DE3125736C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbindung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verbindung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff

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Abstract

Wasserstoff- und Sauerstoffgas wird in einem sich nach oben erstreckenden Gehäuse (1) vereinigt, das in einem Zwischenabschnitt (4) eine Katalysatoranordnung (26) enthält, wobei Einrichtungen (12, 8, 10) zur Einleitung und Verteilung von Wasserstoffgas in der Katalysatoranordnung, Verteilung von Kühlwasser und Sauerstoffzuführung von einem oberen Abschnitt (2) des Gehäuses nach unten zur Katalysatoranordnung und Einrichtungen (18) zum Abziehen des Wassers (72) von einem unteren Abschnitt (6) des Gehäuses vorgesehen sind. Kühl- und Zirkulationseinrichtungen (20, 22) für das Wasser sind vorgesehen. Das mit dem durchsickernden Wasser mitgerissene Wasser aus der Vereinigung von Sauerstoff und Wasserstoff wird über eine Anzapfeinrichtung (24) kontinuierlich oder zeitweise aus dem Wasserumlauf entfernt. Die Katalysatoranordnung enthält poröse Träger (28) mit hoher spezifischer Oberfläche, mit in den Poren eingelagertem Platin und einer PTFE-Beschichtung; die Platinteilchen sind in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 Gew.% des Gesamtgewichtes aus Träger, Platin und PTFE vorhanden, während das PTFE in der Größenordnung von 2 bis 4 Gew.% des genannten Gesamtgewichtes ausmacht. Vorzugsweise sind hydrophile Packteilchen (30) zwischen die Träger in der Katalysatoranordnung eingeschichtet.

Description

a) der obere Aufnahmeabschnitt (2) mit einer Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung (10) und mit einer Kühlwasser-Einlaßeinrichtung (8) zur Verteilung von Sauerstoffgas und Kühlwasser in diesem Abschnitt versehen ist,
b) der Katalysatorbett-Zwischenabschnitt (4) mit eirsr Wasserstoffgas-Einlaßeinrichtung (12) zur Verteilung des Wasserstoffgases in diesem Abschnitt vergehen ist, und der ihn ausfüllende Katalysator 0,1 bis
0,5 Gew.-% Platinpartikel je Gesamtgewicht aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen und 2 bis 4 Gew.-% Polytetrafluorethylen je Gesamtgewicht aus Träger. Platin und Polytetrafluorethylen enthält,
c) der untere Flüssigwasser-Sammelabschnitt (6) mit einer Wasser-Auslaßeinrichtung (18) und über dem Wasserpegel mit einem Gasablaß (14) versehen ist, und
d) zwiseten der Wasser-Auslaßeinrichtung (18) und der Kühlwasser-Einlaßeinrichtung (S) eine Verbindung (64,66) vorgesehen ist, in der eine Wasser-Kühieinriehtung (20), die Wasser von der Wasser-AuslaGeinrichtung (18) erhält, eine Wasser-Umlaufeinrichtung (22), die das Kühlwasser zur Kühlwasser-Einlaßeinrichtung (8) fördert, und eine Einrichtung (24) zur Entfernung eines Anteils des Wassers aus dem Umlauf vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Ansprich I, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinpartikel in der Größenordnung von 0,2 Gew.-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen in dem Katalysatorsystem gebildeten Gesamtgewichts enthalten sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polytetrafluorethylen in der Größenordnung von 23 bis 3,5 Gew.-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen in dem Katalysatorsystem gebndeten Gesamtgewichts beträgt
4. Vorrichtung nac^ Ansp-Mch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polytetrafluorethylen in der Größenordnung von i Gew.-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen in dem Katalysatorsystem gebildeten Gesamtgewichts beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorsystem (26) mindestens einen Pack-Aufbau (30) zwischen den mindestens einen inerten, porösen Träger (28) mit hoher spezifischer Oberfläche eingeschichtet enthält, wobei der mindestens eine Pack-Aufbau ein im wesentlichen hydrophiles und bezüglich der Vereinigung von Wasserstoff- und Sauers'offgas im wesentlichen nicht katalytisch aktives Äußeres besitzt, und wobei der mindestens eine Pack-Aufbau (M)) 25 bis 75%
des Gesamtoberflächenbereichs des Katalysatorsystems ausmacht.
6. Verfahren zur Umsetzung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem beide Gase ein Katalysatorbett durchströmen, das ein Katalysatorsystem enthält, das mindestens einen inerten, porösen Träger mit hoher spezifischer Oberfläche, Platinpartikel, die in den Poren unterhalb des Trägeräußeren eingebettet sind, und eine Polytetrafluorelhylen-Beschichtung über den Platinpartikeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
a) das Sauerstoffgas und ein Kühlwasserstrom oberhalb des Katalysatorbettes verteilt und dem Katalysatorbett von oben zugeführt werden,
b) das Wasserstoffgas in das Katalysatorbett eingeführt und darin verteilt wird,
so c) das aus dem Katalysatorbett laufende Wasser gekühlt und dem Katalysatorbett a' Kühlwasserstrom wieder zugeführt wird,
d) das aus dem Katalysatorbett laufende Wasser zum T^sI aus dem Kreislauf entfernt wird, und
e) das Katalysatorsystem 0,1 bis 03 Gew.-% Platinpartikel je Gesamtgewicht aus Träger. Platin und Polytetrafluorethylen und 2 bis 4 Gew.-% Polytetrafluorethylen je Gesamtgewicht aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen enthält.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mit einem sich nach oben erstreckenden Gehäuse, das einen oberen Aufnahmeabschnitt, einen Katalysatorbett-Zwischenabschnitt und einen unteren Flüssigwasser-Sammelabschnitt aufweist, wobei der Katalysatorbett-Zwischenabschnitt im wesentlichen von einem Katalysatorsystem ausgefüllt wird, das mindestens einen inerten, porösen Träger mit hoher spezifischer Oberfläche, Platinpartikel, die in den Poren unterhalb des Trägeräußeren
eingebettet sind, und eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung über den Platinpartikeln aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umsetzung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem beide Gase ein Katalysatorbett durchströmen, das ein Katalysatorsystem enthält, das mindestens einen inerten, porösen Träger mit hoher spezifischer Oberfläche, Platinpartikel, die in den Poren
unterhalb des Trägeräußeren eingebettet sind, und eine Polytetrafluorethylen-Eeschichtung über der: Platinpartikeln aufweist
In der DE-OS 27 20 529 wird ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenelektroden beschrieben, bei dem a!s Katalysatorsystem Träger/Platin/Polytetrafluorethylen verwendet wird. Angaben über die Sauerstoffgas- und Wasserstoffgas-Zuführung oder eine Kühlwasserverwendung sind in dieser Druckschrift nicht enthalten. Auf Seite 6 dieser Druckschrift werden Gewichtsbereiche für die Elektrokatalysator/Kunststoffmischung angegeben, und zwar 70 bis 40 Gew.-% Elektrokatalysator und 30 bis 60 Gew.-°/o Kunststoff. Der vorbekannte Katalysator wäre unbrauchbar bei einer Vorrichtung, die mit Wasserkühlung arbeitet
In der DE-OS 16 67 107 wird ein Verfahren zum Beschichten und Imprägnieren von verschiedenen Unterlagen, u. a. auch Polytetrafluorethylen mit Platin, beschrieben, um Elektroden für Brennstoffzellen herzustellen. Mengenverhältnisse von Platin und Polytetrafluorethylen werden nicht angegeben. Ferner wird nicht angegeben, wie die Wasserstoffgas- und Sauerstoffgas-Zuführung erfolgen sollen, wenn die Katalysatoren zur Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden sollen. Desgleichen wird über eine eventuelle Kühlwasserverwendung nichts ausgesagt
In der DE-OS 15 96 106 wird ein Brennstoffelement beschrieben, bei dem in dem Brennstoffelement eine Wasserstoff-Sauerstoff-Rekombinationsvorrichtung vorgesehen ist. Als Katalysator kann u. a. Platin verwendet werden, das mit Polytetrafluorethylen beschichtet ist Bei dieser Vorrichtung ist weder eine getrennte Sauerstoffund Wasserstoffzufuhr noch eine Kühlwasserzufuhr vorgesehen. Eine Befeuchtung so!( vielmehr vermieden werden. Das angegebene Verhältnis von Platin zu Polytetrafluorethylen macht den Katalysator ungeeignet zum Einsatz in einer mit Kühlwasser arbeitenden Vorrichtung.
In der DE-OS 15 71 749 wird ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoff 'emente beschrieben, bei denen als Grundmetall Platin und als hydrophobes Polymerisat PoiytetraRuoreihylfc.i verwendet werden. Angaben, wie die Vorrichtung zur umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff aussehen soll, werden nicht gemacht Das Gemisch von Grundmetall und Polymerisat soll 90 bis 55 Gew.-°/o Metall und 10 bis 45 Gew.-% Polymerisat enthalten. Das kleinste Verhältnis beträgt 55 Gew.-% Metall und 45 Gew.-% Polymerisat. Somit gelten die oben bei der Besprechung der DE-OS 27 20 529 gern? ±ten Ausführungen entsprechend.
Die US- PS 41 66 143 beschreibt die Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen. Das verwendete Katalysatorsystem besteht aus platziertem Kohlenstoff und Polytetrafluorethylen. Dieses Katalysatorsystem ist für die Verwendung zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff ungeeignet, da die exotherme Reaktion bei der Verbindung von Wasserstoff- und Sauei stoffgas zu überhitzten Stellen auf dem Katalysato-metall und dies wiederum zur Verbrennung des Kohlenstoffs führt, der in direktem Kontakt mit dem Katalysatormetall steht Angaben, wie eine Vorrichtung zur Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff gebaut sein soll, sind in dieser Druckschrift nicht gemacht.
Das gleiche Katalysatorsystem mit platziertem Kohlenstoff/Polytetrafluorethylen wird auch in der US-PS 32 52 839 beschrieben. Wasserstoff und Sauerstoff werden getrennt in den oberen Teil des Katalysatorbettes eingeleitet. Eine Kühlwasserzufuhr ist nicht vorgesehen. Ebenso ist über dem Katalysatorbett kein Gasaufnah· meabschnitt vorgesehen mit einer Sauerstoffzufuhr.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der US-PS 40 98 964 bekannt. Die
mit einem Verbindungskatalysator versehene Speicherbatterie wird bei dieser Vorrichtung so ausgelegt, daß der
^ Dampf des verbundenen Wassers vom Katalysator durch eine Leitung in den flüssigen Elektrolyten in der
Batterie zurückgeführt und dort kondensiert wird. Der Verbindungs- oder Wiederverbindungskatalysator, der
aus einem Aluminiumoxid oder Aluminiumsilikat besteht Jas mit einer dünnen Schicht aus Platin überdeckt ist
% und durch eine äußere Beschichtung aus einer dünnen porösen Polytetrafluorethyien-Schicht wasserabstoßend
'! oder hydrophob gemacht ist, ist in einem oben angebrachten Gehäuse enthalten, durch das die beim Entladen
" entwickelten Gase hindurchtreten, wo sie in Dampfform vereinigt werden, bevor sie in den Elektrolyten
zurückgeleitet werden.
; Diese Anordnung erweist sich allgemein als nützlich, jedoch verbleibt noch das Problem, daß der Wasserver-
lust unerwünscht groß ist. da der Katalysator nicht die gesamten entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase
·■;■ zu verbinden imstande ist Ein Grund für die unerwünscht niedrige Aktivität des Katalysators bei der bekannten
?;· Speicherbatterie ri-hrt davon her, daß der verwendete Katalysator nicht nur eine schlechte Anfangsaktivität
besitzt, sondern diese Aktivität bei Berührung mit flüssigem Wasser noch weiter verliert, selbst wenn eine
äji Außenbeschichtung rus einer dünnen porösen Polytetrafluorethyien-Schicht vorgesehen ist. Wegen des großen
Aktivitätsverlustes des Katalysators bei Berührung mit flüssigem Wasser muß der nach seinem Erfinder Reber-
··.' Verfahren genannte Vorgang gemäß Spalte 2. Zeile K3 t'.s Spalte 3, Zeile 4 dieser Druckschrift bei einer
ausreichend hohen Temperatur stattfinden, um die erzeugte Rekombinationswärme so auszunützen, daß sicher-
ij gestellt ist, daß das Wasser nur dampfförmig entsteht und nicht oberhalb Jes Katalysators kondensiert und als
' flüssiges Wasser auf diesen herabtropft. Es ist deshalb bei der bekannten Speicherbatterie notwendig, daß der in
:i Form von Wasserdampf mit dem Sauerstoff rekombinierte Wasserstoff sich in einem Kondensationsbereich
!j durch Berührung mit dem Elektroden verflüssigt.
V In der US-PS 38 88 974 ist ein bithermischer Wasserstoffisotopenaustauschvorgang beschrieben, bei welchem
jb in einer Ausführung flüssiges Wasser durch ein Katalysatorbett tropft, durch welches Wasserstoffgas aufsteigt.
H Das Katalysatorbett kann hochporöse, massive Stützkörper enthalten, bei denen katalytisch aktives Metall, z. B.
Platin, an der Oberfläche der Porenwände abgeschieden ist, und die eine im wesentlichen wasserabstoßende Beschichtung, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, an dem Stützkörper und innerhalb desselben auf den Porenoberflächen des Stützkörpers aufweisen, so daß durch die Beschichtung der Katalysatorkörper im wesentliehen für flüssiges Wasser undurchdringlich, jedoch für Wasserdampf und Wassersioffgas permeabel ist.
Das Katalysatorbett in der letztgenannten Druckschrift ergibt einen hydrophoben. Wasserstoffgas und Wasserdampf aufnehmenden Katalysator, der einen schnellen Gesamtisotopenaustausch zwischen dem gasförmigen
Wasserstoff und dem Wasserstoff im Wasserdampf erreicht, sowie eine Herabsetzung des Aktivitätsverlustes durch Berührung mit flüssigem Wasser.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verbindung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen zu schaffen, die folgende Kriterien erfüllt:
5
i) Der Katalysator muß eine annehmbare Anfangsaktivität besitzen,
ii) eine Berührung des Katalysators mit Wasser in flüssiger Form aus den kombinierten Wasserstoff- und Sauarstoffgasen soll den Katalysator nicht zu einem schnellen Aktivitätsverlust bringen, so daß relativ große Mengen von Wasserstoff- und Sauerstoffgas verbunden werden können, und die Lebensdauer des ίο Katalysators erhöht wird,
iii) der aus der Vereinigung des Wasserstoff- und Sauerstoffgases entstehende Wasserdampf soll beim Katalysator durch Abkühlung kondensiert werden und als flüssiges Wasser nach unten über den Katalysator ablaufen können, so daß die bei der Vereinigung der Wasserstoff· und Sauerstoffgase entwickelte Wärme vom Katalysator durch das Kühlwasser abgeführt, und so eine thermische Verschlechterung des Katalysators verzögert wird.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung sowie durch das in dein Patentanspruch 6 angegebene Verfahren gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß ausgewählte Katalysatoren der in der US-PS 38 88 974 genannten Art bemerkenswert gute Katalysatoren zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Verbindung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen sind. da. im Gegensatz zu den vorher bekannten Geräten, das gleiche Gerät auch Kühlwasser zum Kondensieren des durch die Vereinigung der Wasserstoff- und Sauerstoffgase gebildeten Wasserdampfes und zur Kühlung des Katalysators benützen kann, ohne einen Aktivitätsverlust des Katalysators durch Berührung mit flüssigem Wasser zu erleiden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Temperatur, bei der die Verbindung der Gase stattfindet, auf einem viel geringeren Wert (unter 1000C) gehalten werden kann, als es vorher möglich war (im Bereich von 350° C bis 400° C), so daß die thermische Verschlechterung oder der thermische Abbau des Katalysators verzögert wird, und Katalysatoren verwendet werden können, die bei Berührung mit flüssigem Wasser einen erheblich verringerten Aktivitätsverlust zeigen, wobei das RHko des Auftretens von Überhitzungsstellen im Katalysator verringert wird, an denen durch Entzündung des Wasserstoffs eine Explosion entstehen kann.
Vorzugsweise sind die Platinpartikel in der Größenordnung von 0,2 Gew.-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluoreth> ien in dem Katalysatorsystem gebildeten Gesamtgewichtes enthalten.
Vorzugsweise beträgt das Polytetrafluorethylen größenordnungsmäßig 2,5 bis 3,5 Gew-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen in dem Katalysatorsystem gebildeten Gesamtgewichtes.
Die besten Ergebnisse wurden dann erzielt, wenn das Polytetrafluorethylen (im folgenden PTFE) größenordnungsmäßig 3 Gew.-% des aus Träger, Platin und Polytetrafluorethylen in dem Katalysatorsystem gebildeten Gesamtgewichtes beträgt.
Bei einigen erfindungsgemäßen Ausführungen enthält das Katalysatorsystem mindestens einen Packaufbau vermischt mit dem mindestens einen inerten, porösen Träger mit hoher spezifischer Oberfläche, wobei dieser mindestens eine Packaufbau eine Außenfläche besitzt, die im wesentlichen hydrophil ist und bezüglich der Vereinigung von Wasserstoff- mit Sauerstoffgas im wesentlichen keine katalytische Wirksamkeit aufweist und etwa 25 bis 75% des Oberflächenbereiches des Katalysatorsystems (im folgenden Katalysatoranordnung) umfaßt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der die einzige Figur eine schematische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Vorrichtung zur Verbindung von Wasserstoff- mit Sauerstoffgas zeigt, die beispielsweise besonders nützlich zur Verbindung von Sauerstoffgas mit mit Wasserstoffisotopen angereichertem Wasserstoffgas ist
In der Zeichnung ist die Vorrichtung zur Verbindung von Wasserstoff- mit Sauerstoffgas so dargestellt, daß sie folgende Einzelteile umfaßt:
a) ein sich nach oben erstreckendes Gehäuse 1 mit einem oberen Abschnitt 2 zur Aufnahme von Kühlwasser und gasförmigem Sauerstoff, einem Zwischenabschnitt 4 mit dem Katalysatorbett, einen unteren Samn ilabschnitt 6 für flüssiges Wasser, eine Kühlwasser-Einlaßeinrichtung 8 zur Verteilung von Kühlwasser im oberen Abschnitt 2, eine Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung 10 zur Verteilung von Sauerstoffgas im oberen Abschnitt 2, eine Wasserstoffgas-Einlaßeinrichtung 12 zum Zwischenabschnitt 4 zur Verteilung von Wasserstoffgas in diesem, einen Gasablaß 14 über dem Wasserspiegel 16 im unteren Abschnitt und eine Wasserauslaßeinrichtung 18 vom unteren Abschnitt 6,
b) eine Wasserkühlereinrichtung 20, die zur Aufnahme von Wasser aus der Wasserauslaßeinrichtung 18 des Gehäuses 1 angeschlossen ist,
c) eine Wasserumlaufeinrichtung 22, zum Umlauf des Wassers aus der Wasserkühlereinrichtung 20 zur Kühlwasser-Einlaßeinrichtung 8 des Gehäuses 1,
d) eine Einrichtung 24 zum Entfernen eines Anteils des Wassers aus dem Umlauf und
e) eine Katalysatoranordnung 26, welche im wesentlichen den Katalysatorbett-Zwischenabschnitt 4 erfüllt und mindestens einen inerten, porösen Träger 28 mit hoher spezifischer Oberfläche und in den Poren unterhalb des Trägeräußeren eingebetteten Platinpartikeln sowie einer PTFE-Beschichtung über den PIatinpartikeln umfaßt, wobei die Platinpartikel größenordnungsmäßig 0,1 bis 0,5 Gew.-% des Gesamtgewichtes aus Träger 28, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung umfassen und das PTFE größenordungsmäßig 2 bis 4 Gew.-% des Gesamtgewichtes aus Träger, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung 26 umfaßt
Bei dieser Ausführung enthält die Katalysatoranordnung 26 mindestens einen Packaufbau 30, der mit dem mindestens einen inerten porösen Träger 28 mit hoher spezifischer Oberfläche eingemischt ist, und dieser mindestens eine Packaufbau 30 besitzt eine im wesentlichen hydrophile Außenseite, die mit Bezug auf die |
Verbindung von Wasserstoff- mit Sauerstoffgas relativ katalytisch inaktiv ist; dabei umfaßt dieser mindestens eine Packungsaufbau 30 25 bis 75% des Oberflächenbereichs der Katalysatoranordnung 26.
Die Kühlwassereinlaßeinrichtung 8 enthält ein Rohr 32 mit einem in Form einer ebenen Spirale verteilten Ende 34 sowie Düsen 36 zur Verteilung von Sprühwasser über die Katalysatoranordnung 26.
t.tie Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung 10 enthält ein Rohr 38 mit einem in Form einer ebenen Spirale gewundenem Ende 40 und Düsen 42 zur Verteilung von Sauerstoffgas über die Katalysatoranordnung 26. Die Düsen 42 befinden sich unterhalb der Sprühdüsen 36, so daß das Sprühwasser die Verteilung des Sauerstoffgases über die io | Katalysatoranordnung 26 unterstützt.
Die Wasserstoff gas-Einlaßeinrichtung 12 enthält ein Rohr 44, das einfach oder mehrfach verzweigt sein kann und in diesem Falle mit Ventilen 50, 51 und 52 ausgerüstete Verzweigungen 46,47 und 48 aufweist, deren Enden 54, 55 bzw. 56 ebenfalls in Form von ebenen Spiralen gewunden und mit Düsen 58, 59 bzw. 60 versehen sind. Untersuchungen haben erwiesen, daß insbesondere bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs von 0,7 m/s und mehr eine bessere Mischeigenschaft der Sauerstoff- mit den Wasserstoffgasen und eine bessere Temperaturverteilung in der Katalysatoranordnung 26 erreicht wird, da die Verbindung des gasförmigen Sauerstoffs mit dem gasförmigen Wasserstoff ziemlich gleichmäßig in der gesamten Katalysatoranordnung 26 stattfindel
Der Gasablaß 14 enthält ein Drosselventil 62.
Die Wasserkühlereinrichtung 20 umfaßt einen üblichen wassergekühlten Wärmetauscher und ist über ein
Rohr 64 mit dem Einlaß der durch eine übliche Zentrifugalpumpe gebildeten Wasserumlaufeinrichtung 22 verbunden. Der Auslaß der Wasserumlaufeinrichtung 22 ist über ein Rohr 66 mit der Kühlwassereinlaßeinrichtung 8 verbunden. Eine Verzweigung 68 des Rohrs 66 ist mit einem Ventil 70 versehen und bildet so die Einrichtung 24 zum Ablassen eines Anteils des Wassers aus dem Umlauf.
Die Träger 28 mit hoher spezifischer Oberfläche bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxyd, und es wurden gute Ergebnisse mit gamma-Aluminiumoxyd erzielt.
Der Packaufbau 30 kann keramischer Natur sein und ist vorzugsweise von gleicher Größe und Form wie der Träger 28.
Im Betrieb wird beispielsweise mit Deuterium angereichertes Wasserstoffgas durch die Wasserstoffgas-Einla.'^inrichtung 12 in der Katalysatoranordnung 26 verteilt bei gleichzeitiger Zuführung von Kühlwasser und Sauerstoffgas zu dieser Anordnung durch die Kühlwassereinlaßeinrichtung 8 bzw. die Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung 10.
Das Sauerstoffgas wird mit dem Wasserstoffgas in der Katalysatoranordnung 26 zu Wasserdampf vereinigt, wobei das Platin den Vorgang katalytisch beschleunigt und das Kühlwasser den Wasserdampf dadurch kondensiert, daß es die Katalysatoranordnung im wesentlichen unter 1000C hält.
Das so erzeugte kondensierte Wasser sammelt sich zusammen mit dein Kühlwasser im Flüssigwasser Sam melabschnitt 6 als Flüssigwasseranteil 72 und wird von dort durch die Wasserumlaufeinrichtung 22 durch die Wasserkühlereinrichtung 20 zum Umlauf abgezogen.
Wenn das Umlaufwasser ein gewisses Volumen erreicht, wird ein dem vereinigten Sauerstoff und Wasserstoff ο entsprechender Anteil entweder kontinuierlich oder zeitweise durch die Ablaßeinrichtung 24 abgelassen.
Bei einer tatsächlich ausgeführten und erprobten Vorrichtung wurde ein Gehäuse 1 mit 5 cm Innendurchmesser verwendet, und der Zwischenabschnitt wurde mit 50% Katalysatorträgern 28 und 50% Packaufbauten 30 gepackt Die einzelnen Katalysatorträger waren Pellets mit einem Durchmesser von 3,18 mm aus gamma-Aluminiumoxyd mit einem Gewichtsanteil von 0,2% von Platin, wobei der Gewichtsanteil auf das Gesamtgewicht aus Träger, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung 26 bezogen ist Die Packaufbauten 30 waren Keramikkugeln mit einem Durchmesser von 635 mm.
Die Vorrichtung wurde mit Strömungsgeschwindigkeiten für das Wasserstoffgas durch die Wasserstoffgas- |
Einlaßeinrichtung 12 betrieben, die bis zu 5 l/min betrugen und das während 40 Tage. Die Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit zur Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung 10 wurde aus thermodynamischen Überlegungen auf etwa 2% Obermaß zum stoichometrischen Verhältnis eingestellt
Die Strömungsrate des Kühlwassers zur Kühlwassereinlaßeinrichtung 10 wurde so eingestellt, daß die höchste Temperatur in der Katalysatoranordnung 26 80°C nicht überschritt Als typisches Beispiel kann bei einer Wasserstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit zur Wasserstoffgas-Einlaßeinrichtung 12 von 3,8 l/min eine Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit zur Kühlwasser-Einlaßeinrichtung 10 von 320 ml/min bei einer Temperatur von 300C angegeben werden, und die Temperatur des Flüssigwassers 72 betrug dann 65°C
Eine Analyse durch Massenspektrometrie zeigte, daß mehr als 99,9% des Wasserstoffgases mit dem Sauerstoffgas vereinigt wurde.
Insgesamt 16 Gasproben wurden aus dem Flüssigwassersammelabschnitt 6 oberhalb des Wasserspiegels 16 entnommen.
Die anfangs entnommenen Proben wiesen auf zwei Probleme hin: undichte Probengefäße und unzureichende Sauerstoffmenge zur vollständigen Verbindung. Das erste Problem wurde durch die Verwendung von qualitativ hochwertigen MetaUbalg-Ventilen gelöst und das zweite durch Einfügung eines Seifenblasen-Durchfiußmessers, um einen Oberschuß an Sauerstoff jederzeit sicherzustellen. Es wurde eine Probenentnahme mit Verdrängerkolben und Durchflußgeräten gleichfalls eingesetzt Es wurden fünf gute Proben entnommen mit einem Oberschuß S5 von Sauerstoff im Bereich von 2,8 bis 5,4 VoL-%. Die Massenspektrometer-Analysen sind in der'nachfolgenden Tabelle I aufgezeichnet Diese Ergebnisse zeigen an, daß die Probenentnahme mit Kolbenverdrängung das beste Verfahren zum Ausschließen einer Verunreinigung durch Luft ist Der Anteil von 3,18% N2 in Probe 5 kann einer
Konzentration von <0,l% N2 im Sauerstoff zugerechnet werden, der der Sauerstoffgas-Einlaßeinrichtung 10 zugeführt wird.
Der Wirkungsgrad der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung kann entsprechend der Analyse der Probe 5 zu 99,9988% errechnet werden. Die entsprechenden Strömungszustände waren dabei 1,9 !/min in jedem Zweig 46 und 47, also insgesamt 3,8 l/min bei einer Strömungsmenge von 1,95 l/min Sauerstoff in der Einlaßeinrichtung 10. Der überschüssige Sauerstoff wurde mit dem Seifenblasenmeßgerät genauer auf 55 cnrVmin bestimmt.
Um zu versichern, daß keine Bildung von Stickoxyden bei niedrigen Temperaturen erfolgte, wurden zwei
Kondensat-Wasserproben vom Flüssigwasser 72 auf die Anwesenheit von NO3 und den pH-Wert untersucht.
Die NO3-Konzentration war geringer als 106mol/l (die untere Meßgrenze), und die gemessenen pH-Werte betrugen 7,3 und 6,4. Der größte auftretende Unterschied von zwei pH-Einheiten wird als nicht sehr bedeutsam angesehen und die Meßwerte zeigen also reines Wasser an.
Tabelle I
Zusammensetzung des aus dem Flüssigwasser-Sammelabschnitt 6 abfließenden Gases
Probe Probenentnahme-Verfahren Zusammensetzung (Vol.-%)
Nr. Ar O2 N2 Hi
65
20 1 2
3,31 82,55 14,04 0,09
Evakuiertes 3.04 85,84 11,05 0,07
3 Entnahmegefäß 2,10 81,25 16,60 0,05
4 2,53 81,94 15,44 0,07
5 Kolbenverdrängung 2,99 93,74 3,18 0.08
25
Die Untersuchungen zeigten, daß bei Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung:
1) außerordentlich hohe Umwandlungswirkungsgrade von z. B. 99,9988% bei den angeführten Strömungsraten und Temperaturen nicht über 60° C erreicht wurden,
2) kein Hinweis für die Bildung von Stickoxyden gefunden wurde, die als Vorläufer von Salpetersäure angesehen werden können, die bei der Untersuchung nicht aufgefunden wurde,
3) die Katalysatoranordnung wirksam, auf einfache Weise und direkt mit Flüssigwasser gekühlt werden konnte, so daß sich eine eindeutige Überlegenheit gegenüber bekannten Katalysatoransammlungen ergab, die mit Wasserdampf betrieben werden müssen,
4) sich eine Größenordnung von 0,2 Gew.-% des Gesamtgewichts aus Träger, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung für die Platinteilchen als besonders vorteilhaft ergab,
5) sich eine Größenordnung von 25 bis etwa 3.5 Gew.-% des Gesamtgewichtes von Träger, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung für PTFE als besonders günstig ergab, und
6) als besonders günstig eine Größenordnung von 3 Ge\v.-% für das PTFE vom Gesamtgewicht aus Träger, Platin und PTFE in der Katalysatoranordnung ergab.
Die erfindungsgen.aße Vorrichtung kann beispielsweise in folgenden Einrichtungen genutzt werden:
a) bei einer Tritium-Wiedergewinnungsanlage, bei der eine Kombination von Wasserstoffisotopen für das Verfahren erforderlich ist,
b) in den Deck- oder Schutzgas- und in den Abgassystemen eines Kernreaktors,
c) bei einer Erzeugung von Wasserstoff in einem Kernreaktor unter abnormalen Betriebsbedingungen, z. B. bei einer Temperaturabweichung im Reaktorkern, und
d) bei der Reinigung der Wasserstoff- und Sauerstoffgasströme von Wasser-Elektrolysezellen.
Bei manchen Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen die Tiefe des gepackten Katalysatorbettes eine Verteilung des durch das Bett hindurchtröpfelnden Kühlwassers stört, kann es Vorteile bringen, Verteiler zum Ausgleich der Störungen in dem gepackten Bett vorzusehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Umsetzung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mit einem sich nach oben erstreckenden Gehäuse, das einen oberen Aufnahmeabschnitt, einen Katalysatorbett-Zwischenabschnitt und
einen unteren Flüssigwasser-Sammelabschnitt aufweist, wobei der Kaialysatorbett-Zwischenabschnitt im wesentlichen von einem Katalysatorsystem ausgefüllt wird, das mindestens einen inerten, porösen Träger mit hoher spezifischer Oberfläche, Platinpartikel, die in den Poren unterhalb des Trägeräußeren eingebettet sind, und eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung über den Platinpartikeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
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