WO2002072252A1 - Reaktor mit gleichmässiger verteilung von betriebsmitteln - Google Patents

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Thomas Bewer
Thomas Beckmann
Hendrik Dohle
Jürgen Mergel
Detlef Stolten
Jan Stalling
Ralf Peters
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to the supply of equipment in chemical or electrochemical reactors, in particular fuel cells and the reactors and heat exchangers of fuel gas generation for mobile use of the fuel cell.
  • Chemical and electrochemical reactors are used to supply reaction products to a reaction zone, to carry out chemical or electrochemical reactions and to derive reaction products from the reaction zone.
  • Energy can be supplied or released. Both thermal energy and electrical energy can be used as energy types.
  • a fuel cell In the case of a fuel cell, electrical energy is obtained directly from a fuel and an oxidizing agent. It has a cathode, an electrolyte and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
  • SOFC fuel cell from DE 44 30 958 Cl and the PEM fuel cell from DE 195 31 852 Cl.
  • the SOFC fuel cell is also called a high-temperature fuel cell because its operating temperature is up to 1000 ° C.
  • oxygen ions form on the cathode of a high-temperature fuel cell.
  • the oxygen ions pass through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water.
  • the recombination releases electrons and thus generates electrical energy.
  • the operating temperature of a PEM fuel cell is around 80 ° C.
  • Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. The protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated. Methane or methanol can also be used as fuel. The fuels mentioned are then converted into hydrogen or hydrogen-rich gas by reforming.
  • Several fuel cells are usually electrically and mechanically connected to one another by connecting elements to achieve high electrical outputs.
  • An example of such a connecting element is the bipolar plate known from DE 44 10 711 C1.
  • bipolar plates By means of bipolar plates, one above the other is created stacked, electrically connected fuel cells. This arrangement is called a fuel cell stack.
  • Ogiwara From Ogiwara, et al. (Ogiwara, T., Yakabe, H., Hishinuma, M., Yasuda I., 2000. Assessment of mechanical reliability of planar SOFCs in view of selection of materials and operating conditions.
  • McEvoy, AJ (ed.) 4 th European Solid Oxide Fuel Cell Forum, 10-14 July 2000, Lucerne, Switzerland) it is known that the operating medium is fed to a narrowing supply channel via a supply channel which is perpendicular to the supply channel.
  • the cross section of the feed channel decreases over the flow path of the operating medium along the inlet side of a fuel cell.
  • the supply channel borders on the inlet side of the fuel cell and supplies the operating medium to the electrode.
  • a disadvantage in the state of the art is that the operating medium is unevenly distributed within the fuel cells. This causes losses in efficiency.
  • the unequal distribution of operating resources is also disadvantageous for a large number of other reactors, in particular those with structures in the submicron range.
  • the heat exchangers and reactors of autothermal reforming (ATR) may be mentioned as examples. Due to the low tolerance of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) to carbon monoxide, a further depletion of this component from the synthesis gas formed after the reforming is necessary.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • This CO conversion to carbon dioxide which is harmless to the fuel cell, usually takes place in a first step with water using the so-called shift reaction and, since this cannot reach the CO limit of 10 ppm currently required due to a thermodynamic equilibrium limitation, in one second step through the oxidation with oxygen / air in the so-called preferential oxidation. Both reactions are carried out catalytically and are exothermic. In the shift reaction, the heating of the gas resulting from the exothermic reaction leads to an unfavorable shift in the thermodynamic equilibrium to the side of the starting materials.
  • the object of the invention is therefore to provide a reactor in which a uniform distribution of an operating medium is ensured.
  • Another object is to provide a method for operating a reactor, with which a uniform distribution of an operating medium in the reactor is achieved.
  • the reactor has a feed channel for an operating medium, the cross section of which decreases over its length. It also has an inlet of a supply channel leading into the supply channel.
  • the inlet and the inlet side of the reactor for the equipment enclose an angle ⁇ of 20 to 70 degrees.
  • the decreasing cross-section of such a feed channel ensures that the flow pressure of the operating medium is maintained over the entire inlet side of the reactor adjacent to the feed channel after entry into the feed channel. This compensates for the decreasing flow pressure that occurs due to mass flows escaping into the reactor.
  • the equipment is thus distributed evenly over the entire length of this inlet side of the reactor.
  • the incline of the inlet to the inlet side of the reactor advantageously has the effect that the operating medium is evenly distributed within a possibly existing electrode space, for example of fuel cells.
  • the angle of the slope varies, depending on the design of the reactor, from 20 to 70 degrees.
  • angle ⁇ is advantageously between 2 and 5 degrees.
  • the inlet and the inlet side of the reactor form an angle ⁇ of 45 degrees. This results in a particularly uniform distribution of the equipment in the reactor.
  • the cross section of the feed channel decreases by 40-60% over its length. This has proven to be particularly advantageous with regard to maintaining the flow pressure along the inlet side of the reactor.
  • the combination of a supply channel tapering obliquely to the inlet side of the reactor and a decreasing cross-section of the feed channel ensures that the operating medium is distributed uniformly along the feed channel or along the inlet side of the reactor. Furthermore, the equipment flows through it evenly after entering an electrode space. The depleted operating medium leaves the reactor as a reaction product on a side designated as the exit side.
  • a corresponding discharge channel for a reaction product is provided on the outlet side of the reactor, analogously to the feed channel on the inlet side.
  • the cross section of the discharge channel then increases correspondingly over its length.
  • the cross section of the discharge duct increases particularly advantageously over its length by 40-60%.
  • the reaction product is fed to the outlet of a disposal channel via the discharge channel, the outlet and the outlet side of the reactor enclosing an angle ⁇ 'of 20 to 70 and in particular 45 degrees.
  • the cross section of the discharge channel for the reaction product then increases over the flow path of the reaction product up to an outlet of a disposal channel. Due to the slope of the drain, the reaction product is led out of the reactor particularly efficiently.
  • the angle ⁇ between the discharge duct and the outlet side of the reactor is advantageously between 2 and 5 degrees.
  • the process for the uniform distribution of an operating medium in a reactor provides for the following steps:
  • an item of equipment is brought into the inlet side of a reactor at an angle ⁇ of 20-70 degrees, the item of equipment is then introduced into a feed channel which decreases in cross section,
  • a reactor is also to be understood in particular as a fuel cell.
  • the fuel cell has a supply channel for an operating medium, the cross section of which decreases over its length. It also has an inlet of a supply channel leading into the feed channel.
  • the inlet and the inlet side of the fuel cell for the operating medium form an angle ⁇ of 20 to 70 degrees.
  • the decreasing cross-section of such a feed channel ensures that the flow pressure of the operating medium is maintained over the entire inlet side of the fuel cell adjacent to the feed channel after entry into the feed channel.
  • the decreasing flow pressure which occurs due to mass flows escaping into the fuel cell, is compensated for.
  • the equipment is thus distributed evenly over the entire length of this inlet side of the fuel cell.
  • the slope of the inlet to the inlet side of the fuel cell advantageously has the effect that the operating medium is evenly distributed within the electrode space.
  • the angle of the slope varies, depending on the design of the fuel cell, from 20 to 70 degrees.
  • angle ⁇ is advantageously between 2 and 5 degrees.
  • the inlet and the inlet side of the fuel cell form an angle ⁇ of 45 degrees.
  • a particularly uniform distribution of the operating medium in the fuel cell is thereby achieved.
  • the cross section of the feed channel decreases by 40-60% over its length. This has proven to be particularly advantageous with regard to maintaining the flow pressure along the inlet side of the fuel cell.
  • the combination of a supply channel tapering obliquely to the inlet side of the fuel cell and a decreasing cross section of the feed channel ensures that the operating medium is distributed uniformly along the feed channel or along the inlet side of the fuel cell. Furthermore, the equipment flows through it evenly after entering the electrode space. The depleted operating medium leaves the fuel cell as a reaction product on a side designated as the exit side.
  • a corresponding discharge channel for a reaction product is provided on the outlet side of the fuel cell, in analogy to the feed channel on the inlet side.
  • the cross section of the discharge channel then increases correspondingly over its length.
  • the cross section of the discharge duct increases particularly advantageously over its length by 40-60%.
  • the reaction product is fed to the outlet of a disposal channel via the discharge channel, the outlet and the outlet side of the fuel cell enclosing an angle ⁇ 'of 20 to 70 and in particular 45 degrees.
  • the cross section of the discharge channel for the reaction product then increases over the flow path of the reaction product up to an outlet of a disposal channel.
  • the reaction product is led out of the fuel cell particularly efficiently due to the slope of the drain.
  • the angle ⁇ ⁇ between the discharge channel and the outlet side of the fuel cell is advantageously between 2 and 5 degrees.
  • the process for the uniform distribution of equipment in a fuel cell provides the following steps:
  • the equipment is then introduced into a feed channel with a decreasing cross-section, -
  • the equipment is evenly distributed in the fuel cell after entry,
  • FIG. 1 shows the inlet side of a reactor according to the invention, in particular a fuel cell.
  • the angle between feed 2 and the inlet side of the reactor is 45 degrees.
  • the entry side runs along the axis a-a.
  • the entry side is located between the two vertical lines 6.
  • the lines 6 indicate the further course of the reactor in the vertical direction.
  • the inlet 2 leads into the feed channel 3, which is smaller in cross section.
  • the cross section of the feed channel 3 extends over its length from 8 mm 2 to 3 mm 2 .
  • the cross section of the inlet 2 is 12 mm 2 .
  • Feed channel 3 and the inlet side of the reactor or the fuel cell form an angle ⁇ of 2 degrees.
  • the length of the entry side is 200 mm.
  • FIG. 2 shows a reactor 1 according to the invention, in particular a fuel cell. It means:
  • ⁇ Angle between inlet 2 and inlet side along the axis aa ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ : Angle between outlet 5 and outlet side along the axis AA ⁇ ß: Angle between feed channel 3 and inlet side along the axis aa ß: Angle between outlet channel 4 and outlet side along the axis AA
  • Inlet 2 is supplied with operating material from a supply channel, outlet 5 leads the reaction product into the disposal channel.
  • the supply duct and the disposal duct are not shown.
  • the operating medium reaches the feed channel 3 via the inlet 2.
  • the angle ⁇ between the inlet and the inlet side along the axis aa ⁇ is 40 degrees, the angle ⁇ between the inlet channel 3 and the inlet side is 2 degrees.
  • the operating medium gets into the reactor or into the fuel cell and flows through this or these.
  • the Operating equipment leaves the reactor or the fuel cell after the electrochemical reaction via the discharge channel 4 and the outlet 5.
  • the angle ⁇ x between outlet 5 and the outlet side along the axis AA ⁇ is 40 degrees.
  • the angle ß ⁇ between the discharge duct 4 and the outlet side along the axis AA ⁇ is 2 degrees.
  • the geometries described in FIGS. 1 and 2 for the inlet side and the outlet side are, as mentioned, particularly suitable for fuel cells as reactors.
  • the fuel cell can be designed in such a way that the oxidizing agent and the reducing agent are fed to the electrodes, for example in a cross-current or counter-current method.
  • FIG. 3 shows the flow rate of an item of equipment as a function of the position within a 200 mm wide and 300 mm long fuel cell.
  • the flow velocity within the fuel cell was measured in the middle of the fuel cell with a length of 150 mm along the axis XX in accordance with FIG. 2.
  • the flow rate of an item of equipment is measured in a conventional fuel cell.
  • the angle between the inlet and the inlet side along an axis aa x corresponding to FIG. 2 is 90 degrees.
  • the angle ⁇ between the outlet and the outlet step side along an axis AA ⁇ corresponding to FIG. 2 is also 90 degrees.
  • An uneven flow velocity and thus an uneven distribution of the operating medium along the axis XX ⁇ occurs within the fuel cell.
  • the geometries and results shown in the figures can be transferred to other reactor types in which a uniform distribution of operating materials in the reactor is desired. Further preferred applications are, for example, the heat exchangers and microreactors contained in fuel gas generation systems for the mobile use of the fuel cell.
  • the flow conditions of equipment are favorably influenced by the geometries described, so that a flow cross-section of a technically common order of magnitude can also be used for a large number of flow cross-sections in the submillimeter range (microreactor). All areas within the Heat exchanger or microreactor with reaction mixture uniformly acted upon and flows through.
  • Existing catalyst is fully used. This saves catalyst. A reduction in catalyst is desirable for use in a mass product such as, for example, the automobile, since even a small amount of catalyst saved per unit results in a large overall cost saving due to the large numbers.
  • a uniform temperature profile is formed perpendicular to the direction of flow of the equipment, since the mass flows that are passed through are approximately constant in all areas of the heat exchanger or microreactor.
  • the uniform temperature profile perpendicular to the direction of flow prevents heat of relevant magnitudes from being transferred in this direction.
  • Bipolar plates can be used in heat exchangers or microreactors to distribute the equipment. Assuming that a uniform coating of all channels of a bipolar plate with catalyst is present in heterogeneously catalyzed reactions, similar conversions will be achieved in all channels. If a reaction mixture is cooled or heated, similar reaction speeds are achieved in a plane perpendicular to the direction of flow and thus a homogeneous product gas quality.
  • a lower construction volume also results from the improved catalyst utilization. In addition to a volume reduction, this results in a reduction in the thermal Mass of reactors. Due to smaller sizes, the costs of the heat exchanger or microreactor decrease. A decrease in the production costs of an on-board fuel gas generation system is particularly advantageous because of the high proportion of the total costs of a vehicle with a fuel cell drive.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor, insbesondere eine Brennstoffzelle. Dieser bzw. diese weist einen Zuführungskanal für ein Betriebsmittel, dessen Querschnitt über seine Länge abnimmt, und einen Zulauf eines Versorgungskanals auf. Der Versorgungskanal versorgt den Zuführungskanal über den Zulauf mit einem Betriebsmittel. Aus dem Zuführungskanal tritt das Betriebsmittel in den Reaktor bzw. die Brennstoffzelle ein. Die Verteilung des Betriebsmittels in dem Reaktor bzw. in der Brennstoffzelle erfolgt gleichmässig, da der Zulauf und die Eintrittsseite des Reaktors bzw. der Brennstoffzelle einen Winkel alpha von 20 bis 70 Grad, insbesondere 45 Grad, einschliessen.

Description

B e s c h r e i b u n g
Reaktor mit gleichmäßiger Verteilung von Betriebsmitteln
Die Erfindung betrifft die Zuführung von Betriebsmitteln in chemische oder elektrochemische Reaktoren, insbesondere Brennstoffzellen und den Reaktoren und Wärmetauschern der Brenngaserzeugung für die mobile Anwen- düng der Brennstoffzelle.
Chemische und elektrochemische Reaktoren dienen dazu, Reaktionsedukte einer Reaktionszone zuzuführen, chemische oder elektrochemische Reaktionen durchzuführen und Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone abzuleiten.
Energie kann dabei zugeführt oder auch freigesetzt werden. Als Energiearten können sowohl thermische Energie als auch elektrische Energie zum Einsatz kommen.
Im Falle einer Brennstoffzelle wird elektrische Energie direkt aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel gewonnen. Sie weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn- stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.
Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 Cl sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 Cl . Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000 °C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur- brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati- onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.
Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80 °C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt. Als Brennstoff kann unter anderem auch Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden dann durch Reformierung in Wasserstoff bzw. Wasserstoffreiches Gas umgewandelt.
Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 Cl bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt .
Aus der Druckschrift DE 197 34 729 C 1 ist bekannt, ein Betriebsmittel über Kanäle schräg an schlitzförmige Aussparungen eines Zuführungsbauteils heranzuführen und es anschließend über schlitzförmige Gasverteilerstrukturen einer modular aufgebauten bipolaren Platte in einen Elektrodenraum einzuleiten.
Aus Ogiwara, et al . (Ogiwara, T., Yakabe, H., Hishinuma, M. , Yasuda I., 2000. Assessment of mechani- cal reliability of planar SOFCs in view of selection of materials and operating conditions. In: McEvoy, A.J. (ed.) 4th European Solid Oxide Fuel Cell Forum, 10-14 July 2000, Luzern, Schweiz) ist bekannt, daß einem sich verengenden Zuführungskanal das Betriebsmittel über einen senkrecht auf den Zuführungskanal sto- ßenden Versorgungskanal zugeleitet wird. Der Querschnitt des Zuführungskanals nimmt dabei über den Strömungsweg des Betriebsmittels entlang der Eintrittsseite einer Brennstoffzelle ab. Der Zuführungskanal grenzt an die Eintrittsseite der Brennstoffzelle und führt das Betriebsmittel der Elektrode zu.
Nachteilig tritt im Stand der Technik regelmäßig eine Ungleichverteilung des Betriebsmittels innerhalb der Brennstoffzellen auf. Dadurch entstehen Einbußen im Wirkungsgrad. Die Ungleichverteilung von Betriebsmitteln ist darüber hinaus für eine Vielzahl weiterer Reaktoren, insbesondere solchen mit Strukturen im Submikrometerbereich nachteilig. Genannt seien beispielhaft die Wärmetau- scher und Reaktoren der autothermen Reformierung (ATR) . Dabei ist aufgrund der geringen Toleranz der Polymer- Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) gegenüber Kohlenmono- xid eine sich der Reformierung anschließende weitere Abreicherung dieser Komponente aus dem entstandenen Synthesegas erforderlich. Diese CO-Konvertierung zum für die Brennstoffzelle ungefährlichen Kohlendioxid erfolgt in der Regel in einem ersten Schritt mit Wasser durch die sogenannte Shift-Reaktion und, da diese aufgrund einer thermodynamisehen Gleichgewichtslimitierung den zur Zeit geforderten CO-Grenzwert von 10 ppm nicht erreichen kann, in einem zweiten Schritt durch die Oxi- dation mit Sauerstoff/Luft in der sogenannten präferen- tiellen Oxidation. Beide Reaktionen werden katalytisch durchgeführt und verlaufen exotherm. Bei der Shift- Reaktion führt die aus der Exothermie der Reaktion erfolgende Erwärmung des Gases zu einer ungünstigen Verschiebung des thermodynamisehen Gleichgewichtes auf die Seite der Edukte. Bei der präferentiellen Oxidation führt eine Erwärmung des Gases zu einer verstärkten pa- rallel zur CO-Oxidation ablaufenden H2-Oxidation, da die heutzutage verwendeten Oxidationskatalysatoren, in der Regel Platin-basiert , für beide Reaktionen katalytisch aktiv sind. Bei beiden Reaktionen ist somit eine gezielte Temperaturabführung wünschenswert, die vor- teilhaft in Mikrokanälen durchgeführt werden kann, da diese gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Die Realisierung einer gleichmäßigen Durchströmung beim Übergang von den Zuleitungen im Makromaßstab auf eine Vielzahl parallel geschalteter Mikrokanäle stellt dabei ein bekanntes Problem dar (Walter, S., Frischmann, G. , Broucek, R. , Bergfeld, M., Liauw, M. (1999). Fluiddyna- mische Aspekte in Mikrostrukturreaktoren, Chemie Ingenieur Technik, 71, 447-455) , so daß geeignete Reaktoren entwickelt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Reaktor bereit zu stellen, in dem eine gleichmäßige Verteilung eines Betriebsmittels gewährleistet wird.
Aufgabe ist es weiterhin, ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors bereit zu stellen, mit dem eine gleich- mäßige Verteilung eines Betriebsmittels in dem Reaktor erzielt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Der Reaktor weist einen Zuführungskanal für ein Betriebsmittel auf, dessen Querschnitt über seine Länge abnimmt . Er weist weiterhin einen in den Zuführungskanal führenden Zulauf eines Versorgungskanals auf. Der Zulauf und die Eintrittsseite des Reaktors für das Betriebsmittel schließen einen Winkel α von 20 bis 70 Grad ein. Der abnehmende Querschnitt eines solchen Zuführungskanals gewährleistet, daß der Strömungsdruck des Betriebsmittels nach Eintritt in den Zuführungskanal über die gesamte, an den Zuführungskanal angrenzende, Ein- trittsseite des Reaktors aufrecht erhalten bleibt . Dadurch wird der nachlassende Strömungsdruck, der auf Grund von in den Reaktor entweichenden Massenströmen auftritt, ausgeglichen. Das Betriebsmittel wird somit gleichmäßig über die gesamte Länge dieser Eintrittssei- te des Reaktors verteilt. Die Schräge des Zulaufs zur Eintrittsseite des Reaktors bewirkt vorteilhaft, daß das Betriebsmittel auch innerhalb eines möglicherweise vorhandenen Elektrodenraumes, beispielsweise von Brennstoffzellen, gleichmäßig verteilt wird. Der Winkel der Schräge variiert, in Abhängigkeit vom Design des Reaktors, von 20 bis 70 Grad.
Der Winkel zwischen Zuführungskanal und Eintrittsseite, im weiteren als Winkel ß bezeichnet, beträgt vorteil- haft zwischen 2 und 5 Grad.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließen der Zulauf und die Eintrittsseite des Reaktors einen Winkel α von 45 Grad ein. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des Betriebsmittels in den Reaktor erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Querschnitt des Zuführungskanals über seine Länge um 40-60 % ab. Dies hat sich bezüglich der Aufrechterhaltung des Strömungsdruckes entlang der Eintrittsseite des Reaktors als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Die Kombination aus einem schräg zur Eintrittsseite des Reaktors zulaufenden Versorgungskanal und abnehmenden Querschnitt des Zuführungskanals gewährleistet, daß entlang des Zuführungskanals bzw. entlang der Eintrittsseite des Reaktors das Betriebsmittel gleichmäßig verteilt wird. Weiterhin durchströmt das Betriebsmittel nach Eintritt in einen Elektrodenraum diesen gleichmäßig. Das abgereicherte Betriebsmittel verläßt als Reaktionsprodukt an einer als Austrittsseite bezeichneten Seite den Reaktor.
An der Austrittsseite des Reaktors ist, in Analogie des Zuführungskanals an der Eintrittsseite, ein entsprechender Abführungskanal für ein Reaktionsprodukt vorgesehen. Der Querschnitt des Abführungskanals nimmt dann entsprechend über seine Länge zu. Besonders vorteilhaft nimmt der Querschnitt des Abführungskanals über seine Länge um 40-60 % zu.
Dadurch wird gewährleistet, daß der Strömungsdruck auch an der Austrittsseite des Reaktors konstant ist.
Über den Abführungskanal wird das Reaktionsprodukt dem Ablauf eines Entsorgungskanals zugeführt, wobei der Ablauf und die Austrittsseite des Reaktors einen Winkel α' von 20 bis 70 und insbesondere 45 Grad einschließen. Der Querschnitt des Abführungskanals für das Reaktionsprodukt nimmt dann über den Strömungsweg des Reaktions- produktes bis hin zu einem Ablauf eines Entsorgungskanals zu. Durch die Schräge des Ablaufs wird das Reakti- onsprodukt besonders effizient aus dem Reaktor herausgeführt. Der Winkel ß zwischen Abführungskanal und Austrittsseite des Reaktors beträgt vorteilhaft zwischen 2 und 5 Grad.
Das Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung eines Be- triebsmittels in einem Reaktor sieht die folgenden Schritte vor:
- ein Betriebsmittel wird in einem Winkel α von 20-70 Grad an die Eintrittsseite eines Reaktors herangeführt, - das Betriebsmittel wird anschließend in einen sich bezüglich seines Querschnitts abnehmenden Zuführungskanal eingeleitet,
- das Betriebsmittel verteilt sich nach Eintritt gleichmäßig in dem Reaktor, - das Betriebsmittel durchströmt den Reaktor an allen Punkten mit nahezu gleicher Geschwindigkeit .
Speziell in dem Fall, daß das Betriebsmittel in einem Winkel α von 45 Grad an die Eintrittsseite herangeführt wird, durchströmt das Betriebsmittel nahezu gleichmäßig den Reaktor. Somit liegt während des Betriebes jeweils eine annähernd gleiche Menge (Volumen / Masse) des Betriebsmittels an allen Punkten innerhalb des Reaktors bzw. im Elektrodenraum des Reaktors vor. Es tritt eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf Grund einer gleichmäßi- gen Verteilung auf. Gemäß Anspruch 8 ist unter einem Reaktor insbesondere auch eine Brennstoffzelle zu verstehen.
Die Brennstoffzelle weist einen Zuführungskanal für ein Betriebsmittel auf, dessen Querschnitt über seine Länge abnimmt. Sie weist weiterhin einen in den Zuführungskanal führenden Zulauf eines Versorgungskanals auf. Der Zulauf und die Eintrittsseite der Brennstoffzelle für das Betriebsmittel schließen einen Winkel α von 20 bis 70 Grad ein. Der abnehmende Querschnitt eines solchen Zuführungskanals gewährleistet, daß der Strömungsdruck des Betriebsmittels nach Eintritt in den Zuführungskanal über die gesamte, an den Zuführungskanal angrenzende, Eintrittsseite der Brennstoffzelle aufrecht erhalten bleibt. Dadurch wird der nachlassende Strömungsdruck, der auf Grund von in die Brennstoffzelle entweichenden Massenströmen auftritt, ausgeglichen. Das Betriebsmittel wird somit gleichmäßig über die gesamte Länge dieser Eintrittsseite der Brennstoffzelle verteilt. Die Schräge des Zulaufs zur Eintrittsseite der Brennstoffzelle bewirkt vorteilhaft, daß das Betriebsmittel auch innerhalb des Elektrodenraumes gleichmäßig verteilt wird. Der Winkel der Schräge variiert, in Abhängigkeit vom Design der Brennstoffzelle, von 20 bis 70 Grad.
Der Winkel zwischen Zuführungskanal und Eintrittsseite, im weiteren als Winkel ß bezeichnet, beträgt vorteilhaft zwischen 2 und 5 Grad. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließen der Zulauf und die Eintrittsseite der Brennstoffzelle einen Winkel α von 45 Grad ein.
Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des Betriebsmittels in der Brennstoffzelle erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Querschnitt des Zuführungskanals über seine Länge um 40-60 % ab. Dies hat sich bezüglich der Aufrechterhaltung des Strömungsdruckes entlang der Eintrittsseite der Brennstoffzelle als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Die Kombination aus einem schräg zur Eintrittsseite der Brennstoffzelle zulaufenden Versorgungskanal und abneh- menden Querschnitt des Zuführungskanals gewährleistet, daß entlang des Zuführungskanals bzw. entlang der Eintrittsseite der Brennstoffzelle das Betriebsmittel gleichmäßig verteilt wird. Weiterhin durchströmt das Betriebsmittel nach Eintritt in den Elektrodenraum die- sen gleichmäßig. Das abgereicherte Betriebsmittel verläßt als Reaktionsprodukt an einer als Austrittsseite bezeichneten Seite die Brennstoffzelle.
An der Austrittsseite der Brennstoffzelle ist, in Ana- logie des Zuführungskanals an der Eintrittsseite, ein entsprechender Abführungskanal für ein Reaktionsprodukt vorgesehen. Der Querschnitt des Abführungskanals nimmt dann entsprechend über seine Länge zu. Besonders vorteilhaft nimmt der Querschnitt des Abführungskanals über seine Länge um 40-60 % zu.
Dadurch wird gewährleistet, daß der Strömungsdruck auch an der Austrittsseite der Brennstoffzelle konstant ist.
Über den Abführungskanal wird das Reaktionsprodukt dem Ablauf eines Entsorgungskanals zugeführt, wobei der Ablauf und die Austrittsseite der Brennstoffzelle einen Winkel α' von 20 bis 70 und insbesondere 45 Grad ein- schließen.
Der Querschnitt des Abführungskanals für das Reaktionsprodukt nimmt dann über den Strδmungsweg des Reaktions- produktes bis hin zu einem Ablauf eines Entsorgungskanals zu. Durch die Schräge des Ablaufs wird das Reakti- onsprodukt besonders effizient aus der Brennstoffzelle herausgeführt. Der Winkel ßλ zwischen Abführungskanal und Austrittsseite der Brennstoffzelle beträgt vorteilhaft zwischen 2 und 5 Grad.
Das Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung eines Betriebsmittels in einer Brennstoffzelle sieht die folgenden Schritte vor:
- ein Betriebsmittel wird in einem Winkel α von 20-70 Grad an die Eintrittsseite einer Brennstoff- zelle herangeführt,
- das Betriebsmittel wird anschließend in einen sich bezüglich seines Querschnitts abnehmenden Zuführungskanal eingeleitet, - das Betriebsmittel verteilt sich nach Eintritt gleichmäßig in der Brennstoffzelle,
I
- das Betriebsmittel durchströmt die Brennstoffzelle an allen Punkten mit nahezu gleicher Geschwindig- keit .
Speziell in dem Fall, daß das Betriebsmittel in einem Winkel α von 45 Grad an die Eintrittsseite herangeführt wird, durchströmt das Betriebsmittel nahezu gleichmäßig die Brennstoffzelle. Somit liegt während des Betriebes jeweils eine annähernd gleiche Menge (Volumen / Masse) des Betriebsmittels an allen Punkten innerhalb des Elektrodenraumes vor. Es tritt eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf Grund einer gleichmäßigen Verteilung auf.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Eintrittsseite eines erfindungsgemäßen Reaktors, insbesondere einer Brennstoffzelle. Der Winkel zwischen Zulauf 2 und der Eintrittsseite des Reaktors beträgt 45 Grad. Die Eintrittsseite verläuft entlang der Achse a-a . Die Eintrittsseite befindet sich zwischen den beiden senkrechten Linien 6. Die Li- nien 6 deuten den weiteren Verlauf des Reaktors in vertikaler Richtung an.
Elektroden oder auch Gasverteilerstrukturen sind nicht dargestellt. Der Zulauf 2 führt in den bezüglich des Querschnitts kleineren Zuführungskanal 3. Der Quer- schnitt des Zuführungskanals 3 nimmt über seine Länge von 8 mm2 auf 3 mm2 ab. Der Querschnitt des Zulaufs 2 beträgt 12 mm2. Zuführungskanal 3 und die Eintrittsseite des Reaktors bzw. der Brennstoffzelle schließen einen Winkel ß von 2 Grad ein. Die Länge der Eintritts- seite beträgt 200 mm.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor 1, insbesondere eine Brennstoffzelle. Es bedeuten:
α: Winkel zwischen Zulauf 2 und Eintrittsseite entlang der Achse a-a αλ : Winkel zwischen Ablauf 5 und Austrittsseite entlang der Achse A-AΛ ß: Winkel zwischen Zuführungskanal 3 und Eintrittsseite entlang der Achse a-a ß : Winkel zwischen Abführungskanal 4 und Austrittsseite entlang der Achse A-A
Die Strömungsrichtung des Betriebsmittels ist durch die dick markierten Pfeile gekennzeichnet . Der Zulauf 2 wird aus einem Versorgungskanal mit Betriebsmittel versorgt, der Ablauf 5 führt das Reaktionsprodukt in den Entsorgungskanal . Versorgungskanal und Entsorgungskanal sind nicht dargestellt. Das Betriebsmittel gelangt über den Zulauf 2 in den Zuführungskanal 3. Der Winkel α zwischen Zulauf und der Eintrittsseite entlang der Achse a-aΛ beträgt 40 Grad, der Winkel ß zwischen Zuführungskanal 3 und der Eintrittsseite beträgt 2 Grad. Das Betriebsmittel gelangt in den Reaktor bzw. in die Brennstoffzelle und durchströmt diesen bzw. diese. Das Betriebsmittel verläßt den Reaktor bzw. die Brennstoffzelle nach der elektrochemischen Reaktion über den Abführungskanal 4 und den Ablauf 5. Der Winkel αx zwischen Ablauf 5 und der Austrittsseite entlang der Achse A-AΛ beträgt 40 Grad. Der Winkel ßΛ zwischen Abführungskanal 4 und der Austrittsseite entlang der Achse A-Aλ beträgt 2 Grad.
Die in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Geometrien für die Eintrittsseite und die Austrittsseite sind, wie er- wähnt, insbesondere auch für Brennstoffzellen als Reaktoren geeignet. Um mehrere Betriebsmittel auf diese Weise gleichmäßig den Elektroden der Brennstoffzelle zuzuführen, zu verteilen und wieder abzuführen, kann die Brennstoffzelle derart gestaltet sein, daß das Oxi- dationsmittel und das Reduktionsmittel beispielsweise im Kreuzstrom- oder auch im Gegenstromverfahren an die Elektroden geführt werden.
Fig. 3 zeigt die Strömungsgeschwindigkeit eines Be- triebsmittels in Abhängigkeit von der Position innerhalb einer 200 mm breiten und 300 mm langen Brennstoffzelle. Die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Brennstoffzelle wurde in der Mitte der Brennstoffzelle bei einer Länge von 150 mm entlang der Achse X-X ent- sprechend der Fig. 2 gemessen. Im oberen Teil der Fig. 3 ist die Strömungsgeschwindigkeit eines Betriebsmittels in einer konventionellen Brennstoffzelle gemessen. Der Winkel zwischen Zulauf und der Eintrittsseite entlang einer Achse a-ax entsprechend der Fig. 2 be- trägt 90 Grad. Der Winkel Λ zwischen Ablauf und Aus- trittsseite entlang einer Achse A-AΛ entsprechend der Fig. 2 beträgt ebenfalls 90 Grad. Innerhalb der Brennstoffzelle tritt eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und damit eine ungleichmäßige Verteilung des Betriebsmittels entlang der Achse X-Xλ auf.
In einer Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzelle mit Winkeln von jeweils 45 Grad zwischen Zulauf und Eintrittsseite sowie Ablauf und Austrittsseite tritt, wie im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt, eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und damit eine Gleichverteilung des Betriebsmittels innerhalb der Brennstoffzelle entlang der Achse X-Xx auf. Die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Verteilung des Be- triebsmittels ist innerhalb der Brennstoffzelle an allen Punkten der Achse X-X' nahezu identisch. Der Variationskoeffizient hierzu beträgt nur ca. 5 %.
Die in den Figuren dargestellten Geometrien und Ergeb- nisse sind auf weitere Reaktortypen übertragbar, bei denen eine gleichmäßige Verteilung von Betriebsmitteln im Reaktor erwünscht ist. Weitere bevorzugte Anwendungen sind z.B. die in Brenngaserzeugungssystemen für den mobilen Einsatz der Brennstoffzelle enthaltenen Wärme- tauscher und Mikroreaktoren. Durch die beschriebenen Geometrien werden die Strömungsverhältnisse von Betriebsmitteln günstig beeinflußt, so daß von einem Strömungsquerschnitt einer technisch gängigen Größenordnung auch auf eine Vielzahl von Strömungsquerschnit- ten im Submillimeterbereich (Mikroreaktor) übergegangen werden kann. Es werden dann alle Bereiche innerhalb des Wärmetauschers bzw. Mikroreaktors mit Reaktionsgemisch gleichmäßig beaufschlagt und durchströmt . Vorhandener Katalysator wird vollständig genutzt. Dadurch wird Katalysator eingespart. Eine Reduktion an Katalysator ist für den Einsatz in einem Massenprodukt wie z.B. dem Automobil wünschenswert, da bereits aus einer kleinen pro Aggregat eingesparten Menge an Katalysator aufgrund der hohen Stückzahlen eine große Gesamtersparnis an Kosten resultiert .
Weiterhin bildet sich senkrecht zur Strömungsrichtung des Betriebsmittels ein gleichmäßiges Temperaturprofil aus, da die durchgesetzten Massenströme in allen Bereichen des Wärmetauschers bzw. Mikroreaktors annähernd konstant sind. Durch das gleichmäßige Temperaturprofil senkrecht zur Strömungsrichtung wird vermieden, daß Wärme in relevanten Größenordnungen in dieser Richtung übertragen wird.
In Wärmetauschern bzw. Mikroreaktoren können zur Verteilung der Betriebsmittel bipolare Platten eingesetzt werden. Unter der Annahme, daß eine gleichmäßige Beschichtung aller Kanäle einer bipolaren Platte mit Katalysator bei heterogen- katalysierten Reaktionen vorliegt, werden in allen Kanälen ähnliche Umsätze erzielt werden. Wenn ein Reaktionsgemisch gekühlt bzw. beheizt wird, werden ähnliche Reaktionsgeschwindigkeiten in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung und damit eine homogene Produktgasqualität erzielt.
Aus der verbesserten Katalysatorausnutzung resuliert auch ein geringeres Bauvolumen. Dies bewirkt neben ei- ner Volumenreduktion eine Verringerung der thermischen Masse der Reaktoren. Auf Grund kleinerer Baugrößen nehmen die Kosten des Wärmetauschers bzw. Mikroreaktors ab. Eine Abnahme der Herstellungskosten eines on-board Brenngaserzeugungssystems ist wegen des hohen Anteils an den Gesamtkosten eines Fahrzeugs mit Brennstoffzel- lenantrieb besonders vorteilhaft .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Reaktor (1) mit einem Zuführungskanal (3) für ein Betriebsmittel, dessen Querschnitt über seine Länge abnimmt, und einem in den Zuführungskanal (3) füh- renden Zulauf (2) eines Versorgungskanals, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (2) und eine Eintrittsseite des Reaktors für das Betriebsmittel einen Winkel von 20 bis 70 Grad einschließen.
2. Reaktor nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (2) und die Eintrittsseite des Reaktors einen Winkel α von 45 Grad einschließen.
3. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Zuführungskanals (3) über seine Länge um 40-60 % abnimmt.
4. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt eines Abführungskanals (4) für ein Reaktionsprodukt über seine Länge zunimmt.
5. Reaktor nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abführungskanals (4) über seine Länge um 40-60 % zunimmt.
6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablauf (5) eines Entsorgungskanals und die Austrittsseite des Reaktors einen Winkel α* von 20 bis 70 Grad einschließen.
7. Reaktor nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf (5) des Entsorgungskanals und die Austrittsseite des Reaktors einen Winkel αλ von 45 Grad einschließen.
8. Brennstoffzelle als Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Wärmetauscher als Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Verfahren zur Verteilung eines Betriebsmittels in einem Reaktor mit den Schritten,
- ein Betriebsmittel wird in einem Winkel von 20- 70 Grad an die Eintrittsseite eines Reaktors herangeführt , - das Betriebsmittel wird anschließend in einen sich bezüglich seines Querschnitts abnehmenden Zuführungskanal (3) eingeleitet,
- das Betriebsmittel verteilt sich gleichmäßig über die Eintrittsseite des Reaktors, - das Betriebsmittel durchströmt den Reaktor an allen Punkten mit nahezu gleicher Geschwindigkeit .
1. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmittel in einem Winkel von 45 Grad an die Eintrittsseite des Reaktors heran geführt wird.
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