DE10221016A1

DE10221016A1 - Reaktor

Info

Publication number: DE10221016A1
Application number: DE2002121016
Authority: DE
Inventors: Thomas Esser; Oliver Ewinger; Marco Lippert; Eugen Obermayr; Joachim Ruck
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Reaktor, der eine Mehrzahl von im wesentlichen beabstandet zueinander, parallel angeordneten Platten mit Reliefstrukturen umfaßt, so daß Plattenpaare entstehen, die wenigstens einen ersten Medienraum mit einem ersten und einem zweiten Medienraum mit einem zweiten Fluidströmungsweg bilden, wobei jeder durch die Platten begrenzte erste und zweite Medienraum eine Fluideinström- und eine Fluidausströmöffnung aufweist, wobei wenigstens eine erste Fluidzuführungseinheit dem ersten Medienraum und eine zweite Fluidzuführungseinheit dem zweiten Medienraum zugeordnet ist und die ersten und zweiten Fluidzuführungseinheiten für die Zufuhr unterschiedlicher Fluide vorgesehen sind, die mit jedem zugeordneten Medienraum in Kontakt stehen. Die Medienräume der Plattenpaare und/oder die durch die Kombination der Plattenpaare X und Y entstehenden Medienräume sind durch mit den Platten materialschlüssig verbundene Abstandshalter voneinander beabstandet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 14.
Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher, finden vielfach Einsatz in der Verfahrenstechnik. Derartige Wärmetauscher, basieren auf dem Prinzip, zwei unterschiedlich temperierte Fluide in thermisch leitender Verbindung, jedoch räumlich voneinander getrennt, strömen zu lassen. Die Fluide können dabei in Gegenrichtung, parallel oder überkreuz strömen. Als Fluide werden meist Flüssigkeiten oder Gase eingesetzt.
Die am häufigsten vorkommende Wärmetauscherform besteht dabei aus einer Mehrzahl von beabstandet zueinander, im wesentlichen parallel angeordneten Platten. Zwei dieser Platten mit entsprechenden Dichtungselementen bilden einen Strömungsraum, in dem ein Fluid strömen kann. In den meisten Fällen ist mindestens eine Fläche einer derartigen Platte reliefartig strukturiert. Damit wird der Strömungsweg verlängert, hohe Strömungsturbulenzen ausgebildet und die wirksame Oberfläche für die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe vergrößert. Derartige Strömungsräume sind entweder einzeln auf- oder nacheinander angeordnet. Eine Aufeinanderfolge verschieden strukturierter Platten, bei denen jede Platte zugleich die Funktion einer Ober- und einer Unterseite eines Strömungsraums übernimmt, ist am weitesten verbreitet.
So offenbart die EP 0 805 328 A2 ein Strömungsmodul, umfassend eine Mehrzahl von Plattenelementen (1.1-1.17), wobei von den beiden jeweils sich gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Plattenelemente (1.1-1.4, 1.6, 1.8, 1.9, 1.11-1.15, 1.17) mindestens eine Plattenelementoberfläche eine geradlinig parallel ausgebildete Profilierung (20) aufweist, so daß zwischen benachbarten Plattenelementen Strömungsräume aus einer Mehrzahl geradliniger, paralleler Strömungskanäle (30) gebildet werden, die über Zu- und Abfuhrkanäle alternierend mit einem ersten und einem zweiten Fluid beschickt werden können. Dabei sind die Zu- und Abfuhrkanäle durch miteinander fluchtende Durchbrechungen (8, 9, 10, 11) in den Plattenelementen (1.1-1.17) gebildet. Für die Abdichtungen von Strömungsräumen und Zu- und Abfuhrkanälen sind Dichtungen (5) vorhanden, und die Durchbrechungen (8, 9, 10, 11) für die Zu- und Abfuhrkanäle erstrecken sich im wesentlichen über den gesamten Bereich der Profilierung (20), so daß ein ausgeprägter Zu- und Abführraum gebildet ist. In den Durchbrechungen (8, 9, 10, 11) für die Zu- und Abfuhrkanäle sind mehrere Stege (22) zur mechanischen Stabilisierung angeordnet, wobei in profilierten Plattenelementen diejenigen Stege, welche im Einlaufbereich oder Auslaufbereich der Profilierung angeordnet sind, unterhalb der Plattenelementoberfläche (21) enden.
In der WO 0052411 ist ein Plattenwärmetauscher offenbart, der geeignet ist zu einem gleichzeitigen Wärmetransfer zwischen zwei Strömungsmitteln, die unterschiedliche Temperaturen haben. Der Plattenwärmetauscher umfasst ein Wärmetauscherelement (2), das aus zwei Platten besteht, die sich gegenüberliegen, dergestalt, daß ein abgedichteter Innenraum gebildet wird, der als ein Strömungsweg für ein erstes Strömungsmittel dient, und er umfasst eine Plattenoberfläche einer Platte, die als eine Wärmetauscheroberfläche fungiert, und ein Strömungsmittel, das entlang einer äußeren Oberfläche einer Platte fließt, welches ein zweites Strömungsmittel bildet. Der Plattenwärmetauscher umfasst ein Wärmetauscherelement (2'), das aus zwei Platten besteht, die sich gegenüberliegen, dergestalt, daß ein abgedichteter Innenraum gebildet wird, der als ein Strömungsweg für ein drittes Strömungsmittel dient, und er umfasst eine Plattenoberfläche einer Platte, die als eine Wärmetauscheroberfläche fungiert, und ein Strömungsmittel, das entlang einer äußeren Oberfläche einer Platte fließt, welches ein viertes Strömungsmittel bildet. Eine Vielzahl an Wärmetauscherelementen (2) und (2') folgen abwechselnd aufeinander in bestimmten Abständen, derart, daß sich die Plattenoberflächen der Platten einander gegenüberstehen und ein vorbestimmter Spalt zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen gebildet ist. Verteilerröhren, die mit den Innenräumen der Wärmetauscherelemente (2) bzw. (2') verbunden sind, werden mit jedem einzelnen Element fest an den Plattenoberflächen der Wärmetauscherelemente (2) und (2') angeformt.
Es ist ebenfalls bekannt, die Zuführung des oder der Fluide oder Strömungsmittel durch Durchzüge in den einzelnen Platten vorzunehmen. Durch eine Aufeinanderfolge der mit Durchzügen versehenen Platten entstehen Kanäle, die die einzelnen Module untereinander verbinden und über die die Fluidzufuhr erfolgt. Eine Kontrolle der Fluidzufuhr und der Strömungsturbulenzen in jedem einzelnen Modul ist allerdings nicht möglich. Weiterhin ist die dichte Verbindung der Durchzüge untereinander problematisch, falls Anforderungen hinsichtlich einer erhöhten Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit der Module gestellt werden. Diesen Anforderungen werden oftmals nur geschweißte Verbindungen der innen angebrachten Durchzüge gerecht. Die internen Schweißnähte sind jedoch nach dem Zusammenbau des Wärmetauschers einer Nachbearbeitung bzw. einer Reparatur ohne Zerstörung des Wärmetauschers nicht mehr zugänglich. Da diese Schweißnähte oft fehlerhaft sind, führt dies zu einer hohen Ausschußquote bei der Herstellung derartiger Wärmetauscher. Weiterhin ist auch die Geometrie der einzelnen Module, insbesondere deren Höhe, durch die fertigungstechnisch beschränkte Höhe der Durchzüge begrenzt. Dies kann bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei einer Reformierungseinheit oder einer selektiven Oxidationseinheit in Brennstoffzellensystemen, von Nachteil sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Reaktor zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Als "Fluid" wird ein Medium definiert, dessen Fließfähigkeit dem Exponentialausdruck e^- ^Δ ^E/RT proportional ist, wobei ΔE die Energie ist, die überwunden werden muß, damit das Medium fließt. Darunter fallen beispielweise die meisten Flüssigkeiten, Gase oder auch in einem beliebigen Medium fein verteilte Partikel von Festkörpern.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Die Figuren zeigen:
Fig. 1a eine Ausführungsform einer Platte eines erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 1b Ausführungsformen einer Medienzuführung eines erfindungsgemäßen Reaktors über externe Kanäle
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Medienraumes 1 und eines Medienraumes 2 mit Abstandshalter in einem erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 4 eine Ausführungsform einer Platte eines erfindungsgemäßen Reaktors mit definierter Oberflächengeometrie und mit Abstandshalter angeordnet an den jeweiligen Knotenpunkten zweier gegeneinander gerichteter Wellen
Fig. 5a eine Ausführungsform einer geraden Öffnung für die Medienzuführung in den Medienraum 1 eines erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 5b eine Ausführungsform einer gewölbten, an das Abstandsmittel angepaßte Öffnung für die Medienzuführung in den Medienraum 1 eines erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 6 eine Ausführungsform einer mittig im Abstandsmittel angeordneten Öffnung für die Medienzuführung in den Medienraum 2 eines erfindungsgemäßen Reaktors
Fig. 7 eine Ausführungsform einer Platte mit Prallblech eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Umlenkung des Eintrittsimpulses eines Fluids
In Fig. 1a ist eine rechteckige Platte 3 eines erfindungsgemäßen Reaktors dargestellt. Das Material der Platte ist frei wählbar und kann beispielsweise einen metallischen oder einen keramischen Werkstoff umfassen. Ersteres ist im Hinblick auf die industrielle Serienfertigung von derartigen Platten (Halbzeugen) und deren Nachbearbeitung bevorzugt. Auch wird das Anschweißen einer externen Fluidzuführungseinheit 4 vereinfacht. Die Plattengeometrie ist frei wählbar, so daß wie in Fig. 1b dargestellt, auch rechteckige Platten mit abgerundeten oder abgeschnittenen Ecken oder in Form anderer geometrischer Körper verwendet werden können. Beispielsweise ist eine ovale Plattenform im Hinblick auf ihren Raumbedarf und der auf sie einwirkenden Betriebskräfte, wie Drücke, thermische Spannungen usw., besonders vorteilhaft. Auch die Dicke der Platte ist im Hinblick auf den jeweiligen Einsatzzweck beliebig.
Eine Oberfläche der Platte 3 weist eine dreidimensionale Reliefstruktur 5 zur Vergrößerung der mit dem Fluid in Kontakt kommenden Oberfläche auf. Die Reliefstruktur 5 kann dabei entsprechend Fig. 1a ausgeführt sein, aber es werden auch mäandrierende, regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen verwendet. Wichtig ist nur, daß der angestrebte Zweck der Oberflächenvergrößerung und der Kontrolle der Strömungsgeometrie und -turbulenzen erreicht wird. Selbstverständlich können auch beide Oberflächen einer derartigen Platte 3 mit einer Reliefstruktur 5 zur Erzeugung der Turbulenz versehen sein. An der Außenseite der Platte 3 sind vier Fluidzuführungseinheiten 4, beispielsweise in Form gefalzter Bleche, angeordnet. Die Fluidzuführungseinheiten 4 können auch anders, beispielsweise als Rohrsegmente, ausgestaltet sein. Dies ist jedoch von den physikalischen Strömungs- und Fließeigenschaften des Fluids und der Form des aus derartigen Platten 3 hergestellten Reaktors abhängig. Wie aus Fig. 1b ersichtlich, lassen sich die Fluidzuführungseinheiten an unterschiedlichen Stellen des Reaktors anbringen, je nach geometrischer Form der Platte, die runde, ovale, drei- und mehreckige Formen annehmen kann. Die Fluidzuführungseinheiten 4 sind so an den Platten angeordnet, daß sich im wesentlichen ein annähernd rechteckiger Querschnitt des Reaktors ergibt zur besseren Raumnutzung. Das Material der Platten ist beliebig wählbar und den jeweiligen Einsatzanforderungen angepaßt. Aufgrund der leichten Formbarkeit und Nachbearbeitungsmöglichkeiten sowie der späteren Befestigung des externen Fluidzuführungssystems sind jedoch Platten aus Metall bzw. Metallegierungen besonders vorteilhaft.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors 6. Dieser besteht aus einer Mehrzahl von im wesentlichen beabstandet zueinander, parallel angeordneten Platten mit Reliefstrukturen. Deren Form und Material ist unter Fig. 1a, b beschrieben. Durch die Abfolge der beabstandet zueinander angeordneten Platten entstehen Plattenpaare X, Y, die wenigstens einen ersten Medienraum 1 mit einem ersten und einen zweiten Medienraum 2 mit einem zweiten Fluidströmungsweg bilden, wobei jeder durch die Platten 3 begrenzte erste und zweite Medienraum 1, 2 eine Fluideinström- und eine Fluidausströmöffnung aufweist, wobei wenigstens eine erste Fluidzuführungseinheit 4 dem ersten Medienraum 1 und eine zweite Fluidzuführungseinheit 4 dem zweiten Medienraum 2 zugeordnet ist und die ersten und zweiten Fluidzuführungseinheiten 4 für die Zufuhr unterschiedlicher Fluide vorgesehen sind, die mit jedem zugeordneten Medienraum 1, 2 in Kontakt stehen.
Ebenso können Mittel zur Temperatureinstellung, beispielsweise Heizelemente, an einer Fluidzuführungseinheit 4 vorgesehen sein. So kann ein Fluid den Medienräumen 1, 2 mit unterschiedlicher Temperatur zudosiert werden.
Bevorzugt ist die Fluidzuführungseinheit mit den Platten starr verbunden. So wird bevorzugt eine geschweißte Befestigung realisiert, obwohl selbstverständlich auch eine andere, dem Fachmann bekannte, Befestigungsart realisiert werden kann. Die Befestigung mittels Schweißen ist dann bevorzugt, wenn der Reaktor einer besonders hohen Temperatur- und Korrosionsbeanspruchung standhalten muß.
Die Fluidzuführungseinheiten (4) werden als ein weiterer Vorteil von außen aufgesetzt und längsgeschweißt. Sie werden seitlich senkrecht an die Platten 3 über mehrere Medienräume 1, 2 hinweg angeschweißt. Sie fungieren als eine Art Spannband oder Zuganker. Das externe Anbringen dieser Fluidzuführungseinheiten hat somit zum Vorteil, daß weniger Fertigungsschritte bei der Herstellung des Reaktors vonnöten sind, da keine Durchzüge während des Aufstapelns der Platten 3 mehr geschweißt werden müssen, wie bei in die Platten integrierten Fluidzuführungseinheiten. Vorteilhafterweise sinkt damit die Fertigungszeit eines erfindungsgemäßen Reaktors und ermöglicht durch die weitgehende Automatisierung des Verfahrens erheblich verkürzte Fertigungszeiten. Auch wird eine eventuelle Nacharbeit oder Reparatur wesentlich vereinfacht, da sämtliche Schweißnähte von außen leicht zugänglich sind. Desweiteren verringert sich bei gleicher Nutzfläche des Reaktors die Länge der auszuführenden Schweißnähte. Die externen Fluidzuführungseinheiten ermöglichen außerdem eine flexible Anordnung der Ein- oder Ausgangsanschlüsse: auf den Stirnseiten des Reaktors, seitlich oder mittig. Die Fluidzuführungseinheiten können beispielsweise als Doppel-U-Strömer ausgeführt sein. Die Art der Anströmung beeinflußt die Gleichverteilung des Fluids über verschiedene Räume.
Jede Fluidzuführungseinheiten (4) kann nicht dargestellte Dosiermittel aufweisen, die in Kontakt mit der Fluideintrittsöffnung eines Medienraumes 1, 2 stehen. Derartige Dosiermittel sind beispielsweise Bohrungen, Düsen, Klappen oder ähnliche Vorrichtungen, über die die Menge des zuzuführenden Fluids dosiert werden kann.
In den Fluideinström- und Fluidausströmöffnungen der Fluidzuführungseinheiten (4) können außerdem nicht dargestellte Filter angeordnet werden. Dies können sogenannte integrierte Filter sein, d. h. sie sind materialschlüssig mit den Zuführeinheiten verbunden, zur Aufnahme von Verunreinigungen im System, beispielsweise von Katalysatorstaub oder anderen im System vorhandenen Partikeln. Es können mehrere Filterlagen mit unterschiedlicher Porengröße zum Aufnehmen von unterschiedlichen Partikelgrößen Einsatz finden, um einen Austrag der Partikel aus den Komponenten oder ein Eintreten unerwünschter Stoffe zu vermeiden. Außerdem dienen sie zur Zurückhaltung der Katalysatorpellets des Medienraums 2. Als Filter können Vliese, Drahtgestricke, Gitter, Schäume oder poröse Materialien aus metallischen oder keramischen Werkstoffen dienen. Ist eine chemische Reaktion in den Zuführungseinheiten erwünscht, so läßt sich diese durch eine katalytische Beschichtung der Filter erreichen.
Wie auch in Fig. 3 dargestellt, definiert der Abstand innerhalb eines Plattenpaares X oder innerhalb eines Plattenpaares Y einen Medienraum 1, in dem ein Fluid strömen kann; der Abstand zwischen den Plattenpaaren X und Y wird als Medienraum 2 bezeichnet, in dem ein weiteres Fluid strömen kann. Zumindest eine Fläche eines jeden Plattenpaares X, Y ist reliefartig strukturiert. Dies hängt jedoch, wie vorstehend erläutert, von der Wahl der jeweiligen Platte 3 ab.
Wie in Fig. 3 ausgeführt, können die Medienräume 1 der Plattenpaare X, Y und/oder die durch die Kombination der Plattenpaare X und Y entstehenden Medienräume 2 durch mit den Platten 3 materialschlüssig verbundene Abstandshalter 7 voneinander beabstandet sein.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Abstandshalter 7 der Platten 3 sind bevorzugt in dem Medienraum 2 mit dem größeren Raumvolumen angeordnet.
Während die die Medienräume 1 einschließenden Platten sich an der Welle berühren, sofern sie keine Abstandshalter aufweisen, weisen die die Medienräume 2 definierenden Platten einen durch Abstandshalter 7 abgestützten Zwischenraum auf, der vorzugsweise bei Verwendung des Reaktors in einem Brennstoffzellensystem als Reformerraum Verwendung findet. Das Volumen der Medienräume ist unterschiedlich und kann durch die Höhe der Abstandshalter eingestellt werden. Bei der Ausbildung des Reaktors als Reformer/Selox-Einheit in einem bevorzugten Brennstoffzellensystem ist das Volumen des Reformerraums größer, zum einen um die Befüllbarkeit von außen mit Katalysatorpellets zu erleichtern, zum anderen um die Katalysatormenge pro Raum zu erhöhen. In dem bevorzugten Brennstoffzellensystem wird der erfindungsgemäße Reaktor eingesetzt, um in dem Reformer-Teil wasserstoffreiches Reformat aus einem Kraftstoff zu gewinnen, während in dem Selox-Teil der etwaige Kohlenmonoxidanteil im Reformat selektiv oxidiert wird. Die dabei entstehende Abwärme unterstützt die endotherme Reformierungsreaktion im Reformer. Die Höhe des Reformerraums beeinflußt dabei den Wärmeeintrag in die Katalysatorschüttung. Die Höhe wurde dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß bei möglichst wenigen Platten, die jedoch durch große Raumhöhe voneinander beabstandet waren, ein homogener Wärmeeintrag und somit eine gute Katalysatorausnutzung gewährleistet ist.
In der schematischen Darstellung von Fig. 4 weisen die Platten 3 Reliefstrukturen 5, bevorzugt Wellenstrukturen, auf, bei denen an den jeweiligen Knotenpunkten zweier gegeneinander gerichteter Wellen Abstandshalter 7 vorgesehen sind. Diese können im Wellental oder auf dem Wellenkamm angeordnet sein. Diese Position ist aufgrund des lokalen Umformgrades der Platte besonders vorteilhaft. Als Reliefstruktur ist hier das sogenannte Fischgrätmuster besonders bevorzugt.
Diese Abstandshalter 7 sind durch im wesentlichen kegelstumpfförmige Ausformungen der Platten (3) gebildet.
Um die Platten gegeneinander abzustützen, sind die Abstandshalter 7 auf der jeweiligen Platte 3 so positioniert, daß sie sich gegenseitig berühren. Die in den Berührungspunkten lose aufeinanderliegenden Platten können sich somit bei thermischen Spannungen frei bewegen.
Um eine symmetrische Verteilung der Abstandshalter 7 zu erreichen, wurde zunächst bei der vorzugsweisen Verwendung von ovalen Platten der Winkel des bevorzugt verwendeten Fischgrätmusters rechnerisch festgelegt. Die optimale Verteilung und Anordnung der Abstandshalter wurde mittels FEM-Analysen ermittelt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung auf der Platte und einer geringeren Deformation des Reaktors unter Last. Durch diese Abstandshalter 7 werden die üblicherweise verwendeten Einlegestrukturen wie z. B. Spacer, eingespart. Die Montagevorgang der verwendeten Einlegestruktur entfällt somit vorteilhafterweise ebenfalls. Die Form des Reliefmusters, besonders bevorzugt des Fischgrätmusters, und die Lage der Abstandshalter werden so aufeinander abgestimmt, daß sowohl die erwünschten strömungstechnischen Eigenschaften als auch eine günstige Spannungsverteilung erreicht werden.
Die jeweiligen Plattenpaare X und Y, die für sich jeweils einen Medienraum 1 bilden, sind am Außenumfang durch Abstandsmittel 8, beispielsweise durch zusätzliche Strömungssysteme, Platten, Distanzringe usw. voneinander beabstandet und vollverschweißt und bilden hierdurch einen Medienraum 2. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Abstandsmittel 8 als Gehäuseteil, die zusammen mit den Endplatten des Reaktors die im Bauteil auftretenden Kräfte aufzunehmen vermögen.
Fig. 5a, b und Fig. 6 zeigen, daß im Abstandsmittel 8 selbst Aussparungen 9, 10 für Fluideinström- und Fluidausströmöffnungen beider Medienräume 1, 2 vorgesehen sind. Beim Einsatz des Reaktors im Bereich Brennstoffzellen kann er als Reformer/Selox-Einheit ausgebildet sein. Die in Fig. 5a und b gezeigten Öffnungen 9 werden bevorzugt im Bauteil der selektiven CO- Oxidation, die in Fig. 6 gezeigten Öffnungen 10 bevorzugt im Bauteil des Reformers verwendet.
Fig. 5a zeigt Plattenpaare X und Y, wobei jeweils eine Platte eines Paares eine im wesentlichen gerade verlaufende Ausbuchtung zeigt, die sich der Aussparung im Abstandsmittel 8 anpassen soll. Beim Schweißen jedoch verstärkt sich durch die Wärmedehnung der Spalt zwischen Abstandsmittel 8 und Platte, wie in Fig. 5a demonstriert.
In Fig. 5b wird eine gebogene und während des Prägevorgangs ausgeformte Platte verwendet, wobei die Platte 3 eine Ausbuchtung, vorzugsweise linsenförmig, aufweist. Sie ist somit beim Schweißen durch Wärmedehnung vorteilhafterweise selbstspannend und paßt sich der Aussparung im Abstandsmittel 8 an. Dies erhöht zum einen die Fertigungssicherheit beim Schweißen und reduziert zum anderen auf einfache Weise die Nacharbeit beim Schweißen.
Außerdem weisen die Platten, die vorzugsweise als Seloxeinheit Verwendung finden, wie in Fig. 7 gezeigt, im Eingangsbereich ihrer Öffnungen 9 Verteiler- und Sammelkanäle 12 auf, mit deren Hilfe das Fluid gleichmäßig über die Breite der Platte verteilt wird. Besonders homogen wird die Verteilung durch Einprägung einer erhabenen Struktur 13 im Eingangsbereich zur Strömungsführung. Die Strömung sieht diese Struktur als eine Art Wand und läuft daran vorbei. Das heißt, daß hinter der Fluideinströmöffnung des Medienraumes 1 in den Platten eingangsseitig ein sogenanntes Prallblech 13 zur Strömumgsleitung vorgesehen ist, welche das eintretende Fluid in eine Richtung senkrecht zur Eintrittsrichtung ablenkt. Das Fluid wird dadurch bereits beim Eintritt durch die Öffnung über die gesamte Breite der Platte verteilt.
Die durch die Kombination der Plattenpaare X und Y entstehenden Medienräume 2, die durch das Abstandsmittel 8 begrenzt sind, weisen die in Fig. 6 gezeigte Öffnung 10 auf, die vorzugsweise als Reformeröffnung Einsatz findet. Die Positionierung der Öffnung 10 in der Mitte des Abstandsmittels 8 ermöglicht einen kontinuierlichen Schweißvorgang ohne Absetzen, wie die in Fig. 6 gezeigten Schweißbahnen 11 demonstrieren.
Die Integration der Öffnungen sowohl im Abstandsmittel als auch in den jeweiligen Platten ermöglichen in äußerst vorteilhafterweise einen vereinfachten Aufbau: die Platten, Abstandsmittel und Endplatten werden zuerst komplett gestapelt und dann geschweißt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer reduzierung der Schweiß- und letztendlich der Fertigungszeiten. Die eventuelle Nacharbeit aller Verbindungen am Bauteil wird dadurch ebenfalls ermöglicht. Die Verwendung von vorzugsweise ovalen Platten führt ebenfalls zu einer höheren Schweißgeschwindigkeit bei kontinuierlicher Schweißung und daher ebenfalls zu einer Reduzierung der Schweißzeit, da der Schweißroboter nicht wie bei (recht)eckigen Teilen absetzen oder stark beschleunigen und bremsen muß.
Der Reaktor selbst ist durch Endplatten begrenzt, die als Abschlußteil des Reaktors dienen. Die Endplatten haben eine Art selbsttragende Funktion, sie nehmen die im Bauteil auftretenden Kräfte auf und leiten diese auf die Abstandsmittel ab. Damit werden die Abstandsmittel zu einem Teil des Gehäuses. Die Endplatten sind dabei materialschlüssig im Kraftfluß der Abstandsmittel mit dem Reaktor verbunden.
Der erfindungsgemäße Reaktor findet beispielsweise Anwendung in Brennstoffzellensystemen zur Wärmeübertragung zwischen exothermen und endothermen Reaktionen, die auf katalytischem Wege im Reaktor erfolgen, beispielsweise in Gaserzeugungseinheiten, wie etwa einem Reformer und/oder einer selektiven CO- Oxidationseinheit.

Claims

1. Reaktor (6), der eine Mehrzahl von im wesentlichen beabstandet zueinander, parallel angeordneten Platten (3) mit Reliefstrukturen (5) umfaßt, so daß Plattenpaare (X, Y) entstehen, die wenigstens einen ersten Medienraum (1) mit einem ersten und einen zweiten Medienraum (2) mit einem zweiten Fluidströmungsweg bilden, wobei jeder durch die Platten (3) begrenzte erste und zweite Medienraum (1, 2) eine Fluideinström- und eine Fluidausströmöffnung aufweist, wobei wenigstens eine erste Fluidzuführungseinheit (4) dem ersten Medienraum (1) und eine zweite Fluidzuführungseinheit (4) dem zweiten Medienraum (2) zugeordnet ist und die ersten und zweiten Fluidzuführungseinheiten (4) für die Zufuhr unterschiedlicher Fluide vorgesehen sind, die mit jedem zugeordneten Medienraum (1, 2) in Kontakt stehen und wobei die Medienräume (1) der Plattenpaare (X, Y) und/oder die durch die Kombination der Plattenpaare X und Y entstehenden Medienräume (2) durch mit den Platten (3) materialschlüssig verbundene Abstandshalter (7) voneinander beabstandet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3) Reliefstrukturen (5), bevorzugt Wellenstrukturen, aufweisen, bei denen an den jeweiligen Knotenpunkten zweier gegeneinander gerichteter Wellen Abstandshalter (7) vorgesehen sind.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (7) durch im wesentlichen kegelstumpfförmige Ausformungen der Platten (3) gebildet sind.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (7) auf der jeweiligen Platte (3) so positioniert sind, daß sie sich gegenseitig berühren.

5. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (7) auf den Platten (3) bevorzugt in dem Medienraum (2) mit dem größeren Raumvolumen angeordnet sind.

6. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenpaare (X, Y), die jeweils einen Medienraum (1) bilden, am Außenumfang durch Abstandsmittel (8) voneinander beabstandet sind, und somit einen Medienraum (2) bilden, wobei im Abstandsmittel (8) Aussparungen für Fluideinström- und Fluidausströmöffnungen (9, 10) beider Medienräume (1, 2) vorgesehen sind.

7. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fluideinström- und Fluidausströmöffnungen (9) des einen Medienraumes (1) in den Platten (3) am Außenumfang Wölbungen (14) vorgesehen sind, die den dafür vorgesehenen Aussparungen im Abstandsmittel (8) anpaßbar sind.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Fluideinströmöffnung des einen Medienraumes 1 in den Platten eingangsseitig eine erhabene Struktur (13) zur Strömungsleitung vorgesehen ist, welche das eintretende Fluid in eine Richtung senkrecht zur Eintrittsrichtung ablenkt.

9. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzuführungseinheit (4) seitlich senkrecht an die Platten (3) über mehrere Medienräume (1, 2) hinweg angeschweißt ist.

10. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3) im wesentlichen oval ausgebildet sind.

11. Reaktor nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzuführungseinheiten (4) so an den Platten angeordnet sind, daß sich im wesentlichen ein annähernd rechteckiger Querschnitt des Reaktors ergibt.

12. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fluidzuführungseinheit (4) Dosiermittel angeordnet sind.

13. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fluideinström- und Fluidausströmöffnungen der Fluidzuführungseinheit (4) Filter angeordnet sind.

14. Brennstoffzellensystem mit einem Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.