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Die
Erfindung betrifft einen Plattenreaktor eines Gaserzeugungssystems
für ein
Brennstoffzellensystem.
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Aus
der
DE 44 26 692 C1 ist
eine zweistufige Verdampfereinheit in Form eines Plattenwärmetauschers
bekannt, bei dem sich Platten mit Verdampferräumen und Wärmeträgerräumen abwechseln. In die Wärmeträgerräume wird
die benötigte
Verdampfungswärme
mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, beispielsweise
eines heißen
Thermoöls,
eingebracht. Weiterhin ist es bekannt, die Wärme direkt in den Wärmeträgerräumen durch
eine katalytische Umsetzung eines Brennmittels zu erzeugen.
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Weiterhin
ist aus der
DE 197
20 294 C1 ein Reformierungsreaktor mit einem vorgeschalteten, gattungsgemäßen Verdampfer
bekannt. Der Reaktor umfasst einen an die Reaktionszone flächig angrenzenden
Verdampfungskörper
mit poröser,
wärmeleitfähiger Struktur
zur Bereitstellung des zu reformierenden Gasgemisches durch Vermischung
und Verdampfung der ihm zugeführten
Gasgemischkomponenten.
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Die
DE 37 29 114 A1 beschreibt
einen katalytischen Oxidationsreaktor
10 zur Umsetzung
eines Gasgemischs, das Sauerstoff sowie zumindest ein mit Sauerstoff
brennbares Gas, wie z.B. Wasserstoff, enthält. Der Reaktor umfasst ein
Gehäuse,
in dem eine gas- und flüssigkeitsundurchlässige äußere Schicht,
eine gas- und flüssigkeitsdurchlässige sowie ein
Katalysatormaterial enthaltende mittlere Schicht und eine gas- und
flüssigkeitsdurchlässige innere Schicht
aufgenommen sind. Ein dem Reaktor zugeführtes Gasgemisch, das beispielsweise
Wasserstoff und Sauerstoff im stöchiometrischen
Verhältnis
von 2:1 enthält,
diffundiert durch die innere Schicht und beginnt bei Berührung mit
dem Katalysator in der mittleren Schicht zu Wasser zu reagieren.
Die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärmeenergie heizt die mittlere
Schicht auf, so dass das Reaktionsprodukt Wasser gegebenenfalls
im dampfförmigen Zustand
anfällt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen hinsichtlich Masse, Volumen,
Dynamik und thermischer Beanspruchung verbesserten Plattenreaktor
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Plattenreaktor eines Gaserzeugungssystems
für ein Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Ausbildung eines Plattenreaktors mit einem Verdampfer in Form eines
porösen, überströmten und
direkt katalytisch beheizten Verdampfungskörpers zeigt im Hinblick auf
Masse, Volumen und Kosten erhebliche Vorteile. So kann auf die Ausbildung
zusätzlicher
Räume für die Bereitstellung
der notwendigen Verdampfungsenergie vollständig verzichtet werden. Die
Ausbildung als überströmte flächige Schicht
ermöglicht
die Integration des Verdampfers in bekannte Plattenreaktoren. Der
poröse Körper bildet
eine hohe benetzbare Oberfläche,
die einen guten Wärmeeintrag
in die Flüssigkeit
gewährleistet.
Wegen der porösen
Struktur sind die auftretenden mechanischen Spannungen beim Verdampfen
geringer als beispielsweise bei einem ebenen massiven Blech.
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Die
vertikale Anordnung der Oberflächen und
das Einbringen der zu verdampfenden Flüssigkeit im oberen Bereich
des Verdampfungskörpers weist
den Vorteil auf, dass die Schwerkraft zur Verteilung der zu verdampfenden
Flüssigkeit
innerhalb des Verdampfungskörpers
genutzt werden kann. Die Aufteilung des Verdampfungskörpers in
eine obere Verdampfungsschicht und eine untere Heizschicht weist den
Vorteil auf, dass sich die Poren des Katalysatormaterials nicht
mit Flüssigkeit
füllen
können,
was zu einer Beeinträchtigung
der Funktion führen
würde.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer
Prinzipzeichnung näher
beschrieben, wobei
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Verdampfers des erfindungsgemäßen Plattenreaktors,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Verdampfers des erfindungsgemäßen Plattenreaktors unter Ausnützung der
Schwerkraft, und
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Verdampfers des erfindungsgemäßen Plattenreaktors mit einem
in eine Verdampfungsschicht und eine Heizschicht aufgeteilten Verdampfungskörper zeigt.
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Die
insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Verdampfen
von Flüssigkeiten,
im folgenden kurz Verdampfer genannt, enthält einen porösen, wärmeleitfähigen Verdampfungskörper 2.
Zumindest eine Oberfläche 3 des
Verdampfungskörpers 2 wird von
einem gasförmigen
Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, überströmt. Auf
der der Oberfläche 3 gegenüberliegenden
Oberfläche
weist der Verdampfungskörper 2 eine
gasundurchlässige Schicht 4 auf.
Weiterhin enthält
der Verdampfungskörper 2 ein
schematisch als Punkte dargestelltes Katalysatormaterial 5.
Die zu verdampfende Flüssigkeit
wird der Oberfläche 3 des
Verdampfungskörpers 2 zugeführt. Die
notwendige Verdampfungsenergie wird durch eine exotherme Reaktion
eines Brennmittels mit dem in den Verdampfungskörper 2 eindiffundierenden
Oxidationsmittel an dem darin enthaltenen Katalysatormaterial 5 bereitgestellt.
Bei dem Brennmittel kann es sich dabei um die zu verdampfende Flüssigkeit
selbst handeln. Alternativ kann jedoch auch ein zusätzliches
Brennmittel zugeführt
werden, und zwar sowohl in flüssiger
als auch teilweise oder vollständig
in gasförmiger
Form. Da der Verdampfungskörper 2 auf
der der Oberfläche 3 gegenüberliegenden
Oberfläche
eine gasundurchlässige
Schicht 4 aufweist, strömt
das entstehende Gas zurück
in das den Verdampfungskörper 2 überströmende Oxidationsmittel
und wird zusammen mit diesem aus dem Verdampfer 1 abgeführt.
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Vorzugsweise
weist der Verdampfungskörper 2 Makroporen
mit einer Größe im Bereich
von 0,1 bis 10 μm
auf. Er kann vorzugsweise durch Verpressen von Katalysatormaterial 5 in
eine dünne
und großflächige, stark
komprimierte Schicht hergestellt werden. Um dem Katalysatormaterial 5 eine
bessere mechanische Stabilität
beziehungsweise eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu verleihen, kann
das Katalysatormaterial 5 in eine Trägerstruktur verpreßt werden.
Bei dieser Trägerstruktur
handelt es sich vorzugsweise um eine netzartige Matrix, die durch Vermischen
des Katalysatormaterials 5 mit einem Metallpulver und anschließendem Verpressen
dieses Gemisches hergestellt werden kann. Die Herstellung eines
solchen porösen,
Katalysator material enthaltenden Körpers ist beispielsweise aus
der DE-A-19743673 bekannt.
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Der
poröse
Verdampfungskörper 2 bildet eine
hohe benetzbare Oberfläche,
die einen guten Wärmeeintrag
in die Flüssigkeit
gewährleistet.
Wegen der porösen
Struktur sind die auftretenden mechanischen Spannungen beim Verdampfen
geringer als beispielsweise in einem ebenen massiven Blech.
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Die
zu verdampfende Flüssigkeit
kann an einer beliebigen Stelle in den Verdampfer
1 eingebracht
werden. Alternativ ist es auch möglich,
die Flüssigkeit
bereits in den Oxidationsmittelstrom stromauf des Verdampfers
1 einzubringen.
Vorzugsweise wird die zu verdampfende Flüssigkeit mit Hilfe einer Einspritzdüse auf die
Oberfläche
3 des
Verdampfungskörpers
2 gesprüht. In der
Zeichnung ist nur das Prinzip des Verdampfers
1 dargestellt.
Es liegt jedoch im Bereich des fachmännischen Könnens, ein geeignetes Gehäuse mit
Zu- und Ableitungen für
die Medien vorzusehen. Weiterhin ist es auch möglich, aus mehreren Verdampfungskörpern
2 eine Stapelanordnung
zu bilden, wie es allgemein aus der Reaktortechnik und speziell
für gepreßte Katalysatorscheiben
aus der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 198 32 625.4 der
Anmelderin bekannt ist. Weiterhin ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Verdampfungskörper
2 mit
anderen gepreßten Katalysatorschichten,
welche zur Durchführung
anderer katalytischer Reaktionen geeignet sind, zu einem Gesamtsystem
in Form eines Plattenreaktors zu verbinden. Ein solches Gesamtsystem
stellt beispielsweise ein Gaserzeugungssystem für Brennstoffzellenanlagen dar,
bei dem aus einem wasserstoffhaltigen Rohkraftstoff ein wasserstoffreiches Gas
für den
Einsatz in Brennstoffzellen erzeugt wird. Insbesondere bei mobilen
Anwendungen werden hohe Anforderungen in Bezug auf Masse, Volumen, Kosten
und Dynamik gestellt. Diese Anforderungen können durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer in
verbessertem Umfang erfüllt
werden.
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Die
Funktion des beschriebenen Verdampfers 1 kann vorteilhafterweise
durch die Ausnützung der
Schwerkraft verbessert werden. Die zugeführte Flüssigkeit wird nämlich bei
der in 1 dargestellten Anordnung durch die Schwerkraft
von der Oberfläche 3 her
kommend in den Verdampfungskörper 2 geführt. Das
dort entstehende heiße
und damit leichtere Gas strömt
dann entgegen der Schwerkraft in Richtung der Oberfläche 3 und überträgt hierbei
bereits Wärmeenergie
auf die einströmende
Flüssigkeit.
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Eine
noch verbesserte Ausnützung
der Schwerkraft ist mit der in 2 gezeigten
Anordnung möglich.
Hierbei erstrecken sich die Oberfläche 3 und die gasundurchlässige Schicht 4 in
einer Betriebsposition des Verdampfers 1 in vertikaler
Richtung. Auch das gasförmige
Oxidationsmittel wird in vertikaler Richtung von oben nach unten
geführt.
Die zu verdampfende Flüssigkeit
wird ebenfalls im oberen Bereich auf die Oberflächenseite 4 aufgebracht.
Dies hat zur Folge, daß die
noch nicht verdampften Flüssigkeitsanteile
durch die Schwerkraft innerhalb des Verdampfungskörpers 2 nach
unten geführt
werden. Der effektive Laufweg der zu verdampfenden Flüssigkeit
innerhalb des Verdampfungskörpers 2 wird dadurch
verlängert.
Das beim Verdampfen entstehende Gas tritt wiederum aus der Oberfläche 3 aus, mischt
sich mit dem Oxidationsmittelstrom und wird zusammen mit diesem
aus dem Verdampfer 1 abgeführt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeigt 3. Hierbei ist nicht der gesamte Verdampfungskörper 2 mit
Katalysatormaterial 5 versehen, sonder der Verdampfungskörper 2 ist
in zwei Schichten 2a und 2b aufgeteilt. Beide
Schichten 2a, 2b sind porös ausgebildet. Die der Oberfläche 3 benachbarte
und als Verdampfungsschicht ausgebildete Schicht 2a weist
jedoch im Gegensatz zu der der gasundurchlässigen Schicht 4 benachbarten
Schicht 2b kein Katalysatormaterial 5 auf. Die
Schicht 2b dient hierbei als katalytische Heizschicht,
in der das Oxidationsmittel und das Brennmittel zur Erzeugung der
benötigten
Wärmeenergie
umgesetzt wird. Die Wärme
wird dann zum einen durch Wärmeleitung von
der Heizschciht 2b auf die benachbarte Verdampfungsschicht 2a übertragen.
Zum anderen steht auch das aus der Heizschicht 2b ausströmende umgesetzte
Gas in Wärmeaustausch
mit der zugeführten
Flüssigkeit
beziehungsweise zum zusätzlichen Brennmittel
und trägt
somit ebenfalls zur Erwärmung beziehungsweise
Verdampfung bei. Durch die Aufteilung des Verdampfungskörpers 2 in
zwei Schichten 2a, 2b wird verhindert, daß sich die
Poren des Katalysatormaterials 5 mit Flüssigkeit füllen und somit die Funktion
beeinträchtigt
wird. In diesem Fall treten nämlich
durch die in Strömungsrichtung
vorgelagerte Verdampfung im wesentlichen nur gasförmige Medien
in die Heizschicht 2b ein.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsbeispiel für
einen erfindungsgemäßen Verdampfer
ist der Einsatz in einem Gaserzeugungssystem für mobile Brennstoffzellenanlagen.
In einem solchen Gaserzeugungssystem wird, wie bereits weiter oben
dargestellt, aus einem wasserstoffhaltigen Rohkraftstoff ein wasserstoffreiches
Gas für
den Einsatz in Brennstoffzellen erzeugt. In diesem Fall wird dem
Verdampfer 1 als Oxidationsmittel Sauerstoff, vorzugsweise
in Form von Umgebungsluft, zugeführt.
Als wasserstoffhaltiger Rohkraftstoff wird vorzugsweise Methanol eingesetzt.
Es können
jedoch auch beliebige andere Kraftstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe
verwendet werden. In diesem Falle kann die zu verdampfende Flüssigkeit
gleichzeitig auch als Brennmittel für den Verdampfer 1 verwendet
werden. Das verdampfte Methanol und die Luft treten aus dem Verdampfer 1 aus
und werden in einer nachfolgenden Reformierungsstufe durch eine
partielle Oxidationsreaktion zu einem wasserstoffreichen Gas umgesetzt.
Weiterhin ist es möglich,
anstelle des Methanols auch ein Wasser/Methanolgemisch zu verwenden.
In diesem Falle kann in der nachfolgenden Reformierungsstufe eine
autotherme Reformierung durchgeführt
werden. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
separate Verdampfer 1 für
das Methanol und das Wasser vorzusehen und die austretenden gasförmigen Medien
erst anschließend
zu mischen. In diesem Falle müßte jedoch
in den Verdampfer 1 für das
Wasser ein zusätzliches
Brennmittel zur Erzeugung der benötigten Verdampfungswärme zugegeben
werden.