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DE20007356U1 - Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff - Google Patents

Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff

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DE20007356U1
DE20007356U1 DE20007356U DE20007356U DE20007356U1 DE 20007356 U1 DE20007356 U1 DE 20007356U1 DE 20007356 U DE20007356 U DE 20007356U DE 20007356 U DE20007356 U DE 20007356U DE 20007356 U1 DE20007356 U1 DE 20007356U1
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heating
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DE20007356U
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Mannesmann AG
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Publication date
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Description

73 005
Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff.
Derartige Brennstoffe werden beispielsweise zum Betreiben von Brennstoffzellen aller Art verwendet.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen das Wirkprinzip zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei einer Brennstoffzelle sind die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eine Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für eine Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Da elementarer Wasserstoff nicht natürlich vorkommt, muß er zunächst auf chemischem Wege in entsprechenden Reaktoren hergestellt werden. Dies geschieht etwa durch die sogenannte Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Methan oder Methanol. Bei diesem Prozeß reagiert der Kohlenwasserstoff mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese Reaktion ist endotherm, so daß eine Energiezufuhr von außen in Form von Wärmeenergie erforderlich ist. Andererseits
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können bei der Herstellung von Wasserstoff in einzelnen Reaktoren auch exotherme Reaktionen ablaufen, beispielsweise bei der homogenen Wassergasreaktion in sogenannten Shift-Reaktoren. In solchen Reaktoren muß deshalb die entstehende Wärme abgeführt werden.
Aus der JP 7-187601A ist ein Reaktor zur Reformierung eines dampfförmigen Methanol-Wasser-Gemischs bekannt, der im wesentlichen aus einem liegend, in Form einer Spirale angeordneten aufgewickelten Blech aufgebaut ist, deren Seitenflächen jeweils durch einen runden Deckel abgeschlossen sind. Da die Windungen der Spirale jeweils voneinander beabstandet sind, ist im Inneren dieses Reaktors jeweils ein in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufender Strömungskanal für den durch Dampfreformierung herzustellenden Brennstoff und für das als Heizmedium benutzte Wärmeträgeröl gebildet, die beide durch eine körperlich gemeinsame Seitenwand, nämlich das aufgewickelte Blech, voneinander getrennt sind. Durch die Seitenwand hindurch kann ein intensiver Wärmetausch zwischen dem Heizmedium und dem zu reformierenden Dampfgemisch erfolgen. Der Katalysator ist teilchenförmig als Katalysatorbett eingebracht, wobei der Strömungskanal für das Dampfgemisch lediglich in der unteren Hälfte der liegenden Spirale mit dem Katalysatorbett gefüllt ist, während die obere Hälfte lediglich mit Wärmeübertragungskörpern (z.B. Raschig-Ringe) gefüllt ist. Auf diese Weise strömt das zu reformierende Dampfgemisch beim Durchlaufen des Strömungskanals hintereinander abwechselnd durch Abschnitte mit bzw. ohne Katalysatorfüllung, d.h. es findet jeweils in einem Abschnitt lediglich ein Wärmetausch und im darauffolgenden Abschnitt jeweils die katalytische Reaktion statt.
Bei diesem Reaktor wird das zur Verfügung stehende Volumen nur zu einem Teil für die Durchführung der katalytischen Reaktion genutzt. Außerdem ist der Strömungswiderstand in dem Strömungskanal für das Dampfgemisch wegen der Füllung mit dem Katalysator bzw. den Wärmeübertragungskörpern vergleichsweise hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Reaktor dahingehend zu verbessern, dass er bei äußerst kompakter Bauweise, d.h. möglichst guter Volumennutzung einen effektiven Wärmetausch zwischen dem Prozeßmedium und dem Heiz/Kühlmedium bei möglichst geringem Strömungswiderstand gewährleistet. Er
soll eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen, damit er insbesondere auch zur Brennstoffversorgung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug einsetzbar ist, die Herstellung des Reaktors soll möglichst einfach sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, gelöst, der wenigstens einen Strömungskanal für den herzustellenden Brennstoff und wenigstens einen Strömungskanal für ein Heiz/Kühlmedium aufweist. Der Strömungskanal für den Brennstoff und/oder der Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium sind spiralförmig verlaufend ausgebildet und weisen eine körperlich gemeinsame Seitenwand auf, durch die hindurch ein intensiver thermischer Austausch zwischen dem herzustellenden Brennstoff und dem Heiz/Kühlmedium stattfindet. Die Seitenwand oder Seitenwände der Strömungskanäle sind aus einem bandförmigen Material, insbesondere aus Stahlblech gebildet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die Strömungskanäle in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufend ausgebildet sind. Dadurch wird ein sehr guter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Strömungskanälen bei äußerst kompakter Bauweise geschaffen. Bei dieser Bauform kann zwar eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgesehen sein, es wird aber jeweils nur ein einziger Strömungskanal für den Brennstoff und ein einziger Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium benötigt. Beide Strömungskanäle sind derart ineinander eingewickelt, daß der Strömungskanal für den Brennstoff über den wesentlichen Teil seiner Länge jeweils von zwei Bereichen des Strömungskanals für das Heiz/Kühlmedium umgeben ist. Durch die beidseitige Wärmezu- bzw. -abfuhr wird eine besonders große Wärmeaustauschfläche geschaffen, die die Dynamik und Homogenität der im Strömungskanal für den Brennstoff ablaufenden Reaktion verbessert.
Die Herstellung des Brennstoffs erfolgt in dem Strömungskanal für den Brennstoff. Dieser Strömungskanal ist auf seiner Innenoberfläche, die mit dem herzustellenden Brennstoff in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einer geeigneten Katalysatorschicht beschichtet. Der Katalysator ist also nicht in Form eines teilchenförmigen Katalysatorbettes angeordnet. Hierdurch kann der Strömungswiderstand im Strömungskanal für den Brennstoff vergleichsweise niedrig
gehalten werden. Je nach ablaufender Reaktion wird zur Herstellung des Brennstoffs Wärme benötigt (endotherme Reaktion) oder Wärme erzeugt (exotherme Reaktion). Die Wärme wird über den jeweiligen Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium zugeführt beziehungsweise abgeführt.
Vorzugsweise sind die einzelnen Strömungskanäle so ausgebildet, daß sie einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die zur Abdeckung der sonst offenen runden beiden Deckflächen der aufgewickelten Blechspirale des Reaktors erforderlichen Deckel können daher als einfache im wesentlichen kreisförmig ausgeschnittene ebene Bleche gestaltet sein.
Das Heiz/Kühlmedium kann je nach Bedarf und Anwendungsfall beliebig ausgewählt werden. Beispiele für geeignete Heiz/Kühlmedien sind weiter unten beschrieben.
Ein Grundaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der wenigstens eine Strömungskanal für den Brennstoff zumindest an einer Seite von einem Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium flankiert wird, so daß der intensive thermische Austausch stattfinden kann.
Beispielsweise können auch mehrere Strömungskanäle für den Brennstoff und das Heiz/Kühlmedium vorgesehen sein, die jeweils abwechselnd benachbart zueinander angeordnet sind. Es ist auch denkbar, jeweils nur einen einzigen Strömungskanal für den Brennstoff und das Heiz/Kühlmedium zu verwenden, wobei die Strömungskanäle eine entsprechende Länge aufweisen und in geeigneter Weise zueinander angeordnet werden müssen, damit ein thermischer Austausch erfolgen kann. Die Anzahl, Größe, Länge und Konfiguration der jeweiligen Strömungskanäle wird insbesondere durch den Bedarf an auszutauschender Wärme und die erforderliche Größe der katalytischen Oberfläche bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor können endotherme Reaktionen unterstützt werden, wie sie etwa bei der Dampfreformierung von Wasserstoff auftreten. In diesem Fall wird der entsprechende Strömungskanal von einem geeigneten Heizmedium durchströmt. Umgekehrt können aber auch exotherme Reaktionen gekühlt werden, wie sie beispielsweise bei der homogenen Wassergasreaktion in Shift-Reaktoren
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stattfinden. In diesem Fall wird der entsprechende Strömungskanal von einem geeigneten Kühlmedium durchströmt.
Ein besonderer Vorteil des Reaktors ist darin zu sehen, daß in dem Strömungskanal für den Brennstoff eine große katalytische Oberfläche bereitgestellt werden kann, die die jeweils in dem Strömungskanal ablaufenden Reaktionen unterstützt. Weiterhin kann durch die geeignete geometrische Ausgestaltung der Strömungskanäle eine große Wärmeaustauschfläche zwischen den einzelnen Strömungskanälen geschaffen werden. Dies führt je nach Ausgestaltung der Strömungskanäle zu langen Aufenthaltszeiten des herzustellenden Brennstoffs und des Heiz/Kühl Mediums im Reaktor und damit zu einem guten Wärmeumsatz. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dann, wenn in bevorzugter Weise ein Strömungskanal für den Brennstoff von jeweils zwei Strömungskanälen für das Heiz/Kühlmedium umgeben ist. Dadurch wird eine beidseitige Wärmezu- beziehungsweise -abfuhr ermöglicht, wodurch die Dynamik und Homogenität der im Reaktor ablaufenden Reaktionen verbessert wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Reaktors wird es ermöglicht, einen chemischen Prozeß zur Herstellung des Brennstoffs mit einer guten Wärmezu- beziehungsweise -abfuhr zu kombinieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Reaktors ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In bevorzugter ausgestaltung der Erfindung kann auch im Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium wenigstens eine Katalysatorschicht vorgesehen sein, die beispielsweise als Katalysatorschicht zur Unterstützung einer Oxidationsreaktion ausgebildet ist.Dadurch kann in dem Strömungskanal für das Heiz/Kühlmedium dieses Heiz/Kühlmedium über eine katalytische Verbrennung in unmittelbarer Nähe des Wärmebedarfs erzeugt werden. Diese Verbrennung ist stark exotherm, so daß die bei dieser Reaktion entstehenden Abgase sehr heiß sind. Diese Reaktion kann somit die für eine endotherme Reaktion in dem angrenzenden Strömungskanal für die Herstellung des Brennstoffs erforderliche Wärme liefern.
Vorteilhaft kann das bandförmige Material für die Seitenwand oder die Seitenwände der Strömungskanäle als Stahlblech ausgebildet sein. Die Erfindung ist nicht auf
bestimmte Materialien beschränkt. Vielmehr ist jedes Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit denkbar, das nicht auf die in den Strömungskanälen ablaufenden Reaktionen reagiert und eine ausreichende Festigkeit bei erhöhter Temperatur besitzt.
Durch den spiralförmigen Verlauf der Strömungskanäle können innerhalb eines kleinen Bauvolumens relativ große Längen der Strömungskanäle problemlos untergebracht werden.
Die zweckmäßige Länge und Größe der spiralförmig aufgebauten Reaktoren hängt in erster Linie vom Volumendurchsatz der jeweiligen Reaktionen ab. Je größer der Volumenstrom, desto länger ist im allgemeinen die benötigte Länge des Wärmeübergangs und der katalytischen Oberfläche.
Die Herstellung erfindungsgemäßer spiralförmiger Reaktoren ist besonders einfach, da die beiden Strömungskanäle nur durch eine einzige gemeinsame Seitenwand voneinander getrennt sind. Zweckmäßigerweise wird das zur Herstellung benutzte Band zunächst katalytisch beschichtet. Jede Oberfläche der Seitenwand entspricht einem anderen Reaktionsraum und kann mit unterschiedlichen Katalysatoren beschichtet werden. Das Band wird in die spiralförmige Form mit Abstand zwischen den einzelnen Windungen gewickelt, so daß die einzelnen benachbarten spiralförmigen Strömungskanäle entstehen. In den Randbereichen des Bandes müssen die einzelnen von den Strömungskanälen gebildeten Reaktionsräume dann nur noch mittels eines Bodens und eines Deckels gasdicht verschlossen werden.
Vorzugsweise ist die Strömungsrichtung des herzustellenden Brennstoffs entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Heiz/Kühlmediums eingestellt oder einstellbar. Damit verlaufen die beiden Ströme im Gegenstrom. Dadurch wird ein besonders intensiver und umfassender Wärmeaustausch gewährleistet.
In einem solchen Reaktor mit spiralförmigen Strömungskanälen kann beispielsweise das Gasgemisch für den herzustellenden Brennstoff von außen nach innen geleitet werden, wohingegen das Heiz/Kühlmedium von innen nach außen geleitet wird oder umgekehrt. Vorteil dieser Prozeßführung ist die günstige Temperaturverteilung.
Handelt es sich bei den im Strömungskanal für den Brennstoff stattfindenden Reaktionen um endotherme Reaktionen, etwa bei der Dampfreformierung von Wasserstoff, wird das Gasgemisch für den Brennstoff von außen nach innen immer wärmer, was zu einer Verbesserung des thermodynamischen Gleichgewichts führt. Am Auslaß des Strömungskanals ist dieses Gasgemisch am wärmsten. Wird als Heiz/Kühlmedium beispielsweise der Abgasstrom aus einer katalytischen Verbrennung verwendet, findet diese Verbrennung zweckmäßig in entsprechend umgekehrter Weise bezüglich der Strömung von innen nach außen statt. Die Abgase sind innen, das heißt in der unmittelbaren Nachbarschaft des Auslasses für den zu erzeugenden Brennstoff, am heißesten und kühlen sich während des Hindurchströmens durch den Strömungskanal langsam ab, wobei sie das Gasgemisch für den Brennstoff im Gegenstrom erwärmen.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist aber auch bei solchen Reaktionen einsetzbar, die exotherm verlaufen. Solche Reaktionen treten beispielsweise bei der homogenen Wassergasreaktion in Shift-Reaktoren auf. Findet in dem Strömungskanal für den Brennstoff eine exotherme Reaktion statt, kann im Gegenstrom ein Kühlmedium eingesetzt werden, daß sich dann entsprechend erwärmt und die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme abführt.
Vorteilhaft kann das Heiz/Kühlmedium gasförmig oder flüssig sein. Als Heizmedium kann beispielsweise ein Abgas einer katalytischen Verbrennung oder ein anderes aus einer exothermen Reaktion hervorgehendes fließfähiges Produkt verwendet werden. Insbesondere als Kühlmedium kommen beispielsweise Luft oder aber eine Flüssigkeit wie Wasser, Öl oder dergleichen in Frage. Eine Kühlung kann auch dadurch erzielt werden, daß in dem Strömungskanal für das Kühlmedium eine endotherme Reaktion abläuft. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Heiz/Kühlmedien beschränkt. Vielmehr können die geeigneten Heiz/Kühlmedien je nach in dem Strömungskanal für die Brennstoffherstellung ablaufender Reaktion und erforderlicher Wärmezu- beziehungsweise -abfuhr beliebig ausgewählt werden.
Der wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Reaktor kann vorteilhaft zum Herstellen eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle verwendet werden.
Auch wenn die Automobiltechnik zur Zeit besonders umfangreiche Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen bietet (z.B. zur Erzeugung der Antriebsenergie für einen elektrischen Fahrantrieb), sind dennoch auch vielfältige andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffzellen für mobile oder stationäre Anwendungen etwa in Computern oder mobilen Telefonen bis hin zu Kraftwerksanlagen. In solchen Kraftwerksanlagen können beispielsweise Brennstoffzellen mit aus Methan reformiertem Wasserstoff betrieben werden. Ganz besonders eignet sich die Brennstoffzellentechnik für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf besondere Brennstoffzellentypen beschränkt, so daß die Erfindung in Verbindung mit allen Brennstoffzellentypen verwendet werden kann. Derartige Brennstoffzellen sind beispielsweise alkalische Brennstoffzellen (AFC), protonenleitende Brennstoffzellen (PEMFC), phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), oder dergleichen.
In bevorzugterWeise kann der erfindungsgemäße Reaktor jedoch in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet werden. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. PEM-Brennstoffzellen werden bevorzugt mit aus Methanol oder Erdgas hergestelltem Wasserstoff betrieben. Die Herstellung, beispielsweise eine entsprechende Reformierung, kann vorteilhaft im erfindungsgemäßen Reaktor erfolgen. Neben Methanol und Erdgas kann Wasserstoff aber auch aus Benzin, Methan, Kohlegas, Biogas oder dergleichen hergestellt werden.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Draufsicht auf einen spiralförmig ausgebildeten Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig.2 eine schematische Querschnittsansicht des Reaktors gemäß Fig.1; Fig.3 eine mit einer Katalysatorschicht beschichtete, abgewickelte Seitenwand des erfindungsgemäßen Reaktors;
Fig.4 eine schematische Querschnittsansicht einer Seitenwand gemäß Fig.3, die nur auf einer Seite mit einer Katalysatorschicht beschichtet ist; und Fig.5 eine schematische Querschnittsansicht einer Seitenwand gemäß Fig.3, die auf beiden Seiten mit einer Katalysatorschicht beschichtet ist.
In den Fig.1 und 2 ist ein Reaktor 10 zum Herstellen eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle, im vorliegenden Fall Wasserstoff, dargestellt. Der Wasserstoff wird im Reaktor 10 mittels Dampfreformation hergestellt, wobei diese Reaktion endotherm ist und somit zum Ablauf eine Wärmezufuhr benötigt.
Der Reaktor 10 weist einen Strömungskanal 11 für den herzustellenden Wasserstoff und einen Strömungskanal 14 für ein geeignetes Heiz/Kühlmedium auf. Beide Strömungskanäle 11, 14 sind spiralförmig ausgebildet. Sie weisen jeweils eine einzige entsprechend spiralförmig verlaufende gemeinsame Seitenwand 20 auf. Der Wärmeaustausch zwischen dem herzustellenden Wasserstoff und dem Heiz/Kühlmedium erfolgt über die Seitenwand 20.
Diese Seitenwand 20 ist in Fig. 3 aus einem bandförmigen Stahlblech gebildet und ist im abgewickelten (besser gesagt: im noch nicht aufgewickelten) Zustand dargestellt.
Im Mittelbereich 25 ist die Seitenwand in diesem Zustand mit dem einen Ende nach oben und mit dem anderen nach unten geknickt. Durch Drehung des Mittelbereichs um seine Längsachse lassen sich die beiden Enden des Stahlblechs umeinander spiralförmig aufwickeln. Der Mittelbereich 25 fungiert dabei gleichsam als Wickeldorn. Auf diese Weise läßt sich leicht die in Fig. 1 wiedergegebene Struktur erzeugen, bei der die Strömungskanäle 11 und 14 beiderseits der spiralförmigen Seitenwand liegen. Während die Vorderseite der Seitenwand 20 die Innenoberfläche des einen Reaktionsraums bildet, wird die Innenoberfläche des anderen Reaktionsraums oder Strömungskanals durch die Rückseite der Seitenwand 20 gebildet. Die äußerste Windung der Seitenwand 20 schließt den Reaktor 10 nach außen dicht ab. Das geschilderte Aufwickeln der Seitenwand 20 wird zweckmäßigerweise erst nach dem Aufbringen einer Katalysatorschicht vorgenommen. Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, kann die Seitenwand 20 auf ihrer einen Oberfläche 21, die dem Strömungskanal 11 für den Brennstoff zugewandt ist, eine Katalysatorschicht 23 zur Unterstützung der im Strömungskanal 11 ablaufenden Reaktion aufweisen. Weiterhin ist auch denkbar, daß die Seitenwand 20 auf ihrer dem Strömungskanal 14 für das Heiz/Kühlmedium
zugewandten Oberfläche 22 eine geeignete Katalysatorschicht 24 aufweist, die eine Reaktion im Strömungskanal 14 unterstützt. Eine solche Seitenwand 20 ist in Fig.5 dargestellt.
Jede Oberfläche 21, 22 entspricht einem anderen Reaktionsraum und kann deshalb mit einer entsprechenden Katalysatorschicht 23, 24 beschichtet werden. Die Strömungskanäle 11,14 werden über entsprechende Endplatten 17,18 an den Rändern der Seitenwand 20 gasdicht abgeschlossen.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise eines solchen Reaktors 10 beschrieben.
Der Wasserstoff soll z.B. mittels Dampfreformierung aus einem Wasserdampf/Methan-Gemisch hergestellt werden. Da diese Reaktion endotherm ist, wird für diesen Herstellungsprozeß Wärme benötigt. Der Gasstrom für den herzustellenden Wasserstoff wird über einen Einlaß 12 in den Strömungskanal 11 für den Brennstoff eingespeist und von außen nach innen durch den Strömungskanal 11 hindurch geführt. Am Ende des Strömungskanals 11 ist ein Auslaß 13 vorgesehen, über den der fertig reformierte Wasserstoff abgeleitet wird. Zur Unterstützung der im Strömungskanal ablaufenden Reaktionen ist an der dem Strömungskanal 11 zugewandten Oberfläche 21 der Seitenwand 20 eine Katalysatorschicht 23 vorgesehen.
Zur Bereitstellung der für die im Strömungskanal ablaufende endotherme Reaktion benötigten Wärme findet in dem Strömungskanal 14 für das Heiz/Kühlmedium eine katalytische Verbrennung statt. Die dabei entstehenden heißen Abgase werden als Heizmedium verwendet. Zur Unterstützung der im Strömungskanal 14 ablaufenden Reaktion ist an der dem Strömungskanal 14 zugewandten Oberfläche 22 der Seitenwand 20 eine geeignete Katalysatorschicht 24 vorgesehen. Die katalytische Verbrennung findet hinsichtlich der Strömungsführung von innen nach außen statt. Das für die katalytische Verbrennung erforderliche Ausgangsgas wird über einen entsprechenden Einlaß 15 in den Strömungskanal 14 eingespeist. Der Einlaß 15 befindet sich im Mittelbereich des Reaktors 10 in der Nähe des Auslasses 13 für den Strömungskanal 11. Die in dem Strömungskanal 14 erzeugten heißen Abgase der katalytischen Verbrennung werden im Gegenstrom zum zu erzeugenden Brennstoff von innen nach außen geführt und über einen entsprechenden Auslaß 16 abgeleitet.
Durch den erzeugten Gegenstrom wird der Gasstrom für den herzustellenden Brennstoff von außen nach innen immer wärmer. Am Auslaß 13 ist dieser Gasstrom am wärmsten. Da die katalytische Verbrennung in umgekehrter Weise während der Strömung von innen nach außen stattfindet, kühlen sich die dabei erzeugten Abgase langsam ab, wobei sie ihre Wärme über die gemeinsame Seitenwand 20 an den durch den Strömungskanal 11 hindurchströmenden Gasstrom abgeben und diesen erwärmen.
Anstelle eines gasförmigen Heiz/Kühlmediums kann beispielsweise auch eine Flüssigkeit wie Öl oder dergleichen verwendet werden. Somit kann der Reaktor 10 auch dann verwendet werden, wenn in dem Strömungskanal 11 eine exotherme Reaktion stattfindet und die dabei erzeugte Wärme abgeführt werden muß. Über die gemeinsame Seitenwand 20 kann die im Strömungskanal 11 erzeugte Wärme auf das sich im Gegenstrom im Strömungskanal 14 bewegende Öl, das in diesem Fall ein Kühlmedium darstellt, abgegeben und mit diesem aus dem Reaktor 10 abgeleitet werden.
Ein besonderer Vorteil des Reaktors 10 ist darin zu sehen, daß über die gemeinsame Seitenwand 20 eine große katalytische Fläche 23, 24 und über die jeweiligen Oberflächen 21, 22 der Seitenwand 20 auch eine große Wärmeaustauschfläche geschaffen werden kann. Durch die spiralförmige Ausgestaltung der Strömungskanäle 11,14 wird trotz kompakter Abmessungen ein langer Strömungsweg und somit eine lange Aufenthaltszeit des Brennstoffs und/oder des Heiz/Kühlmediums im Reaktor 10 erreicht, was zu einem sehr guten Wärmeumsatz führt. Von großem Vorteil ist dabei die beidseitige Warmezu- beziehungsweise -abfuhr in den Strömungskanal 11 hinein beziehungsweise aus diesem hinaus. Dadurch wird die Dynamik und die Homogenität der im Strömungskanal 11 stattfindenden Reaktion verbessert. Da der Katalysator regelmäßig nur in Form einer Beschichtung der Seitenwand 20 des Strömungskanals 11 und gegebenenfalls auch auf der Seite des Strömungskanals 14 vorliegt, ist der Strömungswiderstand bei der Durchleitung des Prozeßmediums bzw. des Heiz/Kühlmediums in vorteilhafter Weise relativ gering. Der erfindungsgemäße Reaktor 10 erlaubt somit eine Kombination der erforderlichen chemischen Prozesse mit einer gleichzeitigen guten Wärmezu- beziehungsweise -abfuhr. Aufgrund seiner äußerst kompakten Bauweise eignet er sich in besonderer Weise für mobile Einsatzfälle, insbesondere zur Brennstoffversorgung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
12 Bezugszeichenliste
10 Reaktor
11 Strömungskanal für Brennstoff
12 Einlaß
13 Auslaß
14 Strömungskanal für Heiz/Kühlmedium
15 Einlaß
16 Auslaß
17 Seitenwand
18 Seitenwand
20 Seitenwand
21 Oberfläche
22 Oberfläche
23 Katalysatorschicht
24 Katalysatorschicht
25 Mittelbereich

Claims (7)

1. Reaktor zum Herstellen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, mit wenigstens einem Strömungskanal (11) für den herzustellenden Brennstoff und mit wenigstens einem Strömungskanal (14) für ein Heiz/Kühlmedium, bei dem der Strömungskanal (11) für den Brennstoff und der Strömungskanal (14) für das Heiz/Kühlmedium in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufend ausgebildet sind und eine körperlich gemeinsame Seitenwand (20) aufweisen, durch die hindurch ein intensiver thermischer Austausch zwischen dem herzustellenden Brennstoff und dem Heiz/Kühlmedium stattfindet, wobei ferner die Seitenwand (20) oder die Seitenwände der Strömungskanäle (11, 14) jeweils aus einem bandförmigen Material, insbesondere aus Stahlblech, ausgebildet ist/sind und wobei der Strömungskanal (11) für den Brennstoff einen Katalysator für die Erzeugung des Brennstoffs aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator als zumindest bereichsweise an der Innenoberfläche des Strömungskanals (11) angeordnete Katalysatorschicht (23) ausgebildet ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (11) für den Brennstoff und der Strömungskanal (14) für das Heiz/Kühlmedium einen im wesentlichen viereckigen Querschnitt aufweisen.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der Oberfläche (21) der gemeinsamen Seitenwand (20), die dem Strömungskanal (14) für das Heiz/Kühlmedium zugewandt ist, eine Katalysatorschicht (24) angeordnet ist.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Strömungskanal (14) für das Heiz/Kühlmedium vorgesehene Katalysatorschicht (24) als Katalysatorschicht zur Unterstützung einer Oxidationsreaktion ausgebildet ist.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des herzustellenden Brennstoffs entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Heiz/Kühlmediums eingestellt oder einstellbar ist.
6. Brennstoffzellensystem mit einem Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Herstellen eines Brennstoffs für die Brennstoffzelle.
7. Fahrzeug mit elektrischem Fahrantrieb und Brennstoffzelle für die Lieferung des elektrischen Stroms zum Fahren, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug einen Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist zur Erzeugung des Brennstoffs für die Brennstoffzelle.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10056319A1 (de) * 2000-11-14 2002-05-16 Volkswagen Ag Reformer zur Wasserstofferzeugung und Verfahren zur Durchführung eines Reformierungsprozesses
EP1284159A3 (de) * 2001-08-08 2004-10-20 Bayer Technology Services GmbH Rohrreaktor auf Basis eines Schichtstoffes
CN113385110A (zh) * 2021-07-19 2021-09-14 上海方民科技有限公司 一种模块化固定床反应器

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