DE10148926A1 - Distribution structure used in low temperature fuel cells comprises a reaction zone and a feed channel running conically on the reaction zone and containing devices to deviate the flow - Google Patents
Distribution structure used in low temperature fuel cells comprises a reaction zone and a feed channel running conically on the reaction zone and containing devices to deviate the flowInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verteilerstruktur für Betriebsmittel und dessen Verwendung, insbesondere zur Brenngaserzeugung für Niedertemperatur-Brennstoffzellen. The invention relates to a distributor structure for equipment and its use, in particular for fuel gas generation for Low-temperature fuel cells.
Die Brenngaserzeugung für die mobile Anwendung der
Brennstoffzelle, die nach dem heutigen Stand der
Technik in der Regel auf der sogenannten autothermen
Reformierung basiert, besteht bei der Verwendung von
kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen im wesentlichen aus
folgenden Prozeßschritten (Docter, A., Lamm, A. (1999)
Gasoline Fuel cell systems. Journal of Power Sources
84, 194-200).
ATR → HTS → NTS → PROX → BZ → CB
The generation of fuel gas for the mobile application of the fuel cell, which according to the current state of the art is usually based on so-called autothermal reforming, essentially consists of the following process steps when using hydrocarbon-containing fuels (Docter, A., Lamm, A. (1999 ) Gasoline Fuel cell systems. Journal of Power Sources 84, 194-200).
ATR → HTS → NTS → PROX → BZ → CB
Bei der autothermen Reformierung (ATR) wird durch die Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf ein wasserstoffreiches Gas erzeugt. Die für diese stark endotherme Reaktion benötigte Wärme wird durch die parallel ablaufende, partielle Oxidation eines Teils des Eduktstromes bereitgestellt. Aufgrund der geringen Toleranz des Katalysators der Brennstoffzelle gegenüber Kohlenmonoxid, das neben dem gebildeten Wasserstoff noch in wesentlichen Anteilen im Produktgasstrom enthalten ist, wird dieses in nachgeschalteten Reaktoren zum einem durch die CO-Konvertierungsreaktion mit Wasser (in der Regel zweistufig ausgeführte Shift-Stufe; HTS: Hochtemperaturshift, NTS: Niedertemperaturshift) und zum anderen mit Sauerstoff in einer präferentiellen CO-Oxidation (PROX: preferential oxidation) zu Kohlendioxid umgesetzt. Das Anodenabgas der Brennstoffzelle, das neben nicht genutztem Wasserstoff noch geringe Mengen Methan enthält, wird zur Wärmebereitstellung und zur Vermeidung von Emissionen in einem Katalytbrenner (CB) mit Luftsauerstoff oxidiert. Zur Brenngaserzeugung werden neben den genannten Reaktoren auch Wärmetauscher eingesetzt, die je nach gewählter Systemgestaltung angeordnet werden können. Alternativ zu der autothermen Reformierung stehen für die Bereitstellung von Brenngas die Dampfreformierung mit externer Wärmebereitstellung und die partielle Oxidation zur Verfügung. In the case of autothermal reforming (ATR), the Reaction of hydrocarbons with water vapor produces hydrogen-rich gas. The strong for this endothermic reaction is required by the heat partial oxidation of part of the Educt stream provided. Because of the low Tolerance of the catalyst towards the fuel cell Carbon monoxide, which in addition to the hydrogen formed still in significant proportions in the product gas stream is included, this is in downstream reactors on the one hand with the CO conversion reaction Water (usually two-stage shift stage; HTS: high temperature shift, NTS: low temperature shift) and on the other hand with oxygen in a preferential CO oxidation (PROX: preferential oxidation) too Carbon dioxide implemented. The anode exhaust from the fuel cell, the low in addition to unused hydrogen Contains quantities of methane, is used to provide heat and to avoid emissions in a catalytic burner (CB) oxidized with atmospheric oxygen. For fuel gas generation are also heat exchangers in addition to the reactors mentioned used depending on the selected system design can be arranged. Alternative to the autothermal Reforming stands for the provision of fuel gas steam reforming with external heat supply and partial oxidation is available.
Der Verwendung von Mikrostrukturen im Submillimeterbereich wird insbesondere für die Shiftstufen und den Katalytbrenner das Potential zugeschrieben, die angestrebte kompakte und leichte Bauweise von Reaktoren zu ermöglichen. Derart gestaltete Reaktoren werden im weiteren als Mikrostrukturreaktoren bezeichnet. Sie weisen auf Grund der Mikrostrukturen gute Wärme- und Stoffübergangscharakteristiken auf. The use of microstructures in the The submillimeter range is used in particular for the shift levels and the Catalytic burner attributed to the potential that desired compact and lightweight construction of reactors enable. Such designed reactors are in the referred to as microstructure reactors. You point due to the microstructures good heat and Mass transfer characteristics.
Ein wesentliches Problem bei dem Einsatz von Mikrostrukturen ist, die gleichmäßige Verteilung eines Fluidstromes aus einem technisch gängigen, vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt auf eine Vielzahl von Strukturen in einer Reaktionszone, beispielsweise auf die parallel geschalteten Kanäle einer Reaktionszone mit hydraulischen Durchmessern im Submillimeterbereich. So ist als Stand der Technik aus Walter et al. (Walter, S., Frischmann, G., Broucek, R., Bergfeld, M., Liauw, M. (1999) Fluiddynamische Aspekte in Mikrostrukturreaktoren, Chemie Ingenieur Technik, 71, 447-455) eine konisch zulaufende Eingangsgeometrie zur Einsparung von Bauvolumen bekannt. Der Einlaßgeometrie kommt grundsätzlich entscheidende Bedeutung für die Verteilung der Betriebsmittel zu. A major problem when using Is microstructures, the even distribution of a Fluid flow from a technically common, comparatively large flow cross-section on a variety of Structures in a reaction zone, for example the parallel channels of a reaction zone with hydraulic diameters in the submillimeter range. The state of the art from Walter et al. (Walter, S., Frischmann, G., Broucek, R., Bergfeld, M., Liauw, M. (1999) Fluid dynamic aspects in Microstructured reactors, chemical engineer engineering, 71, 447-455) a tapered entrance geometry to save Construction volume known. The inlet geometry is coming fundamental importance for the distribution of the Resources too.
Nachteilig resultiert aus den bisher bekannten Verteilerstrukturen eine ungleichmäßige Durchströmung der Reaktionszone mit Betriebsmitteln. Randbereiche der Reaktionszone, z. B. einzelne am Rand angeordnete Kanäle, werden weniger mit Betriebsmittel durchströmt, als die in der Mitte angeordneten Bereiche. Dies trifft gleichermaßen für unbeschichtete als auch für mit Katalysator beschichtete Kanäle zu. Die Auswirkungen sind bei mit Katalysator beschichteten Kanälen allerdings größer. Edelmetalle, z. B. Platin, als Katalysatoren sind teuer (z. B. PROX, CB). In den Randbereichen tritt eine schlechte Ausnutzung von Katalysator auf, und es entsteht ein heterogenes Temperaturprofil senkrecht zur. Strömungsrichtung. The disadvantage results from the previously known Manifold structures an uneven flow of Reaction zone with equipment. Marginal areas of the Reaction zone, e.g. B. individual channels arranged at the edge, are flowed through with less equipment than that areas arranged in the middle. This is true equally for uncoated as well as for with Catalyst coated channels too. The effects are at channels coated with catalyst, however greater. Precious metals, e.g. B. platinum, are as catalysts expensive (e.g. PROX, CB). One occurs in the marginal areas poor catalyst utilization, and it creates a heterogeneous temperature profile perpendicular to. Flow direction.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verteilerstruktur für einen Mikrostrukturreaktor bereit zu stellen, welche die im Stand der Technik aufgezeigten Mängel nicht aufweist. Durch eine solche Verteilerstruktur wird eine gleichmäßige Durchströmung aller Bereiche einer Reaktionszone auch dann gewährleistet, wenn von einem Strömungsquerschnitt einer technisch gängigen Größenordnung auf eine Vielzahl von Strömungsquerschnitten im Submillimeterbereich übergegangen wird. The object of the invention is a distribution structure for a microstructured reactor which the shortcomings shown in the prior art do not having. With such a distribution structure, a uniform flow through all areas of a Reaction zone guaranteed even if from one Flow cross-section of a technically common order of magnitude to a variety of flow cross sections in the Submillimeter range is passed.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verteilerstruktur bereit zu stellen. The object of the invention is also a method ready to manufacture such a distribution structure to deliver.
Die Aufgabe wird durch eine Verteilerstruktur gemäß Hauptanspruch und ein Verfahren zur Herstellung gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen. The task is performed according to a distribution structure Main claim and a method for manufacturing according Secondary claim solved. Advantageous configurations result from the claims referring back to it.
Die Verteilerstruktur weist eine Reaktionszone und einen auf die Reaktionszone konisch zulaufenden Zuführungskanal für die Betriebsmittel auf. Im Zuführungskanal sind Mittel angeordnet, die zu einer Stromumlenkung der Betriebsmittel führen. Dies führt zu einer gezielten Beeinflussung des Strömungswiderstandes senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Reaktionszone wird gleichmäßig mit Betriebsmitteln beaufschlagt. The distributor structure has a reaction zone and one tapering towards the reaction zone Supply channel for the equipment. in the Feed channel are arranged means that lead to a current deflection of the resources. This leads to a targeted influencing of the flow resistance vertically to the direction of flow. The reaction zone is evenly charged with operating resources.
Mit dem Begriff Reaktionszone ist ein Bereich der Verteilerstruktur umfaßt, in welcher z. B. eine katalysatorgestützte Reaktion abläuft. In einem weiter gefaßten Sinne kann dort aber auch z. B. ein einfacher Wärmeübergang ohne Katalysator statt finden. With the term reaction zone is an area of Distribution structure includes, in which, for. Legs catalyst-based reaction takes place. In a wider one Senses can also z. B. a simple one Heat transfer takes place without a catalyst.
Es werden auch Randbereiche der Reaktionszone, die bei einer Betriebsmittelzuführung ohne Stromumlenkung nur unterproportional versorgt würden, mit einem ähnlichen Volumenstrom beaufschlagt, wie die in der Mitte der Reaktionszone angeordneten Bereiche. There are also marginal areas of the reaction zone, which at an equipment supply without current diversion only would be disproportionately supplied with a similar one Volume flow applied, like that in the middle of the Areas arranged in the reaction zone.
Die Reaktionszone kann beispielsweise Kanäle im Submillimeterbereich aufweisen in denen das Betriebsmittel strömt. Die Reaktionszone ist dann in Kanäle unterteilt. Der Zuführungskanal verläuft konisch auf diese Reaktionszone zu. Es wird eine kompakte Bauweise erzielt. Die Verteilerstruktur ist somit zunächst als eine einzelne Platte gestaltet. Das Material besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff. Diese Gruppe von Werkstoffen gewährleistet auch bei erhöhten Einsatztemperaturen eine ausreichende, mechanische Stabilität. Hochwärmefeste Stähle werden für Hochtemperaturanwendungen angewendet. Als Beispiel hierfür dienen die sich in der Regel dem autothermen Reformer anschließenden Wärmetauscher. Für den mittleren Temperaturbereich können aus Gründen der Gewichtsersparnis auch Metalle wie Aluminium und Titan angewendet werden. The reaction zone can, for example, channels in the Show submillimeter range in which the equipment flows. The reaction zone is then in channels divided. The feed channel is conical on this Reaction zone too. It will be a compact design achieved. The distribution structure is thus initially as designed a single plate. The material is there preferably made of a metallic material. This Group of materials ensures even at elevated Operating temperatures an adequate, mechanical Stability. High heat resistant steels are used for High temperature applications applied. To serve as an example which is usually the autothermal reformer subsequent heat exchanger. For the middle one Temperature range can save weight metals such as aluminum and titanium can also be used.
Dies betrifft beispielsweise den Wärmetauscher zwischen den Shiftstufen und die Mikrostrukturreaktoren der Shift-Stufen selber. Für den Niedertemperaturbereich bietet sich auch die Verwendung von warmfesten Kunststoffen an. Diese Materialien können für den Mikrostrukturreaktor für die präferentielle Oxidation und einem etwaig nachgeschalteten Wärmetauscher Verwendung finden. In Betracht gezogen werden kann beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE ist bis ca. 270°C temperaturstabil. In Betracht gezogen werden können weiterhin fluorhaltige Thermoplasten, beispielsweise FEP (Fluorethylen-Propylen), PFA (Perfluoralkoxy), ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen), ECTFE und PVDF (Polyvenylidene-difluorid). Diese Materialien weisen zwar geringere Temperaturbelastbarkeit und niedrigere chemische Stabilität auf. In der Verarbeitbarkeit weisen sie jedoch deutliche Vorteile auf, da z. B. mit der Spritzgießtechnik ein einfaches und industriell weit verbreitetes Formgebungsverfahren zur Verfügung steht. This affects, for example, the heat exchanger between the shift stages and the microstructure reactors of the Shift levels yourself. For the low temperature range offers the use of heat-resistant Plastics. These materials can be used for the Microstructure reactor for preferential oxidation and any downstream heat exchanger use Find. For example, can be considered Polytetrafluoroethylene (PTFE). PTFE is up to approx. 270 ° C temperature stable. Can be considered also fluorine-containing thermoplastics, for example FEP (fluoroethylene propylene), PFA (perfluoroalkoxy), ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene), ECTFE and PVDF (Polyvenylidene difluoride). These materials point though lower temperature resistance and lower chemical Stability on. They show in the processability however, significant advantages because, for. B. with the Injection molding technology a simple and industrially wide widespread shaping process is available.
Als Mittel zur Stromumlenkung kommen insbesondere Leitbleche in Betracht. Die Leitbleche können in Strömungsrichtung des Betriebsmittels im Zuführungskanal in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sein. In particular, come as a means of redirecting current Baffles into consideration. The baffles can be in Flow direction of the equipment in the feed channel in be arranged on one or more levels.
Die Stromumlenkung hat eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Bereiche der Reaktionszone mit Betriebsmitteln zur Folge. Im Falle einer Katalysatorbelegung der Reaktionszone führt dies zu einer hohen Auslastung des Katalysators. Hieraus resultieren Einsparpotentiale bei der Katalysatormenge sowie bei der Baugröße. Der Wirkungsgrad eines, die Verteilerstruktur enthaltenden, Mikrostrukturreaktors wird erhöht. Eine etwaige Reduktion der Katalysatormenge ist besonders für den Einsatz in einem Massenprodukt wie z. B. dem Automobil wünschenswert. Denn bereits aus einer kleinen, pro Aggregat eingesparten Menge, an Katalysator wird aufgrund der hohen Stückzahlen eine große Gesamtersparnis an Kosten und Ressourcen erzielt. The current deflection has an even application all areas of the reaction zone with equipment result. In the event of a catalytic converter occupancy This leads to a high utilization of the reaction zone Catalyst. This results in savings potential for the amount of catalyst and the size. The Efficiency of a distribution structure containing Microstructure reactor is increased. Any Reducing the amount of catalyst is particularly useful in a mass product such as B. the automobile desirable. Because even from a small, pro Aggregate saved amount, due to catalyst the large number of items a large total savings Costs and resources achieved.
Bei Systemen mit und ohne Reaktion bildet sich senkrecht zur Strömungsrichtung ein gleichmäßiges Temperaturprofil in der Reaktionszone aus, da die durchgesetzten Massenströme in allen Bereichen annähernd konstant sind. Durch die Gleichmäßigkeit des Temperaturprofils senkrecht zur Strömungsrichtung wird vermieden, daß Wärme in relevanten Größenordnungen in dieser Richtung übertragen wird. Unter der Annahme einer gleichmäßigen Beschichtung der Reaktionszone mit Katalysator, z. B. bei heterogen-katalysierten Reaktionen, werden in allen Bereichen der Reaktionszone wegen identischer Reaktionsgeschwindigkeiten ähnliche Umsätze erzielt. Systems with and without reaction are formed perpendicular to the direction of flow Temperature profile in the reaction zone because the enforced mass flows in all areas almost constant are. Due to the uniformity of the temperature profile perpendicular to the direction of flow is avoided that Heat in relevant orders of magnitude in this direction is transmitted. Assuming an even Coating the reaction zone with a catalyst, e.g. B. in heterogeneously catalyzed reactions, in all Areas of the reaction zone because of identical Reaction speeds achieved similar sales.
Zur Herstellung ist es besonders vorteilhaft, wenn parallel zur Herstellung der Reaktionszone, z. B. bei der Einarbeitung von Kanälen im Submillimeterbereich, in einem Arbeitsschritt auch die Mittel zur Stromumlenkung der Betriebsmittel mit gefertigt werden, z. B. durch Stanzen. Hierdurch wird der Herstellungsaufwand erniedrigt. For the production, it is particularly advantageous if parallel to the preparation of the reaction zone, e.g. B. at the Incorporation of channels in the submillimeter range, in the means for redirecting the current the resources are manufactured with, for. B. by Punching. As a result, the manufacturing effort decreased.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Diese betreffen die Verwendung von senkrecht zur Strömungsrichtung der Betriebsmittel angeordneten, rechteckigen Leitblechen. Mit dem Begriff senkrecht zur Strömungsrichtung sind auch Abweichungen vom rechten Winkel im Sinne der Erfindung umfaßt, solange die Stromumlenkung zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Reaktionszone mit Betriebsmitteln führt. The invention is explained in more detail below on the basis of a few exemplary embodiments and FIGS. 1 to 4. These relate to the use of rectangular baffles arranged perpendicular to the flow direction of the equipment. The term perpendicular to the direction of flow also encompasses deviations from the right angle in the sense of the invention, as long as the current deflection leads to a uniform application of operating materials to the reaction zone.
Fig. 1 zeigt eine Verteilerstruktur, bei der in Strömungsrichtung der Betriebsmittel Leitbleche in zwei hintereinander liegenden Ebenen im Zuführungskanal angeordnet sind. FIG. 1 shows a distributor structure in which baffles are arranged in two successive levels in the feed channel in the direction of flow of the operating means.
Fig. 2 und 3 zeigen Verteilerstrukturen, bei denen in Strömungsrichtung der Betriebsmittel Leitbleche in drei hintereinander liegenden Ebenen im Zuführungskanal angeordnet sind. Fig. 2 and 3 show distributor structures in which baffles are arranged in three successive layers in the feed channel in the flow direction of the equipment.
Fig. 4 zeigt eine Verteilerstruktur, bei der in Strömungsrichtung der Betriebsmittel Leitbleche in einer Ebene im Zuführungskanal angeordnet sind. FIG. 4 shows a distributor structure in which baffles are arranged in one plane in the feed channel in the direction of flow of the operating means.
In Fig. 1 bis 4 ist jeweils in Aufsicht ein Längsschnitt durch einen Mikrostrukturreaktor in Höhe einer Einzelplatte als Verteilerstruktur dargestellt. Der Betriebsmittel-Strom ist durch die dick gekennzeichneten Pfeile markiert. Die Stromumlenkung und Aufteilung des Betriebsmittels für die Reaktionszone 6, 16, 26, 36 erfolgt in einem sich konisch aufweitenden Zuführungskanal 3, 13, 23, 33. Es sind in Fig. 1 bis 4 jeweils zehn parallel verlaufende Kanäle 5, 15, 25, 35 dargestellt. Die zwischen den Kanälen angeordneten neun Stege 4, 14, 24, 34 trennen die Kanäle voneinander. Es ist jeweils nur ein Steg bzw. Kanal und jeweils nur eines der Leitbleche einer jeden Ebene mit Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 to 4 is a longitudinal section in each case represented by a microstructure reactor in the amount of a single plate as a manifold structure in plan view. The flow of equipment is marked by the arrows marked in bold. The flow deflection and division of the equipment for the reaction zone 6 , 16 , 26 , 36 takes place in a conically widening feed channel 3 , 13 , 23 , 33 . There are shown in Figs. 1 to 4 each of ten parallel channels 5, 15, 25, shown 35th The nine webs 4 , 14 , 24 , 34 arranged between the channels separate the channels from one another. Only one web or channel and only one of the guide plates of each level are provided with reference numerals.
Die Produkte verlassen die Reaktionszone über einen Abführungskanal 7, 17, 27, 37. The products leave the reaction zone via a discharge channel 7 , 17 , 27 , 37 .
In Fig. 1 besteht die erste Ebene in Strömungsrichtung aus vier größeren Leitblechen 1, die größere Abstände zueinander aufweisen als die in der zweiten Ebene angeordneten neun Leitbleche 2. Als Resultat wird die Strukturierung der Leitbleche in Strömungsrichtung verfeinert und der Betriebsmittel-Strom über alle Kanäle gleichmäßig verteilt. In Fig. 1, the first level in the flow direction consists of four larger baffles 1 which are at greater distances from one another than the nine baffles 2 arranged in the second level. As a result, the structuring of the baffles in the direction of flow is refined and the flow of equipment is evenly distributed across all channels.
In Fig. 2 umfaßt die erste Ebene ein Leitblech 18, in Fig. 3 umfaßt die erste Ebene zwei Leitbleche 28. Die Abstände und die Größen der Leitbleche 18, 11, 12 in Fig. 2 bzw. 28, 21, 22 in Fig. 3 verkleinern sich von Ebene zu Ebene in Strömungsrichtung des Betriebsmittels. In FIG. 2, the first level includes a guide plate 18, in Fig. 3 the first layer comprises two guide plates 28th The distances and the sizes of the guide plates 18 , 11 , 12 in FIG. 2 and 28 , 21 , 22 in FIG. 3 decrease from level to level in the direction of flow of the operating medium.
In Fig. 4 umfaßt die Anordnung acht Leitbleche 31 in einer Ebene, wobei sich die Abstände und die Größe der Leitbleche von der Mitte zum Rand des Zuführungskanals hin vergrößern. Über den senkrecht zur Strömungsrichtung abnehmenden Strömungswiderstand wird die sonst besonders problematische Durchströmung der äußeren Kanäle im Randbereich der Reaktionszone gewährleistet. In Fig. 4, the arrangement comprises eight baffles 31 in one plane, the distances and the size of the baffles increasing from the center to the edge of the feed channel. The otherwise particularly problematic flow through the outer channels in the edge region of the reaction zone is ensured by the flow resistance decreasing perpendicularly to the flow direction.
Ohne Einschränkung der Erfindung können entsprechend der Fig. 1 bis 4 andere Mittel als Leitbleche eingesetzt werden, die ebenfalls eine Stromumlenkung und damit eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsmittel in der Reaktionszone bewirken. Hierunter fallen z. B. Strukturen mit kreis- oder ellipsenförmigem Grundriß. Without restricting the invention, according to FIGS. 1 to 4, other means can be used as baffles, which likewise bring about a current deflection and thus a uniform distribution of the operating resources in the reaction zone. This includes z. B. Structures with a circular or elliptical outline.
Alle Ausführungsbeispiele mit in dieser Weise in sich strukturierten Ebenen eignen sich zur Reihenschaltung. All embodiments with in this way in itself structured levels are suitable for series connection.
Reihenschaltung bedeutet, daß mehrere dieser strukturierten Ebenen in Strömungsrichtung auf einer Platte selbst angeordnet werden. Series connection means several of these structured levels in the flow direction on a plate be arranged yourself.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Stegbreite zwischen den einzelnen Kanälen unabhängig von der Einlaufgeometrie optimiert werden. Dies bedeutet, daß die Durchströmungsverhältnisse nicht mehr maßgeblich durch die Stegbreite, wie es bei unstrukturierten Einläufen der Fall ist, sondern vielmehr durch die Gestaltung der Leitbleche beeinflußt werden. Dies beinhaltet den Vorteil, die Stegbreite ohne eine Verschlechterung der Strömungsbedingungen verringern zu können, um Vorteile hinsichtlich eines etwaigen Wärmeübergangs und der Masse des Mikrostrukturreaktors zu erzielen. In the exemplary embodiments shown, the Bridge width between the individual channels regardless of the inlet geometry can be optimized. This means, that the flow conditions no longer decisive due to the web width, as is the case with unstructured Enemas is the case, but rather through the Design of the baffles can be influenced. This includes the advantage of the web width without one To be able to reduce deterioration of the flow conditions Advantages with regard to any heat transfer and to achieve the mass of the microstructured reactor.
Simulationsrechnungen zur Strömungsgeschwindigkeit der Betriebsmittel und zur Temperaturverteilung in Einzelplatten mit insgesamt 10 Kanälen ergaben für Luft als Modellsubstanz Ergebnisse mit einer annähernd identischen Temperaturverteilung über alle Kanäle entlang der Achsen X-X' der Fig. 1 bis 4. Die Geschwindigkeit von Luft an den Rändern der Reaktionszone betrug gegenüber der maximalen Strömungsgeschwindigkeit über 70%. Dies entspricht gegenüber einer unstrukturierten Einlaufzone eine Erhöhung der Geschwindigkeit um mehr als 20%. Die Simulationsrechnungen wurden zweidimensional für einen Kanalquerschnitt und eine Stegbreite von 800 Mikrometer durchgeführt. Selbstverständlich ist die Anzahl der Kanäle sowie der Kanalquerschnitt und die Stegbreite nicht auf diese Zahl bzw. Abmessungen eingeschränkt. Vielmehr können je nach Bedarf mehr oder weniger Kanäle angeordnet sein, z. B. bis zu 40 Kanäle. Die Abmessungen zu den Kanälen und Stegen können beispielsweise auch 100 Mikrometer betragen. Simulation calculations for the flow rate of the equipment and for the temperature distribution in individual plates with a total of 10 channels gave results for air as a model substance with an approximately identical temperature distribution over all channels along the axes XX 'of FIGS. 1 to 4. The speed of air at the edges of the reaction zone was compared to the maximum flow rate over 70%. This corresponds to an increase in speed of more than 20% compared to an unstructured inlet zone. The simulation calculations were carried out in two dimensions for a channel cross-section and a web width of 800 micrometers. Of course, the number of channels as well as the channel cross section and the web width are not restricted to this number or dimensions. Rather, more or fewer channels can be arranged as required, for. B. up to 40 channels. The dimensions of the channels and webs can, for example, also be 100 micrometers.
Durch die Anordnung der Leitbleche zur Stromumlenkung wird ein gleichmäßiges Strömungsprofil erzielt, bei dem keine unterproportionale Belastung einzelner Bereiche zu beobachten ist. Die Möglichkeit, einen Mikrostrukturreaktor bzw. Wärmetauscher parallel zur Strömungsrichtung einbauen zu können, ohne daß Umlenkungen im Zuleitungssystem realisiert werden müssen, stellt einen weiteren Vorteil dar. Ein solcher Mikrostrukturreaktor bzw. Wärmetauscher entspricht bei einer visuellen Beurteilung der Leitung von außen nur einer Rohrverdickung. Eine zusätzlich notwendige, komplizierte Gestaltung der Verrohrung des Reaktors entfällt. Darüber hinaus werden regelmäßig Totzonen vermieden und der Druckverlust minimiert. Totzonen vergrößern die Verweilzeit der Betriebsmittel, und können zu unerwünschten Nebenreaktionen in der Reaktionszone oder zur Ausbildung lokaler Temperaturspitzen führen. Due to the arrangement of the baffles for current diversion a uniform flow profile is achieved in which no disproportionately low load on individual areas can be observed. The possibility of one Microstructure reactor or heat exchanger parallel to To be able to install flow direction without deflections in A supply system must be implemented another advantage. Such a microstructured reactor or heat exchanger corresponds to a visual Assessment of the pipe from the outside only of a pipe thickening. An additionally necessary, complicated design of the Piping the reactor is not required. Beyond that regularly avoided dead zones and pressure loss minimized. Dead zones increase the dwell time of the Resources, and can become undesirable Side reactions in the reaction zone or to form local Lead temperature peaks.
Ein bevorzugter Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Verteilerstrukturen betrifft alle zur Brenngaserzeugung für den mobilen Einsatz der Brennstoffzelle enthaltenen Mikrostrukturreaktoren. Neben der Anwendung für die Mikrostrukturreaktoren der Shiftstufen und Katalytbrenner, können die Verteilerstrukturen für Brennstoffzellen, z. B. der Zuführungskanal für bipolare Platten entsprechend ausgestaltet werden. Bei mit Katalysator beschichteten Reaktoren resultiert aus der verbesserten Katalysatorausnutzung ein geringeres Bauvolumen, und es wird eine Verringerung der thermischen Masse der Reaktoren erreicht. Die Kosten für die Mikrostrukturreaktoren werden reduziert. Eine Abnahme der Herstellungskosten der einzelnen Aggregate eines Systems zur on-board- Brenngaserzeugung ist wegen des erheblichen Anteils an den Gesamtkosten besonders vorteilhaft. A preferred application of the invention Distribution structures affect all of the fuel gas generation included for mobile use of the fuel cell Microstructured reactors. In addition to the application for the Microstructure reactors of the shift stages and Catalytic burner, can use the distribution structures for Fuel cells, e.g. B. the feed channel for bipolar plates be designed accordingly. With a catalyst coated reactors results from the improved Catalyst utilization a smaller volume, and it will reduce the thermal mass of the Reactors reached. The cost of that Microstructure reactors are reduced. A decrease in Manufacturing costs of the individual units of a system for on-board Fuel gas generation is due to the substantial proportion the total cost is particularly advantageous.
Aus einer Reduktion des Volumens resultiert auch eine Erhöhung der inhärenten Sicherheit, da nur eine geringe Menge an Betriebsmittel als Hold-up gespeichert ist. Dementsprechend kann im Falle einer Leckage auch nur eine geringe Menge Betriebsmittel austreten. A reduction in volume also results in a Increase the inherent security, since only a small one Amount of equipment is stored as a hold-up. Accordingly, in the event of a leak, only leak a small amount of equipment.
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