DE19920786B4 - Reaktor und/oder Wärmetauscher in Stapelbauweise - Google Patents

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Abstract

Reaktor und/oder Wärmetauscher in Stapelbauweise, mit Zu- und Abführleitungen für Fluide, mit Materialausnehmungen (6, 7) zum Verringern der Wärmekapazität, mit einer oberen und einer unteren Endplatte (1) sowie mit dazwischen in Stapelbauweise angeordneten, Medienräume (M) bildenden Platten, wobei zumindest eine Endplatte (1) zumindest eine Durchbohrung (5) für eine Medienversorgung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) die Materialausnehmungen (6, 7) aufweist, und in der zumindest einen Durchbohrung (5) der Endplatte (1) eine Hülse (3) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und/oder Wärmetauscher in Stapelbauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In der US 5 015 444 A ist ein Plattenreaktor zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen gezeigt, welcher eine obere und eine untere Endplatte und dazwischen in Stapelbauweise angeordnete Medienräumen aufweist, welche jeweils zumindest durch wärmeleitende Platten voneinander getrennt sind. Beim Einsatz einer solchen Anordnung sind die darin ablaufenden Reaktionen an enge Betriebstemperaturbereiche gekoppelt. Besonders beim Einsatz in mobilen Anwendungen, z.B. Fahrzeugen, welche Brennstoffzellensysteme zum Antrieb aufweisen, sind Temperaturschwankungen und vor allem auch Kaltstartbedingungen bei solchen modularen Plattenaufbauten kritisch.
  • Aus der gattungsbildenden US 5 486 430 A ist eine elektrochemische Brennstoffzelle in Stapelbauweise zur Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser unter Gewinnung elektrischer Energie bekannt. Diese Vorrichtung weist Endplatten mit Zu- und Abführleitungen für Fluide auf, wobei die Endplatten aus einem thermisch isolierenden Kunststoff bestehen.
  • Die EP 0 688 242 B1 beschreibt einen in Stapelbauweise aus einer Mehrzahl von Platten aufgebauten Reaktor, bei dem im Inneren des Reaktors angeordnete Platten zur Bildung von aus evakuierten Kammern bestehenden thermischen Barrieren mit Materialausnehmungen versehen sind. In einer Endplatte des Reaktors sind als Medieneinlass- bzw. Medienauslassleitungen dienende Durchbohrungen vorgesehen, wobei sich die Medieneinlass- bzw. Medienauslassleitungen von den Durchbohrungen der Endplatte durch auf einer Oberfläche der Endplatte angeordnete Anschlussstutzen erstrecken.
  • Aus der DE 1 667 036 A ist eine Vorrichtung zum direkten elektrischen Erhitzen von Gasen oder gasförmigen Stoffen bekannt. Eine Erhitzungszone dieser Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Metallmantel, der mit einer feuerfesten und einer isolierenden Ausmauerung versehen und mit einem Schüttbett aus Graphit, Kohle oder dergleichen gefüllt ist. An einem Ende der Erhitzungszone befindet sich ein perforierter Graphitring, der das Schüttmaterial zurückhält und durch den das aufgeheiz te Gas aus der Erhitzungszone austritt. Gegenüber diesem Gasaustritt ist ein Stutzen vorgesehen, durch den bei Bedarf ein weiteres Gas zugemischt werden kann.
  • Die DE 2 040 562 A offenbart einen Reaktor mit einem Kohlerohr, das koaxial in eine äußere Stahlhülle eingelagert ist. Ein ringförmiger Raum zwischen dem Kohlerohr und der Stahlhülle ist mit Isoliermaterial gefüllt, wobei an dem Reaktor mit dem Kohlerohr verbundene Zugangsöffnungen vorgesehen sind, um Probenahmen und Temperaturmessungen zu ermöglichen.
  • Die DE 2 211 254 A beschreibt einen Heißhaltebehälter mit einem Gehäuse, in dem ein meanderförmig gestaltetes Rohrsystem angeordnet ist. Ein freier Raum zwischen den einzelnen Rohren des Rohrsystems und den Gehäusewänden ist mit Schaumstoff ausgefüllt.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung zu verbessern, insbesondere hinsichtlich ihrer Kaltstarteigenschaften.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Dabei weist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Endplatte eine geringe Wärmekapazität auf, indem bei der zumindest einen Endplatte Materialausnehmungen zum Verringern der Wärmekapazität vorgesehen sind, wobei zumindest eine in der Endplatte vorgesehene Durchbohrung für eine Medienversorgung von einer Hülse umgeben sind.
  • Die geringe Wärmekapazität der zumindest einen Endplatte kann durch die Materialauswahl für die Endplatte oder durch Leichtbauweise der Endplatte weiter verringert werden.
  • Dies hat den Vorteil, daß die zumindest eine Endplatte entweder zumindest thermisch von den Medienräume bildenden Platten entkoppelt ist und/oder dass sich die zumindest eine Endplatte schneller aufwärmt, so daß die in den Medienräumen eine gewünschte Betriebstemperatur sehr schnell einstellen kann. Bei Systemen, bei denen Bauteile mit hoher Wärmekapazität, etwa massiven Endplatten aus Stahl, verbaut werden und die zudem der mechanischen Stützung beim Einbau in eine zu betreibende Vorrichtung bedürfen, wird so der Einfluss der unvermeidbaren thermischen Ankopplung an die mechanischen Stützen verringert. Darüber hinaus ist eine Gewichtsersparnis bei der Vorrichtung erzielbar. Solche Systeme sind vorzugsweise Plattenreaktoren und/oder Wärmetauscher in Stapelanordnung in Brennstoffzellensystemen.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders vorteilhaft für den Einsatz von sogen. Koppelkomponenten, bei denen zwischen einer oberen und einer unteren Endplatte angeordnete, Medienräume bildenden Platten solche Medienräume thermisch miteinander koppeln, in denen eine exotherme Reaktion in einem Medienraum eine endotherme Reaktion im benachbarten Medienraum unterstützt. Ein bevorzugter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet sich bei Gaserzeugungssystemen für Brennstoffzellenanordnungen, z.B. als Koppelkomponenten mit einer Kopplung von Reformer und Kohlenmonoxid-Oxidationseinheit und/oder einer Kopplung von Reformer und katalytischem Brenner. Auch eine Verdampfung oder eine Erhitzung kann im weiteren Sinne als endotherme Reaktion angesehen werden. Als Koppelkomponente im Sinne der Erfindung wird daher auch eine Koppelkomponente mit einer Kopplung von Verdampfer und Kohlenmonoxid-Oxidationseinheit und/oder mit einer Kopplung von Verdampfer und katalytischem Brenner angesehen.
  • Weitere bevorzugte Systeme gemäß der Erfindung weisen eine Kopplung zwischen einer Reaktion in einem Medienraum und einem Wärmeträgermedium zum Kühlen oder Heizen, z.B. Thermoöl, oder auch zwischen zwei Medien, z.B. einem Wärmetauscher auf.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung und
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Leichtbauweise. Eine Endplatte (1) einer Stapelanordnung weist Stege (2) und Hülsen (3) auf, welche auf einer Bodenplatte (4) angeordnet sind. 1a zeigt eine Draufsicht auf die Bodenplatte (4). Im Innern der Hülsen (3) weist die Bodenplatte (4) Durchbohrungen (5) auf, welche zur Medienversorgung von Medien räumen der Plattenanordnung vorgesehen ist. Die Medienräume (M) sind nicht dargestellt; sie entsprechen bekannten Anordnungen von derartigen Stapelanordnungen, bei denen zwischen Endplatten Medienräume (M) bildende Platten angeordnet sind, wie etwa aus der US 5 015 444 .
  • In 1b ist ein seitlicher Schnitt durch die Bodenplatte (4) mit Stegen (2) und Hülsen (3) gezeigt. Zwischen den Stegen (2) sind Materialausnehmungen (6) sowie zwischen den Hülsen (3) und den diese Hülsen (3) umgebenden Stegen (2) Materialausnehmungen (7) in der Endplatte (1) vorgesehen, welche zur Aufnahme von thermisch isolierendem Material (I), vorzugsweise einer Keramik, vorgesehen sein können. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Materialausnehmungen (6 und/oder 7) zur Aufnahme eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Endplatte im Bereich der Durchbohrungen (5), welche von den Hülsen (3) umgeben sind, ohne Materialausnehmungen (7) aus Massivmaterial gebildet. Dies erhöht die Stabilität der Endplatte (1) im Bereich der Durchbohrungen (5).
  • In 1c ist ein weiterer Schnitt durch die Endplatte (1) gezeigt, wobei eine Deckhaut (8) vorgesehen ist, welche auf den Stegen (2) und Hülsen (3) angeordnet ist. Die Endplatte (1) ist damit gegenüber den Medienräumen (M) dicht abgeschlossen. Vorzugsweise weist die Bodenplatte (4) und/oder die Deckhaut (8) Mittel zur Entlüftung und/oder zum Druckausgleich aus, besonders bevorzugt Bohrungen, um eine übermäßige Druckbelastung der Endplatte (1) im Betrieb der Plattenanordnung, etwa als Plattenreaktor, zu vermeiden.
  • Die Materialausnehmungen (6, 7) führen zu einer Materialverminderung verglichen mit einer massiven Endplatte (1), welche dadurch eine geringere Wärmekapazität als eine massive Endplatte (1) aufweist. Zusätzlich kann die Endplatte (1) aus einem Material mit geringer Wärmekapazität gebildet werden.
  • Die Stege (2) und/oder Hülsen (3) können auch wabenförmig ausgebildet sein. Bevorzugt sind zwischen Bodenplatte (4) und Deckhaut (8) Verbindungen angeordnet, die wellenförmig oder in zickzackförmig zwischen den beiden flächigen Begrenzungen Bodenplatte (4) und Deckhaut (8) hin und her laufen. Auch ist es möglich, eine kompakte Endplatte (1) aus mehreren aufeinandergestapelten, parallel zur Bodenplatte (4) verlaufenden Teilplatten zusammenzusetzen, welche ähnlich einer Art von Super isolierung für eine thermische Entkopplung von Umgebung und Medienräumen (M) führen.
  • In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung der Erfindung ist zwischen den Medienräume (M) bildenden Platten und zumindest einer Endplatte (1) ein thermisch isolierendes Material (I) angeordnet, welches die zumindest eine Endplatte (1) vom thermischen Haushalt der Plattenanordnung zumindest teilweise entkoppelt. Das thermisch isolierende Material (I) kann die Endplatte (1) ganz bedecken oder umgeben, oder auch die Endplatte (1) nur bereichsweise, z.B. zumindest bereichsweise die Kontaktfläche zu den Medienräume (M) bildenden Platten, abdecken.
  • Zusätzlich kann eine thermische Isolierung auch auf der Außenseite der Endplatte (1) vorgesehen werden, welche von den Medienräumen (M) abgewandt ist und der Umgebung der Anordnung zugewandt und/oder mit mechanischen Stützen in Kontakt ist. Damit wird zusätzlich ein Wärmeaustrag in oder ein Wärmeeintrag aus der Umgebung vermieden, welche den thermischen Haushalt der Plattenanordnung beeinflussen könnte.
  • Es ist auch möglich, die verschiedenen bevorzugten Ausbildungen der Endplatte (1) miteinander einzeln oder zu mehreren zu kombinieren, selbstverständlich können auch beide Endplatten der Stapelanordnung derartig ausgeführt sein.
  • Das Material der Endplatte und die geometrischen Abmessungen von Hülsen (3) und Stegen (2) können gemäß den Anforderungen der Vorrichtung bei ihrer geplanten Verwendung hinsichtlich der Stabilität, Belastbarkeit, Art der mechanischen Beanspruchung, Druckfestigkeit, Wärmekapazität etc. ausgewählt werden.
  • Um etwa günstige Materialien für die erfindungsgemäße Endplatte in Leichtbauweise auszuwählen, können Strukturwerkstoffe, welche im wesentlichen Zugbeanspruchung ausgesetzt sind, ausgewählt werden, welche dieselbe Streckgrenze und/oder Zugfestigkeit und/oder Bruchfestigkeit aufweisen, wobei als charakteristische Materialeigenschaft das Verhältnis von Elastizitätsmodul E zu Dichte ρ zweckmäßig ist. Damit wird das Leichtbaupotential von Leichtmetallen wie z.B. Titan oder Aluminium, mit schwereren, dafür aber festeren Metallen vergleichbar. So weisen Aluminiumlegierungen nur etwa ein Drittel des Gewichts von Stählen auf, ihr E-Modul verhält sich jedoch ganz entsprechend, so daß die Werte E/ρ bei Raumtemperatur sowohl für Stähle als auch Aluminiumlegierungen sehr ähnlich sind.
  • Bei anderen Arten der Belastung, wie etwa Biegebeanspruchung, sind die Verhältnisse komplizierter, so daß andere charakteristische Materialeigenschaften als E/ρ verwendet werden.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung günstige Leichtbauweise sind z.B. die Differentialbauweise, die Integralbauweise, die integrierende Bauweise und die Verbundbauweise.
  • Bei der Differentialbauweise werden Einzelteile der Endplatte punktuell verbunden, wobei z.B. Deckhaut und Rippen in klassischem Blechbau ausgeführt und durch Nieten, Bolzen und/oder Punkten verbunden sind.
  • Bei der Integralbauweise ist die Endplatte aus einem Stück geformt, z.B. Platten oder Schalen mit herausgefrästen Stegen und Rippen zur Krafteinleitung oder zur Biegesteifigkeitserhöhung.
  • Bei der integrierenden Bauweise werden Einzelelemente zu einer Einheit verbunden, z.B. die Haut mit aufgeklebten oder gelöteten Verstärkungen oder aus Blechlamellen aufgebaute Trägerprofile.
  • Bei der Verbundbauweise werden verschiedene Materialien nach ihren spezifischen Eigenschaften zweckvoll kombiniert, z.B. eine sogen. Sandwichplatte mit steifen Blechhäuten und Schaumstoff- oder Wabenkern mit hohem spezifischen Volumen, oder durch Glasfasern, Kohle- und/oder Aramidfasern verstärkte Kunststoffe.
  • In 2 ist eine weitere bevorzugte Anordnung einer Koppelkomponente im Schnitt schematisch dargestellt. Eine Endplatte (1) ist mit drei Medienräumen (M) in Stapelbauweise verbunden. Anschlüsse für eine Medienversorgung sind nicht dargestellt. Zwischen Endplatte (1) und dem angrenzenden, ersten Medienraum (M) ist eine thermische Isolierung (I) angeordnet, welche den größten Teil der Berührungsfläche zwischen Medienraum (M) und Endplatte (1) einnimmt.
  • Der Medienraum (M) weist beispielsweise eine Beschichtung (9) auf, die zu einer exothermen Reaktion eines Mediums führt. Angrenzend an den ersten Medienraum folgt ein zweiter Medienraum mit einer Schüttung (10) eines Katalysators, welcher zu einer endothermen Reaktion eines zweiten Mediums führt, welcher seitliche Begrenzungswände (11) senkrecht zur Bodenplatte (4) der Endplatte (1) aufweist. Angrenzend an den zweiten Medienraum (M) folgt ein dritter Medienraum (M), dessen Kontaktfläche zum zweiten Medienraum (M) wiederum eine Beschichtung (9) aufweist, die zu einer exothermen Reaktion mit dem ersten Medium führt. Die endotherme Reaktion im zweiten Medienraum (M) wird durch die exothermen Reaktionen im ersten und dritten Medienraum (M) unterstützt. Die Isolierung (I) in der Endplatte führt dazu, daß die Temperatur im ersten, an die Endplatte (1) angrenzenden Medienraum (M) sich schnell einstellt.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird das Kaltstartverhalten derartiger Koppelkomponenten sehr günstig beeinflußt. Dynamische Empfindlichkeiten derartiger Systeme können dadurch deutlich gedämpft werden. Da Isoliermaterialien im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Endplatten (1) aus massivem Metall geringe Dichten aufweisen, kann durch den Einsatz von Isoliermaterialien (I) in Endplatten (1) eine Gewichtsreduktion erzielt werden. Diese Eigenschaften sind für die Verwendung derartiger Koppelkomponenten in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen besonders günstig.

Claims (9)

  1. Reaktor und/oder Wärmetauscher in Stapelbauweise, mit Zu- und Abführleitungen für Fluide, mit Materialausnehmungen (6, 7) zum Verringern der Wärmekapazität, mit einer oberen und einer unteren Endplatte (1) sowie mit dazwischen in Stapelbauweise angeordneten, Medienräume (M) bildenden Platten, wobei zumindest eine Endplatte (1) zumindest eine Durchbohrung (5) für eine Medienversorgung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) die Materialausnehmungen (6, 7) aufweist, und in der zumindest einen Durchbohrung (5) der Endplatte (1) eine Hülse (3) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zumindest einen Endplatte (1) und der zu einer Endplatte benachbarten Platte eine thermische Isolierung (I) angeordnet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) in Differentialbauweise, Integralbauweise, integrierender Bauweise oder Verbundbauweise ausgeführt ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) Wabenstruktur aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materuialausnehmungen (6, 7) zwischen Stegen (2) zur Aufnahme eines thermisch isolierenden Materials (I) vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) eine Bodenfläche (4) aufweist, auf der Stege (2) und/oder die die zumindest eine Durchbohrung umgebende Hülse (3) angeordnet ist/sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (4) mit einer Deckhaut (8) versehen ist, so daß die Stege (2) und/oder die die zumindest eine Durchbohrung umgebende Hülse (3) zwischen der Bodenfläche (4) und der Deckhaut (8) angeordnet ist/sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (4) und/oder die Deckhaut (8) Mittel zur Entlüftung aufweisen.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Endplatte (1) zumindest im Bereich der zumindest einen Durchbohrung (5) aus Vollmaterial gebildet ist.
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