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DE10057418A1 - Reaktoreinheit und Reformeranlage - Google Patents

Reaktoreinheit und Reformeranlage

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DE10057418A1
DE10057418A1 DE2000157418 DE10057418A DE10057418A1 DE 10057418 A1 DE10057418 A1 DE 10057418A1 DE 2000157418 DE2000157418 DE 2000157418 DE 10057418 A DE10057418 A DE 10057418A DE 10057418 A1 DE10057418 A1 DE 10057418A1
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DE
Germany
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gas mixture
reactor unit
channels
heating fluid
sheet metal
Prior art date
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Application number
DE2000157418
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English (en)
Inventor
Rolf Brueck
Joerg Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority to DE2000157418 priority Critical patent/DE10057418A1/de
Publication of DE10057418A1 publication Critical patent/DE10057418A1/de
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Abstract

Reaktoreinheit (1) zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes, der Blechlagen (2) aufweist, die zumindest teilweise eine Wabenstruktur (3) bilden, welche für ein Fluid durchströmbar ist, wobei die Blechlagen (2) Heizfluidkanäle (4) parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung (5) und Gasgemischkanäle (6) parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfluidkanäle (4) und die Gasgemischkanäle (6) einen Winkel (8) einschließen, der vorzugsweise zwischen 45 DEG und 135 DEG , insbesondere etwa 90 DEG , beträgt. Ein derartiger, besonders dynamischer Reaktor eignet sich insbesondere zur Wasserdampfreformierung von kohlenwasserstoffhaltigen Fluiden in einer mobilen Brennstoffzellenanlage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Reaktoreinheit und eine einen solche Reaktoreinheit umfassende Reformeranlage eignen sich insbesondere zur Erzeugung von einem wasserstoffreichen Gasstrom, insbesondere zum Zwecke des Betriebes einer mobilen Brennstoffzelle, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.
Die Technologie der Brennstoffzelle basiert auf der Umkehrung der Wasserelektrolyse. Werden bei der Elektrolyse durch Stromfluß die Gase Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser bereitgestellt, so dreht sich bei der Brennstoffzelle diese Reaktion um. Demnach ist der Kraftstoff für eine Brennstoffzelle Wasserstoff, d. h. Wasserstoff kann als der eigentliche Brennstoff für die elektrochemische Umsetzung in Brennstoffzellen angesehen werden. Dabei liegt das Problem weniger in der Verwendung des Wasserstoffs, als vielmehr in seiner Erzeugung. Speziell für den Einsatz in mobilen Anwendungen ergibt sich dabei die Frage, ob der Wasserstoff direkt im Fahrzeug mitgeführt und verwendet wird, oder ob er in indirekter Form in sogenannten Wasserstoffträgern wie zum Beispiel Methanol, Benzin, etc. gespeichert wird und dann erst im Fahrzeug selbst in Wasserstoff umgewandelt wird. Da für den zum Betrieb von Brennstoffzellen notwendigen Wasserstoff noch keine Infrastruktur vorhanden ist und die Speicherung von Wasserstoff mit den heutigen Möglichkeiten noch sehr aufwendig ist, ist die Frage nach der Versorgung der Fahrzeuge mit Kraftstoff von elementarer Bedeutung. Aus diesem Grund wurde in den vergangenen Jahren die Entwicklung von wasserstofferzeugenden Nebenaggregaten im Fahrzeug (Reformer) stark vorangetrieben.
Mit dem Begriff Reformierung wird eine Reihe von Prozessen für die Produktion wasserstoffreicher Gase, sogenannter Reformate, bezeichnet. Der Einsatz von Katalysatoren im Reformer ermöglicht hierbei eine Beschleunigung sowie eine bessere Kontrolle der Prozesse. Nachfolgend werden die wichtigsten Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff kurz erläutert.
Bei der partiellen Oxidation wird dem verdampften Kohlenwasserstoff Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel zugegeben. Damit entsteht eine stark exotherme Oxidationsreaktion, die überschüssige Wärme produziert. Da die Reaktionswärme im Inneren des Reaktors entsteht, können prinzipiell gute Start- und Lastwechselzeiten erreicht werden. Der Wasserstoffgehalt des entstehenden Spaltgases ist jedoch niedrig (ca. 50% H2) und der CO-Gehalt hoch (ca. 3 bis 4% CO).
Unter den Möglichkeiten der Reformierung von Kohlenwasserstoffen ist die Dampfreformierung der am weitesten verbreitete Prozeß. Dabei wirkt Wasserdampf durch seinen Sauerstoffanteil einerseits als Oxidationsmittel, um den im Brennstoff enthaltenen Wasserstoff vom Kohlenstoff zu trennen und trägt andererseits selbst zur Wasserstoffproduktion bei. Daher ergeben sich für reine Dampfreformierungsprozesse schon bei niedrigem Temperaturniveau die höchsten Wasserstoffausbeuten aller Reformierungsprozesse.
Dampfreformierungsreaktionen sind stark endotherm und benötigen daher externe Wärmequellen. Die sich daraus ergebende Herausforderung liegt darin, trotz der notwendigen Wärmeübertragungsprozesse und der damit verbundenen Zeitkonstanten die Start- und Lastwechselzeiten des Reformers so gering wie möglich zu halten.
Ein kompakter Wasserdampfreformer ist beispielsweise aus der Patentschrift US 5,733,347 bekannt. Der plattenartig aufgebaute Dampfreformer weist einen Reformerbereich auf, in dem ein kohlenwasserstoffhaltiger Gasstrom mit Hilfe von Wasserdampf reformiert wird. Der Reformerbereich ist von ebenfalls plattenförmig aufgebauten Heizelementen umgeben. Der Reformerbereich ist weiter in zwei Randbereiche und einen Zentralbereich unterteilt, wobei das zu reformierende Gasgemisch zunächst die Randbereiche nahe den Heizelementen durchströmt, und anschließend im Gegenstrom durch den Zentralbereich geführt wird. Die einzelnen plattenartigen Elemente des Dampfreformers sind mit glatten und strukturierten Blechen aufgebaut, die zumindest teilweise katalytisch beschichtet und für einen Gasstrom durchströmbar sind. Die Strömungsrichtung der Gasströme in den benachbarten plattenförmigen Segmenten ist stets entgegengesetzt, wobei teilweise Mittel zur Umlenkung der Strömungsrichtung benötigt werden. Die plattenartigen Segmente weisen zudem eine gewisse Breite auf, so daß ein Wärmeübergang im wesentlichen nur zwischen den Teilgasströmen ausgetauscht werden kann, welche nahe der Wandung der Segmente entlangströmen. Dies kann zu einer inhomogenen Temperaturverteilung und somit auch zu einer unterschiedlichen Intensität der Reformierung führen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes anzugeben, die einfach aufgebaut ist und einen verbesserten Wärmeübergang vom Heizmedium zu dem zu reformierenden Gasgemischstrom gestattet. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Reaktoreinheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes weist Blechlagen auf, welche zumindest teilweise eine für ein Fluid durchströmbare Wabenstruktur bilden. Die Blechlagen weisen Heizfluidkanäle parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung und Gasgemischkanäle parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung auf. Die erfindungsgemäße Reaktoreinheit zeichnet sich dadurch aus, daß die Heizfluidkanäle und die Gasgemischkanäle einen Winkel einschließen, der vorzugsweise zwischen 45° und 135°, insbesondere etwa 90° beträgt.
Die Wasserdampfreformierung läuft vorzugsweise bei Temperaturen von 400° bis 700°C ab. Dies hat zur Folge, daß das in die Reaktoreinheit hineinströmende Gasgemisch möglichst schnell auf diese Temperatur erwärmt wird, um anschließend auch eine effektive Wasserstoffausbeute in der Reaktoreinheit erzielen zu können. Da das Gasgemisch im Betrieb mit einer vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit die Reaktoreinheit durchströmt, hat eine langsamere Erwärmung des Gasgemischstromes im Hinblick auf eine vorgebbare Wasserstoffausbeute eine axial längere Ausbildung der Gasgemischkanäle zur Folge. Die erfindungsgemäße Reaktoreinheit gewährleistet eine Anströmung des Heizfluids unter einem Winkel 45° bis 135° quer zur Gasgemischströmungsrichtung auf, wobei bereits im Eintrittsbereich des Gasgemischstromes in die Reaktoreinheit eine sehr große Temperaturdifferenz des Heizfluids gegenüber dem Gasgemischstrom ausgeprägt ist. Während bei einem Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip die höchsten Temperaturen des Gasgemischstromes auf der Austrittsseite festzustellen sind, wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine höhere Temperatur gerade im Eintrittsbereich erreicht. Die axiale Länge der Gasgemischkanäle kann dadurch reduziert werden, wodurch auch die Reaktoreinheit besonders kompakt ausgeführt werden kann. Zudem erleichtert eine gekreuzte Anordnung von Heizfluidkanälen und Gasgemischkanälen die Zuführung des Heizfluids beziehungsweise des Gasgemisches, da die entsprechenden Anschlüsse deutlich voneinander beabstandet angeordnet werden können.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Blechlagen geschichtet sind, wobei insbesondere die Blechlagen mit den Gasgemischkanälen zwischen zwei Blechlagen mit Heizfluidkanälen angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Blechlagen mit den Heizfluidkanälen jeweils zwischen zwei Blechlagen mit Heizfluidkanälen angeordnet ist, wobei diese im wesentlichen soweit voneinander beabstandet sind, wie die Strukturhöhe der Wabenstruktur der Blechlage mit den Gasgemischkanälen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß jeder Gasgemischkanal benachbart zu einer Blechlage mit Heizfluidkanälen angeordnet ist. Die Strukturhöhe der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise kleiner 5 mm. Eine derartig aufgebaute Reaktoreinheit gewährleistet einen besonders guten Wärmeaustausch zwischen dem Heizfluid und dem Gasgemischstrom.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Reaktoreinheit Blechlagen mit abwechselnd glatten und gewellten Blechen auf. Eine mit glatten und gewellten Blechen ausgeführte Reaktoreinheit ist besonders einfach herstellbar, sehr temperaturbeständig und erlaubt eine sehr flexible Formgebung der Reaktoreinheit.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung haben zumindest die Blechlagen, welche die Gasgemischkanäle bilden, eine katalytisch aktive Beschichtung. Vorzugsweise weisen alle Blechlagen eine katalytisch aktive Beschichtung auf. Für eine effektive Wasserstoffgewinnung mittels der Wasserdampfreformierung bereits bei tieferen Temperaturen (ca. 400°C) werden insbesondere katalytisch aktive Beschichtungen verwendet, die Kupferoxide, Zinkoxide, Nickeloxide oder Edelmetalle beinhalten.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weisen zumindest die Blechlagen, welche die Gasgemischkanäle bilden, Erhebungen zur Verwirbelung des Gasgemischstromes auf, die sich zumindest teilweise in die Gasgemischkanäle hineinerstrecken. Die Erhebungen bilden im Inneren der Gasgemischkanäle eine Art Strömungskante, wodurch das vorbeiströmende Gasgemisch verwirbelt wird. Auf diese Weise wird zum Beispiel der Wärmeaustausch innerhalb des Gasgemischstromes verbessert und somit rascher die für eine Dampfreformierung erforderliche Temperatur erreicht.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung sind die Blechlagen mit Blechen ausgeführt, wobei die Bleche Öffnungen aufweisen, die für den Gasgemischstrom zumindest teilweise durchströmbar sind. Die derart gebildeten kommunizierenden Gasgemischkanäle beziehungsweise Heizfluidkanäle gewährleisten eine Durchmischung des Gasstromes beziehungsweise Fluids. Während bei einer derartigen Ausgestaltung der Heizfluidkanäle eine effektivere Ausnutzung der zur Verfügung gestellten Wärmeenergie im Vordergrund steht, hat eine derartige Ausgestaltung der Bleche mit Öffnungen bei den Gasgemischkanälen auch eine positive Auswirkung hinsichtlich der Konzentrationsunterschiede von noch zu reformierenden Kohlenwasserstoffen im Gasgemischstrom. Dadurch wird eine höhere Wasserstoffausbeute sichergestellt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Bleche eine Dicke kleiner 0,08 mm aufweisen, vorzugsweise kleiner 0,04 mm, insbesondere kleiner 0,02 mm. Auf diese Weise haben die Blechlagen der Reaktoreinheit nur eine sehr geringe oberflächenspezifische Wärmekapazität, wodurch auch direkt nach dem Kaltstart einer solchen Reaktoreinheit ein sehr guter Wärmeübergang vom Heizfluid auf den Gasgemischstrom gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat die Reaktoreinheit zusätzliche Heizmittel, insbesondere eine elektrische Heizung. Gerade in Verbindung mit mobilen Reformeranlagen ist es wichtig, daß die Wasserdampfreformierung sehr schnell nach dem Start elementaren Wasserstoff produziert. Da die Wasserdampfreaktionen jedoch endotherm ablaufen, der Beginn der Wasserstoffproduktion somit temperaturabhängig ist, muß die benötigte Wärme unmittelbar nach dem Start der Reformeranlage zur Verfügung stehen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, zusätzliche Heizmittel wie beispielsweise eine elektrische Heizung vorzusehen. Die dazu notwendige Spannungsquelle (z. B. Batterie) kann beispielsweise auch bei mobilen Reformeranlagen mitgeführt werden. Somit ist gewährleistet, daß die Reformereinheit bereits erwärmt wird, bevor das Heizfluid eine entsprechende Temperatur aufweist und dann vorzugsweise ausschließlich die Einhaltung der erforderlichen Temperatur des Gasgemischstromes bewirkt.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Reaktoreinheit eine Einheitsquerschnittsfläche auf, wobei zumindest die Anzahl der Gasgemischkanäle pro Einheitsquerschnittsfläche in Gasgemischströmungs­ richtung zunimmt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Reaktoreinheit in Gasgemischströmungsrichtung mehrere Zonen aufweist, wobei zumindest die Kanaldichte der in Gasgemischströmungsrichtung zuletzt angeordneten Zone größer als 1000 cpsi ("cells per square inch") ist, vorzugsweise 1400 cpsi. Eine höhere Anzahl von Gasgemischkanälen in Gasgemischströmungsrichtung ist vorteilhaft, weil insbesondere in dem Bereich der Reaktoreinheit, in dem für die Wasserdampfreformierung geeignete Temperaturen vorliegen, durch die erhöhte Anzahl der Kanäle (bzw. Kanalwände) eine deutlich erhöhte Oberfläche bereitgestellt wird, die beispielsweise zu einer verbesserten katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe führt.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung hat die Reaktoreinheit in Gasgemischströmungsrichtung mehrere Zonen, wobei die in Gasgemisch­ strömungsrichtung zuerst angeordneten Zone eine geringere oberflächen­ spezifische Wärmekapazität aufweist als in der stromabwärts angeordneten Zone beziehungsweise den stromabwärts angeordneten Zonen. Dies bedeutet, daß dem einströmenden Gasgemischstrom und/oder Heizfluidstrom aufgrund der geringen oberflächenspezifischen Wärmekapazität in der ersten Zone nur eine sehr geringe Wärmemenge entzogen wird. Dies führt ebenfalls zur einer schnelleren Aufheizung des Gasgemischstromes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Reformeranlage zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches für eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, die eine Vorrichtung zur partiellen Oxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes und einer Abgasreinigungsanlage umfaßt. Die Reformeranlage zeichnet sich dadurch aus, daß diese eine erfindungsgemäße Reaktoreinheit aufweist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Reaktoreinheit der Vorrichtung zur partiellen Oxidation des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes in Gasgemischströmungsrichtung direkt nachgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß der Gasgemischstrom bereits durch die partielle Oxidation erwärmt wird und somit der Gasgemischstrom bereits beim Eintritt in die Reformereinheit nahezu eine für die Wasserdampfreformierung geeignete Temperatur aufweist. Auf diese Weise ist eine Reformeranlage geschaffen, die auch den hohen Anforderungen hinsichtlich Kaltstart- und Lastwechselverhalten zum Betrieb einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug erfüllt.
Weitere Vorteile und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigen:
Fig. 1 Schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform der Wabenstruktur der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit,
Fig. 2 ein Blockschaubild einer Reformeranlage mit Brennstoffzelle,
Fig. 3 eine Detailansicht einer Ausführungsform einer Blechlage,
Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer Blechlage,
Fig. 5 schematisch einer Reaktoreinheit mit einer elektrischen Heizung und
Fig. 6 schematisch eine weitere Ausführungsform der Reaktoreinheit.
Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch eine erste Ausführungsform einer für ein Fluid durchströmbaren Wabenstruktur 3 einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1. Die Wabenstruktur 3 einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1 ist mit Blechlagen 2 gebildet, wobei die Blechlagen 2 Heizfluidkanäle 4 parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung 5 und Gasgemischkanäle 6 parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung 7 aufweisen. Die Heizfluidkanäle 4 und die Gasgemischkanäle 6 schließen einen Winkel 8 ein, der etwa 90° beträgt. Die Blechlagen 2 umfassen glatte Bleche 9 und gewellte Bleche 10. Die Bleche 9 und 10 begrenzen die Kanäle 6 und 4, wobei die Kanäle eine Länge 26 und eine Strukturhöhe 27 aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform zeigt Blechlagen 2 mit Gasgemischkanälen 6, die jeweils zwischen zwei Blechlagen 2 mit Heizfluidkanälen 4 angeordnet sind. Dabei ist jeder einzelne Gasgemischkanal 6 benachbart zu einer Blechlage 2 mit Heizfluidkanälen 6 angeordnet.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaubild einer Reformeranlage 19 mit einer nachgeschalteten Brennstoffzelle 20. Dabei werden ein kohlenwasserstoffhaltiger Gasstrom (CmHn) und ein sauerstoffhaltiger Gasstrom (O2) zunächst einer Vorrichtung 21 zur partiellen Oxidation zugeführt. Bei einer Verbrennung dieser beiden Gasströme wird ein wasserstoffreicher Gasgemischstrom erzeugt, der weiter stromabwärts einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1 zugeführt wird. Der Reaktoreinheit 1 wird dazu ein Heizfluid zugeführt, welches hier als erhitztes Wasser ausgeführt ist. Der Reaktoreinheit 1 schließt sich stromabwärts 7 eine Abgasreinigungsanlage 22 an. In der Abgasreinigungsanlage 22 werden Restmengen von Kohlenmonoxid im Gasgemischstrom eliminiert. Das derart erzeugte, besonders reine, wasserstoffreiche Gasgemisch wird nun einer Brennstoffzelle 20 zugeführt, die mit Hilfe des zur Verfügung gestellten Wasserstoffs Energie erzeugt. Eine derartige Reformeranlage eignet sich insbesondere für den Einbau in Kraftfahrzeugen, da sie sich durch ein besonders gutes Anspring- und Lastwechselverhalten auszeichnet.
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht einer Blechlage 2 mit Gasgemischkanälen 6, die von einem Gasgemisch in einer Gasgemischströmungsrichtung 7 durchströmbar sind. Die Blechlage 2 umfaßt ein gewelltes Blech 10 und ein glattes Blech 9. Das gewellte Blech 10 ist hierbei mit Erhebungen 12 ausgeführt, die sich in zumindest einen Teil der Gasgemischkanäle 6 hinein erstreckt. Die Erhebungen 12 wurden hier in das gewellte Blech 10 geprägt, wobei diese nur zu einer Seite des gewellten Blechs 10 hervorstehen. Bei einer anderen Ausgestaltung, wie beispielsweise einer zweiseitigen Prägung erstrecken sich die Erhebungen 12 in vorzugsweise alle Gasgemischkanäle 6. Die Erhebungen 12 verlaufen hierbei quer zur Gasgemischströmungsrichtung 7, um eine effektive Verwirbelung des Gasgemischstromes zu bewirken. Die Erhebungen 12 haben vorzugsweise eine Höhe, die kleiner als 30%, insbesondere kleiner 10%, der Strukturhöhe 27 der Wabenstruktur 3 beträgt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Blechlage 2 aus glatten 9 und gewellten Blechen 10. Die Bleche 9 und 10 haben eine Dicke 14, die vorzugsweise kleiner 0,08 mm beträgt. Die dargestellte Blechlage 2 bildet Gasgemischkanäle 6, die in einer Gasgemischströmungsrichtung 7 von einem Gasgemisch durchströmt werden. Die Gasgemischkanäle 6 weisen eine katalytisch aktive Beschichtung 11 auf. Die gewellten Bleche 10 weisen Erhebungen 12 und Öffnungen 13 auf, um eine Durchmischung des durchströmenden Gasgemischstromes zu bewirken. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die Erhebungen 12 in alle Gasgemischkanäle 6 der Blechlage 2. Die Erhebungen 12 sind bei dieser Ausführungsform höher als bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ausgebildet.
Die Blechlagen 2 mit den Heizfluidkanälen 4 können bei einer weiteren Ausführungsform auch wie die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Blechlagen 2 ausgeführt sein.
Fig. 5 zeigt schematisch und perspektivisch eine Reaktoreinheit 1 mit einer elektrischen Heizung 15. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde hierbei auf eine maßstabsgetreue Darstellung der Kanäle in Relation zur Größe der Reaktoreinheit 1 verzichtet. Wie bereits erläutert, weist die Reaktoreinheit 1 vorzugsweise eine Kanaldichte von mehr als 1000 cpsi auf. Die elektrische Heizung 15 ist über Anschlüsse 16 mit den Blechlagen 2 so verbunden, daß im Inneren der Reformereinheit 1 ein Strompfad 24 gebildet ist. Der Strompfad 24 kann beispielsweise mit Hilfe einer isolierenden 23 Beschichtung der glatten Bleche 9 und stromdurchflossenen gewellten Blechen 10 oder beispielsweise durch einen in das Innere der Reformereinheit 1 angeordneten Heizdraht ausgeführt sein. Um einen Strompfad 24 gleichmäßig verteilt in der Reaktoreinheit anzuordnen, können beispielsweise Leitbleche 25 verwendet werden, die zur Stromweiterleitung zu vorgebbaren Stellen der Reaktoreinheit 1 dienen, die dargestellte Reaktoreinheit 1 ist zudem nach außen durch eine Isolierung 23 geschützt, so daß ein Fehlstrom vermieden wird.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Reaktoreinheit 1, welche eine Einheitsquerschnittsfläche 17 und in Gasgemischströmungsrichtung hintereinander angeordnete Zonen 18 aufweist. Die in Gasgemischströmungsrichtung 7 zuletzt angeordnete Zone 18.3 weist dabei vorzugsweise eine Anzahl von Gasgemischkanälen 6 pro Einheitsquerschnittsfläche 17 von größer als 1000 cpsi auf.
Bezugszeichenliste
1
Reaktoreinheit
2
Blechlage
3
Wabenstruktur
4
Heizfluidkanal
5
Heizfluidströmungsrichtung
6
Gasgemischkanal
7
Gasgemischströmungsrichtung
8
Winkel
9
glattes Blech
10
gewelltes Blech
11
Beschichtung
12
Erhebung
13
Öffnung
14
Dicke
15
elektrische Heizung
16
Anschluß
17
Einheitsquerschnittsfläche
18
Zone
19
Reformeranlage
20
Brennstoffzelle
21
Vorrichtung
22
Abgasreinigungsanlage
23
Isolierung
24
Strompfad
25
Leitblech
26
Länge
27
Strukturhöhe
28
Zuleitung

Claims (10)

1. Reaktoreinheit (1) zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasser­ stoffhaltigen Gasgemischstromes, die Blechlagen (2) aufweist, welche zumindest teilweise eine für ein Fluid durchströmbare Wabenstruktur (3) bilden, wobei die Blechlagen (2) Heizfluidkanäle (4) parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung (5) und Gasgemischkanäle (6) parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfluidkanäle (4) und die Gasgemischkanäle (6) einen Winkel (8) einschließen, der vorzugsweise zwischen 45° und 135°, insbesondere etwa 90° beträgt.
2. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen (2) geschichtet sind, wobei insbesondere die Blechlagen (2) mit den Gasgemischkanälen (6) jeweils zwischen zwei Blechlagen (2) mit Heizfluidkanälen (4) angeordnet sind.
3. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen (2) mit abwechselnden glatten (9) und gewellten Blechen (10) ausgeführt sind.
4. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanäle (6) bildenden Blechlagen (2) eine katalytisch aktive Beschichtung (11) aufweisen, vorzugsweise weisen alle Blechlagen (2) eine katalytisch aktive Beschichtung (11) auf.
5. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanäle (6) bildenden Blechlagen (2) Erhebungen (12) zur Verwirbelung des Gasgemischstromes aufweisen, die sich zumindest teilweise in die Gasgemischkanäle (6) hinein erstrecken.
6. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Blechlagen (2) mit Blechen (9, 10) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9, 10) Öffnungen (13) aufweisen, die für den Gasgemischstrom zumindest teilweise durchströmbar sind.
7. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Blechlagen (2) mit Blechen (9, 10) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9, 10) eine Dicke (14) kleiner 0,08 mm aufweisen, vorzugsweise kleiner 0,04 mm, insbesondere kleiner 0,02 mm.
8. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoreinheit (1) zusätzliche Heizmittel (15, 16, 23, 24, 25), insbesondere eine elektrische Heizung (16) aufweist.
9. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Reaktoreinheit (1) eine Einheitsquerschnittsfläche (17) hat, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Anzahl der Gasgemischkanäle (6) pro Einheitsquerschnittsfläche (17) in Gasgemischströmungsrichtung (7) zunimmt.
10. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 9, wobei die Reaktoreinheit (1) in Gasgemischströmungsrichtung (7) mehrere Zonen (18, 18.1, 18.2, 18.3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanaldichte der in Gasgemischströmungsrichtung (7) zuletzt angeordneten Zone (18) größer als 1000 cpsi ist, vorzugsweise größer 1400 cpsi.
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