DE10151519B4 - Reaktor für eine katalytische Reaktion - Google Patents

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Abstract

Reaktor für eine katalytische Reaktion eines Ausgangsstoffgemischs, welches zumindest Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufweist, insbesondere in einem Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzellenanlage, in Stapelbauweise, mit mehreren wenigstens einen Katalysator aufweisenden Bereichen, wobei ein Einströmbereich (2), der den Katalysator aufweisende Bereich (5) und ein Ausströmbereich (3) jeweils abwechselnd angeordnet sind, und wobei zwischen dem Einströmbereich (2) und dem den Katalysator aufweisenden Bereich (5) und zwischen dem Ausströmbereich (3) und dem den Katalysator aufweisenden Bereich (5) jeweils ein durchströmbares Material (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das durchströmbare Material (4) als poröses Material ausgebildet ist, und dass das poröse Material (4) in dem Ausströmbereich (3) eine katalytische Beschichtung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reaktor für eine katalytische Reaktion eines Ausgangsstoffgemischs, welches zumindest Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufweist.
  • Aus der DD 70 071 ist eine Vorrichtung zur Adsoption von gasförmigen Verunreinigungen und Lösungsmitteldämpfen bekannt, welche mehrere das Adsorbens aufweisende Bereichen zeigt. Dabei sind ein Einströmbereich, der das Adsorbens aufweisende Bereich und ein Ausströmbereich jeweils konzentrisch zueinander abwechselnd angeordnet. Zwischen den Bereichen ist ein durchströmbares Material, in Form eines Lochblechs, als Trennung zwischen den Bereichen angeordnet.
  • Ein konstruktiv ähnlicher Aufbau ist auch in der US 3,733,181 beschrieben. Dieser dient zur Katalytischen Abgasbehandlung.
  • Vorrichtungen bzw. Reformer zur partiellen Oxidation von Ausgangsstoffen, beispielsweise von einem Ausgangsstoffgemisch, welches Kohlenstoff, Wasserstoff und Wasser aufweist, zu einem wasserstoffreichen Re format, sind aus der DE 199 07 665 A1 bekannt.
  • Dabei ist gemäß einer der dort dargestellten Ausführungsformen eine Vorrichtung bzw. ein Reformer beschrieben, welcher als Stapelreaktor ausgebildet ist. Der Stapelreaktor besteht aus einzelnen aufeinandergestapelten Katalysatorschichten. Die einzelnen Katalysatorschichten sind durch ein Verpressen von Katalysatormaterial zu dünnen, großflächigen und stark komprimierten Schichten geformt.
  • Derartige Stapel- bzw. Scheibenreaktoren weisen jedoch einige Nachteile auf. Die Herstellung der Scheiben aus dem Katalysatormaterial ist vergleichsweise aufwendig und teuer. Scheiben, welche ausschließlich aus dem Katalysatormaterial bestehen, haben sehr schlechte mechanische Eigenschaften. Um dies zu verbessern wird dem Katalysatormaterial deshalb ein weiteres Trägermaterial beigemengt. Durch diese Kombination von Trägermaterial und Katalysatormaterial verschlechtert sich jedoch das Verhältnis des Katalysators im Verhältnis zur Gesamtmasse des Reaktors.
  • Außerdem sind derartige poröse und aus dem Katalysatormaterial, gegebenenfalls unter Beisein eines weiteren Trägermaterials, verpreßte Scheiben über die Betriebsdauer eines derartigen Reaktors sehr stark von Setzungsprozessen betroffen. Durch das Setzen der Scheiben kommt es jedoch sehr häufig zu Dichtungsproblemen in derartigen Reaktoren, so daß diese häufig gewartet werden müssen.
  • Aus der JP 52-23572 A2 ist ein Reaktor bekannt, bei dem ein Einströmbereich, ein Bereich mit einer katalytischen Wirkung sowie ein Ausströmbereich jeweils nebeneinander angeordnet sind.
  • Die DE-PS 927 349 beschreibt ein Verfahren zur Raffination von Mineralölen und Teeren, bei dem wasserstoffhaltige Gase katalytisch hydriert werden.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung die oben genannten Nachteile zu vermeiden und einen Reaktor zu schaffen, welcher eine gute Gleichverteilung der einströmenden Ausgangsstoffgemische bei sehr guter Raumausnutzung und sehr hohem Katalysatoranteil an dem Volumen und der Masse des Reaktors liefert, und über einen langen Zeitraum sicher und zuverlässig betrieben werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die konsequente Trennung des porösen Materials, welches durch den in ihm erzeugten Druckverluste, und die ein- und ausströmenden Medien ideal über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche gleichmäßig verteilt, und dem Bereich mit dem Katalysator, ergeben sich erhebliche Vorteile. Die mechanischen Eigenschaften der porösen Platten, welche beispielsweise aus Keramik oder Metall sein können, sind sehr gut. Sie sind relativ stabil, unanfällig gegenüber Setzungsprozessen, Vibrationen oder dergleichen. Das einströmende Ausgangsstoffgemisch verteilt sich durch die Porosität ideal über die gesamte Oberfläche des porösen Materials und gelangt dann gleichmäßig verteilt in den Bereich, welcher den Katalysator aufweist.
  • Da der Bereich, welcher den Katalysator aufweist, zwischen den porösen Materialien angeordnet ist, müssen an diesen Bereich keine hohen Anforderungen hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaft gestellt werden. Damit wird es möglich in diesem Bereich sehr viel Katalysator anzuordnen, beispielsweise als Schüttung von Katalysatorpulver oder Granulat, als in schaumartige Materialien eingerüttelter Katalysator oder dergleichen.
  • Der erfindungsgemäße Reaktor bietet daher erhebliche Vorteile durch seinen einfachen Aufbau und die vergleichsweise geringen Herstellungskosten. Durch das unkritische Setzverhalten des Aufbaus sind Probleme mit der Dichtheit oder dergleichen in besonders vorteilhafter Weise nicht zu erwarten. Aufgrund des Stapelaufbaus ist außerdem eine leichte Skalierbarkeit, also die leichte Anpassung an vorgegebene Lastzustände möglich.
  • Dabei ist der Ausströmbereich bzw. das poröse Material, welches in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Ausströmbereich angeordnet ist, mit einem Katalysator beschichtet. Diese Beschichtung kann beispielsweise aus einem Edelmetall-Katalysator wie Platin oder dergleichen erfolgen. Dadurch können weitere Prozesse in den Reaktor integriert werden, beispielsweise eine selektive Oxidation im Bereich dieses Platinkatalysators.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß der mit dem Katalysator beschichtete Bereich bereits bei sehr niedrigen Tempera turen aktiv sein kann, so daß die Kaltstartfähigkeit und das Anwärmen einer derartigen Komponente durch den Aufbau in besonders vorteilhafter Weise begünstigt wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Bereich der den Katalysator aufweist außerdem als selbsttragende Katalysatorkartusche ausgebildet.
  • Dies bedeutet, daß das Katalysatormaterial beispielsweise durch ein Verpressen oder durch das Einbringen einer Schüttung zwischen zwei Gittern oder dergleichen als selbsttragende Katalysatorkartusche ausgebildet ist. Dieses an sich selbsttragende Teil muß dabei jedoch nicht die Stabilität aufweisen, die es haben müßte, wenn es in einem Scheibenreaktor wie beim Stand der Technik eingesetzt wird. Das Katalysatorpulver kann beispielsweise zwischen zwei dünnen Gittern oder dergleichen verpreßt sein. Sollte sich das Material der Kartusche setzen, so beeinflußt dies den Reaktor in seiner Gesamtheit nicht. Durch die Tatsache, daß die Katalysatorkartusche selbsttragend ist, wird eine sehr leichte Austauschbarkeit des Katalysators erreicht. Die Kartusche kann in dem Reaktor sehr einfach eingeschoben und herausgezogen werden, so daß bei Bedarf ein sehr schneller Wechsel möglich ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
    •
  • Die einzige beigefügte Figur zeigt einen prinzipmäßigen Querschnitt durch einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Reaktors.
  • Der Aufbau gemäß der Erfindung soll nachfolgend anhand eines Reaktors für eine partielle Oxidation eines Wasser-Methanol-Gemischs unter Zugabe von Luft in einem Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzellenanlage beschrieben werden, er soll jedoch weder auf dieses Ausführungsbeispiel noch auf den bevorzugten Einsatzzweck einer derartigen Brennstoffzellenanlage in einem Kraftfahrzeug beschränkt sein. Die Erfindung kann z.B. auch in stationären Brennstoffzellensystemen zur Energieversorgung von Haushalten eingesetzt werden.
  • In der einzigen beigefügten Figur ist ein Reaktor 1 erkennbar, der in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Einströmbereiche 2 und drei Ausströmbereiche 3 aufweist. Die Zuleitung der Ausgangsstoffgemische, beispielsweise ein dampfförmiges Gemisch aus Methanol und Wasser, erfolgt dabei über entsprechende Verteiler in an sich bekannter Weise, und ist deshalb nicht näher dargestellt. Das in die Einströmbereiche 2 einströmende Ausgangsstoffgemisch, welches durch die beiden mit A bezeichneten Pfeile angedeutet ist, gelangt im Einströmbereich 2 zwischen poröses Material 4. Das poröse Material 4 kann, wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als poröse hohle Platte ausgebildet sein, es ist jedoch auch denkbar, daß das poröse Material andere Formengebungen, beispielsweise zwei in einem geringen Abstand zueinander parallel angeordnete poröse Platten oder dergleichen, aufweist, oder etwa gebohrte Bleche, welche mit einem Vlies um kleidet sind. Durch den aufgrund des porösen Materials 4 entstehenden Druckverlust werden sich die einströmenden Ausgangsstoffgemische A gleichmäßig über die Oberfläche des porösen Materials 4 verteilen und durch dieses hindurchströmen. Sie gelangen dann in einen Bereich 5, welcher einen Katalysator aufweist. In diesem Bereich 5 findet dann die gewünschte katalytische Reaktion, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine partielle Oxidation und/oder eine Wasserdampf-Reformierung des Methanols, der Ausgangsstoffgemische A statt. Das dabei entstehende wasserstoffreiche Produktgas gelangt dann in die Ausströmbereiche 3, welche analog zu den Einströmbereichen 2 ebenfalls das poröse Material 4 aufweisen. Das sich im Ausströmbereich 3 sammelnde Produktgas strömt dann gemäß den mit B gekennzeichneten Pfeilen aus den Ausströmbereichen 3 ab und gelangt in einen an sich bekannten und deshalb nicht dargestellten Sammler.
  • Der Aufbau erlaubt nun eine sehr gleichmäßige Verteilung der in den Einströmbereich 2 eintretenden Ausgangsstoffgemische A in die Bereiche 5, welche den Katalysator aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften der Bereiche 5 spielen dabei für den Aufbau, die Dichtigkeit und die Festigkeit des Reaktors 1 praktisch keine Rolle, so daß beim Aufbau der Bereiche 5 sehr variabel vorgegangen werden kann. Dies ermöglicht daher die Optimierung der Bereiche 5 hinsichtlich des in ihnen je Volumeneinheit und/oder je Masseneinheit enthaltenen katalytisch wirksamen Material. Die Bereiche 5 können beispielsweise als katalytische Schüttung oder als Katalysatorkartusche ausgebildet sein. Die besonders günstige Ausführung als Katalysatorkartusche, welche beispielsweise aus leicht verpreßtem Katalysatormaterial oder aus einem schaumartigen Material mit eingerütteltem Katalysator besteht, bietet sehr günstige Eigenschaften, da die Katalysatorkartusche an sich rüttelbeständig und abriebfest ist und da eine sehr gute Wärmeanbindung an das poröse Material 4 erreicht werden kann. Sehr günstig kann es dabei auch sein, wenn die Inhalte der Katalysatorkartusche oder gegebenenfalls auch die Schüttung zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit mit kurzen Metallfasern vermischt ist. Ein Austreten des Katalysators aus den Katalysatorkartuschen bzw. aus dem Bereich 5, ist aufgrund des porösen Materials 4 fast nicht möglich, so daß hier ein sehr sicherer kompakter Aufbau entsteht. Aufgrund der Stapelbauweise des Reaktors 1 läßt dieser sich sehr leicht auf verschiedene Größen skalieren, so daß ein sehr variables und an die jeweiligen Anforderungen sehr leicht anzupassendes System entsteht.
  • Es ist dabei besonders günstig wenn der Aufbau des Reaktors 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, da diese Form insbesondere hinsichtlich des bevorzugten Anwendungsfalls in einem Kraftfahrzeug' sehr vorteilhaft ist, da dann der gemeinsame Einbau mit anderen, meist auch rechteckige Formen aufweisenden Bauteilen leichter möglich wird. Durch das Vermeiden von Toträumen zwischen den einzelnen Bauteilen entstehen hier sehr günstige Eigenschaften hinsichtlich der Möglichkeiten des Packagings eines Gaserzeugungssystems mit dem derartigen Reaktor 1.
  • Um die Festigkeit des porösen Materials 4 weiter zu erhöhen, ist es auch denkbar, daß das poröse Material 4 eine Wellenstruktur oder dergleichen aufweist, so daß die mechanischen Eigenschaften des porösen Materials 4 weiter optimiert werden.
  • In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines Reaktors 1, welcher zur partiellen Oxidation und/oder der Reformierung dient, entsteht als Produktgas ein Gemisch, welches unter anderem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Im allgemeinen ist in einem Gaserzeugungssystem, in dem ein derartiger Reaktor 1 eingesetzt ist, in Strömungsrichtung nach dem Reaktor eine Komponente vorgesehen, welche über eine selektive Oxidation an geeigneten Katalysatoren dieses Kohlenmonoxid zum wenigstens annähernd größten Teil zu Kohlendioxid aufoxidiert, so daß eine gegebenenfalls nachgeschaltete Brennstoffzelle von dem in dem Produktgas enthaltenen Kohlenmonoxid nicht beeinträchtigt wird.
  • Der Reaktor 1 in der hier dargestellten Art erlaubt nun eine derartige selektive Oxidation von Stoffen, insbesondere Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in den Reaktor 1 zu integrieren. Die selektive Oxidation kann dabei als ausschließliche selektive Oxidationsstufe oder gegebenenfalls auch als selektive Oxidationsvorstufe dienen. Dafür kann das poröse Material 4 in den Ausströmbereichen 3 eine entsprechende Beschichtung mit einem Katalysator bzw. einem Edelmetallkatalysator auf Basis von Platin oder dergleichen aufweisen. Zusammen mit Mitteln zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Medium in die Ausströmbereiche 3, welche hier durch die Pfeile C dargestellt sind, kann dann eine selektive Oxidation des in dem Produktgas enthaltenen Kohlenmonoxids zu Kohlendioxid in den Ausströmberei chen 3 erreicht werden.
  • Außerdem können derartige mit Katalysator beschichtete poröse Materialien 4 in den Ausströmbereichen 3, oder gegebenenfalls auch in den Einströmbereichen 2, die Kaltstartfähigkeit des Reaktors 1 erhöhen, da hier Katalysatoren aufgebracht werden können, welche bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen eine sehr hohe Aktivität aufweisen, so daß der Umsatz der Ausgangsstoffgemische sehr schnell erfolgen kann.
  • Der gesamte Aufbau kann, wie bereits oben erwähnt, sehr kompakt realisiert werden, so daß bei einer insgesamt geringen Masse und einem geringen Volumen im Verhältnis zu dem in dem Reaktor 1 enthaltenen katalytisch wirksamen Material auch eine sehr gute thermische Ankopplung der einzelnen Komponenten aneinander erreicht werden kann. Für eine derartige gute thermische Ankopplung der einzelnen Bereiche 2, 3, 5 aneinander könnte es gegebenenfalls sinnvoll sein, das poröse Material 4 nicht aus einem sehr leichten keramischen Werkstoff auszubilden, wie es zur Gewichtsopotimierung sinnvoll wäre, sondern es aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einem gesinterten Metall zu realisieren.
  • Die Wärmeanbindung und die Wärmeleitung durch das poröse Material 4 könnte dadurch weiter verbessert werden, falls dies gemäß den Vorgaben für die Reaktion in dem Reaktor 1 erforderlich ist.

Claims (13)

  1. Reaktor für eine katalytische Reaktion eines Ausgangsstoffgemischs, welches zumindest Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufweist, insbesondere in einem Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzellenanlage, in Stapelbauweise, mit mehreren wenigstens einen Katalysator aufweisenden Bereichen, wobei ein Einströmbereich (2), der den Katalysator aufweisende Bereich (5) und ein Ausströmbereich (3) jeweils abwechselnd angeordnet sind, und wobei zwischen dem Einströmbereich (2) und dem den Katalysator aufweisenden Bereich (5) und zwischen dem Ausströmbereich (3) und dem den Katalysator aufweisenden Bereich (5) jeweils ein durchströmbares Material (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das durchströmbare Material (4) als poröses Material ausgebildet ist, und dass das poröse Material (4) in dem Ausströmbereich (3) eine katalytische Beschichtung aufweist.
  2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (2) und der Ausströmbe reich (3) jeweils als ein Hohlraum in einem als hohle poröse Platte ausgebildeten porösen Material (4) ausgeführt sind.
  3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (C) zur Zufuhr von sauerstoffhaltigem Medium in den Ausströmbereich (3) vorgesehen ist.
  4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (4) aus einem keramischen Material gebildet ist.
  5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (4) aus einem metallischen Material gebildet ist.
  6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (4) eine Wellenstruktur aufweist.
  7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Katalysator aufweisende Bereich (5) als Katalysator-Schüttung ausgebildet ist.
  8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, der den Katalysator aufweisende Bereich (5) als selbsttragende Katalysator-Kartusche ausgebildet ist.
  9. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der den Katalysator aufweisende Bereich (5) ein schaumartiges Material mit eingerütteltem Katalysator aufweist.
  10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der den Katalysator aufweisende Bereich (5) kurze Metallfasern aufweist.
  11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine rechteckige Ausbildung.
  12. Verwendung des Reaktors nach einem der oben angegebenen Ansprüche für eine Brennstoffzellenanlage in einer mobilen Einheit, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
  13. Verwendung des Reaktors nach einem der oben angegebenen Ansprüche für eine katalytische Reaktion eines Ausgangsstoffgemischs, welches zumindest Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufweist.
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