DE10010397C1 - Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien - Google Patents

Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien

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Abstract

Es wird eine schichtförmige Vorrichtung (10) zum Verdampfen flüssiger Medien beschrieben. Die Vorrichtung (10) weist mehrere Schichtenfolgen (40) jeweils einer ersten Schicht (20), die eine Anzahl von Kanälen (22) für das zu verdampfende flüssige Medium aufweist, und einer zweiten Schicht (30) auf, die zur Wärmeübertragung eine Anzahl von Kanälen (32) für ein Heizmedium aufweist und in der ein Dampfleitraum (34) ausgebildet ist, der über den Kanälen (22) der ersten Schicht (20) ausgebildet und mit diesen räumlich unmittelbar verbunden ist. Der Verdampfer (10) ist weiterhin in Mikrostrukturtechnik ausgebildet. Durch die Bildung der Dampfleiträume (34) in der zweiten Schicht (30) wird verhindert, daß die bei der Verdampfung in den Kanälen (22) entstehenden Gasblasen noch nicht verdampfte Flüssigkeit aus dem Verdampfer (10) austragen können. Der entstehende Dampf entweicht in die Gasleiträume (34), während das zu verdampfende Medium über Kapillarkräfte in den Kanälen (22) gehalten wird. Aufgrund seiner Ausbildung in Mikrostrukturtechnik ist der Verdampfer (10) besonders leistungsfähig und benötigt besonders wenig Bauraum.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien. Solche Vorrichtungen, die in der Regel als Verdampfer bezeichnet werden, sind in der Technik weit verbreitet und werden beispielsweise im Bereich der Klima- und Kühltechnik eingesetzt. Ihre generelle Aufgabe besteht darin, flüssige Medien zum Zwecke weiterer Prozeßschritte zu verdampfen.
Ein Bedarf für Verdampfer besteht beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellentechnologie bei der Brennstoffaufbereitung. Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen das Funktionsprinzip zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse über eine Membran räumlich voneinander getrennt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muß man diese Kohlenwasserstoffe in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Zu den Bestandteilen dieser Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs gehört auch mindestens ein Verdampfer. Der Verdampfer hat beispielsweise die Aufgabe, bei Verwendung flüssigen Brennstoffs als Einsatzmaterial diesen zunächst zu verdampfen, damit er in dampfförmigem Zustand zur weiteren Aufbereitung in das nächste Reaktorelement, beispielsweise einen Reformer, eingeleitet werden kann.
Bisher bekannte Verdampfer haben jedoch den Nachteil, daß sie relativ groß sind und deshalb relativ viel Platz benötigen. Wenn ein Verdampfer in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem - etwa einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug - verwendet werden soll, steht aber in der Regel nur ein geringes Platzangebot zur Verfügung. Es besteht daher das Bedürfnis, möglichst kleine Verdampfer zu schaffen, die nur einen geringen Platzbedarf aufweisen.
Im Hinblick auf die Schaffung von Bauelementen mit nur geringem Platzbedarf ist es bereits bekannt, verschiedene Apparaturen in Mikrostrukturtechnik auszuführen. So sind beispielsweise Mikrowärmetauscher bekannt, die auf kleinstem Raum eine große Anzahl von Mikrokanälen aufweisen, deren Breite und Höhe jeweils nur im Bereich weniger Mikrometer liegt. Solche Wärmetauscher bestehen aus einer Abfolge einzelner Schichten, wobei die einzelnen Schichten jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen aufweisen. Die Schichten sind üblicherweise so angeordnet, daß die Mikrokanäle jeweils benachbarter Schichten in Kreuzstrombauweise ausgerichtet sind. Durch die Kanäle des einen Teils der Schichtenströmt das Prozeßmedium, auf das Wärme übertragen oder von dem Wärme abgeführt werden soll. Durch die Kanäle der jeweils benachbarten Schichten strömt ein entsprechendes Heiz-/Kühlmedium. Infolge der geringen Dicken der Schichten ergeben sich sehr kurze Fließwege für die auszutauschende Wärme und bezogen auf die Volumina von Prozeßmedium und Heiz/Kühlmedium sehr große Wärmetauschflächen, so daß ein hocheffektiver Wärmetausch stattfinden kann.
Dadurch lassen sich Wärmetauscher mit kleinsten Abmessungen schaffen, die in der Lage sind, mehrere Kilowatt Wärmeleistung pro Kubikzentimeter Bauvolumen zu übertragen.
Wenn solche Mikrowärmetauscher als Verdampfer eingesetzt werden sollen, ergeben sich jedoch eine Reihe von Nachteilen. So tritt beispielsweise das Problem auf, daß ein die entsprechenden Kanäle durchströmendes zu verdampfendes flüssiges Medium zwar verdampft wird, daß aber die entstehenden Gase beziehungsweise Gasblasen in unerwünscht großem Maße noch nicht verdampfte Flüssigkeit aus den Kanälen und damit aus dem Verdampfer heraustreiben.
Damit sind Verdampfer in der oben beschriebenen Ausgestaltung in Form von Mikrowärmetauschern nicht geeignet, eine vollständige Verdampfung des Ausgangsstoffs für einen Brennstoff zu gewährleisten. Aus dem Verdampfer austretende noch flüssige Bestandteile des zu verdampfenden Mediums können dazu führen, daß der Wirkungsgrad der dem Verdampfungsschritt nachfolgenden Prozeßschritte beeinträchtigt wird oder sogar Reaktoren beschädigt werden.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien bereitzustellen, bei der die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Medien geschaffen werden, die bei geringem Platzbedarf besonders leistungsfähig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Mediums, die einen aus einer Vielzahl von Schichten bestehenden Aufbau mit sich fortlaufend wiederholender Schichtenfolge aufweist, wobei die Schichtenfolge jeweils aus einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht besteht, wobei in der ersten Schicht eine Vielzahl von Kanälen für das flüssige Medium und in der zweiten Schicht eine Vielzahl von Kanälen für ein Heizmedium angeordnet sind, wobei ferner für jede Schichtenfolge mindestens ein Dampfleitraum vorgesehen ist, der über den Kanälen für das flüssige Meidum angeordnet und mindestens mit einem Teil dieser Kanäle räumlich unmittelbar verbunden ist, und wobei die Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile überwunden.
Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik wird zunächst erreicht, daß die Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien (nachfolgend Verdampfer genannt) extrem platzsparend ausgebildet werden kann. Die Ausgestaltung des Verdampfers in Mikrostrukturtechnik sieht im allgemeinen vor, daß auf einem kleinen Bauraum im Kubikzentimeter-Bereich eine große Anzahl von z. B. mehreren tausend Mikrokanälen vorgesehen ist. Durch diese Mikrokanäle, die jeweils eine Höhe und Breite von nur wenigen Mikrometern aufweisen, werden große spezifische Oberflächen geschaffen, über die der Wärmeaustausch von dem Heizmedium zu dem zu verdampfenden flüssigen Medium besonders effektiv erfolgt. Dadurch sind solche Verdampfer besonders leistungsfähig.
Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdampfers auch erreicht, daß ein unerwünschtes Austragen nennenswerter Mengen von noch nicht verdampfter Flüssigkeit aus dem Verdampfer verhindert wird.
Dazu weist der Verdampfer den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau auf.
Wenn nun das zu verdampfende flüssige Medium die entsprechenden Kanäle der ersten Schicht durchströmt, wird es durch das in den Kanälen der zweiten Schicht vorgesehene Heizmedium erhitzt und verdampft. Der entstehende Dampf kann in die Dampfleiträume entweichen, während das noch nicht verdampfte flüssige Medium durch Kapillarkräfte in den jeweiligen Kanälen gehalten wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß der entstehende Dampf noch nicht verdampfte Flüssigkeit aus den Kanälen austreiben kann.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen der einzelnen Kanäle beschränkt. Je nach Bedarf und Anwendungsfall können die Kanäle in den Schichten als offene Nuten oder als geschlossene Leitungen ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind die einzelnen Kanäle jedoch als offene Nuten ausgebildet, da dies eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht. Die Abdeckung der offenen Seite dieser Nuten erfolgt dann jeweils über die nächste benachbarte Schicht, wie dies im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert wird.
Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anwendungsmöglichkeit für solche Verdampfer beschränkt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft weist die erste Schicht einen Schichtkörper auf, in dem die Kanäle für das zu verdampfende Medium ausgebildet sind. Ein solcher Schichtkörpern ist auf einfache und damit kostengünstige Weise herstellbar. Die einzelnen Kanäle können entweder nach der Herstellung des Schichtkörpers oder bereits während der Herstellung des Schichtkörpers durch ein Urformverfahren in einem einzigen Arbeitsgang in diesen eingebracht werden. Das Material des Schichtkörpers weist vorteilhaft eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die Verwendung bestimmter Materialien für den Schichtkörper beschränkt.
In entsprechender Weise weist auch die zweite Schicht einen Schichtkörper auf, in dem die Kanäle zur Wärmeübertragung und der wenigstens eine Gasleitraum ausgebildet sind. Ein solcher Schichtkörper ist wiederum vorteilhaft aus einem besonders gut wärmeleitenden Material hergestellt. Die einzelnen Kanäle beziehungsweise der oder die Dampfleiträume können wiederum nach der Fertigstellung des Schichtkörpers in diesen eingebracht werden. Alternativ hierzu können sie aber auch in einem einzigen Arbeitsgang bereits während der Herstellung des Schichtkörpers eingeformt werden. Bei dieser Ausführungsform werden sowohl die einzelnen Kanäle, als auch der wenigstens eine Dampfleitraum in den als Basisstruktur dienenden Schichtkörper eingebracht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die zweite Schicht einen Schichtkörper aufweisen, in dem wiederum die Kanäle zur Wärmeübertragung ausgebildet sind, der aber in Längsrichtung der Kanäle der ersten Schicht kürzer als der Schichtkörper der ersten Schicht ausgebildet ist. Der oder die Dampfleiträume werden dadurch gebildet, daß der Schichtkörper der zweiten Schicht in Längsrichtung der Kanäle im ersten Schichtkörper kürzer als der erste Schichtkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise entsteht zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Schichten ein Hohlraum, der jeweils oben und unten durch eine Oberfläche der beiden ersten Schichten und an einer Seite durch eine Seitenwand des dazwischen angeordneten zweiten Schichtkörpers begrenzt ist. Eine solche Ausgestaltung der zweiten Schicht ist konstruktiv besonders einfach und damit sehr kostengünstig. Insbesondere kann auf diese Weise auf eine gesonderte körperliche Ausformung des Dampfleitraums beziehungsweise der Dampfleiträume in dem zweiten Schichtkörper verzichtet werden.
Vorteilhaft sind die einzelnen benachbarten Schichtkörper derart miteinander verbunden, daß ein guter thermischer Austausch zwischen dem die Kanäle der ersten Schicht durchströmenden zu verdampfenden flüssigen Medium und dem Heizmedium in den Kanälen der zweiten Schicht stattfindet oder stattfinden kann.
In weiterer Ausgestaltung kann in der zweiten Schicht ein einziger Dampfleitraum ausgebildet sein, der alle Kanäle der ersten Schicht überspannt. Auf diese Weise wird eine gute Ableitung der in den Kanälen bei der Verdampfung entstehenden Dämpfe gewährleistet. Außerdem ist eine solche Ausgestaltung besonders einfach herstellbar.
Vorteilhaft können die Kanäle der ersten Schicht senkrecht zu den Kanälen der zweiten Schicht ausgerichtet sein. Auf diese Weise ist der Verdampfer in der sogenannten "Kreuzstrombauweise" ausgebildet. Das bedeutet, daß die verdampfende Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung durch die entsprechenden Kanäle strömt, die senkrecht zur Ausrichtung der Kanäle zur Wärmeübertragung ausgerichtet ist.
Es ist jedoch auch denkbar, daß die Kanäle der ersten Schicht und die Kanäle der zweiten Schicht parallel zueinander ausgebildet sind. In einer solchen Bauweise können die zu verdampfende Flüssigkeit und das Heizmedium die jeweiligen Kanäle z. B. im "Gegenstromprinzip" durchströmen. Eine solche Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Dampfleitraum, wie weiter oben bereits beschrieben wurde, im Schichtkörper der zweiten Schicht körperlich ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Kanäle für das Heizmedium und der wenigstens eine Dampfleitraum in dem Schichtkörper für die zweite Schicht übereinander angeordnet sind.
Vorteilhaft kann durch die Kanäle der zweiten Schicht als Heizmedium ein erhitztes Wärmeträgermedium geleitet werden. Ein solches Wärmeträgermedium kann beispielsweise ein Gas, eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl oder dergleichen sein.
In weiterer Ausgestaltung können die Kanäle der zweiten Schicht an ihren Innenwandungen eine Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung für katalytische Reaktionen, aufweisen. Das diese Kanäle durchströmende Heizmedium ist dann vorzugsweise ein exotherm reaktionsfähiges Gasgemisch. Dieses Gasgemisch reagiert unter dem Einfluß der Beschichtung an den Innenwandungen der Kanäle. Die bei diesen exothermen Reaktionen entstehende Wärme kann dann genutzt werden, um das zu verdampfende flüssige Medium in den Kanälen der ersten Schicht zu verdampfen.
Da der Verdampfer in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist, kann dieser sehr hohen Drücken standhalten, so daß die exothermen Reaktionen in den Kanälen stattfinden können, ohne daß es zu einer Beschädigung oder Deformierung des Verdampfers kommt.
Vorzugsweise kann der Schichtkörper der ersten Schicht und/oder der Schichtkörper der zweiten Schicht als strukturierte Platte ausgebildet sein. Solche strukturierten Platten lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Dabei entspricht der Grundbereich der Platte dem jeweiligen Schichtkörper, während die in diese Platte eingebrachten Strukturen die jeweiligen Kanäle bilden. Nach der Strukturierung der Platten können diese auf die erforderliche Größe zugeschnitten und anschließend in der gewünschten Form (Kreuzstrom- oder Gegenstrombauweise) übereinander gestapelt werden. Die Verbindung der einzelnen Platten kann dann über ein geeignetes Fügeverfahren, beispielsweise ein Diffusionsschweißverfahren oder dergleichen, vorgenommen werden.
Eine erste Schicht und eine zweite Schicht bilden jeweils eine Schichtenfolge, wobei die Vorrichtung üblicherweise mehrere Schichtenfolgen aufweist. Die Anzahl der für den Verdampfer verwendeten Schichtenfolgen ergibt sich je nach Bedarf und Anwendungsfall, insbesondere jedoch aus der Leistungsanforderung an den Verdampfer.
Die Eingänge und Ausgänge der einzelnen Kanäle sind jeweils mit einer geeigneten Zuleitung beziehungsweise Ableitung für das zu verdampfende flüssige Medium beziehungsweise das Heizmedium verbunden.
Besonders vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien als Verdampfer für eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle verwendet werden.
Wie eingangs bereits erläutert wurde, werden Brennstoffzellen üblicherweise dazu genutzt, um elektrische Verbraucher anzutreiben. Zum Betrieb wird in die Brennstoffzelle ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, eingeleitet. Üblicherweise muß der Wasserstoff zunächst aus einem noch nicht für die Brennstoffzelle geeigneten Ausgangsstoff, beispielsweise Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas, Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff, erzeugt werden. Dies geschieht in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist.
Die Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs weist üblicherweise eine Reihe verschiedener Reaktorelemente auf, die über entsprechende Leitungen miteinander verbunden sind, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung beziehungsweise Aufbereitung die einzelnen Reaktorelemente durchströmen kann. In einigen der Reaktorelemente finden dabei exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. In anderen Reaktorelementen wird hingegen Wärme benötigt. Bei den Reaktorelementen, für deren Betrieb Wärme erforderlich ist, handelt es sich beispielsweise um Reformer oder Verdampfer. Diejenigen Reaktorelemente, bei denen Wärme freigesetzt wird, können beispielsweise als selektive Oxidation oder dergleichen ausgebildet sein. Dieses Reaktorelement ist erforderlich, wenn der Wasserstoff durch ein Verfahren der partiellen Oxidation gereinigt wird. Hierbei wird das Gas zur Entfernung von schädlichem Kohlenmonoxid durch eine homogene Wassergasreaktion in einem Shift-Reaktor vorgereinigt und in der nachfolgenden Stufe, der selektiven Oxidation, feingereinigt.
Vorteilhaft kann eine solche Brennstoffzelle in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei ist in der einzigen Figur eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien dargestellt.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 10 zum Verdampfen flüssiger Medien wird im weiteren Verlauf der Figurenbeschreibung als Verdampfer bezeichnet. Dieser Verdampfer 10 ist Teil einer nicht dargestellten Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle beispielsweise zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Der Verdampfer 10 weist eine Anzahl von Schichtenfolgen 40 auf, wobei jede Schichtfolge 40 jeweils eine erste Schicht 20 und eine zweite Schicht 30 aufweist. Insgesamt sind im Ausführungsbeispiel vier Schichtenfolgen 40 dargestellt. Die erforderliche Anzahl der Schichtenfolgen 40 ergibt sich je nach Bedarf und Anwendungsfall und hier insbesondere nach der Leistungsanforderung an den Verdampfer 10.
Die erste Schicht 20 weist einen Schichtkörper 21 aus besonders gut wärmeleitfähigem Material auf. In dem Schichtkörper 21 sind eine Anzahl von Kanälen 22 eingebracht, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von links nach rechts verlaufen. Durch die Kanäle 22 strömt ein zu verdampfendes flüssiges Prozeßmedium, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also in Pfeilrichtung E.
Die weiterhin zur Schichtfolge 40 gehörende zweite Schicht 30 weist ebenfalls einen Schichtkörper 31 auf, der wiederum aus einem besonders gut wärmeleitfähigen Material gebildet ist. Im Schichtkörper 31 sind eine Anzahl von Kanälen 32 zur Wärmeübertragung ausgebildet. Diese Kanäle 32 sind orthogonal zu den Kanälen 22 ausgerichtet, so daß eine Durchströmung benachbarter Kanäle 22, 32 jeweils im Kreuzstromprinzip erfolgt.
Wie aus der Figur weiter zu ersehen ist, ist der Schichtkörper 31 in Längsrichtung der Kanäle 22 der ersten Schicht 20 kürzer als der Schichtkörper 21 dieser ersten Schicht 20 ausgebildet. Die einzelnen Schichtkörper 21, 31 sind derart miteinander verbunden, daß ein effektiver thermischer Austausch der die einzelnen Kanäle 22, 32 durchströmenden Medien stattfindet beziehungsweise stattfinden kann.
Die einzelnen Kanäle 32 der zweiten Schicht 30 können an ihren Innenwandungen 33 jeweils eine Beschichtung, vorzugsweise eine katalytische Beschichtung, aufweisen. Wenn in einem solchen Fall als Wärmeträgermedium ein reaktionsfähiges Gasgemisch verwendet wird, kann dieses Gasgemisch unter dem Einfluß der Beschichtung an den Innenwandungen 33 der Kanäle 32 reagieren. Üblicherweise werden die Beschichtung und das Gasgemisch derart gewählt, daß in den Kanälen eine exotherme Reaktion stattfindet. Die dabei frei werdende Wärme kann genutzt werden, um das die Kanäle 22 durchströmende flüssige Medium zu verdampfen. Es ist jedoch auch möglich, auf eine solche Beschichtung der Kanäle 32 zu verzichten. In diesem Fall müssen die Kanäle 32 von einem heißen Wärmeträgermedium, beispielsweise einem heißen Gas oder einer heißen Flüssigkeit wie Wasser, Öl oder dergleichen, durchströmt werden.
Die einzelnen Schichtkörper 21, 31 können als strukturierte Platten ausgebildet sein, wobei die Kanäle 22, 32 in einem solchen Fall in die Schichtkörper 21, 31 eingeprägt werden. Die Platten können z. B. über ein Diffusionsschweißverfahren miteinander verbunden werden.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Schichtkörper 31 kürzer als der Schichtkörper 21 ausgebildet ist, befindet sich in der zweiten Schicht 30 im Anschluß an den Schichtkörper 31 jeweils noch ein Dampfleitraum 34. Dieser Dampfleitraum 34 überspannt alle Kanäle 22 der darunter liegenden benachbarten ersten Schicht 20. Da die Kanäle 22 als offene Nutkonstruktionen ausgebildet sind, bewirkt eine solche Konstruktion, daß die Kanäle 22 im Bereich des Dampfleitraums 34 mit diesem korrespondieren.
Bei der dargestellten Ausgestaltung des Verdampfers 10 wird der Dampfleitraum 34 somit nach unten hin durch die obere Oberfläche des Schichtkörpers 21, in dem die Kanäle 22 ausgebildet sind nach oben hin durch die untere Oberfläche des jeweils darüber angeordneten Schichtkörpers 21, und an seiner linken Seite durch das Ende des jeweils benachbarten Schichtkörpers 31 begrenzt. Die verbleibende offene rechte Seite des Dampfleitraums 34 ist mit einem nicht dargestellten Verdampferauslaß verbunden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Verdampfers 10 beschrieben.
Das zu verdampfende flüssige Medium, beispielsweise Methanol oder dergleichen, wird in Pfeilrichtung E in die Kanäle 22 der ersten Schichten 20 eingeleitet. Gleichzeitig wird durch die Kanäle 32 der jeweils benachbarten zweiten Schichten 30 ein geeignetes erhitztes Wärmeträgermedium hindurchgeleitet. Die durch das Wärmeträgermedium zur Verfügung gestellte Wärme wird verwendet, um das die Kanäle 22 durchströmende flüssige Medium zu verdampfen. Um nun zu verhindern, daß die während des Verdampfungsvorgangs im flüssigen Medium entstehenden Dampfblasen noch nicht verdampfte Flüssigkeit aus dem Verdampfer 10 austragen können, korrespondieren die Kanäle 22 mit dem Dampfleitraum 34. Die in den Kanälen 22 entstehenden Dämpfe haben somit die Möglichkeit, in den Dampfleitraum 34 zu entweichen. Da das zu verdampfende flüssige Medium durch Kapillarkräfte in den Kanälen 22 gehalten wird, fungiert der Dampfleitraum 34 jeweils als Ausweichraum für die bei der Verdampfung entstehenden Dämpfe.
Bezugszeichenliste
10
Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien (Verdampfer)
20
erste Schicht
21
Schichtkörper
22
Kanal
30
zweite Schicht
31
Schichtkörper
32
Kanal
33
Innenwandung
34
Dampfleitraum
40
Schichtenfolge
E Eintrittsrichtung des zu verdampfenden flüssigen Mediums

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Mediums, die einen aus einer Vielzahl von Schichten (20, 30) bestehenden Aufbau mit sich fortlaufend wiederholender Schichtenfolge aufweist, wobei die Schichtenfolge jeweils aus einer ersten Schicht (20) und einer zweiten Schicht (30) besteht, wobei in der ersten Schicht (20) eine Vielzahl von Kanälen (22) für das flüssige Medium und in der zweiten Schicht (30) eine Vielzahl von Kanälen (32) für ein Heizmedium angeordnet sind, wobei ferner für jede Schichtenfolge mindestens ein Dampfleitraum (34) vorgesehen ist, der über den Kanälen (22) für das flüssige Medium angeordnet und mindestens mit einem Teil dieser Kanäle (22) räumlich unmittelbar verbunden ist, und wobei die Vorrichtung (10) in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) aus einem Schichtkörper (21) und die zweite Schicht (30) aus einem Schichtkörper (31) gebildet ist und die Schichtkörper (20, 30) mit ihren Kanälen (22, 32) separat voneinander hergestellt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Dampfleitraum (34) jeweils in dem Schichtkörper (31) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (31) zur Bildung eines Dampfleitraums (34) in Längsrichtung der Kanäle (22) der ersten Schicht (20) kürzer als der Schichtkörper (21) der ersten Schicht (20) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Schicht (30) ein einziger Dampfleitraum (34) ausgebildet ist, der alle Kanäle (22) der ersten Schicht (20) überspannt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) der ersten Schicht (20) jeweils senkrecht zu den Kanälen (32) der zweiten Schicht (30) ausgerichtet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) der ersten Schicht (20) jeweils parallel zu den Kanälen (32) der zweiten Schicht (30) ausgerichtet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (32) der zweiten Schicht (30) zum Hindurchleiten eines Wärmeträgermediums ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (32) der zweiten Schicht (30) an ihren Innenwandungen (33) eine Beschichtung, insbesondere eine katalytische Beschichtung für exotherme Reaktionen, aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (21) der ersten Schicht (20) und/oder der Schichtkörper (31) der zweiten Schicht (30) als strukturierte Platte ausgebildet ist/sind.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Verdampfer für eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle.
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