating hydrogen, referred to hereafter as a hydrogen switch 22. Within the hydrogen diverter 22, the raw gas can be at least largely freed from hydrogen and can be supplied as fuel gas via a pipe 25 to a gas separator 24. The gas separator 24 separates the carbon dioxide contained in the fuel gas at least mostly from fuel gas. The carbon dioxide can then be supplied via a pipe 43 for other use.
Der innerhalb der Wasserstoffweiche 22 aus dem Rohgas abgeschiedene Wasserstoff 56 kann mittels eines weiteren Kompressors 57 einem Wasserstoff-Drucktank 58 zugeführt und in diesem unter hohem Druck gespeichert werden. The separated within the hydrogen gate 22 from the raw gas 56 hydrogen can be supplied by means of another compressor 57 a hydrogen pressure tank 58 and stored in this under high pressure.
Durch eine Rohrleitung 44 ist das Brenngas, welches zumindest größtenteils von Kohlendioxid befreit ist, einer Verbrennungskraftmaschine, im gezeigten Beispiel einem Verbrennungsmotor 26 zuführbar. Dadurch, dass das Brenngas vom Wasserstoff und Kohlendioxid zumindest größtenteils befreit wurde, besteht es überwiegend nur noch aus Methan und Kohlenmonoxid. Dieses Gasgemisch ist besonders geeignet für die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsmotors 26. An den Verbrennungsmotor 26 angeschlossen ist ein Generator 27, welcher die vom Verbrennungsmotor 26 durch die Verbrennung des Brenngases erzeugte und über eine Welle 28 an den Generator 27 abgegebene Leistung in elektrische Energie wandeln kann. Through a pipe 44, the fuel gas, which is at least largely freed from carbon dioxide, an internal combustion engine, in the example shown an internal combustion engine 26 can be fed. The fact that the fuel gas was at least largely freed from hydrogen and carbon dioxide, it consists mainly only of methane and carbon monoxide. This gas mixture is particularly suitable for combustion within the internal combustion engine 26. Connected to the internal combustion engine 26 is a generator 27, which can convert the power generated by the internal combustion engine 26 by the combustion of the fuel gas and output via a shaft 28 to the generator 27 into electrical energy ,
Mittels eines Kühlwasserwärmetauschers 45 kann die im Verbrennungsmotor 26 überschüssige Wärme einem Vortrockner 46 zugeführt werden. Dieser Vortrockner 46 dient der Reduzierung des Wassergehaltes des dem Reaktor 11 über den Aufgabetrichter 12 zugeführten Brennstoffs 47. By means of a cooling water heat exchanger 45, the excess heat in the internal combustion engine 26 can be supplied to a pre-dryer 46. This pre-dryer 46 serves to reduce the water content of the fuel 47 fed to the reactor 11 via the feed hopper 12.
Weiterhin weist der Verbrennungsmotor 26 einen Abgaswärmetauscher 48 auf. Mittels dieses Abgaswärmetauschers kann die im Abgas 49 des Verbrennungsmotors 26 enthaltene Wärme ebenfalls dem Vortrockner 46 zugeführt werden. Die vom Verbrennungsmotor 26 in Form von Wärme abgegebene, nicht zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzte, Energie wird so im besten Fall vollständig in den Prozess zurückgeführt. Furthermore, the internal combustion engine 26 has an exhaust gas heat exchanger 48. By means of this exhaust gas heat exchanger, the heat contained in the exhaust gas 49 of the internal combustion engine 26 can also be supplied to the pre-drier 46. The energy emitted by the combustion engine 26 in the form of heat and not used to generate electrical energy is thus at best completely recycled into the process.
Zusätzlich weist das Kleinkraftwerk 10 einen Abgaskondensator 50 auf, mittels dessen das Abgas 49 von Restfeuchte befreit werden kann. Das dann trockene Abgas 51 kann dann in die Umwelt abgegeben werden. Das aus dem Abgaskondensator 50 herausströmende Wasser 52 kann einem Dampferzeuger 53 zugeführt werden, wodurch es als Wasserdampf 54 wiederum dem Reaktor 11 zuführbar ist. Diese Zuführung von Wasserdampf 54 in den Reaktor macht den im Pyrolysegas 15 enthaltenen Wasserstoffanteil in gewissen Grenzen steuerbar. Eine größere Menge zugeführten Wasserdampfes 54 lässt den Wasserstoffanteil im Pyrolysegas 15 ansteigen, eine geringere Menge zugeführten Wasserdampfes 54 lässt den Wasserstoffanteil im Pyrolysegas 15 sinken. Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Wasserstoffweiche 22 in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. in einer geschnittenen Vorderansicht. Die Wasserstoffweiche 22 ist zur Abscheidung von Wasserstoff aus dem Pyrolysegas geeignet und wird in dieser Funktion beispielhaft erklärt. Weiterhin ist die Wasserstoffweiche 22 aber auch zur Abscheidung von Wasserstoff aus jedem denkbaren Gasgemisch, das Wasserstoff enthält, einsetzbar. In addition, the small power station 10 has an exhaust gas condenser 50, by means of which the exhaust gas 49 can be freed of residual moisture. The then dry exhaust gas 51 can then be released into the environment. The water 52 flowing out of the exhaust gas condenser 50 can be supplied to a steam generator 53, as a result of which it can be fed to the reactor 11 as water vapor 54. This supply of water vapor 54 in the reactor makes the hydrogen content contained in the pyrolysis 15 controllable within certain limits. A larger amount of supplied water vapor 54 increases the hydrogen content in the pyrolysis gas 15, a smaller amount of supplied water vapor 54 causes the hydrogen content in the pyrolysis gas 15 to decrease. FIGS. 2 and 3 show the hydrogen divider 22 in a sectional side view and in a sectional front view, respectively. The hydrogen diverter 22 is suitable for separating hydrogen from the pyrolysis gas and is explained by way of example in this function. Furthermore, the hydrogen diverter 22 but also for the deposition of hydrogen from any conceivable gas mixture containing hydrogen, can be used.
Die Wasserstoffweiche 22 weist ein zumindest annähernd zylinderförmiges Gehäuse 30 aus vorzugsweise Edelstahl auf. Es ist jedoch auch jeder andere Werkstoff mit geringer oder keiner Permeabilität für Wasserstoff verwendbar. Weiterhin ist jede andere Form für das Gehäuse denkbar. Das Gehäuse 30 umgibt einen Innenraum 31 der Wasserstoffweiche 22, welcher durch eine Innenseite des Gehäuses 30 begrenzt wird. Die Innenseite des Gehäuses 30 weist eine nicht gezeigte Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung weist eine besonders geringe Permeabilität für Wasserstoff auf und macht das Gehäuse 30 damit für Wasserstoff nicht durchdringbar. The hydrogen diverter 22 has an at least approximately cylindrical housing 30 of preferably stainless steel. However, any other material with little or no hydrogen permeability is also usable. Furthermore, any other shape for the housing is conceivable. The housing 30 surrounds an interior 31 of the hydrogen diverter 22, which is delimited by an inner side of the housing 30. The inside of the housing 30 has a coating of enamel, not shown. This coating has a particularly low permeability to hydrogen and makes the housing 30 so hydrogen-penetrable.
Innerhalb des Gehäuses 30 sind weiterhin Trennwände 33 und 39 angeordnet, welche das Gehäuse 30 in drei Kammern teilen. Zwei der Kammern sind an je einem Ende des zylinderförmigen Gehäuses 30 angeordnet und etwa gleich groß. Diese sind eine Trennkammer 34 und eine Sammelkammer 35. Eine Kammer, nämlich eine Wasserstoffkammer 42 zwischen den Trennwänden 33 und 39, ist wesentlich Größer als die beiden übrigen Kammern und nimmt einen Großteil des Innenraumes des Gehäuses 30 ein. Within the housing 30 further partition walls 33 and 39 are arranged, which divide the housing 30 into three chambers. Two of the chambers are arranged at one end of the cylindrical housing 30 and about the same size. These are a separation chamber 34 and a collection chamber 35. A chamber, namely a hydrogen chamber 42 between the partitions 33 and 39, is substantially larger than the two remaining chambers and occupies a major portion of the interior of the housing 30.
Zwischen den Trennwänden 33 und 39 sind parallel zur Längserstreckung der Wasserstoffweiche 22 Rohre 32 angeordnet. Die Rohre 32 weisen einen gleichen, runden Querschnitt auf. Die Rohre 32 sind aus ferritischem Eisen, Roheisen oder Reineisen mit einem Eisenanteil von mehr als 99,8% gebildet und weisen eine Wandstärke von vorzugsweise unter 0,5 mm auf. Insbesondere beträgt deren Wandstärke nur 0,2 mm. Die Rohre verbinden durch Durchbrüche 38 in den Trennwänden 33 und 39 die Trennkammer 34 und die Sammelkammer 35 miteinander. Between the partitions 33 and 39, tubes 32 are arranged parallel to the longitudinal extent of the hydrogen diverter 22. The tubes 32 have a same, round cross-section. The tubes 32 are formed of ferritic iron, pig iron or pure iron with an iron content of more than 99.8% and have a wall thickness of preferably less than 0.5 mm. In particular, their wall thickness is only 0.2 mm. The tubes connect through openings 38 in the partitions 33 and 39, the separation chamber 34 and the collection chamber 35 with each other.
Die Rohre 32 sind innerhalb des Gehäuses 30 in einem gleichmäßigen Schema angeordnet und verlaufen insbesondere parallel zueinander. Die Rohre 32 weisen größtenteils einen Gleichen Abstand zueinander auf, so dass der Raum innerhalb des Gehäuses bestmöglich mit Rohren 32 ausgefüllt ist. Die Rohre 32 trennen als semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen die Trennkammer 34 von der Wasserstoffkammer 42, also einen zumindest größtenteils mit Pyrolysegas oder einem anderen Gasgemisch gefüllten Bereicht vom einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff 56 gefüllten Bereich. The tubes 32 are arranged within the housing 30 in a uniform pattern and in particular run parallel to each other. The tubes 32 are largely equidistant from one another, so that the space within the housing is best filled with tubes 32. The tubes 32 separate as a semipermeable partition made of ferritic iron or pig iron, the separation chamber 34 of the hydrogen chamber 42, ie A region filled at least for the most part with pyrolysis gas or another gas mixture, of an area filled at least for the most part with hydrogen 56.
Innerhalb der Trennkammer 34 der Wasserstoffweiche 22 wird das über die Rohrleitung 23 durch eine Zuführung 36 einströmende Rohgas oder jedes andere Gasgemisch in die Rohre 32 aufgeteilt. Damit steht zur Abscheidung des Wasserstoffes die gesamte Wandfläche aller Rohre 32 zur Verfügung. Der Wasserstoff wird von der jeweiligen als Rohr 32 ausgebildeten semipermeablen Trennwand adsorbiert und tritt auf der Seite der Wasserstoffkammer 42 wieder aus der semipermeablen Trennwand aus. Folglich ist innerhalb der Wasserstoffkammer 42 nach dem Abscheidungsprozess nur reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff 56 vorhanden, welcher über eine Wasserstoffabführung 40 und die Rohrleitung 56 mittels des Kompressors 57 dem Wasserstoffdruckspeicher 58 zuführbar ist. Wird die Wasserstoffweiche 22 innerhalb einer anderen Anordnung eingesetzt, so kann der Wasserstoff aus der Wasserstoffabführung 40 zur weiteren Verwendung abgezogen werden. Within the separation chamber 34 of the hydrogen diverter 22, the raw gas flowing in via the conduit 23 through a feed 36 or any other gas mixture is divided into the tubes 32. Thus, the entire wall surface of all tubes 32 is available for the deposition of hydrogen. The hydrogen is adsorbed by the respective semipermeable partition formed as a tube 32 and exits the semipermeable partition on the side of the hydrogen chamber 42. Consequently, only pure, in particular highly pure hydrogen 56 is present within the hydrogen chamber 42 after the deposition process, which can be supplied to the hydrogen pressure accumulator 58 via a hydrogen discharge 40 and the pipeline 56 by means of the compressor 57. If the hydrogen switch 22 is used within another arrangement, the hydrogen can be withdrawn from the hydrogen removal 40 for further use.
Mittels der Sammelkammer 35 wird das zumindest größtenteils vom Wasserstoff befreite Rohgas durch eine Abführung 37 in die Rohrleitung 25 geleitet und kann dem weiteren Prozess zugeführt werden. Wird die Wasserstoffweiche 22 zur Abtrennung von Wasserstoff aus einem anderen Gasgemisch eingesetzt, so kann er aus der Abführung 37 herausgeleitete, vom Wasserstoff größtenteils befreite Teil des Gasgemisches entweder weiterverwendet oder als Abfall entsorgt werden, falls nur der Wasserstoff verwendet werden soll. By means of the collection chamber 35, the at least largely freed of hydrogen raw gas is passed through an outlet 37 into the pipe 25 and can be supplied to the further process. If the hydrogen diverter 22 is used for the separation of hydrogen from another gas mixture, it can either be reused from the discharge 37, largely freed from hydrogen part of the gas mixture or disposed of as waste, if only the hydrogen is to be used.
Der Innenraum der Wasserstoffweiche 22, insbesondere die Trennkammer 34 oder die Zuführung 36 sind heizbar ausgebildet. Damit kann das in die Wasserstoffweiche eingeführte Rohgas oder andere Gasgemisch auf eine zur Abscheidung des Wasserstoffs besonders günstige Temperatur gebracht werden. Diese liegt insbesondere bei etwa 400°C, kann aber auch je nach Gasgemisch im Bereich der Raumtemperatur von etwa 20°C liegen. The interior of the hydrogen switch 22, in particular the separation chamber 34 or the supply 36 are designed to be heated. Thus, the introduced into the hydrogen gate raw gas or other gas mixture can be brought to a particularly favorable for the deposition of hydrogen temperature. This is especially at about 400 ° C, but may also be depending on the gas mixture in the range of room temperature of about 20 ° C.
Die Wasserstoffkammer 42 ist, obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kühlbar ausgebildet. Damit kann der durch die semipermeablen Trennwände, nämlich die Rohre 32 hindurch tretende Wasserstoff 56 gekühlt werden, wobei dadurch das Diffusionsgefälle für durch die Rohre 32 nachströmenden Wasserstoff 56 erhöht wird. Dies steigert ebenso den Wasserstoffdurchtritt durch die als Rohr 32 ausgebildete semipermeable Trennwand. Although not shown in the figures, the hydrogen chamber 42 is coolable. Thus, the hydrogen 56 passing through the semi-permeable partitions, namely the tubes 32, can be cooled, thereby increasing the diffusion gradient for the hydrogen 56 flowing through the tubes 32. This also increases the passage of hydrogen through the pipe 32 formed as a semipermeable partition.
An Kontaktpunkten 41 , von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige gezeigt sind, kann an die jeweilige als Rohr 32 ausgebildete semipermeablen Trennwand eine elektrische Spannung angelegt werden. Diese elektrische Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung, insbesondere eine pulsierende Gleichspannung. Dazu kann es sachdienlich sein, die Rohre 32 von der übrigen Wasserstoffweiche 22, insbesondere von den Trennwänden 33 bzw. 39, elektrisch zu isolieren. Der durch die elektrische Spannung bewirkte elektrische Strom fördert den Wasserstoffdurchtritt durch die semipermeable Trennwand, respektive durch die Wandungen der Rohre 32. Die Isolierung erfolgt vorzugsweise durch zwischen den Rohren 32 und den Trennwänden 33 bzw. 39 angeordnete Dichtungen, welche isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Dichtungen sind dabei elektrisch isolieren und gasdicht, insbesondere bei hohen Temperaturen, ausgebildet. At points of contact 41, of which only a few are shown for reasons of clarity, can be connected to the respective pipe 32 formed as a semipermeable partition an electrical Voltage to be applied. This electrical voltage is preferably an AC voltage, in particular a pulsating DC voltage. For this purpose, it may be useful to electrically isolate the tubes 32 from the remaining hydrogen switch 22, in particular from the partitions 33 and 39, respectively. The electrical current caused by the electrical voltage promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition, respectively through the walls of the tubes 32. The insulation preferably takes place by means of seals arranged between the tubes 32 and the partitions 33 and 39, which have insulating properties. The seals are electrically insulated and gas-tight, especially at high temperatures formed.
Die Rohre 32 weisen netzartige Bereiche 59 sowie von den netzartigen Bereichen 59 umgebene Felder 60 auf. In den netzartigen Bereichen 59 weisen die Rohre 23 eine größere Wandstärke auf als in den Feldern 60. Durch diese Ausbildung wird jedes Rohr 32 durch größere Wandstärke in den Bereichen 59 stabilisiert, insbesondere gegen den Innendruck des Pyrolysegases. Die geringe Wandstärke der Rohre 32 innerhalb der Felder 60 steigert den Wasserstoffdurchsatz. Dadurch sind die Rohre 32 stabil und dennoch für eine große Menge Wasserstoff durchlässig. The tubes 32 have net-like regions 59 and fields 60 surrounded by the net-like regions 59. In the net-like regions 59, the tubes 23 have a greater wall thickness than in the fields 60. With this design, each tube 32 is stabilized by greater wall thickness in the regions 59, in particular against the internal pressure of the pyrolysis gas. The small wall thickness of the tubes 32 within the fields 60 increases the hydrogen flow rate. As a result, the tubes 32 are stable and yet permeable to a large amount of hydrogen.
Weiterhin sind die Rohre 32, vorzugsweise alle Rohre 32, umgeben von spiralförmig angeordneten Leitern 61. Die Leiter 61 sind als selbst auch rohrförmig ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen leitfähigen Metall. Die Leiter 61 sind vom allen übrigen Bauteilen der Wasserstoffweiche 22 elektrisch isoliert. Dies geschieht durch gasdichte, insbesondere hochtemperatur-gasdichte Dichtungen, welche nicht dargestellt sind. Damit können die Leiter 61 aus dem Gehäuse 30 der Wasserstoffweiche 22 herausgeführt werden, ohne die Wasserstoffweiche 22 undicht werden zu lassen. Furthermore, the tubes 32, preferably all the tubes 32, are surrounded by spirally arranged conductors 61. The conductors 61 are themselves also tubular and are preferably made of copper or another conductive metal. The conductors 61 are electrically isolated from all other components of the hydrogen pair 22. This is done by gas-tight, in particular high-temperature gas-tight seals, which are not shown. Thus, the conductors 61 can be led out of the housing 30 of the hydrogen diverter 22 without causing the hydrogen diverter 22 to leak.
Die Leiter 61 sind derart angeordnet, dass sie die Rohre 32 in Form einer Spule umgeben. Die rohrförmigen und spiralförmigen Leiter 61 sind elektrisch kontaktier und werden von einem elektrischen Strom durchflössen Sie erzeugen durch eine annähernd deckungsgleiche Anordnung der Spulenachse zur Mittelachse des jeweiligen Rohres 32 ein Magnetfeld, welche zumindest annähernd parallel zur Mittelachse des jeweiligen Rohres 32 verläuft. Damit werden die in der Rohrwandung in Richtung nach Außen, nämlich in die Wasserstoffkammer 42 hinein diffundierenden Wasserstoffatome bzw. Wasserstoffrümpfe in Ihrer Diffusion beschleunigt. The conductors 61 are arranged so as to surround the tubes 32 in the form of a coil. The tubular and spiral conductors 61 are electrically contacted and are traversed by an electric current They generate by an approximately congruent arrangement of the coil axis to the central axis of the respective tube 32, a magnetic field which extends at least approximately parallel to the central axis of the respective tube 32. Thus, the hydrogen atoms or hydrogen fumes diffusing in the tube wall in the direction of the outside, namely into the hydrogen chamber 42, are accelerated in their diffusion.
Weiterhin ist der jeweilige rohrförmige Leiter von einem Kühlfluid durchströmt. Dadurch wird der Leiter 61 aber auch die Wasserstoffkammer 42 gekühlt. Diese Kühlung begünstigt die Rekombination der Wasserstoffatome in der Wasserstoffkammer 42 und damit den Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche 22. Zudem wird die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Leiters 61 und damit die Stärke des Magnetfeldes gesteigert. Somit wird der Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche 22 noch zusätzlich verstärkt. Furthermore, the respective tubular conductor is flowed through by a cooling fluid. As a result, the conductor 61 but also the hydrogen chamber 42 is cooled. This cooling favors the Recombination of the hydrogen atoms in the hydrogen chamber 42 and thus the hydrogen flow rate of the hydrogen diverter 22. In addition, the electrical conductivity of the respective conductor 61 and thus the strength of the magnetic field is increased. Thus, the hydrogen flow rate of the hydrogen gate 22 is further enhanced.
Das Kühlfluid, welches den jeweiligen Leiter 61 durchströmt, ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend. Es kann zum Beispiel Stickstoff oder ein anderes Gas verwendet werden. Auch Wasser ist als Kühlfluid denkbar, insbesondere destilliertes Wasser. The cooling fluid which flows through the respective conductor 61 is preferably electrically non-conductive. For example, nitrogen or another gas can be used. Water is also conceivable as a cooling fluid, in particular distilled water.
Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, anhand derer auch das Erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird. Die Anordnung ist dabei schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb der Anordnung wird im Folgenden als Wasserstoffweiche 62 bezeichnet. Eine Gasquelle 63 enthält ein Gasgemisch, welches auch Wasserstoff enthält. Das Gasgemisch wird mittels einer Rohrleitung 64 einer Pumpe, nämlich einem Kompressor 65 zugeleitet und in diesem Kompressor 65 verdichtet. Das so verdichtete Gasgemisch aus der Gasquelle 63 kann dann mittels einer weiteren Rohrleitung 66 der Wasserstoffweiche 62 zugeführt werden. FIG. 5 shows an arrangement with a device according to the invention for the separation of hydrogen, by means of which the method according to the invention is also explained. The arrangement is shown schematically. The device according to the invention within the arrangement is referred to below as the hydrogen switch 62. A gas source 63 contains a gas mixture which also contains hydrogen. The gas mixture is fed by means of a pipe 64 to a pump, namely a compressor 65 and compressed in this compressor 65. The thus compressed gas mixture from the gas source 63 can then be supplied by means of a further conduit 66 of the hydrogen diverter 62.
Dabei steht die Gasquelle 63 nur beispielhaft für eine Zuführung eines Gasgemisches, welches auch Wasserstoff enthält. Es können z.B. Prozessgase mit der Wasserstoffweiche 62 gereinigt bzw. deren Wasserstoffanteil nutzbar gemacht werden. Weiterhin ist denkbar, verschmutzten Wasserstoff durch die Wasserstoffweiche 62 zu leiten und damit hochreinen Wasserstoff zu erzeugen. Jedes Gasgemisch, kann aus der Gasquelle 63 eingeleitet werden in die Wasserstoffweiche 62. The gas source 63 is only an example of a supply of a gas mixture which also contains hydrogen. It can e.g. Process gases are cleaned with the hydrogen diverter 62 and their hydrogen content can be utilized. Furthermore, it is conceivable to pass polluted hydrogen through the hydrogen diverter 62 and thus to produce high-purity hydrogen. Each gas mixture may be introduced from the gas source 63 into the hydrogen switch 62.
Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen die Wasserstoffweiche 62 in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. in einer geschnittenen Vorderansicht. Die Wasserstoffweiche 62 ist zur Abscheidung von Wasserstoff aus dem Gasgemisch ausgeführt. Dabei kann die Wasserstoffweiche 62 Wasserstoff aus jeglichem Gasgemisch, welches Wasserstoff enthält, abscheiden und zwar reinen Wasserstoff. FIGS. 6 and 7 show the hydrogen divider 62 in a sectional side view and in a sectional front view, respectively. The hydrogen diverter 62 is designed to separate hydrogen from the gas mixture. In this case, the hydrogen diverter 62 can separate hydrogen from any gas mixture which contains hydrogen, namely pure hydrogen.
Es ist z.B. denkbar, dass bei anderen Prozessen abfallende Prozessgase mittels der Wasserstoffweiche 62 von Wasserstoff befreit werden. Weiterhin können Gasgemische aus der chemischen Industrie zur Gewinnung derer Wasserstoffanteile genutzt werden oder durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff gereinigt werden. Die Wasserstoffweiche 62 weist ein zumindest annähernd zylinderförmiges Gehäuse 67 aus vorzugsweise Edelstahl auf. Es ist jedoch auch jeder andere Werkstoff mit geringer oder keiner Permeabilität für Wasserstoff verwendbar. It is conceivable, for example, for process gases which drop off in other processes to be freed of hydrogen by means of the hydrogen diverter 62. Furthermore, gas mixtures from the chemical industry can be used to obtain their hydrogen content or be purified by electrolysis generated hydrogen. The hydrogen diverter 62 has an at least approximately cylindrical housing 67 of preferably stainless steel. However, any other material with little or no hydrogen permeability is also usable.
Es ist aber außer der zylinderförmigen Ausbildung des Gehäuses 67 auch jede andere Form des Gehäuses 67 denkbar. Das Gehäuse 67 umgibt einen Innenraum 69 der Wasserstoffweiche 62, welcher durch eine Innenseite des Gehäuses 667 begrenzt wird. Die Innenseite 68 des Gehäuses 62 weist eine nicht gezeigte Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung weist eine besonders geringe Permeabilität für Wasserstoff auf und macht das Gehäuse 67 damit für Wasserstoff nicht durchdringbar. But it is conceivable except the cylindrical shape of the housing 67 and any other shape of the housing 67. The housing 67 surrounds an interior 69 of the hydrogen diverter 62, which is bounded by an inner side of the housing 667. The inside 68 of the housing 62 has an enamel coating, not shown. This coating has a particularly low permeability to hydrogen and makes the housing 67 thus not permeable to hydrogen.
Innerhalb des Gehäuses 67 sind weiterhin Trennwände 70 und 71 angeordnet, welche das Gehäuse 67 in drei Kammern teilen. Zwei der Kammern sind an je einem Ende des zylinderförmigen Gehäuses 67 angeordnet und etwa gleich groß. Diese sind eine Trennkammer 72 und eine Sammelkammer 73. Eine Kammer, nämlich eine Wasserstoffkammer 74 zwischen den Trennwänden 70 und 71 , ist wesentlich Größer als die beiden übrigen Kammern und nimmt einen Großteil des Innenraumes 69 des Gehäuses 67 ein. Within the housing 67 partition walls 70 and 71 are further arranged, which divide the housing 67 into three chambers. Two of the chambers are arranged at one end of the cylindrical housing 67 and about the same size. These are a separation chamber 72 and a collection chamber 73. A chamber, namely a hydrogen chamber 74 between the partitions 70 and 71, is substantially larger than the two remaining chambers and occupies most of the interior 69 of the housing 67.
Zwischen den Trennwänden 70 und 71 sind parallel zur Längserstreckung der Wasserstoffweiche 62 Rohre 75 angeordnet. Die Rohre 75 weisen einen gleichen, runden Querschnitt auf. Die Rohre 75 sind aus ferritischem Eisen oder Roheisen gebildet und weisen eine Wandstärke von vorzugsweise unter 0,5 mm auf. Insbesondere beträgt deren Wandstärke nur 0,2 mm. Die Rohre 75 verbinden durch Durchbrüche 76 in den Trennwänden 70 und 71 die Trennkammer 72 und die Sammelkammer 73 miteinander, und zwar insbesondere Gasdicht gegenüber der Wasserstoffkammer 74. Between the partitions 70 and 71, pipes 75 are arranged parallel to the longitudinal extension of the hydrogen diverter 62. The tubes 75 have a same, round cross-section. The tubes 75 are formed of ferritic iron or pig iron and have a wall thickness of preferably less than 0.5 mm. In particular, their wall thickness is only 0.2 mm. The tubes 75 connect through breakthroughs 76 in the partitions 70 and 71, the separation chamber 72 and the collection chamber 73 with each other, in particular gas-tight relative to the hydrogen chamber 74th
Die Rohre 75 sind innerhalb des Gehäuses 67 in einem gleichmäßigen Schema angeordnet und verlaufen insbesondere parallel zueinander. Die Rohre 75 weisen zumindest annährernd einen Gleichen Abstand zueinander auf, so dass der Raum innerhalb des Gehäuses 67 bestmöglich mit Rohren 75 ausgefüllt ist. Die Rohre 75 trennen als semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen die Trennkammer 72 und die Sammelkammer 73 von der Wasserstoffkammer 74, also einen zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Bereicht vom einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich. Innerhalb der Trennkammer 72 der Wasserstoffweiche 62 wird das über die Rohrleitung 66 durch eine Zuführung 77 einströmende Gasgemisch in die Rohre 75 aufgeteilt. Damit steht zur Abscheidung des Wasserstoffes die gesamte Wandfläche aller Rohre 75 zur Verfügung. Der Wasserstoff wird von der jeweiligen als Rohr 75 ausgebildeten semipermeablen Trennwand adsorbiert und tritt auf der Seite der Wasserstoffkammer 74 wieder aus der semipermeablen Trennwand aus. Folglich ist innerhalb der Wasserstoffkammer 74 nach dem Abscheideprozess nur reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff vorhanden, welcher über eine Wasserstoffabführung 78 und eine Rohrleitung 79 mittels einer weiteren Pumpe, nämliche eines Kompressors 80 über eine Rohrleitung 82 einem Wasserstoffdruckspeicher 81 zuführbar ist. Außerdem ist es denkbar, dass der Wasserstoff aus der Wasserstoffabführung 78 zur weiteren Verwendung direkt genutzt wird, z.B. direkt einer Brennstoffzelle zugeführt wird. The tubes 75 are disposed within the housing 67 in a uniform pattern and in particular parallel to each other. The tubes 75 are at least approximately equidistant from each other, so that the space within the housing 67 is best filled with tubes 75. The tubes 75 separate as a semipermeable partition of ferritic iron or pig iron, the separation chamber 72 and the collection chamber 73 of the hydrogen chamber 74, so at least for the most part filled with the gas mixture from a region at least largely filled with hydrogen area. Within the separation chamber 72 of the hydrogen diverter 62, the gas mixture flowing in via the conduit 66 through a feed 77 is divided into the tubes 75. Thus, the entire wall surface of all tubes 75 is available for the deposition of hydrogen. The hydrogen is adsorbed by the respective semipermeable partition formed as a tube 75 and exits the semipermeable partition on the hydrogen chamber 74 side. Consequently, only pure, in particular highly pure hydrogen is present within the hydrogen chamber 74 after the deposition process, which can be supplied to a hydrogen pressure accumulator 81 via a hydrogen discharge 78 and a pipe 79 by means of a further pump, namely a compressor 80 via a pipe 82. In addition, it is conceivable that the hydrogen from the hydrogen discharge 78 is used directly for further use, for example, is supplied directly to a fuel cell.
Der Kompressor 65 kann zusätzlich dazu eingesetzt werden, das Gasgemisch auf ein höheres Druckniveau zu bringen. Der erhöhte Druck in den zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Kammern, nämlich der Trennkammer 72, der Rohre 72 sowie der Sammelkammer 73, erhöht das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs von der zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Seite der semipermeablen Trennwand zur zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Seite, nämlich der Wasserstoffkammer 74, und vergrößert somit den Wasserstoffdurchtritt und damit die abgeschiedene Wasserstoffmenge. The compressor 65 may additionally be used to bring the gas mixture to a higher pressure level. The increased pressure in the at least largely filled with the gas mixture chambers, namely the separation chamber 72, the tubes 72 and the collection chamber 73 increases the concentration gradient of the hydrogen from at least largely filled with the gas mixture side of the semipermeable partition to at least largely filled with hydrogen side That is, the hydrogen chamber 74, and thus increases the hydrogen passage and thus the amount of hydrogen separated.
Mittels der Sammelkammer 73 wird das zumindest größtenteils vom Wasserstoff befreite Gasgemisch durch eine Abführung 83 in eine Rohrleitung 84 geleitet. Dabei wird die Rohrleitung 84 von einer Ventileinheit 85 regelbar verschlossen, so dass das vom Wasserstoff größtenteils befreiten Gasgemisch oder Gas nicht ungehindert durch eine Rohrleitung 86 abfließen kann. Damit kann der Innendruck innerhalb der das Gasgemisch führenden Kammern, nämlich der Trennkammer 72, der Rohre 75 und der Sammelkammer 73, mittels der Ventileinheit 85 eingestellt werden. Die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch bzw. das Konzentrationsgefälle an der semipermeablen Trennwand kann damit für die Funktion der Vorrichtung positiv beeinflusst werden. By means of the collecting chamber 73, the at least largely freed of hydrogen gas mixture is passed through a discharge 83 into a pipe 84. The pipe 84 is controllably closed by a valve unit 85, so that the hydrogen gas for the most part freed gas mixture or gas can not flow unhindered through a pipe 86. Thus, the internal pressure within the gas mixture leading chambers, namely the separation chamber 72, the tubes 75 and the collection chamber 73, by means of the valve unit 85 can be adjusted. The concentration of hydrogen in the gas mixture or the concentration gradient at the semipermeable partition can thus be positively influenced for the function of the device.
Zusätzlich dient die Ventileinheit dazu, einen Teil des bereits teilweise von Wasserstoff befreiten Gasgemischs über eine Rückführungsleitung 91 zu einem Ventil 92 zu leiten. Mittels des Ventils 92 kann ein Teil des auf diese Weise rückgeführten Gasgemischs über eine Rohrleitung 94 in eine Einspeisung 93 wieder dem Kompressor 65 zugeführt werden. Damit ist ein Teil des Gasgemisches mehrfach und kontrolliert der Wasserstoffweiche 62 zuführbar. Dies erhöht die Ausbeute der Wasserstoffabscheidung erheblich, da die Konzentration in dem zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Bereich, nämlich der Trennkammer 72, der Rohre 75 und der Sammelkammer 73, konstant oder zumindest annähernd konstant gehalten werden kann. In addition, the valve unit serves to direct a part of the already partially hydrogen-free gas mixture via a return line 91 to a valve 92. By means of the valve 92, a portion of the gas mixture recirculated in this way can be returned to the compressor 65 via a pipe 94 in a feed 93. Thus, part of the gas mixture is multiple and controls the hydrogen switch 62 fed. This considerably increases the yield of hydrogen deposition, since the concentration in the region filled at least largely with the gas mixture, namely the separation chamber 72, the tubes 75 and the collection chamber 73, can be kept constant or at least approximately constant.
Weiterhin kann mittels des Kompressors 80 in der Rohrleitung 79 und damit auch in der Wasserstoffkammer 74 der Wasserstoffweiche 62 ein Unterdruck erzeugt werden. Dies kann gleichsam mit dem Einpressen des Wasserstoffs in den Wasserstoffdruckspeicher 81 erfolgen, so dass keine zusätzliche Pumpe benötigt wird. Damit wird ebenfalls das Konzentrationsgefälle an der semipermeblen Trennwand positiv beeinflusst, nämlich als Konzentrationsgefälle von der zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Bereich zum zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich, vergrößert. Furthermore, by means of the compressor 80 in the pipe 79 and thus also in the hydrogen chamber 74 of the hydrogen pair 62, a negative pressure can be generated. This can be done as it were with the injection of hydrogen into the hydrogen pressure accumulator 81, so that no additional pump is needed. Thus, the concentration gradient is also positively influenced on the semipermeable partition wall, namely as a concentration gradient of at least largely filled with the gas mixture area for at least for the most part filled with hydrogen area increased.
Je nach dem, für welches Gasgemisch die Wasserstoffweiche 62 zur Abtrennung von Wasserstoff eingesetzt wird, kann das größtenteils vom Wasserstoff befreite Gasgemisch aus der Rohrleitung 84 bzw. 86 herausgeleitet, und entweder weiterverwendet oder als Abfall entsorgt bzw. eventuell sogar in die Umwelt entlassen werden, falls nur der Wasserstoff verwendet werden soll bzw. das übrige Gasgemisch umweltverträglich ist. Depending on which gas mixture the hydrogen diverter 62 is used for separating hydrogen, the gas mixture largely freed from hydrogen can be led out of the piping 84 or 86 and either reused or disposed of as waste or possibly even released into the environment, if only the hydrogen should be used or the rest of the gas mixture is environmentally friendly.
Der Innenraum der Wasserstoffweiche 62, insbesondere die Trennkammer 72 und/oder die Zuführung 77 sind heizbar und/oder kühlbar ausgebildet, wobei dies in den Figuren nicht dargestellt ist. Damit kann das in die Wasserstoffweiche 62 eingeführte Gasgemisch auf eine zur Abscheidung des Wasserstoffs besonders günstige Temperatur gebracht werden. Diese liegt insbesondere bei etwa 400°C, kann aber auch je nach Gasgemisch auch im Bereich der Raumtemperatur von etwa 20°C liegen. The interior of the hydrogen diverter 62, in particular the separation chamber 72 and / or the supply 77, are designed to be heatable and / or coolable, although this is not shown in the figures. Thus, the introduced into the hydrogen diverter 62 gas mixture can be brought to a particularly favorable for the deposition of hydrogen temperature. This is in particular at about 400 ° C, but may also be in the range of room temperature of about 20 ° C depending on the gas mixture.
Die Wasserstoffkammer 74 ist, obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kühlbar ausgebildet. Damit kann der durch die semipermeablen Trennwände, nämlich die Rohre 75 hindurch tretende Wasserstoff bzw. gekühlt werden, wobei dadurch das Diffusionsgefälle für durch die Rohre 75 nachströmenden Wasserstoff erhöht wird. Dies steigert ebenso den Wasserstoffdurchtritt durch die als Rohr 75 ausgebildete semipermeable Trennwand. Although not shown in the figures, the hydrogen chamber 74 is coolable. Thus, the hydrogen passing through the semipermeable partitions, namely the tubes 75, can be cooled, thereby increasing the diffusion gradient for hydrogen flowing through the tubes 75. This also enhances the passage of hydrogen through the semipermeable partition formed as tube 75.
An Kontaktpunkten 87, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige gezeigt sind, kann an die jeweilige als Rohr 75 ausgebildete semipermeable Trennwand eine elektrische Spannung entlang des jeweiligen Rohres 75 angelegt werden. Diese elektrische Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung, insbesondere eine pulsierende Gleichspannung. Dazu kann es sachdienlich sein, die Rohre 75 von der übrigen Wasserstoffweiche 62, insbesondere von den Trennwänden 70 bzw. 71 , elektrisch zu isolieren. Der durch die elektrische Spannung bewirkte elektrische Strom fördert den Wasserstoffdurchtritt durch die semipermeable Trennwand, respektive durch die Wandungen der Rohre 75. Die Isolierung erfolgt vorzugsweise durch zwischen den Rohren 75 und den Trennwänden 70 bzw. 71 angeordnete Dichtungen, welche isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Dichtungen sind dabei elektrisch isolieren und gasdicht, insbesondere auch bei hohen Temperaturen gasdicht, ausgebildet. At contact points 87, of which only a few are shown for reasons of clarity, an electrical voltage can be applied to the respective tube 75 formed as a semipermeable partition wall along the respective tube 75. This electrical voltage is preferably an AC voltage, in particular a pulsating DC voltage. For this purpose, it may be useful, the tubes 75 from the remaining hydrogen switch 62, in particular of the partitions 70 and 71, to electrically isolate. The electrical current caused by the electrical voltage promotes the passage of hydrogen through the semipermeable partition wall or through the walls of the tubes 75. The insulation preferably takes place by means of seals arranged between the tubes 75 and the partition walls 70 and 71, which have insulating properties. The seals are electrically insulating and gas-tight, especially gas-tight at high temperatures, formed.
Ebenfalls nicht dargestellt sind solche Einrichtungen, mittels derer die semipermeable Trennwand der Rohre 75 mit einer Strahlung, vorzugsweise Licht mit einer Frequenz im Bereich der Eigenresonanz des Wasserstoffs, anregbar ist. Also not shown are such devices by means of which the semipermeable partition wall of the tubes 75 with a radiation, preferably light with a frequency in the region of the natural resonance of the hydrogen, can be excited.
Die Rohre 75 weisen netzartige Bereiche 88 sowie von den netzartigen Bereichen 88 umgebene Felder 89 auf. In den netzartigen Bereichen 88 weisen die Rohre 75 eine größere Wandstärke auf als in den Feldern 89. Durch diese Ausbildung wird jedes Rohr 75 durch größere Wandstärke in den Bereichen 88 stabilisiert, insbesondere gegen den Innendruck des Gasgemisches, welche der Wasserstoffweiche 62 mittels dem Kompressor 65 zugeführt wird. Die geringe Wandstärke der Rohre 75 innerhalb der Felder 89 steigert den Wasserstoffdurchsatz. Dadurch sind die Rohre 75 gleichzeitig stabil und dennoch für eine große Menge Wasserstoff durchlässig. The tubes 75 have net-like regions 88 and fields 89 surrounded by the net-like regions 88. In the net-like regions 88, the tubes 75 have a greater wall thickness than in the fields 89. By this construction, each tube 75 is stabilized by greater wall thickness in the regions 88, in particular against the internal pressure of the gas mixture, which of the hydrogen diverter 62 by means of the compressor 65 is supplied. The small wall thickness of the tubes 75 within the fields 89 increases the hydrogen flow rate. As a result, the tubes 75 are simultaneously stable and yet permeable to a large amount of hydrogen.
Weiterhin sind die Rohre 75, vorzugsweise alle Rohre 75, umgeben von spiralförmig angeordneten elektrischen Leitern 90. Die Leiter 90 sind als selbst auch rohrförmig ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Metall. Die Leiter 90 sind vom allen übrigen Bauteilen der Wasserstoffweiche 62 elektrisch isoliert. Dies geschieht durch Gasdichte, insbesondere hochtemperatur-gasdichte Dichtungen, welche nicht dargestellt sind. Damit können die Leiter 90 aus dem Gehäuse 67 der Wasserstoffweiche 62 herausgeführt werden, ohne die Wasserstoffweiche 62 undicht für das Gasgemisch werden zu lassen. Furthermore, the tubes 75, preferably all tubes 75, are surrounded by helically arranged electrical conductors 90. The conductors 90 are themselves also tubular and are preferably made of copper or another electrically conductive metal. The conductors 90 are electrically isolated from all other components of the hydrogen switch 62. This is done by gas density, in particular high-temperature gas-tight seals, which are not shown. Thus, the conductors 90 can be led out of the housing 67 of the hydrogen diverter 62 without causing the hydrogen diverter 62 to leak for the gas mixture.
Die Leiter 90 sind derart angeordnet, dass sie die Rohre 75 in Form einer Spule umgeben. Die rohrförmigen und spiralförmigen Leiter 90 sind elektrisch kontaktiert und werden von einem elektrischen Strom durchflössen. Sie erzeugen durch eine annähernd deckungsgleiche Anordnung der Spulenachse zur Mittelachse des jeweiligen Rohres 75 ein Magnetfeld, welche zumindest annähernd parallel zur Mittelachse des jeweiligen Rohres 75 verläuft. Damit werden die in der Rohrwandung in Richtung nach Außen, nämlich in die Wasserstoffkammer 74 hinein diffundierenden Wasserstoffatome bzw. Wasserstoffrümpfe in Ihrer Diffusion beschleunigt. The conductors 90 are arranged so as to surround the tubes 75 in the form of a coil. The tubular and spiral conductors 90 are electrically contacted and are traversed by an electric current. They generate by an approximately congruent arrangement of the coil axis to the central axis of the respective tube 75, a magnetic field which extends at least approximately parallel to the central axis of the respective tube 75. Thus, in the pipe wall in the direction of the outside, namely in the Hydrogen chamber 74 accelerates into diffusing hydrogen atoms or hydrogen fumes in their diffusion.
Weiterhin ist der jeweilige rohrförmige Leiter 90 von einem Kühlfluid durchströmt. Dadurch wird der Leiter 90 aber auch die Wasserstoffkammer 74 gekühlt. Diese Kühlung begünstigt die Rekombination der Wasserstoffatome in der Wasserstoffkammer 74 und damit den Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche 62. Zudem wird die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Leiters 90 und damit die Stärke des auf das jeweilige Rohr 75 und damit auf die semipermeable Trennwand wirkenden Magnetfeldes gesteigert. Somit wird der Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche 62 noch zusätzlich verstärkt. Furthermore, the respective tubular conductor 90 is flowed through by a cooling fluid. As a result, the conductor 90 but also the hydrogen chamber 74 is cooled. This cooling promotes the recombination of the hydrogen atoms in the hydrogen chamber 74 and thus the hydrogen flow rate of the hydrogen switch 62. In addition, the electrical conductivity of the respective conductor 90 and thus the strength of the force acting on the respective tube 75 and thus on the semipermeable partition magnetic field is increased. Thus, the hydrogen flow rate of the hydrogen switch 62 is further enhanced.
Das Kühlfluid, welches den jeweiligen Leiter 90 durchströmt, ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend. Es kann zum Beispiel Stickstoff oder ein anderes Gas verwendet werden. Auch entsalztes Wasser ist als Kühlfluid denkbar, insbesondere aber destilliertes Wasser. The cooling fluid which flows through the respective conductor 90 is preferably electrically non-conductive. For example, nitrogen or another gas can be used. Also desalinated water is conceivable as a cooling fluid, but especially distilled water.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Kleinkraftwerk (10) mit einem Reaktor (11 ) zur Erzeugung von Pyrolysegas aus 1. small power plant (10) with a reactor (11) for the production of pyrolysis gas
vorzugsweise nachwachsenden Rohstoffen und mindestens einer das Pyrolysegas zur Erzeugung von vorzugsweise elektrischer Energie nutzenden  preferably renewable raw materials and at least one of the pyrolysis gas for generating preferably electrical energy using
Verbrennungskraftmaschine (26), wobei im Gasstrom zwischen dem Reaktor (11) und der Verbrennungskraftmaschine (26) eine Vorrichtung (22) zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs (56) aus dem Pyrolysegas angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abscheidung von hochreinem Wasserstoff (56) aus dem Pyrolysegas ein einen Innenraum (31) umgebendes Gehäuse (30) mit zumindest einer, im Gehäuse (30) angeordneten, einen mit Pyrolysegas zumindest teilweise gefüllten Bereich (34) von einem mit zumeist Wasserstoff (56) gefüllten Bereich (42) abtrennenden semipermeablen Trennwand aufweist.  Internal combustion engine (26), wherein in the gas flow between the reactor (11) and the internal combustion engine (26) a device (22) for the separation of high-purity hydrogen (56) from the pyrolysis gas is arranged, characterized in that the device for the separation of high-purity hydrogen ( 56) from the pyrolysis gas an inner space (31) surrounding housing (30) with at least one, in the housing (30) arranged at least partially filled with pyrolysis gas region (34) of a filled with mostly hydrogen (56) region (42) having separating semipermeable partition.
2. Kleinkraftwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllte Bereich (34) zumindest einen Zufluss (36) und zumindest einen Abfluss (37) aufweist und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss (40) aufweist. 2. Small power plant according to claim 1, characterized in that the at least partially filled with pyrolysis gas region (34) has at least one inflow (36) and at least one outlet (37) and the area filled mostly with hydrogen at least one outflow (40).
3. Kleinkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand zur Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs (56) aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen besteht. 3. Small power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the semipermeable partition wall for the deposition of the high-purity hydrogen (56) consists of ferritic iron and / or pig iron and / or pure iron.
4. Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff aus einem Pyrolysegas, wobei das in einem Reaktor (11) erzeugte Pyrolysegas vorzugsweise einer 4. A process for obtaining high purity hydrogen from a pyrolysis gas, wherein the pyrolysis gas produced in a reactor (11) preferably one
Verbrennungskraftmaschine (26) als Brenngas zugeführt wird, dadurch  Internal combustion engine (26) is supplied as fuel gas, thereby
gekennzeichnet, dass aus dem Pyrolysegas mittels eines Wasserstoffabscheiders (22) mit einer semipermeablen Trennwand (32) hochreiner Wasserstoff abgeschieden wird.  in that highly pure hydrogen is separated from the pyrolysis gas by means of a hydrogen separator (22) with a semipermeable partition wall (32).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand (32) aus feritischem Eisen bzw. Roheisen aus dem Pyrolysegas abgeschieden wird und/oder dass das Pyrolysegas mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the hydrogen is separated by means of a semipermeable partition wall (32) made of ferritic iron or pig iron from the pyrolysis gas and / or that the pyrolysis gas by means of radiation, preferably light in a frequency of natural resonances of hydrogen, is stimulated.
6. Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasstrom, wobei ein 6. A device for recovering hydrogen from a gas stream, wherein a
zumindest größtenteils mit einem Teil des Gasstroms gefüllter Bereich von einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten bereich durch eine semipermeable Trennwand abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen besteht.  characterized at least for the most part with a part of the gas stream filled area of an at least largely filled with hydrogen area by a semipermeable partition, characterized in that the semipermeable partition wall of ferritic iron and / or pig iron and / or pure iron.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein einen Innenraum (69) umgebendes Gehäuse (67) mit zumindest einer, im Gehäuse (67) angeordneten, einen mit einem Teil des Gasstroms zumindest teilweise gefüllten Bereich von einem mit zumeist Wasserstoff gefüllten Bereich (74) abtrennenden semipermeablen Trennwand aus vorzugsweise ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen. 7. Apparatus according to claim 6, characterized by an interior (69) surrounding the housing (67) with at least one, arranged in the housing (67), with a part of the gas stream at least partially filled area of a region filled with mostly hydrogen (74 ) separating semipermeable partition of preferably ferritic iron and / or pig iron and / or pure iron.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine semipermeable Trennwand als mindestens ein Rohr (75) ausgebildet ist, durch das und/oder die der Gasstrom hindurchführbar ist und insbesondere innerhalb des Gehäuses (67) mehrere, vorzugsweise gleiche, Rohre (75) angeordnet sind. 8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one semi-permeable partition wall is formed as at least one tube (75) through which and / or the gas flow can be passed and in particular within the housing (67) a plurality, preferably the same , Tubes (75) are arranged.
9. Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, welches 9. A process for the recovery of hydrogen from a gas mixture, which
wenigstens Wasserstoff und zumindest ein anderes Gas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand zumindest größtenteils bestehend aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen aus dem Gasgemisch abgeschieden wird. contains at least hydrogen and at least one other gas, thereby characterized in that the hydrogen is separated by means of a semi-permeable partition at least largely consisting of ferritic iron and / or pig iron and / or pure iron from the gas mixture.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand mittels elektrischem Strom und/oder Licht und/oder einem Magnetfeld, vorzugsweise in einer Frequenz im Bereich der Eigenresonanz des Wasserstoffs, angeregt wird. A method according to claim 9, characterized in that the semipermeable partition by means of electrical current and / or light and / or a magnetic field, preferably in a frequency in the region of the natural resonance of the hydrogen is excited.
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