Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.

Stand der Technik

Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie unter Nutzung eines Temperaturgradienten (Seebeck-Effekt) sowie geeignete Materialien für die Herstellung solcher Vorrichtungen sind z.B. aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366 A, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, bekannt.

Diese Vorrichtungen weisen so genannte Peltier-Elemente oder thermoelektrische Elemente (im Folgenden je nach dem das oder die, des, den oder der oder ein oder eines »TEE« genannt) auf. Grundsätzlich enthält ein TEE zwei verschiedene thermoelektrische Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, die an einer Kontaktstelle oder in einem Kontaktbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich bewirkt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung (Thermospannung) zwischen den beiden thermoelektrischen Materialien. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein elektrischer Strom.

Die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie umfassen daher im Allgemeinen mindestens ein TEE, das in seinem Kontaktbereich in thermischem Kontakt mit einer Quelle thermischer Energie (Wärmequelle) und mit der gegenüberliegenden Seite in thermischem Kontakt mit einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) steht, die die zufließende thermische Energie abtransportiert oder anderweitig nutzt.

Diese Konfiguration "Quelle thermischer Energie/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung" gestattet wegen der hohen Anzahl von Wärmequellen einerseits und wärmeabsorbierenden Vorrichtungen andererseits eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere als autarke, von einem elektrischen Verteiler unabhängige Quellen elektrischer Energie.

Dabei kommen als Quelle thermischer Energie so unterschiedliche Vorrichtungen wie durch die Solarthermie erhitzte photovoltaische Zellen oder Solarzellen; im Allgemeinen weisen die betreffenden Vorrichtungen die Konfiguration

"Solarzelle/elektrisch isolierende, wärmeleitende

Schicht/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung" auf (vgl. die amerikanischen Patentanmeldungen US 2011/0048488 A1 und US 2011/0048489 A1 oder die amerikanischen Patentschriften US 7,875,795 B2, US 4,106,952 und US 3,956,017), die Abwärme von Motorblöcken, Auspuffanlagen, Rauchrohren, Abgaskaminen, Öfen oder Behältern mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern (vgl. die deutsche Patentanmeldung DE 199 46 806 A1 , die internationalen Patentanmeldungen WO 99/36735 und WO 01/80325 A1 , die amerikanische Patentanmeldung US 2006/0266404 A1 oder die amerikanischen

Patente US 6,232,545 B1 , US 6,624,349 B1, US 6,527,548 B1 und US 6,053, 163 B1), oder

Sonnenkollektoren, insbesondere Flachkollektoren (vgl. die amerikanische Patentanmeldung US2010/0300504 A1 , die europäische Patentanmeldung EP 2

239 187 A1 oder die deutschen Patentanmeldung DE 10 208 009 979 A1 , DE 36 19 127 A1 und DE 37 04 559 A1) in Betracht.

Insbesondere hat man versucht, Motorabgase in Auspuffanlagen effektiver für die Gewinnung von elektrischer Energie bei gleichzeitiger Nachreinigung der Motorabgase zu nutzen. Zu diesem Zweck wird in dem amerikanischen Patent US 5,968,456 ein katalytischer Konverter vorgeschlagen, der die Energie der exothermen Reaktionen der Bestandteile von Motorabgasen an einem Katalysator zur Erzeugung von Strom mithilfe von TEE nutzt. Dabei wird die thermische Energie mithilfe von im monolithischen Katalysator eingebetteten Wärmeleitrippen vom monolithischen Katalysator zur heißen Seite der TEE geleitet.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2003/0223919 A1 ist ein vergleichbarer Aufbau zur Nachreinigung von Motorabgasen bei gleichzeitiger Gewinnung von elektrischer Energie bekannt. Dieser Aufbau umfasst einen katalytischen Konverter der in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite von TEE steht. Die kalten Seiten der TEE stehen in wärmeleitendem Kontakt mit Kühlkanälen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 040 849 A1 wird eine katalytisch aktive Schicht zur Oxidation von Bestandteilen der Abgase aus Oxidationskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, beschrieben. Die Schicht umfasst bimetallische oder polymetallische Nanopartikel, wobei die Metalle aus der Gruppe Palladium, Rhodium, Platin, Eisen, Nickel, Chrom, Rhenium, Ruthenium, Technetium, Iridium, Kobalt, Kupfer, Gold und Silber ausgewählt sind. Die Nanopartikel können auf einem oder mehreren Trägermaterialien fixiert sein, die aus der Gruppe, umfassend Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Strontiumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumsoxid, Antimonooxid, Wismutoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Oxide der Lanthanide, Oxide der Actinide oder Mischoxide aus den vorstehend genannten Oxiden, zeolithartige Mischoxide und/oder Oxide aus der Gruppe der Spinelle, ausgewählt sind. Das Trägermaterial kann weiterhin Verbindungen wie Alkalimetalle, Halogenide, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Galliumoxid, Germaniumoxid, Indiumoxid, Manganoxid, Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid als Dotierungsmittel oder Promotoren enthalten. Die Nanopartikel weisen eine mittlere Teilchengröße 5 2 nm bis < 5 nm auf.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 031 502 A1 geht ein rohrförmiger thermoelektrischer Generator, der von einem Fluid durchströmt wird, hervor. Der Generator weist eine Innenoberfläche, die ein Innenvolumen radial außen begrenzt, und eine Außenoberfläche auf. In dem Innenvolumen befindet sich ein katalytisch beschichtetes Element, an dem exotherme Reaktionen von Bestandteilen der Motorabgase ablaufen. Hierdurch wird ein weiterer Wärmeeintrag in die TEE erzielt. Des Weiteren hat man auch die flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Katalysatoren als Wärmequelle für TEE genutzt. So wird in der Diplomarbeit von Ewald Maria Sütterlin, »Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner«, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, ein katalytischer Butan- Diffusionsbrenner als Wärmequelle für TEE vorgeschlagen. Als Prototypen zur katalytischen Butan-Oxidation werden mit Platin beschichtete Sinter-Elemente auf der Basis von Nickel vorgeschlagen. Als Katalysatorträgermaterial soll Aluminiumoxid verwendet werden. Wie die TEE räumlich und funktionell zu dem Diffusionsbrenner angeordnet werden sollen, wird nicht beschrieben.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2009027876 A ist ein tragbares TEE mit einem integrierten katalytischen Gasbrenner bekannt. Das Gerät umfasst eine rohrförmige Oxidationskammer mit einer rohrförmigen, wärmeleitfähigen Wand, einen Auslass für Abgase oberhalb der Oxidationskammer, einer Einlassvorrichtung für das Brenngas unterhalb der Oxidationskammer, TEE auf der Außenseite der wärmeleitfähigen Wand und Kühlrippen auf der kalten Seite der TEE. Innerhalb des Oxidationsraumes befinden sich plattenförmige Katalysatorfilter mit Löchern für den Gasdurchlass. Die plattenförmigen Katalysatorfilter sind aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung, die noch Lanthanide enthalten kann, aufgebaut. Im Bereich der Ränder der Löcher befinden sich Aluminiumoxidschichten, worin Palladium/Platin-Katalysatoren eingelagert sind.

Aus ^" der japanischen Patentanmeldung JP 2004064853 A ist ebenfalls ein tragbares TEE bekannt, das einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator des Brenners befindet sich im Hohlraum zwischen zwei parallelen Platten mit TEE. Der Hohlraum und der Katalysator sind luftdurchlässig. Das Brenngas wird über einen Einlass in den Hohlraum geleitet. Die Luft wird in die beiden offenen Enden des Hohlraums eingesaugt. Zugleich dienen die beiden offenen Enden als Auslass für die Abgase.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2012105512 A ist ein TEE bekannt, das ebenfalls einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator wird hergestellt, indem man eine Paste, die auf Oxidnanopartikeln geträgerte Nanopartikel aus Platin, Palladium oder Gold enthält, herstellt, in dem gewünschten Muster auf die Anordnung der TEE aufgedruckt und calciniert. Ein Verfahren zur katalytischen Entfernung von Spuren von Methan in der Luft bei 220 bis 400°C ist aus der chinesischen Patentanmeldung CN 1718274 A bekannt. Als Katalysator wird auf Ceroxid geträgertes Palladium oder Platin verwendet. Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102000570 A ist die katalytische Oxidation von Methylbenzol bei 220 bis 300°C bekannt. Als Katalysator wird eine wabenförmige Keramik aus Pd/Ce0.8Zr0.20 ₂ verwendet.

Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102407129 A ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bei 380 bis 545°C bekannt. Der Katalysator hat eine Kern-Schale-Struktur, wobei die Schale aus Perovskit und der Kern aus Yttriumstabilisierten Zirkonnanopartikeln aufgebaut sind.

Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201221214 A ist ein katalytisches Verfahren zum Entfernen von organischen Verbindungen aus der Luft bekannt. Als Katalysator wird ein Festbett aus auf Ceroxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln einer Teilchengröße von 2 bis 6 nm verwendet.

Aus dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. Hernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero,„Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@CeÜ2 Subunits on Functionalized Al ₂ 0 ₃ ", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012, ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bekannt, der aus Palladium-Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut ist (= Pd@Ce02). Die Katalysatorpartikel sind an hydrophobierte Aluminiumoxidoberflächen gebunden.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2013/145920 A1 sind ebenfalls Katalysatoren auf der Basis von Palladium, das auf einem anorganischen porösen Material aufgetragen ist, bekannt. Als Cokatalysator wird Ceroxid verwendet.

Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201323081 A ist die Herstellung von auf Ceroxid und Manganoxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln bekannt. Die Materialien eignen sich für die katalytische Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen bei 50 bis 250X. Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 103143353 A ist ebenfalls die Herstellung von Palladium-Ceroxid-Nanopartikeln bekannt. Als Reduktionsmittel wird bei der Herstellung ein Pulver von cacumen biotae verwendet. Die bekannten Vorrichtungen, die TEE und flammenlose, katalytische Brenner umfassen, weisen den Nachteil auf, dass sich die Temperatur und die Wärmeenergie nur über die Brennstoffzufuhr und die Zusammensetzung der Brenngase regeln lassen. Es besteht daher stets die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen. Diese bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie weisen außerdem den Nachteil auf, dass die Leitung der thermischen Energie von ihrer Quelle zu der "heißen" Seite des TEEs und ihre Ableitung von der "kalten" Seite des TEEs zur wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) vergleichsweise ineffektiv ist, was den Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtungen schmälert.

Die obere Grenze des Wirkungsgrades eines thermoelektrischen Elements, das Strom erzeugt ist, nämlich durch die Gleichung I gegeben: Gleichung I

_ erzeugte elektrische Energie _

Wärmeenergie absorbiert an der heissen Seite

Der Carnot- Wirkungsgrad nc ist durch die Gleichung II gegeben: Gleichung II l«

Unter "erzeugter elektrischer Energie" ist die Energie zu verstehen, die an eine Last, d.h. ein Gerät, worin die elektrische Energie abgeführt wird, abgegeben wird. "Z" bezeichnet die so genannte figure-of-merit, d.h. die Fähigkeit eines Materials, effizient thermoelektrische Energie zu erzeugen. Sie wird in Gleichung XII definiert.

Der Wirkungsgrad wird ausserdem stark beeinträchtigt von dem thermischen Widerstand zwischen der heißen TEE-Elektrode und der Wärmequelle mit der Temperatur THH, und dem Widerstand zwischen der kalte TEE-Elektrode und der Wärmeableitung bei der Temperatur Tcc Bei gleichem thermischen Widerstand Ri wird der gesamte thermische Widerstand durch die Gleichung III angegeben, worin RTEE = thermischer Widerstand des TEEs.

Gleichung III

Rgesamt ⁼ 2Ri + RTEE! ,

Dadurch wird der Wärmestrom durch das TEE gemäß den Gleichungen IV und V reduziert von

Gleichung IV

aufGleichung V

Dadurch reduziert sich der Temparturabfall über das TEE gemäß den Gleichungen VI und VII von

Gleichung VI

auf

Gleichung VII

Der wichtigste Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad des TEE ist gemäß Gleichung VIII der Carnot-Wirkungsgrad. Diese ändert sich deshalb von Gleichung II auf

Gleichung VIII

, _ 1

n ^c_ric 1+(1+ T _CC /THH)( I / TEE)

-

So ist für der Carnot Wirkungsgrad um 21 % reduziert und für

sogar um 43%, bei T _C c=70 °C, T _HH =250 °C.

Der thermische Widerstand Ri setzt sich gemäß Gleichung IX aus dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand R _M zwischen dem TEE und dem thermischen Leiter an einem Ende, dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand R 2 zwischen dem Wärmeleiter und der Wärmequelle am anderen Ende sowie dem Wärmewiderstand R _L des Wärmeleiters selbst zusammen.

Gleichung IX

Die einfachsten thermischen Leiter sind metallische Leiter mit großem Querschnitt AL, damit der Leitungswiderstand gemäß Gleichung X klein bleibt. In der Gleichung X steht ki_ für die Wärmeleitungszahl des metallischen Leiters und L für dessen Länge.

Gleichung X

Übliche, kostengünstige Materialien mit hohen ki_-Werten sind Cu oder AI. Damit der Leitungswiderstand R _L klein genug bleibt, sollte der Querschnitt AL gross sein.

Der thermische Kontaktwiderstand wird gemäß Gleichung XI vom engen Kontakt zwischen den Materialen der beiden Seiten des Kontakts bestimmt, wobei alle Einflüsse in dem thermischen Kontaktkoeffizienten h _c zusammengefasst werden, und der Fläche A des Kontakts.

Gleichung XI

R _h =1/hcA. Der thermische Kontakt wird generell verbessert, d.h. h _c wird größer, mit der Anzahl der Berührungspunkte zwischen den zwei Kontaktflächen. Dazu kann mit hohem Druck durch Zusammenpressen der Kontaktflächen der thermische Kontakt erhöht werden. Auch eine verringerte Oberflächenrauigkeit, die Reinigung der Kontaktflächen und eine Oberfläche hoher Güte und Planarität führen zu einer gewissen Verbesserung. Häufig wird eine thermisch gut leitende Paste auf der Basis von Polymeren, die metallhaltige Partikel enthalten, verwendet, um auch die verbleibenden "Wärmeleitungslöcher" im Kontakt auf aufzufüllen. Die Nachteile der Anwendung von Druck sind zahlreich.

So ist ein aufwändiger mechanischer Aufbau notwendig, um dauerhaft ausreichenden Druck zu erzielen. Im Fall des TEE besteht dann die gesamte Anordnung aus vergleichsweise schweren metallischen thermischen Kontakten und dem TEE selbst, das überwiegend aus keramischen Teilen aufgebaut ist. Beim Erhitzen der heißen Seite des TEE verstärken sich, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen und keramischen Materialien, die mechanische Spannungen. Dies kann zum Bruch des TEE führen; auf jeden Fall führen die mechanischen Spannungen zur Materialermüdung. Ausserdem ändert sich der thermische Kontakt während der Erwärmung, weil sich der Druck ändert. Die Anwendung einer thermisch leitenden Paste kann dieses Problem nur teilweise beheben.

Der Kontaktwiderstand R _h wird auch erniedrigt, indem man das TEE und den Wärmeleiter direkt mittels einer Löt- oder Schweissverbindung miteinander verbindet. Durch die direkte metallische Verbindung ist der h _c Wert sehr groß und damit ist Rh klein. Rh kann nicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche verringert werden, weil diese durch die Dimensionen des TEE begrenzt wird. Darüber hinaus sind bei diesem Aufbau die Probleme, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftreten, noch größer. Ausserdem kann man das System nicht mehr ohne weiteres zerlegen, z.B. für eine Reparatur oder ein späteres Recycling.

In der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0300504 A1 wird ein Flachkollektor vorgeschlagen, der eine der Sonne zugewandten vorderen Teil mit einem Sonnenkollektor, d.h. einem Absorber von Solarenergie, einen mittleren Teil mit TEE und einen rückwärtigen Teil mit Kühlelementen aufweist. Der Sonnenkollektor kann aus so unterschiedlichen Materialien wie Metall, Zement, Beton, Ziegeln, Porzellan, Keramik oder Kunststoff bestehen. Außerdem kann der Sonnenkollektor noch mit einem transparenten Material bedeckt sein, um den Treibhauseffekt zu nutzen. Um die Leitung der thermischen Energie zu und von den einzelnen Teilen zu verbessern, werden sie unter Druck durch Befestigungselemente zusammengefügt.

Bekanntermaßen treten aber bei solchen Sonnenkollektoren Temperaturunterschiede zwischen der Vorderseite und der rückwärtigen Seite von bis zu 400°C auf. Da bei den aus US 2010/0300504 A1 bekannten Sonnenkollektoren aber Materialen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sozusagen unter Zwang zusammengefügt werden sollen, besteht in hohem Maße die Gefahr, dass die durch die hohen Temperaturdifferenzen und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen mechanischen Spannungen früher oder später zu einer Schädigung der Sonnenkollektoren führen können, was ein wesentlicher Nachteil ist.

Um die Nachteile, die mit der Anwendung von Druck verbunden sind, zu beheben, wird in dem amerikanischen Patent US 6,232,545 B1 eine schindeiförmige elektrische Netzwerkanordnung vorgeschlagen, die ein terrassenförmiges Substrat, einen isolierenden Film, eine Metallschicht aus Kupfer und thermophotovoltaische Zellen umfasst, die mit der Kupferschicht verbunden sind. Um durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanischen Spannungen zu vermeiden, werden für die einzelnen Komponenten der Netzwerkanordnung Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet. So werden beispielsweise im Falle von GaSb- Zellen Cu/Invar/Cu-Laminate oder AlSiC als Substratmaterial verwendet. Nachteilig ist hierbei die eingeschränkte Auswahl der Materialien.

Man hat versucht, diese Nachteile durch die Verwendung von Wärmerohren zu beheben.

Ein Wärmerohr (heatpipe) ist ein gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Es kann eine 100- bis 1000-mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gesättigt. Wird an einer Stelle des Wärmerohres Energie zugeführt, verdampft dort die "arbeitende" Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt. Je nachdem, in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche "arbeitende" Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000K.

Wärmerohre können beispielsweise in Peltierelement/Heat pipe-Kühlsystemen verwendet werden.

Außerdem sind Vorrichtungen mit TEE bekannt, bei denen die Wärmeenergie mithilfe von Wärmerohren zur heißen Seite der TEE und/oder von der kalten Seite der TEE zu einer Wärmesenke geleitet wird (vgl. die deutschen Patentanmeldungen DE 33 14 166 A1 und DE 10 2008 005 334 A1 , das amerikanische Patent US 4,520,305, die japanischen Patentanmeldungen JP S5975684 A und JP S60125181 A oder die internationalen Patentanmeldungen WO 2011/024138 A2, WO 2011/120676 A2 und WO 2013/092394 A2).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie vorzuschlagen. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren sollen die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweisen, sondern sie sollen einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Energiequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung gestatten. Dabei soll die Auswahl der zum Aufbau der neuen Vorrichtung verwendeten Materialien im · Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterliegen. Dennoch sollen in der neuen Vorrichtung und bei dem neuen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene thermische Spannungen auftreten. Insgesamt sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik aufweisen. Darüber hinaus sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen bei ihrem Betrieb signifikant verringern, wenn nicht gar völlig auszuschließen. Nicht zuletzt sollen die neuen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel sein sowie eine lange Betriebsdauer aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung

Demgemäß wurde die neue Vorrichtung (1) zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie gefunden, umfassend als Wärmequelle mindestens eine Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem Reaktionsraum (2.1), mindestens einer Einlassvorrichtung (2.2) für ein Gas oder ein Gasgemisch (2.3), mindestens einer Auslassvorrichtung (2.4) für die Abgase

(2.5) und eine Wandung (2.6), als Überträger thermischer Energie mindestens ein Wärmerohr (3) mit einem Verbindungsbereich (3.1), einer fluiddichten Wand (3.2), einem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) und einem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4), mindestens ein thermoelektrisches Element (4) mit elektrischen Anschlüssen (6) und mindestens eine Wärmesenke (5), wobei das mindestens eine Wärmerohr (3) mit seinem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) in wärmeleitendem Kontakt mit der mindestens einen Vorrichtung (2) und mit seinem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der heißen Seite

(4.1) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei die der heißen Seite (4.1) gegenüber liegende, kalte Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der mindestens einen Wärmesenke (5) steht.

Im Folgenden wird die neue Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als »erfindungsgemäße Vorrichtung« bezeichnet. Außerdem wurde das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gefunden, bei dem die von mindestens einer Wärmequelle (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) einer Wärmesenke (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. In Folgenden wird das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als "erfindungsgemäßes Verfahren" bezeichnet.

Vorteile der Erfindung Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden konnte. Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufwiesen, sondern einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Wärmequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der restlichen zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden oder Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke) gestatteten. Dabei war die Auswahl der zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterworfen. Dennoch traten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanische Spannungen auf.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfielen auch die Probleme der thermischen Kontaktierung zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Oberfläche des TEE sowie zwischen der kalten Oberfläche des TEE und der Wärmesenke. So war bei Vorrichtungen des Standes der Technik ein effektiver thermischer Kontakt nur durch mechanischen Druck gewährleistet. Dadurch bestand aber die Gefahr, dass die bekannten Vorrichtungen bereits beim Zusammenbau oder im Laufe ihrer Verwendung mechanisch geschädigt wurden. Außerdem mussten an die Güte und Planarität der betreffenden Kontaktflächen hohe Anforderungen gestellt werden, weil ansonsten insbesondere der Temperaturabfall zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Seite des TEE zu hoch wurde und dadurch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung erniedrigt wurde.

Insgesamt wiesen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik auf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wies darüber hinaus den wesentlichen Vorteil auf, dass ihre Bauteile in den unterschiedlichsten räumlichen^ Anordnungen miteinander kombiniert werden konnten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung den unterschiedlichsten räumlichen und/oder thermischen Gegebenheiten in besonders flexibler Weise angepasst werden. Insbesondere konnte das TEE als elektrisches Bauteil getrennt von Wärme ableitenden Vorrichtungen, die Wasser oder brennbare Flüssigkeiten enthalten, angeordnet werden, was die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders sicher machte. Darüber hinaus gestatteten es die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, die thermische Energie auf wenige TEE zu konzentrieren, so dass gewährleistet war, dass die Temperatur der heißen Seite der TEE stets im oder nahe dem optimalen Bereich lag und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung hoch blieb.

Nicht zuletzt war bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gefahr der Überhitzung bei ihrem Betrieb signifikant verringert, wenn nicht gar völlig ausgeschlossen.

Ferner waren die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel und wiesen eine besonders lange Betriebsdauer auf.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mithilfe des Seebeck-Effekts in thermoelektrischen Elementen (TEE). In der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient mindestens eine, insbesondere eine, Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen als Wärmequelle.

Die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst mindestens einen, insbesondere einen Reaktionsraum, der von einer gasdichten Wandung umschlossen ist. Die Reaktionsgase werden über mindestens eine Einlassvorrichtung in den Reaktionsraum geleitet, wo sie miteinander zu den Abgasen reagieren, die über mindestens eine, insbesondere eine, Auslassvorrichtung aus der Vorrichtung abgeführt werden.

Unter Oxidation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Reaktion eines Reduktionsmittels mit Sauerstoff zu .verstehen. Hierzu kann reiner Sauerstoff, mit Stickstoff und/oder Edelgasen verdünnter Sauerstoff oder Luft verwendet werden. Vorzugsweise wird Luft als Sauerstoffquelle verwendet. Vorzugsweise wird die Oxidation bei Atmosphärendruck durchgeführt. Als Reduktionsmittel oder Brennstoffe dienen Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutan, Pentan und seine Isomeren, Hexan und seine Isomeren, Cyclopentan und Cyclohexan, insbesondere aber Methan. Bevorzugt wird als Methanquelle Erdgas verwendet.

Bekanntermaßen läuft die Oxidation oder Verbrennung von Methan nach der folgenden Gleichung ab:

CH ₄ + 20 ₂ -> C0 ₂ + 2H ₂ 0

Da Methan in der Atmosphäre einen besonders starken Treibhauseffekt bewirkt, soll seine Verbrennung möglichst vollständig ablaufen. Ohne Katalysator ist dies nur in einer Flamme bei sehr hohen Temperaturen möglich. Bei diesen Temperaturen entstehen aber verstärkt toxische Stickoxide (NO _x ) und Kohlenmonoxid. Außerdem können bei den notwendigen hohen Temperaturen die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie beschädigt werden, insbesondere weil die Temperatur und damit der Fluss der thermischen Energie schwierig zu kontrollieren sind. Eine vollständige flammenlose Oxidation des Methans zu Kohlendioxid und Wasser ohne Bildung toxischer Produkte ist bei signifikant niedrigeren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von 50 bis 400°C, mithilfe von Katalysatoren möglich.

Vorzugsweise werden als Katalysatoren Nanopartikel verwendet.

Vorzugsweise weisen die katalytisch wirksamen Nanopartikel eine mittlere Teilchengröße von 2 bis 50 nm, bevorzugt 3 bis 40 nm, besonders bevorzugt 4 bis 30 nm und insbesondere 5 bis 25 nm auf. Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten mindestens ein Oxid, das aus der Gruppe, bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Titandioxid, Zircondioxid, Hafniumdioxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Manganoxid, Eisenoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Oxiden der Lanthanide, bevorzugt Lanthanoxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, Oxiden der Actinide, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, Siliziumdioxid, Germaniumoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Zeolithen, Spinellen, Mischoxiden aus mindestens zwei der genannten Oxide, sowie Hydroxylapatit ausgewählt ist. Insbesondere werden Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirconiumdioxid, Zeolithe und/oder Ceroxid verwendet.

Die Oxide und Hydroxylapatit können weitere Bestandteile wie Halogenide, Nitride, Phosphide und/oder Sulfide enthalten.

Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten außerdem mindestens ein Metall, das aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold, ausgewählt ist. Bevorzugt werden Palladium und Platin, insbesondere Palladium verwendet. Vorzugsweise enthalten die katalytisch wirksamen Nanopartikel einen metallischen Kern, der von einer Oxidhülle umgeben ist. Bevorzugt ist die Oxidhülle aus Oxid-Nanopartikeln aufgebaut. Vorzugsweise werden Titandioxid, Zircondioxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, verwendet. Ganz besonders bevorzugt werden die in dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. Hernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero, „Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@Ce02 Subunits on Functionalized AI2O3", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012, beschriebenen, katalytisch wirksamen Nanopartikel verwendet, die aus Palladium- Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut sind (= Pd@Ce02).

Die katalytisch wirksamen Nanopartikel sind Bestandteil einer Katalysatorschicht, die eine Trägerschicht umfasst, die die Nanopartikel trägt. Die Trägerschicht kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein, solange diese nicht die katalytische Wirksamkeit der Nanopartikel negativ beeinflusst. Außerdem soll' die Trägerschicht die katalytisch wirksamen Nanopartikel auch bei höheren Temperaturen so fest an sich binden, dass sie nicht durch die Reaktionsgase, die durch den Reaktionsraum strömen, abgelöst werden. Vorzugsweise ist die Trägerschicht aus den vorstehend beschriebenen Oxiden oder Hydroxylapatit aufgebaut. Insbesondere werden Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid verwendet. Vorzugsweise ist die Oberfläche der Trägerschicht hydrophob. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die an der Oberfläche der Oxide oder des Hydroxylapatits befindlichen Hydroxylgruppen mit einem Silylierungsreagenz umgesetzt werden. Bevorzugt werden die Silylierungsreagenzien aus der Gruppe, bestehend aus Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silanen und Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silanen ausgewählt.

Beispiele gut geeigneter Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silane sind Dimethoxy-, Diethoxy-, Dipropoxy-, Diisopropoxy-, Di- n-butoxy- und Diisobutoxy(dialkyl)-, -(dicyloalkyl)- und -(alkylcycloalkyl)silane, worin die Alkyl- und Cycloalkylreste aus der Gruppe, bestehend aus Resten mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise n-Pent-1-yl-, lsopent-1-yl-, n-Hex-1-yl-, lsohex-1-yl-, 2- Ethylhex-1-yl-, Cyclohexyl-, 1-, 2-, 3- und 4-Methyl-, Ethyl-, Prop-1-yl-, Isopropyl-, n-But-1- yl-, sec.-But-1-yl- und tert.-Butyl-cyclohex-1-yl-, n-Hept-1-yl-, n-Oct-1-yl-, lsoct-1-yl-, n- Νοη-1-yl-, n-Dec-1-yl-, Undec-1-yl-, Dodec-1-yl-, Tridec-1-yl-, Tetradec-1-yl-, Pentadec-1- yl-, Hexadec-1-yl-, Heptadec-1-yl-, Octadec-1-yl-, Nonadec-1-yl- und Eicosan-1-yl-Reste, ausgewählt sind.

Gut geeignete Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten Alkoxyreste, die aus der Gruppe, bestehend aus Methoxy-, Ethoxy-, Propoxy-, Isopropoxy- und n-Butoxy- Resten, ausgewählt sind. Vorzugsweise werden Ethoxyreste verwendet. Die gut geeigneten Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten außerdem einen der vorstehend beschriebenen Alkyl- und Cycloalkylreste. Vorzugsweise wird der n-Oct-1-yl Rest verwendet. Bevorzugt werden Trialkoxy(alkyl)silane und insbesondere Triethoxy(n-oct-1-yl)silan (TEOOS)) als Silylierungsreagenzien verwendet.

Die Trägerschicht befindet sich auf einem gasdurchlässigen Katalysatorträger. Vorzugsweise handelt es sich bei dem gasdurchlässigen Katalysatorträger um Platten, die aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein können. Kriterien für die Auswahl der Materialien sind Hitzebeständigkeit, mechanische Stabilität und Nichtbrennbarkeit. Insbesondere werden Platten aus Eisen, insbesondere Edelstahl, und Eisenlegierungen, insbesondere Legierungen des Eisens mit Chrom und/oder Aluminium, die noch Lanthanide, insbesondere Cer, enthalten können, verwendet.

Die Platten können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Die Umrisse richten sich vor allem nach dem jeweiligen Umriss des Reaktionsraums. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig und achteckig, gegebenenfalls mit abgerundeten Ecken und/oder Seiten, sowie kreisförmig oder elliptisch sein.

Die Platten können unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 0,8 bis 4,5 mm und insbesondere 1 bis 3 mm.

Die Platten können außerdem unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei Platten, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss haben, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 20 cm, bevorzugt 2 bis 15 cm und insbesondere 5 bis 10 cm.

Die Gasdurchlässigkeit wird von Durchbrüchen durch die Platten gewährleistet. Die Anzahl, Größe und Form der Durchbrüche können innerhalb weiter Grenzen variieren. Wesentlich ist, dass Anzahlung und Größe nicht die mechanische Stabilität der Platten verringern. Demnach können die Durchbrüche beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, kreisförmig, elliptisch, geradlinig oder gebogen schlitzförmig, zickzagförmig oder mäanderförmig sein oder die in der japanischen Patentanmeldung JP 2009027876 A in den Figuren 3(a)-3(c), 4(a0)-4(a2), 4(b0)-4(b2) und 9(a)-9(f) offenbarte Formen aufweisen.

Die Platten können konzentrisch um das Wärmerohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. Dabei kann die Kante der Platte einen gewissen Abstand zur Wandung des Wärmerohrs haben oder direkt hiermit verbunden sein.

Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil meso- und/oder makroporöser Partikel sein, die im Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett bilden. Vorzugsweise sind die meso- und/oder makroporösen Partikel aus den vorstehend beschriebenen Oxiden, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid, und/oder Hydroxylapatit aufgebaut. Bevorzugt ist ihre Oberfläche in der vorstehend beschriebenen Weise hydrophobiert.

Der Durchmesser der meso- und/oder makroporösen Partikel kann breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Bei meso- und/oder makroporösen Partikeln, die keine Kugelform aufweisen, ist unter dem Durchmesser der längste Durchmesser zu verstehen. Wesentlich ist, dass die meso- und/oder makroporösen Partikel nicht so groß und damit so schwer werden, dass sie unter den Bedingungen der flammenlosen katalytischen Oxidation kein Wirbelschichtbett mehr im Reaktionsraum bilden. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1000 μιτι, vorzugsweise 0,2 bis 800 μιτι und insbesondere 0,3 bis 600 pm.

Des Weiteren können die meso- und/oder makroporösen Partikel eine breite oder enge, monomodale, bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilung aufweisen. Vorzugsweise wird eine enge monomodale Partikelgrößenverteilung verwendet, um den störenden Einfluss von besonders kleinen und besonders großen meso- und/oder makroporösen Partikeln auszuschließen, so dass in dem Wirbelschichtbett weitgehend einheitliche Reaktionsbedingungen vorliegen.

Die Porengröße der meso- und/oder makroporösen Partikel kann ebenfalls breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Wesentlich ist, dass die Porengröße so eingestellt wird, dass die katalytisch wirksamen Nanopartikel in die Poren eingelagert werden können. Vorzugsweise liegt die mittlere Porengröße im Bereich von 10 bis 1000 nm, bevorzugt 20 bis 750 nm und insbesondere 30 bis 500 nm.

Meso- und/oder makroporöse Partikel können aus meso- und/oder makroporösen Keramiken beispielsweise durch Vermählen und Sichten der gemahlenen Produkte hergestellt werden. Meso- und/oder makroporöse Keramiken und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus den Patentschriften US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder den Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, »Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen«, »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteile« und »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: AbOs-Keramik und PVC-Polymerschaum« bekannt.

Enthält der Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett aus den vorstehend beschriebenen meso- und/oder makroporösen Partikeln, ist es von Vorteil, wenn die Auslassvorrichtung für die Abgase mit einer Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel aus der Gasphase verbunden ist. Vorzugsweise werden die abgeschiedenen festen Partikel wieder dem Reaktionsraum zugeführt. Bevorzugt wird als Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel mindestens ein, insbesondere ein, Zyklon verwendet.

Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil mindestens eines meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers sein.

Der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper füllt den Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen weitgehend oder vollständig aus. D.h., die Form des meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers wird von der Form des Reaktionsraums festgelegt.

Vorzugsweise umgibt der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des mindestens einen Wärmerohrs konzentrisch.

Vorzugsweise ist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus den vorstehend beschriebenen Oxiden und/oder Hydroxylapatit oder aus Metallen, insbesondere Chrom oder Nickel, aufgebaut.

Vorzugsweise weist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper Poren auf, deren mittleren Porengröße in dem vorstehend für meso- und/oder makroporöse Partikel angegebenen Bereich liegen.

Die meso- und/oder makroporöse Sinterkörper können nach den in den Patentschriften US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder in den Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden- Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, »Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen«, »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteile« und »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: A 03-Keramik und PVC-Polymerschaum« offenbarten Verfahren hergestellt werden. Des Weiteren sind meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus der Diplomarbeit von Ewald Maria Sütterlin, »Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, ein katalytischer Butan- Diffusionsbrenner als Wärmequelle für TEE«, bekannt.

Der mindestens eine, insbesondere eine, Reaktionsraum der mindestens einen Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, der durch seine Wandung definiert ist, kann unterschiedliche räumliche Geometrien aufweisen.

Vorzugsweise ist seine Länge in Richtung des Gasdurchflusses größer als sein Durchmesser quer hierzu. Er umfasst einen unteren Bereich, in den die Reaktionsgase, insbesondere Erdgas und Luft, über mindestens eine Einlassvorrichtung eingeleitet werden, und einen oberen Bereich, aus dem die Abgase, insbesondere Wasser, Kohlendioxid und die nicht verbrauchten Anteile des Oxdidationsmittels, insbesondere die restliche Luft, abgeleitet werden.

Vorzugsweise hat der Reaktionsraum eine Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm insbesondere 10 bis 30 cm.

Der Reaktionsraum kann die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Bevorzugt ist der Umriss quadratisch oder kreisförmig.

Außerdem kann der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einem Reaktionsraum, der keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm.

Durchmesser und Umriss des Reaktionsraums können in Richtung der Längsachse variieren. So kann der untere Bereich sich trichterförmig verengen, während der obere Bereich, insbesondere bei einem Reaktionsraum, der ein Wirbelschichtbett enthält, sich verbreitert und als Trennzone dient, in dem meso- und/oder makroporöse Partikel von den Abgasen abgetrennt werden.

Die Wandung der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, die den Reaktionsraum gasdicht umschließt, ist aus mindestens einem nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Material aufgebaut. Beispiele geeigneter Materialien sind Metalle und Keramiken sowie deren Verbünde. Insbesondere wird Edelstahl verwendet. Die Metalle können durch Oxidschichten vor Korrosion und Abrieb geschützt werden.

Die Wandungen können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Die Wandung kann unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt 0,8 bis 8 mm und insbesondere 1 bis 6 mm.

Die Wandung kann wie der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einer Wandung, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm.

Die Wandungen können auch unterschiedliche Längen aufweisen. Vorzugsweise liegt die Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm und insbesondere 10 bis 30 cm.

Die mindestens eine Einlassvorrichtung für ein Gas oder ein Gasgemisch ist gleichfalls aus mindestens einem der vorstehend beschriebenen nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Materialien aufgebaut. Ebenso kann die mindestens eine Auslassvorrichtung für die Abgase aus mindestens einem der genannten Materialien aufgebaut sein.

Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst desweiteren eine übliche und bekannte Peripherie, die übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Mess- und Regelvorrichtungen insbesondere zur Messung und Regelung der Temperatur und des Gasdurchflusses, übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Vorrichtungen für den Transport gasförmiger, flüssiger und fester Materialien wie etwa Förderpumpen sowie entsprechende übliche und bekannte Anzeigevorrichtungen umfasst. Außerdem kann die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mindestens eine, insbesondere eine, Zündvorrichtung enthalten. Vorzugsweise befindet sich die Zündvorrichtung im unteren Bereich des Reaktionsraums. Als Zündvorrichtung können übliche und bekannte elektrische Gaszünder verwendet werden.

Vorzugsweise ist die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen thermisch isoliert. Die Isolation kann aus den unterschiedlichsten mechanisch und thermisch stabilen, isolierenden Materialien bestehen. Vorzugsweise sind die isolierenden Materialien nicht brennbar und abriebfest. Beispiele geeigneter isolierender Materialien sind massives Holz, Schäume aus Glas und Keramik, Steingut sowie hochtemperaturbeständige Polymere wie Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Polysiloxane, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide. Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen steht in wärmeleitendem Kontakt mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich mindestens eines, insbesondere eines, Wärmerohrs.

Bekanntermaßen ist ein Wärmerohr (heatpipe) ein fluiddicht und gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen, d.h. über einen mehr oder weniger langen Verbindungsbereich von dem thermische Energie aufnehmenden Bereich zu einem thermische Energie abgebenden Bereich, transportiert werden kann. Der die transportierte thermische Energie abgebende Bereich steht in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der oder den heißen Seite(n) mindestens eines, vorzugsweise mindestens zweier, TEE.

Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich nach außen thermisch isoliert, wobei bevorzugt die vorstehend beschriebenen thermisch isolierenden Materialien verwendet werden. Das Wärmerohr kann bekanntermaßen eine 100- bis 1000mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der arbeitenden Flüssigkeit, gesättigt.

Wird dem thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres thermische Energie zugeführt, verdampft dort die arbeitende Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo thermische Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert. Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt.

Je nachdem, in welchem Temperaturbereich (niedrig, mittel, hoch) gearbeitet wird, werden unterschiedliche arbeitende Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000K. Wesentlich ist, dass die arbeitende Flüssigkeit die Wandung des Wärmerohrs nicht chemisch angreift und korrodiert. Die fluid- und gasdichte Wandung des Wärmerohrs kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein. Zum Aufbau können auch flexible Materialien verwendet werden. Außerdem kann das Wärmerohr integraler Bestandteil von flexiblen Kunststofffolien sein. Die Materialien, aus denen das Wärmerohr aufgebaut ist, müssen indes in dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich fluid- und gasdicht, sowohl gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit als auch gegenüber der äußeren Atmosphäre chemisch stabil, mechanisch und thermisch stabil sowie verformungsstabil sein. Außerdem sollten die Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, damit die thermische Energie der Wärmequelle aufgenommen und effektiv an die heiße Seite des mindestens einen TEE abgegeben werden kann.

Vorzugsweise bestehen die Wandungen der Wärmerohre aus Metallen und Metalllegierungen, insbesondere wird Kupfer verwendet. Das Wärmerohr kann unterschiedliche Querschnitte wie Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Fünfecke, Sechsecke oder Achtecke, die abgerundete Ecken und/oder Seiten aufweisen können, Ellipsen, Ovale oder Kreise aufweisen.

Die Größe der Querschnitte kann breit variieren und hervorragend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. So können die Querschnitte im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern liegen.

Außerdem kann das Wärmerohr in Längsrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. So kann es geradlinig, in der Ebene einfach oder mehrfach gebogen, räumlich mehrfach gebogen, mäanderförmig oder spiralförmig verlaufen.

Das Wärmerohr kann nach der Formgebung noch beschichtet werden, um es vor mechanischer, chemischer und/oder thermischer Einwirkung zu schützen. Beispiele geeigneter Beschichtungsstoffe sind thermisch und/oder mit aktinischer Strahlung wie UV- Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbare, pigmentierte oder nichtpigmentierte Pulverlacke oder Flüssiglacke auf Wasserbasis oder auf Basis organischer Lösungsmittel.

Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung auf der Innenseite der Wandung kann ebenfalls aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Wesentlich für deren Auswahl sind der durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich und die Stabilität gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit. Außerdem darf es durch den Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und der Wandung unter dem Einfluss der arbeitenden Flüssigkeit nicht zur Korrosion kommen. Der Fachmann kann daher die Materialien aufgrund der ihm bekannten Eigenschaftsprofile auswählen. Die Kapillarstruktur kann aus Nanopartikeln, Fasermaterialien oder porösen Materialien mit entsprechend dimensionierten Porengrößen aufgebaut sein. Außerdem kann die Dochtwirkung durch Drahtgeflechte, z.B. Kupferdrahtgeflechte oder elektrisch nicht leitende Drahtgeflechte und Faserbündel, z.B. aus Keramik, Glas oder hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, im Inneren des Wärmerohrs erzeugt werden. Des Weiteren kann die Dochtwirkung auch durch Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen wie z.B. Rillen, Säulen, Kugeln oder Näpfchen auf der Innenwandung des Wärmerohrs erzeugt werden. Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung kann auch nachträglich eingebracht werden. Beispiele geeigneter Methoden sind das Auskristallisieren oder Ausfällen meso- und/oder makroporöser Materialien wie Zeolithe oder Keramiken. Das nachträgliche Einbringen ist insbesondere für die nachstehend beschriebene „offene Ausführungsform" von besonderem Vorteil, weil so in einem Schritt eine direkte Verbindung mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden, strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite des TEE, auf der die Arbeitsflüssigkeit auskondensiert, bewerkstelligt werden kann.

Das- Ende des Wärmerohrs, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärmequelle, d.h. der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, steht braucht nicht notwendigerweise elektrisch isoliert hiervon zu sein.

Vorzugsweise wird der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs, d.h. mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich, und der Wärmequelle durch Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, elektrische und thermisch leitende, Metallpartikel enthaltende Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs, d.h. der thermische Energie aufnehmende Bereich, in die Wärmequelle eingeschraubt, eingesteckt oder eingeklemmt wird, oder durch Druckkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs mittels geeigneter Vorrichtungen in die Wärmequelle eingedrückt wird, hergestellt. Der wärmeleitende Kontakt kann außerdem durch elektrisch leitende und wärmeleitende, Metallpartikel enthaltende Wärmeleitpasten weiter verbessert werden.

Es ist obligatorisch, dass der Kontakt des thermische Energie abgebenden Bereichs des Wärmerohrs mit der heißen Seite des TEE elektrisch isolierend ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der heißen Seite eines TEE diejenige Seite zu verstehen, die die thermische Energie aufnimmt. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise mithilfe von wärmeleitfähigen Keramikschichten, wärmeleitfähigen Kunststoffschichten beispielsweise auf der Basis von Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL- F®), Polysiloxanen, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetherketonen und Polyimiden oder Schichten aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Siliciumnitrid gewährleistet werden. Diese Schichten können auf die Kontaktfläche durch Sputtern aufgebracht oder als Wafer aufgelegt werden. Der Kontakt des Wärmerohrs mit der heißen Seite des thermoelektrischen Elements wird durch eine geeignete Kontaktvorrichtung hergestellt. Die Auswahl der Materialien für den Aufbau der Kontaktvorrichtung richtet sich insbesondere nach dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich. Vorzugsweise umfasst die Kontakt- oder Befestigungsvorrichtung wärmeleitende Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in oder an oder auf der heißen Seite befindliche entsprechende komplementäre Vorrichtungen ein- oder angeschraubt, eingesteckt oder ein- oder angeklemmt wird. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die Anwendung von Wärmeleitpasten, z.B. Wärmeleitpasten auf der Basis von Silikonen, weiter verbessert werden.

Werden Befestigungsvorrichtungen wie Flanschkontakte verwendet, können diese auf elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen befestigt werden.

Vorzugsweise bestehen diese Verankerungsteile aus einem massiven, elektrisch und thermisch nicht oder nur schlecht leitfähigen, mechanisch und thermisch stabilen Material. Beispiele geeigneter Materialien dieser Art sind Holz und Polymere wie Polytertrafluorethylen (PDFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Poysiloxanen, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide.

Die Verankerungsteile können aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Vorzugsweise stoßen die Seiten der Verankerungsteile bündig an die vertikalen Seiten des TEE an, so dass sie dieses zusätzlich isolieren. Vorzugsweise liegen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Verankerungsteile jeweils in einer Ebene mit den Oberflächen der heißen und der kalten Seite des TEE. Sind die Verankerungsteile aus mehreren Teilen zusammengesetzt, können sie in und auf den aneinanderstoßenden Seiten Zapfen und komplementäre Vertiefungen aufweisen, die die zusammengesetzten Verankerungsteile weiter stabilisieren.

Außerdem können die Verankerungsteile sowie die Teile der zusammengesetzten Verankerungsteile miteinander sowie mit den vertikalen Seiten des TEE, mit der nachstehend beschriebenen, überstehenden elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht, der nachstehend beschriebenen, gegebenenfalls elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtung und/oder der aufliegenden Oberfläche des Flanschkontakts mit einem thermostabilen, elektrisch isolierenden Klebstoff verklebt sein. Hierdurch werden insbesondere die mechanische Stabilität und die thermische Isolierung des TEE und des Wärmerohrs weiter verbessert. Vorzugsweise sind die Flanschkontakte noch durch mechanische Befestigungsvorrichtungen wie Klemmen, Schrauben oder Zapfen und komplementäre Vertiefungen an den Verankerungsteilen befestigt.

Sofern diese Kontaktvorrichtungen noch elektrisch leitend sind, umfasst die Kontaktvorrichtung die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schichten. Diese Schichten befinden sich unmittelbar auf der heißen Seite der TEE. Im Allgemeinen brauchen sie nur wenige Atomanlagen stark zu sein. Um das Löten und Schweißen zu ermöglichen, sind die wärmeleitfähigen isolierenden Schichten auf ihrer Außenseite mit einer dünnen Metallschicht bedeckt.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung dieser Art, kann durch Aufsputtern einer Metalloxidschicht, die allmählich in eine Metallschicht übergeht, hergestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der thermische Energie abgebende Bereich des mindestens einen Wärmerohrs mindestens einen Durchbruch, vorzugsweise mindestens zwei Durchbrüche auf. Dadurch wird der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt so ausgestaltet, dass die heiße Seite des mindestens einen TEE in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, so dass die arbeitende Flüssigkeit unmittelbar auf der heißen Seite kondensiert und die thermische Energie direkt übertragen wird. Im Folgenden wird diese Ausführungsform als "offene Ausführungsform" bezeichnet. In der offenen Ausführungsform kann die Kondensation der arbeitenden Flüssigkeit und die Übertragung der thermischen Energie mithilfe einer strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite, die in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, weiter verbessert werden. Die strukturierte Oberfläche kann aus nano-, meso- und/oder makroporösen Materialien, Nanopartikeln oder Rillenstrukturen aufgebaut sein. Sofern die strukturierte Oberfläche noch elektrisch leitend ist, ist sie von der heißen Seite durch eine der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Schichten elektrisch isoliert.

Der Rücklauf der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit zum anderen Ende des Wärmerohrs, d.h. zu dem mit der Wärmequelle in Kontakt stehenden thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohrs kann durch Gravitation erfolgen. Dazu muss das Wärmerohr senkrecht angeordnet werden.

Der Rücklauf kann aber auch aufgrund der Dochtwirkung von eingelegten elektrisch nicht leitenden Drahtgeflechten und Faserbündeln, wie sie vorstehend beschrieben werden, erfolgen. Diese elektrisch nichtleitenden Drahtgeflechte und Faserbündel sind so angeordnet, dass sie in direktem Kontakt mit der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit stehen. Bei dieser Ausführungsform kann das Wärmerohr beliebig räumlich angeordnet werden.

Bei ^" der offenen Ausführungsform umfasst die Kontaktvorrichtung außerdem eine fluid- und gasdichte, haftfeste, elektrisch isolierende Dichtung zwischen der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite der TEE. Diese Dichtung muss nicht wärmeleitend sein, sondern kann auch elektrisch leitend sein, solange sie keinen elektrischen Kontakt mit der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite des TEE herstellt. Am einfachsten kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass die Fläche der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht etwas größer ausgelegt ist als die heiße Seite des TEE, so dass die Fläche rundum über die Oberfläche der heißen Seite hinausragt und an die Dichtung bündig anstößt. Ein Beispiel für eine geeignete, gas- und fluiddichte, haftfeste, elektrisch leitfähige Dichtung sind mit Metallpartikeln, insbesondere Kupferpartikeln, gefüllte Silikonpolymere, insbesondere PDMS. Diese Dichtungen können je nach Anordnung und Querschnitt des Wärmerohrs einerseits und äußerer Form des oder der TEE andererseits unterschiedliche Formen haben. Vorzugsweise sind die Dichtungen rechteckig, quadratisch oder mehreckig, beispielsweise sechseckig, oder rund oder elliptisch, wenn das Wärmerohr den entsprechend geformten Querschnitt und/oder das TEE die entsprechend geformte Oberfläche aufweist. Außerdem kann die Dichtung der Planarität der Oberfläche des TEE angepasst sein, wenn diese beispielsweise nach außen oder nach innen gebogen ist und/oder eine regelmäßige oder nicht regelmäßige Rauigkeit aufweist.

An beiden Seiten des TEE befinden sich auch die Kontaktbereiche, an den die beiden unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien des TEE elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das TEE kann mit mindestens einem weiteren TEE elektrisch leitend verbunden sein. Es können aber auch 100 und mehr solche TEE parallel und/oder in Serie geschaltet sein. In diesem Falle spricht man auch von einer„Thermosäule". An dem elektrisch positiven und elektrisch negativen Ende des TEE oder der Thermosäule sind elektrische Anschlüsse angebracht, die mit einer Vorrichtung verbunden werden können, die mit dem gewonnenen Strom betrieben wird.

Im Allgemeinen unterscheidet man drei Temperaturbereiche bei dem Betrieb von TEE

Niedertemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 250°C,

Mitteltemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 600°C und

Hochtemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 1000°C. Je nachdem in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche Materialien in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet. Die Auswahl kann der Fachmann anhand der bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien treffen. Vorzugsweise wird im Niedertemperaturbereich gearbeitet.

Die für die Schenkel der TEE, die an der heißen Seite in elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, werden anhand ihrer figure-of-merit Z gemäß Gleichung XII ausgewählt.

Gleichung XII Z = σα ² /λ.

In der Gleichung XII steht α für den Seebeck-Koeffizienten, σ die elektrische Leitfähigkeit und λ für die thermische Leitfähigkeit des betreffenden Materials.

Vorzugsweise werden p- und n-dotierte Halbleitermaterialien verwendet.

Vorzugsweise werden für den Niedertemperaturbereich Bismuttellurid-Legierungen (Bi ₂ Te ₃ ) verwendet.

Vorzugsweise wird für den Mitteltemperaturbereich Bleitellurid (PbTe) verwendet.

Vorzugsweise werden für den Hochtemperaturbereich Silicium-Germanium-Legierungen und Zintl-Legierungen verwendet.

Weitere Beispiele geeigneter halbleitender Materialien sind aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , Seite 1 , Absätze [0003] bis [0011], oder aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366, Spalte 2, Seite 27, bis Spalte 3, Seite 32, bekannt.

Vorzugsweise werden Bismuttellurid-Legierungen verwendet.

In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können übliche und bekannte, kommerziell erhältliche TEE verwendet werden. Der Begriff "thermoelektrisches Element" umfasst dabei ein einzelnes TEE oder eine Anordnung mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter TEE in der Form einer so genannten Thermosäule.

Beispiele geeigneter TEE werden im Detail in dem amerikanischen Patent US 5,610,366, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, beschrieben.

Vorzugsweise werden thermoelektrischen Module in "eggcrate"-Konfiguration (Eierkarton- Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 5, letzter Absatz, in Verbindung mit den Figuren 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere werden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet. Dabei können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne oder mehrere TEE gleichzeitig thermisch kontaktiert werden.

In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen steht die der heißen Seite gegenüberliegende kalte Seite des mindestens einen TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit einer Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke). Diese dient der Abführung sowie gegebenenfalls der Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens ein weiteres Wärmerohr bewerkstelligt. Im Folgenden wird das weitere Wärmerohr als "zweites Wärmerohr" bezeichnet.

Das zweite Wärmerohr steht mit seinem einen Ende in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite der TEE und mit seinem anderen Ende in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärme ableitenden Vorrichtung. Vorzugsweise werden die vorstehend beschriebenen Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen verwendet. Da die Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen der kalten Seite der TEE niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind als diejenigen der heißen Seite der TEE, können gegebenenfalls andere Materialien als auf der heißen Seite verwendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens eine elektrisch isolierende, wärmeleitfähige Schicht hergestellt. Zu deren Aufbau können die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Materialien verwendet werden.

Die Wärme ableitenden Vorrichtungen oder Wärmesenken können von unterschiedlichster Natur und von unterschiedlichstem Aufbau sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Luft und Wasser Wärme ableitende Vorrichtungen im Sinne der Erfindung. Vorzugsweise wird dabei die restliche zugeführte thermische Energie über Kühlrippen aus Metall auf die Luft oder das Wasser übertragen. Demgemäß sind auch Kühlrippen Wärmesenken im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Vorzugsweise wird handelt es sich aber bei den Wärme ableitenden Vorrichtungen um Vorrichtungen, die die Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie gestatten. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, insbesondere Rohrkühlkörper für Solarthermieanlagen, Motoren, Turbinen oder Anlagen zur Durchführung des Rankine-Zyklus, insbesondere des organischen Rankine-Zyklus, bei dem vergleichsweise niedrigsiedende organische Flüssigkeiten als Arbeitsmittel verwendet werden. Außerdem kommen wärmeabstrahlende Radiatoren und große Flächenheizungen, die unter Wänden, Decken oder Fußböden in Innen- und Außenbereich von Gebäuden angebracht werden können als Wärmesenken in Betracht. Des Weiteren können erfindungsgemäße Vorrichtungen, die in dieser Weise aufgebaut sind, ihre elektrische Energie verzehrende Wasserkreisläufe und Umwälzpumpen selbst betreiben oder in ihrem Betrieb unterstützen.

Der von den TEE der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugte elektrische Strom kann für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden. So kann er den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen selbst unterstützen. Desgleichen kann er den Betrieb der Wärmesenken, die die restliche zugeführte thermische Energie nutzen, sowie den Betrieb ihrer Peripherie unterstützen. Als Beispiele seien elektrisch betriebene Pumpen, Kühlaggregate, die die Quellen thermischer Energie vor Überhitzung schützen, und Motoren genannt. Ebenso kann der Strom zum Aufladen von elektrischen Speichern wie Batterien, Akkumulatoren und elektrischen Speicherheizungen dienen. Insgesamt ergeben sich durch die Nutzung der Abfallwärme in dieser Weise signifikante Energieeinsparungen.

Der Strom kann aber auch zum Betrieb externer elektrischer Geräte der unterschiedlichsten Art wie etwa Beleuchtungsanlagen, Kühl- und Gefriergeräte, Klimaanlagen, Wärmepumpen, Umwälzpumpen, Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräte wie Telefone oder Mobiltelefone, Computer, Laptops oder iPads genutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie wird die thermische Energie, die von einer Wärmequelle geliefert wird, mithilfe mindestens eines Wärmerohrs zu der heißen Seite mindestens eines TEEs transportiert, wobei in dem TEE eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die restliche zugeführte thermische Energie wird von der kalten Seite des TEE über einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kontakt mindestens einer Wärmesenke zugeführt.

Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet.

Es ist ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit ihrer Hilfe die vollständige, flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, vorzugsweise bei 50 bis 400°C, bevorzugt 100 bis 350°C und insbesondere 150 bis 300°C durchgeführt werden kann. Die Abgase enthalten daher keine Kohlenwasserstoffe, insbesondere kein als Treibhausgas wirkendes Methan, sowie keine schädlichen Stickoxide (NO _x ) mehr, bzw. der Gehalt der Abgase an diesen schädlichen Stoffen liegt unterhalb der Nachweisgrenzen ihrer üblichen und bekannten qualitativen und quantitativen Nachweismethoden.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand der Figuren 1 bis 13 beispielhaft erläutert. Bei den Figuren 1 bis 13 handelt es sich um schematische Darstellungen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen sollen. Die Größenverhältnisse müssen daher auch nicht den in der Praxis angewandten Größenverhältnissen entsprechen. Die Figur 1 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärme ableitenden Vorrichtung oder Wärmesenke steht.

Die Figur 2 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit mindestens zwei weiteren Wärmerohren stehen, die die restliche Wärme zu jeweils mindestens einer Wärmesenke leiten.

Die Figur 3 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in monolithischer Bauweise, worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt jeweils mit mindestens einer Wärmesenke stehen.

Die Figur 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3, worin die heißen Seiten von vier TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit einem Wärmerohr und die kalten Seiten der TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärmesenke stehen.

Die Figur 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3, worin der die thermische Energie aufnehmende Bereich des Wärmerohres im Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem gasdurchlässigen Katalysatorträger in thermischem Kontakt steht.

Die Figur 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Längsschnittes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 im Bereich der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens drei parallel zueinander angeordneten, gasdurchlässigen Katalysatorträgern, die den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres konzentrisch umgeben.

Die- Figur 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der Figur 6 mit einem Gasdurchlass.

Die Figur 8 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der Figur 7 mit der katalytischen Oberfläche. Die Figur 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3. Die Figur 10 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3. Die Figur 11 zeigt die Seitenansicht des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 in Blickrichtung auf die Befestigungsflansche und den Durchbruch.

Die Figur 12 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin ein Wirbelschichtreaktor mit Zyklon zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen verwendet wird.

Figur 13 zeigt eine Vorrichtung zur flammenlosen, katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, worin der Reaktionsraum mindestens einen makroporösen Sinterkörper enthält.

In den Figuren 1 bis 13 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

1 Erfindungsgemäße Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer

Energie in elektrische Energie

2 Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von

Kohlenwasserstoffen

2.1 Reaktionsraum

2.2 Gaseinlass

2.3 Reaktionsgase

2.4 Gasauslass

2.5 Abgase

2.6 Wandung des Reaktionsraums

2.7 gasdurchlässiger Katalysatorträger

2.8 Gasdurchlass

2.9 hindurch strömende Gase

2.10 Katalysatorschicht

2.10.1 Trägerschicht

2.10.2 katalytisch wirksame Nanopartikel

2.11 Wirbelschichtbett

2.11.1 makroporöse Partikel mit katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.12 ausgetragene und zurück geführte makroporöse Partikel

2.13 Trennzone

2.14 makroporöser Sinterkörper

2.14.1 Poren

2.14.2 scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörper

2.14.3 Gasverteiler

3 Wärmerohr

3a, 3b Wärmerohre

3.1 Verbindungsbereich

3a.1 , 3b.1 Verbindungsbereiche

3.2 Wandung

3a.2, 3b.2 Wandungen

3.3 thermische Energie aufnehmender Bereich

3a.3, 3b.3 thermische Energie aufnehmende Bereiche

3.4 thermische Energie abgebender Bereich

3a.4, 3b.4 thermische Energie abgebende Bereiche

3.5, Befestigungsflansch

3a.5, 3b.5 Befestigungsflansche

3.6 winkelförmige Strebe

3a.6, 3b.6 winkelförmige Streben

3c.6, 3d.6 winkelförmige Streben

4 thermoelektrisches Element (TEE)

4a, 4b thermoelektrische Elemente (TEE)

4c, 4d thermoelektrische Elemente (TEE)

4.1 heiße Seite des TEE

4a.1 , 4b.1 heiße Seiten der TEE

4c.1 , 4d.1 heiße Seiten der TEE

4.2 kalte Seite des TEE

4a.2, 4b.2 kalte Seiten der TEE

4c.2, 4d.2 kalte Seiten der TEE

5 Wärmesenke

5a, 5b Wärmesenken

5c, 5d Wärmesenken 5a.1 , 5b.1 Blöcke aus wärmeleitendem Material

5c.1 , 5d.1 Blöcke aus wärmeleitendem Material

5a.2, 5b.2 Kanäle für wärmeabsorbierendes Fluid

5c.2, 5d.2 Kanäle für wärmeabsorbierendes Fluid

5a.3, 5b.3 Verbindungsrohre

5c.3, 5d.3 Verbindungsrohre

5.4 Fluid

6 elektrischer Anschluss

6a, 6b elektrische Anschlüsse

7 wärmeisolierendes Material

8 Zündvorrichtung

8.1 erhitzte Katalysatorbleche 2.7

9 strömendes Fluid

10 elektrisch leitfähige Dichtung

10a, 10b elektrisch leitfähige Dichtungen

10c, 10d elektrisch leitfähige Dichtungen

1 1 elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht

1 1a, 1 1 b elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten

1 1c, 1 1 d elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten

11.1 strukturierte Oberfläche

11 a.1 , 1 1 b.1 strukturierte Oberflächen

1 1 c.1 , 1 1d.1 strukturierte Oberflächen 12 elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht

12a, 12b elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten

12c, 12d elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten

13 elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung 14 elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung 14 sowie winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen

winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile 13 zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen 13

Schraube

Schraubenkopf

Unterlegscheibe

Gewinde

Senkschraubenkopf

Durchbohrung mit Innengewinde

Zyklon

Rückführungsvorrichtung

Abgasleitung

Abgase erste Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zweite Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1

Längsachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 Die Figur 1 veranschaulicht das allgemeine Konstruktions- und Funktionsprinzip anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.

Über die Einlassvorrichtung 2.2 wurden die Reaktionsgase 2.3, vorliegend Luft und Erdgas, dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 zugeführt. Das Verhältnis von Luft zu Erdgas wurde hier und bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen so eingestellt, dass das Erdgas vollständig oxidiert, d.h. verbrannt, werden konnte. Der Reaktionsraum 2.1 wurde von der Wandung 2.6 gas- und fluiddicht umschlossen. In dem Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas mithilfe des Luftsauerstoffs an einem Katalysator vollständig flammenlos bei 250°C oxidiert. Die Abgase 2.5 der Oxidation, vorliegend Kohlendioxid, Wasser und unverbrauchte Luft, wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet. Der Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3, der die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie aufnahm, ragte in den Reaktionsraum 2.1 hinein. Das Wärmerohr 3 wurde von der gas- und fluiddichten Wandung 3.2 vollständig umschlossen. Durch die aufgenommene thermische Energie wurde die arbeitende Flüssigkeit des Wärmerohrs 3, vorliegend Wasser, verdampft und über den verbindenden Bereich 3.1 dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte die arbeitende Flüssigkeit auf den heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b. Die aufgenommene thermische Energie floss von den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 zu den beiden kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 und erzeugte dabei in den TEE 4a und 4b eine Spannung, die an den beiden elektrischen Anschlüssen 6a und 6b abgegriffen werden konnte. Die restliche thermische Energie wurde dann von den kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 den beiden Wärmesenken 5a und 5b zugeführt. Die Figur 2 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer bevorzugten Ausführungsform anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 wies die Vorrichtung 2 zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Methan ebenfalls eine Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für Luft und Erdgas als Reaktionsgase 2.3 auf. In dem von der Wandung 2.6 aus Edelstahl umschlossenen Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas bei 250°C durch den Luftsauerstoff vollständig flammenlos katalytisch oxidiert. Die Abgase wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl aus dem Reaktionsraum 2.1 abgeleitet. Die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie wurde von dem thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 aufgenommen. Die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 bestand aus Kupfer und war 3 mm stark. Das Wärmerohr 3 enthielt eine aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildete Kapillarstruktur (nicht wiedergegeben). Als arbeitende Flüssigkeit wurde Wasser verwendet. Die Betriebstemperatur des Wärmerohrs 3 lag bei 250°C.

Die aufgenommene thermische Energie wurde über den in einem Winkel von 90°gebogenen Verbindungsbereich 3.1 durch die arbeitende Flüssigkeit dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte das Wasser auf den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b. Als. TEE 4a und 4b wurden bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 zwei Thermosäulen aus TEE in "eggcrate' -Konfiguration (Eierkarton- Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 15, letzter Absatz, in Verbindung mit den Figuren 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere wurden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology, Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 verwendet.

Beide Thermosäulen 4a und 4b wiesen elektrische Anschlüsse 6a und 6b auf.

Ihre kalten Seite 4a.2 und 4b.2 waren von jeweils einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11a und 11b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Die Schichten 11a und 11 b bildeten die Kontaktflächen mit den die restliche thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.3 und 3b.3 der beiden in einem Winkel von 90° gebogenen Wärmerohre 3a. und 3b mit den Wandungen 3a.2 und 3b.2. Diese Wärmerohre wiesen den gleichen Aufbau wie das Wärmerohr 3 auf.

Die aufgenommene restliche thermische Energie wurde über die beiden Übergangsbereiche 3a.1 und 3b.1 zu den die thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.4 und 3b.4 geleitet. Diese standen in thermischem Kontakt mit den beiden Wärmesenken 5a und 5b.

Die Wärmesenken 5a und 5b bestanden aus massiven Aluminiumblöcken, die Kanäle für wärmeabsorbierende Fluide, vorliegend VE-Wasser, enthielten (nicht wiedergegeben).

Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 war bis auf die beiden Wärmesenken von einem wärmeisolierenden Material 7 umhüllt. Als wärmeisolierendes Material 7 wurde Glasschaum verwendet. Anhand der Ausführungsform gemäß der Figur 2 konnte gezeigt werden, dass es die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in besonders vorteilhafter Weise gestattete, die wesentlichen Komponenten räumlich beliebig anzuordnen, ohne die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu beeinträchtigen. Die Figur 3 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres Längsschnitts längs ihrer Längsachse L. Die Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 hatte einen besonders vorteilhaften kompakten Aufbau. Luft und Erdgas wurden als Reaktionsgase 2.3 über die Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl in den Reaktionsraum 2.1 der Vorrichtung 2 für die flammenlose katalytische Oxidation geleitet. Der Reaktionsraum 2.1 war von einer zylindrischen Wand 2.6 aus 4 mm starken Edelstahl vollständig gas- und fluiddicht umschlossen. Die Abgase 2.5· wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet. Der Durchmesser des Reaktionsraums 2.1 lag durchgehend bei 10 cm, seine Höhe bei 15 cm.

Der Reaktionsraum enthielt mehrere paralie) zueinander und übereinander angeordnete gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung in konzentrischer Anordnung um den die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3. Sie wiesen einen Durchmesser von 9,9 cm, einen kreisförmigen Umriss, eine Stärke von 2 mm und in ihrer Mitte eine die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 umlaufende Bohrung auf. Sie standen zur Längsachse L in einem Winkel von 90°. Sie waren so angeordnet, dass ihre Kanten weder die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 noch die Wandung 2.6 der Wärmequelle 2 berührten. Der oberste gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 war unterhalb der Auslassrichtung 2.4 angeordnet, so dass sich im oberen Bereich des Reaktionsraums 2.1 eine offene Zone befand, die die bessere Ableitung der Reaktionsgase 2.5 gestattete. Die Katalysatorträger 2.7 wurden in dieser Anordnung von einem Gestänge gehalten (nicht wiedergegeben).

Im unteren Bereich des Reaktionsraums 2.1 waren unterhalb des unteren Endes des Wärmerohrs 3 aber oberhalb der Einlassvorrichtung 2.2 mehrere gasdurchlässige Katalysatorträger 8.1 angeordnet, die im Wesentlichen wie die Katalysatorträger aufgebaut und angeordnet waren, nur dass sie in ihrer Mitte keine Bohrung aufwiesen. Stattdessen waren sie mit einer Zündvorrichtung 8 verbunden, mit deren Hilfe die Katalysatorträger 8.1 auf die Zündtemperatur für die in den Reaktionsraum 2.1 einströmenden Reaktionsgase 2.3 gebracht wurden. Nach dem Starten der flammenlosen katalysierten Oxidation des Erdgases lief diese im gesamten Reaktionsraum 2.1 ohne die Zufuhr von Energie von außen sich selbst erhaltend ab, weswegen die Zündvorrichtung 8 abgeschaltet werden konnte.

Die Katalysatorträger 2.7 und 8.1 wiesen enge schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf (vgl. die Figur 5). Weitere Details der Katalysatorträger 2.7 finden sich in den Figuren 6 bis 8.

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 war in dem Reaktionsraum 2.1 in den mittigen Bohrungen der gasdurchlässigen Katalysatorträger zentriert angeordnet. Oberhalb des Reaktionsraums 2.1 schloss sich der Verbindungsbereich 3.1 des Wärmerohrs 3 an, durch den die aufgenommene thermische Energie mithilfe der arbeitenden Flüssigkeit in den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 transportiert wurde. Die Bereiche 3.1 und 3.3 waren zusammen 20 cm lang und wiesen einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 3 cm auf. Die Stärke der Wandung 3.2 aus Kupfer betrug 3 mm. Die Bereiche 3.1 , 3.3 und 3.4 waren mit einer aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildeten Kapillarstruktur gefüllt (nicht wiedergegeben).

An das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 schloss sich der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 des Wärmerohrs 3 an. Die obere, kreisförmige Öffnung des Verbindungsbereichs 3.1 war in der Mitte des Bodens des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 angeordnet. Der Bereich 3.4 selbst wies eine quaderförmige Geometrie mit quadratischem Querschnitt mit den folgenden Kantenlängen: Höhe: 10 cm; Breite: 8 cm; auf. Am oberen Ende und am Boden des Bereichs 3.4 ging die Wandung 3.2 in die umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 über (zu weiteren Details vgl. die Figuren 4, 9 und 10). Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren vertikal zu der horizontal verlaufenden Wandung 3.2 am Ende und am Boden des Bereichs 3.4 angeordnet und wiesen eine vertikale Höhe von 2 cm auf.

Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren auf ihren gesamten Seitenflächen in vollflächig planarem Kpntakt mit einem umlaufenden, massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 (vgl. die Schnitte: 13a und 13b) für Schrauben 14 (zu weiteren Details vgl. die Figuren 9 und 10). Die Verankerungsteile 13a und 13b wiesen einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 3 cm auf. Ihrer Breite war jeweils gleich der Dicke der TEE 44a und 4b plus die Stärke der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b. Die oberen und unteren Oberflächen der Verankerungsteile 13a und 13b schlössen bündig mit den oberen bzw. unteren Oberflächen der umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 ab, so dass die gegenüberliegenden Enden jeweils 0,5 cm in die Durchbrüche in der Wandung 3.2 hineinragten. Die Verankerungsteile 13a und 13b waren aus PTFE gefertigt.

Die Wandung 3.2 des Bereichs 3.4 wies vier zentriert angeordnete rechteckige Durchbrüche der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite 6 cm; auf, so dass die Wandung 3.2 des Bodens des Bereichs 3.4 mit der Wandung 3.2 seines oberen Endes über vier vertikale, 10 cm lange, winkelförmige Streben 3.6 (nicht wiedergegeben; vgl. hierzu die Figur 4) miteinander verbunden waren. Die vier winkelförmigen Streben 3.6 waren somit integraler Bestandteil der Wandung 3.2.

Im Bereich der Kanten der rechteckigen Durchbrüche waren die elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtungen 10a und 10b auf der Basis von kupfergefülltem Polydimethylsiloxan (PDMS) angeordnet, die den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 nach außen hin abdichteten. Sie schlössen bündig mit der Oberfläche der elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteile 13a und 3b und mit den Kanten der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 11b auf der Basis von PDMS, die die heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der TEE 4a und 4b bedeckten, ab. In dieser Weise war gewährleistet, dass die TEE nicht in elektrischen Kontakt mit der Wandung 3.2 und den Dichtungen 10a und 10b treten konnten.

Die elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 1 1b wiesen auf ihren Oberflächen, die dem Inneren des Bereichs 3.4 zugekehrt waren, strukturierte Oberflächen 11a.1 und 11 b.1 aus thermisch leitfähigen Nanopartikeln auf.

Die elektrischen Leitungen, die die TEE 4a und 4b mit den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b verbanden, wurden durch die oberen Verankerungsteile 13a und 13b geführt.

Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Diese standen in direktem Kontakt mit den Wärmesenken 5a und 5b. Diese wurden von Aluminiumblöcken 5a.1 und 5b.2, die Kanäle 5a.2 und 5b.2 für zirkulierendes Wasser als wärmeabsorbierende Fluid aufwiesen, gebildet. Bis auf die Wärmesenken 5a und 5b waren alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 mit Glasschaum 7 thermisch isoliert.

Die Vorrichtung der Figur 3 war kompakt, robust, lagerfähig, transportfähig, betriebssicher und von langer Betriebsdauer. Die Ausbeute an elektrischen Strom was signifikant höher als bei entsprechenden Vorrichtungen des Standes der Technik. Desgleichen war die Nutzung der von der Wärmequelle 2 gelieferten thermischen Energie besonders effektiv.

Die Figur 4 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand des Schnittes längs der Linie A-A in Figur 3.

Wie vorstehend beschrieben, öffnete sich das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 des Wärmerohrs 3 zu dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4.

Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 wurde hauptsächlich von den vier elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a, 11b, 11c und 11d begrenzt, die in die vier Durchbrüche durch die Wandung eingepasst waren und bündig an die elektrisch leitfähigen Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d und die heißen Seiten 4a.1 , 4b.1 , 4c.1 und 4d.1 anstießen. Die Schichten 11a, 11 b, 11c und 11d trugen auf ihrer dem Innenraum des Bereichs 3.4 zugewandten Oberfläche die strukturierten Oberflächen 11a,1 , 11b.1 , 11c.1 und 11d.1.

Die Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d waren so gestaltet, dass jede Dichtung 10a, 10b, 10c und 10d an die innere Oberfläche der vertikalen, winkelförmigen Streben und an die Kanten zweier benachbarter elektrisch isolierender, thermisch leitfähiger Schichten 11a, 11b, 11c und 11d bündig anschloss.

Längs jeder winkelförmigen Strebe 3a.6, 3b.6, 3c.6 und 3d.6 war ein massives, winkelförmiges, thermisch und elektrisch isolierendes Verbindungsteil 13a, 13b, 13c und 13d zwischen den zwei Verankerungsteilen 13a und 13b, die die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 umschlossen, passgenau angeordnet. Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d bestanden wie die zwei Verankerungsteile 13a und 13b aus PTFE. Die aneinander anstoßenden Oberflächen der beiden Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d und der zwei Verankerungsteile 13a und 13b wiesen Zapfen und komplementäre Vertiefungen zur Steigerung der mechanischen Festigkeit der Anordnung auf (nicht wiedergegeben).

Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d stießen bündig und passgenau an die Seitenflächen der TEE 4a, 4b, 4c und 4d. Die Stärke der Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d entsprach genau der Stärke der TEE 4a, 4b, 4c und 4d.

Die kalten Seiten 4a.2, 4b.2, 4c.2 und 4d.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a, 12b, 12c und 12d bedeckt. Sie leiteten den Rest der durch die TEE 4a, 4b, 4c und 4d hindurch geleiteten thermische Energie in die Wärmesenken 5a, 5b, 5c und 5d, die aus massiven Aluminiumblöcken 5a.1 , 5b.1 , 5c.1 und 5d.1 bestanden. Diese enthielten die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 für das zirkulierende Wasser 5.4. Die Verbindung dieser Kanäle von Wärmesenke zu Wärmesenke wurde durch die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 hergestellt. Sie bestanden aus einem thermisch isolierenden Kunststoff. Die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 und die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 waren so angeordnet, dass das Wässer 5.4 in einer Spirale durch die Wärmesenken geführt werden konnte. Der Einlauf des Wassers 5.4 befand sich am oberen Bereich einer der Wärmesenken 5 und der Auslauf des erhitzten Wassers 5.4 am unteren Bereich derselben oder einer anderen Wärmesenke 5.

Die Figur 5 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand des Schnittes längs der Linie B-B in Figur 3.

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 mit der Wandung 3.2 war in dem von der Wandung 2.6 umschlossenen Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 mittig angeordnet und stand in thermischem Kontakt mit dem gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7. Der thermische Katalysatorträger 2.7 bestand aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung und wies schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf. Die Wandung 2.6 war von dem wärmeisolierenden Material 7 umgeben.

Die Figuren 6 bis 8 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in Figur 3. Die Figur 6 zeigt ausschnittsweise das wärmeisolierende Material 7, die Wärmequelle 2 mit der Wandung 2.6, den Reaktionsraum 2.1 , den gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7 mit den Gasdurchlässen 2.8, durch die die Reaktionsgase 2.9 strömten, das Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3.

Die Figur 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der Figur 6 mit dem Gasdurchlass 2.8 eines gasdurchlässigen Katalysatorträgers 2.7. Die Oberfläche des Katalysatorträgers war mit der Katalysatorschicht 2.10 vollständig bedeckt. Die Katalysatorschicht 2.10 bestand aus einer Trägerschicht 2.10.1 , die Wesentlichen aus Aluminiumoxid aufgebaut war. Die Oberfläche der Trägerschicht 2.10.1 war mit TEOOS hydrophobiert und nach dem Auftragen der katalytisch wirksamen Pd@Ce02-Nanopartikel calciniert worden. Die Figur 8 zeigt den vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der Figur 7 mit der Katalysatorschicht 2.10, die aus der Trägerschicht 2.10.1 und den katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 bestand. Bei den Nanopartikeln 2.10.2 handelte es sich um Pd@Ce02 gemäß dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. ernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero, „Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@CeÜ2 Subunits on Functionalized Al ₂ 0 ₃ ", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012.

Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief.

Die Figuren 9 und 10 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in Figur 3.

Die Figuren 9 und 10 zeigen Ausschnitte mit einem TEE 4 mit der heißen Seite 4.1 und der kalten Seite 4.2. Die heiße Seite 4.1 war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11 bedeckt. Diese wies die strukturierte Oberfläche 11.1 auf. Die Kante der Schicht 11 stieß an die elektrisch leitfähige Dichtung 10 an. Die kalte Seite 4.2 des TEE war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 12 bedeckt. An diese schloss sich die Wärmesenke 5 mit dem massiven Aluminiumsblock 5.1 und den Kanälen 5.2 für das zirkulierende Wasser an (nur in der Figur 9 wiedergegeben).

Die Seitenfläche des TEE war passgenau mit dem massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 verbunden. Durch dieses liefen die elektrischen Leitungen von der Seitenfläche des TEE zu dem elektrischen Anschluss 6.

Das massive, elektrisch und thermisch isolierende Verankerungsteil 13 stieß in seinem unteren Bereich passgenau an die Kante der Dichtung 10 und an den die heiße Oberfläche 4.2 überragenden Bereich der Schicht 11 an. An ihrer der Wärmesenke 5 gegenüberliegende Seitenfläche war sie mit dem Befestigungsflansch 3.5 der Wandung 3.2.des Wärmerohrs 3 verbunden.

Die Verbindung wurde mit einer durch die Durchbohrung mit Innengewinde 14.5 geführte, ein Gewinde 14.3 aufweisende Schraube 14, die in das Verankerungsteil 13 geschraubt worden war, bewerkstelligt. Bei der Ausführungsform der Figur 9 wurde eine Schraube 14 mit Schraubenkopf 14.1 und einer Unterlegscheibe 14.2 verwendet. Bei der Ausführungsform der Figur 9 wurde eine Schraube 14 mit einem Senkschraubenkopf 14.4 verwendet.

Die Figur 11 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand der Seitenansicht des Wärmerohrs 3 Das Wärmerohr 3 wies die Wandung 3.2 mit dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem Verbindungsbereich 3.1 auf. Die Wandung 3.2 wies im Bereich des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 mittig einen rechteckigen Durchbruch der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite: 6 cm; auf, der die elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht 11 und die umlaufende elektrisch leitfähige Dichtung 10 aufnahm. Oberhalb und unterhalb des Durchbruchs ging die Wandung 3.2 in die beiden vertikalen Befestigungsflansche 3.5 mit den Durchbohrungen 14.5 mit Innengewinde zur Aufnahme der Schrauben 14 über. Links und rechts des Durchbruchs waren die vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 angeordnet, die gleichfalls in die vertikalen Befestigungsflansche 3.5 übergingen. Die zu dem sichtbaren Durchbruch gehörenden Seiten der vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 hatten eine Höhe von 10 cm und eine Breite von 1 cm. Die Figur 12 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres Längsschnitts

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12 wies einen Wirbelschichtreaktor 2 mit einer Länge von 25 cm, einer 5 mm starken Wandung 2.6 aus Edelstahl und einem kreisförmigen Querschnitt auf. In seinem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Länge von 3 cm zu dem Gaseinlass 2.2 für die Reaktionsgase 2.3 hin. Von dem oberen Ende des unteren Bereichs verlief die Wandung 2.6 auf einer Länge von 18 cm senkrecht nach oben, so dass in diesem Bereich der Reaktionsraum 2.1 einen konstanten Querschnitt von 13 cm hatte. Am oberen Ende dieses Bereichs verbreiterte sich der Querschnitt des Reaktionsraums auf einer Länge von 4 cm auf maximal 16 cm. Dieser verbreiterte Bereich des Reaktionsraums diente als Trennzone 2.13, worin der größte Teil der vom Gasstrom 2.9 mitgerissenen, mit katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 beladenen, meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 vom Gasstrom 2.9 abgekoppelt wurden und wieder in das Wirbelschichtbett 2.11 zurückfielen. In diesem Bereich befand sich auch der Gasauslass 2.4 für die Abgase 2.5. Der Gasauslass 2.4 war mit einem Zyklon 15 aus Edelstahl verbunden, worin die ausgetragenen meso- und/oder makroporösen Partikel 2.1 1.1 aus der Gasphase abgeschieden und über die Rückführungsvorrichtung 15.1 dem unteren Bereichs des Reaktionsraums 2.1 oberhalb der Zündvorrichtung 8, 8.1 wieder dem Wirbelschichtbett 2.11 zugeführt wurden. Die Abgase 15.3 des Zyklons 15 wurden über die Abgasleitung 15.2 abgeleitet.

Die meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 aus Aluminiumoxid wiesen eine enge monomodale Verteilung und eine mit Laserstreuung ermittelte mittlere Partikelgröße von 500 pm und eine mittlere Porengröße von 100 nm auf. Sie waren mit TEOOS hydrophobiert, mit Pd@Ce02-Nanopartikeln 2.10.2 beladen und anschließend calciniert worden.

Unterhalb des Wirbelschichtbetts 2.11 und dem Ende des die thermische Energie aufnehmenden Bereichs 3.3 des Wärmerohrs 3 war die Zündvorrichtung 8 mit erhitzten, gasdurchlässigen Katalysatorblechen 2.7 angeordnet. Die gasdurchlässigen Katalysatorbleche 2.7 dienten auch als Gasverteiler. Die Zündvorrichtung 8 wurde nur so lange betrieben, bis die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas durch Luft im Wirbelschichtbett 2.11 des Reaktionsraums 2.1 sich selbst erhaltend ablief.

Im Reaktionsraum 2.1 war der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 mittig angeordnet. Der die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 war 18 cm lang. Das geschlossene Wärmerohr 3 wies eine Wandung 3.2 von 3 mm und einen kreisförmigen Querschnitt von 3 cm auf. Im seinem Inneren befand sich ein Geflecht aus Kupferfasern als Docht für die arbeitende Flüssigkeit Wasser (nicht wiedergegeben).

Am oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 schloss sich der 3 cm lange Verbindungsbereich 3.1 zwischen dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem 10 cm langen, die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 an. Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 war von TEE umgeben (wiedergegeben sind die TEE 4a und 4b). Zwischen ihren heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 und der Wandung 3.2 befanden sich elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten (nicht wiedergegeben). Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 der TEE 4a und 4b waren über elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 12 (nicht wiedergegeben) mit den Wärmesenken 5a und 5b verbunden.

Von den oberen seitlichen Enden der TEE 4a und 4b führten elektrische Leitungen durch das isolierende Material 7 aus Glasschaum zu den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b. Zwischen dem oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 und den TEE 4a und 4b befand sich ebenfalls Glasschaum 7, wodurch auch der Verbindungsbereich 3.1 thermisch isoliert war. Ansonsten war der gesamte Wirbelschichtreaktor 2 von Glasschaum 7 umgeben, wobei nur die Einlassvorrichtung 2.2 und die Auslassvorrichtung 2.4 nicht isoliert waren. Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12 durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief.

Die Figur 3 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand eines Ausschnitts aus ihrem Längsschnitt Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 wies das gleiche geschlossene Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2, dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß Figur 12. Ebenso waren die TEE 4, die Wärmesenken 5 sowie der Glasschaum 7 in diesem Bereich ebenso angeordnet wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12.

Die Wärmequelle 2 war insgesamt 25 cm lang und wies auf eine Strecke von 21 cm einen kreisrunden Querschnitt von 15 cm auf. Ihre Wandung 2.6 bestand aus Edelstahl und war 5 mm stark. In ihrem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Strecke von 3 cm zu der Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für die Reaktionsgas 2.3 hin. Die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl für die Abgase 2.5 befand sich am horizontalen oberen Ende der Wandung 2.6.

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 war mittig in dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 angeordnet. Der freie Reaktionsraum 2.1 war auf einer Strecke von 20 cm mit dem rohrförmigen, makroporösen Sinterkörper 2.14 aus mit TEOOS hydrophobiertem und gesintertem Aluminiumoxid ausgefüllt. Der Sinterkörper 2.14 wies Poren 2.14.1 einer mittleren Porengröße von 400 nm auf, in die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 eingelagert worden waren. Oberhalb des oberen Endes des Sinterkörpers 2.14 blieb der Reaktionsraum 2.1 auf einer Strecke von 1 cm frei, um die Ableitung der Abgase 2.5 zu erleichtern. Unterhalb des Endes des geschlossenen Wärmerohrs 3 war ein scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörper 2.14.2 der gleichen Zusammensetzung angeordnet. Er wies einen kreisrunden Querschnitt von 9,8 cm und eine Stärke von 1 cm auf und war mit der Zündvorrichtung 8 verbunden, mit dem der scheibenförmige, makroporöse Sinterkörper 2.14.2 bis zum Eintritt der sich selbst erhaltenden flammenlosen katalytischen Oxidation von Erdgas durch Luft auf die Zündtemperatur erhitzt werden wurde.

In dem sich zur Einlassvorrichtung 2.2 hin verjüngenden Bereich der Wandung 2.6 war noch ein gasdurchlässiges Edelstahlblech 2.14.3 als Gasverteiler angeordnet.

Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 erwies sich in der Praxis als besonders robust, mechanisch stabil, lagerfähig, transportfähig und einfach und sicher im Betrieb und wies eine besonders lange Betriebsdauer auf.