-
HINTERGRUND
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Organohydridreaktor und einen
Wasserstoffgenerator und insbesondere ein System zur Herstellung
eines organischen Hydrids aus durch Elektrolyse hergestelltem Wasserstoff,
sowie eine verteilte Leistungsquelle und ein Kraftfahrzeug, in dem
es verwendet wird.
-
Als
Ergebnis der fortgesetzten Freisetzung sehr vieler fossiler Brennstoffmengen
sind die Erderwärmung, Klimaänderung und Luftverschmutzung
in städtischen Bereichen aufgrund von Kohlendioxiden immer
bedrohlicher geworden und daher hat seit kurzem Wasserstoff ein
besonderes Interesse als Energie der nächsten Generation
anstelle des fossilen Brennstoffs geweckt. Wasserstoff setzt nach
dem Verbrennen nur Wasser frei und kann durch Elektrolyse unter
Verwendung natürlicher Energien, wie etwa Solarzellenkraft
und Windkraft, erzeugt werden. Dementsprechend ist er eine saubere
Energiequelle, da er bei seiner Herstellung und Verwendung nur eine
kleine Menge umweltschädlicher Substanzen freisetzt.
-
Auch
ist in Bezug auf die Erzeugung des Wasserstoffs ist die Dampfumbildung
des fossilen Brennstoffs sehr geschätzt und viele andere
Prozesse, wie etwa das Nebenprodukt Wasserstoff bei der Herstellung
von Eisen und Soda, eine Pyrolysereaktion, eine Photokatalysatorreaktion,
eine Mikroorganismusreaktion und eine Wasserelektrolysereaktion, sind
offenbart worden. Insbesondere hat der Wasserstoff in neuerer Zeit
große Aufmerksamkeit als Energiequelle, die nicht von bestimmten
Gebieten abhängig ist, auf sich gezogen, da die für
die Wasserelektrolyse notwendige Leistung von verschiedenen Quellen
zugeführt werden kann.
-
Andererseits
ist es notwendig gewesen, besondere Betrachtungen über
den Transport, die Lagerung und das Zufuhrsystem für den
Wasserstoff als Kraftstoff anzustellen, um ausreichende Sicherheit
zu gewährleisten. Da der Wasserstoff sich bei Raumtemperatur
in einem gasförmigen Zustand befindet, ist es im Vergleich
zu gewöhnlichen flüssigen und festen Stoffen schwierig,
den Wasserstoff leicht zu transportieren und zu speichern. Außerdem
ist der Wasserstoff ein entzündliches Material und explodiert
leicht, wenn dem Wasserstoff eine entsprechende Menge Luft zugeführt
wird.
-
Als
Leistungserzeugungstechnik, die dergleichen Probleme löst,
ist in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift
7-192746 ein Erzeugungssystem offenbart, in dem zur Erzeugung
von Wasserstoff einem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff Dampf hinzugefügt wird,
und danach wird der Wasserstoff in einer Wasserstoff absorbierenden
Legierung gespeichert. Beim Anlassen wird der Wasserstoff absorbierenden
Legierung der Wasserstoff entzogen und den Kohlenwasserstoffen zugegeben,
so dass sie hydrodesulfuriert bzw. wasserstoffentschwefelt werden,
und der entstehende Wasserstoff wird Kraftstoffzellen zugeführt.
-
In
neuerer Zeit ist als Möglichkeit der Wasserstoffspeicherung,
die anderen vom Standpunkt der Sicherheit, Transportierbarkeit und
Speicherfähigkeit her überlegen ist, ein Kohlenwasserstoff-Organohydridsystem
in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt, bei dem
Kohlenwasserstoffe, wie etwa Cyclohexan und Decalin, verwendet werden. Diese
Kohlenwasserstoffe sind bei Raumtemperatur flüssig und
weisen eine gute Transportierfähigkeit auf.
-
Beispielsweise
sind Benzol und Cyclohexan cyclische Kohlenwasserstoffe mit derselben
Anzahl Kohlenstoffe; das Benzol ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoff
mit Kohlenstoff-Doppelbindungen; Cyclohexan dagegen ist ein gesättigter
Kohlenwasserstoff ohne Doppelbindung. Das Cyclohexan wird durch
eine Hydrierungsumsetzung von Benzol erhalten, und das Benzol wird
durch eine Dehydrierungsumsetzung von Cyclohexan erhalten. Das heißt,
die Wasserstoffspeicherung und -freisetzung werden durch die Hydrierung
und Dehydrierung dieser Kohlenwasserstoffe realisiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Der
durch die Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff weist insofern
Vorteile auf, als es keine Beschränkung für den
Ort des Wasserstofferzeugungs-Anlagesystems gibt und die Effizienzschwankung
in Abhängigkeit vom Maßstab der Anlage klein ist,
wenn die elektrische Leistung der Anlage angemessen zugeführt
wird. Zurzeit gibt es als Möglichkeiten der Erzeugung von
Wasserstoff unter Verwendung eines Elektrolyts Prozesse, welche
eine Alkalin-Lösung und Festpolymermembran als jeweiligen Elektrolyten
verwendet. Bei diesen Möglichkeiten besteht im Allgemeinen
der Trend zu hohen Kosten im Verhältnis zur Effizienz.
-
Es
ist gewünscht, dass das organische Hydrid durch Hydrierung
wieder verwendet wird, nämlich indem nach dem Einsatz Wasserstoff
zugegeben wird, da der Rohstoff des organischen Hydrids fossiler
Brennstoff ist. Jedoch ergibt sich im Fall der Herstellung von Cyclohexan
durch Hydrierung von Benzol ein Problem bei der Speicherung und
beim Transport des für die Hydrierung zu verwendenden Wasserstoffs.
Wenn eine Hydrierungsanlage in der Umgebung des Wasserstoff herstellenden
Systems gebaut wird, können die Probleme gelöst
werden. Jedoch tauchen neue Probleme bei der Konstruktion und den
Betriebskosten auf, und im Ergebnis verringert sich auch die Gesamtenergieeffizienz.
Zusätzlich schränkt eine Anlage großen
Maßstabs den Konstruktionsort ein. Daher muss ein vereinheitlichtes System
mit kompakter Größe und hoher Effizienz nach dem
Einsatz zu einer Hydrierung des organischen Hydrids imstande sein.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
kompakten und hocheffizienten Organohydridreaktors, einer verteilten
Leistungsquelle und eines Kraftfahrzeugs, in dem dieser verwendet
wird, die als die Energiezufuhrinfrastruktur der nächsten
Generation angenommen werden.
-
Ein
Organohydridreaktor der vorliegenden Erfindung ist im Grunde genommen
wie folgt aufgebaut.
-
Der
Organohydridreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse
eines Elektrolyts und zur Herstellung von organischem Hydrid aus
dem erzeugten Wasserstoff umfasst eine Anode (Kraftstoffelektrode)
und eine Kathode (Sauerstoffelektrode) für die Elektrolyse,
wobei der Elektrolyt zwischen der Anode und Kathode aufgetragen
ist, und einen Hydrierungskatalysator zur Durchführung
einer Hydrierungsreaktion zwischen dem durch Elektrolyse von der
Anode zugeführten Wasserstoff und einer organischen Verbindung.
-
Die
Anode und Kathode weisen eine Gas/Fluid-Trennfunktion auf. Der Elektrolyt
wird nur einer Oberfläche von Anode und Kathode zugeführt. Durch
die Elektrolyse erzeugte Gase werden von Oberflächen der
Anode und Kathode freigesetzt, die den Elektrolyten nicht berühren.
-
Zusätzlich
kann der Hydrierungskatalysator auf der Oberfläche ausgebildet
sein, von der der Wasserstoff freigesetzt wird.
-
Ein
solcher Wasserstoff oder Organohydridreaktor ermöglicht
die Speicherung von Wasserstoff und seine Zufuhr zu einer verteilten
Leistungsquelle, wie etwa Kraftfahrzeugen oder Verbraucher-Kraftstoffzellen,
mit einem kompakten Entwurf und hoher Effizienz. Zusätzlich
kann er die Sicherheit beim Erzeugen, Transport und Speichern des
Wasserstoffs im Wasserstoffsystem herstellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Ansicht, die einen Organohydridreaktor einer Ausführungsform
bezüglich der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
2 ist
eine schematische Ansicht, die eine Anode der Ausführungsform
zeigt; und 3 ist eine schematische Ansicht,
die ein Wasserstoffspeicher- und -zufuhrsystem zeigt.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen
Organohydridreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff unter Anwendung
von Elektrolyse und zur Hydrierung einer organischen Verbindung,
die das chemische Speichern und Freisetzen des Wasserstoffs wiederholt.
In dem Organohydridreaktor ist ein Elektrolyt zwischen einer Anode
und einer Kathode, die einander gegenüberliegend angeordnet
sind, aufgetragen. Die Anode und Kathode weisen jeweils eine Oberfläche
auf, die den Elektrolyten berührt, und eine Oberfläche,
die einer Gasatmosphäre ausgesetzt ist (den Flüssigelektrolyten nicht
berührt), und haben eine Gas/Fluid-Trennfunktion. Das Wasserstoffgeneratorteil
im Reaktor gibt Wasserstoff ab, der von der Seite der Anodenoberfläche
erzeugt wird, die der Gasatmosphäre ausgesetzt ist, indem
der Flüssigelektrolyt auf der Seite der Anodenoberfläche,
die den Flüssigelektrolyten berührt, elektrolysiert
wird. Sowohl die Wasserstofferzeugung als auch die Hydrierungsumsetzung
von der organischen Verbindung werden durch Elektrolyse und Strömenlassen
der organischen Verbindung, die Wasserstoff chemisch und wiederholt
speichert und freisetzt, mit beiden Seiten der Anode durch die Anodenoberflächenseite,
die der Gasatmosphäre ausgesetzt ist, gleichzeitig durchgeführt.
-
1 ist
eine schematische Ansicht, die einen Organohydridreaktor bezüglich
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt. Der Organohydridreaktor weist die Anode 1001 und
Kathode 1002 einander gegenüberliegend angeordnet auf
und Wasserstoff wird durch Elektrolyse eines Flüssigelektrolyts 1003 erzeugt,
der zwischen der Anode 1001 und Kathode 1002 zugeführt
wird.
-
Der
Flüssigelektrolyt 1003 wird nur einer Oberfläche
zugeführt, auf der ein Paar aus der Anode 1001 und
Kathode 1002 einander gegenüberliegen, und eine
Wasserstoffkammer 1004 und eine Sauerstoffkammer 1005 sind
auf der rückseitigen Oberfläche der Anode 1001 und
Kathode 1002 angeordnet, und sowohl das Wasserstoff- als
auch das Sauerstoffgas, die durch die Elektrolyse erzeugt werden, werden
jeweils von diesen Oberflächen freigesetzt.
-
Vorliegend
haben die Anode 1001 und Kathode 1002 eine Gas/Fluid-Trennfunktion. 2 ist eine
teilweise vergrößerte schematische Ansicht, die die
Anode 1001 und einen Grenzabschnitt des Flüssigelektrolyts 1003 zeigt.
Die Anode 1001 bildet eine dreischichtige Konstruktion
und umfasst eine hydrophile Schicht 1007 mit einer Oberfläche,
die den Flüssigelektrolyten berührt, eine hydrophobe
Schicht 1009 mit einer Oberfläche, die Gas berührt,
und eine Katalysatorschicht 1008, die zwischen den Schichten positioniert
ist.
-
Die
hydrophile Schicht 1007 und die hydrophobe Schicht 1009 weisen
feine Zwischenräume, wie etwa eine poröse Struktur,
auf, durch welche der Flüssigelektrolyt 1003 oder
Gas hindurchströmen gelassen werden, und die Größe
jedes feinen Zwischenraums wird mit ungefähr 1 nm~10 μm
ausgewählt, um zu verhindern, dass der Flüssigelektrolyt 1003 aus
der hydrophoben Schicht 1009 austritt. Daher sammelt sich
der durch die hydrophile Schicht 1007 hindurchströmende
Flüssigelektrolyt 1003 in der Katalysatorschicht 1008 an.
Die Kathode 1002 weist dieselbe Struktur wie diejenige
der Anode 1001 auf. Wenn eine vorgegebene Spannung zwischen der
Anode und Kathode angelegt wird, wird der Flüssigelektrolyt
an der Oberfläche der Katalysatorschicht 1008 elektrolysiert
und es werden Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgase erzeugt. Falls der
Wasserstoffgenerator vom Alkaliwasserelektrolyse-Typ ist, würden
die erzeugten Gase konventionellerweise die Oberflächen
der Anode und Kathode mit Gasblasen bedecken. Das Ergebnis würde
zu einem Mangel bei der Flüssigelektrolytzufuhr für
die Anode und Kathode führen und dadurch würde
die Stromdichte nicht zunehmen, und im Ergebnis verschlechtert sich
auch die Effizienz. Jedoch fließt gemäß der
Struktur der vorliegenden Ausführungsform jedes erzeugte
Gas rasch zur hydrophoben Schicht und es sammeln sich jeweils keine
Blasen auf der Oberfläche von Anode und Kathode an, die
den Flüssigelektrolyt berühren. Dementsprechend
nimmt die Stromdichte zu. Da die Kathode dieselbe Struktur wie diejenige
der Anode aufweist, haben auch keine Blasen Einfluss auf die Kathode.
Daher kann die Ausführungsform eine höhere Stromdichte
im Vergleich zu einem Sauerstofferzeugungssystem vom Festelektrolysetyp,
bei dem Blasen an der Kathode entstehen, erzielen. Des Weiseren
werden unter der Voraussetzung, dass eine kostengünstige
Alkalinlösung als Flüssigelektrolyt verwendet
wird, die Materialkosten niedriger als bei einem Elektrolyten vom
Festhochmolekulartyp.
-
Der
Organohydridreaktor der Ausführungsform führt
dem Hydrierungskatalysator von diesem Wasserstoffgenerator erzeugten
Wasserstoff zu und stellt das organische Hydrid durch die Hydrierungsumsetzung
zwischen der organischen Verbindung und dem Wasserstoff her. Während
der Hydrierungskatalysator außerhalb oder innerhalb der
Wasserstoffkammer 1004 angeordnet sein kann, ist es vom Standpunkt
der hohen Effizienz des Systems und dessen Miniaturisierung wünschenswert,
ihn innerhalb der Wasserstoffkammer 1004 anzubringen.
-
Das
in 1 gezeigte Wasserstoffgeneratorteil kann bei hohen
Temperaturen über 100°C arbeiten, indem es einen
gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen Elektrolyten
verwendet, wie etwa eine hoch konzentrierte Alkalinlösung.
Während bei der Wasserelektrolysereaktion die Neigung zu
einer großen Reaktionsüberspannung besteht, nimmt
die Überspannung bei der hohen Temperatur ab und die Reaktionsgeschwindigkeit
wie auch die Reaktionseffizienz werden ebenfalls hoch.
-
Zusätzlich
nimmt bei einer Betriebstemperatur von 200~300°C die Temperatur
einen angemessenen Wert an, um die Hydrierungsreaktion von der organischen
Verbindung der Reihe aromatischer Gruppen, wie etwa Benzol und Toluol,
zu ermöglichen. Vorausgesetzt, dass der Hydrierungskatalysator
auf der Wasserstoff erzeugenden Oberfläche der Anode ausgebildet
ist, kann er dementsprechend das organische Hydrid zusammen mit
der Wasserstofferzeugung effizient herstellen.
-
Als
konkretes Beispiel ist der Hydrierungskatalysator auf der hydrophoben
Schicht der äußersten Schicht der Anode 1001 vorgesehen.
Wenn in einer solchen Struktur die organische Verbindung der Reihe
aromatischer Gruppen, wie etwa Benzol und Toluol, in die Wasser stoffkammer
strömen gelassen wird, reagiert der durch Elektrolyse erzeugte
Wasserstoff mit Geschwindigkeit durch den Hydrierungskatalysator
auf der hydrophoben Schicht zur Erzeugung des organischen Hydrids.
Im Organohydridreaktor der Ausführungsform werden an beiden
Oberflächen der Anode die Erzeugung des Wasserstoffs und
die Hydrierung von der organischen Verbindung sofort durchgeführt
und als Ergebnis kann der Reaktor kleiner werden. Da der reine Wasserstoff
und die organische Verbindung einander jeweils nur an der Oberfläche
des Hydrierungskatalysators auf der hydrophoben Schicht, die das
Reaktionsfeld ist, berühren, verringert sich ebenfalls
das Abfallmaterial und die Hydrierungsreaktion schreitet wirksam
fort. Da die Stromleitung für die Elektrolyse und die Hydrierungsreaktion
zu einer Wärmeverursachung führen, kann weiterhin
die Notwendigkeit einer Erwärmung auf ein Minimum reduziert
werden, und somit nimmt auch die Gesamtenergieeffizienz zu.
-
Für
die Hydrierung steht von Benzol, Toluol, Xylol, Mesitylen, Naphthalin,
Methylnaphthalin, Anthracen, Biphenyl, Phenanthren und deren Alkylsubstitution
oder der Kombination mehrerer Stoffe zumindest eine(s) zur Verfügung
und von diesen Alkylen oder ihrer Kombination kann irgendeine(s)
verwendet werden. Diese ganzen Katalysatoren werden als organische
Hydride bezeichnet. Diese organischen Hydride können Wasserstoff
durch Hydrierung speichern, wo der Wasserstoff zu einer Kohlenstoff-Doppelbindung
hinzugefügt wird. Bezüglich der für die Hydrierungsreaktion
von organischen Hydriden verwendeten Katalysatoren sind Stoffe,
die bereits entwickelt worden und gut bekannt sind, ebenfalls erhältlich
und praktisch. In der Ausführungsform ist es gewünscht,
dass die Hydrierung bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt
wird, um die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern.
-
Zusätzlich
können gut bekannte Katalysatoren als Katalysator für
die Wasserelektrolyse eingesetzt werden. Insbesondere, wenn der
Flüssigelektrolyt Alkalin ist, stehen Metalle mit Ausnahme
der Metalle der teuren Platingruppe zur Verfügung, beispielsweise
Nickel, Silber und Eisen, und sie können niedrige Kosten
realisieren.
-
Nachstehend
werden das Material und die Herstellungsprozesse für den
Organohydridreaktor und den Wasserstoffgenerator erläutert.
-
Die
Anode und Kathode weisen jeweils eine Dreischichten-Struktur auf,
und jede Schicht beinhaltet feine Zwischenräume, zum Beispiel
porös, um den Flüssigelektrolyten und das erzeugte
Gas hindurchtreten zu lassen. Die Größe jedes
feinen Zwischenraums beträgt wünschenswerterweise
1 nm~10 μm, um ein Lecken des Flüssigelektrolyts
aus einer hydrophoben Schicht oder das Eintreten des erzeugten Gases
in eine hydrophile Schicht zu unterdrücken. Die Form jeder
Schicht ist nicht begrenzt, und poröses Material, Maschen
bzw. Netze, nicht-gewebter Stoff und gewebter Stoff stehen zur Verfügung,
wenn die Schichten einander gegenüberliegend angeordnet
werden können.
-
Die
Katalysatorschicht spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung
der Überspannungsmenge und der Stromdichte bei der Elektrolyse.
Ein als Katalysator verwendetes Katalysatormaterial ist Metall, beispielsweise
Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Re, Ru, Co, Fe, Ag und die Legierung dieser
Metalle. Insbesondere sind Ni und Ag vom Kostenstandpunkt am besten
geeignet, vorausgesetzt, dass der Flüssigelektrolyt Alkalin oder
neutral ist. Die Herstellungsverfahren für das Katalysatormaterial
sind zum Beispiel Plattieren, Mitfällungsverfahren, Wärmezersetzungsverfahren,
und sie sind nicht besonders beschränkt. Was die Form betrifft,
so muss diese nur den Flüssigelektrolyten und erzeugtes
Gas durchströmen lassen, Maschen- und poröses
Material sind geeignet. Auch ist zur Verbesserung der Stromdichte
ein großer Oberflächenbereich bevorzugt. Daher
sind ein Herstellungsverfahren wie die Herstellung von feinen Teilchen,
Auflageträgern und poröses Plattieren bevorzugt.
-
Die
hydrophile Schicht erfordert Eigenschaften, um den Flüssigelektrolyten
bis zur Katalysatorschicht durchströmen zu lassen und nicht
das bei der Katalysatorschicht erzeugte Gas durchströmen
zu lassen. Daher ist innerhalb der Schicht hinsichtlich jedes der
feinen Zwischenräume in der hydrophilen Schicht eine Größe
von ungefähr 1 nm~10 μm erforderlich. Polymer
mit einer hydrophoben Gruppe, wie etwa einer Sulfongruppe und einer
Carboxylgruppe, einem Kohlenstoffmaterial, das auf seiner Oberfläche mit
einer modifizierten Hydroxylgruppe versehen ist, und einem Metalloxidmaterial.
-
Diese
können in Kombination eingesetzt werden, insbesondere ist
eine Möglichkeit zur Ausbildung der hydrophilen Schicht
aus zumindest einem von Kohlenstoffmaterial, wie etwa Aktivkohle,
und Metalloxidmaterial mit feinen Teilchen von 1~1000 μm
unter Verwendung des Polymers als Bindemittel zur leichten Ausbildung
der hydrophilen Schicht, die feine Zwischenräume aufweist,
um den Flüssigelektrolyten durchströmen zu lassen,
bevorzugt. Selbstverständlich sind andere Möglichkeiten
der Ausbildung der Schicht verfügbar und poröse
Materialien, Maschen-Kohlenstoffverbindungen und Metalloxide stehen
zur Verfügung. Ebenfalls sind Maschen, poröse
Materialien, nicht-gewebte Stoffe und gewebte Stoffe der vorstehend
erläuterten Polymere verfügbar und das Polymer
ist zum Auftragen auf die Maschen anderer Materialien verfügbar.
-
Die
hydrophobe Schicht erfordert Eigenschaften, welche ein Austreten
des Flüssigelektrolyts verhindern und das an der Katalysatorschicht
erzeugte Gas nach außen freisetzen können. Daher
ist hin sichtlich jedes der feinen Zwischenräume in der hydrophoben
Schicht eine Größe von ungefähr 1 nm~10 μm
innerhalb der Schicht erforderlich. Kohlenstoffmaterialien, wie
etwa Graphit oder dergleichen, die von Substitutionsgruppen auf
ihrer Oberfläche frei sind, oder Polymer mit einer hydrophoben Gruppe,
wie etwa einer Alkylgruppe und Fluorgruppe, sind als Material der
hydrophoben Schicht bevorzugt. Eine Möglichkeit der Ausbildung
der hydrophoben Schicht aus feinen Teilchen aus Kohlenstoffmaterial,
bei dem ein hydrophobes Polymer, wie etwa Polytetrafluorethylen
(PTFE), als Bindemittel verwendet wird, ist der einfachste Weg.
Diese Möglichkeit ist bereits als Gasdiffusionselektroden-Ausbildungstechnik
für Kraftstoffzellen verallgemeinert worden. Ebenfalls
stehen Maschen, nicht-gewebter Stoff, gewebter Stoff, Blatt und
Papier aus Kohlenstofffaser und porösem Material zur Verfügung;
und auch Maschen, nicht-gewebter Stoff, gewebter Stoff aus hydrophobem
Polymer ist verfügbar.
-
Während
die Anode 1001 und Kathode 1002 der Ausführungsform
eine Dreischicht-Struktur aus einer hydrophilen Schicht 1007,
einer Katalysatorschicht 1008 und einer hydrophoben Schicht 1009 umfassen,
ist es bevorzugt, jeweilige Schichten getrennt auszubilden und sie
dann zu laminieren oder jede von ihnen auf einer zuvor ausgebildeten
Schicht auszubilden, um sie eine nach der anderen zu schichten.
Die Dicke der Anode und Kathode ist jeweils unbegrenzt. Als Stromkollektor
zur Stromleitung stehen Film, Masche und Draht aus Metallmaterialien,
wie etwa Al und Ni, zur Anbringung auf der Katalysatorschicht zur
Verfügung. Wenn Kohlenstoffmaterialien als hydrophobe Schicht
und hydrophile Schicht verwendet werden, wird der Stromkollektor vorzugsweise
in der äußersten Schicht oder der innersten Schicht
angeordnet. Oder die hydrophobe Schicht und die hydrophile Schicht
können selbst als Stromkollektor dienen.
-
In
der oben angegebenen Ausführungsform stehen anstelle des
Flüssigelektrolyts, der zwischen der Anode und Kathode
vorhanden ist, ein Feststoffelektrolyt und Gelelektrolyt zur Verfügung,
allerdings ist der Flüssigelektrolyt vom Standpunkt der
Kosten, elektrischen Leitfähigkeit und Verhalten bei hohen Temperaturen
von über 100 mehr zu bevorzugen. Beispielsweise sind Alkalilösungen,
wie zum Beispiel Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid, Ionenflüssigkeit
und Salzschmelze bevorzugt. Insbesondere ist eine Alkalilösung,
die 1~90 Gew.-% Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid beinhaltet,
vom Standpunkt der niedrigen Kosten und hohen Leitfähigkeit
am meisten bevorzugt.
-
Jedoch
bildet die Alkalilösung bei Anwesenheit von Kohlendioxid
in der Luft Carbonat aus und kann aufgrund des Carbonats die Leistung
des Elektrolyts herabsetzen. Daher ist es erforderlich, die Berührung
mit der Luft zu verringern oder die Elektrolytflüssigkeit
selbst umzuwälzen. Außerdem ist es bevorzugt,
den Abstand zwischen der Anode und Kathode zu verringern und den
Flüssigelektrolyten unter Einsatz einer Kapillarwirkung
zuzuführen oder der hydrophilen Schicht den Flüssigelektrolyten
durch Absorption zuzuführen.
-
Der
Organohydridreaktor der Ausführungsform kann Wasserstoff
bzw. organisches Hydrid auf beiden Seiten eines Blatts der Anode
durch Tragen des Hydrierungskatalysators an einem hydrophoben Abschnitt
der Anode herstellen. Durch diese Vorgänge kann die Minimierung
des Organohydridreaktors/Wasserstoffgenerators umgesetzt und die
Produktionseffizienz des Wasserstoffs und organischen Hydrids verbessert
werden.
-
Als
Hydrierungskatalysatoren stehen Metalle, zum Beispiel Ni, Pd, Pt,
Rh, Ir, Re, Ru, Mo, W, V, Os, Cr, Co, Fe oder dergleichen, sowie
Le gierungen derselben zur Verfügung. Bevorzugt werden sie
bei den Hydrierungskatalysatoren korpuskular gemacht, um durch Reduzieren
des Katalysatormetalls unter Erhöhung des Reaktionsoberflächenbereichs
niedrige Kosten zu erreichen. Auch ist es erwünscht, dass der
Hydrierungskatalysator auf dem Träger aufliegt, um eine
Erhöhung des spezifischen Oberflächenbereichs
aufgrund der Kondensation feiner Teilchen zu verhindern. Das Herstellungsverfahren
des Katalysators ist nicht besonders auf das Mitfällungsverfahren beschränkt,
auch das Pyrolyseverfahren und außenstromloses Plattieren
stehen zur Verfügung. Als den Katalysator tragende Materialien
(Träger) kann im Ist-Zustand von Aktivkohle, einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen
und Graphit, das auf der hydrophoben Schicht aufgetragen wird, irgendeines
verwendet werden. Anstelle dieser Materialien kann Aluminiumoxidsilicat,
wie etwa Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Zeolit verfügbar
sein.
-
Der
Betrieb des Wasserstoff- und Organohydridreaktors gemäß der
vorliegenden Erfindung wird bevorzugt bei Temperaturen über
100°C durchgeführt. Im Fall des Wasserstoffgenerators
ist der Betrieb zwar bei Raumtemperatur möglich, aber es
wird der Betrieb bevorzugt im Bereich von ungefähr 100~200°C
zur Senkung der Überspannung, die für die Wasserzersetzung
notwendig ist, und zur Erhöhung des Energieeffizienzbetriebs
durchgeführt.
-
Im
Fall des Organohydridreaktors ist der Betrieb in einem Temperaturbereich
von etwa 200~400°C gewünscht, der bei der Hydrierungsreaktion
mit praktischer Geschwindigkeit abläuft. Wenn eine Alkalinlösung,
wie etwa Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid, als Flüssigelektrolyt
verwendet wird oder wenn der Betrieb bei Temperaturen über
100°C erfolgt, sollte die Konzentration des Natriumhydroxids
und Kaliumhydroxids auf 50~90 Gew.-% erhöht werden.
-
Wenn
ein Hochtemperaturbetrieb durchgeführt wird, ist es erwünscht,
den Druck im Reaktor auf 1~30 atm zu halten, um eine Verdampfung
des Flüssigelektrolyts zu verhindern. Da im Fall des Wasserstoffgenerators
dessen Innendruck hoch wird, wenn der Wasserstoff gespeichert wird,
ist keine exklusive Vorrichtung für eine hohe Druckerzeugung
im Generator notwendig und führt zu einem Kostenvorteil.
-
Da
es im Fall der direkten Verwendung in einem Verbrennungsmotor oder
Boiler möglich ist, eine große Menge zu verwendenden
Wasserstoff einzuspeisen, hat dies den Vorteil, im Verbrennungsmotor eine
hohe Ausgabe zu erzielen. Ein Verfahren zur Erhöhung des
Drucks im Reaktor ist die Einspritzung von Edelgas, wie etwa Stickstoffgas
und Heliumgas, oder das Abdichten des durch Elektrolyse erzeugten Gases
bis zu einem konstanten Druck.
-
Bei
der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse besteht keine Beschränkung
für die notwendige Elektroleistungsquelle. Eine Systemleistungsquelle
und direkte Leistung von Kernkraftwerken und Wärmekraftanlagen
stehen zur Verfügung. Wenn der Einsatz von Solarzellen,
Windkraft und Wasserkraft ermöglicht wird, ist eine Wasserstofferzeugung
ohne Kohlendioxidausstoß möglich. Auch steht die
in einer Batterie gespeicherte Leistung zur Verfügung.
Kernkraftwerke, Wärmekraftanlagen und Solarzellen sind
imstande, die Effizienz der Energieverwendung zu verbessern, indem
sie ebenfalls die für die Umsetzung notwendige Leistung
zuführen und dementsprechend wird die Effizienz der Wasserstoff-Energieverwendung
verbessert.
-
Ebenfalls
wird in dem Fall des Einsatzes eines Generators, bei dem eine Kraftmaschine
und der Verbrennungsmotor verwendet werden, die Effizienz verbessert,
da sie imstande sind, Wärme und elektrische Leistung zu
liefern. Insbesondere ist bezüglich eines Verbrennungs motors
das Abgas von hoher Temperatur und das Abgas kann verwendet werden, da
es eine große Menge Dampf beinhaltet. Das Abgas kann dazu
verwendet werden, Wärme und Wasser zuzuführen.
-
Wenn
eine Kombination eines Verbrennungsmotors, wie etwa einer Kraftmaschine,
mit dem Wasserstoffgenerator verwendet wird, obwohl es möglich
ist, Wasserstoff direkt als Kraftstoff des Verbrennungsmotors zu
verwenden. Selbst wenn Wasserstoff mit fossilem Brennstoff kombiniert
wird, ist die Verbrennungseffizienz des fossilen Brennstoffs bedeutend
verbessert. Wenn des Weiteren der an der Kathode erzeugte Sauerstoff
zusammen mit dem Wasserstoff für den Verbrennungsmotor
oder Boiler eingesetzt wird, nimmt dessen Verbrennungseffizienz
weiter zu.
-
Wenn
ein Verbrennungsmotor mit dem Organohydridreaktor kombiniert wird,
kann der Motor mit einem Dehydrierungsreaktor kombiniert werden
und nur der Wasserstoff dient als Kraftstoff. Durch Wiedergewinnung
und Speicherung des organischen Hydrids nach der Verwendung und
des erzeugten Wassers kann das Verbrennungsmotorsystem vervollständigt
werden, indem nur die elektrische Leistung zugeführt wird,
womit es zur fast unendlichen Verwendung verfügbar ist.
Ein solches Verbrennungsmotorsystem steht als verteilte Leistungsquelle
für wartungsfreie gleichmäßige Leistung
durch Kombination mit einem Erzeugungsmotor zur Verfügung. Weiterhin
steht sie durch Kombination einer Solarzelle und eines Windkraftgenerators
und dem Speicher mit der nicht-verbrauchten Leistung zur Verfügung, um
den Leistungsverbrauch bei hohen Belastungen entsprechend den Solarzellen
und Windkraftgeneratoren zu bewältigen.
-
Zusätzlich
kann der Wasserstoffgenerator/Organohydridreaktor der Ausführungsform
auch als Kraftstoffzellen zur Verfügung gestellt werden. Daher
kann er durch seine Kombination mit einer Speicher vorrichtung als
verteilte Leistungsquelle mit Leistungsstandardisierung verwendet
werden, die elektrische Leistung unter Verwendung von Wasserstoff
und organischem Hydrid erzeugt, das mit der elektrischen Systemquelle
hergestellt wurde.
-
Der
Wasserstoffgenerator/Organohydridreaktor der Ausführungsform
kann miniaturisiert und in Kraftfahrzeugen eingebaut werden, da
er bei einer Größenänderung Variationen
mit weniger Effizienz darstellt und er selbst nicht als bewegliches
Teil existiert.
-
Im
Fall des beispielsweise in einem Fahrzeug angebrachten Organohydridreaktors
können Organohydrid-Abfallflüssigkeit, die durch
Freisetzung von Wasserstoff aus dem organischen Hydrid entsteht,
und Dampf im Abgas in einem im Fahrzeug angebrachten Tank gespeichert
werden; und nach der Heimkehr des Fahrzeugs kann ein Plug-In- bzw.
Einsteck-Kraftfahrzeugsystem, das die Abfallflüssigkeit als
Organohydridkraftstoff für den Reaktor wieder verwendet,
vorausgesetzt, dass dem Organohydridreaktor die elektrische Leistung
von der Systemleistungsquelle zugeführt wird. Wenn dem
Reaktor zu der Zeit, wenn die Systemelektroleistung dem Reaktor
zugeführt wird, Wasser zugeführt wird, besteht keine
Notwendigkeit, den im Abgas beinhalteten Dampf zu speichern, dadurch
kann das Gewicht des Kraftfahrzeugs verringert werden. Wenn eine
Solarzelle oder ein Windkraftgenerator zur Zuführung der elektrischen
Leistung zum Reaktor dient, ist es ebenfalls möglich, ein
Null-Emissions-Kraftfahrzeug zu realisieren, das kein Hydroxid ausstößt.
Zusätzlich ist es zur Verwendung von Organohydridkraftstoff
als Kraftstoffzelle und einem effizienten Betrieb bei niedrigem
Kraftstoffverbrauch imstande, wenn es weiterhin mit niedriger Geschwindigkeit
und häufigem Stop-and-Go fährt, und das Hydridfahrzeug
kann durch Kraftstoffzellenleitung betrieben werden.
-
In
dem Beispiel des Wasserstoffgenerators können in einem
Effizienzzustand niedrigen Kraftstoffverbrauchs, in dem das Fahrzeug
mit dem Wasserstoffgenerator bei niedriger Geschwindigkeit betrieben
wird oder Stop-and-Go-Vorgänge wiederholt werden, der entstehende
Wasserstoff und Sauerstoff dem Verbrennungsmotor zugeführt
werden, vorausgesetzt, dass im Abgas enthaltenes Wasser durch Batterieleistung
elektrolysiert wird. Dadurch kann die Kraftstoffeffizienz der Kraftfahrzeuge
verbessert werden. Im Fall der Verwendung einer Bleibatterie oder eines
Nickelakkumulators als Batterie können unter der Voraussetzung,
dass der Wasserstoffgenerator in Zusammenwirkung mit dem Flüssigelektrolyt
der Batterie eingesetzt wird, Wasserstoff und Sauerstoff sogar dann
zugeführt werden, wenn der im Abgas enthaltene Dampf nur
wenig ist.
-
Nachstehend
wird die beste Art und Weise zur praktischen Anwendung der vorliegenden
Erfindung gemäß den konkreten Beispielen der Ausführungsform
erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf
die Ausführungsform und Beispiele beschränkt.
-
[Beispiel 1]
-
1 ist
eine schematische Ansicht, die einen Wasserstoffgenerator des Beispiels
1 zeigt. Ein Wasserstoffgenerator 1000 weist eine Anode 1001, eine
Kathode 1002 und eine Flüssigelektrolytkammer 1003 auf.
Die Anode 1001 und Kathode 1002 liegen einander
gegenüber und die Flüssigelektrolytkammer 1003 ist
zwischen ihnen positioniert. Die zur Elektrolysierung des Flüssigelektrolyts
notwendige elektrische Leistung wird von einer Gleichstromquelle 1006 zugeführt.
Die Anode und Kathode haben jeweils eine Gas/Fluid-Trennfunktion.
Der durch Elektrolyse an der Anode 1001 hergestellte Wasserstoff wird
zu einer Wasserstoffkammer 1004 ausgestoßen. Andererseits
wird an der Kathode 1002 erzeugter Sauerstoff zur Sauer stoffkammer 1005 ausgestoßen.
Der Wasserstoff und Sauerstoff werden einer externen Vorrichtung
oder einem externen Motor zugeführt. Im Wasserstoffgenerator
haften keine Blasen an der Oberfläche der Anode und Kathode.
Daher ist er imstande, eine hohe Stromdichte von über 1
A/cm2 zu realisieren.
-
Die
Anode und Kathode weisen jeweils eine Dreischicht-Struktur aus einer
hydrophilen Schicht, einer Katalysatorschicht und einer hydrophoben Schicht
auf und in der vorliegenden Ausführungsform wird das Kohlenstoffpapier
von Toyo Rayon Company als hydrophobe Schicht eingesetzt. Bei der
Anode wird Nickelmesh mit porösem Nickelplattieren eingesetzt
und bei der Kathode wird ein mit porösem Silber plattiertes
Nickelmesh als jeweilige Katalysatorschichten verwendet. Als hydrophile
Schicht wurde oberflächenoxidierter Ruß auf der
Oberfläche von jeweils der Anode und Kathode unter Verwendung
eines Imidazolium-Polymer-Bindemittels ausgebildet. Dreißig
Gew.-% einer Kaliumhydroxidlösung wurden bei Raumtemperatur
als Flüssigelektrolyt verwendet. Wenn elektrische Leistung
von einer Gleichstromquelle zugeführt wird, entsteht die
Elektrolyse und es werden Wasserstoff bzw. Sauerstoff erhalten.
Die maximale Stromdichte betrug 0,8 A/cm2.
Es wurde bestätigt, dass keine Blasen an der Oberfläche
hingen.
-
Des
Weiteren wurde in der vorliegenden Ausführungsform ein
Flüssigelektrolyt mit 75 Gew.-% Kaliumhydroxidlösung
bei 250°C und 5 atm elektrolysiert. Die hydrophobe Schicht
und Katalysatorschicht weisen gegenseitig die gleiche Kammertemperatur auf
und die hydrophile Schicht wird durch Laminieren von oberflächenoxidiertem
Kohlepapier und Titanmesh hergestellt. Wenn eine Gleichstromquelle
bereitgestellt ist, wird die Elektrolyse bewirkt und es können
Wasserstoff bzw. Sauerstoff erzeugt werden. Die maximale Stromdichte
be trug 1,0 A/cm2. An der Oberfläche
der Pole wurden keine Blasen bestätigt.
-
[Beispiel 2]
-
In
diesem Beispiel wird eine Hydrierungskatalysatorschicht auf der
Oberfläche einer hydrophoben Kohlepapier-Schicht der Anode
ausgebildet, die in Beispiel 1 gezeigt ist. Als Katalysator dienen
feine Pt-Teilchen, die von Rußträgern gehalten
werden. Der Durchmesser jedes feinen Pt-Teilchens beträgt etwa
4 Nanometer. Unter der Bedingung, dass die Elektrolysereaktion bei
250°C und 5 atm angreift, wenn das Benzol durch die Wasserstoffkammer 1004 strömen
gelassen wird, entsteht Methylcyclohexan und es wird bestätigt,
dass es eine Wasserstoffherstellung und Hydrierung von der organischen
Verbindung im Reaktor durchführt.
-
[Beispiel 3]
-
3 ist
eine schematische Ansicht, die einen Wasserstoffspeicher und ein
Zufuhrsystem für eine verteilte Leistungsquelle für
den Hausgebrauch und ein Wasserstoff verwendendes Kraftfahrzeug
mit der Systemleistungsquelle und erneuerbarer Energie gemäß dem
Beispiel zeigt. Ein Organohydridreaktor dieses Beispiels fungiert
als Teil dieses Systems. Das Haus 2000 weist Leistung aus
natürlicher Energie von einer Solarzelle 2001 und
ein Windkraftgeneratorsystem, eine Systemelektroleistung 2003 einen Wasserstoff-
oder Organohydridreaktor 2004 und eine Wasserstoff- oder
Organohydridspeichervorrichtung 2005 auf.
-
Ein
Kraftfahrzeug 2008a nach dem Beispiel enthält
ebenfalls einen Wasserstoffgenerator oder Organohydridreaktor 2009,
eine Wasserstoff- oder Organohydridspeichervorrichtung 2010 und
einen Reaktor 2011. Die von der Solarzelle 2001 und
dem Windkraftgenerator 2002 erzeugte elektrische Leistung,
die erneuerbare Leistung ist, wird mittels eines Wechselrichters 2006 in
Wechselstrom umgewandelt. Die umgewandelte elektrische Leistung
wird in elektrischen Geräten 2007 für
den Hausgebrauch verwendet oder die umgewandelte elektrische Leistung
wird dem Wasserstoff- oder Organohydridreaktor 2004 zugeführt,
wenn überschüssige Leistung erzeugt wird, ohne
verbraucht zu werden.
-
Der
Wasserstoff- oder Organohydridreaktor 2004 erzeugt Wasserstoff
und Sauerstoff durch Wasserelektrolyse. Der erzeugte Wasserstoff
wird mit der Wasserstoff- oder Organohydridspeichervorrichtung 2005 gespeichert
oder durch die Hydrierungsreaktion in der Vorrichtung zur Herstellung
des organischen Hydrids zerstreut.
-
Die
elektrische Leistung wird in eine Spitzenleistung entsprechend den Änderungen
der Tageszeitlast eingeteilt und während des gesamten Tages führt
eine elektrische Basisleistung die konstante Basisleistung zu. Das
Erzeugungssystem, das die Spitzenleistung entsprechend den Änderungen
der Tageszeitlast zuführt, verwendet die Systemleistung, wie
etwa elektrische Leistung von der Elektroleistungsfirma 2003,
als Basisleistung. Zur Reduzierung von Kohlendioxid ist es bevorzugt,
dass die elektrische Systemleistung 2003 erneuerbare Energie
verwendet. Mit Ausnahme der Solarzellenleistungsgeneration stehen
viele andere Systeme für erneuerbare Energie, wie Windkraft,
Erdwärme, Wasserkraft, Meerestemperaturunterschied und
Biomasse zur Verfügung. Während das Sonnenlicht
nur während des Tages imstande ist, elektrische Leistung
zu erzeugen, können andere erneuerbare Energien auch nachts
erzeugt werden.
-
Die
Wärmekraftanlage stellt ihren Betrieb vorübergehend
ein, um ihre Kraftstoffausgaben zu senken, da im Vergleich zur Tageszeit
die notwendige verbrauchte Leistung in der Nacht abrupt reduziert wird.
Im Gegensatz hierzu sind erneuerbare Energien kostengünstig
und es gibt keine Probleme mit der Zuführung von elektrischer
Leistung in der Nacht, um, wenn möglich, die elektrische
Leistung zu erzeugen.
-
Dementsprechend
wird diese in der Nacht erhöhte überschüssige
Leistung zur Herstellung des Wasserstoffs oder organischen Hydrids
durch Elektrolysieren des Wassers und deren Speicherung verwendet.
Der Organohydridreaktor 2004 kann als Kraftstoffzelle verwendet
werden, und daher wird der gespeicherte Wasserstoff oder das gespeicherte
organische Hydrid einem Generator zugeführt, um ebenfalls
elektrische Leistung zu erhalten.
-
Ein
Kraftfahrzeug 2008 erhält antreibende Kraft durch
Verbrennung des aus dem Organohydridkraftstoff entnommenen Wasserstoffs
durch einen Reaktor 2011 in einer Kraftstoffzelle oder
einem Verbrennungsmotor. Ein in dem Beispiel in den Kraftfahrzeugen
eingebauter Wasserstoff- oder Organohydridreaktor 2009 hydriert
das zerstreute organische Hydrid, indem er die elektrische Leistung
von einem Wechselrichter 2006 des Hauses 2000 erhält
und als Kraftstoffe wieder verwendet.
-
Merkmale,
Bestandteile und spezifische Einzelheiten der Strukturen der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht
oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu
bilden, die für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert
sind. Soweit jene Modifikationen für einen Fachmann auf
dem Gebiet leicht ersichtlich sind, sollen sie der Kürze
und Prägnanz der vorliegenden Beschreibung halber durch
die obige Beschreibung implizit offenbart sein, ohne jede mögliche
Kombination explizit anzugeben.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-